【毕业学位论文】（Word原稿）我国北方粮食主产区土壤养分分布特征研究土壤养分精准管理博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 我国北方粮食主产区 土壤养分分布特征 研究 of in of in I 摘 要 应用 地统计 学技术 ，对我国北方 粮食主产区 土壤养分 变特征、 空间分布 状况及其影响因素进行了 研究， 并提出相应的培肥模式。 研究结果如下： 1 东北平原土壤 全量养分 变异系数的大小顺序为 NK，其 分布曲线 都属于高狭峰，土壤 N 和 全 P 为 正偏斜，全 K 为负偏斜，其中全 N 的偏斜度最大；全氮的偏移量超过了5%，属于偏移元素，其余养分均属于非偏移元素。土壤 有效养分 变异系数的大小顺序为SnPN eg布曲线 属于低阔峰，其余养分属于高狭峰，有效 于常态峰；土壤有效养分均属于偏移元素，且其偏斜度、偏移量和变异系数均高于全量养分。 2 东北平原土壤 总 全 P、 溶 效 P、 K、 S、 B、 有良好的半方差结构，全 N、 K、 N 和 有效 型拟合效果较差，其半方差图呈波浪型或鞍型。土壤总 碱溶 有效 有强烈的空间自相关性，其余养分均具有中度的空间自相关性。 土壤总 P、 碱溶 效 P、 间变异主要来源于土壤母质、气候等 结构因素，土壤 效 P、 K、 S 和 空间变异 约一半来源于施肥、管理、测试等 随机 变异 ， 一半来源于 结构因素 变异。 3 东北平原 土壤 主要分布在 间， 总 全 N 和 K 的含量中等偏上，全 P 含量在低水平的土壤面积为 土壤 N、有效 P、 K、 S 和 缺乏 面积分别为 有效 B、 量丰富 。 4 东北平原 大部分土壤养分 从东北平原的东北部到西南呈降低的趋势，其中三江平原的养分状况较好，其次是松嫩平原，部分 土壤缺 P、一半土壤缺 K 和 遍缺 S；辽河平原的养分状况较差， 全 P 含量低，土壤 N、有效 P、 K、 S、 乏 。 5 东北平原大部分地区表层土壤的总 N、 P 的含量高于底层， 个别地区则 相反 ； 表层土壤全 K 的含量低于底层 的区域 分布在松嫩平原和辽河平原上 ，约占东北平原总面积一半左右，其余地区则相 反 ； 大部分地区土壤 溶 N、 有效 P、 K、 n 层次分布规律是表层 底层 ，有效 S 则相反。 表明东北平原大部分地区土壤中量元素和一半面积的土壤 K 在耗竭中。 6 根据东北平原土壤的具体情况， 三江平原 农田土壤 采用减少 N 肥，控制 P 肥，部分地区增施K 肥，全面补充 S 肥的措施 ； 松嫩平原采用稳定 N 肥施用，部分地区补施 P 肥、 和 面补充 S 肥的措施 ； 辽河平原 农田土壤 采用增施 N 和 P，全面补充 K 肥、 S 肥和 7 华北平原 土壤全量养分变异系数均在 50%以下，大小顺序为： NK； 土壤全 K 的数值分布曲线 最接近正态分布，总 N 和 P 的分布曲线都属于高狭峰，全 N 的峰值明显高于其它养分 ； 土壤全 N 的偏斜度较大，其余全量养分偏斜度较 小 。土壤有效养分的变异系数、峰值、偏斜度都高于全量养分 ， 各养分的变异顺序为： SnKBu N h， 有效养分的分布曲线都属于高狭峰 ， 其中受施肥等人为因素影响较大 的土壤N、有效 P 和 K 峰值较高，数据分布尖锐。 有效养分 偏斜度绝对值的大小顺序为： KnMnMSBg。除 外，有效养分均属于偏 移 元素。 8 华北平原 总 N、 P、 K、 N、有效 P、 S、 B、 构 ， 但 有效 K 的 半方差图呈波浪型 ； 土壤 全 P、 有效 有强烈的空间自相关性，总 K、碱溶 效 S、 B、 有中 等 的空间自相关性， N 和有效 间自相关 较 弱。全 P、碱溶 效 和空间变异主要来源于结构变异，总 K、有效 P、 S、 B 和 间变异一半来源于随机变异，一半来源于结构变异，全 N、 N、有效 空间变异主要受随机因素的影响。 9 华北平原表层土壤 要在弱碱性范围内，全量养分含量在中等水平土壤面积在 80%以上 ；随着土层的加深， N 和全 P 在低水平的土壤面积增加，全 K 变化较小 ； 碱溶 量在 1%以下的土壤面积占 土壤 N、 K、 S、 乏的面积分别为 土壤有效 P、 B、 量丰富 ， 随着土层的加深， N、有效 P、 K、 缺乏 水平的面积明显增加，其余养分变化不大。 10 华北平原土壤养分 分布复杂，其 层次分布规律是， 大部分地区土壤总 全 N 和 P、 碱溶N、有效 P、 K、 B、 含量是 表层 中层 底层 ； 全 K、 效 S 的 含量 分布 则相反 ；约有一半面积土壤有效 含量为表层 中层 底层 ，另一半则相反。 表明华北平原土壤钾素和中量元素耗竭严重。 11 华北平原的培肥模式为 稳定 N 肥、控制或减少施用 P 肥，增施 K 肥 和 S 肥，补充微量元素施肥措施 。 关键词 ： 北方 粮食主产区 ， 土壤养分 ， 空间分布 ， 养分变异 ， 培肥模式 of as 1 of K. of to of M, N of %). of nPNegKof pH of of a, Mg e to 2 on M, P, M, P, K, S, B, Mn n , K, N a no or M, M e of M, P, M, B, Mn n of , K, S u a 3 pH .5 M, N of N, , K, S n 2%, of a, B, Fe n 4 of to of in , of in n, of in . N, P, K, S n be to of 5 In of M, N, P, N, , K, B, n in in a, S in in , a g 6 to IV in of in of in of , P, K, S n 7 of 0% K. of M, N to of of of nKBuNCaof to of by of NKnMnMSBg. to 8 of M, N, P, K, N, , S, B, Mn n no in , e n M, K, M, S, B u N n In of , M, Mg n by M, K, , B u of , N n 9 pH 0% of in in of M, N in of M % of N , , S, Fe n of , B, Cu n of M, N in 10 of in of M, N, P, N, M, P, K, B, Mn n , g a of , a g 11 or V ey in 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 国北方粮食主产区耕地资源现状及存在的问题 . 1 国北方粮食主产区肥料施用存在的问题 . 3 究意义与必要性 . 5 内外研究进展 . 7 内外土壤养分信息化管理研究现状 . 7 壤养分的空间变异研究现状 . 8 壤培肥模式研究状况 . 11 究意义、内容与技术路线 . 12 究意义 . 13 究内容 . 13 术路线 . 14 第二章 材料和方法 . 15 究区域概述 . 15 北平原 . 15 北平原 . 16 样方法 . 17 北平原的采样 . 17 北平原的采样 . 18 壤样品的分析方法 . 19 规分析 . 19 析项目与方法 . 20 壤养分分级标准 . 20 荐施肥模型 . 21 据处理 . 21 第三章 东北平原土壤养分分布特征与培肥模式 . 22 北平原土壤养分变异特征 . 22 北平原土壤全量养分变异特征 . 22 北平原土壤有效养分变异特征 . 25 北平原土壤养分分布特征 . 30 北平原全量养分分布特征 . 30 北平原土壤有效养分分布特征 . 34 北平原培肥模式 . 45 江平原农田土壤推荐施肥 . 46 松嫩平原农田土壤推荐施肥 . 46 河平原农田土壤推荐施肥 . 47 章小结 . 48 第四章 华北平原土壤分布特征与培肥模式 . 50 北平原土壤养分变异特征 . 50 北平原土壤全量养分变异特征 . 50 北平原土壤有效养分变异特征 . 52 北平原土壤养分分布特征 . 57 北平原土壤全量养分分布特征 . 57 北平原土壤有效养分分布 . 61 北平原培肥模式 . 76 壤培肥模式 . 76 荐施肥 . 77 章小结 . 78 第五 章 研究的主要结论 . 80 文主要结论 . 80 北平原农田土壤养分分布特征和培肥模式 . 80 北平原 农田土壤养分分布特征和培肥模式 . 81 文的创新之处 . 82 后的研究展望 . 83 参考文献 . 84 致谢 . 92 作者简介 . 93 文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 精准农业 理信息系统 国国际农化服务中心 机质 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 究背景 土壤指覆盖于地球陆地表面，具有肥力特征的，能够生长绿色植物的疏松物质层。土壤肥力水平的发挥取决于： 一、 土壤本身的内在因素（物质组成和各种理化生物学性质） ，二、 外界条件（自然条件、土地基本建设标志和耕地栽培管理等措施的质量） ，三、 社会生产关系和经济政策等 （陆欣， 2003） 。耕地是土壤的精华，是农业生产最 基本的不可代替的生产资料 ， 是一种 特定 的土地，是人类活动的产物，是人类开垦后用于种植农作物并经常进行耕耘的土地 （ 中国土壤，1998） 。 我国 目前实有耕地面积约为 133 亿 约占我国国土总面积的 14% , 但人均耕地面积不到世界人均水平的一半 ， 耕地面积 自 1978 年以来平均每年减少 26104 朱晓华 等， 2000） , 而人口数量却急剧增加 ,人均耕地 面积 的下降使人地矛盾日益突出。伴随着人地矛盾出现的是耕地质量下降 ,农药化肥的污染 ， 水土流失等一系列问题。为 了 实现耕地资源的持续开发利用 , 我们必须保护 并合理利用耕地资源、提高耕地质量、改善耕地生态条件、减少耕地退化污染。 耕地质量、肥料施用水平是影响粮食生产的主要因素，因此，从粮食安全角度出发，了解我国主要粮食产区的耕地质量状况，通过合理培肥途径，研究如何消除影响粮食生产的主要因素，具有重要的理论和现实意义。东北平原和华北平原是我国北方的粮食主产区， 对我国粮食安全起着至关重要的作用 ， 明确 该 区农田地力状况和土壤肥力主要障碍因子， 采用现代农业技术手段， 进行信息化管理 研究 ，探索其合理的 培肥土壤、提高地力和生产力的途径， 对于改善我国的粮食生产现状，维持 我国耕地资源 可持续发展和 缓解 粮食安全问题， 提高肥料利用率 、避免环境污染等 ，都具有重要意义 。 国北方粮食主产区耕地资源现状及存在的问题 我国北方粮食主产区 研究区域是 东北和华北两个平原，分别是我国的第一和第二大平原，耕地面积占全国的 1/3 多。 东北 平原 研究区域在 黑龙江、吉林、辽宁 、内蒙四 省 内 ，水资源条件较好，耕地资源较丰富，农业机械化水平较高，为中国粮食商品率较高的地区 （刘斌， 2004；叶慧，2004）；华北 研究区域在 河北、山东、 天津、 河南 四 省 内 ，地势平坦，农业机械化水平较高，为中国主要粮、棉产区 。 地总量及人均耕地数量呈下降趋势 耕地是粮食生产的载体，是粮食安全的根本保障。保护耕地是我国的基本国策。近些年来，我国 北方粮食主产区 耕地面积锐减，形势严峻。 1993 年至 2003 年 ， 东北三省耕地减少了 宁 省和吉林省的耕地面积是减少的 ， 分别由 1993 年的 少到 2003 年的 分别减少了 14 万 辽宁省 耕地的减少主要分布在省境内的西南部草原丘陵区和东南部山地丘 陵区 ，其中西南部净减幅度在 10%左右 ， 东南部的净减幅度在 5%左右 ， 主要是退耕还林、还草以及建中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 2 设用地占用 。 吉林省 的 吉林市、长春、白城、延吉等地减少较多 ， 减幅在 3% 10%。从 1999 年2002 年，黄淮 海 平原年均耕地减少的数量为 全国耕地减少总量的 东北地区耕地数量减少量占全国耕地减少总量的 据河北省有关资料 ， 建国以来，河北省耕地由1952 年的 少到 2000 年的 646. 6 万 人口数量由 增加到 均耕地由 0. 23 少到不足 0.1 河北农业经济统计年鉴 ， 2001） ， 随着城市和建设用地逐年增加，再加上退耕还林、还牧、还草，耕地面积下降的趋势不会在短期内得到缓解。资料显示，仅 2002 年，河北省耕地面积净减少 16. 3 万 河北省环境状况公报 ， 2002） 。 退耕还林还草、农业结构调整、建设占用、自然灾害是 我国 耕地 面积 减少最主要的直接原因 ,其中建设占用和自然灾害 ,是耕地可持续利用的最大威胁（严岩 等， 2005） 。 地质量低 土地平整、土层深厚、水分排供良好、土壤肥沃且无明显障碍因素 ，是农田 高产稳产 的基础，我国 北方平原 现有耕地中称得上 高产稳产 的农田 较少。东北地区 松嫩平原盐碱化土地面积约 342万 土地总面积的 20%。 吉林省的通榆县盐碱化土地面积最大，达 林省的大安市盐碱化分布 和 集中程度最高，盐碱化土地面积占土地总面积的 重度盐碱化土地占盐碱化土地的 黑龙江省的安达市，盐碱化土地面积 也 占 到 土地总面积的 重度盐碱化土地面积占盐碱化土她的 李取生 等 ， 1998） 。黄淮海平原 上 200 万 盐碱化面积是我国土地次生盐碱化最严重、对农业 影响最大的地区之一 （魏由庆， 1995） 。 根据第二次土壤普查的资料，我国北方粮食主产区中，东北地区土壤有机质、全氮、磷、钾缺乏的面积分别为 亩 ， 微量元素铁、硼、钼、锰、锌和铜的缺乏面积分别为 亩。华北地区土壤有机质、全氮、磷、钾缺乏的面积分别为 亩 ， 微量元素铁、硼、钼、锰、锌和铜的缺乏面积分 别为 亩（中国土壤， 1998）。 山东省耕地的肥力居中下水平，中低产田比重很大 ， 全省土壤有机质含量按全国土壤肥力水平六级分级标准，居第四级，属中下水平，土壤有机质大于 2%的高产稳产土壤仅占 小于 （亩产量不足 250 公斤） 占 90%以上的含量在 1%左右 （山东农垦科技信息网 ,2003） 。 力质量下降，承载能力降低 由于耕地产出多、投入少，用养失衡，导致耕地地力明显下降。 东北平原 的黑土为例， 我国的黑土主要集中分布在东北平原的中部和北部，是世界上仅有的 北方 黑土带之一，土层深厚、结构良好、养分丰富，是全球自然肥力最高的土壤类型之一。但随着人口、土地垦殖率和土壤利用强度的增加，保护措施的滞后，该地区土壤退化现象日益严重。有关资料表明，与开垦初期相比，吉林省黑土理化性质恶化，黑土层减薄，有机质降低，结构性变差，生产能力逐步减退。据吉林省的统计资料，土壤耕层有机质含量由 100g/低 到 50g/土流失的地方下降到 20g/下，全氮含量由 降到 开垦前黑土腐殖质厚度多在 30 70右， 在30下的很少 ，但现在 有 40的土壤腐殖质厚度不足 30土壤容重由 至 g/应的总孔隙度从 降到 田间持水量由 降到 而且黑土退化有 愈演愈烈 的趋势（陆继龙， 2001；孟凯， 1998；徐晓斌 等 ， 2005）。据山东省 1985 年以后土壤监测资料统计 ， 鲁西北各类潮土的速效钾含量为 107 54 mg/潮土、脱潮土等类土壤 ，中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 3 平均每年降低 2.5 mg/山东省土肥站 ， 1994)。 华北平原和东北平原虽然一直是我国的粮仓，但仍有相当比例的中低产田，再加上多年来用养失调的农田利用方式，这些地区农业生产水平低、生态环境问题大因而急需治理。此外，加上工业“三废”的不合理排放，造成耕地污染日益严重，土壤退化等问题愈演愈烈。 1980 年我国工业三废污染耕地面积 1988 年增加到 1992 年增加到 1000 万 宪立 等 2005） ， 沈阳张士灌区有 2533地遭受 污染 ， 其中严重污染的占 13%（ 新闻网， 2006）。 国北方粮食主产区肥料施用存在的问题 肥不合理，增产效益下降 我国长期以来技术与物资严重脱节，化肥生产、供应、施用呈畸形发展，施肥技术落后，致使我国在施肥方面存在三个方面 十分严重的 问题 ， 分别是重化肥，轻有机肥；重氮、磷肥，轻钾肥；重大量元素肥，轻中、微量元素肥。建国 40 多年来 ， 我国肥料结构发生了重大的变化 ， 有机肥料所占比重从 下降到 50 %左右 。 近几年来 ， 农业部通过开展“百日增肥”等活动