CN104285574A - 一种农田氮素投入阈值的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农田氮素投入阈值的计算方法，属农业环境保护技术领域；农田氮素投入阈值的计算方法按照下面步骤进行：对比种植，统计数据；利用统计结果确定农田作物的产量氮素阈值和农田的环境氮素投入阈值；根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，确定农田土壤类型，划分土壤肥力水平，对确定的氮投入阈值进行修正；最后，计算农田氮素投入阈值。本发明根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值，做到既可以合理的使用氮肥达到增产的效果，同时，又避免浪费，避免对土壤生态环境的影响，实现一个供求平衡，促进土壤的合理使用，解决了农田的长期使用中肥力和污染的矛盾、增产和节能的矛盾，对引领农业产业向可持续健康发展具有重要作用。

Description

一种农田氮素投入阈值的计算方法

技术领域

本发明涉及一种农田氮素投入阈值的计算方法，属农业环境保护技术领域。 

背景技术

随着人类社会经济和科技的发展，由于人口压力增加，使人类对农产品需求越来越大，从而加大了农业生产的投入，特别是化肥的使用。化肥对农业的贡献众所周知，现代化农业的一个重要特征是使用化肥。氮肥是全世界施用量最大的一类肥料，据统计，从1949年到1998年的50年中，我国粮食年总产量与化肥氮年施用量呈显著相关性。化肥工业产生以前的数千年，人们以有机方式进行农业生产，农业用肥完全依靠有机物质。这种生产方式下肥料养分的循环属内部循环，肥料养分只有消耗而缺乏补充，久而久之，不可避免的造成肥料养分损失，极大地影响了农作物产量的增加。化肥问世并大量应用后，农业实现了植物营养的外部投入，这种有目的的通过肥料增量改善土壤肥力的做法，改变了人类历史上对植物营养投入方式的传统观念，有力地支持了各种农业技术进步，简化了农作方式，提高了农作物产量，保证了人口迅速增长对农产品的需求。 

实验统计证明，每施用1kg尿素可增产稻谷9.1kg、小麦10.3kg、玉米12.7kg，在肥料、种子和水等粮食增产三大可控制要素中，化肥的贡献率达到32％。70年代以来，我国氮肥施用量增长很快，近几年的氮肥施用量已达2489万吨纯氮，居世界之首，占世界氮肥年施用量1\4以上，每季作物平均约为120kgN/hm(平方)，这对促进我国农业生产的发展发挥了重要了作用。 

自1980年以来，我国化肥氮的用量增加迅速，至1998年，全国化肥氮的用量已达2233.5 万吨。但是，氮素的利用率底(有些城郊蔬菜基地与高产地区的氮肥利用率降至10％-20％)平均35％左右(发达国家为50％-60％)，而损失则高达45％以上，这意味着每年约有100万吨左右的氮通过不同的途径流失。 

我国全年流失土壤达50亿吨，带走的氮相当于全国一年的化肥使用量，化肥氮肥施入土壤后，被作物吸收利用的只占其施入量的30％-40％，剩余氮肥经各种途径损失于环境中，并对地表水(河流、湖泊、海洋等)和地下水(浅层地下水如水井和深层地下水)的环境造成污染。 

化肥对农产品的污染、对土壤生态环境的影响主要体现在：(1)引起土壤酸化和板结，破坏土壤结构，抑制土壤微生物活性，造成土壤硝酸盐污染和土壤次生盐渍化(2)施用氮肥对水环境的污染：导致水体盐富营养化，氮素淋溶污染地下水(3)施用氮肥对大气环境的影响：氮挥发污染大气，NOx的排放形成酸雨，破坏臭氧层，导致温室效应(4)过量施用氮肥对作物产品的污染和食物链的影响：污染作物产品，影响作物品质，引发“环境激素”问题。 

因此，如何合理的使用氮肥达到增产的效果，同时，又避免浪费，避免对土壤生态环境的影响是一个迫切需要解决的问题。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种农田氮素投入阈值的计算方法，根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值，做到既可以合理的使用氮肥达到增产的效果，同时，又避免浪费，避免对土壤生态环境的影响，实现一个供求平衡，促进土壤的合理使用，解决了农田的长期使用中肥力和污染的矛盾、增产和节能的矛盾，本方法改善了土壤环境，减少了对环境的污染，改善了农田生态环境，有利于农田的生态保护和发展可持续农业，对引领农业产业向可持续健康发展具有重要作用，本发明方法易操作、效益高、具有广阔 的应用前景。 

为解决技术问题采用的技术方案：农田氮素投入阈值的计算方法按照下面步骤进行： 

第一步：确定农田土壤类型，划分土壤肥力水平；首先，对待种土壤进行分析，确定土壤类型，划分肥力水平，并根据土壤类型、肥力不同，划分等级； 

第二步：对比种植，统计数据；用同一种作物，在相同肥力的土壤上进行对比种植，对比种植过程中，施加不同的氮肥；统计从开始种植到收获不同时期的施氮量和作物产量，同时，统计从开始种植到收获的降雨量； 

第三步：确定农田作物的产量氮素阈值；利用作物与施氮量的关系，推出各个生长阶段的施氮量的临界阈值和作物的产量氮素阈值； 

第四步：确定农田的环境氮素投入阈值；结合降雨量、废水排放标准、区域的氮素流失系数，确定区域农田的环境投入氮素阈值； 

第五步：计算农田氮素投入阈值；根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值。 

所述的第三步中作物的产量氮素阈值的计算方法为， 

Y＝ax^2+bx+c      (1) 

式(1)中Y为作物的产量，x为氮素的施用量，a、b、c为常数 

求顶点坐标公式为：((-b/2a),(4ac-b^2)/4a))      (2) 

式(2)中，(-b/2a)计算所得结果为作物最高产量时的施肥量，(4ac-b^2)/4a)计算所得结果为作物的最高产量。 

95％产量规则：根据式(2)求算的最高产量前移，达到最高产量点95％的产量时，对应的氮 素施用量即为作物氮素施用的阈值点，令95产量点为T 

95％产量计算方法为： 

T＝95％*((4ac-b^2)/4a))      (3) 

氮素产量阈值点(X)的计算方法为： 

$X=\frac{-b-\sqrt{b^2-4a(c-0.95T)}}{2a}---\left(4\right).$

所述的第四步中区域农田环境投入氮素阈值(M)的计算方法为。 

M＝(E*0.35)/1.5％ 

注：E为I级B废水排放标准20mg N/l时的农田氮流失临界负荷，0.35为将流失总氮转换为化肥氮流失量的系数,1.5％是化肥氮的流失系数。 

所述的第五步中根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值的计算方法为产量氮阈值与环境氮阈值二者的平均数即为农田氮素投入阈值，计算公式如下： 

D＝(X+M)/2      (5) 

式中D为农田氮素投入阈值、X为氮素投入产量阈值、M为环境氮投入阈值。 

所述的第五步中根据土壤类型、肥力不同，划分等级的标准为粘土、壤土、沙土，对应的修正系数为0.8、1.0、1.2，即D*0.8为粘土氮投入阈值，D*1.2为沙土氮投入阈值；低肥力水平、中肥力水平、高肥力水平对应的修正系数为1.2、1.0、0.8。即D*1.2为低肥力水平氮投入阈值，D*0.8为高肥力水平氮投入阈值，壤土和中肥力水平修正系数为1，修正后也即D值本身。 

所述的第四步中生长阶段的施氮量的临界阈值为基肥施用1次，追肥施用2次，基肥追肥 比例为4：3：3，利用氮投入总阈值D,根据这一比例求得生长阶段的施氮量的临界阈值，即D*0.4为基肥投入阈值，D*0.3为追肥投入阈值。 

本发明的有益效果：本发明根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值，做到既可以合理的使用氮肥达到增产的效果，同时，又避免浪费，避免对土壤生态环境的影响，实现一个供求平衡，促进土壤的合理使用，解决了农田的长期使用中肥力和污染的矛盾、增产和节能的矛盾，本方法改善了土壤环境，减少了对环境的污染，改善了农田生态环境，有利于农田的生态保护和发展可持续农业，对引领农业产业向可持续健康发展具有重要作用，本发明方法易操作、效益高、具有广阔的应用前景。 

具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述，以方便技术人员理解。 

农田氮素投入阈值的计算方法按照下面步骤进行： 

第一步：确定农田土壤类型，划分土壤肥力水平；首先，对待种土壤进行分析，确定土壤类型，划分肥力水平，并根据土壤类型、肥力不同，划分等级； 

第二步：对比种植，统计数据；用同一种作物，在相同肥力的土壤上进行对比种植，对比种植过程中，施加不同的氮肥；统计从开始种植到收获不同时期的施氮量和作物产量，同时，统计从开始种植到收获的降雨量； 

第三步：确定农田作物的产量氮素阈值；利用作物与施氮量的关系，推出各个生长阶段的施氮量的临界阈值和作物的产量氮素阈值； 

第四步：确定农田的环境氮素投入阈值；结合降雨量、废水排放标准、区域的氮素流失系数，确定区域农田的环境投入氮素阈值； 

第五步：计算农田氮素投入阈值；根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值。 

所述的第三步中作物的产量氮素阈值的计算方法为， 

Y＝ax^2+bx+c      (1) 

式(1)中Y为作物的产量，x为氮素的施用量，a、b、c为常数 

求顶点坐标公式为：((-b/2a),(4ac-b^2)/4a))      (2) 

式(2)中，(-b/2a)计算所得结果为作物最高产量时的施肥量，(4ac-b^2)/4a)计算所得结果为作物的最高产量。 

95％产量规则：根据式(2)求算的最高产量前移，达到最高产量点95％的产量时，对应的氮素施用量即为作物氮素施用的阈值点，令95产量点为T 

95％产量计算方法为： 

T＝95％*((4ac-b^2)/4a))      (3) 

氮素产量阈值点(X)的计算方法为： 

$X=\frac{-b-\sqrt{b^2-4a(c-0.95T)}}{2a}---\left(4\right).$

所述的第四步中区域农田环境投入氮素阈值(M)的计算方法为。 

M＝(E*0.35)/1.5％ 

注：E为I级B废水排放标准20mg N/l时的农田氮流失临界负荷，0.35为将流失总氮转换为化肥氮流失量的系数,1.5％是化肥氮的流失系数。 

所述的第五步中根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素 投入阈值的计算方法为产量氮阈值与环境氮阈值二者的平均数即为农田氮素投入阈值，计算公式如下： 

D＝(X+M)/2      (5) 

式中D为农田氮素投入阈值、X为氮素投入产量阈值、M为环境氮投入阈值。 

所述的第五步中根据土壤类型、肥力不同，划分等级的标准为粘土、壤土、沙土，对应的修正系数为0.8、1.0、1.2，即D*0.8为粘土氮投入阈值，D*1.2为沙土氮投入阈值；低肥力水平、中肥力水平、高肥力水平对应的修正系数为1.2、1.0、0.8。即D*1.2为低肥力水平氮投入阈值，D*0.8为高肥力水平氮投入阈值，壤土和中肥力水平修正系数为1，修正后也即D值本身。 

所述的第四步中生长阶段的施氮量的临界阈值为基肥施用1次，追肥施用2次，基肥追肥比例为4：3：3，利用氮投入总阈值D,根据这一比例求得生长阶段的施氮量的临界阈值，即D*0.4为基肥投入阈值，D*0.3为追肥投入阈值。 

实施例 

以云南某地为例，种植小麦，计算农田氮素投入阈值。 

第一步：确定待研究农田土壤类型，划分土壤肥力水平； 

首先，对待种土壤进行分析，确定土壤类型，划分肥力水平，并根据土壤类型、肥力的具体情况，划分为什么等级；该实施例的土壤为中肥力水平、土壤质地为壤土。 

第二步：对比种植，统计数据；将待种农田分为若干份，用同一种作物，在相同肥力的土壤上进行对比种植，对比种植过程中，施加不同的氮肥；统计从开始种植到收获不同时期的施氮量和作物产量，同时，统计从开始种植到收获的降雨量； 

第三步：确定农田作物的产量氮素阈值；通过田间试验获得氮素的产量效应方程： 

y＝-0.00003x²+0.0223x+4.0231      (1) 

式(1)中Y为作物的产量，x为氮素的施用量，a为-0.00003、b为0.0223、c为4.0231， 

根据式(1)，将相应参数代入公式： 

(4ac-b^2)/4a)      (2) 

式(2)中，(-b/2a)计算所得结果为作物最高产量时的施肥量，(4ac-b^2)/4a)计算所得结果为作物的最高产量，代入数据，根据公式(2)计算获得小麦最高产量为4.0t/hm²， 

95％产量规则：根据式(2)求算的最高产量前移，达到最高产量点95％的产量时，对应的氮素施用量即为作物氮素施用的阈值点。令95产量点为T 

利用95％产量计算方法： 

T＝95％*((4ac-b^2)/4a))      (3) 

氮素产量阈值点(X)的计算方法为： 

$X=\frac{-b-\sqrt{b^2-4a(c-0.95T)}}{2a}---\left(4\right)$

进一步计算得到95％最高产量为3.8t/hm²。 

第四步：确定农田的环境氮素投入阈值；利用土壤种植前后的地表水质的不同，结合降雨量、区域的氮素流失系数，确定区域农田环境投入氮素阈值； 

其中，区域农田环境投入氮素阈值的计算方法为 

将式中的参数和计算得到的小麦最高产量数据代入式(3)，计算得到小麦的产量氮投入阈值为每公顷农田148kg。 

M＝(E*0.35)/1.5％ 

E为I级B废水排放标准:20mg N/l时的农田氮流失临界负荷，0.35为将流失总氮转换为化肥氮流失量的系数,1.5％是化肥氮的流失系数，根据式(4)计算小麦的环境氮投入阈值， 

计算得到氮投入环境阈值为196.5kg/hm²

第五步：计算农田氮素投入阈值；根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值。 

根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值的计算方法为 

产量氮阈值与环境氮阈值二者的平均数即为农田氮素投入阈值，计算公式如下： 

D＝(X+M)/2      (5) 

式中D为农田氮素投入阈值、X为氮素投入产量阈值、M为环境氮投入阈值。 

其中，本实施例中为壤土和中肥力水平修正系数为1，修正后也即D值本身。 

将产量氮投入阈值与环境氮素投入阈值之和平均，得到待种农田最终氮投入阈值为172.3kg/hm²，利用作物与施氮量的关系，推出各个生长阶段的施氮量的临界阈值。 

所述的生长阶段的施氮量的临界阈值的计算方法为基肥施用1次，追肥施用2次，基肥追肥比例为4：3：3，利用氮投入总阈值D,根据这一比例求得生长阶段的施氮量的临界阈值。即D*0.4为基肥投入阈值，D*0.3为追肥投入阈值。 

采用这种这种方法，按照氮投入阈值为172.3kg/hm²，进行施肥，改善了土壤环境，减少了对环境的污染。 

指标	传统施氮处理	氮阈值施氮处理	比传统施氮量减少率
				施氮量(kg/hm)	225	172.3	23.4％
产量(kg/hm)	3998	4057	-1.5％
				土壤无机氮残留(mg/kg)	232.7	193.5	16.8％
氮素表观盈余量(kg/hm)	116.1	76.9	33.8％

当土壤类型不同时，可以根据土壤类型、肥力不同，划分等级的标准为粘土、壤土、沙土，对应的修正系数为0.8、1.0、1.2，即D*0.8为粘土氮投入阈值，D*1.2为沙土氮投入阈值；低肥力水平、中肥力水平、高肥力水平对应的修正系数为1.2、1.0、0.8。即D*1.2为低肥力水平氮投入阈值，D*0.8为高肥力水平氮投入阈值，壤土和中肥力水平修正系数为1，修正后也即D值本身。 

本发明根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值，做到既可以合理的使用氮肥达到增产的效果，同时，又避免浪费，避免对土壤生态环境的影响，实现一个供求平衡，促进土壤的合理使用，解决了农田的长期使用中肥力和污染的矛盾、增产和节能的矛盾，本方法改善了土壤环境，减少了对环境的污染，改善了农田生态环境，有利于农田的生态保护和发展可持续农业，对引领农业产业向可持续健康发展具有重要作用，本发明方法易操作、效益高、具有广阔的应用前景。 

本发明通过实施例进行说明的内容，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。 

Claims (6)

1.一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：农田氮素投入阈值的计算方法按照下面步骤进行：

第一步：确定农田土壤类型，划分土壤肥力水平；首先，对待种土壤进行分析，确定土壤类型，划分肥力水平，并根据土壤类型、肥力不同，划分等级；

第二步：对比种植，统计数据；用同一种作物，在相同肥力的土壤上进行对比种植，对比种植过程中，施加不同的氮肥；统计从开始种植到收获不同时期的施氮量和作物产量，同时，统计从开始种植到收获的降雨量；

第三步：确定农田作物的产量氮素阈值；利用作物与施氮量的关系，推出各个生长阶段的施氮量的临界阈值和作物的产量氮素阈值；

第四步：确定农田的环境氮素投入阈值；结合降雨量、废水排放标准、区域的氮素流失系数，确定区域农田的环境投入氮素阈值；

第五步：计算农田氮素投入阈值；根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值。

2.根据权利要求1所述的一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：所述的第三步中作物的产量氮素阈值的计算方法为，

Y＝ax^2+bx+c       (1)

式(1)中Y为作物的产量，x为氮素的施用量，a、b、c为常数

求顶点坐标公式为：((-b/2a),(4ac-b^2)/4a))      (2)

式(2)中，(-b/2a)计算所得结果为作物最高产量时的施肥量，(4ac-b^2)/4a)计算所得结果为作物的最高产量。

95％产量规则：根据式(2)求算的最高产量前移，达到最高产量点95％的产量时，对应的氮素施用量即为作物氮素施用的阈值点，令95产量点为T

95％产量计算方法为：

T＝95％*((4ac-b^2)/4a))      (3)

氮素产量阈值点(X)的计算方法为：

$X=\frac{-b-\sqrt{b^2-4a(c-0.95T)}}{2a}---\left(4\right).$

3.根据权利要求1所述的一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：所述的第四步中区域农田环境投入氮素阈值(M)的计算方法为。

M＝(E*0.35)/1.5％

注：E为I级B废水排放标准20mg N/l时的农田氮流失临界负荷，0.35为将流失总氮转换为化肥氮流失量的系数,1.5％是化肥氮的流失系数。

4.根据权利要求1所述的一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：所述的第五步中根据作物的产量氮素阈值和区域农田的环境投入氮素阈值，计算农田氮素投入阈值的计算方法为产量氮阈值与环境氮阈值二者的平均数即为农田氮素投入阈值，计算公式如下：

D＝(X+M)/2    (5)

式中D为农田氮素投入阈值、X为氮素投入产量阈值、M为环境氮投入阈值。

5.根据权利要求4所述的一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：所述的第五步中根据土壤类型、肥力不同，划分等级的标准为粘土、壤土、沙土，对应的修正系数为0.8、1.0、1.2，即D*0.8为粘土氮投入阈值，D*1.2为沙土氮投入阈值；低肥力水平、中肥力水平、高肥力水平对应的修正系数为1.2、1.0、0.8。即D*1.2为低肥力水平氮投入阈值，D*0.8为高肥力水平氮投入阈值，壤土和中肥力水平修正系数为1，修正后也即D值本身。

6.根据权利要求1所述的一种农田氮素投入阈值的计算方法，其特征在于：所述的第四步中生长阶段的施氮量的临界阈值为基肥施用1次，追肥施用2次，基肥追肥比例为4：3：3，利用氮投入总阈值D,根据这一比例求得生长阶段的施氮量的临界阈值，即D*0.4为基肥投入阈值，D*0.3为追肥投入阈值。