CN114375665A - 一种确定区域最优有机肥替代化肥比例及种养结合方法 - Google Patents

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翟丽梅
郭树芳
尹映华
刘宏斌
王洪媛
潘君廷
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Abstract

本发明提供了一种确定区域最优有机肥替代化肥比例及种养结合方法，属于农业生产资源配置技术领域。本发明通过充分考虑区域主要作物种植情况、畜禽养殖量和主要作物在有机肥替代比例下的农学、环境、经济效益和土壤健康，通过不同功能需求的区域畜禽养殖量和有机肥替代化肥下农学、环境、经济效益和土壤健康之间的协同调控，实现区域种养结合技术的优化，有利于区域农业面源污染防控，该方法技术明确、简单、方便、易实施。

Description

一种确定区域最优有机肥替代化肥比例及种养结合方法
技术领域
本发明属于农业生产资源配置技术领域，尤其涉及一种确定区域最优有机肥替代化肥比例及种养结合方法。
背景技术
我国单位耕地畜禽养殖数量远远高于其他国家和地区，由于种养分离的生产方式，畜禽养殖废弃物导致了严重的环境问题。目前，随着化肥过量投入及其导致的环境问题也日益突出，区域种养结合技术的优化，可为化肥减施、畜禽养殖废弃物资源化利用、面源污染治理等行动提供科学依据，更是区域绿色农业发展的关键。当前，农业农村部主要以化肥施用量过高的果菜茶生产为重点实施有机肥替代化肥技术，但畜禽养殖废弃物量与果菜茶的畜禽粪污承载力在区域上存在差异，且果菜茶对有机肥的消纳有限，目前技术的实施未充分考虑面积分布大的粮食作物和经济作物对畜禽养殖废弃物具有较大的消纳潜力，这不利于区域有机肥替代技术的有效实施，也不能有效地实现有机肥替代化肥后的农学、环境、经济效益和土壤健康的多目标协调调控。
有机肥替代化肥进入农田后，作物产量、耕地质量、作物投入/产出、NH3挥发、温室气体排放和氮径流/淋溶损失会随着化肥投入降低和碳源输入增加发生变化。在该过程中，某些区域环境污染以径流为主，环境保护的重要性突出，可以主要降低径流损失的目标出发提出适宜的替代比例，与区域畜禽养殖废弃物结合，优化区域种养结合技术。因此，针对区域畜禽养殖废弃物利用和种植业农学、环境、经济和土壤健康多目标需求，需要提出一种新的区域种养结合技术优化的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供确定区域最优有机肥替代化肥比例及种养结合方法，该方法通过充分考虑区域主要作物种植情况、畜禽养殖量和主要作物在有机肥替代化肥比例下的农学、环境、经济效益和土壤健康，通过不同功能需求的区域畜禽养殖量和有机肥替代化肥下农学、环境、经济效益和土壤健康之间的协同调控，实现区域种养结合技术的优化，有利于区域农业面源污染防控，该方法技术明确、简单、方便、易实施。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，包括以下步骤：
确定目标区域对应的多目标优化函数，所述多目标优化函数包括：与有机肥替代化肥比例相关的作物产量目标函数、土壤养分目标函数以及环境效益目标函数；
根据所述多目标优化函数中的各目标函数，确定所述目标区域最优有机肥替代化肥比例。
优选的是，所述确定目标区域对应的多目标优化函数，具体包括：
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以作物产量作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和作物产量之间的关系模型，得到所述作物产量目标函数；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以土壤养分作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和土壤养分之间的关系模型，得到所述土壤养分目标函数；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以环境效益作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和环境效益之间的关系模型，得到所述环境效益目标函数。
优选的是，所述多目标优化函数还包括经济效益目标函数；
所述确定目标区域对应的多目标优化函数还包括：
通过计算获取目标区域主要作物有机肥替代化肥比例相应的生产成本及收益，以确定主要作物有机肥替代比例下的经济效益；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以计算得到的经济效益作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和经济效益之间的关系模型，得到所述经济效益目标函数。
更优选的是，所述生产成本包括：种子、农业机械、化肥、有机肥、农药、劳动力和其它间接成本。
更优选的是，所述收益包括：
获取主要作物的全国平均产量及不同有机肥替代化肥比例下的产量变化率，以确定主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量；根据所述主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量及主要作物价格确定主要作物收益。
优选的是，所述确定多目标优化函数，具体包括：
确定各目标函数的权重；
根据各目标函数及其对应的权重，确定所述多目标优化函数。
优选的是，所述确定各目标函数的权重，具体包括：
根据区域环境优化或重点控制目标，设定各目标函数的相应权重。
优选的是，对所述多目标优化函数中的各目标函数进行优化，具体包括：
利用遗传算法对全局所述多目标优化函数进行优化，以确定最优的有机肥替代化肥比例。
本发明的另一目的在于提供一种基于多目标优化的区域种养结合方法，包括以下步骤：
获取所述区域畜禽养殖量、主要作物季播种面积以及作物施肥强度；
根据所述区域畜禽养殖量，确定区域粪便中氮素量；
根据所述主要作物播种面积、所述作物施肥强度以及上述最优有机肥替代化肥比例，确定区域农田有机肥氮承载量；
根据所述区域农田有机肥氮承载量和所述区域畜禽粪便中氮素总量，确定畜禽粪肥有机肥的输入或输出。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明针对区域畜禽养殖量及土地承载力不匹配的问题，提出了一种基于区域主要作物施肥情况与播种面积、畜禽养殖量和主要作物的有机肥适宜替代化肥比例，从农学效益、环境效益、经济效益和土壤健康协同调控区域种养结合技术的方法。该方法将主要粮食和经济作物也纳入有机肥施用的范畴，多目标优化区域农学、经济、环境效益和土壤健康提出不同作物的适宜有机肥替代化肥比例，有利于解决区域畜禽粪污和畜禽粪肥还田的匹配性问题，还为区域在种养结合技术中的具体化和有效化调控措施提供了数据支持，对区域农业面源污染防控也起到了积极的作用。
附图说明
图1：本发明基于多目标优化的区域种养结合方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，包括以下步骤：
确定目标区域对应的多目标优化函数，所述多目标优化函数包括：与有机肥替代化肥比例相关的作物产量目标函数、土壤养分目标函数以及环境效益目标函数；
根据所述多目标优化函数中的各目标函数，确定所述目标区域最优有机肥替代化肥比例。
本发明优选所述确定目标区域对应的多目标优化函数，具体包括：
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以作物产量作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和作物产量之间的关系模型，得到所述作物产量目标函数；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以土壤养分作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和土壤养分之间的关系模型，得到所述土壤养分目标函数；更优选所述土壤养分为由土壤提供的作物生长所必须的营养元素，包括氮、磷、钾、有机质等养分元素。
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以环境效益作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和环境效益之间的关系模型，得到所述环境效益目标函数；更优选所述环境效益包括NH3挥发量、N2O排放量、N径流损失量和N淋溶损失量。
作为一种可实施方式，所述自变量有机肥替代化肥比例，所述因变量作物产量、土壤养分及环境效益通过以下方式获得：
在Web of Science和CNKI等数据库查找“有机肥”、“肥料”、“产量”、“作物(包括玉米、水稻、小麦、油菜、棉花、马铃薯)”、“氮”、“N2O排放”或“氨挥发”或“氮径流”或“氮淋失”等关键词，借助Meta分析技术，比较无机氮肥处理和完全或部分替代无机氮的有机肥料处理的在产量和环境效益上的差异，获得不同有机肥替代比例下的产量、土壤养分及环境效益变化率。
Yij，第i种作物在j替代比例下的产量变化；
Sij，第i种作物在j替代比例下的土壤养分变化；
Figure BDA0003472409180000051
第i种作物在j替代比例下的NH3挥发量变化；
Figure BDA0003472409180000052
第i种作物在j替代比例下的N2O排放量变化；
Lrunoff，ij，第i种作物在j替代比例下的N径流损失量变化；
Lleaching，ij，第i种作物在j替代比例下的N淋溶损失量变化。
本发明优选所述多目标优化函数还包括经济效益目标函数；
优选所述确定目标区域对应的多目标优化函数还包括：
获取目标区域主要作物有机肥替代化肥比例相应的生产成本及收益，以确定主要作物有机肥替代比例下的经济效益。
本发明进一步优选所述生产成本包括：种子、农业机械、化肥、有机肥、农药、劳动力和其它间接成本。计算如下：
Cost＝S+F+M+P+L+I
公式中，Cost为主要作物的生产成本(CNY ha-1)，S、F、M、P、L和I分别代表种子、肥料、农业机械、农药、劳动力和其它间接成本(CNY ha-1)。
本发明进一步所述收益包括：
获取主要作物的全国平均产量及不同有机肥替代化肥比例下的产量变化率，以确定主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量；根据所述主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量及主要作物价格确定主要作物收益。计算如下：
Income＝Yi，av×Pi
Yi，av＝Yi×(1+yi)
公式中，Income代表不同作物的收益(CNY ha-1)，Yi，av指i作物在不同有机肥替代比例下的平均产量(kg ha-1)，Pi为i作物籽粒的价格(CNY kg-1),Yi指作物i的全国平均产量(kg ha-1)，yi代表i作物的产量在不同替代比例下的变化率。
EP＝Income-Cost
公式中，EP指作物的经济效益(CNY ha-1)，Income代表作物的平均收益(CNY ha-1)，Cost指作物的平均成本(CNY ha-1)。
利用多目标优化算法，即在区域内达到作物产量高、耕地质量好、环境污染低、经济效益高的目标，结合区域环境优先或重点控制目标(如优先控制NH3排放防治雾霾发生、优先控制N径流算是防治水体营养化等)，采用优化算法实现不同作物畜禽粪污替代比例的最优调控策略，达到区域种养结合优化技术和农业面源污染防控的目的。
本发明优选所述确定多目标优化函数，具体包括：
确定各目标函数的权重；根据各目标函数及其对应的权重，确定所述多目标优化函数。
进一步优选的是，所述确定各目标函数的权重，具体包括：
根据区域环境优化或重点控制目标，设定各目标函数的相应权重。
本发明优选对所述多目标优化函数中的各目标函数进行优化，具体包括：
利用遗传算法对所述多目标优化函数进行优化，以确定最优的有机肥替代化肥比例。
本发明更优选多目标优化方法步骤如下：
(1)基于上述步骤获得的不同有机肥替代化肥比例下产量、土壤养分及环境效益的变化数据，建立一个可靠的数据库。
(2)建模，在建模过程中创建目标函数
Figure BDA0003472409180000061
目标函数是表示有机肥替代化肥比例与经济环境等指标变化(如产量、EP、NH3排放、N2O排放、TN径流和淋溶，土壤养分等)之间相关性的数学方程。通过线性回归和非线性回归，选择r平方、调整r平方、平均标准误差和p值最合适和最显著的模型，从而得到有机肥替代比例作为自变量和因变量之间的相关性最强且最显著的方程。并将提取的方程作为目标函数(适应度函数)在优化步骤中求解最优有机肥替代比例。
(3)设置重要的标准，根据这些标准确定模型的边界。例如，有机肥替代比例范围(0＜x≤100％)，或者哪些值不能被一个给定的目标函数所接受等(如
Figure BDA0003472409180000071
或
Figure BDA0003472409180000072
)。根据不同区域的优化目标，设定指标的相应权重，如在优先控制雾霾的区域增加氨挥发排放目标函数的重要性系数ai(如ai＝0.5)，在优先控制氮径流的区域可以加大氮径流目标函数重要性系数等。
Figure BDA0003472409180000073
Subject to：
Figure BDA0003472409180000074
Figure BDA0003472409180000075
x∈Rn，
Figure BDA0003472409180000076
其中，k为目标个数，p为等式约束个数，m为不等式约束个数，n为自变量个数。
通过对不同目标函数的积分，对一般公式进行如下修正：
Figure BDA0003472409180000077
其中，F为全局目标函数(或适应度函数)，a为目标函数的重要性系数，f为个体目标函数，i表示目标函数数量。
Figure BDA0003472409180000078
是″1″表示需要最小化的目标函数，是″-1″表示需要最大化的目标函数。
利用非支配排序遗传算法NSGA-II对全局目标函数进行优化，以找到最优的有机肥替代化肥比例(Rij)。即在给定的有机肥替代比例范围内，逐渐淘汰适应度(全局目标函数值)较低的替代比例，并将适应度的高的有机肥替代比例留给下一代，经过N代的选择，最终将适应度最高的有机肥替代比例输出，从而达到优化的目的。
本发明的还提供了一种基于多目标优化的区域种养结合方法，包括以下步骤：
获取所述区域畜禽养殖量、主要作物季播种面积以及作物施肥强度；
根据所述区域畜禽养殖量，确定区域粪便中氮素量；
根据所述主要作物播种面积、所述作物施肥强度以及上述最优有机肥替代化肥比例，确定区域农田有机肥N肥承载量；
根据所述区域农田有机肥氮承载量和所述区域粪便中氮素总量，确定有机肥输入或输出。
获取所述区域畜禽粪便中氮素总量，包括：
统计所述区域畜禽养殖量，根据统计数据中畜禽养殖量，计算区域畜禽粪便中氮素总量。按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽。畜禽粪便中氮素量为：
Figure BDA0003472409180000081
公式中，Nm为有机肥N含量(kg)，Np、Nd、Nb、Ns和Npo分别为猪、奶牛、肉牛、羊和家禽的存栏量(头)。1个猪当量的氮排泄量为11kg。生猪、奶牛、肉牛固体粪便中氮素占氮排泄总量的50％；羊、家禽固体粪便中氮素占100％。
依据统计年鉴或者实地调查获取区域内主要作物季播种面积Ai(Ai为第i种作物的播种面积)及作物的施肥类型和施肥量确定区域内的作物施肥强度Fi(Fi为第i种作物的施肥强度)。
所述区域农田有机肥N肥承载量为：
Ncm＝∑(Ai×Fi×Rij)
Ncm，区域农田有机肥N肥承载总量；
Rij，区域内i作物优化替代比例j。
将得到的区域农田有机肥氮承载量Ncm与该区域畜禽粪便中氮素总量Nm进行比较，当Ncm＞Nm，该区域畜禽粪肥有机肥输入；当Ncm＜Nm，该区域畜禽粪肥有机肥输出。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
基于多目标优化的区域种养结合方法-以大理市和洱源县为例
(1)以洱海流域所在的大理市和洱源县为例，调查两地2017年畜禽养殖量，见表1。计算区域畜禽粪便中氮素总量，得到大理市和洱源县的畜禽粪便中氮素量分别为2962t和3577t。
表1大理市和洱源县畜禽出栏量单位：万头/万只
猪 肉牛 奶牛 羊 家禽
大理市 20.8549 1.3951 0.7388 1.7841 247.6562
洱源县 19.3889 2.3721 3.3627 18.264 50.207
(2)依据统计年鉴及实地调查，获取大理市和洱源县内主要作物季播种面积及作物的施肥类型和施肥量确定区域内的作物施肥强度，见表2及表3。
表2大理市和洱源县主要作物的播种面积单位：亩
作物 洱源 大理市 作物 洱源 大理市
小麦 7770 10748 油菜 22215 8640
玉米 91080 114684 烟草 34600 19073
水稻 120300 89350 中药材 14445 460
马铃薯 32835 9302 露地蔬菜 56395 108045
大豆 6045 444 保护地 950 6450
其他豆类 101640 2553 果树 92318 42045
表3大理市和洱源县主要作物的施肥强度单位：kg/hm2
Figure BDA0003472409180000091
Figure BDA0003472409180000101
(3)获取不同有机肥替代化肥比例下产量、土壤养分及环境效益的变化数据，同时通过成本和收益计算获取经济效益随替代比例变化的数据，建立一个可靠的数据库；通过建模，在建模过程中创建在优化步骤中求解最优有机肥替代比例的目标函数；设置重要的标准，根据这些标准确定模型的边界，并根据不同优化目标，设定指标的相应权重；利用非支配排序遗传算法NSGA-II对全局目标函数进行优化，以找到最优的有机肥替代化肥比例，见表4。
表4大理市和洱源县主要作物的适宜替代比例单位：％
Figure BDA0003472409180000102
Figure BDA0003472409180000111
根据多目标优化计算结果，确定大理市和洱源县主要种植作物适宜的有机肥替代化肥比例Rij，结合区域畜禽养殖粪便中氮素量，优化畜禽养殖的布局，确定粪污调控方案。
(4)根据大理市和洱源县内不同作物的播种面积，施氮强度和适宜有机肥替代化肥比例，得出洱源县的作物有机肥总氮承载量为2203.17t～2853.53t，大理市总氮承载量为1975.23t～2546.65t。不同作物具体有机肥总氮承载量见表5。
表5大理市和洱源县主要作物的有机肥氮承载量
Figure BDA0003472409180000112
(5)根据表5中大理市和洱源县主要作物的有机肥总氮承载量，与大理市和洱源县的畜禽粪便中氮素量(分别为2962t和3577t)相比，可见，大理市和洱源县主要作物对畜禽粪污的氮承载量均略小于畜禽粪便中氮素量，大理市和洱源县可有部分畜禽粪肥向其他区域输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定目标区域对应的多目标优化函数，所述多目标优化函数包括：与有机肥替代化肥比例相关的作物产量目标函数、土壤养分目标函数以及环境效益目标函数；
根据所述多目标优化函数中的各目标函数，确定所述目标区域最优有机肥替代化肥比例。
2.根据权利要求1所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述确定目标区域对应的多目标优化函数，具体包括：
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以作物产量作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和作物产量之间的关系模型，得到所述作物产量目标函数；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以土壤养分作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和土壤养分之间的关系模型，得到所述土壤养分目标函数；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以环境效益作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和环境效益之间的关系模型，得到所述环境效益目标函数。
3.根据权利要求1或2所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述多目标优化函数还包括经济效益目标函数；
所述确定目标区域对应的多目标优化函数还包括：
通过计算获取目标区域主要作物不同有机肥替代化肥比例相应的生产成本及收益，以确定主要作物不同有机肥替代化肥比例下的经济效益；
以目标区域有机肥替代化肥比例作为自变量，以计算得到的经济效益作为因变量，建立目标区域有机肥替代化肥比例和经济效益之间的关系模型，得到所述经济效益目标函数。
4.根据权利要求3所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述生产成本包括：种子、农业机械、化肥、有机肥、农药、劳动力和其它间接成本。
5.根据权利要求3所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述收益包括：
获取主要作物的全国平均产量及不同有机肥替代化肥比例下的产量变化率，以确定主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量；根据所述主要作物在不同有机肥替代化肥比例下的平均产量及主要作物价格确定主要作物收益。
6.根据权利要求1所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述确定多目标优化函数，具体包括：
确定各目标函数的权重；
根据各目标函数及其对应的权重，确定所述多目标优化函数。
7.根据权利要求6所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，所述确定各目标函数的权重，具体包括：
根据区域环境优先或重点控制目标，设定各目标函数的相应权重。
8.根据权利要求1所述的确定区域最优有机肥替代化肥比例的方法，其特征在于，对所述多目标优化函数中的各目标函数进行优化，具体包括：
利用遗传算法对全局所述多目标优化函数进行优化，以确定最优的有机肥替代化肥比例。
9.一种基于多目标优化的区域种养结合方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述区域畜禽养殖量、主要作物季播种面积以及作物施肥强度；
根据所述区域畜禽养殖量，确定区域粪便中氮素量；
根据所述主要作物播种面积、所述作物施肥强度以及权利要求1所述的最优有机肥替代化肥比例，确定区域农田有机肥氮承载量；
根据所述区域农田有机肥氮承载量和所述区域畜禽粪肥中的氮素总量，确定区域畜禽粪肥有机肥的输入或输出。
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