CN102440109A - 基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，包括以下步骤：①、确定水稻目标产量Y(kg hm-2)；②、获得土壤潜在氮素养分供应能力INS(kg hm-2)：事先设置缺N肥施肥区和常规施肥区；缺N肥施肥区的水稻地上部分氮素积累量＝INS；③、测算水稻目标产量下的N素养分需求量RNR(kg hm-2)：RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS；④、估算氮肥施用量(FR，kg hm-2)：FR＝(RNR-INS)/(REN×NC)；⑤、动态调整氮肥施用量。本发明的节氮高产与面源减排的生态施肥模式与农户常规施肥管理相比具有精确定量、操作方便、成本低、推广应用价值高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及水稻生产中氮肥的优化施肥管理，具体来说是一种基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，属于农业面源污染控制环保领域。
背景技术
我国是世界上化肥氮消费量最多的国家，氮肥用量占全球氮肥总用量的30％，而水稻氮肥用量占世界水稻氮肥总用量的37％。当前，我国水稻生产中普遍存在过量施氮和施肥不平衡等现象，氮肥过量投入及不合理的施用造成了氮肥的利用率低下、导致了氮素大量的损失，加剧了农业面源污染和水体富营养化风险。因此，提高氮肥利用率，减少农业面源污染，加强稻田养分管理已经成为水稻生产中迫切需要解决的重大问题。
目前在水稻施肥技术上主要有常规施肥技术和农业部门主推测土配方施肥技术等。常规施肥主要根据农民的耕作经验施肥，由于区域差异常规施肥有前轻-中重-后补法、前稳-攻中法、前促施肥法、前促-中控-后补法等诸多形式，这些施肥方法在水稻增产上发挥了重要作用，但经验施肥盲目追求高产且肥料施用无序、大水大肥也导致了面源污染严重；水稻测土配方施肥避免了农民常规经验施肥的盲目性和无序性，对于水稻增产、增收以及提高肥料利用率均有十分显著的作用，但测土配方施肥其目标产量是以追求施肥的最高产量和最佳增产效应而制定的，只考虑了田间的短期效益，缺乏对土壤环境、地表/地下水资源及氮磷流失等环境影响的综合考虑，因而较难达到环境友好型农田生态系统可持续发展的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，该生态施肥方法是在借鉴测土配方施肥的基础上，通过加入水稻需肥量的估算，并利用叶绿素仪或叶片比色卡动态调整水稻追肥量，来获得施肥量与水稻整个生长周期内对氮素的需求相匹配，在保持土壤较高肥力的前提下，尽量提高养分资源的利用效率，节省氮肥投入、促进水稻高产及氮磷面源污染减排。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，包括以下步骤：
①、确定水稻目标产量Y(kg hm-2)：
水稻目标产量为当地稻谷往年最大产量的70～80％或当地稻谷往年平均产量的113～118％；所述稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷；
往年一般是指前3～前10年度内，即，为了保证数据的相对正确性和获取原始数据的便捷性，最低选用3组数据，最高可选用10组数据。
②、获得土壤潜在氮素养分供应能力INS(kg hm-2)：
事先设置缺N肥施肥区和常规施肥区；
缺N肥施肥区的水稻地上部分氮素积累量＝INS；
③、测算水稻目标产量下的N素养分需求量RNR(kg hm-2)：
RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS
式中：RNR为水稻目标产量下的N素养分需求量，Y为步骤①所得的水稻目标产量；CGN为常规施肥区稻谷中N营养元素的含量(kg kg-1)；TB为常规施肥区水稻目标产量下的总生物量(秸秆干物质量+稻谷产量，kg hm-2)；MCNS为常规施肥区水稻秸秆(干物质)中N营养元素的含量(kg kg-1)，CGN、TB、MCNS均可以在水稻收获后实测获得；
稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷；
④、估算氮肥施用量(FR，kg hm-2)：
FR＝(RNR-INS)/(REN×NC)；REN为水稻对氮肥吸收利用率，设定为0.4～0.55；NC为肥料含氮量(可根据肥料的说明书而得知或者按照常规方法检测而得)；
⑤、动态调整氮肥施用量：
对于人工插植水稻或机插水稻，插秧前1～2天田间需要施用基肥，基肥施用量为预测氮肥施用量FR的20％～30％，而后在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
对于直播水稻，无需施基肥，直接在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
调整规则为：
当LCC≤3时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为100kghm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为125kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为150kg hm-2；
当LCC＝3.5时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为50kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为100kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为125kg hm-2；
当LCC≥4时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为0kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为45kg hm-2。
作为本发明的基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法的改进：
步骤②中，水稻地上部分氮素积累量(kg hm-2)＝秸秆干物质量(kg hm-2)×秸秆中含氮量(kg kg-1)+稻谷产量(kg hm-2)×稻谷中含氮量(kg kg-1)；
稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷。
作为本发明的基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法的进一步改进：
步骤⑤中，叶片比色卡使用方法为：在一块田间选取均匀分布的10～15穴水稻；每穴选择最长的叶片比色，将叶片正面贴在叶色卡上，观察叶片颜色是否与叶色卡上的级数相同，相同为该级数，介于色彩中间等级的可取平均值。
本发明的水稻节氮高产与面源减排的生态施肥模式，通过准确测定土壤潜在养分供应能力、估算水稻的生理需肥总量，并根据水稻生长关键时期叶片叶绿素仪或叶片比色卡读数来调整氮肥施用时间及施氮量。其环境意义是通过科学配肥，减少氮肥投入，提高水稻产量和氮肥利用率，降低农田面源污染，从而降低河流湖泊水体富营养化和地下水硝酸盐污染的风险。
本发明的节氮高产与面源减排的生态施肥模式与农户常规施肥管理相比具有精确定量、操作方便、成本低、推广应用价值高等特点。利用本发明可准确有效地开展水稻施肥管理，为水稻增产、农业面源污染减排提供技术支持。
综上所述，本发明针对当前水稻生产中农民常规施肥管理(过量施肥及施肥不平衡)的不足，在测土配方施肥技术基础上将水稻生产过程中氮磷流失削减的环境效益纳入考虑，通过科学合理施用氮肥，纠正目前普遍流行的氮肥过量使用问题，把氮肥降低到一个合理的水平，从而提高水稻氮肥利用率，同时又能够提高水稻产量和降低农田氮素径流和淋溶损失，从而降低河流湖泊水体富营养化和地下水硝酸盐污染的风险。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是生态施肥技术中土壤潜在氮素养分供应能力(INS)测定的田间试验设计；
图2是生态施肥与农户常规施肥(FFP)处理稻田田面水TN浓度变化。
具体实施方式
实施例1、一种基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，依次进行以下步骤：
①、确定水稻目标产量Y(kg hm-2)：
水稻目标产量为当地(该种植区域)稻谷前5年内最大产量的80％或当地稻谷前5年内平均产量的115％；稻谷为含水率14％(重量含量，下同)的稻谷。
②、获得土壤潜在氮素养分供应能力INS(kg hm-2)：
我们定义土壤某种养分的潜在供应能力(Indigenous nutrient supply)为：在不施用该种肥料养分，而其它养分元素充分供应的情况下，作物生长期间其地上部累积的该种养分的总量。因此，水稻土壤潜在氮素养分供应能力(INS，kg hm-2)即指水稻在生育季节从土壤溶液中吸收的所有非当季肥料养分数量，具体包括：从土壤固相释放的养分，以及除了肥料之外的来自灌溉、大气干湿沉降、生物固N、以及偶发洪水等带入的养分，这是一个综合性指标。土壤潜在氮素养分供应能力可通过在该区域设立缺N肥施肥区来估算，即水稻地上部分在缺N肥施肥区(P、K和其它养分充足供应)累积的总N量为土壤潜在氮素养分供应量。
在测定土壤潜在N素养分供应具体实施中，常规施肥区(FFP)区和缺N肥施肥区(N0)各占田块的一半，面积分别为500～1000m2。常规施肥区按氮、磷、钾配施，一般每公顷施肥折合纯N180～300kg、P2O545～60kg、K2O 90～150kg；缺N肥施肥区不施氮肥，磷肥、钾肥与常规施用量一致(见图1)。水稻的收割后，缺N肥施肥区(P、K和其它养分充足供应)水稻地上部分累积的总N量为土壤潜在氮素养分供应量INS。
即，前一年度需要在该水稻田内事先按照上述要求设置缺N肥施肥区和常规施肥区；
缺N肥施肥区的水稻地上部分氮素积累量＝INS；
水稻地上部分氮素积累量(kg hm-2)＝秸秆干物质量(kg hm-2)×秸秆(干物质)中含氮量(kg kg-1)+稻谷产量(kg hm-2)×稻谷中含氮量(kg kg-1)；稻谷为含水率14％的稻谷。按照此公式可得出缺N肥施肥区的水稻地上部分氮素积累量，即土壤潜在氮素养分供应能力INS。
③、测算水稻目标产量下的N素养分需求量RNR(kg hm-2)：
RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS
式中：RNR为水稻目标产量下的N素养分需求量，Y为步骤①所得的水稻目标产量；CGN为常规施肥区稻谷中N营养元素的含量(kg kg-1)；TB为常规施肥区水稻目标产量下的总生物量(秸秆干物质量+稻谷产量，kg hm-2)；MCNS为常规施肥区水稻秸秆(干物质)中N营养元素的含量(kg kg-1)，CGN、TB、MCNS均可以在水稻收获后实测获得；
稻谷为含水率14％的稻谷。
④、估算氮肥施用量(FR，kg hm-2)：
FR＝(RNR-INS)/(REN×NC)；REN为水稻对氮肥吸收利用率，设定为0.4～0.5；NC为肥料含氮量；
⑤、动态调整氮肥施用量：
对于人工插植水稻或机插水稻，插秧前1～2天(即水稻移植前1～2天)田间需要施用基肥，基肥施用量为预测氮肥施用量FR的20％～30％，而后在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
对于直播水稻，无需施基肥，直接在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
调整规则为：
当LCC≤3时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为100kg hm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为125kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为150kg hm-2；
当LCC＝3.5时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为50kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为100kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为125kg hm-2；
当LCC≥4时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为0kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为45kg hm-2。
具体如表1所示。
表1、基于叶片比色卡读数(LCC)及目标产量(Y)下的生态施肥方案
说明表1中：目标产量Y≤6t hm-2，是指5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，目标产量Y≤7t hm-2，是指6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2。
叶片比色卡使用方法为：在一块田间选取均匀分布的10～15穴水稻；每穴选择最长的叶片比色，将叶片正面贴在叶色卡上，观察叶片颜色是否与叶色卡上的级数相同，相同为该级数，介于色彩中间等级的可取平均值。实际操作中可以根据叶色偏向的色级取相邻近的级数，记录各次测定结果，然后计算出一个田块所有测定的平均值，根据表1中提供的施肥方案施肥可获得较高的产量和提高施肥效益。
本发明的水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，是针对水稻N素养分管理发展起来的，当然，其原理也适用于水稻的其他养分如磷(P)素、钾(K)素。
下面结合具体实验对本发明做进一步描述。
实验1：生态施肥对早稻产量及氮肥利用率影响对比试验
在金华市婺城区分别选取代表性田块进行生态施肥技术(如实施例1所示)与FFP(农民常规施肥)对比试验。在生态施肥实施前课题组在径山镇农业生产调查得到该区域的水稻多年(5年)平均产量约为6260kg hm-2，因而确定实验区的田块目标产量为Y＝(1+15％)×6260＝7200kg hm-2。在该地前一年度事先设立缺氮肥施肥区和常规施肥区进行比对，测定的土壤潜在氮素养分供应能力(INS)平均为85.8kg hm-2；而常规施肥区稻谷中N营养元素的浓度含量为CGN＝0.0115kg kg-1，常规施肥区水稻目标产量下的总生物量TB＝15500kg hm-2，常规施肥区水稻秸秆(干物质)中N营养元素的浓度为MCNS＝0.0045kg kg-1，因此水稻目标产量下的养分需求RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS＝7200×0.0115+(15500-7200)×0.0045＝120.2kg hm-2；氮肥使用尿素，尿素的含氮量为0.46kg kg-1，氮肥吸收利用率REN为0.43，因而估测ASM处理的田块氮肥施用量为FR＝(RNR-INS)/(NC×REN)＝(120.2-85.8)/(0.46×0.43)＝177kghm-2。
生态施肥具体操作过程中，按25.6％估测的氮肥施用量(45.3kg hm-2)作基肥(由于为机插水稻，在插秧前1～2天施肥)，同时根据水稻关键生育期(如分蘖期、拔节期、孕穗期)叶片比色卡读数LCC值进行了三次追肥，3次的LCC均为4，因此共计追肥45*3＝135kg hm-2。整个水稻季ASM处理实际氮肥施用量核算为180.3kg hm-2。
在本发明的生态施肥处理中，我们减少了生育前期的施氮量，加重了水稻关键生育期的施氮肥，施N总量较农民常规施肥FFP减少15.2％，且获得了635kg hm-2的平均增产效果(表2)。水稻对N素的利用效率较高，N肥表观回收率(REN)高于FFP 5％，N肥农学效率(AEN)比FFP高6.5kg kg-1，N肥偏生产力(PFPN)比FFP增加9.2kg kg-1(表3)。上述结果均表明，生态施肥技术在水稻氮肥投入减量15.2％的情况下，不仅能显著提高水稻产量、其氮肥利用效率也明显高于农民常规施肥(FFP)。
表2、早稻生态施肥与FFP(农民常规施肥)处理施肥量及产量比较
表3、生态施肥与FFP(农民常规施肥)处理水稻N肥利用效率比较
实验2：生态施肥对稻田氮磷流失减量的影响研究
实验田位于杭州余杭区径山镇(30°21′N，119°53′E)，该区域稻田的基本耕作制度几十年保持不变，土质比较稳定。设农户常规施肥(FFP)和生态施肥(实施例1)两种肥料管理模式。
在生态施肥实施前课题组在径山镇农业生产调查得到该区域的水稻多年(5年)平均产量约为6522kg hm-2，因而确定实验区的田块目标产量为Y＝(1+15％)×6522＝7500kghm-2。在该地前一年度事先设立缺氮肥施肥区和常规施肥区进行比对，测定的土壤潜在氮素养分供应能力(INS)平均为88.9kg hm-2；而常规施肥区稻谷中N营养元素的浓度含量为CGN 0.012kg kg-1，常规施肥区水稻目标产量下的总生物量TB＝16700kg hm-2，常规施肥区水稻秸秆(干物质)中N营养元素的浓度为MCNS＝0.0042kg kg-1，因此水稻目标产量下的养分需求RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS＝7500×0.012+(16700-7500)×0.0042＝128.6kghm-2；氮肥使用尿素，尿素的含氮量为0.46kg kg-1，氮肥吸收利用率REN为0.48，因而估测ASM处理的田块氮肥施用量为FR＝(RNR-INS)/(NC×REN)＝(128.6-88.9)/(0.46×0.48)＝179.8kghm-2。
生态施肥具体操作过程中，按25％估测的氮肥施用量(45kg hm-2)作基肥，同时根据水稻关键生育期(如分蘖期、拔节期、孕穗期)叶片比色卡读数LCC值进行了三次追肥，3次的LCC均为4，因此共计追肥45*3＝135kg hm-2。整个水稻季ASM处理实际氮肥施用量核算为180kg hm-2。
在水稻的整个生育期根据施肥情况采集稻田田面水及径流水样进行氮、磷养分监测。实验结果显示采用生态施肥管理的水稻整个生育期稻田田面水TN浓度较常规施肥(FFP)显著降低(图2)，田面水TP浓度变化也相应降低。最终统计表明整个水稻季采用生态施肥管理稻田TN径流流失量削减29.5％、TP径流流失量削减27.3％。同时生态施肥处理其氮肥用量降低25％，磷肥施用量降低18.2％，水稻增产417kg hm-2(表4)，证明了与农民常规施肥管理相比生态施肥降低了水稻氮肥投入，在促进水稻增产的同时对稻田氮素流失削减效应显著，值得大力推广。
表4、不同水肥管理模式下肥料投入、水稻产量及氮磷流失量比较
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，其特征在于包括以下步骤：
①、确定水稻目标产量Y(kg hm-2)：
所述水稻目标产量为当地稻谷往年最大产量的70～80％或当地稻谷往年平均产量的113～118％；所述稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷；
②、获得土壤潜在氮素养分供应能力INS(kg hm-2)：
事先设置缺N肥施肥区和常规施肥区；
缺N肥施肥区的水稻地上部分氮素积累量＝INS；
③、测算水稻目标产量下的N素养分需求量RNR(kg hm-2)：
RNR＝Y×CGN+(TB-Y)×MCNS
式中：RNR为水稻目标产量下的N素养分需求量，Y为步骤①所得的水稻目标产量；CGN为常规施肥区稻谷中N营养元素的含量(kg kg-1)；TB为常规施肥区水稻目标产量下的总生物量(秸秆干物质量+稻谷产量，kg hm-2)；MCNS为常规施肥区水稻秸秆中N营养元素的含量(kg kg-1)，所述CGN、TB、MCNS均可以在水稻收获后实测获得；
所述稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷；
④、估算氮肥施用量(FR，kg hm-2)：
FR＝(RNR-INS)/(REN×NC)；所述REN为水稻对氮肥吸收利用率，设定为0.4～0.55；所述NC为肥料含氮量；
⑤、动态调整氮肥施用量：
对于人工插植水稻或机插水稻，插秧前1～2天田间需要施用基肥，基肥施用量为预测氮肥施用量FR的20％～30％，而后在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
对于直播水稻，无需施基肥，直接在水稻的分蘖期、拔节期、孕穗期这3个关键生育期通过叶片比色卡在水稻叶片的LCC读数来调整氮肥施用量；
调整规则为：
当LCC≤3时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为100kg hm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为125kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为150kg hm-2；
当LCC＝3.5时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为50kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y≤6t hm-2，氮肥施用量为75kg hm-2；6t hm-2＜目标产量Y≤7t hm-2，氮肥施用量为100kghm-2；7t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为125kg hm-2；
当LCC≥4时，目标产量Y≤5t hm-2，氮肥施用量为0kg hm-2；5t hm-2＜目标产量Y，氮肥施用量为45kg hm-2。
2.根据权利要求1所述的基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，其特征是：
所述步骤②中，水稻地上部分氮素积累量(kg hm-2)＝秸秆干物质量(kg hm-2)×秸秆中含氮量(kg kg-1)+稻谷产量(kg hm-2)×稻谷中含氮量(kg kg-1)；
所述稻谷为含水率13.5～14.5％的稻谷。
3.根据权利要求2所述的基于水稻节氮高产与面源减排的生态施肥方法，其特征是：
步骤⑤中，所述叶片比色卡使用方法为：在一块田间选取均匀分布的10～15穴水稻；每穴选择最长的叶片比色，将叶片正面贴在叶色卡上，观察叶片颜色是否与叶色卡上的级数相同，相同为该级数，介于色彩中间等级的可取平均值。
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