一種流域尺度氮素化肥最大允許投入量的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種確定流域尺度氮素化肥最大允 許投入量的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 農(nóng)業(yè)面源污染通常指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，農(nóng)田中的泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、農(nóng)藥及其他污染 物，在灌溉或降水過(guò)程中通過(guò)地表徑流、壤中流、農(nóng)田排水和下滲進(jìn)入水體而造成的地表和 地下水環(huán)境污染。
[0003] 氮素化肥的高投入被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源之一，因此迫切需要?jiǎng)澏ǖ?素化肥投入的限制性標(biāo)準(zhǔn)及其確定方法，以制定基于農(nóng)業(yè)面源污染防治目標(biāo)的氮素養(yǎng)分管 理方案。
[0004] 現(xiàn)有氮素化肥檢測(cè)方法的報(bào)道有：
[0005] 對(duì)比文獻(xiàn)CN201410442797公開(kāi)了一種農(nóng)田氮素投入閾值的計(jì)算方法，它是經(jīng)過(guò) 對(duì)比種植獲得數(shù)據(jù)，繼而得到農(nóng)田作物的產(chǎn)量氮素閾值和農(nóng)田的環(huán)境氮素投入閾值，進(jìn)而 確定農(nóng)田土壤類(lèi)型，修正后，計(jì)算農(nóng)田氮素投入閾值。
[0006] 對(duì)比文獻(xiàn)CN201310632685公開(kāi)了一種稻田氮肥施用量的確定方法，它提出了建 立稻田施氮量與作物產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)的直線平臺(tái)模型，基于直線平臺(tái)反映的數(shù)據(jù)信息確定 稻田合理施氮量。目前，氮素化肥投入量的確定一般多集中在以產(chǎn)量為考核目標(biāo)的農(nóng)學(xué)效 應(yīng)方面，而以環(huán)境效應(yīng)為考量目標(biāo)的方法也多局限于基于"超過(guò)作物養(yǎng)分需求的過(guò)量養(yǎng)分 易發(fā)生流失"的風(fēng)險(xiǎn)理論?；谶^(guò)量養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)理論的氮素化肥投入量確定方法由于缺 乏考慮地形、氣候等因素對(duì)養(yǎng)分流失的影響，無(wú)法定量養(yǎng)分在流域內(nèi)的流失過(guò)程，因此無(wú)法 定量評(píng)估氮素化肥投入對(duì)目標(biāo)水體造成的水環(huán)境效應(yīng)。
[0007] 鑒于以上方法的局限性，有必要建立一種綜合考慮氮素流失因素，以對(duì)目標(biāo)水體 的環(huán)境影響為考核目標(biāo)的流域尺度氮素化肥投入量的確定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種依據(jù)本發(fā)明，在建立氮素化肥投入量與氮素輸出濃度響 應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，只需通過(guò)調(diào)查獲知目標(biāo)研究區(qū)的地表水水質(zhì)安全目標(biāo)，即可快速確定該 研究區(qū)氮素化肥最大允許投入量的方法。解決農(nóng)作物產(chǎn)能和污染之間的矛盾，減少對(duì)環(huán)境 的污染，有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。
[0009] 為解決上述問(wèn)題本發(fā)明擬采用的技術(shù)方案，確定流域尺度氮素化肥最大允許投入 量的方法。
[0010] 本發(fā)明的方法包括以下步驟：
[0011] 1)選取典型研究區(qū)；
[0012] 2)構(gòu)建典型研究區(qū)面源污染的模型，并模擬驗(yàn)證；
[0013] 3)建立氮素化肥投入量與氮素輸出濃度的響應(yīng)關(guān)系；
[0014] 4)根據(jù)目標(biāo)研究區(qū)環(huán)境規(guī)劃及環(huán)境分區(qū)水質(zhì)要求，確定保證目標(biāo)研究區(qū)地表水水 質(zhì)安全的總氮濃度限值；
[0015] 5)確定目標(biāo)研究區(qū)氮素化肥最大允許投入量。
[0016] 上述方法中：
[0017] 步驟1)中典型區(qū)域的要求是：①典型性與目標(biāo)研究區(qū)的氣象、水文、地形等自然 及種植模式、農(nóng)田管理措施等人為特征一致；涵蓋目標(biāo)研究區(qū)主要的土壤類(lèi)型及土地利用 方式；②數(shù)據(jù)完整易于收集模型模擬所需要的DEM、土壤、土地利用圖等空間數(shù)據(jù)及土壤屬 性、氣象、水文等屬性數(shù)據(jù)；③便利性所處位置交通便利，且為封閉流域，出口較為單一，便 于開(kāi)展水文監(jiān)測(cè)。
[0018] 步驟2)中：
[0019] 所述面源污染模型可以采用SWAT模型、AGNPS模型或HSPF模型等。
[0020] 所述面源污染模型構(gòu)建包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的構(gòu)建?？臻g數(shù)據(jù)包括DEM、土壤 圖及土地利用圖，其中：
[0021] DEM數(shù)據(jù)，從國(guó)家基礎(chǔ)信息中心下載，為模型提供基本的地理空間信息；
[0022] 土壤圖，從中科院南土所1:100萬(wàn)的土壤類(lèi)型圖提取，為模型提供土壤的類(lèi)型及 分布等信息；
[0023] 土地利用圖，從當(dāng)?shù)貒?guó)土資源部門(mén)收集，為模型提供土地利用的類(lèi)型與分布等信 息。
[0024] 屬性數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、農(nóng)田管理數(shù)據(jù)等，其中：氣象數(shù)據(jù)，從國(guó)家 氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載，包括溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、降雨量等；土壤屬性數(shù)據(jù)，通過(guò)土壤 類(lèi)型轉(zhuǎn)制，查閱二次土壤普查數(shù)據(jù)庫(kù)及土壤取樣分析獲得，包括土壤質(zhì)地、機(jī)械組成、含水 量、導(dǎo)水率等物理性質(zhì)及土壤碳、氮、磷含量等化學(xué)性質(zhì)；農(nóng)田管理數(shù)據(jù)，通過(guò)農(nóng)戶(hù)調(diào)查和查 閱統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得，包括耕作數(shù)據(jù)（耕作方式、時(shí)間、深度）、施肥數(shù)據(jù)（肥料種類(lèi)、施用時(shí)間、 方式及施用量）及灌溉數(shù)據(jù)（灌溉水來(lái)源、灌溉方式、時(shí)間及灌溉水量）。
[0025] 所述面源污染模擬，應(yīng)用構(gòu)建的面源污染模型，通過(guò)水系提取、子流域劃分、 HRU(水文響應(yīng)單元）生成、氣象及土壤、管理參數(shù)輸入等過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)模型，并根據(jù)典型研究區(qū) 實(shí)測(cè)的徑流、泥沙、氮負(fù)荷等數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證。
[0026] 收集流域出口河流流量、泥沙含量及總氮濃度等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并將模型模擬結(jié)果與 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型適用性。
[0027] 所述流量數(shù)據(jù)通過(guò)選用Waterlog H-3553氣泡水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲得；
[0028] 所述泥沙含量及總氮濃度通過(guò)自行采集河流水樣，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析獲得。
[0029] 步驟3)中：建立氮素化肥投入量與氮素輸出濃度響應(yīng)關(guān)系，通過(guò)調(diào)查收集目標(biāo) 研究區(qū)的氮素化肥習(xí)慣性施肥量，并以該值為參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定習(xí)慣性施肥、減施20%、減施 40%、減施60%、減施80%、不施等幾種施肥情景，應(yīng)用驗(yàn)證后的面源污染模型，分別模擬 不同情景下目標(biāo)研究區(qū)的徑流、氮素輸出量，計(jì)算徑流中氮素的濃度。通過(guò)對(duì)不同情境下氮 素化肥投入量與流域氮素輸出濃度進(jìn)行回歸分析建立氮素化肥投入與氮素輸出濃度的響 應(yīng)關(guān)系方程。
[0030] 步驟4)中：根據(jù)目標(biāo)研究區(qū)環(huán)境規(guī)劃及環(huán)境分區(qū)水質(zhì)要求，確定保證目標(biāo)研究區(qū) 地表水水質(zhì)安全的總氮濃度限值。
[0031] 步驟5)中：將保證目標(biāo)研究區(qū)地表水水質(zhì)安全的總氮濃度限值代入建立的氮素 化肥投入量與流域氮素輸出濃度響應(yīng)關(guān)系式，確定目標(biāo)研究區(qū)氮素化肥的最大允許投入 量。
[0032] 本發(fā)明提供的確定方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 1、本發(fā)明公開(kāi)的根據(jù)流域地表水環(huán)境要求計(jì)算研究區(qū)最大允許施氮量，能夠只需 通過(guò)調(diào)查獲知研究區(qū)的地表水水質(zhì)安全目標(biāo)，即可快速確定該研究區(qū)氮素化肥最大允許投 入量，該方法便捷、可行有效。利用該方法確定的流域尺度氮素化肥最大允許投入量，既能 夠避免氮肥的浪費(fèi)，又可以減少對(duì)環(huán)境的污染，改善農(nóng)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。本方法簡(jiǎn)單易操作， 在流域尺度農(nóng)業(yè)面源污染防控管理技術(shù)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。
[0034] 2、該發(fā)明以大區(qū)域（目標(biāo)研究區(qū)）的代表性小流域（典型研究區(qū)）面源污染相關(guān) 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建面源污染模型（實(shí)例選取SWAT模型），并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行 校準(zhǔn)、驗(yàn)證。
[0035] 3、通過(guò)調(diào)查收集目標(biāo)研究區(qū)的氮素化肥習(xí)慣性施肥量，并以該值為參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè) 定習(xí)慣性施肥、減施20 %、減施40 %、減施60 %、減施80 %、不施等幾種施肥情景，應(yīng)用驗(yàn)證 后的面源污染模型，分別模擬不同情景下目標(biāo)研究區(qū)的徑流、氮素輸出量，計(jì)算徑流中氮素 的濃度。通過(guò)對(duì)不同情境下氮素化肥投入量與流域氮素輸出濃度進(jìn)行回歸分析建立氮素化 肥投入與氮素輸出濃度的響應(yīng)關(guān)系方程。
[0036] 4、查閱目標(biāo)研究區(qū)相關(guān)水環(huán)境保護(hù)資料，確定氮素濃度的最高限值。
[0037] 5、將目標(biāo)研究區(qū)的氮素濃度最高限值代入建立的氮素化肥投入與氮素輸出濃度 的響應(yīng)關(guān)系方程，計(jì)算目標(biāo)研究區(qū)氮素濃度最高限值下的氮素化肥投入量，即目標(biāo)研究區(qū) 氮素化肥投入的最大允許量。
[0038] 該發(fā)明的特點(diǎn)為通過(guò)目標(biāo)研究區(qū)內(nèi)的典型研究區(qū)構(gòu)建的面源污染模型建立目標(biāo) 研究區(qū)氮素化肥投入與氮素輸出濃度的響應(yīng)關(guān)系，一、區(qū)別于他人僅局限于根據(jù)本研究區(qū) 數(shù)據(jù)構(gòu)建模型來(lái)評(píng)估本區(qū)不同施肥情景產(chǎn)生的水環(huán)境效應(yīng)（未向大范圍擴(kuò)展，也未提出流 域尺度氮素化肥投入最大允許量）；二、本發(fā)明提出了基于目標(biāo)水體水質(zhì)控制目標(biāo)的流域 尺度氮素化肥投入最大允許量，區(qū)別于他人根據(jù)農(nóng)學(xué)效應(yīng)（產(chǎn)量水平）和養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn)提 出的田塊尺度氮肥投入閾值（由于從田塊流失的氮素向目標(biāo)水體迀移過(guò)程中，溝渠、河道 對(duì)氮素具有衰減作用。上述兩種方法無(wú)法直接定量評(píng)估氮素化肥施用對(duì)目標(biāo)水體的環(huán)境效 應(yīng)，僅能做出定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）如：文獻(xiàn)CN201410442797和CN201310632685。
[0039] 6、本發(fā)明在有機(jī)氮肥、磷、鉀等其他肥料施用及其他條件保持現(xiàn)狀情況下，旨在通 過(guò)建立的氮素化肥投入與氮素輸出濃度的響應(yīng)關(guān)系，確定氮素化肥的最大允許投入量。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為鳳羽河流域位置圖；
[0041] 圖2為常規(guī)有機(jī)肥施用條件下不同氮素化肥投入量梯度流域總氮輸出濃度。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0043] 洱海，是蒼山洱海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是我國(guó)城郊湖泊中得到較好保護(hù)而幸存的 一顆高原明珠，洱海兼具生產(chǎn)生活、發(fā)電、航運(yùn)、旅游、養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)氣候等多種功能，被人稱(chēng)為 母親湖，但近年來(lái)由于過(guò)量施肥、施肥結(jié)構(gòu)不合理、農(nóng)田排