基于GIS的区域农田土壤水碳氮与作物生长联合模拟

针对目前国内外有关区域土壤水碳氮过程模拟及作物产量预测研究中的几个关键问题，在充分分析申请者已有研究和资料积累的基础上，设计本项目。拟采用理论分析与实际观测相结合、物理模拟实验与数学模型相结合的研究方法，选择不同尺度的研究区域，分析土壤属性的空间变异与尺度效应，特别是土壤机械组成这种成分数据的空间分析以及土壤质地层次的空间分布；建立基于GIS的区域土壤水碳氮过程与作物生长联合模拟模型，完善土壤碳周转和对大气CO2的源汇效应分析以及作物产量预测功能；定量研究农田土壤水碳氮的行为规律及空间分布特征，分析土壤属性空间变异与区域过程模拟的互馈机制和尺度效应。预期结果将为了解区域农田水氮资源利用效率、作物产量、土壤有机碳库变化，优化区域农田水碳氮管理措施提供决策依据，促进农业持续高效发展和低碳农业的形成。

针对目前国内外有关区域土壤属性空间变异、土壤质量形成与变化、水氮碳过程与作物生产力模拟研究中的几个关键问题，设计实施了本项目，属于计量土壤学研究领域。主要研究内容分为三方面，包括土壤属性空间预测与时空异质性、土壤质量评价与空间预测、区域农田水氮碳动态与作物生产力的模拟。在土壤属性空间变异方面：研究了分类变量和地形因子对土壤有机质空间预测精度的影响，结果表明地形因素变量和分类变量联合辅助可以提高土壤有机质的空间预测精度；对土壤机械组成（质地）这种成分数据的空间分布进行了重点研究，探讨了在单一或者多环境因素辅助下的成分克里格法、基于质地数据转换后的单变量和多变量插值方法，并引入Aitchison距离对不同插值方法进行比较验证，结果表明引入高程辅助变量的局部平均简单克里格相对于其他方法预测结果更为准确。在土壤质量形成与变化方面：探讨了多时空尺度的土壤质量评价最小数据集的建立方法，研究了基于主成分分析法和隶属度函数的土壤质量评价，研究了土壤质量空间预测方法、土壤肥力质量时空变异特征及驱动因素，结果表明土地利用类型和农田管理措施是影响土壤肥力质量变化诸多因素中最重要因素，在不同土地利用类型和利用强度下，人为因素对土壤肥力质量的影响各不相同。在水氮碳过程与作物生产力模拟方面：引用WNMM、DNDC和SWAT模型，分别开展了区域土壤水、氮、碳过程与小流域冬小麦水分生产力的模拟，分析了区域农田水氮利用效率、最优的水氮组合以及最佳灌溉模式，建立了县域土壤磷素流失风险的简化评估方法。以上研究和相关成果将为分析区域土壤属性与质量、农田水氮资源利用效率、作物生产力、土壤有机碳库变化，优化区域农田水碳氮管理措施提供理论基础和决策依据，促进农业持续高效发展和低碳农业的形成。已经发表研究论文10篇（含1篇online），其中SCI收录5篇、EI收录3篇。