精准施肥中尺度效应机理及应用研究

精准农业变量施肥的主要依据是土壤条件、作物长势的空间差异性和产量分布的不均匀性，而其差异性和不均匀性呈现出明显的尺度效应。精准农业变量施肥尺度效应是指在地表农学数据采集、遥感图像数据分析和变量实施过程中，由于空间尺度和时间尺度的不同，会对施肥处方生成以及施肥结果产生不同影响的现象。本项目以冬小麦为主要研究对象，基于地统计学原理，研究精准施肥中涉及的土壤和作物信息的尺度效应，分析其形成机理。分析不同尺度条件下，土壤属性、作物长势、作物产量等的时空变化规律和分布特征，提出进行变量施肥作业区划分的理论与方法；探讨建立基于作物生长模型与遥感信息融合的时空尺度扩展理论和方法，构建多维变分同化技术；分析不同土壤养分水平、不同土壤养分变异条件下，施肥尺度大小对肥料边际效应、产量和作业成本的影响，为精准农业变量施肥的决策支持奠定理论基础。

基于地统计学原理，本项目研究了精准施肥中涉及的土壤和作物信息的尺度效应。.1）土壤养分时空变化规律及其影响因素分析。采用2000年、2001年和2007年同一地块的土壤养分测试数据进行分析，结果显示，土壤各养分在空间上具有相关性，而且随着时间推移土壤养分空间分布具有一定的稳定性。当田块土壤物理特性有大的变动时，土壤养分的空间结构特征会受到一定影响；但当长时间田块耕作管理相对一致时，结构性因素（尤其土壤特性、气候）起主要作用。.2)研究了土壤导水性的空间变异性。基于圆盘入渗仪测定的两个尺度（10厘米和20厘米圆盘直径）、两个个供水吸力（8hPa， 15hPa）、132个点的入渗数据，计算了入渗20分钟后的稳定入渗率，经分析，随着盘径的增大，相同供水吸力下的稳定入渗率减小。但是由于入渗率反应的主要是表层土的导水能力，受随机因素影响较大，不具有明显的空间相关性。.3）研究分析了土壤电导率的空间变异性。研究了土壤质地、土壤质地层、土壤养分和作物产量图（2002、2008、2009年产量图）与土壤表观电导率图之间的相关性，且关系均达显著水平。土壤电导率图可以应用于土壤质地的快速分类，且可以快速预测作物的产量区域分布。.4）作物长势、产量、品质时空变化规律和分布特征及其影响因素分析。冬小麦长势、养分在不同生育期内变化不稳定。冬小麦产量和籽粒蛋白质含量空间分布则呈现明显的区域性。冬小麦长势在整个生育期内均好、且土壤硝态氮含量高海拔适中的区域产量一定高；土壤硝态氮含量高但作物长势在生育期内变化较大的区域通常产量也较低；土壤硝态氮含量低的区域冬小麦产量一定低。冬小麦籽粒蛋白质含量空间分布与土壤硝态氮含量和拔节期、抽穗期和乳熟期作物养分空间分布有明显的对应关系。.5）基于遥感信息融合的作物长势时空尺度扩展理论和方法。定量描述和分析研究了不同空间尺度遥感观测数据的统计差异特征，以及基于多尺度遥感观测数据反演获得作物长势参量LAI的数据统计分布差异；然后，以数据统计分析理论为基础，基于正态分布理论及相关统计学模型提出了一种定量矫正多空间尺度遥感观测数据差异的分析方法和策略，将切比雪夫多项式引入到尺度效应分析中，阐明尺度效应机理，扩展了尺度转换模型的应用范围（均一下垫面和复杂下垫面）。