Monte Carlo 法在多元肥效模型参数估计和推荐施肥中的应用

针对多元肥效模型大量存在非典型式的事实,本文应用“3414”田间试验结果,详细介绍Monte Carlo法的原理以及在多元肥效模型参数估计、非典型肥效模型推荐施肥等方面的应用方法和步骤。结果表明,采用最小二乘法回归建模,67个二元和59个三元肥效模型的典型式出现机率分别为23.1%和16.9%;而改用Monte Carlo法参数寻优,典型式出现机率分别提高到56.7%和37.3%,是最小二乘法的2.5倍和2.2倍。与最小二乘法相比,Monte Carlo法是在参数寻优时牺牲数学上偏差平方和最小的最优性,使待估参数达到专业上最优而数学上较优,从而提高典型肥效模型的出现机率。对Monte Carlo法也不能得到典型式的晚稻磷钾非典型肥效模型,用产量频率分析法计算推荐施肥量,表明只有一组磷钾肥用量组合入选,导致磷肥推荐用量偏高而钾肥偏低。在相同目标产量下,改用Monte Carlo法,平均推荐用量介于相同试验地所建立的氮磷、氮钾和氮磷钾典型肥效模型的推荐用量之间,结果明显优于产量频率分析法。因此,Monte Carlo法为多元肥效模型参数估计和非典型肥效模型推荐施肥提供了一种新方法,提高了当前测土配方施肥田间试验的成功率。     

三元肥料效应模型的整合与优化建模策略

针对当前作物肥效模型建模成功率普遍偏低的问题,探讨了提高建模成功率的优化建模策略。在分析整合三元非结构肥效模型非线性最小二乘（NLS）和三元二次多项式肥效模型普通最小二乘（OLS）、主成分回归（PCR）和可行广义最小二乘回归（FGLS）四种建模法的适用性基础上,根据水稻和露地蔬菜的1 122个氮磷钾田间肥效试验结果,探讨三元肥效模型的综合应用方法。结果表明,三元肥效模型不同函数式及其建模法的适用性有明显差别。三元二次多项式肥效模型OLS建模法的典型式比例平均仅有19.8%,克服多重共线性危害的PCR建模法和克服异方差危害的FGLS建模法均有利于提高典型式比例,而同时克服了模型设定偏误和多重共线性危害的非结构肥效模型及其NLS建模法的典型式比例则提高至41.4%。根据不同模型及其建模法的适用性,提出三元肥效模型四步建模法,结果使典型式的比例进一步提高至57.5%,且在双季稻、单季稻和露地蔬菜中的相关比例差异很小。因此,四步建模法是大幅度提高三元肥效模型建模成功率的有效技术方法。     

提高三元肥效模型建模成功率的主成分回归技术研究

三元二次多项式肥效模型在施肥实践中存在大量非典型式,严重制约了肥效模型计量精确性和应用价值。为提高田间肥效试验建模成功率,本研究探讨肥效模型建模新方法。根据福建省早稻171个"3414"设计的氮磷钾田间肥效试验结果,研究三元二次多项式肥效模型多重共线性的危害和诊断方法以及主成分回归建模技术。结果表明,试验设计矩阵X的方阵(XTX)条件数和方差膨胀因子的诊断指标均显示,三元二次多项式肥效模型存在严重的多重共线性,且这种共线性主要是因模型设定本身造成的。多重共线性严重制约了普通最小二乘法(OLS)的有效性,OLS回归建模的三元典型肥效模型比例仅占试验总数的27.5%。主成分回归对设计矩阵提取互不相关的9个主成分,消除了多重共线性危害。采用前7个主成分回归建模,三元典型肥效模型比例提高至43.3%,为OLS法的1.6倍。尤其是主成分回归大幅度降低了模型系数符号不合理的非典型式,从OLS建模的14.6%下降至零;模型无最高产量点的非典型式比例从OLS建模的36.8%下降至21.1%。7个主成分回归建模利用了试验设计矩阵X99.9%以上的方差信息,其所得典型式与OLS法所得典型式在推荐施肥量和预测产量上几乎无差别。针对主成分回归是一种有偏估计,采用OLS法结合前7个主成分回归建模,三元典型肥效模型所占比例进一步提高至55.6%,为OLS法的2.0倍,结果明显优于单独使用OLS回归或者主成分回归。因此,主成分回归可消除三元二次多项式肥效模型的多重共线性危害,OLS法结合前7个主成分回归建模是显著提高水稻氮磷钾三元典型肥效模型比例的最优建模策略。     

三元非结构肥效模型提高水稻施肥推荐的可靠性

【目的】针对三元二次多项式肥效模型的设定偏误和多重共线性危害导致建模成功率低的问题,研发三元非结构肥效模型,扩大模型适用性。【方法】在福建省平和县和仙游县选择了13个水稻氮磷钾田间肥效试验结果作为研究案例。田间试验均采用"3414"设计方案,即:1) N_0P_0K_0;2) N_0P_2K_2;3) N_1P_2K_2;4) N_2P_0K_2;5)N_2P_1K_2;6) N_2P_2K_2;7) N_2P_3K_2;8) N_2P_2K_0;9) N_2P_2K_1;10) N_2P_2K_3;11) N_3P_2K_2;12) N_1P_1K_2;13) N_1P_2K_1;14)N_2P_1K_1。其中,"2"水平为试验前当地氮磷钾推荐施肥量,"0"水平表示不施肥,"1"水平和"3"水平的施肥量分别为"2"水平的50%和150%。在一元非结构肥效模型基础上,利用氮磷钾田间肥效试验结果,在每个试验点分别构建了三元二次多项式肥效模型和三元非结构肥效模型。利用已有的668个水稻"3414"田间试验结果,比较验证了两种模型的拟合效果和推荐施肥量的可靠性。【结果】在构建的13个三元二次多项式肥效模型中,有2个模型的结果未达到统计显著水平,3个肥效模型属于非典型式,而构建的13个三元非结构肥效模型均得到了典型式。通过668个水稻氮磷钾田间肥效试验结果验证表明,三元二次多项式肥效模型未能通过显著性检验的比例达到30.1%,而三元非结构肥效模型未能通过的比例下降到23.4%。在推荐施肥量外推的非典型式中,三元二次多项式肥效模型的比例为4.0%,而三元非结构肥效模型则提高到30.7%。在系数符号不合理和无最高产量点的两种非典型式类型中,三元二次多项式肥效模型的比例分别达到32.3%和14.4%,而三元非结构肥效模型则分别降低到6.9%和0。三元二次多项式肥效模型的典型式比例仅为19.5%,而三元非结构肥效模型典型式比例则提高到39.1%,是前者的2.0倍,明显提高了田间试验结果的建模成功率。【结论】大样本田间试验充分证明,相比三元二次多项式肥效模型,采用三元非结构肥效模型进行早、中、晚稻推荐施肥,提高了建模的成功效率和模型的实用性,是可靠性更高的模型。     

二元非结构肥效模型构建及其田间试验验证

二次多项式肥效模型假设单位养分增产量与施肥量之间为线性模型,结果导致最高施肥量之前和最高施肥量之后的施肥效应是对称关系。这种模型设定偏误以及模型存在的强烈多重共线性和异方差是建模成功率明显偏低的重要原因。本研究研发二元非结构肥效模型,旨在提高二元肥效模型的适用性。在一元非结构肥效模型基础上,根据植物营养元素功能不可相互替代原理,构建二元非结构肥效模型,并通过氮、磷、钾二元组合的田间肥效试验结果检验新模型的拟合效果和推荐施肥量的可靠性。结果表明,在水稻、花生、马铃薯、毛豆、冬小麦和夏玉米的17个氮磷、氮钾、磷钾二因素肥效田间试验结果中,二元二次多项式肥效模型均能通过统计显著性检验,但典型肥效模型仅占试验点总数的58.8%,模型一次项系数或二次项系数代数符号不合理以及推荐施肥量属于外推的非典型式占41.2%。基于二元非结构肥效模型拟合上述试验结果,同样均能通过统计显著性检验,典型肥效模型的比例占试验点总数的88.2%,非典型式模型(均属于推荐施肥量外推)比例仅占11.8%,建模成功率较二元二次多项式肥效模型提高了29.4个百分点。两种模型的最高产量施肥量之间、经济产量施肥量之间存在显著的线性正相关,但线性回归方程的一次项系数分别仅有0.9153和0.9161,表明当二元二次多项式模型推荐的最高施肥量或经济施肥量每增加1 kg时,二元非结构肥效模型的相应推荐施肥分别仅增加0.915 3 kg和0.916 1 kg,较好地克服了二次多项式模型推荐施肥量偏高的问题。分析表明,二元二次多项式肥效模型是二元非结构肥效模型的简化式和特例,新模型具有更广的适用范围。     

辽西土壤养分供应能力与高粱施肥推荐

为探讨辽西褐土区土壤养分供应能力,2012年和2014年采用随机区组试验研究了不同施肥处理下土壤养分供应、高粱产量及养分吸收利用的变化。试验包括CK、NPK、PK、NK和NP 5个处理,3次重复。结果表明,该试验区土壤供氮、供磷、供钾能力分别为80.9%、88.5%、97.6%。土壤供氮、磷能力为"中",供钾能力为"高",氮素是该区高粱生产首要养分限制因子。2012年NPK较PK处理增产20.5%,与NK处理产量差异不显著,2014年NPK分别较PK和NK处理增产26.9%和20.3%,2年间NPK与NP处理产量差异不显著。NPK或NP配施可显著提高高粱产量。不同施肥措施对N、P、K的吸收量以NPK和NP处理较高。施氮肥可显著降低氮素收获指数,施磷肥和钾肥对磷素和钾素收获指数无显著影响。肥料农学效率以磷肥最高,氮肥居中。肥料利用率以氮肥最高,磷肥最低。综合不同施肥处理下的养分供应能力、高粱产量、养分吸收量和利用率可知,本地区高粱施肥应加强氮肥的合理投入,并注重磷肥的合理施用。     

塿土区长期施肥农田土壤的可持续性评价

【目的】施肥是实现作物增产和土壤培肥的主要途径,综合评价长期不同施肥条件下农田土壤的可持续性.可为农田合理施肥和管理提供理论支撑。【方法】依托陕西杨凌"国家黄土肥力与肥料效益监测基地"长期肥料定位试验(23年)采集分析了该试验9个处理[不施肥(CK)、单施氮(N)、氮钾配合(NK)、磷钾配合(PK)、氮磷配合(NP)、氮磷钾配合(NPK)、氮磷钾配合秸秆还田(SNPK)、低量有机肥配合氮磷钾(M_1NPK)和高量有机肥配合氮磷钾(M_2NPK]的土壤养分、微生物特性及作物产量,计算了土壤养分指数、微生物指数、作物指数和可持续性指数.综合评价了长期不同施肥处理对(?)土区农田土壤可持续性的影响。【结果】CK和N处理土壤养分指数分别为0.75和0.87,两者之间差异显著(P0.05)均低于土壤养分指数临界值1.00;其余处理的土壤养分指数在1.12~3.12之间均大于临界值,其中NP和NK差异不显著,SNPK和PK差异不显著,其余各处理间均差异显著(P0.05)。CK、N、NK和PK处理土壤微生物指数在0.74~0.84之间低于土壤微生物指数临界值1.00,其中CK和N差异不显著,NK和PK差异不显著但两组之间差异显著(P0.05);NP、NPK、SNPK、M、NPK和M,NPK处理的在0.98~1.21之间,接近或大于临界值,其中M、NPK和M,NPK差异不显著,NP、NPK和SNPK差异不显著,两组之间差异显著(P0.05)。CK、N、NK和PK的作物指数在0.52~0.60之间均低于作物指数临界值1.00,仅PK和N差异显著(P0.05);氮磷配合的施肥处理(NP、NPK、SNPK、M_1NPK和M_2NPK)在0.98~1.02之间,各处理间差异不显著但均接近或大于临界值1.00。CK、N、NK和PK的可持续性指数分别为0.49、0.54、0.74和0.99均低于可持续性指数临界值1.30,其中CK和N差异不显著;NP和NPK处理的可持续性指数分别为1.18和1.26,两者差异不显著,接近于可持续临界值;有机无机配合的处理(SNPK、M、NPK和M,NPK)的可持续性指数差异显著(P0.05)分别为1.55、2.32和2.94,较临界值高19.5%、78.8%和126.3%。土壤养分指数的变异性(50.2%)大于作物指数(29.1%)和微生物指数(18.4%)的变异性综合计算的可持续性指数的变异最高(62.1%)。【结论】冬小麦一夏玉米轮作条件下,长期不施肥和偏施化肥缕土区农田生产不可持续,化肥平衡施用(NP和NPK)基本可持续,NPK化肥配合秸秆还田(SNPK)和适量有机无机配施(M_1NPK)是实现(?)土可持续利用的施肥模式。     

长期施肥下我国南方不同轮作制度水稻的高产稳产性分析

采用产量可持续性指数(SYI)法,研究了我国稻作系统下8个长期试验点各8个不同肥料处理下水稻产量的稳产高产性特征,其中施肥模式包括氮磷钾化肥(NPK)的不同组合(N、NP、NK、PK、NPK)、全施用有机肥(M)、化肥配施肥有机肥(NPKM)及不施肥(CK)共8个处理。结果表明:不同施肥下水稻的SYI值不同,不施肥和化肥偏施(N、NK和PK)水稻SYI值较低(0.33~0.49),而NP、NPK、M及NPKM处理水稻SYI值较高(0.51~0.64)。不同区域间水稻SYI值(CK或NPK)差异不显著,但不同轮作间差异显著,其中单季稻(0.49)显著高于早稻(0.44)和晚稻(0.47)。水稻各处理的SYI值与其平均产量间呈极显著的正相关关系,而与产量变异系数为显著负相关,表明可以通过提高水稻产量及其稳定性来提高水稻产量的可持续性。因此,施肥是影响水稻SYI值的重要因素,化肥配施及有机无机配施均能获得较高SYI值,维持较高的水稻可持续性,是可推荐的稻田施肥模式。     

不同肥料配比对富士苹果产量及品质的影响

为了探讨不同氮磷钾配合施肥对渭北旱塬富士苹果产量及品质的影响,为富士苹果的优质、高产提供理论依据,本文通过连续5年（2004～2008）氮磷钾不同配比施肥定位试验,研究了不同配比施肥对苹果产量及品质的影响。结果表明:施用化肥能使苹果产量提高12.62%～48.57%;NPK配合施肥处理5年中平均产量为34.8 t/hm2,较对照增加了48.57%;PK,NK和NP处理的苹果平均产量较对照 （CK）分别增加了12.62%,21.50%和21.16%。当地化肥对苹果产量的贡献顺序为:氮肥＞钾肥≥磷肥。NPK配合施肥,苹果商品率不断提高,果径大于75 mm的果实个数所占比例逐年增加,由2004年的53.7%增至2008年的81.2%,增长率达51.2%;苹果的糖酸比由2004年的37.1逐年提高到2008年的39.9,提高了7.5%;Vc含量及硬度同样有逐年递增趋势。PK、NK、NP处理,果径小于75 mm的果实个数所占比例逐年增加,糖酸比及Vc含量逐年降低,尤其是NP处理,糖酸比由2004年的32.7降至2008年的20.8,降低了36.3%。PK、NK、NP处理苹果Vc含量5年降低了15.6%,硬度也随试验时间的推移出现逐年下降趋势。NPK配合施肥提高了苹果产量,促进了苹果品质的改善。     

长期平衡施肥对潮土微生物活性和玉米养分吸收的影响

利用中国科学院封丘农业生态实验站农田生态系统养分平衡长期定位试验地,研究氮磷钾平衡施肥(NPK)与缺素施肥(NK、PK、NP)对土壤微生物生物量、酶活性、呼吸强度以及玉米养分吸收的影响。结果发现,与不施肥对照(CK)相比,NPK处理玉米根系与茎叶生物量、籽粒产量以及植株氮磷钾吸收量均大幅提高,NP处理次之,PK与NK处理则无显著影响;同一处理玉米茎叶与根系养分含量接近,而籽粒的全氮和全磷含量较高、全钾含量偏低;与NPK处理相比,缺施氮、磷或钾肥均直接导致玉米植株相应养分的明显亏缺或其他养分的过量富集,但在根系、茎叶和籽粒部位的累积情况存在一定差异。与CK相比,所有施加磷肥的处理(NPK、NP、PK)土壤微生物生物量(碳、氮、磷)、脱氢酶、转化酶、脲酶与碱性磷酸酶活性以及土壤微生物代谢活性和土壤基础呼吸强度均显著升高(p<0.05),土壤微生物代谢熵则显著下降(p<0.05),而缺施磷肥的NK处理除显著提高脲酶活性外(p<0.05),对其他指标均无显著影响。结果表明,氮磷钾平衡施肥在促进土壤微生物繁育和保育微生物代谢活性以及促进作物生长和保证养分吸收等方面显得非常重要,而缺素施肥中以缺施磷肥的不利影响最为突出。     

有机无机肥长期定位试验土壤小麦季氨挥发损失及其影响因素研究

氨挥发是肥料氮素损失的重要途径之一,损失率因土壤类型、气候条件、肥料用量、施肥时间和方式等不同而存在很大差异。为了筛选提高氮肥利用率的肥料运筹方式,本文利用长期定位试验平台,采用间歇密闭通气法,研究了有机无机肥长期施用条件下小麦季土壤氨挥发损失及其影响因素。结果表明,不同肥料种类和配施强烈地影响着土壤氨挥发,在150kgN·hm^-2用量下小麦季氨挥发损失量以NK和有机肥处理为最高,分别达到17．89和15．70kgN·hm^-2,占氮肥用量的10．47％-11．93％,显著高于NPK、NP和有机无机肥配施（1／20M）处理。土壤氨挥发速率与气温呈显著正相关,基肥施用后灌水可以有效地降低氨挥发损失。NPK肥料平衡施用或者有机无机肥配施可以减少氨挥发损失。     

灰漠土长期定位施肥对小麦品质和产量的影响

新疆灰漠土不同施肥制度的12年长期定位试验结果表明,N、NP、NK、NPK处理小麦某些品质指标较CK有不同程度的改善;长期不施氮肥(PK处理),小麦子粒的蛋白质含量、总氨基酸和必需氨基酸含量、面粉品质和面团品质中的多数指标明显低于CK和长期施用氮肥的处理,灰分含量增加;有机无机常量配施(NPK+M)小麦面粉与面团品质中的多数指标优于单施无机肥(N、NP、NK、PK、NPK)和CK处理。与CK相比,秸秆还田(NPK+S)处理的小麦千粒重、面团抗延伸性略有提高,其它品质指标则有不同程度的下降。生产中,N、P、K化肥与有机肥合理配合施用对培肥土壤、提高小麦产量和改善品质具有重要作用。     

长期施肥处理对玉米生长期潮土微生物生物量和活度的影响

以1989年建立的中国科学院封丘农田生态系统国家试验站的长期定位试验为平台,研究经18a连续不同施肥处理后玉米季土壤微生物生物量碳氮和微生物活度的动态变化及其与土壤有机碳之间的相互关系,并探讨施肥措施对土壤微生物及其活性的影响。施肥处理包括:(1)有机肥(OM);(2)1/2化肥和1/2有机肥(1/2OM+1/2NPK);(3)氮磷钾肥(NPK);(4)氮磷肥(NP);(5)磷钾肥(PK);(6)氮钾肥(NK);(7)不施肥,即对照(CK)7个处理。结果表明,微生物生物量碳氮和微生物活度在玉米生长期内均有明显的时间变异性,其中微生物生物量碳与微生物活度的动态变化比较一致,其间的极显著相关关系表明潮土微生物生物量碳的变化可以在很大程度上代表土壤微生物活度的变化。施肥制度显著影响微生物生物量碳氮和微生物活度的变化,总体趋势为OM1/2OM+1/2NPKNPKNPPKNKCK,表明OM有利于保持土壤的生物化学环境及促进土壤的生物学活性;与OM处理相比,化学肥料的长期施用有降低土壤微生物生物量和微生物活度的趋势,尤其是缺素处理的表现更为明显,其中以缺磷处理的表现最为严重。土壤微生物生物量碳氮、微生物活度与土壤有机碳变化均呈极显著正相关。     

长期定位施肥对农田土壤温室气体排放的影响

采用静态箱/气象色谱法,研究长期不同养分配施(CK,NK,NP,PK和NPK)后的农田土壤温室气体排放差异。结果表明,不同处理条件下,土壤CO2排放呈相似的变化趋势,受土壤温度和水分的共同影响,土壤CH4和N2O的时间变化在不同处理间存在差异,和温度水分的关系不明显。平均排放通量的分析表明,长期不同肥料配合施用后形成的不同肥力的土壤以及作物生长的差异是影响土壤温室气体排放的一个重要因素,土壤CO2平均排放通量顺序依次为CK相似文献   

长期施肥对土壤碳储量和作物固定碳的影响

利用长期定位试验研究有机肥、化肥以及有机肥和化肥混合施用对耕层土壤有机C储量变化和作物固定C的影响。处理包括化学肥料NPK不同组合。NPK、NP、NK、PK、全部施用有机肥(OM)、化学肥料氮和有机肥氮对半施用(1/20M)及不施肥(CK)七个处理。均衡施用N、P和K,显著提高土壤有机C储量,而养分缺乏的施肥,土壤有机碳大量损失。抵消N2O排放后,只有外源有机碳输入的OM和1/2OM具有净的碳固定。土壤有机碳储量变化(Y)与土壤有机碳输入量(X)符合线性方程Y=1.3231X-1942.7(r=0.9840, n=7)。作物固定碳量和可以返还到土壤的根茬和秸秆中有机碳量都以NPK、NP和1/2ON施肥处理最多。若固定于根茬和秸秆的碳返还到原施肥土壤,则这些处理的土壤有机碳储量最多。但从经济效益考虑,最佳的施肥方式为有机和化学肥料配合施用。     

长期定位施肥对潮土腐植酸含量及其相关因素的影响

利用中国科学院封丘农业生态国家实验站潮土农田生态系统养分平衡长期定位试验地,研究不同施肥处理对春秋两季土壤腐植酸含量、微生物生物量碳及转化酶活性的影响。结果发现,与不施肥对照相比,单施NK或单施PK对土壤pH和有机碳含量均没有显著影响;单施有机肥、施NPK化肥、1/2 OM + 1/2 NPK有机无机配施以及施NP等4种处理均显著抑制了土壤pH的升高,提高了土壤有机碳与全氮含量;其中单施有机肥还显著提高了土壤腐殖质中胡敏酸的含量以及微生物生物量碳和转化酶活性,有机肥与化肥配施效果次之。结果表明,长期施用有机肥更有利于提高土壤肥力质量与健康质量。     

长期施用化肥对塿土微生物多样性的影响

【目的】土壤微生物在土壤有机质分解、营养循环、植物生长等方面都发挥着重要作用,研究长期施用化肥对其产生的影响可为农田合理施用化肥、培肥土壤和高产高效可持续性农业生产提供理论依据。【方法】以陕西杨凌"国家黄土肥力与肥料效益监测基地"的长期定位试验为基础,利用BIOLOG分析并结合常规分析研究了6种长期不同化肥施用方式不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮钾配施(NK)、磷钾配施(PK)、氮磷配施(NP)和氮磷钾配施(NPK)对土土壤微生物量和微生物功能多样性的影响。【结果】与不施肥CK相比,长期单施氮肥(N)的SMBC、SMBN没有显著变化,但明显降低了土壤微生物商和土壤微生物对氮素的利用;NP和NPK配施能够显著增加土SMBC和SMBN含量,明显提高了土壤微生物商,使土壤微生物种群结构发生了明显变化但土壤微生物对氮素的利用没有显著提高;长期偏施肥处理(NK、PK)的SMBC、SMBN和微生物商虽轻微增加,但土壤微生物种群结构没有显著改变。BIOLOG分析结果显示施磷处理(PK、NP和NPK)对微生物代谢活性的促进作用较大且在培养初期代谢活性较不施磷处理(CK、N和NK)增加显著。长期单施氮肥(N)对于提高土壤微生物多样性没有显著作用而其他化肥施用处理可以提高土土壤微生物群落的碳源利用能力、物种的丰富度和优势度,其中NP和NPK处理配施效果最好。化肥施用对土土壤微生物群落的均匀度没有显著影响。主成分分析的结果表明不同处理的土壤微生物对碳源利用表现出显著差异,氮磷养分的差异是产生分异的主要原因。【结论】土区小麦玉米轮作下,平衡施肥(NP或NPK配施)对于改善农田土壤微生物特性具有良好作用。