CN103636417B - 一种稻田氮肥施用量的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定稻田氮肥合理施用量的方法。该方法首次提出建立稻田施氮量与作物产量和环境指标的直线平台模型，基于直线平台反映的数据信息确定稻田合理施氮量。通过该方法确定的氮肥施用量，不仅可以维持作物高产，而且可以有效降低氮肥过量施用导致的环境污染问题，从而在产量和生态环境之间取得很好的平衡。
Description
技术领域
本发明属于农业肥料领域，具体涉及一种稻田氮肥施用量的确定方法。
背景技术
当前在我国农业生产中，为获得高作物产量，化肥特别是氮肥被大量施用，然而不合理施肥（主要是过量施用）的情况普遍存在。据统计，1999年我国化肥氮磷钾养分施用比例较适宜的县仅为1%。不合理施肥不仅会导致农作物产量和品质下降、经济效益降低，而且易引发严重的环境污染。
不合理施肥的情况在以集约化农业为主的东部地区尤为突出。以太湖地区为例，近年来该区域农田氮肥施用量持续上升，水稻施氮量已达300kg N ha-1，更有甚者达到350kg N ha-1，而全国平均施氮量仅为228kg N ha-1。过量的施氮不仅造成水稻减产、氮肥边际效应下降和资源浪费，而且引发了严重的环境问题。例如，过量施氮造成土壤中N的盈余量不断增加，营养元素的过度积累增加了农田生态系统中N损失风险。已有研究表明，农业活动是太湖地区N面源污染的主要来源，对太湖富营养化的N贡献率达到了59%。
针对上述情况，确定合理的稻田施氮量，以保证产量的同时减少过量氮肥对环境的影响，是集约化农业亟待解决的问题。目前，关于氮肥临界阈值的确定方法不多。申请人曾在国家重点基础研究发展计划《肥料减施增效与农田可持续利用基础研究》子课题中探索了临界阈值寻找方法，该方法基于农业“高产”目标，针对太湖区域稻田的目标产量、施氮量、关键生育期的作物与土壤养分供求关系来确定临界阈值，即满足高产目标的施氮量、作物和土壤养分供求范围。该方法确定的临界阈值偏重产量要素，没有涉及到环境要素，而且通过养分指标确定阈值的过程较为繁琐，土壤及作物类型对阈值范围的影响较大，难以推广应用。
因此，寻求一种简单、可行且有效的稻田氮肥合理施用量的确定方法，以在保证产量的同时控制氮肥投入，减少过量施氮对环境的负面影响，保护农田生态环境，具有重要的经济和社会价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、可行且有效的稻田氮肥合理施用量的确定方法。通过该方法确定合理的氮肥施用量，不仅可以维持作物高产，而且可以有效降低氮肥过量施用导致的环境污染问题，在产量和环境之间取得较好的平衡。
为实现上述目的，如图1所示，本发明以特定方法，分别建立稻田施氮量与作物产量和环境指标的直线平台模型，基于直线平台反映的数据信息确定合理施氮量。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种稻田氮肥施用量的确定方法，包括以下步骤：
（1）选择目标地块，根据当地传统施氮量N，设置氮肥梯度试验，并测定不同施氮量下的产量和环境指标；
（2）建立施氮量-产量的直线平台模型，确定经济施氮量（N2）
利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对氮肥梯度试验中各施氮量的产量作方差分析，以差异不显著的各施氮量产量的均值为准，确定水平线并定义为产量平台；
产量平台左侧的各施氮量产量均显著低于平台产量，根据产量平台左侧各施氮量对应的产量，通过线性拟合建立施氮量与产量之间的线性关系；
将上述水平线和直线相连，即得到施氮量-产量的直线平台模型，两线交点对应的施氮量即为经济施氮量（N2）；
（3）建立施氮量-环境指标的直线平台模型，确定环境阈值施氮量（N3）
利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对氮肥梯度试验中各施氮量的环境指标作方差分析，以差异不显著的各施氮量环境指标的均值为准，确定水平线并定义为环境平台；
根据环境平台右侧各施氮量对应的环境指标，通过线性拟合建立施氮量与环境指标之间的线性关系；
将上述水平线和直线相连，即得到施氮量-环境指标的直线平台模型，两线交点对应的施氮量即为环境阈值施氮量（N3）；
（4）确定合理施氮量，即阈值区域
根据上述步骤（2）的经济施氮量（N2）和步骤（3）的环境阈值施氮量（N3），确定两者间的施氮量即为目标地块的合理施氮量。
上述方法中，传统施氮量N是指目标地块所处区域的平均施氮量，通过调查该区域所有农户，数据统计后计算所得。
所述氮肥梯度试验指的是基于目标地块的传统施氮量N，通过使用不同比例的氮肥量进行平行试验，以获取不同施氮量下的产量和环境指标。非限制性地，例如，该梯度试验可以是0%N、10%N、20%N…100%N…150%N等。本发明所述方法中，为满足SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法的分析要求，每种施氮量均进行三次以上的重复试验。
稻田施入氮肥引起的环境问题主要源于氮素损失。根据不同地块特点，氮素损失形式亦有所区别和侧重。具体到本发明的上述方法，所述环境指标可以是氮素的径流损失、氨挥发损失和渗漏损失中的至少一种。这三类氮素损失的测定对本领域技术人员而言是公知的，如可采用“Nitrogen Balance in a Highly Fertilized Rice–WheatDouble-Cropping System in Southern China，Soil Science Society ofAmerica Journal，76：1068-1078”中记载的方法进行测定，即氮素径流损失测定采用径流池法；氨挥发损失测定采用密闭室-硼酸吸收法；渗漏损失测定方法为PVC材料渗漏管并埋深至40cm深度，利用便携式泵采集渗漏液，通过设置土柱试验计算渗漏速率，从而计算氮素渗漏总量。
本发明首次将SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法应用到稻田合理施氮量的确定中。在对各施氮量下的产量或环境指标进行分析时，不同施氮量下的产量或环境指标若差异显著（p<0.05），则系统会有不同的标注（例如不同的字母a、b、c等）；反之，若差异不显著，则系统会给出相同的标注（例如相同的字母a）。对于了解SPSS多因素方差分析的技术人员而言，这些是公知的常规知识。
上述方法对稻田所处区域并没有特殊限制。但特别优选地，该方法适用于太湖流域/地区的稻田。
发明人通过连续多年试验发现，稻田施氮量与作物产量、环境指标基本符合如图1所示的直线平台关系。根据图1所示的施氮量阈值区域模型，可以划分为4个区域：即低产低污染区域、高产低污染区域、高产高污染区域和低产高污染区域。基于该模型，根据不同的地区特点，可以灵活调整施氮量范围，例如，在环境污染严重区域，环境目标为主、产量目标为辅，可以选择低产低污染区域N0-N2；在高产目标为主、环境目标为辅的区域，可以选择高产低污染区域和高产高污染区域，即N2-N4。综合考虑，最佳施氮量应选择N2-N3，其在保持高产的同时不会对环境造成显著负面影响，属于产量与环境双赢的施氮量范围。
需要注意，鉴于气候、土壤类型、施肥方式在不同地区的变化情况，上述阈值区域可以分为以下3种情况（图2）：
如图2-1所示，经济施氮量和环境阈值施氮量重合，那么该地区产量与环境双赢的施氮量就是该点N2。
如图2-2所示，经济施氮量和环境阈值施氮量分别为N2和N3点，表明环境阈值点后移（即N2<N3），则该地区产量与环境双赢的施氮量范围为N2-N3。
如图2-3所示，经济施氮量和环境阈值施氮量分别为N2和N1点，表明环境阈值点前移（即N2>N1），则该地区产量与环境双赢的施氮量范围为N1-N2。值得一提的是，该情形下，低氮投入（如N1）的产量往往较低（数理统计已达显著），但根据该地区环境指标直线平台特性，增加施氮量（施氮量>N1）将导致环境指标线性增加。虽然产量较低，但综合考虑氮肥投入成本和环境污染治理成本（该成本往往大于增施氮肥所带来的经济收益增加量），该区域施氮量范围亦是合理的。
本发明首次提出了稻田氮肥相关研究领域的直线平台模型，通过本发明公开的方法，可以有效地确定出目标区域的合理施氮量。在此基础上，根据目标区域施肥习惯按比例施用，即可保证作物获得高产的同时减少氮肥流失，达到产量环境双赢的目的。
通常而言，施氮量与产量和环境指标的相应曲线各自适用于二次曲线关系和指数关系等经验模型。本发明基于长期稻田试验获得的施氮量与产量和环境指标的相应曲线关系模型，根据其曲线特性，利用数理统计方法将曲线标准化为直线平台模型，该模型能够更直观有效地反映实际生产中施氮量-产量-环境指标三者之间的关系。本发明首次将曲线标准化为直线平台模型，并以此为基础提出了如前所述的方法。相比环境经济学Coase理论所要求的施氮量与产量和环境指标需满足特定的方程，本发明的方法在将各曲线标准化后避免了对特定曲线方程的要求。与国家重点基础研究发展计划《肥料减施增效与农田可持续利用基础研究》中阈值的确定方法相比，本发明不再需要测定土壤、作物养分指标，而且综合了产量和环境要素，是一种简单、高效且全面的稻田合理施氮量的确定方法。
附图说明
图1是施氮量与产量和环境指标的阈值区域模型示意图。
图2是三种不同情况的阈值区域示意图。
图3是实施例一中2011和2012年水稻施氮量与产量和总氮损失的阈值区域图。
图4是实施例二中水稻施氮量与产量和氮素径流损失的阈值区域图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一：
（1）试验地位于江苏省宜兴市大浦镇渭渎村(31°16′17.29″N,119°55′23.92″E)，当地为稻麦轮作，传统施氮量约270kg N ha-1。
根据该传统施氮量，稻季分别设置0%N，30%N，50%N，70%N，80%N，90%N和100%N处理，每个处理重复3次。各处理中磷钾肥均为81kg ha-1并作为基肥施入稻田中。氮磷钾肥料为常规肥料，分别是尿素、普钙和氯化钾。
2011和2012年分别进行试验，记录各处理的作物产量和环境指标。其中，根据该目标地块所处环境和耕作特点，确定以总氮损失（即氮素的径流损失、氨挥发损失和渗漏损失之和）为环境指标。结果如表1中所示。
表1 2011和2012年各处理的产量及总氮损失
（2）利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法分别对2011和2012年各处理的水稻产量作方差分析，结果表明50%N、70%N、80%N、90%N和100%N处理的产量差异不显著，但其与30%N和0%N处理差异显著（p<0.01）。因此基于50%N-100%N产量，取其均值并设为产量均值平台：y=7611，2011年；y=7230，2012年。同时，根据左侧0%N和30%N的产量，建立直线关系：y=25.98x+4553.3，2011年；y=28.74x+3557.9，2012年。上述产量直线关系与产量平台相交点即为经济施氮量，2011年和2012年经济施氮量分别为117.7和127.8kg N ha-1。
（3）与上述（2）类似，利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法分别对2011和2012年各处理的总氮损失作方差分析，结果表明0%N和30%N处理下总氮损失差异不显著。因此，取0%N和30%N处理下总氮损失均值并将其设为总氮损失均值平台：y=9.78，2011年；y=15.5，2012年。同时，根据右侧50%N-100%N的总氮损失，建立直线关系：y=0.28x-20.3，2011年；y=0.15x+3.83，2012年。上述总氮损失直线关系与平台相交点即为环境阈值施氮量，2011年和2012年环境阈值施氮量分别为106.0和76.0kg N ha-1。
（4）图3显示为本实施例中2011年和2012年水稻产量和总氮损失的阈值区域图。对比图2可以看出，该区域符合图2-3所示模式，环境阈值点前移。该地区作物产量与环境双赢阈值区域为：106.0-117.7kg N ha-1，2011年；76.0-127.8kg N ha-1，2012年。从两组数值也可以看出，该区域年季间变异较小，较为稳定。
相比其他处理，上述双赢阈值区域（图3中阴影部分）的水稻产量并未呈现显著下降。2011年该区域产量为7307-7611kg ha-1，相比最高平均产量（70%N）8155kg ha-1，该区域最高产量7611kg ha-1未呈现显著差异（p<0.05）。2012年该区域产量为5741-7230kg ha-1，相比最高平均产量（100%N）7593kg ha-1，该区域内最高产量7230kg ha-1未呈现显著差异（p<0.05）。尽管该区域内的低产与最高产量有较大差距，但相比最高产量的处理，其总氮损失量分别减少了16.3-19.6kgN ha-1（2011年）和23.4-31.3kg N ha-1（2012年）。综合考虑氮肥投入成本和环境污染治理成本，该区域内的施氮量可以显著降低总氮损失，为一种合理的施氮量范围。
实施例二：
（1）试验地位于江苏省宜兴市大浦镇渭渎村(31°16′16.71″N,119°55′23.82″E)，该地为水稻-紫云英轮作，传统施氮量约270kg Nha-1。
稻季在紫云英还田的基础上，根据该地传统施氮量分别设置0%N，11%N，22%N，33%N，44%N、55%N和100%N处理，各处理均重复3次。各处理中磷钾肥均为81kg ha-1并作为基肥施入稻田中。氮磷钾肥料为常规肥料，分别是尿素、普钙和氯化钾。
2012年进行试验，记录各处理的作物产量和环境指标。其中，根据该目标地块所处环境和耕作特点，确定以氮素径流损失为环境指标。结果如表2中所示。
表2 2012年各处理的产量和氮素径流损失
（2）利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对2012年各处理的水稻产量作方差分析，结果表明33%N、44%N、55%N和100%N处理下的产量差异不显著，但其与22%N、11%N和0%N处理差异显著（p<0.05）。因此基于33%N-100%N产量，取其均值并设为产量均值平台：y=6426。同时，根据左侧0%N、11%和22%N的产量，建立直线关系：y=16.69x+4617.66。上述产量直线关系与产量平台相交点即为经济施氮量：108.3kg N ha-1。
（3）与上述（2）类似，利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对各处理的氮素径流损失作方差分析，结果表明0%N、11%N、22%N、33%N和44%N处理下氮素径流损失差异不显著。因此，取上述处理下氮素径流损失均值并将其设为均值平台：y=6.52。同时，根据右侧55%N-100%N的氮素径流损失，建立直线关系：y=0.043x+1.422。上述氮素径流损失直线关系与平台相交点即为环境阈值施氮量：118.6kg N ha-1。
（4）图4显示为本实施例中水稻产量和氮素径流损失的阈值区域图。对比图2可以看出，该区域符合图2-2所示模式，环境阈值点后移。该地区水稻产量与环境双赢阈值区域为：108.3-118.6kg N ha-1。
上述双赢阈值区域（图4中阴影部分）的水稻产量即为平台值6426kg ha-1，相比平均最高产量（100%N）6653kg ha-1，该区域产量未呈现显著差异（p<0.05），而氮素径流损失则减少了6.68kg N ha-1。该区域内的施氮量在保证产量的同时显著降低了氮素径流损失，可实现产量环境双赢的目的。
本发明首次提出建立稻田施氮量与作物产量和环境指标的直线平台模型，基于直线平台反映的数据信息确定稻田合理施氮量，该方法简单、可行且有效。利用该方法确定的氮肥施用量，不仅可以维持作物高产，而且可以有效降低氮肥过量施用导致的环境污染问题，在产量和生态环境之间取得很好的平衡。
Claims (4)
1.一种稻田氮肥施用量的确定方法，包括以下步骤：
（1）选择目标地块，根据当地传统施氮量N，设置氮肥梯度试验，并测定不同施氮量下的产量和环境指标；
（2）建立施氮量-产量的直线平台模型，确定经济施氮量（N2）
利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对氮肥梯度试验中各施氮量的产量作方差分析，以差异不显著的各施氮量产量的均值为准，确定水平线并定义为产量平台；
产量平台左侧的各施氮量产量均显著低于平台产量，根据产量平台左侧各施氮量对应的产量，通过线性拟合建立施氮量与产量之间的线性关系；
将上述水平线和直线相连，即得到施氮量-产量的直线平台模型，两线交点对应的施氮量即为经济施氮量（N2）；
（3）建立施氮量-环境指标的直线平台模型，确定环境阈值施氮量（N3）
利用SPSS多因素方差分析中的Duncan新复极差法对氮肥梯度试验中各施氮量的环境指标作方差分析，以差异不显著的各施氮量环境指标的均值为准，确定水平线并定义为环境平台；
根据环境平台右侧各施氮量对应的环境指标，通过线性拟合建立施氮量与环境指标之间的线性关系；
将上述水平线和直线相连，即得到施氮量-环境指标的直线平台模型，两线交点对应的施氮量即为环境阈值施氮量（N3）；
（4）确定合理施氮量，即阈值区域
根据上述步骤（2）的经济施氮量（N2）和步骤（3）的环境阈值施氮量（N3），确定两者间的施氮量即为目标地块的合理施氮量。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述氮肥梯度试验指的是基于目标地块的传统施氮量N，通过使用不同比例的氮肥量进行平行试验，以获取不同施氮量下的产量和环境指标。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述环境指标是指氮素的径流损失、氨挥发损失和渗漏损失中的至少一种。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述稻田为太湖流域/地区的稻田。
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