县域农田养分动态监测的方法优化和应用研究

【摘要】农田养分管理是关系我国粮食生产和粮食安全的关键因素,针对当前农业生产中存在的农田化肥施用过量和养分利用效率低下,土壤面源污染严重等问题,本文以浙江省富阳市为例,在梳理多年农田养分监测数据的基础上,借助GIS分析方法,探讨农田养分监测样点的空间插值预测问题,分析影响土壤养分要素(土壤有机质和氮磷钾的常规监测项目)空间变异的相关因素,并通过不同年份的分析结果,比较各相关要素的特点和规律,探索农田养分协克里格插值中最优辅助因子的选择思路和方法,并对富阳市最优辅助因子协克里格插值结果的精度进行充分的对比验证,然后在总结土壤养分要素空间变异特征和优化预测方案的基础上,指出县域农田监测和数据应用过程中应该注意的问题和改进方法,总结县域农田养分监测过程的指导意见,最后以插值结果为基础,结合富阳市测土配方施肥方案,运用WEBGIS技术,开发富阳市测土配方施肥信息系统,使土壤养分的监测数据得以具体而广泛的应用。本研究的主要工作和结论如下：1.农田养分空间变异性相关因素的分析土壤养分的空间分布经常会与其他性质密切相关。本文分别选择富阳市2006年和2008年土壤监测数据研究了土壤养分与地形因素(高程、坡度、坡向)的相关性,结果发现：地形因素与土壤养分要素之间存在较为显著的相关关系,并且由于高程、坡度、坡向相对固定,一般不会发生较大的变化,因此能够成为研究土壤养分空间变异的普遍因素,在预测土壤养分空间变异过程中成为最稳定的因素,在与其他辅助参量相比,当相关性程度差别不大时,应优先选择地形参量作为辅助参量。本文还研究了土壤微量元素与土壤养分之间的相关关系,结果发现：在众多的微量元素之中,虽然也存在一些元素与土壤养分要素含量存在显著相关性,且年际间相关性也较稳定,但是同时也发现多数微量元素数据与土壤养分含量之间的相关关系较小或者年际差异较大,因此微量元素和土壤养分含量之间的相互关系较为复杂并且稳定性较差,但是因为微量元素的种类众多,数据量大,因此能够为土壤养分空间变异和预测提供更多的相关因子的选择空间。此外,本文还对土壤养分数据之间的相关性进行分析,结果发现：土壤养分要素之间的相关性都较为明显,且年际变化小,关系相对稳定,同时因为土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾是土壤养分监测中的常规监测项目,四个养分要素的采样过程具有同步性、采样点的位置具有一致性,因此利用土壤养分要素之间的相关关系来研究土壤养分要素的空间变异并进行空间预测,数据来源非常便利,具有极大的便利性和实用性。因此,本文根据以上结果,总结不同类型辅助因子数据特征,对日常农田土壤监测项目和不同项目的监测周期等工作,提出了相应的改进建议。2.农田养分最优因子协克里格插值及精度检验由于协克里格插值能够在空间自相关的基础上,结合辅助因子的协相关关系对变量进行空间预测,因此能够在很大程度上优于其他插值方法的预测精度。同时因为土壤养分要素存在诸多与其相关的因子可以作为插值的辅助参量,因此本文在探讨地形、土壤微量元素与土壤养分要素之间相关性和各土壤养分要素之间相关性的基础上,根据相关因子与不同土壤养分要素相关性程度的强弱,优选相关性更强的因子作为协克里格插值的辅助因子；同时在进行不同土壤养分要素空间自相关计算的基础上,探索不同养分要素的空间变异规律,进行土壤养分要素的协克里格空间插值,然后将最优辅助因子插值结果分别采用交叉检验和检验点检验的方法,分别与土壤养分的普通克里格插值和次优辅助因子协克里格插值结果,进行精度对比,结果显示：交叉检验和检验点检验都表明最优辅助因子协克里格插值结果与普通克里格方法和次优辅助因子协克里格方法的结果相比,其预测精度均有较大幅度的提高,从而为面状土壤养分数据的应用提供了精度保证。3.农田养分时空演变规律分析及演变规律在土壤测土配方施肥中的应用。本文在探索了最优辅助因子协克里格土壤养分插值方法的基础上,将该方法应用到多个时间点(2004年、2006年、2008年、2010年和2011年)的土壤养分差值中,得到多个时间点的土壤养分预测结果,然后,在此基础上研究土壤养分时空变异特征,总结土壤时空演变规律,发现所研究的四个土壤养分要素的变化速度都存在着越来越快的变化特点,同时四个养分要素的演变也存在一定的差异：有机质和全氮的变幅相对较小,而有效磷和速效钾的变幅相对较大。另外值得注意的是有机质、全氮、有效磷和速效钾的最大变化幅度虽然差异很大,但是其变化最集中的区域都存在于低变化范围内。本文还从土壤类型、土地利用方式和地形因素三个方面对土壤养分时空变异特征进行了分析,发现土壤类型与土壤养分的时空变异特征的关系不明显；土地利用方式与土壤养分时空变异关系较密切,在人类活动影响大的区域,养分变异速度更快；地形因素也与养分时空变异关系紧密,养分变异剧烈的地区往往存在于平原山地交接、河流上游等地形复杂的地区。除此之外,本文根据富阳土壤测土配方施肥方案中土壤分级标准,按照不同的时间尺度,研究土壤全氮、有效磷、速效钾的含量演变特点,发现短期内(如两年时间)土壤全氮含量的绝对变化量达到土壤分级阈值的比例很低,随着时间尺度的加大,全氮变化量超过阈值的比例则会有明显的上升,结合之前研究结果“土壤有机质和全氮含量存在着极强的相关关系”,因此,建议在日常农田养分监测中,对土壤有机质和全氮含量的监测,可以每隔两到三年监测一次,并且在每次监测时可以只监测其中之一的项目,另一个项目可以根据历史数据,按照有机质和全氮含量的稳定关系,计算得到,而在另一个年度对另外一个项目进行监测；而有效磷和速效钾含量的绝对变化量达到土壤分级阈值的比例一直都很高,因此,建议对土壤有效磷和速效钾的监测应按年度进行。4.测土配方信息管理系统的设计与实现本文在以上工作的基础上,根据最优辅助因子协克里格插值结果,结合富阳市土地利用现状数据,将插值结果赋值到富阳市土地利用现状图的耕地图斑上,结合富阳基础地理数据,建立GIS空间数据库,采用ArcGISServer建立并发布多种类GIS地图服务和地理处理服务,并结合富阳市测土配方施肥方案,采用Flex技术构建富阳市测土配方施肥信息管理系统的网络应用,通过MicrosoftIIS进行网站管理和发布,最终完成了从土壤养分监测样点到土壤养分区域内连续插值,再到网络查询应用的整个工作,整个测土配方施肥信息管理系统已经在富阳市农业部门进入日常应用阶段。
【作者】宋根鑫；
【导师】王珂；
【作者基本信息】浙江大学，农业遥感与信息技术，2014，博士
【关键词】土壤养分；空间变异；空间自相关；协克里格；WEBGIS；配方施肥；

【参考文献】
[1]钟丽杰.固液界面石墨烯纳米杂化薄膜修饰与液液界面基础电化学理论研究[D].东北师范大学,2013.
[2]李伟,潘劲松.防止货物超载保证运输安全[J].中国铁路.2005(12)
[3]车小英.城市轨道交通线网规划的评价研究[D].北京交通大学,2008.
[4]周瑞臣,王宏,张铁.安全监察垂直管理在基层供电企业中的实践[J].中国电力教育.2007(04)
[5]张巍巍.美制成超快高敏石墨烯光电探测器[N].科技日报,2012-06-06002.
[6]孙秀云.熔盐电解制备镁锶合金及其变质作用研究[D].华东理工大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[7]张文韬.基于贝叶斯的压缩感知重构算法研究[D].安徽大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[8]岳磊.RoboCup中型组足球机器人底层控制系统的研究与设计[D].东北大学,控制理论与控制工程,2009,硕士.
[9]林林.中草药添加剂对生长肥育猪生产性能、肠道微生物活性和免疫功能的影响[D].福建农林大学,兽医,2012,硕士.
[10]王维.XK715型立式数控铣床主轴系统热特性研究[D].广西科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[11]张乐,井元伟.基于非脆弱控制器设计的不确定模糊系统稳定性研究[J].控制与决策,2007,03:329-332.
[12]丁大卫.之前连续三周的规律很难打破[N].上海证券报,2014-08-23005.
[13]邓腾辉.复合算子P·T的范数估计[D].哈尔滨工业大学,基础数学,2013,硕士.
[14]乐胜杰.关于分红策略下的离散风险模型的研究[D].湖南师范大学,概率论与数理统计,2013,硕士.
[15]李娇娇.新世纪辛亥叙事研究[D].渤海大学,中国现当代文学,2014,硕士.
[16]张晓娟.血清总胆红素水平对急性冠脉综合征PCI术预后的判断[D].郑州大学,急诊医学,2013,硕士.
[17]云敬忠.中国联通长途193业务市场细分与营销策略研究[D].内蒙古大学,2004.
[18]贺奋琴.基于RS和GIS的水土流失因子提取与分析——以攀枝花市为例[D].成都理工大学,2004.
[19]杨译.历史课本剧在初中历史教学中的应用[D].东北师范大学,教育（专业学位）,2012,硕士.
[20]张颖.痉挛性斜颈中感觉诡计的临床特征以及感觉诡计与空间辨别觉关系的探究[D].北京协和医学院,临床医学,2014,博士.
[21]郭研.网络伪民意分析[D].辽宁大学,传播学,2012,硕士.
[22]杨小权.榆林神华供应链管理信息系统应用研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.
[23]顾文华.概念隐喻对中国英语学习者英语习语习得的影响[D].兰州大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[24]刘世全.食管鳞癌及食管胃交界部腺癌中EGFR、Her-2及Hsp90α的表达及对预后的影响[D].河北医科大学,外科学,2014,硕士.
[25]晴晴.一类权函数变号的四阶不连续微分算子的自共轭性及特征值[D].内蒙古师范大学,计算数学,2012,硕士.
[26]傅敏红.一种用于土—结构相互作用体系非线性地震动力响应分析的基于数值解与解析解耦合的新方法[D].厦门大学,岩土工程,2014,硕士.
[27]李森海,郇树峰.泾渭鲜枣与大雪枣[J].中国农村小康科技.2000(04)
[28]毛亮亮.电动车用永磁同步电机定子电流优化控制策略研究[D].哈尔滨理工大学,电力电子与电力传动,2012,硕士.
[29]陆友桂.客户价值驱动型企业管理模式研究[D].东南大学,2005.
[30]刘小勇,凌文辉,牛余涛,董建明.液体煤油双模态燃烧的点火及燃烧稳定问题初步研究[J].飞航导弹.2001(06)
[31]吴洁.基于感知价值的酒店积分奖励计划对顾客忠诚影响的实证研究[D].厦门大学,企业管理,2014,硕士.
[32]黄建业.大鼠急性心肌缺血早期PAR和PARP-1裂解片段P89的表达变化[D].河北医科大学,法医学,2014,硕士.
[33]周冰.我国企业内部控制流程设计研究[D].西南财经大学,财务管理,2014,博士.
[34]卢岳斌.中国对外贸易结构演变研究[D].浙江工商大学,产业经济学,2013,硕士.
[35]候万超.椭圆型方程组的正解和不同历史函数的功能[D].天津大学,应用数学,2013,硕士.
[36]付群,郭君,刘宁.虚拟制造[J].一重技术.2007(02)
[37]彭辉锐.企业隐性知识获取、吸收能力与创新绩效关系的实证研究[D].浙江理工大学,企业管理,2014,硕士.
[38]周颖杰.头孢哌酮/舒巴坦（2：1）治疗多重耐药糖非发酵菌医院获得性肺炎患者的药代动力学及药动学/药效学研究[D].复旦大学,内科学,2013,博士.
[39]刘姌.我国职场真人秀节目研究[D].山东师范大学,广播电视艺术学,2013,硕士.
[40]宿燕琴.胡锦涛发展中国特色社会主义道路的成果与经验研究[D].西南大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[41]张春生.南京中华中等专业学校就业管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[42]郭平,刘潭仁.基于图结构的候选序列生成算法[J].计算机科学,2004,01:136-139+141.
[43]牛斯达.山西灵丘县刁泉银铜矿床成矿流体演化和矿物学研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[44]王勇超.集成PWM开关电源控制器IP核多模块化的设计[D].浙江大学,电路与系统,2004,硕士.
[45]张伟.黄河源区藏嵩草沼泽化草甸退化及动态监测技术的研究[D].青海大学,草业科学,2014,硕士.
[46]王鼐.基于模糊信息优化处理模型的黄土地震滑坡致灾区域预测方法[D].中国地震局兰州地震研究所,构造地质学,2013,硕士.
[47]苏若群.土地革命战争时期党的标语口号思想政治教育功能研究[D].中国矿业大学（北京）,思想政治教育,2014,博士.
[48]高海军,俞国军,李振龙.基于agent的城市交通信号控制[J].控制与决策,2004,07:737-740.
[49]杨奕模.焦油白云石盛钢桶衬砖挂渣、冷钢问题探讨[J].四川冶金.1989(04)
[50]宋金全.X公司带式输送机营销策略研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.