一種稻田氮肥施用量的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定稻田氮肥合理施用量的方法。該方法首次提出建立稻田施氮量與作物產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，基于直線平臺(tái)反映的數(shù)據(jù)信息確定稻田合理施氮量。通過該方法確定的氮肥施用量，不僅可以維持作物高產(chǎn)，而且可以有效降低氮肥過量施用導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，從而在產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境之間取得很好的平衡。
【專利說明】一種稻田氮肥施用量的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)肥料領(lǐng)域，具體涉及一種稻田氮肥施用量的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為獲得高作物產(chǎn)量，化肥特別是氮肥被大量施用，然而不合理施肥(主要是過量施用)的情況普遍存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年我國化肥氮磷鉀養(yǎng)分施用比例較適宜的縣僅為1%。不合理施肥不僅會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降、經(jīng)濟(jì)效益降低，而且易引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染。
[0003]不合理施肥的情況在以集約化農(nóng)業(yè)為主的東部地區(qū)尤為突出。以太湖地區(qū)為例，近年來該區(qū)域農(nóng)田氮肥施用量持續(xù)上升，水稻施氮量已達(dá)300kg N ha_S更有甚者達(dá)到350kg N ha'而全國平均施氮量僅為228kg N ha'過量的施氮不僅造成水稻減產(chǎn)、氮肥邊際效應(yīng)下降和資源浪費(fèi)，而且引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題。例如，過量施氮造成土壤中N的盈余量不斷增加，營養(yǎng)元素的過度積累增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中N損失風(fēng)險(xiǎn)。已有研究表明，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是太湖地區(qū)N面源污染的主要來源，對太湖富營養(yǎng)化的N貢獻(xiàn)率達(dá)到了 59%。
[0004]針對上述情況，確定合理的稻田施氮量，以保證產(chǎn)量的同時(shí)減少過量氮肥對環(huán)境的影響，是集約化農(nóng)業(yè)亟待解決的問題。目前，關(guān)于氮肥臨界閾值的確定方法不多。 申請人:曾在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃《肥料減施增效與農(nóng)田可持續(xù)利用基礎(chǔ)研究》子課題中探索了臨界閾值尋找方法，該方法基于農(nóng)業(yè)“高產(chǎn)”目標(biāo)，針對太湖區(qū)域稻田的目標(biāo)產(chǎn)量、施氮量、關(guān)鍵生育期的作物與土壤養(yǎng)分供求關(guān)系來確定臨界閾值，即滿足高產(chǎn)目標(biāo)的施氮量、作物和土壤養(yǎng)分供求范圍。該方法確定的臨界閾值偏重產(chǎn)量要素，沒有涉及到環(huán)境要素，而且通過養(yǎng)分指標(biāo)確定閾值的過程較為繁瑣，土壤及作物類型對閾值范圍的影響較大，難以推廣應(yīng)用。
[0005]因此，尋求一種簡單、可行且有效的稻田氮肥合理施用量的確定方法，以在保證產(chǎn)量的同時(shí)控制氮肥投入，減少過量施氮對環(huán)境的負(fù)面影響，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、可行且有效的稻田氮肥合理施用量的確定方法。通過該方法確定合理的氮肥施用量，不僅可以維持作物高產(chǎn)，而且可以有效降低氮肥過量施用導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，在產(chǎn)量和環(huán)境之間取得較好的平衡。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，如圖1所示，本發(fā)明以特定方法，分別建立稻田施氮量與作物產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，基于直線平臺(tái)反映的數(shù)據(jù)信息確定合理施氮量。
[0008]本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
[0009]一種稻田氮肥施用量的確定方法，包括以下步驟:
[0010]( I)選擇目標(biāo)地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施氮量N，設(shè)置氮肥梯度試驗(yàn)，并測定不同施氮量下的產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)；[0011](2)建立施氮量-產(chǎn)量的直線平臺(tái)模型，確定經(jīng)濟(jì)施氮量(N2)
[0012]利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法對氮肥梯度試驗(yàn)中各施氮量的產(chǎn)量作方差分析，以差異不顯著的各施氮量產(chǎn)量的均值為準(zhǔn)，確定水平線并定義為產(chǎn)量平臺(tái)；
[0013]產(chǎn)量平臺(tái)左側(cè)的各施氮量產(chǎn)量均顯著低于平臺(tái)產(chǎn)量，根據(jù)產(chǎn)量平臺(tái)左側(cè)各施氮量對應(yīng)的產(chǎn)量，通過線性擬合建立施氮量與產(chǎn)量之間的線性關(guān)系；
[0014]將上述水平線和直線相連，即得到施氮量-產(chǎn)量的直線平臺(tái)模型，兩線交點(diǎn)對應(yīng)的施氮量即為經(jīng)濟(jì)施氮量(N2)；
[0015](3)建立施氮量-環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，確定環(huán)境閾值施氮量(N3)
[0016]利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法對氮肥梯度試驗(yàn)中各施氮量的環(huán)境指標(biāo)作方差分析，以差異不顯著的各施氮量環(huán)境指標(biāo)的均值為準(zhǔn)，確定水平線并定義為環(huán)境平臺(tái)；
[0017]根據(jù)環(huán)境平臺(tái)右側(cè)各施氮量對應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)，通過線性擬合建立施氮量與環(huán)境指標(biāo)之間的線性關(guān)系；
[0018]將上述水平線和直線相連，即得到施氮量-環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，兩線交點(diǎn)對應(yīng)的施氮量即為環(huán)境閾值施氮量(N3)；
[0019](4)確定合理施氮量，即閾值區(qū)域
[0020]根據(jù)上述步驟(2)的經(jīng)濟(jì)施氮量(N2)和步驟(3)的環(huán)境閾值施氮量(N3)，確定兩者間的施氮量即為目標(biāo)地塊的合理施氮量。
[0021]上述方法中，傳統(tǒng)施氮量N是指目標(biāo)地塊所處區(qū)域的平均施氮量，通過調(diào)查該區(qū)域所有農(nóng)戶，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后計(jì)算所得。
[0022]所述氮肥梯度試驗(yàn)指的是基于目標(biāo)地塊的傳統(tǒng)施氮量N，通過使用不同比例的氮肥量進(jìn)行平行試驗(yàn)，以獲取不同施氮量下的產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)。非限制性地，例如，該梯度試驗(yàn)可以是0%N、10%N、20%N…100%N…150%N等。本發(fā)明所述方法中，為滿足SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法的分析要求，每種施氮量均進(jìn)行三次以上的重復(fù)試驗(yàn)。
[0023]稻田施入氮肥引起的環(huán)境問題主要源于氮素?fù)p失。根據(jù)不同地塊特點(diǎn)，氮素?fù)p失形式亦有所區(qū)別和側(cè)重。具體到本發(fā)明的上述方法，所述環(huán)境指標(biāo)可以是氮素的徑流損失、氨揮發(fā)損失和滲漏損失中的至少一種。這三類氮素?fù)p失的測定對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，如可米用 “Nitrogen Balance in a Highly Fertilized Rice - WheatDouble-Cropping System in Southern China， Soil Science Society of AmericaJournal, 76:1068-1078"中記載的方法進(jìn)行測定，即氮素徑流損失測定采用徑流池法；氨揮發(fā)損失測定采用密閉室-硼酸吸收法；滲漏損失測定方法為PVC材料滲漏管并埋深至40cm深度，利用便攜式泵采集滲漏液，通過設(shè)置土柱試驗(yàn)計(jì)算滲漏速率，從而計(jì)算氮素滲漏總量。
[0024]本發(fā)明首次將SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法應(yīng)用到稻田合理施氮量的確定中。在對各施氮量下的產(chǎn)量或環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，不同施氮量下的產(chǎn)量或環(huán)境指標(biāo)若差異顯著(P〈0.05)， 則系統(tǒng)會(huì)有不同的標(biāo)注(例如不同的字母a、b、c等)；反之，若差異不顯著，則系統(tǒng)會(huì)給出相同的標(biāo)注(例如相同的字母a)。對于了解SPSS多因素方差分析的技術(shù)人員而言，這些是公知的常規(guī)知識(shí)。[0025]上述方法對稻田所處區(qū)域并沒有特殊限制。但特別優(yōu)選地，該方法適用于太湖流域/地區(qū)的稻田。
[0026]發(fā)明人通過連續(xù)多年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻田施氮量與作物產(chǎn)量、環(huán)境指標(biāo)基本符合如圖1所示的直線平臺(tái)關(guān)系。根據(jù)圖1所示的施氮量閾值區(qū)域模型，可以劃分為4個(gè)區(qū)域:即低產(chǎn)低污染區(qū)域、高產(chǎn)低污染區(qū)域、高產(chǎn)高污染區(qū)域和低產(chǎn)高污染區(qū)域?；谠撃Ｐ?，根據(jù)不同的地區(qū)特點(diǎn)，可以靈活調(diào)整施氮量范圍，例如，在環(huán)境污染嚴(yán)重區(qū)域，環(huán)境目標(biāo)為主、產(chǎn)量目標(biāo)為輔，可以選擇低產(chǎn)低污染區(qū)域Ntl-N2 ;在高產(chǎn)目標(biāo)為主、環(huán)境目標(biāo)為輔的區(qū)域，可以選擇高產(chǎn)低污染區(qū)域和高產(chǎn)高污染區(qū)域，即N2-N4。綜合考慮，最佳施氮量應(yīng)選擇N2-N3,其在保持高產(chǎn)的同時(shí)不會(huì)對環(huán)境造成顯著負(fù)面影響，屬于產(chǎn)量與環(huán)境雙贏的施氮量范圍。
[0027]需要注意，鑒于氣候、土壤類型、施肥方式在不同地區(qū)的變化情況，上述閾值區(qū)域可以分為以下3種情況(圖2):
[0028]如圖2-1所示，經(jīng)濟(jì)施氮量和環(huán)境閾值施氮量重合，那么該地區(qū)產(chǎn)量與環(huán)境雙贏的施氮量就是該點(diǎn)N2。
[0029]如圖2-2所示，經(jīng)濟(jì)施氮量和環(huán)境閾值施氮量分別為N2和N3點(diǎn)，表明環(huán)境閾值點(diǎn)后移(即N2〈N3)，則該地區(qū)產(chǎn)量與環(huán)境雙贏的施氮量范圍為N2-N3。
[0030]如圖2-3所示，經(jīng)濟(jì)施氮量和環(huán)境閾值施氮量分別為N2和NI點(diǎn)，表明環(huán)境閾值點(diǎn)前移(即N2>N1),則該地區(qū)產(chǎn)量與環(huán)境雙贏的施氮量范圍為N1-Ny值得一提的是,該情形下，低氮投入(如NI)的產(chǎn)量往往較低(數(shù)理統(tǒng)計(jì)已達(dá)顯著)，但根據(jù)該地區(qū)環(huán)境指標(biāo)直線平臺(tái)特性，增加施氮量(施氮量>N1)將導(dǎo)致環(huán)境指標(biāo)線性增加。雖然產(chǎn)量較低，但綜合考慮氮肥投入成本和環(huán)境污染治理成本(該成本往往大于增施氮肥所帶來的經(jīng)濟(jì)收益增加量),該區(qū)域施氮量范圍亦是合理的。
[0031]本發(fā)明首次提出了稻田氮肥相關(guān)研究領(lǐng)域的直線平臺(tái)模型，通過本發(fā)明公開的方法，可以有效地確定出目標(biāo)區(qū)域的合理施氮量。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域施肥習(xí)慣按比例施用，即可保證作物獲得高產(chǎn)的同時(shí)減少氮肥流失，達(dá)到產(chǎn)量環(huán)境雙贏的目的。
[0032]通常而言，施氮量與產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的相應(yīng)曲線各自適用于二次曲線關(guān)系和指數(shù)關(guān)系等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本發(fā)明基于長期稻田試驗(yàn)獲得的施氮量與產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的相應(yīng)曲線關(guān)系模型，根據(jù)其曲線特性，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將曲線標(biāo)準(zhǔn)化為直線平臺(tái)模型，該模型能夠更直觀有效地反映實(shí)際生產(chǎn)中施氮量-產(chǎn)量-環(huán)境指標(biāo)三者之間的關(guān)系。本發(fā)明首次將曲線標(biāo)準(zhǔn)化為直線平臺(tái)模型，并以此為基礎(chǔ)提出了如前所述的方法。相比環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)Coase理論所要求的施氮量與產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)需滿足特定的方程，本發(fā)明的方法在將各曲線標(biāo)準(zhǔn)化后避免了對特定曲線方程的要求。與國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃《肥料減施增效與農(nóng)田可持續(xù)利用基礎(chǔ)研究》中閾值的確定方法相比，本發(fā)明不再需要測定土壤、作物養(yǎng)分指標(biāo)，而且綜合了產(chǎn)量和環(huán)境要素，是一種簡單、高效且全面的稻田合理施氮量的確定方法。
【專利附圖】

【附圖說明】[0033]圖1是施氮量與產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的閾值區(qū)域模型示意圖。
[0034]圖2是三種不同情況的閾值區(qū)域示意圖。
[0035]圖3是實(shí)施例一中2011和2012年水稻施氮量與產(chǎn)量和總氮損失的閾值區(qū)域圖。
[0036]圖4是實(shí)施例二中水稻施氮量與產(chǎn)量和氮素徑流損失的閾值區(qū)域圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0037]以下通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)將其理解為對本發(fā)明保護(hù)范
圍的限制。
[0038]實(shí)施例一:
[0039](I)試驗(yàn)地位于江蘇省宜興市大浦鎮(zhèn)渭瀆村
(31° 16 ; 17.29 " N，119° 55 ; 23.92 " E)，當(dāng)?shù)貫榈钧溳喿鳎瑐鹘y(tǒng)施氮量約270kg N
ha 1O
[0040]根據(jù)該傳統(tǒng)施氮量，稻季分別設(shè)置0%N，30%N，50%N，70%N，80%N，90%N和100%N處
理，每個(gè)處理重復(fù)3次。各處理中磷鉀肥均為81kg ha—1并作為基肥施入稻田中。氮磷鉀肥
料為常規(guī)肥料，分別是尿素、普鈣和氯化鉀。
[0041]2011和2012年分別進(jìn)行試驗(yàn)，記錄各處理的作物產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)。其中，根據(jù)該
目標(biāo)地塊所處環(huán)境和耕作特點(diǎn)，確定以總氮損失(即氮素的徑流損失、氨揮發(fā)損失和滲漏損
失之和)為環(huán)境指標(biāo)。結(jié)果如表1中所示。
[0042]表1 2011和2012年各處理的產(chǎn)量及總氮損失
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種稻田氮肥施用量的確定方法，包括以下步驟: (1)選擇目標(biāo)地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施氮量N，設(shè)置氮肥梯度試驗(yàn)，并測定不同施氮量下的產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)； (2)建立施氮量-產(chǎn)量的直線平臺(tái)模型，確定經(jīng)濟(jì)施氮量(N2) 利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法對氮肥梯度試驗(yàn)中各施氮量的產(chǎn)量作方差分析，以差異不顯著的各施氮量產(chǎn)量的均值為準(zhǔn)，確定水平線并定義為產(chǎn)量平臺(tái)； 產(chǎn)量平臺(tái)左側(cè)的各施氮量產(chǎn)量均顯著低于平臺(tái)產(chǎn)量，根據(jù)產(chǎn)量平臺(tái)左側(cè)各施氮量對應(yīng)的產(chǎn)量，通過線性擬合建立施氮量與產(chǎn)量之間的線性關(guān)系； 將上述水平線和直線相連，即得到施氮量-產(chǎn)量的直線平臺(tái)模型，兩線交點(diǎn)對應(yīng)的施氮量即為經(jīng)濟(jì)施氮量(N2)； (3)建立施氮量-環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，確定環(huán)境閾值施氮量(N3) 利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新復(fù)極差法對氮肥梯度試驗(yàn)中各施氮量的環(huán)境指標(biāo)作方差分析，以差異不顯著的各施氮量環(huán)境指標(biāo)的均值為準(zhǔn)，確定水平線并定義為環(huán)境平臺(tái)； 根據(jù)環(huán)境平臺(tái)右側(cè)各施氮量對應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)，通過線性擬合建立施氮量與環(huán)境指標(biāo)之間的線性關(guān)系； 將上述水平線和直線相連，即得到施氮量-環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，兩線交點(diǎn)對應(yīng)的施氮量即為環(huán)境閾值施氮量(N3)； (4)確定合理施氮量，即閾值區(qū)域 根據(jù)上述步驟(2)的經(jīng)濟(jì)施氮量(N2)和步驟(3)的環(huán)境閾值施氮量(N3)，確定兩者間的施氮量即為目標(biāo)地塊的合理施氮量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述氮肥梯度試驗(yàn)指的是基于目標(biāo)地塊的傳統(tǒng)施氮量N，通過使用不同比例的氮肥量進(jìn)行平行試驗(yàn)，以獲取不同施氮量下的產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述環(huán)境指標(biāo)是指氮素的徑流損失、氨揮發(fā)損失和滲漏損失中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述稻田為太湖流域/地區(qū)的稻田。
【文檔編號(hào)】A01G7/00GK103636417SQ201310632685
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】顏廷梅, 喬俊, 趙冬, 曹宏磊, 周徽, 施衛(wèi)明 申請人:中國科學(xué)院南京土壤研究所