農(nóng)田養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及養(yǎng)分平衡管理研究.pdf

1、澳大利亞西南部農(nóng)田氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素流失到河流中致使下游區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象日益加劇。本研究以西澳州南部Jacup附近的農(nóng)業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，在進(jìn)行為期三年(2005-2007)的河流水質(zhì)采樣后，首次提供西澳州的基線河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)河水中氮磷元素的含量已嚴(yán)重超標(biāo)，因此，本研究針對(duì)西澳州時(shí)而發(fā)生的強(qiáng)降雨并形成大范圍地表徑流的現(xiàn)象，選擇水土流失作為導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素流失的主要驅(qū)動(dòng)因素，以磷元素為例進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素的流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，識(shí)別流失風(fēng)險(xiǎn)

2、較高的區(qū)域，并分析其形成原因；同時(shí)以研究區(qū)內(nèi)的主要作物小麥為例，利用遙感影像和地面統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行小麥種植區(qū)提取，產(chǎn)量估測(cè)，并加入水土流失因素計(jì)算和分析種植區(qū)內(nèi)氮磷元素的平衡狀況。本研究的主要工作，認(rèn)識(shí)及結(jié)論如下：
　　 ⑴研究區(qū)水質(zhì)分析。采用研究區(qū)內(nèi)五個(gè)河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的持續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)定和分析電導(dǎo)率、pH值、總懸浮顆粒物以及不同形態(tài)氮磷元素等水質(zhì)參數(shù)。這是在西澳大利亞州范圍內(nèi)首次對(duì)基線河流水質(zhì)的測(cè)量和討論。研究發(fā)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮

3、總磷平均濃度為3.14mg/L和0.60mg/L，遠(yuǎn)超西澳州水質(zhì)管理的行業(yè)的劣等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(3.0 mg/L和0.30mg/L)，河水中氮磷元素富集。嘗試建立常規(guī)水質(zhì)參數(shù)(如電導(dǎo)率、總懸浮顆粒物)與各形態(tài)氮磷元素的回歸模型以達(dá)到低成本評(píng)價(jià)水中氮磷元素濃度的目的，但效果較差，不能普遍應(yīng)用。因而映射出下文研究以水土流失為驅(qū)動(dòng)力因素的養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及農(nóng)用地營(yíng)養(yǎng)元素平衡分析的重要性。
　　 ⑵研究區(qū)水土流失量的估算。采用水土流失通用方

4、程估算研究區(qū)2005～2007年的水土流失量。根據(jù)十二年的歷史降雨數(shù)據(jù)，月降雨量基本呈余弦函數(shù)分布，而2005～2007三年中每月同期降雨量的變化也較大，這通常與其中個(gè)別強(qiáng)降雨事件有關(guān)，特別是在干旱的夏季，有時(shí)一次強(qiáng)降雨的雨量能夠近似等于甚至超過(guò)歷史同期的月降雨量，極易造成水土流失。因此，降雨量(特別是日降雨量)的變化對(duì)水土流失的貢獻(xiàn)較大。為反映西澳州的特殊的降雨特點(diǎn)對(duì)水土流失帶來(lái)的影響，選擇日降雨量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)逐級(jí)計(jì)算獲取降雨侵蝕

5、力因子。選擇粒徑小于0.125mm土粒和有機(jī)碳含量、土壤滲透率，借助SOILOSS軟件的支持，利用土壤質(zhì)地與上述三個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算土壤可蝕性因子的空間分布情況。在地理信息系統(tǒng)軟件的支持下計(jì)算坡長(zhǎng)坡度因子后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地勢(shì)平坦，幾乎所有的區(qū)域百分比坡度均小于9％，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)地形對(duì)水土流失的影響并不大，但研究區(qū)東南方向毗鄰地形起伏較大的Fitzgerald國(guó)家公園將影響研究區(qū)的水土流失.植被因子引入土壤損失率的算法，根據(jù)各植被不同月份

6、的差異計(jì)算，結(jié)果顯示研究區(qū)常年有植被覆蓋，具有較好的水土保持效果。研究區(qū)2005-2007三年的水土流失量分別為3.04 t ha-1yr-1、1.62 t ha-1yf-1、1.19 tha-1yr-1，在澳大利亞水土流失分類標(biāo)準(zhǔn)中屬于中低級(jí)別。但水土流失程度分布不均，某些區(qū)域水土流失程度強(qiáng)烈，甚至有的達(dá)到31.54 tha-1yr-1。
　　 ⑶磷元素流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。以磷元素為研究對(duì)象，根據(jù)表層土中有效磷在不同濃度下與顆粒態(tài)磷

7、及可溶性磷濃度的影響關(guān)系，結(jié)合研究區(qū)的水土流失量，采用矩陣法評(píng)價(jià)研究區(qū)磷元素的流失風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)土壤有效磷的含量進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。通過(guò)研究，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以通過(guò)KS檢驗(yàn)，確定選擇指數(shù)模型并采用普通塊段克立格法制作有效磷的空間分布圖，并進(jìn)行交叉檢驗(yàn)以驗(yàn)證插值結(jié)果。研究區(qū)有效磷的分布不均，呈區(qū)域化分布，西北方向濃度偏高且分布較為規(guī)則；東北到南部的狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)濃度較低；其他區(qū)域濃度中等。經(jīng)分析可知，有效磷的空間分布與各年間農(nóng)場(chǎng)內(nèi)作物種類的變化以及相應(yīng)

8、施肥和操作方式的改變有關(guān)，此外自然因素也會(huì)導(dǎo)致部分有效磷的積累和遷移。研究區(qū)磷元素流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果中，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于研究區(qū)的中部和西北部(占研究區(qū)總面積的6.5％)，東部和南部風(fēng)險(xiǎn)較低(占研究區(qū)總面積的37.7％)，有明顯的區(qū)域化現(xiàn)象。通過(guò)流失風(fēng)險(xiǎn)與水質(zhì)采樣點(diǎn)各種形式磷元素含量的分析發(fā)現(xiàn)，在某些站點(diǎn)的磷元素含量與流失風(fēng)險(xiǎn)有相似的變化趨勢(shì)。流失風(fēng)險(xiǎn)與土壤質(zhì)地和農(nóng)場(chǎng)分布等也有一定的關(guān)系。但由于導(dǎo)致磷元素流失的因素非常多，水土流失只是其

9、中的一種驅(qū)動(dòng)力因素，故需加入其他影響因素以獲取更好的分析結(jié)果。
　　 ⑷小麥估產(chǎn)及養(yǎng)分平衡研究。使用遙感影像與相關(guān)地面收集資料，在影像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)行圖像分類、提取農(nóng)作物種植區(qū)、計(jì)算植被指數(shù)、建立估產(chǎn)模型、估算作物產(chǎn)量、計(jì)算農(nóng)田養(yǎng)分輸入、輸出和平衡量等一系列的處理過(guò)程，確定從遙感影像到農(nóng)田養(yǎng)分平衡狀態(tài)的具體獲取方法。研究選擇Landsat-5 TM影像為遙感數(shù)據(jù)源，采用監(jiān)督分類(最大似然法和SVM法)和非監(jiān)督分類(ISODAT

10、A法)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分類研究。針對(duì)小麥，從敏感性和特異性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)看，SVM法與ISODATA法效果類似，后者只比前者略差，但仍符合使用要求?？紤]到方法的易用性和穩(wěn)定性，選擇ISODATA分類方法。采用誤差矩陣對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行再次檢驗(yàn)，結(jié)果顯示該分類方法可用。提取小麥種植區(qū)范圍并進(jìn)行面積精度評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)證精度可以滿足研究要求。通過(guò)建立歸一化指標(biāo)指數(shù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)的回歸模型，發(fā)現(xiàn)利用分類結(jié)果中小麥種植面積作為小麥種植區(qū)范圍，采用二次多項(xiàng)式回歸效果最

11、好。通過(guò)未參加回歸的田塊產(chǎn)量的檢驗(yàn)，總產(chǎn)和單產(chǎn)的精度分別為87.76％和91.15％，證明本研究預(yù)測(cè)小麥產(chǎn)量的可行性。選擇含磷肥料作為農(nóng)田中磷元素的輸入源，小麥?zhǔn)斋@(包括籽粒和秸稈等)和水土流失為磷元素的主要輸出方式，計(jì)算小麥種植區(qū)內(nèi)磷元素的輸入、輸出和平衡情況。由結(jié)果可知雖然小麥?zhǔn)斋@和水土流失能造成一定的磷元素輸出，但含磷肥料的施用和土壤中磷的積累等帶來(lái)的磷元素輸入量更大，研究區(qū)磷元素普遍有剩余，研究區(qū)2003年磷元素的剩余量為2.5