CN115762649B - 一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，涉及肥料淋失量计算技术领域。该基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，包括根据不同的肥料种类，计算肥料在特定土壤pH下的肥料可溶性值；依据化学性质，土壤物理，以及气象数据，量化施肥间隔期的肥料淋失潜力；确立主要肥料离子形态的淋失系数，计算得出肥料淋失量。本发明基于气象数据、土壤物理、化学性质等数据，计算肥料淋失量，算法能够与作物发育节点结合，补充生育期进行多次施肥下的淋失量，能够接收气象数据、土壤颗粒机械组成成分信息、施肥数据及农事方案数据，生成土壤养分淋失速率、肥料氮、磷、钾淋失量。

Description

一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法

技术领域

本发明涉及肥料淋失量计算技术领域，具体为一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法。

背景技术

目前，部分农业模型中有很多计算土壤养分淋失量的算法，例如英国洛桑研究所开发的SPACSYS模型，美国NASA等部门开发的DCDC模型等。这些模型计算土壤碳、氮循环，量化了土壤铵态氮、硝态氮的运移过程，也计算了氨化作用、硝化作用、反硝化作用、微生物作用等多个关键土壤养分变化过程。

但是，常见的一些土壤养分淋失量的算法缺乏与施肥方案、实际种植环节的交互，所需要的输入参数比较复杂，数据量、数据种类需求比较大，获取难度较高，不利于应用在实际种植过程中，精准指导施肥量。

发明内容

解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，解决了常见的一些土壤养分淋失量的算法缺乏与施肥方案、实际种植环节的交互，所需要的输入参数比较复杂，数据量、数据种类需求比较大，获取难度较高，不利于应用在实际种植过程中，精准指导施肥量的问题。

技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，包括以下步骤：

S1、根据不同的肥料种类，计算肥料在特定土壤pH下的肥料可溶性值；

S2、依据化学性质，土壤物理，以及气象数据，量化施肥间隔期的肥料淋失潜力；

S3、确立主要肥料离子形态的淋失系数，计算得出肥料淋失量。

进一步地，所述步骤S1包括以下具体步骤：

S11、针对不同的肥料种类，设定可溶性系数；

S12、量化土壤酸碱度对肥料可溶性的影响；

S13、计算肥料可溶性值。

进一步地，所述步骤S2包括以下具体步骤：

S21、计算肥料中的氮磷钾养分每天淋失潜力系数；

S22、根据土壤沙粒含量计算土壤饱和导水率；

S23、计算淋溶性降水阈值；

S24、依据实际降水量确定淋溶性降水量；

S25、根据每天淋失潜力系数和淋溶性降水量确定肥料淋失潜力。

进一步地，所述步骤S23包括以下具体步骤：

S231、根据土壤粘粒含量、土壤沙粒含量计算土壤田间持水量；

S232、依据土壤田间持水量计算淋溶性降水量阈值。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、基于肥料淋失潜力计算肥料淋失比例；

S32、依据肥料淋失比例和上次施肥量，计算肥料淋失量。

进一步地，所述步骤S12的计算公式为：

K_pH＝|7-soil_pH|

其中，K_pH为量化后的指标，soil_pH为土壤酸碱度；

所述步骤S13的计算公式为：

F_avi＝u*K_pH

其中，F_avi为肥料可溶性值，u为肥料可溶性系数。

进一步地，所述肥料可溶性系数u根据不同的肥料种类，取值不同：

肥料为缓释肥时，u的取值为2～7；

肥料为复合肥时，u的取值为1.5；

肥料为肥水肥时，u的取值为1。

进一步地，所述步骤S21中的每天淋失潜力系数的计算公式如下：

其中，T_ef_i为每天淋失潜力系数，d_i为计算当天距离上次施肥的间隔天数；

所述步骤S22中的土壤饱和导水率的计算公式如下：

K_sat＝25.4×24×10^{-0.884+0.0153·sand}

其中，K_sat为土壤饱和导水率，sand为土壤沙粒含量；

所述步骤S23中的淋溶性降水阈值的计算公式如下：

B＝-3.14-0.00222Clay²-3.484×10^-5Sand²Clay

Q(m)＝0.4762·S(m)+9

其中，S(m)为土壤田间持水量，Sand为沙粒含量，Clay为土壤粘粒含量，Q(m)为淋溶性降水阈值；

所述步骤S24中的淋溶性降水量的计算公式如下：

其中，A_pre_i为淋溶性降水量，Q(m)为淋溶性降水阈值，K_sat为土壤饱和导水率，Rain_i为第i天实际降水量；

所述步骤S25中的肥料淋失潜力的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，T_ef_i为每天淋失潜力系数，A_pre_i为淋溶性降水量，f为上次施肥量，该肥量为氮肥量。

进一步地，所述步骤S31中的肥料淋失比例的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，RL_NPK为肥料淋失比例，Ferti为养分主要离子形态的淋失系数；

所述步骤S32中的肥料淋失量的计算公式如下：

AL_NPK＝AT_NPK×RL_NPK

其中，AL_NPK为肥料淋失量，AT_NPK为上次施肥量，RL_NPK为肥料淋失比例。

进一步地，所述养分主要离子形态的淋失系数Ferti依据不同的养分取值不同：

NH4+的淋失系数Ferti为1；

NO3-的淋失系数Ferti为1.2～2.5；

K+的淋失系数Ferti为2～4；

PO43-的淋失系数Ferti为0.005～0.1；

H2PO4-的淋失系数Ferti为0.05～0.15。

有益效果

本发明具有以下有益效果：

基于气象数据、土壤物理、化学性质等数据，计算肥料淋失量，算法能够与作物发育节点结合，补充生育期进行多次施肥下的淋失量，能够接收气象数据、土壤颗粒机械组成成分信息、施肥数据及农事方案数据，生成土壤养分淋失速率、肥料氮、磷、钾淋失量，其中包括了NH4+、NO3-、K+、PO43-及H2PO4-，根据气象数据，按土壤颗粒机械组成占比，计算出降水量阈值，此阈值确立了当前区域下土壤养分开始发生淋失时所需达到的实际降水，与现有技术相比，肥料可溶性基础参数，与降水量阈值对比，参数作为量化肥料与施肥时间关系影响淋失的参考，耦合降水阈值、肥料可溶性参数，根据土壤水动力学方程组，建立了肥料施用时间后的肥料与土壤养分淋失速率的线性+Sigmoid关系，可以适应、量化实际执行中的各种情况，相比先有技术计算方法，具有一定农业知识的从业人员能够更加容易的应用于种植实践中。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明计算方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，包括以下步骤：

S1、根据不同的肥料种类，计算肥料在特定土壤pH下的肥料可溶性值；

S2、依据化学性质，土壤物理，以及气象数据，量化施肥间隔期的肥料淋失潜力；

S3、确立主要肥料离子形态的淋失系数，计算得出肥料淋失量。

具体地，步骤S1包括以下具体步骤：

S11、针对不同的肥料种类，设定可溶性系数；

S12、量化土壤酸碱度对肥料可溶性的影响；

S13、计算肥料可溶性值。

本实施方案中，肥料中的NPK(氮磷钾)养分会随着土壤水分下渗而淋失，淋失速率与当前土壤中养分的存量、养分释放量有密切联系，利用时间序列下肥料的释放规律，可以量化时间变化下养分下渗淋失潜力。

具体地，步骤S2包括以下具体步骤：

S21、计算肥料中的氮磷钾养分每天淋失潜力系数；

S22、根据土壤沙粒含量计算土壤饱和导水率；

S23、计算淋溶性降水阈值；

S24、依据实际降水量确定淋溶性降水量；

S25、根据每天淋失潜力系数和淋溶性降水量确定肥料淋失潜力；

步骤S23包括以下具体步骤：

S231、根据土壤粘粒含量、土壤沙粒含量计算土壤田间持水量；

S232、依据土壤田间持水量计算淋溶性降水量阈值。

本实施方案中，根据肥料的化学性质，以及土壤物理情况，结合气象数据，量化施肥间隔期间的肥料淋失潜力

具体地，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、基于肥料淋失潜力计算肥料淋失比例；

S32、依据肥料淋失比例和上次施肥量，计算肥料淋失量。

具体地，步骤S12的计算公式为：

K_pH＝|7-soil_pH|

其中，K_pH为量化后的指标，soil_pH为土壤酸碱度；

步骤S13的计算公式为：

F_avi＝u*K_pH

其中，F_avi为肥料可溶性值，u为肥料可溶性系数；

肥料可溶性系数u根据不同的肥料种类，取值不同：

肥料为缓释肥时，u的取值为2～7；

肥料为复合肥时，u的取值为1.5；

肥料为肥水肥时，u的取值为1。

具体地，步骤S21中的每天淋失潜力系数的计算公式如下：

其中，T_ef_i为每天淋失潜力系数，d_i为计算当天距离上次施肥的间隔天数；

步骤S22中的土壤饱和导水率的计算公式如下：

K_sat＝25.4×24×10^{-0.884+0.0153·sand}

其中，K_sat为土壤饱和导水率，sand为土壤沙粒含量；

步骤S23中的淋溶性降水阈值的计算公式如下：

B＝-3.14-0.00222Clay²-3.484×10^-5Sand²Clay

q(m)＝0.4762·S(m)+9

其中，S(m)为土壤田间持水量，Sand为沙粒含量，Clay为土壤粘粒含量，Q(m)为淋溶性降水阈值；

步骤S24中的淋溶性降水量的计算公式如下：

其中，A_pre_i为淋溶性降水量，Q(m)为淋溶性降水阈值，K_sat为土壤饱和导水率，Rain_i为第i天实际降水量；

步骤S25中的肥料淋失潜力的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，T_ef_i为每天淋失潜力系数，A_pre_i为淋溶性降水量，f为上次施肥量，该肥量为氮肥量。

具体地，步骤S31中的肥料淋失比例的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，RL_NPK为肥料淋失比例，Ferti为养分主要离子形态的淋失系数；

步骤S32中的肥料淋失量的计算公式如下：

AL_NPK＝AT_NPK×RL_NPK

其中，AL_NPK为肥料淋失量，AT_NPK为上次施肥量，RL_NPK为肥料淋失比例；

养分主要离子形态的淋失系数Ferti依据不同的养分取值不同：

NH4+的淋失系数Ferti为1；

NO3-的淋失系数Ferti为1.2～2.5；

K+的淋失系数Ferti为2～4；

PO43-的淋失系数Ferti为0.005～0.1；

H2PO4-的淋失系数Ferti为0.05～0.15。

在计算肥料淋失量时，先依据肥料的种类，确定肥料可溶性系数u，不同的肥料设定不同的数值，肥料为缓释肥时，u的取值为2～7；肥料为复合肥时，u的取值为1.5；肥料为肥水肥时，u的取值为1，通过公式F_avi＝u*K_pH计算出肥料可溶性值，其中K_pH是量化后的土壤酸碱度，利用公式K_pH＝|7-soil_pH|求得，其中soil_pH为土壤酸碱度；

依据上述计算得到的肥料可溶性值F_avi计算每天淋失潜力系数T_ef_i，将肥料可溶性值F_avi代入公式

其中的d_i为计算当天距离上次施肥的间隔天数，肥料中的NPK(氮磷钾)养分会随着土壤水分下渗而淋失，淋失速率与当前土壤中养分的存量、养分释放量有密切联系，利用时间序列下肥料的释放规律，可以量化时间变化下养分下渗淋失潜力；

根据公式K_sat＝25.4×24×10^{-0.884+0.0153·sand}可以计算出土壤饱和导水率，其中sand为土壤沙粒含量，单位为百分比(％)，土壤饱和导水率K_sat的单位为(mm/d)，之后根据公式计算出

和Q(m)＝0.4762·S(m)+9计算出淋溶性降水阈值Q(m)，其中计算土壤田间持水量S(m)的公式中

B＝-3.14-0.00222Clay²-3.484×10^-5Sand²Clay，两式中的Sand和Clay分别是土壤沙粒含量和土壤粘粒含量，再将上述的淋溶性降水阈值Q(m)和土壤饱和导水率K_sat代入如下公式：

式中的A_pre_i为淋溶性降水量，Rain_i为第i天实际降水量，将计算得出的淋溶性降水量A_pre和每天淋失潜力系数T_ef_i代入公式

即可求得肥料淋失潜力G_t，其中f为上次施肥量，该肥量为氮肥量，从而可以根据土壤的物理性质，肥料的化学性质以及气象数据计算得出肥料淋失潜力G_t；

在肥料淋失潜力G_t的基础上，根据不同养分主要离子形态的淋失系数Ferti计算肥料淋失量AL_NPK，计算公式为：

AL_NPK＝AT_NPK×RL_NPK

其中，AL_NPK为肥料淋失量，AT_NPK为上次施肥量，RL_NPK为肥料淋失比例，养分主要离子形态的淋失系数Ferti依据不同的养分取值不同：NH4+的淋失系数Ferti为1；NO3-的淋失系数Ferti为1.2～2.5；K+的淋失系数Ferti为2～4；PO43-的淋失系数Ferti为0.005～0.1；H2PO4-的淋失系数Ferti为0.05～0.15，淋失系数Ferti反映了养分离子形态对肥料淋失速率的影响，该系数反映了养分离子形态在土壤环境下的可移动性大小；

上述计算方法能够接收气象数据、土壤颗粒机械组成成分信息、施肥数据及农事方案数据，生成土壤养分淋失速率、肥料氮、磷、钾淋失量，其中包括了NH4+、NO3-、K+、PO43-及H2PO4-；

根据气象数据，按土壤颗粒机械组成占比，即沙粒、粉粒、粘粒的含量，计算出降水量阈值，此阈值确立了当前区域下土壤养分开始发生淋失时所需达到的实际降水。算法提供了一套肥料可溶性基础参数，与降水量阈值对比，参数作为量化肥料与施肥时间关系影响淋失的参考；

耦合降水阈值、肥料可溶性参数，根据土壤水动力学方程组，建立了肥料施用时间后的肥料与土壤养分淋失速率的线性Sigmoid关系，可以适应、量化实际执行中的各种情况；

算法中，土壤养分淋失速率为土壤饱和导水率下养分淋失的潜力值，此值需要由肥料主要化学成分特性进行相应比例衰减，比例值由不同离子形态的移动性、物理稳定性、化学稳定性等计算得出，保证不同肥料在当前环境下淋失量的科学性，整体算法中所需参数均已给出参考值，输入气象数据、土壤数据、施肥数据均较为简便，相比先有技术计算方法，具有一定农业知识的从业人员能够更加容易的应用于种植实践中。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据不同的肥料种类，计算肥料在特定土壤pH下的肥料可溶性值；

S2、依据化学性质，土壤物理，以及气象数据，量化施肥间隔期的肥料淋失潜力；

S3、确立主要肥料离子形态的淋失系数，计算得出肥料淋失量；

所述步骤S2包括以下具体步骤：

S21、计算肥料中的氮磷钾养分每天淋失潜力系数；

S22、根据土壤沙粒含量计算土壤饱和导水率；

S23、计算淋溶性降水阈值；

S24、依据实际降水量确定淋溶性降水量；

S25、根据每天淋失潜力系数和淋溶性降水量确定肥料淋失潜力；

所述步骤S23包括以下具体步骤：

S231、根据土壤粘粒含量、土壤沙粒含量计算土壤田间持水量；

S232、依据土壤田间持水量计算淋溶性降水量阈值；

其中，所述步骤S21中的每天淋失潜力系数的计算公式如下：

其中，T_ef_i为每天淋失潜力系数，d_i为计算当天距离上次施肥的间隔天数，F_avi为肥料可溶性值；

所述步骤S22中的土壤饱和导水率的计算公式如下：

K_sat＝25.4×24×10^{-0.884+0.0153·sand}

其中，K_sat为土壤饱和导水率，sand为土壤沙粒含量；

所述步骤S23中的淋溶性降水阈值的计算公式如下：

B＝-3.14-0.00222Clay²-3.484×10^-5Sand²Clay

Q(m)＝0.4762·S(m)+9

其中，S(m)为土壤田间持水量，Sand为土壤沙粒含量，Clay为土壤粘粒含量，Q(m)为淋溶性降水阈值；

所述步骤S24中的淋溶性降水量的计算公式如下：

其中，A_pre_i为淋溶性降水量，Q(m)为淋溶性降水阈值，K_sat为土壤饱和导水率，Rain_i为第i天实际降水量；

所述步骤S25中的肥料淋失潜力的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，T_ef_i为每天淋失潜力系数，A_pre_i为淋溶性降水量，f为上次施肥量，该肥量为氮肥量；

所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、基于肥料淋失潜力计算肥料淋失比例；

S32、依据肥料淋失比例和上次施肥量，计算肥料淋失量；

所述步骤S31中的肥料淋失比例的计算公式如下：

其中，G_t为肥料淋失潜力，RL_NPK为肥料淋失比例，Ferti为养分主要离子形态的淋失系数；

所述步骤S32中的肥料淋失量的计算公式如下：

AL_NPK＝AT_NPK×RL_NPK

其中，AL_NPK为肥料淋失量，AT_NPK为上次施肥量，RL_NPK为肥料淋失比例。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下具体步骤：

S11、针对不同的肥料种类，设定可溶性系数；

S12、量化土壤酸碱度对肥料可溶性的影响；

S13、计算肥料可溶性值。

3.根据权利要求2所述的一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，其特征在于：所述步骤S12的计算公式为：

K_pH＝|7-soil_pH|

其中，K_pH为量化后的指标，soil_pH为土壤酸碱度；

所述步骤S13的计算公式为：

F_avi＝u*K_pH

其中，F_avi为肥料可溶性值，u为肥料可溶性系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，其特征在于：所述肥料可溶性系数u根据不同的肥料种类，取值不同：

肥料为缓释肥时，u的取值为2～7；

肥料为复合肥时，u的取值为1.5；

肥料为肥水肥时，u的取值为1。

5.根据权利要求1所述的一种基于土壤物理、化学性质的肥料淋失量计算方法，其特征在于：所述养分主要离子形态的淋失系数Ferti依据不同的养分取值不同：

NH4+的淋失系数Ferti为1；

NO3-的淋失系数Ferti为1.2～2.5；

K+的淋失系数Ferti为2～4；

PO43-的淋失系数Ferti为0.005～0.1；

H2PO4-的淋失系数Ferti为0.05～0.15。

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