第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
到2008年，中国基本上实现了粮食自给，有95％的粮食消费来自国内的农业生产。由于对粮食生产需求与期望值的不断攀升，生产中农田化肥用量持续增加，不合理施肥问题也愈来愈严重，导致农田生态环境恶化，资源利用率下降，造成了养分资源的严重浪费，也给环境带来了极大的压力。
随着河流、湖泊及海洋河口富营养化趋势的持续加剧，农业生态系统氮、磷、钾营养平衡估算研究已受到环境科学工作者的广泛关注。在林业方面，林业施肥研究起步较晚，尚未形成一个整体的研究网络，还远未能满足指导生产的需要。而一般林地土壤养分供应状况差，其总养分、速效养分含量都较低，难以满足生产的需要，并且一直以来所奉行的粗犷营林模式，重取轻予、连作栽培，导致林地地力衰退，严重影响林木的生长。施肥作为营林的主要措施，早已为林业发达国家大面积采用。
我国作为一个人工造林大国，造林面积达6200万hm2，其中杨树人工林面积达到757万hm2，位居世界第一，但林地生产力却远远落后于林业发达国家。如何对林地进行合理施肥，提高林地生产力，成为我国林业生产亟待解决的问题，也是林业和生态科技工作者关注的焦点问题。农田-森林生态系统（农-林生态系统）中的养分循环作为生态系统的基本功能和主要过程,其平衡状况是决定生产力、土壤肥力及影响农-林业生态环境的主要因素和重要指标，掌握施肥动态变化、养分平衡状况，及时发现实际施肥中存在的问题，能够为科学施肥提供必要依据，并对提高肥料利用率、减少肥料浪费、保护生态环境、保证产品质量安全具有深远影响，同时也为保护农-林生态平衡和保证农-林业的持续、健康发展奠定基础。特别是农-林业污染作为非点源污染，具有相对较强的区域空间差异性，监测难度比较大。
因此，核算农-林生态系统的养分平衡状况，辨识系统内部养分的盈亏情况，是分析农-林业生产和环境的重要手段。位于鲁西北黄河冲积平原的禹城市，地势平坦，土壤类型以潮土为主，养分元素平衡状况差异较大，且长期不合理的施肥管理加重了养分的非均衡化，造成了生态系统持续生产能力的减弱，这在华北平原地区有很强的代表性。对禹城市农-林生态系统养分平衡状况研究，有利于该区域合理使用养分资源、降低生产成本、减少因过量施肥对环境带来的危害，对提高华北平原农-林业全面可持续和谐发展能力，具有较大的现实意义。
1.2 养分平衡研究进展
农-林生态系统是人工生态系统，是开放的生态系统，养分通过不同的途径进入到系统，经过相互转化和移动之后，又以不同形式和程度离开这一系统，构成农-林生态系统的养分循环。收入和支出周期性地进行，每一个循环周期内都存在养分的损失，需要人为的补给才能持续稳定发展。
农-林业的可持续发展要求必须加强对循环过程中养分收支和平衡的研究，使循环向有利于人类需求的方向发展。养分循环的早期研究是从植物生理研究开始的。德国著名农业化学家 J•Liebig 在 1855年提出了“最小养分率”，即决定植物产量的是土壤中相对含量最低的植物有效养分含量。但养分供应也不是越多越好，当肥料超过最适量时，会使土壤溶液的浓度过高，形成盐害，从而影响植物对营养元素的吸收。1955 年 Allison 将系统和整体的观念引入到生态系统物质循环的研究后，生态系统养分循环成为各国生态学家、营养学家、土壤学家等研究的热点。Bazilevich 和 Robin 在 1971 首次提出了建立在枯落物及其转化水平上的养分循环类型的分类，推动了农-林生态系统矿质养分循环的研究。自上世纪 80 年代以来，生态系统养分收支和平衡日益成为人们关注的焦点。目前，国内外学者主要从微观与宏观两个角度对农-林生态系统养分平衡状况进行了研究。
第二章 理论与方法农-林生态系统
养分平衡是影响生产力和环境的重要过程，这是农业、林业生态环境研究的核心问题。本文主要运用养分平衡计算、空间预测、养分盈亏评价、主成分分析等方法研究农-林生态系统养分平衡状况，下面分别介绍各种理论方法的具体内容。
2.1 养分平衡计算方法
2.1.1 养分平衡量
土壤养分平衡量基于物质平衡原理中的物质守恒原理，通过对影响土壤养分的各个输入和输出项进行量化核算，利用计算结果判断土壤养分盈余或亏缺的状态。根据平衡法，农-林生态系统的各养分平衡量（V）等于养分的投入量减去养分的支出量，V<0，养分亏缺；V=0，养分平衡；V>0，养分盈余。
2.1.2 养分平衡负荷
养分负荷用来定量描述土壤养分元素平衡状态，对于环境污染状况有一定的指示作用。（2.1）
2.1.3 养分平衡盈亏率
以盈亏量衡量农-林生态系统养分的盈亏程度，重点反映的是养分在空间上盈亏量的比较，为评价生态系统养分盈亏的严重程度，提出养分平衡盈亏率的概念。所谓养分平衡盈亏率是指养分亏缺量占养分支出量的比率，以百分数表示，计算公式为：养分平衡盈亏率=[(收入–支出) /支出]×100%。 （2.2）
2.2 空间预测方法
空间预测过程中最重要的一步就是采样的“点”数据到空间分布图“面”数据的空间建模预测过程，为了实现农-林生态系统养分属性空间分布的定量表达和制图，地统计学的克里格插值方法得到了广泛应用。农-林生态系统养分特性在空间上是连续变化的，空间相近的点比空间分散的点在理化性质等方面具有更大的相似性。也就是说，它们在统计学意义上相互依赖。这是区域化变量和地统计学应用的前提。地统计学(Geostatistics)首先是由法国学者 Matheron 于 20 世纪 60 年代建立起来的，他在 Krige 于 1951 年提出的矿产品位和储量估值方法基础上，提出了区域变量理论，使传统的地学方法与统计学方法相结合，形成了完整的理论和方法体系，又称地质统计学或空间信息统计学。地统计学是以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念为基础，以变异函数为核心，以克立格插值法为手段，分析研究自然现象的空间变异问。
第三章 研究区概况、数据采集与区域评价模型........................................ 20-27
3.1 研究区概况........................................ 20-22
3.2 样品采集和处理分析........................................ 22-23
3.2.1 土壤样点设计与样品采集 ........................................ 22
3.2.2 植物样点设计与采样........................................ 22-23
3.2.3 样品分析方法........................................ 23
3.3 其他数据 ........................................ 23-24
3.4 农-林生态系统养分收支平衡区域评价模型 ........................................ 24-26
3.5 本章小结 ........................................ 26-27
第四章 农-林生态系统养分的作用及其空间分布........................................ 27-33
4.1 农-林生态系统养分的作用........................................ 27-28
4.2 农-林生态系统养分的空间分布........................................ 28-31
4.3 本章小结........................................ 31-33
第五章 农-林生态系统养分的收支平衡与驱动力 ........................................ 33-48
5.1 农-林生态系统养分的收支平衡........................................ 33-39
5.2 农田养分收支平衡状况的评价........................................ 39-40
5.3 林地养分收支平衡状况的评价 ........................................ 40-42
5.4 农-林生态系统养分的驱动力分析........................................ 42-47
结论
本文通过对影响农-林生态系统氮、磷、钾养分收支平衡因素的系统分析，建立了用于评价农-林生态系统养分收支平衡的区域评价模型，从县域层面上定量分析了禹城农-林生态系统氮、磷、钾养分收支平衡特点，并取得了一些有益的结论，但是由于时间与数据等方面的原因，本研究仍然存在不足和缺憾之处，有待在今后的研究中加以充实与完善。
(1)地统计学虽然在研究土壤空间变异性上取得了很大的成功，但我们也不可否认，在很多情况下，其结果的准确性还有待进一步提高。此外半方差函数的拟合曲线选择受主观因素影响较大，同时取样数目直接影响变异程度的高低，合理选择采样点间距问题尚待进一步解决。
(2)对于一些基础参数的选择与界定，本文借助点上的试验结果，然后根据这些试验结果放大到区域层面，难免增加了研究的误差，这需要土壤学、作物学、统计学、经济学与理学多学科之间的配合协作，同时国家应该建立健全良好的肥料定位试验网络。
(3)本文仅对农-林生态系统一年的养分平衡状况进行研究。从准确性和可靠性来讲，应当对更长时间序列上的农-林生态系统氮、磷、钾养分平衡状况进行研究，可降低由于气候、政策等因素造成的误差。
(4)由于受资料的限制，本文未对农-林生态系统氮、磷养分收支平衡对环境的潜在污染威胁进行分析论证，这有待于今后做进一步研究。