一種基于區(qū)域尺度旱地作物氮投入環(huán)境閾值的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于區(qū)域尺度旱地作物氮投入的 環(huán)境闊值確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮素是植物需求量較大的營養(yǎng)元素之一，是決定±壤生產(chǎn)力的重要限制性因素。 氮肥的大量使用極大促進了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的作物產(chǎn)量，氮肥在作物產(chǎn)量提高中的 貢獻率達到了 40%W上。但是過度的使用化肥，不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低了農(nóng)民的實 際收入；還引發(fā)了日益嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染、地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽超標等環(huán)境安 全問題，W單純追求作物高產(chǎn)為目標的氮肥施用策略越來越不適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán) 境保護的要求。
[0003] 旱地作物種植面積占我國耕地面積的一半W上，是農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的重要區(qū) 域。因此，如何在保證糧食安全的前提下，提出我國基于區(qū)域尺度上旱地作物氮投入的環(huán)境 闊值，已經(jīng)成為指導我國農(nóng)民合理施用氮肥，合理確定我國化肥氮減量空間的重大需求。
[0004] 目前，很多研究者從不同的角度提出了如何確定氮肥合理使用量：1)基于作物生 育期間氮素的需求提出，運一方法主要利用葉綠素儀對作物體內(nèi)氮含量進行實時監(jiān)測確定 追氮量；2)基于點位和區(qū)域作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益提出，運一方法主要通過測±配方施肥工 程、不同氮梯度下的肥料效應試驗確定施氮量；3)基于氮素的表觀平衡提出，即地上部作 物氮的攜出量就是氮肥的投入量；4)基于作物目標產(chǎn)量、氮肥生理利用率和推薦施肥條件 下的表觀累計回收率確定作物的氮肥使用量；5)基于環(huán)境風險指標提出，多數(shù)研究是基于 某一個環(huán)境指標提出，運一方法主要通過相關(guān)的模型進行氮素風險評價。雖然也有個別研 究通過多個環(huán)境指標進行提出，但提出氮投入闊值后，未對該闊值進行風險評估?？梢?，運 些確定氮肥合理使用量的方法大多都基于滿足作物產(chǎn)量為目標的農(nóng)學闊值。雖然也有一些 研究量化了該農(nóng)學闊值下的環(huán)境風險，但都基于田塊尺度，未在區(qū)域尺度下，系統(tǒng)性定量化 的從地下淋溶、地表徑流或氨揮發(fā)等氮的主要損失途徑出發(fā)綜合確定氮的流失量，也未對 提出的氮投入闊值進行產(chǎn)量和環(huán)境風險評估。
[0005] 因此，尋求一種基于區(qū)域尺度的、可行的和有效的旱地作物氮投入環(huán)境闊值的確 定方法，在保證作物產(chǎn)量的同時控制氮肥投入，減少過量施氮引起的環(huán)境風險，具有重大的 經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于W上分析，本發(fā)明的目的是提出一種基于區(qū)域尺度旱地作物氮投入環(huán)境闊值 的確定方法，通過該方法確定的氮肥使用量，不僅能減少氮肥的投入量，確保減肥條件下區(qū) 域作物不減產(chǎn)，同時又能大幅降低氮素的流失量，減少過量的氮肥投入導致的環(huán)境污染，達 到既保證基于區(qū)域尺度的作物產(chǎn)量，又能確保區(qū)域環(huán)境安全。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于區(qū)域尺度旱地作物氮投入環(huán)境闊值的確定方法，包括W下步驟：
[0009] (1)區(qū)域內(nèi)最高相對產(chǎn)量下施氮量的確定
[0010] ①查閱區(qū)域內(nèi)某一旱地作物的施氮量及其產(chǎn)量的歷史文獻數(shù)據(jù)，根據(jù)查閱的歷史 文獻施氮量及其作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，計算每一施氮量對應的作物相對產(chǎn)量，作物相對產(chǎn)量計算 為公式1 :
[00川 Y椒爐量=Yi/YmaxX100 % (公式 1)，
[0012] 公式1中，Yi為某一施氮梯度下某一施氮量的作物產(chǎn)量，Ym。、為該施氮梯度下最大 作物產(chǎn)量，為該施氮量下的作物相對產(chǎn)量；
[0013] ②根據(jù)區(qū)域內(nèi)的±壤類型設(shè)置施氮梯度試驗，每個±壤類型至少設(shè)置一個施氮梯 度試驗，每個施氮梯度試驗至少設(shè)置一個年度的試驗，實測各施氮梯度試驗中各施氮量對 應的作物產(chǎn)量，并計算各施氮梯度試驗中每一施氮量對應的作物相對產(chǎn)量，該作物相對產(chǎn) 量的計算采用公式2計算；
[0014] Y試驗相對產(chǎn)量二Y試驗i/Y試驗maxX100^ (公式。，
[001引公式2中，為某一年內(nèi)某一施氮梯度試驗某一施氮量下的作物產(chǎn)量， 為該年內(nèi)該施氮梯度試驗最大的作物產(chǎn)量，為該年內(nèi)該施氮梯度試驗該施氮量下 的作物相對產(chǎn)量；
[001引③W步驟（1)①和步驟（1)②所述的各施氮量為橫坐標，W步驟（1)①和步驟 (1)②所述的各施氮量對應的作物相對產(chǎn)量為縱坐標，用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，建立區(qū)域尺度上施 氮量與作物相對產(chǎn)量的產(chǎn)量效應方程，所建立的區(qū)域尺度上施氮量與作物相對產(chǎn)量的產(chǎn)量 效應方程為公式3 :
[0017] Y相對產(chǎn)量=日3又2+63又+。3(公式扣，
[001引公式3中，Y相對產(chǎn)量為作物相對產(chǎn)量，X為施氮量，曰3和b3為系數(shù)，C3為常數(shù)；
[0019] ④根據(jù)公式3的頂點坐標公式：〔（斗3/2曰3)，（4曰3〇3斗32)/4曰3))，求得區(qū)域內(nèi)最高相 對廣量下施氮量和最局相對廣量，
[0020]X最高相對產(chǎn)量下臟量二（-63/2?)，Y最高相對產(chǎn)量二（4日3。3_632) /4日3;
[0021] (2)初步確定區(qū)域尺度旱地作物氮投入的環(huán)境闊值
[002引①W步驟（1)④計算的最高相對產(chǎn)量為基準，通過公式4,計算從99%至 94%每降低一個百分點的相對產(chǎn)量，將W最高相對產(chǎn)量Y最尉耐產(chǎn)量為基準，，從99%至94% 每降低一個百分點的相對產(chǎn)量稱為不同產(chǎn)量保證率，所述不同產(chǎn)量保證率分別為99 %最高 相對產(chǎn)量、98 %最高相對產(chǎn)量、97 %最高相對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、 94 %最高相對產(chǎn)量，
[002引 W=Y最高相對產(chǎn)量XE(公式4)，
[0024] 公式4中E分別為0. 99、0. 98、0. 97、0. 96、0. 95、0. 94，W為不同產(chǎn)量保證率，E分別 為0. 99、0. 98、0. 97、0. 96、0. 95、0. 94時。W分別對應地為99%最高相對產(chǎn)量、98%最高相 對產(chǎn)量、97 %最高相對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、94 %最高相對產(chǎn)量；
[0025] 將計算得到的99%最高相對產(chǎn)量、98%最高相對產(chǎn)量、97%最高相對產(chǎn)量、96%最 高相對產(chǎn)量、95%最高相對產(chǎn)量、94%最高相對產(chǎn)量分別代入公式3中計算得到不同產(chǎn)量 保證率下對應的施氮量；
[0026] ②繪制不同產(chǎn)量保證率下邊際±壤無機氮儲量圖
[0027]A、建立施氮量與±壤無機氮儲量的關(guān)系方程
[0028] 實測步驟（1)②各施氮梯度試驗中的每一個施氮量下在〇-l〇〇cm±壤中的±壤 無機氮儲量，W各施氮梯度試驗的每一個施氮量為橫坐標，每一個施氮量對應的±壤無機 氮儲量為縱坐標，用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，建立施氮量與±壤無機氮儲量的關(guān)系方程，如果施氮梯 度試驗為兩年W上的試驗，則縱坐標為每一個施氮量對應的兩年W上的平均±壤無機氮儲 量，施氮量與±壤無機氮儲量的關(guān)系方程為公式5 :
[0029] Y王壤無機氮儲量二曰seb X (公式巧，
[0030] 公式5中，Y王壤無機氮儲量為O-lOOcm±壤中的±壤無機氮儲量，單位為kg·hm2;x為 施氮量、單位為kg，as為常數(shù)、b'為系數(shù)；
[0031] 分別將步驟似①計算得到的99 %最高相對產(chǎn)量、98 %最高相對產(chǎn)量、97 %最高 相對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、94 %最高相對產(chǎn)量對應的施氮量代入公 式5,計算得到對應的±壤無機氮儲量
[0032] B、繪制不同產(chǎn)量保證率下邊際±壤無機氮儲量圖
[0033] 邊際±壤無機氮儲量采用公式6計算：
[0034] 邊際±壤無機氮儲量y= ±壤無機氮儲量bW-上壤無機氮儲量y(公式6)，
[0035] 公式6中，±壤無機氮儲量y分別為99%最高相對產(chǎn)量、98%最高相對產(chǎn)量、97% 最高相對產(chǎn)量、96%最高相對產(chǎn)量、95%最高相對產(chǎn)量、94%最高相對產(chǎn)量對應的±壤無機 氮儲量，±壤無機氮儲量b+υ為比±壤無機氮儲量y對應的相對產(chǎn)量高一個百分點的相對 產(chǎn)量對應的上壤無機氮儲量，如上壤無機氮儲量y為98%最高相對產(chǎn)量對應的±壤無機氮 儲量，則±壤無機氮儲量為99%最高相對產(chǎn)量對應的±壤無機氮儲量，W此類推；
[0036] 在橫坐標上從左至右依次取如下不同產(chǎn)量保證率：99%最高相對產(chǎn)量，98%最高 相對產(chǎn)量，97 %最高相對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、94 %最高相對產(chǎn)量， 縱坐標為不同產(chǎn)量保證率對應的邊際±壤無機氮儲量，繪制不同產(chǎn)量保證率下邊際±壤無 機氮儲量圖；
[0037] ③繪制不同產(chǎn)量保證率下邊際氨揮發(fā)量圖
[0038]A、建立施氮量與氨揮發(fā)量的關(guān)系方程
[0039] 實測步驟（1)②各施氮梯度試驗中的每一個施氮量下的氨揮發(fā)量，W各施氮梯度 試驗的每一個施氮量為橫坐標，每一個施氮量對應的氨揮發(fā)量為縱坐標，用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件， 建立施氮量與氨揮發(fā)量的關(guān)系方程，如果施氮梯度試驗為兩年W上的試驗，則縱坐標為每 一個施氮量對應的兩年W上的平均氨揮發(fā)量，施氮量與氨揮發(fā)量的關(guān)系方程為公式7 :
[0040] Y氨揮發(fā)量二by+kyX (公式7),
[00川公式7中，Y氨揮發(fā)量為氨揮發(fā)量、單位為kgN·hm2;x為施氮量、單位為kg，k7為系 數(shù)、b,為參數(shù)；
[0042] 分別將步驟（2)①計算得到的99 %最高相對產(chǎn)量、98 %最高相對產(chǎn)量、97 %最高 相對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、94 %最高相對產(chǎn)量對應的施氮量代入公 式7,計算得到對應的氨揮發(fā)量
[0043] B、繪制不同產(chǎn)量保證率下邊際氨揮發(fā)量圖
[0044] 邊際氨揮發(fā)量采用公式8計算：
[0045] 邊際氨揮發(fā)量y=氨揮發(fā)量bW-氨揮發(fā)量y(公式8)，
[0046] 公式8中，氨揮發(fā)量y分別為99%最高相對產(chǎn)量、98%最高相對產(chǎn)量、97%最高相 對產(chǎn)量、96 %最高相對產(chǎn)量、95 %最高相對產(chǎn)量、94 %最高相對產(chǎn)量對應的氨揮發(fā)量，氨揮 發(fā)量b+l>為比氨揮發(fā)量y對應的相對產(chǎn)量高一個百分點的相對產(chǎn)量對應的氨揮發(fā)量，如氨 揮發(fā)量y為98 %最高相對產(chǎn)量對應的氨揮發(fā)量，則氨揮發(fā)量為99 %最高相對產(chǎn)量對應 的氨揮發(fā)量，W此類推；