一种基于区域尺度旱地作物氮投入环境阈值的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属农业环境保护技术领域，具体设及一种基于区域尺度旱地作物氮投入的 环境阔值确定方法。
【背景技术】
[0002] 氮素是植物需求量较大的营养元素之一，是决定±壤生产力的重要限制性因素。 氮肥的大量使用极大促进了现代化农业生产过程中的作物产量，氮肥在作物产量提高中的 贡献率达到了 40%W上。但是过度的使用化肥，不仅提高了农业生产成本，降低了农民的实 际收入；还引发了日益严重的农业面源污染、地表水富营养化、地下水硝酸盐超标等环境安 全问题，W单纯追求作物高产为目标的氮肥施用策略越来越不适应现代农业发展和生态环 境保护的要求。
[0003] 旱地作物种植面积占我国耕地面积的一半W上，是农业面源污染发生的重要区 域。因此，如何在保证粮食安全的前提下，提出我国基于区域尺度上旱地作物氮投入的环境 阔值，已经成为指导我国农民合理施用氮肥，合理确定我国化肥氮减量空间的重大需求。
[0004] 目前，很多研究者从不同的角度提出了如何确定氮肥合理使用量：1)基于作物生 育期间氮素的需求提出，运一方法主要利用叶绿素仪对作物体内氮含量进行实时监测确定 追氮量；2)基于点位和区域作物产量和经济效益提出，运一方法主要通过测±配方施肥工 程、不同氮梯度下的肥料效应试验确定施氮量；3)基于氮素的表观平衡提出，即地上部作 物氮的携出量就是氮肥的投入量；4)基于作物目标产量、氮肥生理利用率和推荐施肥条件 下的表观累计回收率确定作物的氮肥使用量；5)基于环境风险指标提出，多数研究是基于 某一个环境指标提出，运一方法主要通过相关的模型进行氮素风险评价。虽然也有个别研 究通过多个环境指标进行提出，但提出氮投入阔值后，未对该阔值进行风险评估。可见，运 些确定氮肥合理使用量的方法大多都基于满足作物产量为目标的农学阔值。虽然也有一些 研究量化了该农学阔值下的环境风险，但都基于田块尺度，未在区域尺度下，系统性定量化 的从地下淋溶、地表径流或氨挥发等氮的主要损失途径出发综合确定氮的流失量，也未对 提出的氮投入阔值进行产量和环境风险评估。
[0005] 因此，寻求一种基于区域尺度的、可行的和有效的旱地作物氮投入环境阔值的确 定方法，在保证作物产量的同时控制氮肥投入，减少过量施氮引起的环境风险，具有重大的 经济效益和环境效益。
【发明内容】
[0006] 基于W上分析，本发明的目的是提出一种基于区域尺度旱地作物氮投入环境阔值 的确定方法，通过该方法确定的氮肥使用量，不仅能减少氮肥的投入量，确保减肥条件下区 域作物不减产，同时又能大幅降低氮素的流失量，减少过量的氮肥投入导致的环境污染，达 到既保证基于区域尺度的作物产量，又能确保区域环境安全。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种基于区域尺度旱地作物氮投入环境阔值的确定方法，包括W下步骤：
[0009] (1)区域内最高相对产量下施氮量的确定
[0010] ①查阅区域内某一旱地作物的施氮量及其产量的历史文献数据，根据查阅的历史 文献施氮量及其作物产量数据，计算每一施氮量对应的作物相对产量，作物相对产量计算 为公式1 :
[00川 Y椒炉量=Yi/YmaxX100 % (公式 1)，
[0012] 公式1中，Yi为某一施氮梯度下某一施氮量的作物产量，Ym。、为该施氮梯度下最大 作物产量，为该施氮量下的作物相对产量；
[0013] ②根据区域内的±壤类型设置施氮梯度试验，每个±壤类型至少设置一个施氮梯 度试验，每个施氮梯度试验至少设置一个年度的试验，实测各施氮梯度试验中各施氮量对 应的作物产量，并计算各施氮梯度试验中每一施氮量对应的作物相对产量，该作物相对产 量的计算采用公式2计算；
[0014] Y试验相对产量二Y试验i/Y试验maxX100^ (公式。，
[001引公式2中，为某一年内某一施氮梯度试验某一施氮量下的作物产量， 为该年内该施氮梯度试验最大的作物产量，为该年内该施氮梯度试验该施氮量下 的作物相对产量；
[001引③W步骤（1)①和步骤（1)②所述的各施氮量为横坐标，W步骤（1)①和步骤 (1)②所述的各施氮量对应的作物相对产量为纵坐标，用数据统计软件，建立区域尺度上施 氮量与作物相对产量的产量效应方程，所建立的区域尺度上施氮量与作物相对产量的产量 效应方程为公式3 :
[0017] Y相对产量=日3又2+63又+。3(公式扣，
[001引公式3中，Y相对产量为作物相对产量，X为施氮量，曰3和b3为系数，C3为常数；
[0019] ④根据公式3的顶点坐标公式：〔（斗3/2曰3)，（4曰3〇3斗32)/4曰3))，求得区域内最高相 对广量下施氮量和最局相对广量，
[0020]X最高相对产量下臟量二（-63/2?)，Y最高相对产量二（4日3。3_632) /4日3;
[0021] (2)初步确定区域尺度旱地作物氮投入的环境阔值
[002引①W步骤（1)④计算的最高相对产量为基准，通过公式4,计算从99%至 94%每降低一个百分点的相对产量，将W最高相对产量Y最尉耐产量为基准，，从99%至94% 每降低一个百分点的相对产量称为不同产量保证率，所述不同产量保证率分别为99 %最高 相对产量、98 %最高相对产量、97 %最高相对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、 94 %最高相对产量，
[002引 W=Y最高相对产量XE(公式4)，
[0024] 公式4中E分别为0. 99、0. 98、0. 97、0. 96、0. 95、0. 94，W为不同产量保证率，E分别 为0. 99、0. 98、0. 97、0. 96、0. 95、0. 94时。W分别对应地为99%最高相对产量、98%最高相 对产量、97 %最高相对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、94 %最高相对产量；
[0025] 将计算得到的99%最高相对产量、98%最高相对产量、97%最高相对产量、96%最 高相对产量、95%最高相对产量、94%最高相对产量分别代入公式3中计算得到不同产量 保证率下对应的施氮量；
[0026] ②绘制不同产量保证率下边际±壤无机氮储量图
[0027]A、建立施氮量与±壤无机氮储量的关系方程
[0028] 实测步骤（1)②各施氮梯度试验中的每一个施氮量下在〇-l〇〇cm±壤中的±壤 无机氮储量，W各施氮梯度试验的每一个施氮量为横坐标，每一个施氮量对应的±壤无机 氮储量为纵坐标，用数据统计软件，建立施氮量与±壤无机氮储量的关系方程，如果施氮梯 度试验为两年W上的试验，则纵坐标为每一个施氮量对应的两年W上的平均±壤无机氮储 量，施氮量与±壤无机氮储量的关系方程为公式5 :
[0029] Y王壤无机氮储量二曰seb X (公式巧，
[0030] 公式5中，Y王壤无机氮储量为O-lOOcm±壤中的±壤无机氮储量，单位为kg·hm2;x为 施氮量、单位为kg，as为常数、b'为系数；
[0031] 分别将步骤似①计算得到的99 %最高相对产量、98 %最高相对产量、97 %最高 相对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、94 %最高相对产量对应的施氮量代入公 式5,计算得到对应的±壤无机氮储量
[0032] B、绘制不同产量保证率下边际±壤无机氮储量图
[0033] 边际±壤无机氮储量采用公式6计算：
[0034] 边际±壤无机氮储量y= ±壤无机氮储量bW-上壤无机氮储量y(公式6)，
[0035] 公式6中，±壤无机氮储量y分别为99%最高相对产量、98%最高相对产量、97% 最高相对产量、96%最高相对产量、95%最高相对产量、94%最高相对产量对应的±壤无机 氮储量，±壤无机氮储量b+υ为比±壤无机氮储量y对应的相对产量高一个百分点的相对 产量对应的上壤无机氮储量，如上壤无机氮储量y为98%最高相对产量对应的±壤无机氮 储量，则±壤无机氮储量为99%最高相对产量对应的±壤无机氮储量，W此类推；
[0036] 在横坐标上从左至右依次取如下不同产量保证率：99%最高相对产量，98%最高 相对产量，97 %最高相对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、94 %最高相对产量， 纵坐标为不同产量保证率对应的边际±壤无机氮储量，绘制不同产量保证率下边际±壤无 机氮储量图；
[0037] ③绘制不同产量保证率下边际氨挥发量图
[0038]A、建立施氮量与氨挥发量的关系方程
[0039] 实测步骤（1)②各施氮梯度试验中的每一个施氮量下的氨挥发量，W各施氮梯度 试验的每一个施氮量为横坐标，每一个施氮量对应的氨挥发量为纵坐标，用数据统计软件， 建立施氮量与氨挥发量的关系方程，如果施氮梯度试验为两年W上的试验，则纵坐标为每 一个施氮量对应的两年W上的平均氨挥发量，施氮量与氨挥发量的关系方程为公式7 :
[0040] Y氨挥发量二by+kyX (公式7),
[00川公式7中，Y氨挥发量为氨挥发量、单位为kgN·hm2;x为施氮量、单位为kg，k7为系 数、b,为参数；
[0042] 分别将步骤（2)①计算得到的99 %最高相对产量、98 %最高相对产量、97 %最高 相对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、94 %最高相对产量对应的施氮量代入公 式7,计算得到对应的氨挥发量
[0043] B、绘制不同产量保证率下边际氨挥发量图
[0044] 边际氨挥发量采用公式8计算：
[0045] 边际氨挥发量y=氨挥发量bW-氨挥发量y(公式8)，
[0046] 公式8中，氨挥发量y分别为99%最高相对产量、98%最高相对产量、97%最高相 对产量、96 %最高相对产量、95 %最高相对产量、94 %最高相对产量对应的氨挥发量，氨挥 发量b+l>为比氨挥发量y对应的相对产量高一个百分点的相对产量对应的氨挥发量，如氨 挥发量y为98 %最高相对产量对应的氨挥发量，则氨挥发量为99 %最高相对产量对应 的氨挥发量，W此类推；