蔗地土壤養(yǎng)分與甘蔗生長的關(guān)系模型研究

陽景陽，黃智剛

蔗地土壤養(yǎng)分與甘蔗生長的關(guān)系模型研究

陽景陽，黃智剛

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧530004）

探討了蔗地土壤養(yǎng)分狀況與甘蔗農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與建立綜合預(yù)測(cè)模型。利用種植新臺(tái)糖22號(hào)宿根蔗的土壤養(yǎng)分與農(nóng)藝性狀實(shí)測(cè)值，對(duì)養(yǎng)分間及養(yǎng)分與農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性進(jìn)行了分析；并運(yùn)用R ichards函數(shù)，選用土壤全氮變化量（N）、全磷變化量（P）、全鉀變化量（K）以及甘蔗生長天數(shù)（D）為自變量，以甘蔗株高為因變量（H）建立模型。結(jié)果表明：在中等養(yǎng)分水平范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)變化量對(duì)甘蔗莖長、莖粗以及節(jié)長的提高具有極其顯著的影響；土壤全氮變化量影響著甘蔗節(jié)的生長；土壤全磷變化量對(duì)甘蔗莖長和莖粗的提高有顯著影響；其余單個(gè)養(yǎng)分因子對(duì)甘蔗的農(nóng)藝性狀關(guān)系不顯著。所得模型為：H=486.0352[1-e-0.00625K-0.00098P-0.00678N-0.007138D]9.8642

甘蔗；土壤養(yǎng)分；農(nóng)藝性狀；綜合預(yù)測(cè)模型

甘蔗是世界第一大糖料作物，同時(shí)也作為高生物量能源作物被許多國家廣泛利用。由于蔗地養(yǎng)分狀況在甘蔗各生長階段都影響著甘蔗生長發(fā)育，而蔗地養(yǎng)分在甘蔗各生長階段都呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，因此，研究蔗地土壤養(yǎng)分與甘蔗生長的關(guān)系，并建立一個(gè)全面而有效的模型系統(tǒng)來進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)對(duì)甘蔗生產(chǎn)的精準(zhǔn)管理具有重要意義。

謝如林等[1]認(rèn)為，甘蔗產(chǎn)量與土壤中的速效養(yǎng)分均沒有明顯的相關(guān)性；楊文婷等[2]綜合3年數(shù)據(jù)研究表明甘蔗的株高和莖粗沒有受到施氮水平和種植模式的顯著影響，這與韋貴劍等[3]的研究結(jié)果相似，但有研究[4]認(rèn)為在一定氮肥施用量范圍內(nèi)，甘蔗蔗莖產(chǎn)量隨著施用量增加而增加。蔗地土壤養(yǎng)分與農(nóng)藝性狀間的關(guān)系有待進(jìn)一步明確。預(yù)測(cè)模型方面，蔣菊生等[5]曾篩選出降雨量、旬積溫、旬日照時(shí)數(shù)和生長發(fā)育天數(shù)為自變量，建立甘蔗株高綜合預(yù)測(cè)模型，并運(yùn)用另一組數(shù)據(jù)校驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的預(yù)測(cè)效果。但以土壤全量養(yǎng)分變化量為自變量的甘蔗株高綜合預(yù)測(cè)模型尚未有明確研究結(jié)果。

本研究以廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院一片甘蔗試驗(yàn)用地為研究區(qū)域，采用網(wǎng)格布點(diǎn)隨機(jī)采樣，對(duì)2009—2010年的土樣性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征描述及各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)性分析；對(duì)甘蔗不同生長期土壤性質(zhì)的變化量與甘蔗的農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，并建立以土壤全量養(yǎng)分變化量為因子的甘蔗綜合預(yù)測(cè)模型。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于廣西大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地內(nèi)（108.29°E，22.85°N），面積約為0.1hm2，地勢(shì)平整，土壤類型為第四季紅土母質(zhì)發(fā)育的赤紅壤，質(zhì)地輕壤。該區(qū)域年平均氣溫為21.6℃，平均相對(duì)濕度79.0%，年平均降水量為1300.6mm，4—9月降水量占全年降水量的79.8%，處于典型的南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候型區(qū)。

試驗(yàn)區(qū)于2009年3月份在上一季甘蔗砍收后的小區(qū)內(nèi)以網(wǎng)格采樣的方法采集了12個(gè)土壤樣品，分別測(cè)試了土壤性狀指標(biāo)，并依據(jù)資料[6-7]進(jìn)行了分級(jí)。土壤pH值6.06，為中性偏酸性，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都很小，有機(jī)質(zhì)含量24.98g/kg，屬于中等水平，速效鉀平均含量為82.8mg/kg，屬中等水平，堿解氮平均93.1mg/kg屬中等偏高，速效磷偏低，速效養(yǎng)分的含量變幅和變異系數(shù)均較大。土壤全鉀4.87～.5.37g/kg，屬于中等偏低水平，全磷含量1.14～1.44g/kg，屬中等偏高水平，全氮含量0.46～0.54g/kg，屬中等偏低水平。說明該試驗(yàn)小區(qū)的土壤養(yǎng)分都處于中等水平，但土壤全量養(yǎng)分的空間分布差異小于速效養(yǎng)分的空間分布差異。

1.2試驗(yàn)方法與樣品采集

供試品種為新臺(tái)糖22號(hào)第一年宿根甘蔗，于甘蔗分蘗期（2009年3月）采用根部基施的方法施入復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）100kg，在小區(qū)內(nèi)以網(wǎng)格采樣方法設(shè)置12個(gè)樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)以厘米級(jí)高精度GPS定位儀（合眾思?jí)鸭紝欸990 GNSSRTK）定位，從2009年3月至2010年1月分5批次（施肥前、施肥后、伸長期、成熟期、收獲期），分別采集測(cè)定12個(gè)樣點(diǎn)直徑1m范圍內(nèi)的甘蔗農(nóng)藝性狀和根區(qū)土壤的全氮、全磷、全鉀以及有機(jī)質(zhì)和pH值。土壤樣品磨碎過100目（0.1 mm）篩，裝入封口袋備用。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS和Mcrosoft Excel（Office 2003）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖形繪制。以Richards函數(shù)作為基礎(chǔ)模型，應(yīng)用非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數(shù)，得到綜合預(yù)測(cè)模型。

頻綜產(chǎn)生射頻激勵(lì)信號(hào)，其頻率在時(shí)間上按三角波規(guī)律變化。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)放大后，通過發(fā)射天線轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)向外發(fā)射。電磁波信號(hào)遇到目標(biāo)后，一部分能量被反射回接收天線，接收天線將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)(RF)，經(jīng)低噪放放大后送入接收機(jī)。由于回波信號(hào)具有一定時(shí)間延遲，回波信號(hào)延遲后與本振信號(hào)就存在一定的頻差，頻差關(guān)系如圖2所示[6]。

表1　土壤性質(zhì)間的相關(guān)矩陣

2　結(jié)果與分析

2.1收獲期土壤養(yǎng)分狀況間相關(guān)性分析

如表1所示，同一個(gè)樣點(diǎn)的土壤全氮、全磷和全鉀彼此間均有正向5%顯著水平的相關(guān)性，表明它們?cè)谕寥乐芯哂邢鄬?duì)一致的分布規(guī)律，這是由于甘蔗生長過程對(duì)氮磷鉀的大量吸收造成，且越健壯的甘蔗吸收養(yǎng)分越多。氮磷鉀肥之間的合理配施有利于甘蔗更加高效的吸收，土壤pH值與其它的土壤性質(zhì)具有部分負(fù)相關(guān)，其原因是偏中性的土壤環(huán)境更有利于甘蔗吸收養(yǎng)分。

2.2土壤全量養(yǎng)分的時(shí)間變異趨勢(shì)

圖1反映了土壤全量氮磷鉀含量在甘蔗生長各個(gè)時(shí)期的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，全量氮磷鉀含量在施肥后都有明顯增加，從施入氮磷鉀肥后各時(shí)期土壤全氮、全磷和全鉀的變化趨勢(shì)來看，分蘗期至伸長期土壤氮、磷含量下降較大，反映了上季甘蔗殘留的殘枝和死根分解腐爛，微生物活動(dòng)旺盛，消耗的氮素營養(yǎng)較多，能給植株吸收的營養(yǎng)也較多；成熟期后消耗量有所下降。鉀在各發(fā)育期的消耗量較為平均。

表2　土壤性質(zhì)變化與甘蔗農(nóng)藝性狀的相關(guān)矩陣

用SPSS進(jìn)行正態(tài)分布型檢驗(yàn)，所得出的偏度和峰度都表示：甘蔗施肥前和收獲后土壤中的全氮、全磷、全鉀均符合正態(tài)分布。變異系數(shù)（Cv）的大小可粗略估計(jì)變量的變異程度：施肥前土壤全量養(yǎng)分的變異系數(shù)在3.08%～6.94%，施肥后的變異系數(shù)提高到2.47%～33.76%，收獲期又降低至2.72%～5.97%。施肥前土壤的全磷含量變異是最大的，其次是全氮，最后是全鉀。施肥前與收獲期的土壤全量養(yǎng)分表現(xiàn)出弱變異強(qiáng)度，施肥后表現(xiàn)出中等變異強(qiáng)度。

2.3土壤養(yǎng)分變化量與甘蔗農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

甘蔗的生長與土壤養(yǎng)分含量的變化具有一定的關(guān)聯(lián)性，本研究進(jìn)行了甘蔗農(nóng)藝性狀與施肥后首次測(cè)定的土壤全氮、全鉀和全磷以及有機(jī)質(zhì)、pH值與收獲期相應(yīng)測(cè)定值的差（以Δ表示變化量）的相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

在滿足甘蔗生長需求的范圍內(nèi)，土壤狀況的每個(gè)因素都與甘蔗農(nóng)藝狀況呈正相關(guān)性，部分表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，測(cè)定數(shù)據(jù)和實(shí)際甘蔗生長規(guī)律相符，是分析甘蔗生長的有效因素。

圖1　土壤養(yǎng)分的時(shí)間變異趨勢(shì)

2.4預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)的確定

甘蔗生長與土壤各營養(yǎng)元素綜合作用有密切關(guān)系。以土壤全鉀的變化量（K）、土壤全磷的變化量（P）、土壤全氮的變化量（N）和對(duì)應(yīng)的生長發(fā)育天數(shù)（D）作為自變量，以株高生長量作為因變量（H）建立綜合預(yù)測(cè)模型（H單位：cm，K、P、N單位：mg/kg，D單位：日）：

式中C為待定參數(shù)。

采用Richards函數(shù)H=C0×[1-e-c1x]1/(1-c2)作為模擬模型，其參數(shù)C0（極限參數(shù)）、C1（速率參數(shù)）、C2（形狀參數(shù)），能對(duì)甘蔗生長作出最佳生物學(xué)解釋和對(duì)樣本資料具有靈活的擬合性能，選用它作為綜合預(yù)測(cè)模型的基本模型。從單項(xiàng)因子分析可見：K、P、N同甘蔗的株高生長有一定線性正相關(guān)；但是D與株高則呈非線性關(guān)系，但為了避免在綜合模型中使用過多的參數(shù)而降低模型的靈活性和適用性，因此也取線性一次項(xiàng)，最后將-C1X同K、P、N、D的關(guān)系式確定為：

將（2）式代入Richards基本模型，并將原參數(shù)C1改為b0，1/（1-C2）改為b5，得到綜合預(yù)測(cè)模型的結(jié)構(gòu)如下：

式中b0～b5為待定參數(shù)。

采用非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數(shù)，結(jié)果如下：

上式的剩余方差和Q=6982.4588，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=9.5611，相關(guān)系數(shù)r=0.9478。從常規(guī)的擬合精度指標(biāo)Q、S、r來看，Q、S越小，r越大，則擬合精度越高。方程（4）r=0.9478，說明該方程擬合精度高。

3　小結(jié)與討論

3.1試驗(yàn)地種植一季甘蔗的土壤養(yǎng)分時(shí)空變異

試驗(yàn)區(qū)土壤的pH為中性偏酸性，有機(jī)質(zhì)含量中等，全氮、全磷、全鉀在施肥后會(huì)有明顯的增加，伸長期植株吸收氮、磷的量較為明顯，成熟期后吸收量有所下降，鉀在各發(fā)育期的吸收量較為平均。所以宜在植株分蘗期時(shí)早追肥，以免伸長期養(yǎng)分供給不足。同一個(gè)樣點(diǎn)的土壤全氮、全磷和全鉀在土壤中具有相對(duì)一致的分布規(guī)律，養(yǎng)分間能相互促進(jìn)吸收，有研究表明[8]甘蔗種植時(shí)，配施一定量的氮肥有利于促進(jìn)土壤磷酸鹽的溶解，提高磷的吸收利用。饒江等[9]認(rèn)為這種相似的養(yǎng)分空間分布有利于實(shí)現(xiàn)小尺度分區(qū)精準(zhǔn)管理及農(nóng)民的節(jié)本增收。從養(yǎng)分時(shí)間變異程度來看，施肥前與收獲期的土壤全量養(yǎng)分表現(xiàn)出弱變異強(qiáng)度，施肥后表現(xiàn)出中等變異強(qiáng)度。

3.2土壤養(yǎng)分變化量與甘蔗農(nóng)藝性狀的關(guān)系

蔗地土壤pH值由酸性向中性變化，偏中性的土壤能提高土壤營養(yǎng)元素的有效性，更有利于甘蔗生長，也有研究表明[1]：土壤pH4.5～7.5都可以獲得高產(chǎn)，多數(shù)高產(chǎn)甘蔗土壤呈現(xiàn)弱酸性，這還與甘蔗的品種及土壤的其他養(yǎng)分有關(guān)。Δ有機(jī)質(zhì)對(duì)甘蔗莖長、莖粗、節(jié)長的提高具有顯著影響；Δ土全氮影響著甘蔗節(jié)的生長；Δ土全磷與莖長、莖粗達(dá)到顯著的正相關(guān)，可以間接說明在甘蔗生長中期磷對(duì)甘蔗莖的生長有巨大影響。其余項(xiàng)目間沒有達(dá)到顯著的相關(guān)性，前人的一些研究[2-3]也表現(xiàn)出了類似的結(jié)果。說明甘蔗的株高不是由單個(gè)營養(yǎng)元素直接突出決定的，而是各營養(yǎng)元素綜合作用的結(jié)果，因此施肥時(shí)要注意合理配施。

3.3甘蔗綜合預(yù)測(cè)模型

目前對(duì)甘蔗生長模擬模型的研究主要有兩個(gè)方向：一是特定地點(diǎn)和條件的回歸統(tǒng)計(jì)類型的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；二是基于甘蔗生理過程及其農(nóng)藝學(xué)的生長模擬模型[10]，在國際上主流的甘蔗生長模擬模型主要有南非的CANEGRO、澳大利亞的QCANE和APSIM-Sugarcane模型，這些模型能比較系統(tǒng)地總結(jié)甘蔗的生長規(guī)律，但在我國的運(yùn)用精度仍然需要驗(yàn)證。蔣菊生等[5]曾經(jīng)選用降雨量、旬積溫、旬日照時(shí)數(shù)和生長發(fā)育天數(shù)為自變量，建立過相應(yīng)的甘蔗株高綜合預(yù)測(cè)模型。本文是從甘蔗吸收養(yǎng)分的角度建立模型，參數(shù)的選擇能做出生物學(xué)的解釋，方程的擬合精度也達(dá)到了試驗(yàn)要求，但大田試驗(yàn)仍然存在一定的誤差，可能盆栽試驗(yàn)更有利于建立起更為準(zhǔn)確的模型。

[1]謝如林，黃美福，譚宏偉，等.高產(chǎn)甘蔗的土壤養(yǎng)分肥力特征[J].中國糖料，2008，30（3）：50-52

[2]楊文亭，李志賢，賴健寧，等.甘蔗-大豆間作和減量施氮對(duì)甘蔗產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響[J].作物學(xué)報(bào)，2014，40（3）：556-562

[3]韋貴劍，梁景文，陸文娟，等.甘蔗間種大豆最佳模式探討[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013（44）：49–53

[4]刀靜梅，郭家文，崔雄維，等.不同供氮水平對(duì)甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].中國糖料，2011，33（2）：22-23.

[5]蔣菊生，謝貴水，林位夫，等.冬植甘蔗新臺(tái)糖1號(hào)高產(chǎn)栽培生態(tài)學(xué)研究Ⅱ.生態(tài)因子與生長的關(guān)系及其綜合預(yù)測(cè)模型的建立[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，1999，20（3）：67-72

[6]譚宏偉，周柳強(qiáng)，謝如林，等.廣西甘蔗種植區(qū)土壤鉀素肥力分級(jí)研究[J].廣西科學(xué)，2003，10（4）：321-324

[7]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析（第三版）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010

[8]謝金蘭，王維贊，朱秋珍，等.氮肥施用方式對(duì)甘蔗產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分變化的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，44（4）：607-610

[9]饒江，王影，謝有奔.廣西蔗區(qū)土壤養(yǎng)分含量的小尺度空間分析[J]中國糖料，2008，30（2）：21-24

[10]Oleary G J.A review of three sugarcane simulationmodelswith respect to the prediction of sucrose yield[J].Field Crops Research, 2000,68：97-111

Study on Relation M odelof Sugarcane Field SoilNutrients and Sugarcane Grow th

YANG Jing-yang,HUANG Zhi-gang
(College of Agriculture,GuangxiUniversity,Nanning 530004,China)

To investigate the relationship between sugarcane ground soil nutrients and the sugarcane agronomic characters,comprehensive prediction modelwas established by dynamic analysis.The perennial root ROC22 was selected as the research object,correlation analysiswasmade by using themeasured values of soil nutrients and agronomic traits.Choosing total nitrogen variation(N),total P2O5variation(P),total K2O variation(K)and growth days of sugarcane(D)as the independent variable and sugarcane plant height(H)as the dependent variable,a comprehensive prediction model structure was determined by taking Richards equation.Result showed that in the range of themedium nutrient levels,organicmatter variation has extremely significant effect on stem length,stem diameter and section long of sugarcane;total nitrogen variation has significanteffecton section long of sugarcane; total P2O5variation has significant effect on stem length and stem diameter of sugarcane;the others were no significant correlation.Themodelwas determined

sugarcane;soil nutrients;agronomic characters;comprehensive predictionmodel

S566.1

A

1007－2624（2016）03－0018－03

10.13570/j.cnki.scc.2016.03.005

2015-12-24

國家公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目“蔗糖產(chǎn)量預(yù)測(cè)及氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)研究”（GYHY201406030）。

陽景陽（1990-），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋刭Y源信息技術(shù)，E-mail：297449589@qq.com