华北小麦玉米轮作区是我国重要的粮食主产区之一,实施精准农业,更好地管理土壤养分,提高肥料的利用率,减少肥料对环境的污染,是我国农业可持续发展的关键保障。本文选取华北小麦玉米轮作区的河北省、河南省和山东省的27个地市、185个县(市、区)为研究区,利用GS+软件的地统计学分析法、ArcGIS的克里格插值等方法,研究了土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、缓效钾、有效硫、有效锌、有效硼、有效铜、有效铁、有效钼和有效锰在空间和时间上的变异规律。利用SPSS软件的ANOVA单因素分析法研究了气候因素、海拔因素、土壤因素和人为因素4大类影响因素,积温、降水、高程、土壤类型、表层质地、灌排条件、施肥水平和产量水平细化的8小类因素对土壤养分变异性规律的影响。利用Python语言编写代码构建随机森林回归模型,判断各因素对全氮、有效磷、速效钾及氮磷钾总和的影响程度。利用MODIS遥感影像的NDVI数据,得到小麦和玉米的长势状况,分析研究区小麦和玉米的长势变异与土壤主要养分的关系,并利用点位数据中的产量水平,分析判断小麦玉米产量与土壤主要养分之间的关系。利用层次分析法通过有机质、大量元素和中微量元素三大指标构建土壤养分综合指数,并利用FuzME软件的模糊C-均值聚类的方法,对华北小麦玉米轮作区进行养分管理分区,并基于养分管理分区,将目标产量法和肥料效应函数法相结合,进行了施肥配方分区。主要研究内容及结果如下:(1)研究了土壤养分的总体特征。从变异系数看,pH属于弱变异程度,有机质及大中量元素为中等变异程度,大部分微量元素属于强变异;在空间自相关程度上,pH、全氮、速效钾、缓效钾、有效锌、有效硼、有效铜和有效钼具有强烈的空间自相关性,有机质、有效磷、有效硫、有效铁和有效锰具有中等强度的空间自相关性;在养分空间分布上,土壤pH在空间分布上呈现均一性特点,有机质和全氮有相似的空间分布格局,含量均处于中等水平,有效磷、速效钾和缓效钾的空间分布格局相对比较复杂,速效钾和缓效钾的分布较为相似,呈现北部较高、南部相对较低的分布格局,有效硫的分布呈现北部较高、南部相对较低,且南北差异不大的特征,有效锌和有效铜在空间上整体含量水平较高,且分布特征相似且较为复杂,有效硼、有效铁、有效钼和有效铁在空间上整体含量水平较为偏低,总体呈现北部地区含量普遍偏低,南部地区含量局部较高的特征;在养分动态变化上,pH整体维持在弱碱性的水平,酸性、弱酸性和碱性有不同程度的改善,有机质和大量元素含量都有不同程度的增加,而微量元素含量总体也呈现增加的趋势。(2)研究了不同因素对土壤养分变异性的影响。不同的土壤养分在不同气候因素、海拔因素、土壤因素以及人为因素等级或分类下的含量均值有着不同程度的差异性。随着积温的升高,土壤pH呈现减小的趋势,有机质和全氮的均值呈现先降低后升高的趋势,有效磷和速效钾的均值呈现先缓慢升高后降低的趋势;随着降水的增加,土壤pH呈现减小的趋势,有机质和全氮的均值呈现增加的趋势,有效磷和速效钾呈现降低的趋势;随着海拔的增加,土壤pH呈现减小的趋势,有机质和全氮的均值呈现增加的趋势,有效磷和速效钾呈现降低的趋势;不同的土壤类型中,潮土、褐土和砂姜黑土的各养分含量的均值总体呈现较高的水平;土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量在不同土壤质地中的的变化趋势最为一致,各养分含量在砂土、壤土和黏土中呈现增加趋势;对人为因素而言,灌排条件较好以及施肥水平较高的地区,土壤养分水平总体较高。(3)分析了土壤主要养分的多因素影响。通过随机森林回归分析,得出灌溉能力和耕层质地对土壤大量元素全氮、有效磷、速效钾含量的影响最为显著,积温和降水均不是影响土壤主要养分的重要因素。各影响因素对土壤全氮含量的影响程度由大到小依次为灌溉能力>耕层质地>高程>植被覆盖指数>降水量>积温,对土壤有效磷含量的影响程度由大到小依次为植被覆盖指数>高程>灌溉能力>耕层质地>降水量>积温,对土壤速效钾含量的影响程度由大到小依次为耕层质地>灌溉能力>高程>植被覆盖指数>积温>降水量。土壤氮磷钾总量的影响因素由高到低依次为耕层质地>灌溉能力>高程>降水量>植被覆盖指数>积温。(4)分析了作物长势与产量水平。通过构建华北小麦玉米轮作区NDVI年际变化曲线,反映出玉米的长势比小麦好。在华北小麦玉米轮作区内,小麦的整体长势呈现南部高中北部低的趋势,玉米的长势呈现北部高中南低的趋势。随着小麦归一化植被指数的增加,土壤有机质和全氮的含量也是增加的,土壤有效磷的含量先增加后减少,土壤速效钾的含量先减少后有所增加;随着玉米归一化植被指数的增加,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾的含量均呈现降低的趋势。华北小麦玉米轮作区内的小麦的平均产量为6927.90 kg/hm~2,玉米的平均产量为7787.40 kg/hm~2。小麦玉米总产量随着土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量的减少均呈现下降的趋势。小麦玉米的长势与产量呈现正相关关系,在0.01水平(双侧)上,其相关系数分别为0.386和0.425。(5)研究了华北小麦玉米轮作区养分管理分区。在对华北小麦玉米轮作区的土壤养分空间变异状况分析基础上,建立了养分综合指数,其中有机质、大量元素和中微量元素的权重分别为0.3690、0.4767和0.1543。利用模糊C-聚类的方法,将整个研究区划分为9个养分管理区域。结果表明,养分综合指数在60分以上的区域面积为899.57万hm~2,占全区耕地面积的78.87%。华北小麦玉米轮作区的土壤养分状况整体呈现较好的状态,研究区的中部养分水平较高,面积为209.37万hm~2,约占总面积的20%;东北部和西北部的少数地区养分水平较低,面积为136.95万hm~2,约占总面积的10%。经验证,分区内三指标的变异系数均有不同程度的减小,说明分区内养分趋向均一化,具有合理性。(6)研究了华北小麦玉米轮作区精准施肥分区。基于养分管理分区,利用目标产量法和肥料效应函数法相结合的方式,形成了研究区的需肥量及其配方图。小麦玉米需肥量的氮磷钾配比在1:0.31~0.47:-0.11~0.45之间。全区氮磷钾肥主要缺失的地区主要集中在轮作区的中部,面积为150.86万hm~2,占研究区面积的13.23%;需施两种肥料的面积为132.13万hm~2,占研究区面积的11.58%;需施一种肥料的面积为200.69万hm~2,占研究区面积的17.60%。北部和南部地区的需肥量相对中部地区较少,其面积为657.02万hm~2,占比为57.59%;其中全区不需要施钾肥的区域面积为41.18万hm~2,占研究区总耕地面积的3.61%。对整个研究区的施肥配比提供了较为科学的依据。本文系统研究了华北小麦玉米轮作区土壤养分状况,利用定性及定量化分析手段,摸清了土壤养分的时空变异规律及其影响因素,建立了养分管理及施肥分区,研究结果对华北小麦玉米轮作区的土壤养分高效利用及施肥管理有积极参考价值和指导意义。