CN112016211B - 一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法 - Google Patents

一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于农业资源环境技术领域，具体涉及一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法。所述协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法包括确定环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型；根据环境可允许的硝态氮淋失量，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型确定环境临界施氮量；根据萝卜产量，以及施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量；根据农学临界施氮量及环境临界施氮量，确定氮肥施用量可行性范围。本方法协调了农学和环境效益，最大限度的减少了因过量施用氮肥导致的地下水硝酸盐含量超标等环境问题。

Description

一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法
技术领域
本发明属于农业资源环境技术领域，具体涉及一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法。
背景技术
施肥是保证萝卜高产优质的重要措施之一，然而当前萝卜生产中农民过量施用氮肥现象普遍，单季施氮量高达300kg N/ha，远远超过蔬菜对氮素的需求，导致氮素利用率低下，大量硝态氮残留在土壤中；再加上降雨和过量灌溉，残留在土壤中的硝态氮极易淋溶到更深的土层，对地下水环境造成威胁。因此，确定合适的氮肥施用量对于降低氮淋溶损失对环境的危害具有重要意义。
现有技术已有关于农田氮淋溶问题的研究及解决方案。例如，CN103636417A公开了一种稻田氮肥施用量的确定方法，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。具体方法为：(1)测定不同施氮量下的产量和环境指标(氮素的径流损失、氨挥发损失和渗漏损失)；(2)以差异不显著的各施氮量产量的均值为准，确定产量平台及建立施氮量-产量的直线平台模型，确定经济施氮量；(3)以差异不显著的各施氮量环境指标的均值为准，确定环境平台及建立施氮量-环境指标的直线平台模型，确定环境阈值施氮量；(4)根据经济施氮量与环境阈值施氮量，确定两者间的施氮量即为目标地块的合理施氮量。试验表明，该方法可以有效降低氮肥过量施用导致的环境污染问题。
然而，由于上述方法中关于环境阈值施氮量的确定是以差异不显著的各施氮量环境指标的均值为准，这就意味着环境阈值施氮量通常低于农学阈值施氮量(即产量不再显著提高时对应的施氮量)；但我们在实际生产中发现，继续提高施氮量后，产量实际还会继续提高，只是不显著而已，且氮淋失并未污染环境；由此可见，现有的施氮量的确定方法过于保守，其实质是在一定程度上以牺牲产量为代价换取环境效益。
此外，目前关于农田氮淋溶问题的解决方案也多集中于粮食作物或温室蔬菜系统，而萝卜是收获地下根茎类的作物，不同于其它类收获地上部的蔬菜和籽粒作物，现有的氮淋溶解决方案对其适用性差；而且萝卜种植过程中还存在氮肥施用过量、生长期间多次灌溉且均采用大水漫灌的方式的生产特点，这些因素也导致现有施氮量确定方法难以对萝卜种植准确评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种协调农学和环境的适用于露天种植萝卜的氮肥推荐方法。该方法在降低氮素淋溶损失对水体环境造成危害的前提上，能够最大限度的提高萝卜产量；同时可根据实际生产需求合理调整施氮量，为种植人员提供更准确的施氮依据。
所述协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，包括：
确定环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型；
根据环境可允许的硝态氮淋失量，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型确定环境临界施氮量；
根据萝卜产量，以及施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量；
根据农学临界施氮量及环境临界施氮量，确定氮肥施用量可行性范围。
本发明首次提出环境可允许的硝态氮淋失量这一概念，并建立环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型；在此基础上，通过施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型、施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量及环境临界施氮量，进而确定氮肥施用量可行性范围。
其中，所述农学临界施氮量为萝卜产量不再显著提高时对应的施氮量，其小于环境临界施氮量，种植人员可基于实际生产需求在两者确定的施氮量范围内选择合适的实际施氮量。例如，为了追求最高产量可以环境临界施氮量作为实际施氮量；若侧重于最小化减少硝态氮淋失量，可以农学临界施氮量作为实际施氮量。
优选地，所述环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型为：环境可允许的硝态氮淋失量＝地下水中硝态氮浓度允许上限值×淋溶水量；其中，所述淋溶水量为萝卜整个生育期内的累积淋溶水量。
进一步优选地，所述地下水中硝态氮浓度允许上限值为20mg/L。
优选地，所述施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型为：
Z＝A*e0.0075*X，其中X为施氮量；Z为硝态氮淋失量；A为常数，其通过田间试验获得。
优选地，所述施氮量与萝卜产量之间的关系模型为：
Y＝a*X2+b*X+c；其中X为施氮量；Y为萝卜产量；a、b和c均为常数，可通过田间试验获得。
本发明研究发现，由于近年来萝卜种植习惯的改变，现有施氮量与产量关系模型(如CN110073789A)无法准确反映出当前萝卜种植中施氮量与产量之间实际关系水平，为此本发明研究人员根据当前萝卜种植过程中大水漫灌的习惯、结合北方地区总雨量少但降雨量集中且强度大的情况，确定了新的施氮量与产量关系模型，以及更准确的施氮量与硝态氮淋失量的关系模型，为协调农学和环境效益的氮肥施用范围的确定奠定了基础。
该方法建立了针对萝卜种植特点的施氮量与产量、施氮量与硝态氮淋失量的关系，确定了环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度的关系，以及环境临界施氮量和农学临界施氮量，最终结合环境和农学临界施氮量确定了协调农学和环境效益的氮肥施用范围。
在具体实施氮肥时，可根据农民习惯施肥量(Farmers’Practice,FP)设置氮肥用量梯度。在设置梯度时既考虑到关系模型建立的准确性(施氮梯度越精细关系模型建立越准确)，又要结合试验设置实施过程中的人力、物力和经济成本。优选地，本发明中所述氮肥用量梯度为0％FP、20％FP、40％FP、60％FP、80％FP和100％FP。通过合理设置施氮梯度，能够节省人力的同时获得相对更准确的关系模型和施氮量。
作为本发明的具体实施方式之一，在实施上述施氮梯度的同时还分别施用相同用量的磷肥和钾肥，以保障萝卜在不受其它养分限制的条件下研究氮素对萝卜的影响，即保持试验的单一变量原则；同时还可简化人工操作，综合效益更高。
作为本发明的具体实施方式之一，所述协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，包括：
步骤1)确定施氮量与萝卜产量之间的关系模型，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型；
其中，所述施氮量与萝卜产量之间的关系模型为：
Y＝a*X2+b*X+c，其中X为施氮量，Y为萝卜产量，a、b和c均为常数，可通过田间试验获得；
所述施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型为：
Z＝A*e0.0075*X，其中X为施氮量，Z为硝态氮淋失量，A为常数，可通过田间试验获得；
氮肥用量梯度为0％FP、20％FP、40％FP、60％FP、80％FP和100％FP；各梯度施氮处理的同时还施用相同用量的磷肥和钾肥；
步骤2)确定环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型：
环境可允许的硝态氮淋失量＝地下水中硝态氮浓度允许上限值×淋溶水量；
其中，所述淋溶水量为萝卜整个生育期内的累积淋溶水量；所述饮用水中硝态氮浓度上限值为20mg/L；
步骤3)根据环境可允许的硝态氮淋失量，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型确定环境临界施氮量；
步骤4)根据萝卜产量，以及施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量；
步骤5)根据农学临界施氮量及环境临界施氮量，确定氮肥施用量可行性范围。
本发明的有益效果如下：
1、本方法有效地避免了萝卜露天种植生产中农民过量施用氮肥的现象，该推荐施氮方法协调了农学和环境效益，与以往仅考虑农学或经济效益的氮肥推荐方法相比，最大限度的减少了因过量施用氮肥导致的地下水硝酸盐含量超标等环境问题，高度契合我国重视生态环境安全、保障农业可持续健康发展的目标。
2、本方法中确定了环境临界施氮量，其所采用的氮损失环境指标为氮淋溶环境指标，与其它结合氧化亚氮排放或氨挥发等环境指标确定氮肥施用量相比，可直接判断所确定的环境临界施氮量是否对环境造成污染，即高于或低于该施氮量，恰好对环境造成或不造成污染。
3、与以往其它方法确定的环境阈值施氮量一般低于农学临界施氮量不同，本方法确定的环境临界施氮量高于农学临界施氮量，因此可在不牺牲产量甚至还能再进一步提高产量的基础上实现最大化环境效益。
4、田间验证试验结果表明，采用该方法确定氮肥施用量，提高了萝卜产量和氮素利用效率，降低了土壤硝态氮残留量、氮素表观损失以及硝态氮淋溶对水体环境造成的污染风险。
附图说明
图1为试验期间灌溉、降雨和淋溶水量分布示意图。
图2为萝卜肉质根产量(a)以及施氮量与肉质根产量的相关性(b)示意图。
图3为施氮量与氮素回收利用率的相关性示意图。
图4为土壤硝态氮残留量(a)以及施氮量与硝态氮残留量的相关性(b)示意图。
图5为季节性硝态氮淋失量(a)以及施氮量和硝态氮淋失量的相关性(b)示意图。
图6为施氮量与萝卜肉质根产量、硝态氮残留量、氮素表观损失、硝态氮淋失量和氮素回收利用率的回归关系示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1大田验证试验
田间定位试验于2017年8月至2019年6月在天津市武清区天津农业科学院创新基地共实施了四季。
春季萝卜生育期为4月-6月，秋季萝卜生育期为8月-10月，春秋季萝卜均为露地种植。
以目前露天种植萝卜时农民习惯施氮量(FP)300kg N/ha为基础，将每季试验设置六个施氮处理，即0％FP、20％FP、40％FP、60％FP、80％FP和100％FP，施氮量分别为：0、60、120、180、240和300kg N/ha，分别记为N0、N60、N120、N180、N240和N300。每个处理施用相同用量的磷肥和钾肥分别为100kg P2O5/ha和150kg K2O/ha。
测定萝卜产量、氮素利用率、土壤硝态氮残留量、氮素表观损失和硝态氮淋失量。
每个处理三次重复，随机区组排列，小区面积为30m2。
(1)施氮量与萝卜产量和硝态氮淋失量的关系
建立施氮量X与萝卜产量Y的关系模型，以及施氮量X与硝态氮淋失量Z的关系模型；
同时建立了施氮量分别与氮素回收率N、土壤硝态氮残留量M、氮素表观损失P之间的关系。
表1施氮量Y与不同测定指标之间的相关关系
测定指标 回归关系 关系式 R2 P
产量 二次曲线 Y＝-0.0007*X2+0.3301*X+26.87 0.994 <0.0005
硝态氮淋失量 指数 Z＝8.2105*e0.0075*X 0.988 <0.0001
氮素回收率 线性 N＝-0.133*X+71.12 0.9115 <0.01
硝态氮残留量 指数 M＝57.148*e0.0037*X 0.9897 <0.0001
氮素表观损失 指数 P＝10.177*e0.0098*X 0.9688 <0.0001
从表1得知，施氮量与萝卜产量呈显著二次曲线关系，施氮量与硝态氮淋失量呈显著指数关系。
此外，施氮量与氮素回收率呈显著负线性关系，施氮量与土壤硝态氮残留量、氮素表观损失均呈显著指数关系。
(2)环境可允许的硝态氮淋失量的确定
环境可允许的硝态氮淋失量为地下水中硝态氮浓度允许上限值与淋溶水量的乘积。
根据我国地下水水质标准(GB/T14848-2017)规定，地下水中硝态氮浓度允许上限值为20mg N/L。
表2不同施氮量下春秋季萝卜生育期内收集的淋溶水量
表2为每个处理每季的淋溶水量，计算的萝卜生育期内平均每季累积淋溶水量为178mm。
经计算，萝卜生育期内淋溶到地下水中的硝态氮量不得高于35.6kg N/ha(20mgN/L×178mm)，即为环境可允许的硝态氮淋失量。
(3)环境临界施氮量的确定
根据施氮量与硝态氮淋失量之间呈显著的指数关系(表1)，利用方程式Z＝8.2105*e0.0075*X，计算环境可允许的硝态氮淋失量即Z＝35.6kg N/ha时对应的X值为196kgN/ha，即环境临界施氮量为196kg N/ha。
(4)农学临界施氮量的确定
根据统计结果可知，当施氮量超过180kg N/ha，萝卜产量虽有所提高，但不再显著，因此确定农学临界施氮量为180kg N/ha。
(5)协调农学和环境效益确定施氮量
经计算，农学临界施氮量为180kg N/ha时，对应的硝态氮淋失量为31.7kg N/ha，低于环境临界施氮量为196kg N/ha时对应的环境可允许的硝态氮淋失量35.6kg N/ha。
由此确定协调农学和环境效益的施氮量范围为180-196kg N/ha，具体施氮量可根据实际种植需求而定。在此范围内施氮，既保证了萝卜高产，同时又最大限度的降低了氮淋溶对水体环境的污染。
(6)协调农学和环境效益的施氮量与农民习惯施氮量相比
根据表1施氮量与各测定指标之间的相关性，分别比较了采用该方法确定的协调农学和环境效益的施氮范围(即180-196kg N/ha)，与农民习惯施氮量(即300kg N/ha)的氮素回收率、土壤硝态氮残留量、氮素表观损失和硝态氮淋失量。
与农民习惯施肥量相比，协调农学和环境效益的施氮量显著提高了氮素利用率，硝态氮淋失量降低范围为35.7-39.8kg N/ha，降低幅度达49.9％-55.7％；
土壤硝态氮残留量降低范围为52.7-59.5kg N/ha，降低幅度达30.9％-35.0％；
氮素表观损失降低范围为99.6-109.7kg N/ha，降低幅度达58.9％-64.9％。
上述田间试验结果表明，协调农学和环境效益的氮肥推荐量在保障萝卜产量的同时，提高了氮素利用率，降低了土壤硝态氮残留量、氮素表观损失和氮淋溶损失。
试验数据及结果如图1-图6所示。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，包括：
确定环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型；
根据环境可允许的硝态氮淋失量，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型确定环境临界施氮量；
根据萝卜产量，以及施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量；
根据农学临界施氮量及环境临界施氮量，确定氮肥施用量可行性范围；
所述环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型为：
环境可允许的硝态氮淋失量＝地下水中硝态氮浓度允许上限值×淋溶水量；
其中，所述淋溶水量为萝卜整个生育期内的累积淋溶水量；
所述施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型为：
Z＝A*e0.0075*X，其中X为施氮量；Z为硝态氮淋失量；A为常数，其通过田间试验获得；
所述施氮量与萝卜产量之间的关系模型为：
Y＝a*X2+b*X+c；其中X为施氮量；Y为萝卜产量；a、b和c均为常数，通过田间试验获得。
2.根据权利要求1所述的协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，所述地下水中硝态氮浓度允许上限值为20mg/L。
3.根据权利要求1所述的协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，在实施氮肥时，根据FP设置氮肥用量梯度。
4.根据权利要求3所述的协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，所述氮肥用量梯度为0％FP、20％FP、40％FP、60％FP、80％FP和100％FP。
5.根据权利要求4所述的协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，在实施氮肥的同时还分别施用相同用量的磷肥和钾肥。
6.根据权利要求1所述的协调农学和环境的萝卜氮肥推荐方法，其特征在于，包括：
步骤1)确定施氮量与萝卜产量之间的关系模型，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型；
其中，所述施氮量与萝卜产量之间的关系模型为：
Y＝a*X2+b*X+c，其中X为施氮量，Y为萝卜产量，a、b和c均为常数，可通过田间试验获得；
所述施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型为：
Z＝A*e0.0075*X，其中X为施氮量，Z为硝态氮淋失量，A为常数，可通过田间试验获得；
氮肥用量梯度为0％FP、20％FP、40％FP、60％FP、80％FP和100％FP；各梯度施氮处理的同时还施用相同用量的磷肥和钾肥；
步骤2)确定环境可允许的硝态氮淋失量与地下水中硝态氮浓度允许上限值之间的关系模型：
环境可允许的硝态氮淋失量＝地下水中硝态氮浓度允许上限值×淋溶水量；
其中，所述淋溶水量为萝卜整个生育期内的累积淋溶水量；所述地下水中硝态氮浓度上限值为20mg/L；
步骤3)根据环境可允许的硝态氮淋失量，以及施氮量与硝态氮淋失量之间的关系模型确定环境临界施氮量；
步骤4)根据萝卜产量，以及施氮量与萝卜产量之间的关系模型，确定农学临界施氮量；
步骤5)根据农学临界施氮量及环境临界施氮量，确定氮肥施用量可行性范围。
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