CN104813789A - 一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法，包括如下步骤：1)根据北京地区不同区域冬小麦产量水平不同划分中高产区和中低产区，将冬小麦产量≥6000kg/hm²定义为中高产区，＜6000kg/hm²为定义中低产区；2)对所述中高产区的冬小麦按照130±13Kg N/hm²的施氮量施加氮肥；对所述中低产区的冬小麦按照180±18Kg N/hm²的施氮量施加氮肥。采用线性加平台回归方法研究产量拐点、土壤硝态氮淋失动态监测方法和氮素氨挥发动态监测方法三种有机结合确定最佳阈值，促进农业生产与环境保护协调发展，同时达到高产和环境污染的最小化的最佳效果。

Description

一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法。

背景技术

众所周知，化肥在保障粮食增产和维护国家粮食安全方面功不可没。但一直以来，在北京地区冬小麦施肥中存在氮、磷肥施用过量，肥料利用率低(氮素利用率约为30％～35％，磷约为10％～20％，钾约为35％～50％)等突出问题，这导致冬小麦生产成本增加和生态环境风险加大。具体而言，在北京地区冬小麦轮作体系中农田氮素年输入总量为669kg/hm²，年输出总量为583kg/hm²，氮素年盈余量为86kg/hm²。过量施用的氮肥不仅引起作物贪青晚熟，而且大幅增加深层土壤硝态氮的累积量，进而产生一系列问题，如：地下水污染、温室气体排放和雾霾产生等。因此，如何确定冬小麦经济效益和生态效益均佳时的施氮量至关重要。但是，在北京地区，针对不同冬小麦产区土壤、气候特点，在不减产条件下，如何确定把大气和地下水污染降至最低限度的施氮量鲜见报道，少量报道只集中在某一方面，且研究方法陈旧(CN201310060360.6；CN201410574465.8)。如对产量和土壤硝态氮耦合的研究，产量分析采用的是抛物线法，硝态氮测定的是冬小麦收获后土壤中残留的硝态氮，问题是抛物线法测定产量拐点是靠人的眼睛观察，难以计算出具体数值，会导致误差增大；而且测定作物收获后土壤中残留的硝态氮不能说明对地下水污染的风险，要计算出作物生长期内淋失出作物根系以外的硝态氮才具有说服力。

因此，如何针对不同产量区土壤肥力、施氮量以及环境风险的不同，研究确定冬小麦经济效益、生态效益均佳时的施氮量是亟需进一步解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法。

本发明所提供的方法，包括如下步骤：

1)根据北京地区不同区域冬小麦产量水平不同划分中高产区和中低产区，将冬小麦产量≥6000kg/hm²定义为中高产区，＜6000kg/hm²为定义中低产区；

2)对所述中高产区的冬小麦按照130±13Kg N/hm²的施氮量施加氮肥；对所述中低产区的冬小麦按照180±18Kg N/hm²的施氮量施加氮肥，即可对北京地区冬小麦 达到兼顾区域产量与环境风险的目的。

上述方法中，步骤1)中，所述中高产区具体可为位于北纬40°6′33″、东经116°5′25″的区域。

所述中低产区具体可为位于北纬39°41′57″、东经116°5′19″的区域。

上述方法中，步骤2)中，所述施氮量是通过采用SPSS(16.0)或SAS(8.0)中的线性加平台回归模型来计算产量拐点及与环境的最佳耦合值而得到。

所述产量拐点是通过将一系列施氮量(如：200kg/hm²、300kg/hm²)与其对应的冬小麦产量采用SPSS(16.0)或SAS(8.0)中的线性加平台回归模型计算得到的。

所述氮肥可为本领域技术人员在施加氮肥时常用的含氮肥料，如：尿素(N含量为46％)。

所述氮肥的施加方式可采用本领域技术人员常用氮肥施加方式，具体可将氮肥分为1/2基施和1/2追施(拔节-抽穗肥)。

所述中高产区的冬小麦和中低产区的冬小麦的播种量具体可均为150-250kg/hm²，播种行距具体可均为10-20cm。

上述方法，步骤2)中，还包括对在所述施氮量下施加氮肥的环境风险进行评估的步骤，具体可分别通过硝态氮淋失动态监测体系和氮素氨挥发动态监测体系对硝态氮淋失量(地下水的污染风险)和氨挥发量(大气污染的风险)进行评估，以确定环境风险的程度。

所述硝态氮淋失动态监测体系中硝态氮淋失量具体可通过如下公式计算得到：通过每次取样将硝态氮淋失量进行累加，即可得到作物生长周期内通过2m土体处的硝态氮淋失量：

       $Q\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{U\left(t\right)\×V\left(d\right)\×[D_{180}\left(t\right)-D_{200}\left(t\right)]\÷2000\}$   (式I)

式I中，U(t)为某观测时段t内土体2m深处土壤硝态氮质量浓度，mg/L；V(d)为土层1.8～2m处的非饱和导水率，cm/d；D₁₈₀(t)和D₂₀₀(t)分别为1.8m和2.0m处的土水势，cm；Q(t)为生长期内土体2m深处土壤硝态氮淋失量，kg/hm²，其中，所述土壤硝态氮质量浓度是通过测定土壤溶液提取器所提取得到的溶液而得到，所述水势是通过watermark水势测定仪而测得。

所述氮素氨挥发动态监测体系中的氨挥发量是通过氨挥发田间原位测定，具体采用间歇密闭抽气法测定。

本发明综合考虑大气和地下水风险来对冬小麦分区施氮限量标准进行研究，确立基于作物高产和环境安全的合理施肥量和分区限量阈值；在此基础上，开发作物高产、 养分高效、地下水安全的土壤-作物系统氮素优化管理关键技术。

针对不同产量区土壤肥力、施肥量与环境风险不同，采用国际先进的产量线性加平台回归模型计算产量拐点，采用作物生长期内土壤硝态氮淋失动态监测方法研究对地下水的污染风险(硝态氮淋失量)，采用肥料氮素氨挥发动态监测方法研究对大气污染的风险(氨挥发量)，并将三者有机集成而开发出追求冬小麦经济效益和生态效益均最佳时的施氮量。

将区域土壤气候特点-作物产量-土壤肥力-肥料-污染物动态变化系统作为研究对象，寻求冬小麦稳产与环境友好的氮素投入量，科学防治面源污染，促进农业生产与环境保护协调发展，同时达到高产和环境污染的最小化的最佳效果。

附图说明

图1为实施例1中高产区冬小麦产量、施氮量与淋失量和氨挥发量的关系。

图2为实施例1中低产区冬小麦产量、施氮量与淋失量和氨挥发量的关系。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1、兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮阈值的方法：

1)根据目标产量划分中低、中高产量区，设计施氮方案

根据北京地区不同区域产量水平不同划分中高产区和中低产区。根据北京地区多年产量数据，冬小麦≥6000kg/hm²为中高产区，＜6000kg/hm²为中低产区。由于中高产区和中低产区土壤肥力不同，首先分析了土壤肥力的特点。

通过表1和表2可看出，中高、中低产区相关土壤主要养分指标含量呈现较高、较低的趋势，土壤略偏碱性。

表1 中高产区基础土壤养分与剖面情况

      

      

表2 中低产区基础土壤养分与剖面情况

      

按照北京地区冬小麦中高产区常规的施肥量(N为240-270kg/hm²、P₂O₅为80-110kg/hm²、K₂O为80-110kg/hm²)设计了中高产区施氮量的范围如下表3所示。

表3 中高产区土壤冬小麦氮肥试验

      

按照北京地区冬小麦中低产区常规的施肥量(N为240-270kg/hm²、P₂O₅为90-120kg/hm²、K₂O为80-110kg/hm²)设计了中低产区施氮量的范围如下表4所示。

表4 中低产区土壤冬小麦氮肥试验

      

3)构建产量拐点计算方法：

产量有无拐点值，目前常用的抛物线法无法计算得知，通过筛选和摸索本发明采用SPSS(16.0)或SAS(8.0)中的线性加平台回归模型来计算产量拐点，具体采用 SAS(8.0)。

4)构建经过土体2米处硝态氮动态监测体系：

在每个试验小区土壤剖面1.8m和2m深处安装watermark水势测定仪，同时在土壤剖面2m深处安装土壤溶液提取器，并安装2m的TDR管。土层(0～2m)每20cm为一层采用TDR测定水分，水分、水势及土壤溶液均为每2天测定一次，但降雨后15天内每天测定一次，并收集每次雨水和灌溉水样。水样和土壤溶液用流动分析仪(TRAACS2000，Bran and Luebbe，Germany)测定硝态氮浓度；收获后分别测定粮食产量；冬季由于结冰等的影响停止项目观测。

       $Q\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{U\left(t\right)\×V\left(d\right)\×[D_{180}\left(t\right)-D_{200}\left(t\right)]\÷2000\}$   (式I)

式I中，U(t)为某观测时段t内土体2m深处土壤硝态氮质量浓度，mg/L；V(d)为土层1.8～2m处的非饱和导水率，cm/d；D₁₈₀(t)和D₂₀₀(t)分别为1.8m和2.0m处的土水势，cm；Q(t)为生长期内土体2m深处土壤硝态氮淋失量，kg/hm²。

通过每次取样将硝态氮淋失量进行累加，就可以得到作物生长周期内通过2m土体处的硝态氮淋失量。

5)构建氮素氨挥发动态监测体系：

氨挥发田间原位测定采用间歇密闭抽气法，挥发出的氨(NH₃)随气流通过装有2％硼酸的洗气瓶，收集溶液用0.02mol/LH₂SO₄滴定，计算出吸收氮量。所用密闭室装置由透明有机玻璃材料制成的密闭室(长30cm，宽20cm，高15cm)、300mL三角瓶和高速真空泵组成和水封底座。测定时，将密闭室置于底座上，加水密封，保证换气速率为每分钟15-20次。并通过预备试验确定每天上午9：00—l1：00时段测定值可基本代表全天挥发速率平均值。另外设一组测定装置，用塑料薄膜覆盖地表后，再放置底座和密闭抽气室，作为试验空白。施肥后，每天测定直至各处理与空白之间的氨挥发速率均无明显差异为止，小麦基肥和小麦追肥施用后的测定时间分别为7d和9d。

6)试验条件、测产与数据处理：

(1)试验条件

中高产区试验地位于北纬40°6′33″、东经116°5′25″，气候属暖温带半湿润大陆性季风性气候，年平均气温为11.5℃。1月平均气温4.9℃，最低气温零下19.1℃；7月平均气温25.7℃，最高气温达40.5℃。年日照2750小时，无霜期195天左右。年均相对湿度50％，年均降雨量约625毫米，为华北地区降水量较均衡的地区之一全年降水的75％集中在夏季。土壤类型为潮土。

中低产区试验地位于北纬39°41′57″、东经116°5′19″，地处太行山脉和华北平原区的过渡地带，属大石河一、二阶地位第四季冲击区，地势平坦，平均海拔31.5米左右。多年平均气温约11.6℃，无霜期180天左右，年平均降雨量为600毫米。

冬小麦播种量为200kg/hm²，行距12cm。氮肥分为1/2基施和1/2追施(拔节-抽穗肥)；底施的氮肥、全部磷肥和钾肥均匀撒入小区后翻入地下。播种方式与秸秆是否还田依照当地习惯。预计10月10日播种，田间管理同当地习惯，次年6月12日收获。

小区面积10*10＝100m²，三次重复，随机区组排列。氮肥、磷肥、钾肥分别选用尿素(N 46％)、过磷酸钙(P₂O₅16％)、氯化钾(K₂O 60％)。

(2)样品采集与测试指标

在冬小麦收获时考种计产，采集土壤和植株样品。冬小麦计产：分小区单独收获，单打单收称重计算产量。

(3)数据均采用Excel和SAS软件进行统计分析。

7)结果与分析： 

(1)中高产区施氮量对冬小麦产量、土壤硝态氮淋失量、氨挥发量的影响

表5 图1曲线相关方程

      

区别于已有研究者使用的抛物线法，本发明采用了国外先进的线性加平台回归模型方法来研究施氮量与产量拐点。线性加平台回归模型通过计算机编程，采用无限逼近法能准确的判断出产量随施氮量的变化是否有阈值，如果有，就能精准的算出阈值，而采用抛物线研究产量阈值完全达不到这两点功能。

通过本发明设计的施氮量所对应的产量可看出(图1)，不施氮处理与施氮处理产量有显著差异，施氮处理间差异不显著，因此，通过线性加平台回归模型可算出产量拐点为施氮量130kg N/hm²处，有拐点则说明设计的施氮量范围合理。

当施氮量大于130kg N/hm²时，产量为6306kg/hm²，不再显著增加。但此时环境风险是否较小？故又设计了土壤硝态氮淋失动态监测方法来研究此施氮量下对地下水污染风险的影响是否较小。已有的发明采用的都是冬小麦收获后测定土壤中残留的硝态氮，并不是冬小麦生长期内淋失出冬小麦根系以外的硝态氮，淋失出根系外的硝态氮才是对环境污染有效的，因此，本监测方法可有效说明不同施氮处理下环境风险效果。

通过图1可看出，小麦整个生育期间淋失出土体的硝态氮随施氮量的增加变化趋势不明显，各施氮处理间差异不显著(中高产区土壤一般偏壤土或粘土，吸附解析能力 相对较强，影响硝态氮的淋失)，从硝态氮淋失的环境风险(地下水的污染风险)来看施多少氮肥都合理，实际并不如此。另从对大气污染的风险角度来分析，氮素主要以气体氨的形式挥发，从图1可看出，随施氮量增加氨挥发呈现增加-降低-增加的趋势，400kgN/hm²处理下显著高于其它施氮处理；200kgN/hm²高于300kgN/hm²，但未达到显著差异；400kgN/hm²处理下淋失的硝态氮和氨挥发都较高；300kgN/hm²处理下淋失的硝态氮高、氨挥发较低，总体环境风险较高；200kgN/hm²处理相对于400kgN/hm²处理环境风险较小，与300kgN/hm²相比环境风险不好判断，但从趋势线上可看出，施氮量高于130kgN/hm²时产量不再显著增加，淋失的硝态氮和氨挥发也不再显著降低。若考虑到不减产，对地下水和大气的污染风险又小，那么施氮量130kgN/hm²无疑是最佳的，中高产区冬小麦施氮量的阈值即为此值。

(2)中低产区施氮量对冬小麦产量、土壤硝态氮淋失量、氨挥发量的影响

表6 图2曲线相关方程

      

通过本发明设计的施氮量所对应的产量可看出(图2)，随施氮量增加产量呈现先增加后降低的趋势，不施氮处理与施氮处理产量有显著差异，施氮200kgN/hm²处理显著高于100kgN/hm²和400kgN/hm²处理，因此，通过线性加平台法可算出产量拐点为施氮量180kgN/hm²处，有拐点则说明设计的施氮量范围合理。

当施氮量大于180kgN/hm²时，产量为5852kg/hm²，不再显著增加。但此时环境风险是否较小？通过图2可看出，小麦整个生育期间淋失出土体的硝态氮随施氮量的增加呈现增加-降低-再增加的趋势，施氮处理间200kgN/hm²淋洗最少，但差异不显著，从硝态氮的环境风险来看施多少氮肥都合适，最好是200kgN/hm²，但还需要进一步论证。另从对大气污染的风险角度来分析，氮素主要以气体氨的形式挥发，从图2可看出，随施氮量增加氨挥发呈现逐级显著增加，400kgN/hm²处理下显著高于其它施氮处理(中低产区土壤偏砂，保肥能力差，淋溶强)。400kgN/hm²处理下淋失的硝态氮和氨挥发都较高；300kg N/hm²处理下淋失的硝态氮和氨挥发次之，总体环境风险较高；100kgN/hm²处理下硝态氮淋失高、氨挥发低，产量不高；200kgN/hm²处理相对于300kgN/hm²和400kgN/hm²处理环境风险较小，从趋势线上可看出，施氮量高于180kgN/hm²时产量不再显著增加，淋失的硝态氮和氨挥发也不再显著降低。如果考虑到不减产，对地下水和大气的污染风险又小，那么施氮量180kgN/hm²无疑是最佳的，中低产区冬小麦施氮量的阈值即为此值。

因为整个北京地区中高产区和位于北纬40°6′33″、东经116°5′25″的北京中高产区的各种状况类似，整个北京地区中低产区和位于北纬39°41′57″、东经116°5′19″的北京中低产区的各种状况类似，所以，经过推广，施氮量130±13Kg N/hm²适合整个北京地区中高产区的施肥，施氮量180±18Kg N/hm²适合整个北京地区中低产区的施肥。

总体来说，本发明的特点是采用了合理的、先进的线性加平台回归方法、土壤硝态氮淋失动态监测方法和氨挥发法，重点是将其集成应用来说明一个问题，即确定在不减产时让环境风险尽可能小的施氮量，这是其他发明专利所不具备的。

Claims (4)

1.一种兼顾区域产量与环境风险的北京地区冬小麦分区施氮的方法，包括如下步骤：

1)根据北京地区不同区域冬小麦产量水平不同划分中高产区和中低产区，将冬小麦产量≥6000kg/hm²定义为中高产区，＜6000kg/hm²为定义中低产区；

2)对所述中高产区的冬小麦按照130±13Kg N/hm²的施氮量施加氮肥；对所述中低产区的冬小麦按照180±18Kg N/hm²的施氮量施加氮肥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述施氮量是通过采用SPSS或SAS中的线性加平台回归模型来计算产量拐点及与环境的最佳耦合值而得到。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤2)中，还包括对在所述施氮量下施加氮肥的环境风险进行评估的步骤：分别通过硝态氮淋失动态监测体系和氮素氨挥发动态监测体系对硝态氮淋失量和氨挥发量进行评估，以确定环境风险的程度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述硝态氮淋失动态监测体系中硝态氮淋失量通过如下公式计算得到：通过每次取样将硝态氮淋失量进行累加，即得到作物生长周期内通过2m土体处的硝态氮淋失量：

$Q\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\{U\left(t\right)\×V\left(d\right)\×[D_{180}\left(t\right)-D_{200}\left(t\right)]\÷2000\}$    (式I)

式I中，U(t)为某观测时段t内土体2m深处土壤硝态氮质量浓度，mg/L；V(d)为土层1.8～2m处的非饱和导水率，cm/d；D₁₈₀(t)和D₂₀₀(t)分别为1.8m和2.0m处的土水势，cm；Q(t)为生长期内土体2m深处土壤硝态氮淋失量，kg/hm²；

所述氮素氨挥发动态监测体系中的氨挥发量是通过间歇密闭抽气法测定。