CN110999615B - 内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型及其应用，包括一种基于氮平衡的施氮量优化模型，以及应用该模型和马铃薯生育过程中氮素吸收规律的氮肥用量优化施用方法；该方法在保证马铃薯产量不降低甚至有小幅度增产的情况下，不仅降低农民传统施氮量，而且根据马铃薯氮素吸收规律对阶段性施肥时间、次数和用量进行了优化；通过总量控制，阶段分配的方式优化马铃薯田氮肥用量，在提高氮素资源高效配置的同时，实现了生产和环境保护并重的农业绿色可持续发展。

Description

内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型及其应用
技术领域
本发明属于农作物施肥技术领域，涉及马铃薯田科学氮肥施用管理技术，特别涉及内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型及其应用，提供了一种基于氮平衡的施氮量优化模型，以及应用该模型和马铃薯生育过程中氮素吸收规律的氮肥用量优化施用方法。
背景技术
我国是世界上马铃薯种植面积和产量最多的国家，在我国众多的马铃薯种植省份中，内蒙古自治区是构成我国马铃薯产业的重要组成部分；阴山北麓农田是内蒙古自治区主要的马铃薯种植区，其得天独厚的地理优势使该地区马铃薯品质优良，深受广大人民的喜爱；众所周知，氮素是植物生长必须的大量营养元素之一，在农业生产中对农作物的生长尤为重要，是保证农作物产量和品质的关键；而在内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯种植过程中氮肥施用量存在普遍过量和施肥结构不合理现象，这不仅会导致氮肥的利用率降低，农民肥料投入成本的增加，而且过量的氮肥还会损失到环境中，造成环境污染；在马铃薯生长的砂壤土上，尤其会以硝酸盐的形式淋溶到地下水中，导致水体污染，影响人民饮用水安全；因此优化马铃薯田氮肥用量迫在眉睫。
发明人经过多年的田间试验和大田验证，研究出一种基于氮平衡的施氮量优化模型，以及应用该模型和马铃薯生育过程中氮素吸收规律的氮肥用量优化施用方法；该方法在保证马铃薯产量不降低甚至有小幅度增产的情况下，不仅降低了农民传统施氮量，而且根据马铃薯氮素吸收规律对阶段性施肥时间、次数和用量进行了优化；通过总量控制，阶段分配的方式优化马铃薯田氮肥用量，在提高氮素资源高效配置的同时，实现了生产和环境保护并重的农业绿色可持续发展。
发明内容
针对内蒙古阴山北麓马铃薯种植区存在的氮肥过量施用，施肥时期、用量不合理问题，本发明提出了一种基于氮平衡的施氮量优化模型，以及应用该模型和马铃薯生育过程中氮素吸收规律的氮肥用量优化施用方法；该方法在保证马铃薯产量不降低甚至有小幅度增产的情况下，不仅降低农民传统施氮量，而且根据马铃薯氮素吸收规律对阶段性施肥时间、次数和用量进行了优化；通过总量控制，阶段分配的方式优化马铃薯田氮肥用量，在提高氮素资源高效配置的同时，实现了生产和环境保护并重的农业绿色可持续发展。
本发明采用的技术方案是，一种内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型,该模型利用氮平衡求解优化施氮量X1，求得的模型为：
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3。
上述内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型的应用方法，包括如下步骤：
第一步，农民在施肥前，结合多年种植经验，对种植区马铃薯产量有一个估计，并确定自己的目标产量；
第二步，应用公式计算优化施氮量：
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3；
第三步，根据马铃薯氮素吸收规律，将得出的优化施氮量X1分5次追施，追施时间和用量百分比分别为：苗期20%，块茎形成期30%和20%，在马铃薯块茎形成初期施用优化氮肥总量的30%、施肥后7-10天再施用优化氮肥总量的20%，块茎膨大期20%，淀粉积累期10%。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于氮平衡的施氮量优化模型，以及应用该模型和马铃薯生育过程中氮素吸收规律的氮肥用量优化施用方法；本发明的方法根据马铃薯氮素吸收规律对阶段性施肥时间、次数和用量进行了优化；通过总量控制，阶段分配的方式优化马铃薯田氮肥用量，在保证马铃薯产量不降低甚至有小幅度增产的情况下，降低了农民传统施氮量，提高了氮素资源高效配置，实现了生产和环境保护并重的农业绿色可持续发展。
附图说明
图1为田间实测土壤氮素表观矿化量计算表。
图2为不施氮肥处理马铃薯收获时0-30cm、30-60cm土层硝态氮含量。
图3为0-60cm土壤NO3 —N有效值定义。
图4为2014-2016年马铃薯田间试验氮肥用量统计。
图5为2014-2016年试验田农民传统施氮（Con-N）和优化施氮（Opt-N）马铃薯产量统计图。
图6为2014-2016年田间试验农民传统施氮（Con-N）和优化施氮（Opt-N）处理收获期0-30cm土层硝态氮含量。
图7为2014-2016年田间试验农民传统施氮（Con-N）和优化施氮（Opt-N）处理收获期30-60cm土层硝态氮含量。
图8为氮素潜在损失计算的相关图表。
图9为实施例1的施肥时间和用量图。
图10为实施例2的施肥时间和用量图。
图11为试验结果数据统计图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
一种内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型，优化模型的建立方法如下，利用氮平衡求解优化施氮量X1；马铃薯生育过程中，
氮素投入总量=优化施氮量X1+自然氮带入量X2+播前土壤中NO3 --NX3；
氮素支出总量=马铃薯生长吸收量+硝态氮残留+氮素潜在损失；
当氮素投入总量等于氮素支出总量时，即达到氮平衡；
上述公式中：
自然氮带入量X2主要由以下来源，干湿沉降、非生物固氮、种子、灌溉水、土壤氮素表观矿化量。
干湿沉降：张菊等（2013）在内蒙古太仆寺旗温带草原地区进行了为期1年(2011年11月～2012年10月)的氮沉降观测，发现该地区每年的氮沉降达34.3kgNha-1，本发明研究的区域处于内蒙古北面农牧交错带地区，离太仆寺旗较近，因此本区域的氮沉降用34.3kgNha-1比较合理；本发明将内蒙古阴山北麓地区干湿沉降取值34kgNha-1；参考文献：张菊，康荣华，赵斌，黄永梅等.2013.内蒙古温带草原氮沉降的观测研究.环境科学.9:38-45。
非生物固氮：马铃薯田都是非共生固氮，包括自身固氮和联合固氮，孙建广等（2009）从全国13个省市自治区的70份土样中分离、采集到了非共生固氮微生物资源181份，结果表明采自内蒙古的马铃薯土壤的非共生固氮菌有类芽孢杆菌、鞘氨醇杆菌科和叶杆菌素，说明在马铃薯田有非共生固氮；国内外的研究估测旱地作物的非共生固氮一般为15～30kgNha-1的范围内变动，考虑到氮肥对非共生固氮的抑制作用，本发明把内蒙古马铃薯田的非共生固氮量定为15kgNha-1；参考文献：孙建光,徐晶,胡海燕,等.中国十三省市土壤中非共生固氮微生物菌种资源研究[J].植物营养与肥料学报,2009(6):1450-1465。
种子：内蒙古阴山北麓马铃薯的播种量一般为2250kgha-1的鲜重，按平均80%的含水量计算，干重为450kgha-1；一般马铃薯块茎中的含氮量在1.1%～1.9%的范围内变动，平均为1.65%，所以马铃薯块茎带入的氮量为7.4kgNha-1，本研究取7kgNha-1。
灌溉水：阴山北麓滴灌马铃薯每亩用水量90-210m3每亩，平均大约150m3每亩；最新研究表明内蒙古阴山北麓马铃薯典型种植区灌溉水硝酸盐含量22.4mg/l，根据以上数据可估计马铃薯灌溉带入的氮素约14.4kgNha-1；本研究取14kgNha-1。
土壤氮素表观矿化量：因该地区属西北干旱区，土壤无机氮主要以硝态氮为主，因此在计算土壤氮素表观矿化量时以土壤硝态氮来代表土壤Nmin；
土壤氮素表观矿化量=（不施氮肥处理收获后土壤Nmin +不施氮肥处理作物吸收氮量）-播前Nmin；
土壤氮素表观矿化量根据田间试验结果实测得出，从表1可以看出，土壤氮素表观矿化量约为40kgNha-1。
根据多年田间试验，内蒙古阴山北麓马铃薯田中自然氮带入量X2为110kgNha-1，包括干湿沉降—34kgNha-1，非生物固氮—15kgNha-1，种子—7kgNha-1，灌溉水—14kgNha-1，土壤氮素表观矿化量—40kgNha-1。
播前土壤中NO3 --NX3，基于播种前土壤0-60cm土壤硝态氮的测定；具体地，马铃薯播种前对种植田块进行多点取土，且分两层，土层深度分别为0-30cm，30-60cm，将同一层的鲜土样混合后放入冰盒中带回实验室，将带回实验室的新鲜土样过2毫米筛混匀，称取50g过筛鲜土于250ml震荡瓶中，加入50ml0.01mol/L的氯化钙溶液，放在振荡器上于170次/分钟的震荡频率震荡30分钟，用中速定性滤纸将浸提液过滤到三角瓶中后用RQeasy硝酸盐反射仪试纸条法快速测定土壤中硝酸盐含量，并利用下面的公式计算土壤中硝态氮含量；每次田间试验和农户调查时同时取土测定土壤含水量和土壤容重，其平均值分别为10%，1.40g.cm-3。
公顷硝态氮含量（kgNha-1）=×土层深度cm/10×土壤容重（g.cm-3）
根据对多年不施氮肥处理的对照研究发现，在不施氮肥情况下，收获时马铃薯0-30cm和30-60cm的土层中分别平均含有硝态氮16kgNha-1、10kgNha-1（如图2所示），我们将其定为马铃薯根系能够吸收的最低硝态氮含量，因此对X3有效定义如表2。
马铃薯生长吸收量=生产1000kg马铃薯需氮量（K）×目标产量（按吨计算），根据多年田间试验结果证明，内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯生产1000kg马铃薯所需纯氮4.12-5.69kg，平均为5.09kg；本发明取值5kg，参考书籍：《内蒙古作物专用复混肥料农艺配方》，第二章，内蒙古马铃薯专用复混肥料农艺配方。
硝态氮残留：为量化马铃薯收获后土壤硝态氮的残留量，本团队通过多年的农民传统施氮处理（Con-N）和优化施氮处理（Opt-N）的田间试验（如图4所示）发现，传统滴灌模式下，要保证马铃薯高产（如图5所示），收获时0-60cm根层土壤硝态氮残留量应保持在70kgNha-1左右（如图6，图7所示）；
由图6和图7，0-30cm，30-60cm土层平均硝态氮含量可以看出，农民传统施氮和优化施氮在收获期土壤硝态氮并没有显著差异，每层土壤硝态氮含量约35kgNha-1，因此本研究证明阴山北麓马铃薯田土壤硝态氮的最大承载能力大约70kgNha-1。
氮素潜在损失：氮素损失是不可避免的，只能是尽量将损失降低，由图8可以看出，与农民传统施氮处理（Con-N）相比优化施氮处理（Opt-N）能够保证马铃薯产量；因此根据2014-2016年优化施氮处理（Opt-N）的田间试验结果，以氮平衡为依据分析得出优化施氮条件下马铃薯田的氮素潜在损失量为58kgNha-1。
通过反推得出，内蒙古阴山北麓马铃薯田中，
优化施氮量X1=马铃薯生长吸收量+硝态氮残留+氮素潜在损失-（自然氮带入量X2+播前土壤中NO3 --NX3）；代入上述相关数据，得
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+70+58-（110+X3）
=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3。
应用上述模型进行氮肥追施，具体方法为：
第一步，农民在施肥前，结合多年种植经验，对种植区马铃薯产量有一个估计，并确定自己的目标产量；
第二步，应用公式计算优化施氮量（即马铃薯整个生育时期施肥量）：
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3；
第三步，根据马铃薯氮素吸收规律，将得出的优化施氮量X1分5次追施，追施时间和用量百分比分别为：苗期20%，块茎形成期30%和20%，在马铃薯块茎形成初期施用优化氮肥总量的30%、施肥后7-10天再施用优化氮肥总量的20%，块茎膨大期20%，淀粉积累期10%。
马铃薯氮素吸收规律的得出：在马铃薯的不同生育时期采集马铃薯地上部植株和地下部块茎样品，带回实验室后于105℃烘箱中进行杀青40分钟，然后将烘箱温度调至70℃对样品进行烘干，烘干后称取样品干重并记录，最后粉碎样品，并利用凯氏法进行样品全氮测定；马铃薯总吸氮量随着生育时期的增加而增加，根据：吸氮量=氮素浓度×生物量，计算不同生育时期不同部位（植株/块茎）吸氮量；总吸氮量=植株吸氮量+块茎吸氮量；吸氮量占比（%）=某一生育时期总吸氮量/最大总吸氮量×100。
实施例1
2017年5月对1号试验田进行实验，1号试验田的占地面积为200亩，结合以往多年种植经验，该种植区马铃薯产量为2500kg/亩，以往施氮量280kgNha-1，因此确定目标产量为2500kg/亩，一公顷产量37500kg；
应用公式计算优化施氮量（即马铃薯整个生育时期施肥量）：
X1＝5×37500÷1000+18-X3，
其中，播种 前0-30cm、30-60cm土壤中NO3 --N测定含量均值之和为32，则X3的有效值为图2中计算方式，减去26得6；通过计算可得X1为199.5，取200；
氮肥选用尿素，按照图9所示的时间和量进行施肥。
实施例2
2018年5月对2号试验田进行实验，2号试验田的占地面积为200亩，结合以往多年种植经验，该种植区马铃薯产量3000kg/亩，以往施氮量340kgNha-1，因此确定目标产量为3000kg/亩，一公顷产量45000kg；
应用公式计算优化施氮量（即马铃薯整个生育时期施肥量）：
X1＝5×45000÷1000+18-X3，
其中，播种 前0-30cm、30-60cm土壤中NO3--N测定含量均值之和为36，则X3的有效值为图2中计算方式，减去26得10，通过计算可得X1为233；
氮肥选用尿素，按照图10所示的时间和量进行施肥。
实验田数据对比分析
实施例1、2的结果如图11所示，通过实验验证，本发明的方法根据马铃薯氮素吸收规律对阶段性施肥时间、次数和用量进行了优化；通过总量控制，阶段分配的方式优化马铃薯田氮肥用量，在保证马铃薯产量不降低甚至有小幅度增产的情况下，降低了农民传统施氮量，提高了氮素资源高效配置，实现了生产和环境保护并重的农业绿色可持续发展。
尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型,其特征是，该模型利用氮平衡求解优化施氮量X1，求得的模型为：
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3;一公顷目标产量的单位是kg，
其中X3为0-60cm土壤NO3 --N有效值，具体量化方式为，若播种 前0-30cm、30-60cm土壤中NO3 --N测定含量均值之和小于等于26kg/ha，则视有效值为零；若播种 前0-30cm、30-60cm土壤中NO3 --N测定含量均值之和大于26kg/ha，则0-60 cm土壤硝态氮有效值为测定含量均值之和减去26。
2.根据权利要求1所述的内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田施氮量优化模型的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，农民在施肥前，结合多年种植经验，对种植区马铃薯产量有一个估计，并确定自己的目标产量；
第二步，应用公式计算优化施氮量：
优化施氮量X1=5×（一公顷目标产量/1000）+18-X3；
第三步，根据马铃薯氮素吸收规律，将得出的优化施氮量X1分5次追施，追施时间和用量百分比分别为：苗期20%，块茎形成期30%和20%，在马铃薯块茎形成初期施用优化施氮量的30%、施肥后7-10天再施用优化施氮量的20%，块茎膨大期20%，淀粉积累期10%。
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阴山北麓节水灌溉马铃薯田氮素平衡研究;杨海波 等;《北方农业学报》;20181031;第46卷(第5期);第50-56页 *

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