密級： 論文編號： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 博士學(xué)位論文 規(guī)模經(jīng)營條件下土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理研究 on h D on I 摘 要 應(yīng)用現(xiàn)代地統(tǒng)計學(xué)和地理信息技術(shù)在上海崇明島研究 了 規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)場土壤有效養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量的空間變異規(guī)律 ； 整合 了 田間計算機(jī)、 及變量 控制 系統(tǒng) 到國產(chǎn)拖拉機(jī)上 進(jìn)行了變量施肥的初步實踐，并對水稻變量施用氮肥的效應(yīng)進(jìn)行了研究，取得如下研究結(jié)果： 1 本研究中利用 土壤養(yǎng)分狀況 系統(tǒng)研究法對試驗農(nóng)場土壤養(yǎng)分狀況 進(jìn)行了 評價，土壤酸度 呈 中性 偏 堿；土壤養(yǎng) 分中有效鈣、硫、硼、銅、鐵、錳屬于含量非常豐富的元素；大量營養(yǎng)元素磷和鉀屬于 中等偏低，而有效氮含量很低； 土壤有效鋅含量低于臨界值。 2 通過對農(nóng)場 477 個有效土壤采樣點土壤有效養(yǎng)分以及 的常規(guī)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分屬性并不完全呈正態(tài)分布，土壤有效磷和有效鈣含量呈對數(shù)正態(tài)分布； 在農(nóng)場范圍內(nèi) 土壤酸度有很小的變異 ，土壤有效硼、硫、鋅含量的變異較大，變 異系數(shù)超過 50%； 有效氮 為 中等 變異 ，其它元素都有不同程度變異 ，變異系數(shù) 在大約 16 30之間 3 對幾個地塊內(nèi)采樣點 土壤 養(yǎng)分的 方差 分析表明，地塊內(nèi)部養(yǎng)分變異小于 地塊之間的變 異 ，表明養(yǎng)分 規(guī)模經(jīng)營條件下農(nóng)場土壤養(yǎng)分含量的 空間變異與地塊的耕作、施肥農(nóng)藝措施 的影響有密切 關(guān)系。 4 半方差分析 結(jié)果表明，土壤 不僅 變異很小，空間結(jié)構(gòu)性也很弱，表明土壤酸度是一種與土壤發(fā)育密切相關(guān)的屬性，施肥等農(nóng)藝措施的不同對土壤酸度影響較小 ；其它各土壤有效養(yǎng)分含量 盡管受施肥、灌水等農(nóng)藝的影響，仍然保持著一定的空間 自相關(guān)。 5 采用偏相關(guān)分析 研究了在試驗農(nóng)場土壤各有效養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系， 結(jié)果表明土壤有效鐵含量與作物產(chǎn)量負(fù)相關(guān)達(dá)到極顯著水平；有效鈣、磷和硫 含量 與作物產(chǎn)量顯著正相關(guān)，其它 有效養(yǎng)分的指標(biāo) 與產(chǎn)量的 相關(guān)性則均未達(dá)到顯著水平。 6 變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的核心內(nèi)容，本試驗將美國 司的 全球 定位系統(tǒng) 田間計算機(jī) 及美國 司的變量控制器 合到國產(chǎn)鐵牛 75 馬力 拖拉機(jī)上，成功的形成了變量控制施肥機(jī)械系統(tǒng)。 7 采用差分式全球定位系統(tǒng) ，網(wǎng)格 法 采集土壤樣品 ， 使用 統(tǒng)研究法進(jìn)行土壤 有效氮和有機(jī)質(zhì)含量的測試；使用 地理信息技術(shù)和 值的方法，對土壤有機(jī)質(zhì)和有效氮含量 在試驗田塊內(nèi)的空間分布進(jìn)行 預(yù)測 ， 結(jié)合 薦施肥模型，生成了整個操作田塊的氮肥施用的變量施肥圖，可供 航下的機(jī)械變量施肥同時也可以使用手工變量施肥，或者用作常規(guī)施肥的指導(dǎo)。 8 通過田間實踐，開發(fā)的變量控制施肥系統(tǒng)工作狀況良好，完成了整個操作田塊的變量施肥，真正實現(xiàn)了發(fā)達(dá)國家目前大力推行的變量控制施肥。 9 變量施肥精度試驗結(jié)果證明變量旋耕施肥機(jī) 完全可以達(dá)到相當(dāng)精確的變量排肥，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量施肥的需求。試驗只對尿素進(jìn)行了測試，對于粒徑和顆粒表面光滑度不同的其它種類的肥料適用性還需要進(jìn)一步測試。 10 變量施肥試驗結(jié)果表明，手工變量施肥 和機(jī)械變量施肥和恒量 對照施肥相比土壤有效氮和有機(jī)質(zhì)含量變異并沒有變得更小， 但是空間分布圖表明變量施肥使得土壤有效氮和有機(jī)質(zhì)空間 的分布更加均勻。 11 試驗結(jié)果顯示對于變量施肥處理，隨著 土壤 采樣尺度 變小 ，產(chǎn)量也有上升的趨勢，但是采樣尺度的減小意味著土壤樣品采集數(shù)量的幾何 級數(shù) 的增加，本試驗中最大采樣網(wǎng)格 50 米水稻產(chǎn)量比 10 米網(wǎng)格區(qū)變量施肥產(chǎn)量低 198kg/慮到 10 米網(wǎng)格將極大增加變量施肥的成本，變量施肥 40 或 50 米網(wǎng)格是可以接受的。 12 機(jī)械 變量施肥 和手工施肥處理 水稻產(chǎn)量 并無顯著差異，表明變量施肥機(jī)械的變量施用 氮肥是成功的；產(chǎn)量空間分布圖表明變量施肥導(dǎo)致產(chǎn)量空間分布更為均勻。 關(guān)鍵詞 土壤有效養(yǎng)分；空間變異；變量施肥 on in of by to a of RF of RF on as 1 to of SI in in in 2 of pH 77 of a of pH of of , S n 0%. of of of 6% 0%. 3 on of in it on s It a of of as 4 of pH a pH by as to in of a by as so 5 of on a of e a of , S 6 is in s s s 7 by in of SI IS IV of to of of SI of be to or 8 of in by in to by 9 in by it of in it of of of 10 of on a of e a of , S 11 RF RF of on RF in a of so 0m 0m be 12 no RF by by It RF in of RF in of V 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 我國化肥利用現(xiàn)狀及土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的提出 1 1 2 國內(nèi)、外土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的研究現(xiàn)狀 2 1 2 1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展概述 2 1 2 2 土壤樣品采集和土壤養(yǎng)分信息空間變異研究 3 1 2 2 1 土壤養(yǎng)分的空間變異研究的方法 3 1 2 2 2 土壤養(yǎng)分的空間變異與預(yù)測研究進(jìn)展 6 1 2 3 土壤信息的管理的施肥決策的形成 6 1 2 4 變量施肥技術(shù) 8 1 3 研究內(nèi)容、技術(shù)路線和論文組織 9 第二章 材料和方法 11 2 1 位系統(tǒng)與土壤樣品采集 11 2 1 1 介 11 2 1 2 位精度測試 12 2 1 3 土壤取樣中應(yīng)用 12 2 1 3 1 樣定位坐標(biāo)的選擇與處理 12 2 1 3 2運(yùn)用 13 2 2 土壤養(yǎng)分測試與推薦施肥系統(tǒng) 13 2 3 地統(tǒng)計學(xué)和地理信息技術(shù) 14 2 3 1 半方差函數(shù)（ 其模型 15 2 3 2 優(yōu)內(nèi)插估值法 17 2 4 變量施肥系統(tǒng) 19 2 5 試驗基本設(shè)計 19 第三章 規(guī)模經(jīng)營農(nóng)場土壤養(yǎng)分及其變異規(guī)律研究 21 引言 21 3 1 材料和方法 22 3 1 1 試驗區(qū)概況 22 3 1 2 土壤和作物產(chǎn)量信息的采集 23 3 1 3 土壤樣品的測試 23 3 1 4 數(shù)據(jù)處理 24 3 2 結(jié)果與分析 24 3 2 1 農(nóng)場尺度下土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計 24 3 2 1 1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理 24 3 2 1 2 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計 24 3 2 1 3 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的相關(guān)性分析 32 3 2 2 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的空間變異特征 32 3 2 2 1 土壤養(yǎng)分屬性空間變異的分解 32 3 2 2 2 土壤養(yǎng)分屬性變異的半方差分析 36 2 2 3 農(nóng)場土壤養(yǎng)分屬性的空間分布 37 3 3 地塊內(nèi)土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量的變異 42 3 3 1 地塊內(nèi)土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計 42 3 3 2 作物產(chǎn)量和土壤各有效養(yǎng)分的相關(guān)分析 43 3 4 本章主要結(jié)論 43 第四章 變量施肥的實施研究 46 4 1 變量控制施 肥系統(tǒng) 46 4 1 1 試驗使用的設(shè)備 46 4 1 2 變量控制施肥系統(tǒng)原理和組成 47 4 2 變量控制施肥的實施 50 4 2 1 變量施肥實施技術(shù)流程 50 4 2 2 試驗田的設(shè)置和土壤樣品采集測試 51 4 2 3 推薦施肥模型 51 4 2 4 變量施肥圖的生成 52 4 2 5 機(jī)械變量施肥的實施過程 53 4 2 6 人工變量施肥的實施過程 55 4 3 變量施肥系統(tǒng)的精度研究 56 4 4 本章小結(jié) 56 第五章 變量精準(zhǔn)施肥效果研究 57 5 1 材料和方法 58 5 1 1 試驗設(shè)計 59 5 1 2 采樣和測試 59 5 1 3 數(shù)據(jù)處理 59 5 2 結(jié)果與分析 59 5 2 1 試驗農(nóng)田土壤養(yǎng)分的基本狀況 59 5 2 2 變量施氮對土壤養(yǎng)分空間分布的影響 60 5 2 3 變量施氮對產(chǎn)量及其空間變異的影響 62 5 2 3 1 不同處理下按網(wǎng)格區(qū)收獲水稻產(chǎn)量 62 5 2 3 2 變量施肥對水稻產(chǎn)量空間分布的影 響 62 5 2 3 3 變量施肥對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響 63 5 3 本章主要結(jié)論 64 第六章 研究主要結(jié)論 65 6 1 全文主要結(jié)論 65 6 2 本文創(chuàng)新之處 67 參考文獻(xiàn) 68 致 謝 75 文縮略表 英文縮寫 英文全稱 中文名稱 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 量施肥 理信息系統(tǒng) 國國際農(nóng)化服務(wù)中心 機(jī)質(zhì) 準(zhǔn)養(yǎng)分管理 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 我國化肥利用現(xiàn)狀及土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的提出 據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計，化肥對糧食的貢獻(xiàn)率占 4 0%左右 (劉愛民等， 2000)。因此，在一定意義上可以認(rèn)為，肥料問題就是糧食問題。要解決中國的糧食問題， 首先應(yīng)該解決肥料生產(chǎn)及應(yīng)用中存在的問題。自 20 世紀(jì) 70 年代以來，我國的化肥施用量迅速增加，到 1990 年己成為世界上最大的化肥消費(fèi)國 （李健民， 2001）。 2002 年我國化肥消費(fèi)量達(dá) 4339 萬噸（純養(yǎng)分），占世界總消費(fèi)量的 1/3（中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒， 2003）。 但 是近年來，化肥投入和產(chǎn)出極不相稱，我國氮素當(dāng)季利用率為 30%大大低于美國和日本的氮素利用率 (可達(dá) 60 70% )，而地域和養(yǎng)分不平衡又進(jìn)一步減少了肥效。同時，我國的化肥現(xiàn)狀存在需求和供應(yīng)的矛盾，氮肥消耗量遠(yuǎn)大于生產(chǎn)量，還需大量進(jìn)口， 1996 年進(jìn)口的尿素約占世界出口量的 49. 5% (謝建昌， 1998)。 化肥施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，而且引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染，出現(xiàn)了地表水富營養(yǎng)化，地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)等問題，化肥尤其是氮肥己成為主要的環(huán)境污染源之一 (崔玉亭， 2000)。據(jù)京、津、唐地區(qū) 69 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水和飲用水取樣分析，硝酸鹽含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)的占一半以上 (王曉方等， 1998)。如何在當(dāng)前與未來在不加劇或減少環(huán)境污染的前提下謀求可持續(xù)發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)面臨的重要問題。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（ 近年來國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點領(lǐng)域，是人們在探索21 世紀(jì)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)發(fā)展的過程中，為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的盲目投入，節(jié)約成本，增加產(chǎn)量，提高農(nóng)資利用率，減少環(huán)境污染，阻止生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，而提出的一種新思想。其含義是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項農(nóng)業(yè)投入 (如化肥、農(nóng)藥、水、種子和其它方面的投入量 )，以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時減少化學(xué)物質(zhì)使用，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源 (et 1994；汪愗華， 1999； 2000；金繼運(yùn)， 2001)。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)充分地利用了作物、土壤和病蟲害的空間和時間變化量來進(jìn)行耕作和田間管理，改變傳統(tǒng)的以大片土地平均施用化肥的做法，既保證了作物生產(chǎn)潛力的充分發(fā)揮，又避免了過量施肥造成的環(huán)境危害。 2001的農(nóng)業(yè)科技發(fā)展綱要也提出，要推進(jìn)新的農(nóng)業(yè)科技革命，實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的跨越，盡快縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。要在農(nóng)業(yè)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)上取得重大突破，促進(jìn)先進(jìn)適用的技術(shù)及時充分的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中去。因此根據(jù)土壤養(yǎng)分的空間變異情況因地制宜的 調(diào)整肥料用量的變量精準(zhǔn)施肥技術(shù)也成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的中研究熱點，并被認(rèn)為是現(xiàn)有的施肥技術(shù)的很有希望的升級技術(shù)之一。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 內(nèi)、外土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的研究現(xiàn)狀 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展概述 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（ 思想及其技術(shù)是上個世紀(jì) 90 年代以來國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點領(lǐng)域。它是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)整各項土壤和作物管理措施，最大限度的優(yōu)化使用各項農(nóng)業(yè)投入 ，以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益（金繼運(yùn)， 1998），即一方面要查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入。 美國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是 20 世紀(jì) 70 年代起步，開始注意土壤與農(nóng)作物條件的變化與改善管理的關(guān)系， 80 年代初開始有已有精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的商業(yè)化使用，直到 1992 年，明尼蘇達(dá)大學(xué)土壤系在程惠賢教授指導(dǎo)下開始使用“ 詞，并為學(xué)校、公司、 政府機(jī)構(gòu)普遍接受。之后，美國農(nóng)學(xué)會（ 作物學(xué)會（ 土壤學(xué)會（ 同在明尼蘇達(dá)大學(xué)每隔兩年舉行一次精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)國際研討會。應(yīng)該指出的是，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是個整體的系統(tǒng)概念，目前應(yīng)用的只是其中的少部分。 1998 年 1998）曾做過抽樣調(diào)查對比， 美國中西部以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)發(fā)展較好，在那里以 基礎(chǔ)服務(wù)的機(jī)械、種子、肥料電子產(chǎn)品的等銷售商很多。所以將調(diào)查分為兩類：一類針對以 基礎(chǔ)提供服務(wù)的，主要在中西部地區(qū)，另一類針對美國全國，銷售商為農(nóng)業(yè)提供一般性 服務(wù)，其中包括為 供服務(wù)部分。 表 1 1 說明美國農(nóng)民采用 則指導(dǎo)生產(chǎn)與銷售商提供的 術(shù)服務(wù)之間仍然有很大差距，其阻力來自于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和條件多方面的原因。而另一項調(diào)查（ 1998）進(jìn)一步表明在未采用 一組人群中，主要是由較低教育水平、無計算機(jī)、少經(jīng)驗、少時間、少土地的農(nóng)民組成。 日本對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究始于 1995 年，由于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)一般經(jīng)營規(guī)模越大效益越明顯，而日本的農(nóng)業(yè)經(jīng)營規(guī)模小，零散，因而發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)必須考慮規(guī)模和施用具體精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)系。對 者探討了不同經(jīng)營規(guī)模的下實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的相應(yīng)技術(shù)（見表 1 2，楊印生， 2001） 日本學(xué)者對于不同經(jīng)營規(guī)模實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采用的相應(yīng)技術(shù)的分析和美國有關(guān) 用的這兩個調(diào)查也提示我們在中國發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵是要把握精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的思想內(nèi)涵，在推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的過程中不能一味追求高新，要結(jié)合中國國情，開發(fā)適合中國不同地區(qū)條件、不同經(jīng)營條件的農(nóng)業(yè)機(jī)械、方法和軟件。 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 表 1 1 精確農(nóng)業(yè)項目服務(wù)與使用調(diào)查 of A 項目 以 基礎(chǔ)提供服務(wù) 提供一般性農(nóng)業(yè)服務(wù) 農(nóng)民 采用 用 土壤取樣調(diào)查 40 8 用 地塊圖 31 6 產(chǎn)量圖監(jiān)測 26 14 單項 制機(jī)械 20 7 銷售商 提供 用 土壤取樣調(diào)查 82 28 用 地塊圖 74 24 產(chǎn)量圖監(jiān)測 61 12 單項 制機(jī)械 59 17 推廣阻 力來自 經(jīng)濟(jì)原因 49 42 新技術(shù)原因 21 13 正慢慢改進(jìn) 41 38 表 1 2 經(jīng)營規(guī)模和相應(yīng)技術(shù) 2 A 經(jīng)營規(guī)模 /位系統(tǒng) 土壤信息圖 產(chǎn)量圖 小區(qū)管理與株管理 0 1 經(jīng)驗與直覺 按田間平均值處理 按田間平均值處理 作業(yè)監(jiān)控，小型精密機(jī)械作業(yè)者判斷 1 10 測量的自動化 田間內(nèi)空間分布，土壤傳感器 田間產(chǎn)量分布產(chǎn)量傳感器 作業(yè)監(jiān)控，自動化機(jī)械作業(yè)者的判斷 10 50 測量的自動化用 土壤傳感器，土壤作圖自動化 量傳感器 株測判斷自動化，自動化機(jī)械 50 以上 壤傳感器 量傳感器 測判斷自動化，大型機(jī)械控制 1 2 2 土壤樣品采集和土壤養(yǎng)分信息空間變異研究 壤養(yǎng)分的空間變異研究的方法 土壤屬性的空間變異是指一個質(zhì)地視為均勻的區(qū)域內(nèi)，在同一時間不同點上的土壤性質(zhì)存在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 明顯的差異性（雷志棟， 1985）。對于這種差異性，以往常采用 計分析方法來分析。但是計是以假設(shè)樣本之間完全獨(dú)立且服從正態(tài)分布為前提的。然而研究證明（ 1985）許多 土壤性質(zhì)在空間上并不是完全獨(dú)立的，而是在一定的范圍內(nèi)存在空間上的相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)對經(jīng)典的 計理論提出了質(zhì)疑。 80 年代初， 980)等人將區(qū)域變量理論運(yùn)用到土壤性質(zhì)空間變異性研究，并加以豐富和完善，使之定量化，從而大大推動了這一研究向前發(fā)展，加之最近精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的興起，這一研究已經(jīng)成為土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的最前沿的熱點之一（ 1988；張淑娟等， 2003）。 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實施基礎(chǔ)是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況、病蟲草害等）實 際存在的空間和時間上的差異性信息（汪懋華， 1999），包括養(yǎng)分狀況在內(nèi)的土壤屬性空間變異信息的獲取是則是實施變量施肥的基礎(chǔ)（ 1996； 1999；白由路， 2001）。因而不同條件土壤屬性的空間變異情況、空間變異的研究方法、土壤屬性的空間變異及其和作物產(chǎn)量關(guān)系是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量施肥研究的起點。國內(nèi)外土壤屬性空間變異研究的趨勢之一就是在網(wǎng)格取樣和指導(dǎo)取樣的基礎(chǔ)上采用地統(tǒng)計學(xué)方法來揭示土壤特性的變異規(guī)律（徐吉炎，1983）。近幾年關(guān)于不同條件下農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。 目前 的變量精準(zhǔn)施肥基于作物產(chǎn)量圖和土壤養(yǎng)分變異圖兩種方式或者兩種方式相結(jié)合，因而土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量信息的獲取技術(shù)對于變量精準(zhǔn)施肥來說是至關(guān)重要的，如果沒有高密度的農(nóng)田信息（土壤養(yǎng)分信息、作物產(chǎn)量信息等）獲取技術(shù)的突破，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)難以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和太大的應(yīng)用范圍（趙春江， 2003）。 而 田間采樣仍然是了解和認(rèn)識土壤屬性空間差異的主要手段，由于傳統(tǒng)的土壤采樣和測試的耗費(fèi)巨大的人力和物力，樣品需要量和成本是一對矛盾。綜合考慮土壤采集和化驗分析的成本，以及客觀準(zhǔn)確地反映土壤養(yǎng)分空間分布信息量的需求，如何制定高效的土壤 采集策略是國內(nèi)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究焦點。有些學(xué)者采用 t 測試的方法確定最佳采樣密度(1989: et 1992 ； et 1998)，有些則提出根據(jù)土壤不同屬性的相關(guān)距來確定采樣間隔 (et 1998； et 996)。王珂等 (2001)認(rèn)為合理的布點方式可以減少采樣點個數(shù)。 1999)在綜述了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所需的數(shù)據(jù)獲取方法的基礎(chǔ)上，認(rèn)為在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中沒有可以利用的通用尺度。 在土壤信息采集和 空間分布預(yù)測的研究中 田間采樣方式、合理的取樣數(shù)、養(yǎng)分的空間預(yù)測方法是影響準(zhǔn)確獲取農(nóng)田養(yǎng)分空間變異信息的 3 個主要因素。 在進(jìn)行土壤養(yǎng)分的空間變異研究和預(yù)測時土壤的空間位置信息獲取是必要的一步。全球定位系統(tǒng) ( 發(fā)展，為我們在農(nóng)田土壤養(yǎng)分信息獲取時的位置信息的同步獲取提供了一個方便的選擇。 農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用開始于美國、加拿大、澳大利亞等西方發(fā)達(dá)國家。在這些國家中， 基礎(chǔ)設(shè)施都比較完善，信標(biāo)臺 (海上信標(biāo)和陸地信標(biāo) )、調(diào)頻副載波差分和廣域差分系統(tǒng)基 本上覆蓋了這些國家的全境，農(nóng)業(yè)中 用可以直接使用這些設(shè)施，一般在儀器和農(nóng)業(yè)機(jī)械上都帶有 收機(jī)或有為 留的接口，并且有專門的公司作各種收費(fèi)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用服務(wù)。而在我國， 前， 沿海區(qū)域可以使用信標(biāo)外，其它區(qū)域只能建立局域?qū)崟r動態(tài)差分 統(tǒng)。隨著國內(nèi) 業(yè)硬件研發(fā)和生產(chǎn)的興起，基于國產(chǎn)品牌的 備構(gòu)建農(nóng)用 統(tǒng)將成為一種發(fā)展趨勢。 在基于精確置的農(nóng)田信息采集方面，國外已經(jīng)有成熟的軟硬件產(chǎn)品。美國 司的基于掌上電腦的信息采集軟件 很好地滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)田信息采集的需要。通過與 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 連接，能實時采集帶有空間位置屬性的田間作物生長狀態(tài)信息 (甚至作物生長狀態(tài)的圖像、注解聲音等多媒體信息 )，并能做相應(yīng)的計算處理，為作物管理提供科學(xué)依據(jù)。美國 60 實現(xiàn)田間成圖、各種作物及其生長環(huán)境屬性信息記錄、獲取來自各種田間環(huán)境傳感器的信息，所有獲取的數(shù)據(jù)能通過 件格式與外界進(jìn)行交換。日本目前正在研究覆蓋農(nóng)場區(qū)域的有限尺度定 位系統(tǒng)（趙春江， 2003），該系統(tǒng)不依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)，精確度很容易達(dá)到厘米級，且不易受時間、環(huán)境變化的影響，可能是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)定位系統(tǒng)的更佳選擇。 土壤養(yǎng)分空間變異研究中常用的采集土樣的方法是網(wǎng)格法。網(wǎng)格取樣是指把研究區(qū)域分成很多大小一致的格子，在每個格子中單獨(dú)取樣。分析結(jié)果與取樣點的地理位置進(jìn)行綜合，從而形成所研究性狀的分布圖。這些格子的形狀可以不同，有正方形、長方形、三角形等（ 994； 1999）。有兩種基本的取樣方式，即網(wǎng)點取樣和格內(nèi)取樣。這種取樣方法在許多文獻(xiàn)都有描 述，其方法設(shè)計也是可以接受，但有很多限制因素，如網(wǎng)格取樣按照一定的格式，而土壤性狀和田塊的形狀的變化卻并不規(guī)范。王珂等以英國 業(yè)研究所附近的一塊 用地統(tǒng)計的半方差分析和克立格方法研究其空間變異性和空間插值（王珂，2001），同時對研究田塊的樣點根據(jù)不同間距、不同形狀進(jìn)行刪選，對不同布局狀況下的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計比較，以獲取滿足一定精度下的最少采樣個數(shù)和采樣形狀。研究結(jié)果表明，單純利用樣方統(tǒng)計，土壤有效鉀需要 65 個采樣點，大致為原始采樣點的一半。而在考慮空間采樣形 狀和空間插值效果，再采用最小顯著性差異 (行比較，該田塊土壤有效鉀采樣最好使用規(guī)則三角網(wǎng)布點 (樣點數(shù)為 62 個 )。國內(nèi)關(guān)于對于網(wǎng)格采樣方式研究資料很少。 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的土壤養(yǎng)分變異研究中如何設(shè)置網(wǎng)格間距目前是個爭論的焦點。精確反映地塊內(nèi)土壤編譯大取樣方法還沒有被普遍接受，學(xué)者研究結(jié)果差異很大，但大多是在 60 到 140 米之間。1997）在評價土壤礦質(zhì)態(tài)氮、作物葉綠素水平與種植密度對冬小麥產(chǎn)量的影響時采用了 60 60 和 100 100 米的網(wǎng)格。 1997）在評價土壤 效磷、速效鉀的 過程中， 在平均為 地塊上利用網(wǎng)格法采集了 31 個土壤樣本，即每公頃 。 1997）通過研究認(rèn)為，對于大于 5地塊來說， P、 K、 取樣以 1網(wǎng)格為佳。有人認(rèn)為如果高密度的土壤取樣成本過高，選擇性土壤取樣（ 基于過去的土壤測試值、土壤顏色、質(zhì)地、地形等來布置取樣點也許是一種更好的辦法（ 1998）。 盡管國外積累一些研究資料可供借鑒，但是必須慎重考慮在我國適合的程度。我國有著長期精耕細(xì)作的基礎(chǔ)，地塊小而且經(jīng)營分散 ，由于施肥情況的不同，因而地塊內(nèi)的空間變異可能遠(yuǎn)小于地塊間的差異。即便在規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)場，由于種植作物、品種及田間管理的不同也會存在同樣的情況。另外，我國規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)場里的田塊一般是條塊狀，條塊面積一般不超過 10規(guī)模經(jīng)營的條件下，以地塊為基礎(chǔ)實行選擇性取樣也許是值得考慮的?？傊?，在我國探索適合的網(wǎng)格采樣方法是精準(zhǔn)養(yǎng)分管理的重要的基礎(chǔ)工作。 為了研究土壤養(yǎng)分的空間分布狀況并給出推薦施肥處方實施精準(zhǔn)施肥，繪制精確的土壤養(yǎng)分圖是必要的工作（ 1997）。關(guān)于土壤養(yǎng)分空間插值和預(yù)測的方法，技術(shù)已經(jīng)比 較成熟，相應(yīng)的軟件如 進(jìn)行空間插值和繪制養(yǎng)分等值線圖功能都非常強(qiáng)大，國內(nèi)也有研究者在地理信息系統(tǒng)軟件如 自主開發(fā)養(yǎng)分圖制作的軟件（候順艷， 2003；陳立平， 2003）。 選用合適的插值方法在有限的采樣點的養(yǎng)分信息基礎(chǔ)上對土壤養(yǎng)分分布進(jìn)行空間預(yù)測是比較關(guān)鍵的一步，預(yù)測的準(zhǔn)確程度直接影響到養(yǎng)分管理的效益（白由路）。肖玉等（ 2003）在水稻田以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 60 60 網(wǎng)格采集了 280 個點土樣，運(yùn)用多種插值方法對 140 個點的土壤速效磷含量進(jìn)行插值，并將所得到的擬合值與另外 140 個點采樣數(shù)據(jù)比較，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)局部多項式的插值效果最佳，普通果較佳。白由路（ 2002）等應(yīng)用 法對農(nóng)田土壤養(yǎng)分進(jìn)行了空間預(yù)測，并對其準(zhǔn)確度進(jìn)行了分析，并得出結(jié)論：用 法進(jìn)行土壤營養(yǎng)元素的空間預(yù)測用于評價土壤養(yǎng)分是可行的。 壤養(yǎng)分的空間變異與預(yù)測研究進(jìn)展 1975）通過對相鄰的兩個地塊的 9 種理化性狀的空間分布模式進(jìn)行研究指出，土壤屬性具有很強(qiáng)的自相關(guān)性，另外各種理化性狀的自相關(guān)距也有很大差別， 換性 C、全氮等自相關(guān)距都大于 182 米，而交換 行 自相關(guān)距小于 100 米。 1995）所研究的兩個地塊土壤鉀表現(xiàn)出相似的總方差，但兩者的塊金方差數(shù)量卻有明顯的差異。 近幾