CN117474315A - 基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术 - Google Patents
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Abstract
基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，该技术先识别出稻田所处的风险期，包括氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期，再基于稻田所处的风险期确定其对应的多目标水分管控规则，在多目标水分管控规则的基础上、实时结合稻田水‑土‑气关键环境因子的监测数据执行控水操作。本发明将基于风险期的“分期”调控与基于水土气微环境的“应急”调控有效结合起来，实现了稻田氮磷流失与甲烷排放的分期精准调控。
Description
技术领域
本发明属于农业面源污染防控、碳减排和减污降碳协同防控领域，具体涉及一种基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术。
背景技术
特殊的淹水环境和大水大肥的传统灌种植下，稻田不仅是农田氮磷流失的主要来源，同时也是温室气体甲烷的重要排放源。农艺管理措施和自然环境变化，通过改变田间水分/水位、土壤透气性、温度、有机质、pH以及土壤微生物等共同影响氮磷流失和CH4排放。稻田径流氮磷和甲烷在整个生育期内交错排放，有时候甚至表现为“此消彼长”；同时，农艺管理措施对氮磷和甲烷减排的往往表现为“顾此失彼”，比如水田蓄雨灌溉，会通过增加降雨蓄留量、延缓雨后排水时间减少氮磷流失，但同时会因为改变氧化还原环境，促进甲烷排放；秸秆还田在减少氮磷流失的同时，因为增加了碳源会在一定程度上增加甲烷排放。因此，采取措施实现稻田氮磷流失与温室气体协同减排，既是难点，同时在当前水环境污染和气候变暖的严峻形势下极为必要。
在稻田特殊的淹水环境和需水特征下，水分管理成为影响水稻生产和碳氮磷循环的重要农艺措施。已有研究表明，合理的水分管理在稻田系统具有氮磷流失减排、碳减排、节水和增产的多重效益。不同时期，氮磷流失和温室气体排放的风险不同，比如施肥后是氮磷流失的高风险期，分蘖中后期是甲烷排放的高风险期，需分期制定碳氮磷减排措施和策略。此外还发现，水-土-气环境因子对碳氮磷排放的发生具有较好的指示性，以甲烷排放为例，高土壤C/N、低氧化还原电位、高温等环境条件均有助于甲烷排放，当上述指标达到一定阈值时，甲烷产生。通过监测重要的水土气指示性因子来指导控水操作，是对基于风险期减排的有效补充，可为及时、精准调控提供新思路。
目前，已有关于减少稻田面源污染关键污染物氮磷和温室气体CH4排放的相关专利，如CN201811109292.7公开了“一种降低稻田氮素流失的方法”、CN201710605359.5公开了“田沟塘一体化联合调控稻田面源污染的方法”、CN 115024168A公开了“一种减少秸秆还田条件下稻田甲烷排放并快速消减田面水COD的方法”，上述专利多以面源径流流失或温室气体单一流失途径为控制对象；CN 115843635A“一种稻田灌排单元面源污染与甲烷协同减排方法”重点在于利用沟渠的蓄存能力和净化能力、从田沟联动的角度进行减排，且其仅提出了针对各个时期的整体调控策略，调控的精准度有待提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能够实现稻田碳氮磷高效、精准协同减排的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，包括：
识别稻田所处的风险期，所述风险期包括氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期；
基于稻田所处的风险期确定其对应的多目标水分管控规则，在多目标水分管控规则的基础上、实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作。
所述风险期对应的多目标水分管控规则包括：
对于氮磷流失和甲烷排放叠加风险期，采用低水位运行的控水原则；
对于单一氮磷流失风险期，采用节水灌溉、降雨时能蓄则蓄的控水原则；
对于单一碳排放风险期，采用无水位或低水位运行的节水灌溉、降雨时能排尽排的控水原则。
所述氮磷流失和甲烷排放叠加风险期包括分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，所述单一氮磷流失风险期为返青期，所述单一碳排放风险期包括分蘖后期、孕穗后期；
所述风险期对应的多目标水分管控规则还包括：
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周，田面水位上、下限分别为30mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长为1-M天；
对于孕穗前期施穗肥后1-2周，田面水位上、下限分别为20mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为150mm，蓄水时长为1-M天；
对于返青期，田面水位上、下限分别为20mm、5mm，土壤水分下限100％，落干与灌水的间歇天数为0天，降雨条件下的蓄水上限为50mm，蓄水时长为1-M天；
对于分蘖后期，田面水位上限为0mm，田面晒田排水，土壤水分不低于70％，降雨条件下的蓄水上限为80mm，蓄水时长不超过1天；
对于孕穗后期，田面水位上、下限分别为40mm、0mm，土壤水分达到70％时灌水，落干和灌水的间歇天数为2-3天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长不超过1天；
M天为从蓄水到甲烷排放达到峰值的时长。
所述水-土-气关键环境因子包括碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，所述碳排放关键调控因子包括土壤氧化还原电位Eh、土壤pH、气温T中的至少一种，所述氮磷流失关键调控因子包括田面水氮浓度CN、田面水磷浓度CP；
所述实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作包括：
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，实时监测碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，当满足Eh小于阈值A、pH小于阈值B、T大于阈值C中的至少一个条件时，停止灌水操作或执行排水操作至低水位，降雨条件下减少蓄水时长或不蓄水；当满足CN大于阈值D、CP大于阈值E中的至少一个条件，且满足Eh大于阈值A、pH大于阈值B、T小于阈值C时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天；
对于返青期，实时监测氮磷流失关键调控因子，当满足CN大于阈值D、CP大于阈值E中的至少一个条件时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天，之后排水至田面水位上限20mm；当满足CN小于阈值D、CP小于阈值E中时，缩短降雨条件下的蓄水时长；
对于孕穗后期，实时监测碳排放关键调控因子，当满足Eh小于阈值A、pH小于阈值B、T大于阈值C中的至少一个条件时，采取排水操作，并将落干和灌水的间歇天数设定为3天；
所述阈值A、阈值B、阈值C根据当地甲烷集中产生的条件确定，所述阈值D、阈值E根据当地的水质标准确定。
所述控水减排技术还包括：
若稻田处于非风险期，则采用其对应的多目标水分管控规则执行控水操作，其中，所述非风险期包括抽穗期、乳熟期、黄熟期，所述非风险期对应的多目标水分管控规则包括采用常规灌溉的控水原则。
所述非风险期对应的多目标水分管控规则还包括：
对于抽穗期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为3-5天；
对于乳熟期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为4-6天；
对于黄熟期，田面水位上限为0mm，土壤水分达到50％时灌水，排水落干，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长不超过1天。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术先识别稻田所处的风险期，包括氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期，再基于稻田所处的风险期确定其对应的多目标水分管控规则，在多目标水分管控规则的基础上、实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作，该技术重点关注稻田系统的碳氮磷发生的源头—田间，充分考虑氮磷流失和温室气体排放风险期的耦合性和差异性，以及水土气微环境因子对多源排放发生的关联性和指示性，将基于风险期的“分期”调控与基于水土气微环境的“应急”调控结合起来，充分发挥水分管理在稻田系统碳氮磷减排中的巨大潜力和可操作性，实现稻田碳氮磷高效、精准协同减排，效果好、操作性强，应用前景良好。
2、本发明基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术对于抽穗期、乳熟期等非风险期，采用常规灌溉的控水原则制定对应的多目标水分管控规则，不用监测田水-土-气关键环境因子的变化，可实现操作轻简化，减少操作成本。
附图说明
图1为本发明的技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出了一种基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，该技术基于稻田氮磷径流流失与温室气体甲烷周年排放规律，识别出特定种植模式下的氮磷流失和甲烷排放叠加风险期(即多源污染耦合排放风险期)、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期、非风险期四类时期，并分期制定多目标水分管控规则；识别控水条件下表征稻田氮磷和甲烷排放的关键水-土-气环境因子及其阈值；通过稻田水-土-气关键环境因子监测实时获取关键参数；以多目标水分管控规则为田间水位/土壤水分的调控约束，以达到阈值的水-土-气环境因子中为指示性的调控因子，通过控水调控水土气微环境，实现稻田氮磷流失与甲烷排放的分期精准调控。该方法可同步实现农业面源氮磷流失与温室气体甲烷多源污染协同减排，同时确保节水和稳产。
水稻不同生长期的最佳田面水位/土壤水分由水稻生理生态需水量、碳氮磷协同减排控水需求共同决定，其中水稻生理生态需水量是约束条件。不同风险期根据防控重点制定多目标水分管控的控水规则，同时同步监测关键指示因子，并根据指示因子阈值对控水操作在符合多目标水分管控规则的前提下进行调整，以达到氮磷流失和温室气体协同减排的目标。
本发明中各调控因子及其阈值可根据区域实际情况进行优化调整。对于各碳排放关键调控因子，重要等级顺序为：土壤氧化还原电位Eh＞土壤pH＞气温T。
实施例1：
本实施例以江汉平原水旱轮作模式下的中稻稻田为对象(田埂高度为50cm，水稻生长全生育期依次为返青期(施基肥)、分蘖期(施蘖肥)、孕穗期、抽穗期、乳熟期、黄熟期)，进行基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术研究，依次按照以下步骤进行：
1、针对中稻稻田氮磷流失和温室气体甲烷的协同减排目标，在满足水稻生长的前提下，识别稻田所在时期，包括氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期、非风险期，所述氮磷流失和甲烷排放叠加风险期包括分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，所述单一氮磷流失风险期为返青期，所述单一碳排放风险期包括分蘖后期、孕穗后期，所述非风险期包括抽穗期、乳熟期、黄熟期。
2、基于稻田所处时期确定其对应的多目标水分管控规则，详见表1，包括：
对于氮磷流失和甲烷排放叠加风险期，采用低水位运行的控水原则，且降雨条件下的蓄水时长不超过从蓄水到甲烷排放达到峰值的时长，既保证尽量拦截高浓度径流，又减少甲烷发生量；对于单一氮磷流失风险期，采用节水灌溉、降雨时能蓄则蓄的控水原则，通过扩大稻田的蓄水容量最大限度减少径流流失；对于单一碳排放风险期，采用无水位或低水位运行的节水灌溉、降雨时能排尽排的控水原则，增强氧化环境，减少甲烷发生；对于非风险期，采用粗放式常规灌溉的控水原则；
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周，田面水位上、下限分别为30mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长为1-3天；
对于孕穗前期施穗肥后1-2周，田面水位上、下限分别为20mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为150mm，蓄水时长为1-3天；
对于返青期，田面水位上、下限分别为20mm、5mm，土壤水分下限100％，落干与灌水的间歇天数为0天，即田面水位为0后马上灌水，降雨条件下的蓄水上限为50mm，蓄水时长为1-3天；
对于分蘖后期，田面水位上限为0mm，田面晒田排水，土壤水分不低于70％，降雨条件下的蓄水上限为80mm，蓄水时长不超过1天；
对于孕穗后期，田面水位上、下限分别为40mm、0mm，土壤水分达到70％时灌水，落干和灌水的间歇天数为2-3天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长不超过1天；
对于抽穗期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为3-5天；
对于乳熟期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为4-6天；
对于黄熟期，田面水位上限为0mm，土壤水分达到50％时灌水，排水落干，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长不超过1天。
表1本发明多目标分期水分管控规则
3、在上述多目标水分管控规则的基础上，针对氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期，实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作，所述水-土-气关键环境因子包括碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，鉴于水土气微环境因子与氮磷和温室气体之间的物理化学关联，氮磷流失排放关键调控因子为田面水氮浓度(CN)和磷浓度(CP)，结合地方水环境保护目标和《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》，以Ⅴ类水质浓度作为氮磷流失田间径流排放阈值，即当CN≥2mg/L、CP≥0.4mg/L时，氮磷流失风险高；以甲烷为主的碳排放关键调控因子为土壤氧化还原电位(Eh)、pH和气温(T)，该区域内Eh小于-110mV、pH在5-7、T大于时30℃，为甲烷集中产生时段，因此Eh、pH、T的阈值分别取-110mV、7和30，即当Eh＜-110mV、pH＜7、T＞30℃时，甲烷产生几率大。
该步骤具体包括：
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，即整个氮磷流失和甲烷排放叠加风险期，实时监测碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，当满足Eh小于-110mV、pH小于7、T大于30℃中的至少一个条件时，停止灌水操作或执行排水操作至低水位，缓解或抑制甲烷发生，降雨条件下减少蓄水时长或不蓄水；当满足CN大于2.0mg/L、CP大于0.4mg/L中的至少一个条件，且满足Eh大于-110mV、pH大于7、T小于30℃时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天；
对于返青期，实时监测氮磷流失关键调控因子，当满足CN大于2.0mg/L、CP大于0.4mg/L中的至少一个条件时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天，之后排水至田面水位上限20mm；当满足CN小于2.0mg/L、CP小于0.4mg/L时，缩短降雨条件下的蓄水时长；
对于孕穗后期，实时监测碳排放关键调控因子，当满足Eh小于-110mV、pH小于7、T大于30℃中的至少一个条件时，采取排水操作，并将落干和灌水的间歇天数设定为3天。
分别考察本实施例所述方案以及常规水分管理方案(如表2所示)的实施效果。
表2常规水分管理方案
结果显示，与常规水分管理方案相比，本实施例所述方案在稻田源头有效削减氮和磷径流流失分别达49％、38％，有效减少稻季甲烷排放34％，同时节水38％、稳产并增产3％。
Claims (6)
1.基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
包括：
识别稻田所处的风险期，所述风险期包括氮磷流失和甲烷排放叠加风险期、单一氮磷流失风险期、单一碳排放风险期；
基于稻田所处的风险期确定其对应的多目标水分管控规则，在多目标水分管控规则的基础上、实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作。
2.根据权利要求1所述的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
所述风险期对应的多目标水分管控规则包括：
对于氮磷流失和甲烷排放叠加风险期，采用低水位运行的控水原则；
对于单一氮磷流失风险期，采用节水灌溉、降雨时能蓄则蓄的控水原则；
对于单一碳排放风险期，采用无水位或低水位运行的节水灌溉、降雨时能排尽排的控水原则。
3.根据权利要求2所述的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
所述氮磷流失和甲烷排放叠加风险期包括分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，所述单一氮磷流失风险期为返青期，所述单一碳排放风险期包括分蘖后期、孕穗后期；
所述风险期对应的多目标水分管控规则还包括：
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周，田面水位上、下限分别为30mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长为1-M天；
对于孕穗前期施穗肥后1-2周，田面水位上、下限分别为20mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为1-2天，降雨条件下的蓄水上限为150mm，蓄水时长为1-M天；
对于返青期，田面水位上、下限分别为20mm、5mm，土壤水分下限100％，落干与灌水的间歇天数为0天，降雨条件下的蓄水上限为50mm，蓄水时长为1-M天；
对于分蘖后期，田面水位上限为0mm，田面晒田排水，土壤水分不低于70％，降雨条件下的蓄水上限为80mm，蓄水时长不超过1天；
对于孕穗后期，田面水位上、下限分别为40mm、0mm，土壤水分达到70％时灌水，落干和灌水的间歇天数为2-3天，降雨条件下的蓄水上限为100mm，蓄水时长不超过1天；
M天为从蓄水到甲烷排放达到峰值的时长。
4.根据权利要求3所述的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
所述水-土-气关键环境因子包括碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，所述碳排放关键调控因子包括土壤氧化还原电位Eh、土壤pH、气温T中的至少一种，所述氮磷流失关键调控因子包括田面水氮浓度CN、田面水磷浓度CP；
所述实时结合稻田水-土-气关键环境因子的监测数据执行控水操作包括：
对于分蘖前期施蘖肥后1-2周、孕穗前期施穗肥后1-2周，实时监测碳排放关键调控因子、氮磷流失关键调控因子，当满足Eh小于阈值A、pH小于阈值B、T大于阈值C中的至少一个条件时，停止灌水操作或执行排水操作至低水位，降雨条件下减少蓄水时长或不蓄水；当满足CN大于阈值D、CP大于阈值E中的至少一个条件，且满足Eh大于阈值A、pH大于阈值B、T小于阈值C时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天；
对于返青期，实时监测氮磷流失关键调控因子，当满足CN大于阈值D、CP大于阈值E中的至少一个条件时，将降雨条件下的蓄水时长设定为3天，之后排水至田面水位上限20mm；当满足CN小于阈值D、CP小于阈值E时，缩短降雨条件下的蓄水时长；
对于孕穗后期，实时监测碳排放关键调控因子，当满足Eh小于阈值A、pH小于阈值B、T大于阈值C中的至少一个条件时，采取排水操作，并将落干和灌水的间歇天数设定为3天；
所述阈值A、阈值B、阈值C根据当地甲烷集中产生的条件确定，所述阈值D、阈值E根据当地的水质标准确定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
所述控水减排技术还包括：
若稻田处于非风险期，则采用其对应的多目标水分管控规则执行控水操作，其中，所述非风险期包括抽穗期、乳熟期、黄熟期，所述非风险期对应的多目标水分管控规则包括采用常规灌溉的控水原则。
6.根据权利要求5所述的基于风险期与水土气微环境的稻田碳氮磷控水减排技术，其特征在于：
所述非风险期对应的多目标水分管控规则还包括：
对于抽穗期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为3-5天；
对于乳熟期，田面水位上、下限分别为50mm、0mm，土壤水分达到80％时灌水，落干和灌水的间歇天数为3-5天，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长为4-6天；
对于黄熟期，田面水位上限为0mm，土壤水分达到50％时灌水，排水落干，降雨条件下的蓄水上限为200mm，蓄水时长不超过1天。
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