CN112986058A - 一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，所述方法包括以下步骤：（1）按照作物种植密度和土壤养分监测的需求，对作物株间土壤进行等距分割；（2）根据监测指标，对土壤剖面水平方向和重力方向的土壤进行网格化采样、化验分析；（3）依据化验分析结果，进行数据录入和插值分析，形成可视化土壤剖面养分分布图；（4）按照监测频率要求，重复上述操作，即可实现土壤剖面养分的动态监测。本发明可解决现有技术存在的无法测算土壤中肥料养分迁移、扩散量，以及不能提供直观可视化分析的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，属于土壤肥料养分监测技术领域。
背景技术
当前，土壤养分的动态变化监测手段主要有以下两种方式：
以水分作为动力来源的土壤养分迁移扩散规律研究主要采用土壤养分淋溶、径流装置，例如土壤径流液、淋溶液采集装置，该类装置通过在土壤的表层和底层安装水分承接装置或感应器，获取定期或不定期的水体积数据和水样品，通过检测分析不同时间段的淋溶/径流液养分，从而确定土壤中的养分损失。该类装置、器械延续使用十余年，技术陈化，已无法满足当前对土壤更加直观、微观的研究与表达、展示。
以直接采集土壤样品开展土壤养分迁移扩散规律的研究主要依托土壤样品分层采集的途径开展，该技术通过对不同深度的土壤样品采集，测算重力方向的土壤养分的迁移、扩散规律。该技术能够按照土层深度对土壤样品进行精确采集，但无法实现土壤养分多维度空间表达。
以上技术仅能在有限的时间、空间范围内测定土壤养分的动态迁移、损失量，无法测算三维土壤中养分的迁移、扩散量，且不能提供直观的可视分析途径。
发明内容
基于上述，本发明提供一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，以解决现有技术存在的无法测算土壤中肥料养分迁移、扩散量，以及不能提供直观可视化分析的技术问题。
本发明的技术方案是：一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，所述方法包括以下步骤：
（1）按照作物种植密度和土壤养分监测的需求，对作物株间土壤进行等距分割；
（2）根据监测指标，对土壤剖面水平方向和重力方向的土壤进行网格化采样、化验分析；
（3）依据化验分析结果，进行数据录入和插值分析，形成可视化土壤剖面养分分布图；
（4）按照监测频率要求，重复上述操作，即可实现土壤剖面养分的动态监测。
可选的，步骤（1）中，按照作物株距和根系生长深度，对作物株间土壤进行水平方向和垂直方向的等距分割。
可选的，步骤（3）中，采用SigmaPlot 14.0软件对土壤样品数据进行处理和计算。
可选的，以作物株距的垂直分割线与土面的水平交点为原点，按照土壤剖面等距分割的长度为步长，将采集的位置信息，以及化验分析得到的监测指标录入系统。
可选的，所述监测指标包括碱解氮、速效磷、速效钾中的一种或任意几种。
可选的，采用插值分析的方法，以等高线的形式对土壤剖面养分含量进行判断预测，并展示土壤剖面养分含量分布规律，实现土壤养分分布的可视化。
本发明的有益效果是：本发明为支撑土壤养分迁移、扩散规律更加直观、更加微观的研究，设计表转化取样方式，并以现代的信息技术手段进行可视化分析，展现土壤养分迁移、扩散的动态规律。本发明可用于评价肥料施用效果评价、施肥器具使用效果评价以及土壤面源污染评价等诸多领域，为肥料的应用技术评价和指导提供更为直观的展示途径与方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过构建土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，能够不受监测指标及监测频次的限制，对土壤剖面养分网格化管理，实现了土壤养分（或物质）的微观解析、描述方法。
2、本发明通过构建土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，将传统土壤学、植物营养学与现代计算机技术进行结合，采用插值分析的方法，向研究人员提供了土壤剖面养分动态监测直观展示的途径与方法。
附图说明
图1 土壤剖面养分动态监测流程图；
图2 土壤剖面分割示意图；
图3 土壤剖面养分数据录入图；
图4 土壤剖面养分含量分布与可视化；
图5 基于常规土壤监测方法的土壤耕层主要速效养分变化规律；
图6 基于本发明的土壤监测方法的土壤耕层碱解氮变化规律；
图7 基于本发明的土壤监测方法的土壤耕层速效磷变化规律；
图8 基于本发明的土壤监测方法的土壤耕层速效钾变化规律；
图9 常规施肥对植烟土壤剖面碱解氮含量分布影响（CK处理）；
图10 水溶根施肥对植烟土壤剖面碱解氮含量分布影响（T处理）；
图11 常规施肥对植烟土壤剖面速效磷含量分布影响（CK处理）；
图12 水溶根施肥对植烟土壤剖面速效磷含量分布影响（T处理）；
图13 常规施肥对植烟土壤剖面速效钾含量分布影响（CK处理）；
图14水溶根施肥对植烟土壤剖面速效钾含量分布影响（T处理）。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例：
请参阅图1，本发明实施例一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，该方法包括以下步骤：首先，按照作物种植密度和土壤养分监测的需求，对作物株间土壤进行等距分割；其次，根据监测指标，对土壤剖面水平方向和重力方向的土壤进行网格化采样、化验分析；再次，依据化验分析结果，进行数据录入和插值分析，形成可视化土壤剖面养分分布图；最后，按照监测频率要求，重复上述操作，即可实现土壤剖面养分的动态监测。
具体而言，为实现土壤剖面养分监测和可视化，首先按照作物株距和根系生长深度，对作物株间土壤进行水平方向和垂直方向的等距分割，如图2所示。其次，采集各网格适量土壤样品，按照土壤养分监测的指标进行实验室化验分析，每个样品重复检测3次，以得到土壤剖面样品中养分或物质的准确含量。再次，采用SigmaPlot 14.0软件对土壤样品数据进行处理和计算。以作物株距的垂直分割线与土面的水平交点为原点，按照土壤剖面等距分割的长度为步长，将位置信息、监测指标录入系统。以土壤碱解氮含量为例，数据录入如图3所示。录入数据后，采用插值分析的方法，以等高线的形式将土壤剖面养分含量进行判断预测，并展示土壤剖面养分含量分布规律，实现土壤养分分布的可视化，如图4所示。最后，根据土壤监测频率需求，重复上述操作，即可实现土壤剖面养分的动态监测。
验证例：
在贵州省安顺市平坝区进行不同施肥模式下的养分动态监测技术验证。试验地坐标26°26′3″N，106°14′14″E，海拔1162 m。年均气温13.3℃，年日照时数1018.3 h，年降水量1360 mm，年平均相对湿度为79%，属于亚热带湿润温和型气候。试验土壤属黄壤水稻土，在贵州烟区具有典型性和代表性。
验证试验共设1个处理，重复3次，小区面积300m2。该处理采用烤烟专用复合肥进行施肥。采用当地主栽烤烟品种“云烟87”作为供试品种，试验地进行垄作，起垄高度为0.3m，垄距为1m，移栽株距为0.66m，种植密度为1100株/666.7m2，4月末完成移栽。采用本发明中的方法与常规土壤养分动态监测方法进行对比，验证本发明对土壤剖面进行动态监测的可行性，土壤剖面养分动态监测频率为24天/次，监测养分指标分别为碱解氮、速效磷、速效钾。
按照常规土壤养分动态监测方法，在烤烟不同生育期，土壤养分动态变化如图5所示。图片仅能够显示耕层土壤养分状态和变化，养分的变化趋势、耕层土壤横向和纵向的变化规律无法形象体现，展示效果相对单一。与之相比，采用本发明中的方法，土壤中的碱解氮（图6）、速效磷（图7）、速效钾（图8）在不同时间整体耕层土壤的养分状态和变化规律变化趋势更为直观、具体，能够向研究者反映耕层土壤中的养分的整体状态，为农田养分管理提供更为有力的支撑。
应用例：
应用例试验地点与验证例相同。
同田对比试验共设2个处理，重复3次，小区面积300m2。CK处理采用常规施肥方式，肥料按照基肥、追肥推荐用量进行分次施肥；T处理的设置与验证例相同。与CK处理相比，T理的氮（N）、钾（K2O）投入量分别减少5.7%、20%，磷（P2O5）投入量增加45%。采用当地主栽烤烟品种“云烟87”作为供试品种，试验地进行垄作，起垄高度为0.3m，垄距为1m，移栽株距为0.66m，种植密度为1100株/666.7m2，4月末完成移栽，田间管理、采收、烘烤均与当地优质烤烟栽培管理措施相同。采用本发明实施例1中的方法对土壤剖面进行动态监测，土壤剖面养分动态监测频率为24天/次，监测养分指标分别为碱解氮、速效磷、速效钾。
从土壤剖面中碱解氮养分动态分布来看，常规施肥对耕层植烟土壤碱解氮含量的分布如图9所示。烤烟移栽20天时进行追肥，土壤中碱解氮含量显著提升，至移栽48d时，靠近烤烟的表层土壤碱解氮含量达到200mg/kg，随着移栽时间的延长，碱解氮含量逐渐降低，至移栽120d时，表层土壤的碱解氮含量维持在170mg/kg~160mg/kg。
与常规施肥相比，水溶根施肥对耕层植烟土壤碱解氮含量的分布如图10所示。在移栽25天时进行水溶根施肥配方II的施用，土壤表层的碱解氮含量迅速升高，在施肥位点附近的含量达到200mg/kg以上，对近烟土壤的碱解氮含量提升减缓，但出于表层10cm的土壤碱解氮均匀达到190mg/kg。随着移栽时间的延长，烤烟的远根土壤碱解氮含量逐渐降低，而近根土壤的碱解氮含量仍维持在190mg/kg左右，持续为烤烟进行氮素供给。与常规施肥相比，水溶根施肥对土壤的氮素供给更为均匀、迅速，对烟株养分供给的针对性更强。
常规施肥对耕层植烟土壤速效磷含量的分布如图11所示。烤烟移栽后，施入的磷肥逐渐向土壤释放养分，到移栽后48天时，磷肥逐渐扩散至表层土壤，后期生长又逐渐降低。与之相比，如图12所示，水溶根施肥施用后，耕层土壤在移栽后24天时，土壤中的速效磷含量显著升高，并向更接近烤烟根系的方向扩散迁移，随着施肥时间的烟长，土壤的速效磷含量逐渐降低，截止到移栽后120天时，土壤中深度10cm~20cm的速效磷含量显著提高，较常规施肥的土壤对烤烟供给磷素的能力更强。
常规施肥对耕层植烟土壤速效钾含量的分布如图13所示。由于土壤中速效钾含量较高，烤烟移栽后钾素养分充足；随着追肥中的钾肥养分缓慢释放，耕层土壤中的速效钾含量逐渐增加，在移栽后72天时，烤烟根系区域的速效钾含量达到340mg/kg，而后耕层土壤养分整体逐渐降低。
与常规施肥相比，如图14所示，水溶根施肥施用后，耕层土壤的进行追肥后，表层土壤中的速效钾含量快速升高，至移栽后48天时，深度为10cm~20cm的土壤中，速效钾分布更为均匀，随着烤烟的生长，土壤速效钾含量逐渐向烤烟根系生长区域迁移扩散，在移栽后120天时，耕层土壤的速效钾含量仍显著高于常规施肥，对烤烟的钾素营养供给具有较好的改善。
通过对比不同施肥方式对植烟土壤剖面碱解氮、速效磷、速效钾的养分动态变化规律，明确了不同施肥模式下三种养分在垂直方向（重力方向）、水平方向迁移、扩散特性，对新型肥料应用技术评价和指导提供了更为直观的展示途径与方法。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种土壤中肥料养分迁移规律的可视化分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）按照作物种植密度和土壤养分监测的需求，对作物株间土壤进行等距分割；
（2）根据监测指标，对土壤剖面水平方向和重力方向的土壤进行网格化采样、化验分析；
（3）依据化验分析结果，进行数据录入和插值分析，形成可视化土壤剖面养分分布图；
（4）按照监测频率要求，重复上述操作，即可实现土壤剖面养分的动态监测。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤（1）中，按照作物株距和根系生长深度，对作物株间土壤进行水平方向和垂直方向的等距分割。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤（3）中，采用SigmaPlot 14.0软件对土壤样品数据进行处理和计算。
4.根据权利要求3所述的分析方法，其特征在于，以作物株距的垂直分割线与土面的水平交点为原点，按照土壤剖面等距分割的长度为步长，将采集的位置信息，以及化验分析得到的监测指标录入系统。
5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，所述监测指标包括碱解氮、速效磷、速效钾中的一种或任意几种。
6.根据权利要求3所述的分析方法，其特征在于，采用插值分析的方法，以等高线的形式对土壤剖面养分含量进行判断预测，并展示土壤剖面养分含量分布规律，实现土壤养分分布的可视化。
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| Title |
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| 王冲 等: ""渭北旱塬矮化苹果园滴灌下土壤剖面水分和养分时空分布特征"", 《水土保持学报》 * |
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