一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，具体按照以下步骤实施：将土壤剖面划分为表层土壤、中层土壤、底层土壤；分别获取表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比；分别获取表层土壤质地系数、中层土壤质地系数和底层土壤质地系数；以农田土壤中硝态氮淋失的重要程度为依据，对各层土壤进行权重赋值，得到表层土壤质地系数权重、中层土壤质地系数权重和底层土壤质地系数权重；计算土壤硝态氮淋失指数，确定评价标准。本发明对土壤硝态氮淋失程度进行评价，然后根据评价标准确定农作物的施氮量和施肥方法避免了氮肥使用量过多而引起的硝态氮淋失对地下水造成的污染。
【专利说明】
一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法及应用
技术领域
[0001] 本发明属于农业资源环境技术领域，具体涉及一种评价农田土壤中硝态氮淋失的 方法及应用。
【背景技术】
[0002] 硝态氮是农作物种植中主要施用肥料氮肥在土壤中转化为有效态养分的主要形 态之一，为农产品的高产高效生长提供氮源。但是长期大量的施用氮肥，容易造成土壤中的 硝态氮淋失，进而会造成地下水的硝酸盐污染。现代科学研究表明，地下水的污染负荷有 77%来自土壤所施用的肥料。过量施用氮肥及大水漫灌的集约化高产农业生产区，则是造 成地下水硝酸盐污染的主要地区。我国有大部分地区是以地下水作为饮用水水源，地下水 的水质好坏直接关系到人民群众身体健康。因此，以评价土壤硝态氮淋失为基础，优化农作 物施氮量和施肥方法，对于防控地下水的硝酸盐污染具有十分重要的现实意义和社会效 益。
[0003] 现有的农作物施氮量和施肥方法一般是根据经验值施用氮肥，采用习惯的施肥方 法，忽略了土壤的土体构型对硝态氮淋失的影响，容易导致氮肥的施用量过多的现象，氮肥 使用量过多时容易引起土壤硝态氮淋失对地下水造成的污染。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法及应用，对土壤硝态 氮淋失程度进行评价，根据土壤硝态氮淋失程度确定氮肥施用量和施用方法，避免了氮肥 使用量过多而引起的硝态氮淋失对地下水造成的污染。
[0005] 本发明一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，具体按照以下步骤实施：
[0006] 将土壤剖面划分为表层土壤、中层土壤、底层土壤；
[0007] 分别获取表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比；
[0008] 将所述表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比分别进 行标准化处理，获得表层土壤质地系数、中层土壤质地系数和底层土壤质地系数；
[0009] 以农田土壤中硝态氮淋失的重要程度为依据，对表层土壤、中层土壤、底层土壤进 行权重赋值，得到表层土壤质地系数权重、中层土壤质地系数权重和底层土壤质地系数权 重；
[0010] 根据公式(1)计算土壤硝态氮淋失指数，确定土壤评价标准，
[0011] 所述公式（1)为，土壤硝态氮淋失指数=表层土壤质地系数*表层土壤质地系数权 重+中层土壤质地系数*中层土壤质地系数权重+底层土壤质地系数*底层土壤质地系数权 重。
[0012] 优选的，所述土壤剖面取0-90cm的剖面深度，表层土壤取0-30cm的剖面深度，中层 土壤取30-60em的剖面深度，底层土壤取60-90em的剖面深度。
[0013]优选的，所述标准化处理，按照公式(2)进行计算：
[0014] Di = Zi*100/100 (2)
[0015]其中，i = 1，2，3，Di表示表层土壤质地系数，D2表示中层土壤质地系数，D3表示底层 土壤质地系数，Zi表示表层土壤的土壤粘粒含量百分比，Z2表示中层土壤的土壤粘粒含量百 分比，Z 3表示底层土壤的土壤粘粒含量百分比。
[0016] 优选的，所述表层土壤质地系数权重为0.2,中层土壤质地系数权重为0.4,底层土 壤质地系数权重为0.4;
[0017] 所述土壤评价标准如下：
[0018] 土壤硝态氮淋失指数< 1.0，则土壤评价为硝态氮重度淋失，1.0<土壤硝态氮淋 失指数< 2.0，则土壤评价为硝态氮中度淋失，2.0 <土壤硝态氮淋失指数< 3.0，则土壤评 价为硝态氮轻度淋失，3.0 <土壤硝态氮淋失指数<4.0，则土壤评价为硝态氮不易淋失，土 壤硝态氮淋失指数>4.0，则土壤评价为硝态氮难淋失。
[0019] 本发明还提供了上述评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，在农作物施肥中的应 用。
[0020] 优选的，所述农作物为冬小麦时，以氮元素的质量计，施氮总量250kg N/hm2,并且 对于不同的土壤按以下方式施氮：
[0021] (al)评价为硝态氮不易淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,冬小麦返 青拔节期施氮量125kg N/hm2;
[0022] (a2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量l〇〇kg N/hm2,抽穗期施氮量25kg N/hm2;
[0023] (a3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量35kg N/hm2,抽穗期施氮量90kg N/hm2;
[0024] (a4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量75kg N/hm2,抽穗期施氮量50kg N/hm2。
[0025]优选的，所述农作物为夏玉米时，以氮元素的质量计，对于不同的土壤按以下方式 施氮：
[0026] (bl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，施用玉米专用复合肥，夏玉米苗期施氮量 150kg N/hm2；
[0027] (b2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施氮量 150-180kg N/hm2；
[0028] (b3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施氮量 150-180kg N/hm2；
[0029] (b4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，施用尿素和玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施 氮量150-180kg N/hm2,其中尿素占总计施氮量的30%，玉米专用缓控肥占总计施氮量的 70% 〇
[0030]优选的，所述农作物为棉花时，施用缓释氮肥，以氮元素的质量计，施氮总量175kg N/hm2，并且对于不同的土壤按以下方式施氮：
[0031] (cl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，棉花播种前施氮量122.5kg N/hm2,蕾期施氮 量26.25kg N/hm2，花铃期26.25kg N/hm2;
[0032] (c2)评价为硝态氮轻度或中度淋失的土壤，棉花播种前施氮量105kg N/hm2,蕾期 施氮量35kg N/hm2,花铃期35kg N/hm2;
[0033] (c3)评价为硝态氮重度淋失的土壤，棉花播种前施氮量87.5kg N/hm2，蕾期施氮 量43.751^~/111112，花铃期43.751^~/111112。
[0034]本发明对土壤硝态氮淋失程度进行评价，根据土壤硝态氮淋失程度确定氮肥施用 量和施用方法，避免了氮肥使用量过多而引起的硝态氮淋失对地下水造成的污染，有助于 防控地下水的硝酸盐污染。
【具体实施方式】
[0035]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明，需要说明的是，若未特别说明，以 下实施例的方法中所提及指标的测定，均采用本领域的常规方法。
[0036]本发明一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，具体按照以下步骤实施：
[0037]步骤1，将土壤剖面划分为表层土壤、中层土壤、底层土壤。
[0038] 土壤剖面取0-90cm的剖面深度，将土壤剖面进行划分时，表层土壤取0-30cm的剖 面深度，中层土壤取30_60cm的剖面深度，底层土壤取60_90em的剖面深度。
[0039]步骤2,分别获取表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分 比。
[0040] 其中，表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比主要是 通过土壤颗粒组成分析测定获得，但是对于有工作基础的地区，若表层土壤、中层土壤和底 层土壤已经有土壤剖面的质地描述和分类，可以参照卡庆斯基土壤质地分类标准(见表1)， 获得表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比。
[0041] 需要说明的是，为了使实验结果更加准确，步骤2中土壤物理性粘粒的直径小于 0.01mm〇
[0042]步骤3,将所述表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比 分别进行标准化处理，获得表层土壤质地系数、中层土壤质地系数和底层土壤质地系数。 [0043]优选的，所述标准化处理，按照如下公式进行计算：
[0044] Di = Zi*100/100 (2)
[0045]其中，i = 1，2，3，Di表示表层土壤质地系数，D2表示中层土壤质地系数，D3表示底层 土壤质地系数，Zi表示表层土壤的土壤物理性粘粒含量百分比，Z2表示中层土壤的土壤物理 性粘粒含量百分比，Z3表示底层土壤的土壤物理性粘粒含量百分比。
[0046]根据卡庆斯基土壤质地分类标准可以知道，土壤物理性粘粒含量百分比与土壤质 地具有可靠的对应关系，而土壤质地是土壤硝态氮淋失难易的最重要决定因素。因此，可以 依据土壤物理性粘粒含量百分比评价土壤硝态氮淋失难易。
[0047]因此，对土壤物理性粘粒含量百分比按照公式（2)进行标准化处理，得到表2所示 的标准化值，在标准化处理的过程中，表2中各个土壤质地标准化值进行计算的时候，取表1 中相应土壤质地的土壤物理性粘粒含量百分比的平均值。
[0048]表1卡庆斯基土壤质地分类标准
[0049]
[0050] 表2 土壤质地的质地系数标准化值
1〇〇52]步骤4,以农田土壤中硝态氮淋失的重要程度为依据，对表层土壤、中层土壤、底层 土壤进行权重赋值，得到表层土壤质地系数权重、中层土壤质地系数权重和底层土壤质地 系数权重。
[0053]需要说明的是，步骤3的表层土壤质地系数权重、中层土壤质地系数权重底层土壤 质地系数权重的赋值方法，可以采用主观赋值法、客观赋值法、主客观综合集成赋值法等本 领域常用的权重赋值方法，其中主观赋值法主要是由专家根据经验进行主观判断而获得权 重赋值;客观赋值法是根据历史数据研究指标之间的相关关系或者指标与评估结果的关系 进行综合评估而获得权重赋值;主客观综合集成赋值法则是结合了主观赋值法和客观赋值 法的优点，最终获得权重赋值的方法。
[0054]本发明采用主观赋值法，选择20名土壤专家，以农田土壤中硝态氮淋失的重要程 度为依据，分别对表层土壤、中层土壤以及底层土壤的权重进行赋值，平均结果见表3,表层 土壤质地系数权重被赋予0.2,中层土壤质地系数权重和底层土壤质地系数权重给予同样 的0.4,表层土壤质地系数权重较小，主要是因为表层土壤在农业耕作种植过程中经常人为 扰动，人为影响因素较大。
[0055]表3各层土壤的权重值赋值
[0057]步骤5,根据如下公式计算土壤硝态氮淋失指数，确定了如表4所示的评价标准： [0058] 土壤硝态氮淋失指数Y =表层土壤质地系数*表层土壤质地系数权重+中层土壤质 地系数*中层土壤质地系数权重+底层土壤质地系数*底层土壤质地系数权重。
[0059]由表4知，土壤硝态氮淋失指数< 1.0，则土壤评价为硝态氮重度淋失，1.0<土壤 硝态氮淋失指数<2.0,则土壤评价为硝态氮中度淋失，2.0< 土壤硝态氮淋失指数<3.0， 则土壤评价为硝态氮轻度淋失，3.0<土壤硝态氮淋失指数<4.0，则土壤评价为硝态氮不 易淋失，土壤硝态氣淋失指数〉4.0，则土壤评价为硝态氣难淋失。
[0060] 表4 土壤评价标准
[0062] 基于同一种发明构思，本发明利用步骤5中所述土壤评价标准，确定了冬小麦、夏 玉米和棉花的施肥方法，包括施氮量及氮肥的施用方法，提供了如下的优化灌水施肥方案：
[0063] (1)种植冬小麦时土壤的灌水施氮方案
[0064] 表5为冬小麦种植时的习惯施氮量和根据本发明的评价结果优化的推荐施氮肥 量：
[0065] 习惯施氮总量，以氮元素的质量计，为300kg N/hm2,冬小麦越冬前施氮量150kg N/hm2,返青拔节期施氮量75kg N/hm2,抽穗期施氮量75kg N/hm2。
[0066]推荐施氮肥总量，以氮元素的质量计，为250kg N/hm2,氮肥选用缓释氮肥(市售的 属于缓释氮肥的肥料均可），并且对于不同的土壤按以下方式施氮：
[0067] (al)评价为硝态氮不易淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,冬小麦返 青拔节期施氮量125kg N/hm2;
[0068] (a2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量l〇〇kg N/hm2,抽穗期施氮量25kg N/hm2;
[0069] (a3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量35kg N/hm2,抽穗期施氮量90kg N/hm2;
[0070] (a4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节 期施氮量75kg N/hm2,抽穗期施氮量50kg N/hm2。
[0071]其中的习惯灌水量和推荐灌水量给出的是一般气候条件下的值，如果遇到特殊的 天气，则习惯灌水量和推荐灌水量需要根据实际情况作出调整。与习惯施氮量相比，采用推 荐施氮量产量不降低，但减少氮肥投入16.67%以上，氮肥利用率平均提高12.64个百分点。 [0072] 表5冬小麦田土壤施氮量
[0074] (2)种植夏玉米时土壤的灌水施氮方案
[0075]表6为夏玉米种植时的习惯施氮量和根据本发明的评价结果优化的推荐施氮肥 量：
[0076]习惯施氮总量，以氮元素的质量计，为250kg N/hm2,苗期施氮量150kg N/hm2,喇口八 口期施氮量50kg N/hm2,穗期施氮量50kg N/hm2。
[0077]对于不同的土壤，推荐施氮肥量，以氮元素的质量计，按以下方式施氮：
[0078] (bl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，施用玉米专用复合肥（市售的玉米专用复合 肥均可），夏玉米苗期施氮量150kg N/hm2;
[0079] (b2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥（市售的玉米专用缓控 肥均可），夏玉米苗期施氮量150-180kg N/hm2;
[0080] (b3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥（市售的玉米专用缓控 肥均可），夏玉米苗期施氮量150-180kg N/hm2;
[0081] (b4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，施用尿素和玉米专用缓控肥(市售的玉米专 用缓控肥均可），夏玉米苗期施氮量150-180kg N/hm2,其中尿素占总计施氮量的30%，玉米 专用缓控肥占总计施氮量的70 %。
[0082]其中的习惯灌水量和推荐灌水量给出的是一般气候条件下的值，如果遇到特殊的 天气，则习惯灌水量和推荐灌水量需要根据实际情况作出调整。与习惯施氮量相比，采用推 荐施氮量产量不降低，但减少氮肥投入28%以上，氮肥利用率平均提高16.31个百分点。 [0083] 表6夏玉米田土壤施氮量
[0084]
[0085] (3)种植棉花时土壤的灌水施氮方案
[0086] 表7为棉花种植时的习惯施肥量和根据本发明的评价结果优化的推荐施肥量，P205 和K20的施用量分别以P205和K20的质量计。
[0087] 习惯施用氮肥量，以氮元素的质量计，为225kg N/hm2,棉花播种前施氮量112.5kg ~/111112，苗期施氮量22.51^~/111112，蕾期施氮量33.751^~/11111 2，花铃期33.751^~/111112，吐絮 期22.51^~/111112。
[0088]推荐施用氮肥量，以氮元素的质量计，为175kg N/hm2,氮肥使用缓释氮肥(市售的 属于缓释氮肥的肥料均可），并且对于不同的土壤按以下方式施氮：
[0089] (cl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，棉花播种前施氮量122.5kg N/hm2,蕾期施氮 量26.251^~/111112，花铃期26.251^~/111112;
[0090] (C2)评价为硝态氮轻度或中度淋失的土壤，棉花播种前施氮量105kg N/hm2,蕾期 施氮量35kg N/hm2,花铃期35kg N/hm2;
[0091 ] (c3)评价为硝态氮重度淋失的土壤，棉花播种前施氮量87.5kg N/hm2，蕾期施氮 量43.751^~/111112，花铃期43.751^~/111112。
[0092]其中的习惯灌水量和推荐灌水量给出的是一般气候条件下的值，如果遇到特殊的 天气，则习惯灌水量和推荐灌水量需要根据实际情况作出调整。与习惯施氮量相比，采用推 荐施氮量产量不降低，但减少氮肥投入22.2%以上，氮肥利用率平均提高14.48个百分点。 [0093] 表7棉花田土壤施氮量
【主权项】
1. 一种评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 将土壤剖面划分为表层土壤、中层土壤、底层土壤； 分别获取表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比； 将所述表层土壤、中层土壤和底层土壤各自的土壤物理性粘粒含量百分比分别进行标 准化处理，获得表层土壤质地系数、中层土壤质地系数和底层土壤质地系数； 以农田土壤中硝态氮淋失的重要程度为依据，对表层土壤、中层土壤、底层土壤进行权 重赋值，得到表层土壤质地系数权重、中层土壤质地系数权重和底层土壤质地系数权重； 根据公式(1)计算土壤硝态氮淋失指数，确定土壤评价标准， 所述公式（1)为，土壤硝态氮淋失指数=表层土壤质地系数*表层土壤质地系数权重+ 中层土壤质地系数*中层土壤质地系数权重+底层土壤质地系数*底层土壤质地系数权重。2. 根据权利要求1所述的评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，其特征在于，所述土壤剖 面取0_90cm的剖面深度，表层土壤取0 _30cm的剖面深度，中层土壤取30_60cm的剖面深度， 底层土壤取60-90cm的剖面深度。3. 根据权利要求1所述的评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，其特征在于，所述标准化 处理，按照公式(2)进行计算： Di = Zi*100/100 (2) 其中，i = 1，2，3，Di表示表层土壤质地系数，D2表示中层土壤质地系数，D3表示底层土壤 质地系数，Z1表示表层土壤的土壤粘粒含量百分比，Z2表示中层土壤的土壤粘粒含量百分 比，Z 3表示底层土壤的土壤粘粒含量百分比。4. 根据权利要求2所述的评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，其特征在于，所述表层土 壤质地系数权重为0.2，中层土壤质地系数权重为0.4，底层土壤质地系数权重为0.4; 所述土壤评价标准如下： 土壤硝态氮淋失指数< 1. 〇，则土壤评价为硝态氮重度淋失，1 .〇<土壤硝态氮淋失指 数< 2.0，则土壤评价为硝态氮中度淋失，2.0 <土壤硝态氮淋失指数< 3.0，则土壤评价为 硝态氮轻度淋失，3.0< 土壤硝态氮淋失指数<4.0，则土壤评价为硝态氮不易淋失，土壤硝 态氮淋失指数>4.0，则土壤评价为硝态氮难淋失。5. 如权利要求1-4任一项所述的评价农田土壤中硝态氮淋失的方法，在农作物施肥中 的应用。6. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述农作物为冬小麦时，以氮元素的质量 计，施氮总量250kg N/hm2,并且对于不同的土壤按以下方式施氮： (al)评价为硝态氮不易淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,冬小麦返青拔 节期施氮量125kg N/hm2; (a2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节期施 氮量100kg N/hm2,抽穗期施氮量25kg N/hm2; (a3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kg N/hm2,返青拔节期施 氮量35kg N/hm2,抽穗期施氮量90kg N/hm2; (a4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，冬小麦越冬前施氮量125kgN/hm2,返青拔节期施氮 量75kg N/hm2,抽穗期施氮量50kg N/hm2。7. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述农作物为夏玉米时，以氮元素的质量 计，对于不同的土壤按以下方式施氮： (bl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，施用玉米专用复合肥，夏玉米苗期施氮量150kg N/hm2 ； (b2)评价为硝态氮轻度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施氮量150-180kg N/hm2； (b3)评价为硝态氮中度淋失的土壤，施用玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施氮量150-180kg N/hm2； (b4)评价为硝态氮重度淋失的土壤，施用尿素和玉米专用缓控肥，夏玉米苗期施氮量 150-180kg N/hm2,其中尿素占总计施氮量的30%，玉米专用缓控肥占总计施氮量的70%。8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述农作物为棉花时，施用缓释氮肥，以氮 元素的质量计，施氮总量175kg N/hm2，并且对于不同的土壤按以下方式施氮： (cl)评价为硝态氮不易淋失的土壤，棉花播种前施氮量122.5kg N/hm2,蕾期施氮量 26.25kg N/hm2，花铃期26.25kg N/hm2; (c2)评价为硝态氮轻度或中度淋失的土壤，棉花播种前施氮量105kg N/hm2,蕾期施氮 量35kg N/hm2，花铃期35kg N/hm2; (c3)评价为硝态氮重度淋失的土壤，棉花播种前施氮量87.5kg N/hm2，蕾期施氮量 43.75kg N/hm2，花铃期43.75kg N/hm2。
【文档编号】A01C21/00GK105911250SQ201610231774
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】张国印, 茹淑华, 孙世友, 王凌, 耿暖, 郜静, 李玭
【申请人】河北省农林科学院农业资源环境研究所