蔗地土壤養分與甘蔗生長的關系模型研究

陽景陽，黃智剛

蔗地土壤養分與甘蔗生長的關系模型研究

陽景陽，黃智剛

（廣西大學農學院，南寧530004）

探討了蔗地土壤養分狀況與甘蔗農藝性狀之間的相關關系，在此基礎上進行動態分析與建立綜合預測模型。利用種植新臺糖22號宿根蔗的土壤養分與農藝性狀實測值，對養分間及養分與農藝性狀間的相關性進行了分析；并運用R ichards函數，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（D）為自變量，以甘蔗株高為因變量（H）建立模型。結果表明：在中等養分水平范圍內，土壤有機質變化量對甘蔗莖長、莖粗以及節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的生長；土壤全磷變化量對甘蔗莖長和莖粗的提高有顯著影響；其余單個養分因子對甘蔗的農藝性狀關系不顯著。所得模型為：H=486.0352[1-e-0.00625K-0.00098P-0.00678N-0.007138D]9.8642

甘蔗；土壤養分；農藝性狀；綜合預測模型

甘蔗是世界第一大糖料作物，同時也作為高生物量能源作物被許多國家廣泛利用。由于蔗地養分狀況在甘蔗各生長階段都影響著甘蔗生長發育，而蔗地養分在甘蔗各生長階段都呈現動態變化，因此，研究蔗地土壤養分與甘蔗生長的關系，并建立一個全面而有效的模型系統來進行評估和預測對甘蔗生產的精準管理具有重要意義。

謝如林等[1]認為，甘蔗產量與土壤中的速效養分均沒有明顯的相關性；楊文婷等[2]綜合3年數據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]的研究結果相似，但有研究[4]認為在一定氮肥施用量范圍內，甘蔗蔗莖產量隨著施用量增加而增加。蔗地土壤養分與農藝性狀間的關系有待進一步明確。預測模型方面，蔣菊生等[5]曾篩選出降雨量、旬積溫、旬日照時數和生長發育天數為自變量，建立甘蔗株高綜合預測模型，并運用另一組數據校驗，取得了不錯的預測效果。但以土壤全量養分變化量為自變量的甘蔗株高綜合預測模型尚未有明確研究結果。

本研究以廣西大學農學院一片甘蔗試驗用地為研究區域，采用網格布點隨機采樣，對2009—2010年的土樣性質進行統計特征描述及各個土壤養分指標之間的相關性分析；對甘蔗不同生長期土壤性質的變化量與甘蔗的農藝性狀進行相關性分析，并建立以土壤全量養分變化量為因子的甘蔗綜合預測模型。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

試驗小區位于廣西大學農業試驗基地內（108.29°E，22.85°N），面積約為0.1hm2，地勢平整，土壤類型為第四季紅土母質發育的赤紅壤，質地輕壤。該區域年平均氣溫為21.6℃，平均相對濕度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濕潤氣候型區。

試驗區于2009年3月份在上一季甘蔗砍收后的小區內以網格采樣的方法采集了12個土壤樣品，分別測試了土壤性狀指標，并依據資料[6-7]進行了分級。土壤pH值6.06，為中性偏酸性，標準差和變異系數都很小，有機質含量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，速效養分的含量變幅和變異系數均較大。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。說明該試驗小區的土壤養分都處于中等水平，但土壤全量養分的空間分布差異小于速效養分的空間分布差異。

1.2試驗方法與樣品采集

供試品種為新臺糖22號第一年宿根甘蔗，于甘蔗分蘗期（2009年3月）采用根部基施的方法施入復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）100kg，在小區內以網格采樣方法設置12個樣點，采樣點以厘米級高精度GPS定位儀（合眾思壯集思寶G990 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），分別采集測定12個樣點直徑1m范圍內的甘蔗農藝性狀和根區土壤的全氮、全磷、全鉀以及有機質和pH值。土壤樣品磨碎過100目（0.1 mm）篩，裝入封口袋備用。

1.3數據分析

采用統計軟件SPSS和Mcrosoft Excel（Office 2003）進行數據統計和圖形繪制。以Richards函數作為基礎模型，應用非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數，得到綜合預測模型。

頻綜產生射頻激勵信號，其頻率在時間上按三角波規律變化。激勵信號經發射機放大后，通過發射天線轉換成電磁波信號向外發射。電磁波信號遇到目標后，一部分能量被反射回接收天線，接收天線將回波信號轉換為射頻信號(RF)，經低噪放放大后送入接收機。由于回波信號具有一定時間延遲，回波信號延遲后與本振信號就存在一定的頻差，頻差關系如圖2所示[6]。

表1　土壤性質間的相關矩陣

2　結果與分析

2.1收獲期土壤養分狀況間相關性分析

如表1所示，同一個樣點的土壤全氮、全磷和全鉀彼此間均有正向5%顯著水平的相關性，表明它們在土壤中具有相對一致的分布規律，這是由于甘蔗生長過程對氮磷鉀的大量吸收造成，且越健壯的甘蔗吸收養分越多。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具有部分負相關，其原因是偏中性的土壤環境更有利于甘蔗吸收養分。

2.2土壤全量養分的時間變異趨勢

圖1反映了土壤全量氮磷鉀含量在甘蔗生長各個時期的時間動態變化，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期土壤全氮、全磷和全鉀的變化趨勢來看，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，微生物活動旺盛，消耗的氮素營養較多，能給植株吸收的營養也較多；成熟期后消耗量有所下降。鉀在各發育期的消耗量較為平均。

表2　土壤性質變化與甘蔗農藝性狀的相關矩陣

用SPSS進行正態分布型檢驗，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、全鉀均符合正態分布。變異系數（Cv）的大小可粗略估計變量的變異程度：施肥前土壤全量養分的變異系數在3.08%～6.94%，施肥后的變異系數提高到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分表現出弱變異強度，施肥后表現出中等變異強度。

2.3土壤養分變化量與甘蔗農藝性狀的相關性

甘蔗的生長與土壤養分含量的變化具有一定的關聯性，本研究進行了甘蔗農藝性狀與施肥后首次測定的土壤全氮、全鉀和全磷以及有機質、pH值與收獲期相應測定值的差（以Δ表示變化量）的相關性分析，結果如表2所示。

在滿足甘蔗生長需求的范圍內，土壤狀況的每個因素都與甘蔗農藝狀況呈正相關性，部分表現出顯著相關性，測定數據和實際甘蔗生長規律相符，是分析甘蔗生長的有效因素。

圖1　土壤養分的時間變異趨勢

2.4預測模型結構的確定

甘蔗生長與土壤各營養元素綜合作用有密切關系。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）和對應的生長發育天數（D）作為自變量，以株高生長量作為因變量（H）建立綜合預測模型（H單位：cm，K、P、N單位：mg/kg，D單位：日）：

式中C為待定參數。

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

將（2）式代入Richards基本模型，并將原參數C1改為b0，1/（1-C2）改為b5，得到綜合預測模型的結構如下：

式中b0～b5為待定參數。

采用非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數，結果如下：

上式的剩余方差和Q=6982.4588，剩余標準差S=9.5611，相關系數r=0.9478。從常規的擬合精度指標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　小結與討論

3.1試驗地種植一季甘蔗的土壤養分時空變異

試驗區土壤的pH為中性偏酸性，有機質含量中等，全氮、全磷、全鉀在施肥后會有明顯的增加，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，鉀在各發育期的吸收量較為平均。所以宜在植株分蘗期時早追肥，以免伸長期養分供給不足。同一個樣點的土壤全氮、全磷和全鉀在土壤中具有相對一致的分布規律，養分間能相互促進吸收，有研究表明[8]甘蔗種植時，配施一定量的氮肥有利于促進土壤磷酸鹽的溶解，提高磷的吸收利用。饒江等[9]認為這種相似的養分空間分布有利于實現小尺度分區精準管理及農民的節本增收。從養分時間變異程度來看，施肥前與收獲期的土壤全量養分表現出弱變異強度，施肥后表現出中等變異強度。

3.2土壤養分變化量與甘蔗農藝性狀的關系

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，多數高產甘蔗土壤呈現弱酸性，這還與甘蔗的品種及土壤的其他養分有關。Δ有機質對甘蔗莖長、莖粗、節長的提高具有顯著影響；Δ土全氮影響著甘蔗節的生長；Δ土全磷與莖長、莖粗達到顯著的正相關，可以間接說明在甘蔗生長中期磷對甘蔗莖的生長有巨大影響。其余項目間沒有達到顯著的相關性，前人的一些研究[2-3]也表現出了類似的結果。說明甘蔗的株高不是由單個營養元素直接突出決定的，而是各營養元素綜合作用的結果，因此施肥時要注意合理配施。

3.3甘蔗綜合預測模型

目前對甘蔗生長模擬模型的研究主要有兩個方向：一是特定地點和條件的回歸統計類型的經驗模型；二是基于甘蔗生理過程及其農藝學的生長模擬模型[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地總結甘蔗的生長規律，但在我國的運用精度仍然需要驗證。蔣菊生等[5]曾經選用降雨量、旬積溫、旬日照時數和生長發育天數為自變量，建立過相應的甘蔗株高綜合預測模型。本文是從甘蔗吸收養分的角度建立模型，參數的選擇能做出生物學的解釋，方程的擬合精度也達到了試驗要求，但大田試驗仍然存在一定的誤差，可能盆栽試驗更有利于建立起更為準確的模型。

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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（氣象）科研專項重點項目“蔗糖產量預測及氣象災害監測評估技術研究”（GYHY201406030）。

陽景陽（1990-），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向為土地資源信息技術，E-mail：297449589@qq.com