第一章 绪 论
1.1土壤养分空间变异研究
土壤是一个自然连续体，空间变异是土壤的一种自然属性。土壤养分与粮食产量是息息相关的，充分了解土壤养分的空间分布情况可以为土壤资源合理利用提供重要依据（Franzen et al., 1996）。
1.1.1土壤养分空间变异概念
Matheron 于 1965 年在采矿学研究中将一些统计学的应用成果综合成为一个较为系统的理论，并以此为基础发展成为地统计学。此后，地统计学已经在许多领域得到广泛应用，20 世纪 70 年代地统计学引入到土壤学科中来（Burgess & Webster, 1980），推动了土壤空间变异性以及空间相关性和依赖性的定量化描述。土壤特性的空间变异性：是指一定区域内，同一时间，不同地点的土壤特性存在着的明显差异性，即根据观测和取样资料，分析土壤各特征参数的空间变化特征（雷志栋等, 1985）。分析土壤养分空间变异特征可以有效地揭示土壤养分在空间上的分布情况，为土壤养分管理提供科学依据。
1.1.2土壤养分空间变异影响
因素土壤养分的空间变异由土壤类型、母质、地形地势、当地气候等结构性因素和随机性因素如土地利用方式、人为耕作管理措施等各种因素在不同方向和尺度上共同作用的结果，也因土壤养分的种类、取样方法、取样区域和取样尺度大小而异。
（1）结构性因素
土壤养分的结构性因素主要是指土壤母质、土壤类型、地形以及气候等自然因素，这些结构性因素不仅在空间上存在着变异性，与土壤养分也存在着强烈的相关性，结构性因素是土壤养分存在空间变异性的内在因素。土壤母质是土壤的基础，不同的母质会使土壤特性存在很大的差异，从而形成空间上的变异性，在一些地区成土母质对一些土壤养分和理化性质的空间分布起主导作用（杨茹玮等, 2006）。土壤类型、母质和地形等对土壤养分的空间分异有显著影响（赵莉敏等,2008），但土壤类型、成土母质等对土壤养分的影响存在着一定差异（杨艳丽等, 2008）。Berndtsson等人（1993）的研究表明土壤养分的空间变异不仅取决于土壤母质的性质和地理位置，并与气候、大气沉降、降雨和农业措施有关。气候和地形对土样养分空间变异都具有强烈的影响（Okuda etal.,1995; Ovalles & Collins, 1986; Franzen, 1996）。土壤温度也存在着区域分异特征和季节性变化，并影响着土壤中碳氮等物质的生物学过程、植物的生长、农作物产量等（张慧智等, 2009）。
（2）随机性因素
土壤养分的随机性因素主要是指施肥、耕作措施、种植制度等人为因素。人为活动的随机性因素对土壤特征的影响也越来越大，精耕细作可以影响土壤物理属性的空间变异性（Tsegaye &Hill, 1998; Cattle et al., 1994; 傅伯杰等, 1999），郭旭东等人（2000）、王宏庭等人（2004）的研究都表明在农业生产中，施肥、灌溉、耕作措施、肥料施用等人为因素已成为土壤养分变异的主要因素。不均匀的肥料施用增加了土壤养分空间变异的程度，施肥是引起土壤养分空间变异的主要因素（张庆利等, 2004）。因此在指导施肥时要多考虑人为等随机性因素。
第二章 土壤养分空间变异特征与综合评价-以吉林省为例
我国农业生产主要以一家一户的小农户为经营单元，由于每个农户的施肥习惯千差万别，势必造成土壤养分在空间上的异质性。然而，近年来随着我国经济的快速发展和与之带来的农业从业人口的减少，农业的规模化发展已经成为未来现代化农业的发展趋势。因此，开展区域土壤养分空间分布特征研究对于指导区域土壤养分管理和合理施肥具有重要意义。国内学者对黑土区的土壤属性空间变异进行了大量的研究。大区域方面，Zhang 等（2007）以 5 km×5 km 网格法取样研究了整个东北黑土区的土壤养分空间变异；王红娟等（2008）用 20 km×20 km 网格法对整个东北平原土壤速效养分状况和分布进行了研究；李志斌等（2007）以 30 km×30 km 网格法采样研究了吉林省中部平原区土壤有效态中、微量元素的空间变异特征。小区域方面，张国刚等（2004）应用 GIS 以 100 m×100 m 网格法取样分析了吉林省公主岭市刘房子村 323 hm2耕地的土壤养分空间分布规律；张春华等（2010）以每 10 hm2取一个土壤样品研究了吉林省伊通县农田耕层土壤养分空间变异特征；同样，李晓燕等（2004）研究了吉林省德惠市土壤速效钾的空间分异特征。然而对吉林省中部玉米种植区土壤养分空间变异的研究还缺少系统报道。长久以来，土壤养分状况通常用测定土壤养分的平均值来表示，进行的推荐施肥量也比较单一，对土壤养分进行综合评价可以对土壤肥力高低进行判定。对土壤肥力进行综合评价需要土壤养分、理化性状和立地条件等多种因子指标，因此需要借助数学方法对土壤数据进行定量化表达。因此，本研究应用传统统计学和地统计学方法对吉林省中部玉米种植区九县市的土壤养分空间变异特征开展研究，利用层次分析法和模糊数学方法对土壤进行综合评价研究，旨在为吉林省玉米种植区土壤养分精准分区管理和高效施肥提供理论依据和实践指导。
第三章 玉米养分需求特征参数研究........................................... 38-59
3.1 材料与方法 ........................................38
3.2 玉米养分吸收特征 ........................................38-42
3.2.1 全部玉米数据养分吸收特征........................................ 38-39
3.2.2 春玉米和夏玉米养分吸收特征比较 ........................................39-42
3.3 玉米养分内在效率特征参数........................................ 42-43
3.4 最佳养分需求估算........................................ 43-56
3.4.1 数据来源........................................ 43
3.4.2 所有玉米数据最佳养分吸收估测........................................ 43-48
3.4.3 春玉米最佳养分吸收估测........................................ 48-51
3.4.4 夏玉米最佳养分吸收估测 ........................................51-54
3.4.5 养分吸收评价........................................ 54-56
3.5 讨论与小论........................................ 56-59
3.5.1 讨论........................................ 56-57
3.5.2 小结 ........................................57-59
第四章 玉米种植区产量反应和农学效率特征 ........................................59-66
4.1 材料与方法........................................ 59
4.2 产量反应和相对产量 ........................................59-60
4.3 农学效率 ........................................60-61
4.4 土壤基础养分供应........................................ 61-63
4.5 讨论与小结 ........................................63-66
4.5.1 讨论........................................ 63-65
4.5.2 小结 ........................................65-66
第五章 基于产量反应和农学效率施肥模型........................................ 66-74
5.3.1 试验设计........................................ 69-70
5.3.2 施肥量比较........................................ 70-71
5.3.3 试验结果 ........................................71-73
5.4 讨论与小结........................................ 73-74
5.4.1 讨论........................................ 73
5.4.2 小结........................................ 73-74
结论
本文采用地统计学方法研究了区域土壤养分的空间变异特征并进行了综合评价，运用QUEFTS 模型模拟了不同目标产量下玉米产量与养分吸收的最佳关系曲线，建立了基于产量反应和农学效率的玉米推荐施肥方法并进行了田间验证。主要结果如下：
(1) 六种养分要素指标均达到了中等和较强的空间自相关；六种养分要素的 GIS 插值空间变异图能够很好地反映土壤养分的空间分布。吉林省中部玉米种植区土壤肥力综合指标（IFI）值多处于 0.55-0.85 之间，所占面积比例占全部研究区域的 97.84%；影响土壤肥力的因素主要是有机质、质地、土壤类型、有效磷和坡向等。
(2) 应用 QUEFTS 模型对我国 2001-2010 年春玉米和夏玉米养分吸收特征进行评价分析，得出玉米不同目标产量的 N、P 和 K 的最佳养分吸收，无论潜在产量为多少，当目标产量达到潜在产量的 60%-70%时，直线部分 N、P 和 K 的吨粮养分吸收是一定的。春玉米每生产 1 吨籽粒产量其地上部植株的 N、P 和 K 养分吸收量分别为 16.9、3.5 和 15.3 kg，夏玉米每生产 1 吨籽粒产量其地上部 N、P 和 K 的养分吸收量分别为 22.5、4.4 和 15.9 kg。
(3) QUEFTS 模型模拟不同目标产量下籽粒养分吸收，春玉米每生产 1 吨籽粒产量其籽粒需要吸收的 N、P 和 K 分别为 9.0、2.4 和 3.5 kg/t，夏玉米每生产 1 吨籽粒产量其籽粒吸收的 N、P和 K 分别为 13.1、3.6 和 3.5 kg/t。
(4) 相对产量越高，表明土壤养分供应能力越高，产量反应就越低。相对产量与产量反应呈现线性负相关关系，土壤基础养分供应与产量反应呈现指数负相关关系；农学效率越低，产量反应越低，二者呈现二次抛物线曲线关系