本发明涉及的是农业高产施肥与面源污染控制技术领域，具体涉及一种基于土壤地力和冠层光谱的水稻高产诊断施氮肥方法。
背景技术：
粮食生产离不开化肥的施用，目前我国农田化肥用量普遍过高，导致化肥利用率低下，化肥造成的面源污染现象突出。我国稻田单季氮肥用量平均为12公斤/亩，比世界平均用量高出65％左右；太湖流域部分高产田的单季氮肥用量更是高达18-22公斤/亩，其中氮肥利用率仅有30％-35％，大量化肥氮的使用不仅不利于水稻高产，还会污染地下水、使江河湖泊富营养化。为了防治农田化肥面源污染，中央政府明确提出，到2020年，在保证粮食安全的前提下要实现化肥零增长，这就要求我们必须兼顾高产和环境需求。因此，如何根据土壤地力和作物高产的养分需求进行因地因作物的精确施肥，从而提高氮肥利用率，确保高产，是目前亟待解决的一个技术问题。
而目前传统的水稻高产施肥方法如测土配方施肥法多采用目标产量吸氮量减去土壤基础供氮量或者无氮空白区作物吸氮量计算出合理施氮量，在此基础上根据传统的经验分配基追比，往往基肥用量偏多。近年来发展起来的实地氮肥管理方法(ssnm)在此基础上利用叶绿素仪(spad-502仪)或者叶色卡测定出来的叶片spad值或叶色对追肥用量进行调整，可有效避免氮肥的过多投入，但诊断精度受测定叶片、具体测定位置等的影响，需要测定多张叶片；此外具体追肥用量确定时并没有考虑追肥时期对氮肥利用率的影响。因此，如何综合考虑土壤地力对前期用肥比例的影响、追肥时期对氮肥利用率的影响、单叶测定对群体氮素诊断精度的影响，发展一种新的施肥方法是急需解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于土壤地力和冠层光谱的水稻高产诊断施氮肥方法，能够提高水稻氮肥利用率，提高水稻产量，减少氮素损失造成的环境风险，达到精确施氮、提高肥料利用率、减少氮素损失、确保水稻高产稳产的目的。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于土壤地力和冠层光谱的水稻高产诊断施氮肥方法，包括基于土壤地力和目标产量的水稻合理施氮量确定、基于土壤地力的高产水稻氮素适宜前后期分配比例、基于土壤地力的基肥和蘖肥分配比例确定、基于水稻冠层光谱的氮素营养实时诊断方法以及相关参数的校准方法、基于水稻冠层ndvi的追肥用量计算方法以及穗肥的配套施用方法：
其中，第一步，首先公开了基于土壤地力和目标产量的水稻合理施氮量确定：即根据水稻高产目标产量(y)和百公斤稻谷吸氮量(n100)计算出水稻需氮量(gnu)(公式1)，其中目标产量(y)可设定为该区域同类品种的最高产量或者在平均产量的基础上增加5％，百公斤稻谷吸氮量(n100)，常规粳稻取值为2.1，常规籼稻为1.8，杂交稻为1.7。
第二步，公开了基于土壤地力的高产水稻氮素适宜前后期分配比例：太湖流域一季中稻地区，对于低地力土壤，前期(基肥与蘖肥)与后期(促花肥、穗肥和粒肥等)分配比例为6：4，中地力和高地力土壤，分配比例为5：5；双季稻区前期与后期的适宜用肥比例以7：3为宜，其中，低地力土壤是指不施氮肥时水稻基础产量低于正常施肥水稻产量的70％，或者土壤全氮含量低于1.5％，且有机质含量低于2.0％。
第三步，公开了基于土壤地力的基肥和蘖肥分配比例的确定以及基蘖肥的施用方法：太湖流域一季中稻地区，对于低地力土壤，基肥的比例以占前期用肥的30-40％为宜，在田块翻耕时深施下去，60-70％的前期用肥要在插秧后10-12天施用，以促进分蘖，为高产搭好丰产架子；对于中高地力土壤，基肥与蘖肥的分配比例对产量无显著影响，不做具体限制；对于双季稻区，基蘖肥的运筹比例统一按照3：7进行分配，即基肥占30％，蘖肥占70％。低地力土壤的定义如前所述。基肥施用在土地翻耕前均匀撒施，然后深耕(10-15厘米)，使肥料深埋入地下。基肥推荐施用三元复合配方肥，氮磷钾比例以1：0.4：1为宜。蘖肥推荐施用尿素，采用以水带氮的方法，即水稻水层落干后，将肥料均匀撒施到田里，然后缓慢灌水，小水细流，使肥料随水溶解后逐渐渗透到土壤里。肥料用量等于施氮量(f)除以肥料的含氮量。
第四步，公开了基于水稻冠层光谱的氮素营养实时诊断方法以及相关参数的校准方法：采用目前市场上常用的冠层光谱仪(greenseeker)或植被指数监测仪如ndvi仪，要求必须含有可见光区域(vis：500-680nm)和近红外光区域(nir：710-1500nm)中的两个波段，最好带有主动光源。每块稻田选择5个能代表整个田块长势的点，离水稻冠层顶部1米高，垂直向下测定冠层反射光谱，每点测定5次，求平均值作为该点的光谱测定值，计算冠层ndvi(公式2)；然后求多点平均的ndvi值作为该田块的ndvi测定值。如果5个点测定值的变异系数超过10％，则需要增测3个点。
其中rnir为近红外波段的反射率，rvis为可见光波段的反射率。如果可见光区域和近红外区域有多个波段，则取整个区域的平均反射率。
然后，利用冠层ndvi，用公式(3)计算水稻目前氮积累量(pnu)。
pnu＝a+b×exp(c×ndvi)
(3)
其中，a.b.c主要受水稻种植区以及品种特性的影响。对于太湖流域一季中稻，建议取值为28.11，1.82e-05和16.94；对于江西双季稻区，早稻a，b，c建议取值为0，3.369和4.7891。如果有条件，可以对公式(3)中的参数进行校准后再进行诊断，以提高诊断精度。参数校准方法为选用当地水稻品种种植田块5块以上，分别测定冠层ndvi，并破坏性取样3-5穴，烘干称干重后计算群体生物量(w＝每穴干重×密度，kg/ha)，然后磨碎测定水稻植株氮含量nc(％)，计算水稻吸氮量(nu＝w×nc/100，kg/ha)。在此基础，将冠层ndvi和水稻吸氮量的数据利用公式(2)的函数关系进行拟合，若拟合方程的r2在0.70以上，则表明校准成功，即可用新方程来进行水稻吸氮量的光谱诊断。如果拟合方程的r2小于0.70，则需要增加取样的田块数，直至拟合方程的r2大于0.70。
第五步，公开了基于水稻冠层ndvi的追肥用量计算方法以及穗肥的配套施用方法：追肥用量(f，kg/ha)等于目标产量需氮量(gnu，kg/ha)减去当前作物需氮量(pnu，kg/ha)后除以肥料利用率(nue)，具体计算公式如公式(4)。
f＝(gnu-pnu)/nue
(4)
其中，氮肥利用率取值为0.65。具体施肥时仍需根据所采用的肥料种类折算成具体肥料用量，肥料用量等于需追氮量(f)除以肥料的含氮量，建议采用尿素，肥料含氮量为47％。穗肥的施用采用以水带氮的方法，即水稻搁田期结束后，将肥料均匀撒施到田里，然后缓慢灌水，小水细流，使肥料随水进入搁田产生的土壤细纹里，从而达到肥料深施的目的。
本发明的有益效果：操作简便，而且可以针对每一个田块进行区别化施肥，真正做到因田按需施肥，减少氮肥用量，提高肥料利用率，减少氮素损失造成的面源污染风险，还能保证持续高产稳产，具有良好的经济效益和社会环境效益。
(1)以不牺牲土壤地力为前提，保证水稻高产的可持续，因此，水稻高产需氮量的计算中不需要减去土壤基础供氮量部分，简便了计算，克服了以往土壤基础供氮量数据难以准确获取等问题。
(2)根据土壤地力对水稻生育期内的运筹进行调整，使得供肥曲线能符合不同土壤条件下水稻的高产需氮曲线，从而能在保证高产的基础上减少施氮量，减少氮素损失。
(3)利用作物长势反映出来的冠层光谱指数来诊断施肥，真正实现了按苗按需施肥，可有效避免施肥不足造成的产量偏低或施肥过多造成的肥料浪费等问题，确保水稻高产稳产。
(4)穗肥的氮肥利用率采用0.65，穗肥计算中肥料利用率的取值考虑了氮肥施用时间对氮肥利用率的影响，不会造成施肥量偏高的现象。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明实施例4的对比效果图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于土壤地力和冠层光谱的水稻高产诊断施氮肥方法，包括基于土壤地力和目标产量的水稻合理施氮量确定、基于土壤地力的高产水稻氮素适宜前后期分配比例、基于土壤地力的基肥和蘖肥分配比例确定以及基蘖肥的施用方法、基于水稻冠层光谱的氮素营养实时诊断方法以及相关参数的校准方法、基于水稻冠层ndvi的追肥用量计算方法以及穗肥的配套施用方法：
其中，第一步，首先公开了基于土壤地力和目标产量的水稻合理施氮量确定：即根据水稻高产目标产量(y)和百公斤稻谷吸氮量(n100)计算出水稻需氮量(gnu)(公式1)，其中目标产量(y)可设定为该区域同类品种的最高产量或者在平均产量的基础上增加5％，百公斤稻谷吸氮量(n100)，常规粳稻取值为2.1，常规籼稻为1.8，杂交稻为1.7。
为了水稻高产的可持续，氮肥管理应该以不牺牲土壤地力为前提，即不额外从土壤中带走养分，因此，水稻高产需氮量没有减去土壤基础供氮量部分，简便了计算。
第二步，公开了基于土壤地力的高产水稻氮素适宜前后期分配比例：太湖流域一季中稻地区，对于低地力土壤，前期(基肥与蘖肥)与后期(促花肥、穗肥和粒肥等)分配比例为6：4，中地力和高地力土壤，分配比例为5：5；双季稻区前期与后期的适宜用肥比例以7：3为宜，其中，低地力土壤是指不施氮肥时水稻基础产量低于正常施肥水稻产量的70％，或者土壤全氮含量低于1.5％，且有机质含量低于2.0％。
第三步，公开了基于土壤地力的基肥和蘖肥分配比例的确定以及基蘖肥的施用方法：太湖流域一季中稻地区，对于低地力土壤，基肥的比例以占前期用肥的30-40％为宜，在田块翻耕时深施下去，60-70％的前期用肥要在插秧后10-12天施用，以促进分蘖，为高产搭好丰产架子；对于中高地力土壤，基肥与蘖肥的分配比例对产量无显著影响，不做具体限制；对于双季稻区，基蘖肥的运筹比例统一按照3：7进行分配，即基肥占30％，蘖肥占70％；低地力土壤的定义如前所述。基肥施用在土地翻耕前均匀撒施，然后深耕(10-15厘米)，使肥料深埋入地下。基肥推荐施用三元复合配方肥，氮磷钾比例以1：0.4：1为宜。蘖肥推荐施用尿素，采用以水带氮的方法，即水稻水层落干后，将肥料均匀撒施到田里，然后缓慢灌水，小水细流，使肥料随水溶解后逐渐渗透到土壤里。肥料用量等于施氮量(f)除以肥料的含氮量。
根据土壤地力水平优化了前后期用肥的分配比例以及基肥和蘖肥之间的分配比例，使供肥曲线更符合高产水稻的需氮曲线，从而能在保证高产的基础上减少施氮量，减少氮素损失。
第四步，公开了基于水稻冠层光谱的氮素营养实时诊断方法以及相关参数的校准方法：采用目前市场上常用的冠层光谱仪(greenseeker)或植被指数监测仪如ndvi仪，要求必须含有可见光区域(vis：500-680nm)和近红外光区域(nir：710-1500nm)中的两个波段，最好带有主动光源。每块稻田选择5个能代表整个田块长势的点，离水稻冠层顶部1米高，垂直向下测定冠层反射光谱，每点测定5次，求平均值作为该点的光谱测定值，计算冠层ndvi(公式2)；然后求多点平均的ndvi值作为该田块的ndvi测定值。如果5个点测定值的变异系数超过10％，则需要增测3个点。
其中rnir为近红外波段的反射率，rvis为可见光波段的反射率。如果可见光区域和近红外区域有多个波段，则取整个区域的平均反射率。
然后，利用冠层ndvi，用公式(3)计算水稻目前氮积累量(pnu)。
pnu＝a+b×exp(c×ndvi)
(3)
其中，a.b.c主要受水稻种植区以及品种特性的影响。对于太湖流域一季中稻，建议取值为28.11，1.82e-05和16.94；对于江西双季稻区，早稻a，b，c建议取值为0，3.369和4.7891。如果有条件，可以对公式(3)中的参数进行校准后再进行诊断，以提高诊断精度。参数校准方法为选用当地水稻品种种植田块5块以上，分别测定冠层ndvi，并破坏性取样3-5穴，烘干称干重后计算群体生物量(w＝每穴干重×密度，kg/ha)，然后磨碎测定水稻植株氮含量nc(％)，计算水稻吸氮量(nu＝w×nc/100，kg/ha)。在此基础，将冠层ndvi和水稻吸氮量的数据利用公式(2)的函数关系进行拟合，若拟合方程的r2在0.70以上，则表明校准成功，即可用新方程来进行水稻吸氮量的光谱诊断。如果拟合方程的r2小于0.70，则需要增加取样的田块数，直至拟合方程的r2大于0.70。
根据作物的实时长势对水稻的氮素营养状况进行诊断，然后推荐目标产量精确计算穗肥用量，真正实现按需施肥，可有效避免施肥不足造成的产量偏低或施肥过多造成的肥料浪费等问题，确保水稻高产稳产。
第五步，公开了基于水稻冠层ndvi的追肥用量计算方法以及穗肥的配套施用方法：追肥用量(f，kg/ha)等于目标产量需氮量(gnu，kg/ha)减去当前作物需氮量(pnu，kg/ha)后除以肥料利用率(nue)，具体计算公式如公式(4)。
f＝(gnu-pnu)/nue
(4)
其中，氮肥利用率取值为0.65。具体施肥时仍需根据所采用的肥料种类折算成具体肥料用量，肥料用量等于需追氮量(f)除以肥料的含氮量，建议采用尿素，肥料含氮量为47％。穗肥的施用采用以水带氮的方法，即水稻搁田期结束后，将肥料均匀撒施到田里，然后缓慢灌水，小水细流，使肥料随水进入搁田产生的土壤细纹里，从而达到肥料深施的目的。
穗肥计算中肥料利用率的取值考了氮肥施用时间对氮肥利用率的影响，穗肥的氮肥利用率采用0.65。而传统氮肥推荐中氮肥利用率采用的整个生育期水稻的整体氮肥利用率，多取值为0.45或0.50，没考虑到氮肥施用时间对氮肥利用率的影响。而同位素15n试验表明，穗肥的氮肥利用率可达65％以上，因此，传统的氮肥推荐方法可能会造成施肥量偏高的现象。
综上，本具体实施方式与传统的测土配方推荐施肥方法相比，操作相对更加简便，而且可以针对每一个田块进行区别化施肥，真正做到因田按需施肥，可减少氮肥用量，提高肥料利用率，减少氮素损失造成的面源污染风险，避免施肥不足或施肥过多造成的产量影响，还能保证持续高产稳产，具有良好的经济效益和社会环境效益，具备广阔的市场应用前景。
本具体实施方式分别在江西双季稻区的鹰潭余江以及太湖流域的江苏省宜兴市周铁镇进行了大田的验证，实施例重点考察其对水稻氮肥用量、水稻生长指标(lai和干物重)、水稻产量及其构成、氮肥利用率以及成本效益等的影响，用以检验本发明的基于土壤地力和冠层光谱的水稻诊断施肥方法的效果。
实施例1：本实施例选在鹰潭余江的水稻早稻田进行实施，属于江西双季稻区，早稻供试品种为常规早稻中早33，栽插密度为16.7cm×33.3cm，农户施肥处理为对照，其施氮量为240kg/ha，基肥、蘖肥和穗肥的比例分别为30％、40％和30％。
供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，耕层土壤有机质含量31.50g·kg-1，全氮、全磷和全钾养分含量分别为1.66、0.35和30.32g·kg-1，速效氮、速效磷和速效钾养分含量分别为144.93、9.77和和108.14mg·kg-1。
光谱诊断施肥处理根据本发明方法进行实施，首先根据目标产量y计算需氮量n。目标产量根据当地多年产量进行判定，多年平均产量为7500kg/ha，判定目标产量为7500×1.10＝8250kg/ha，因此需氮量就等于8250/100×1.80＝148.5kg/ha。
本实施例中土壤地力属于高地力水平，基肥氮施用量为45kg/ha。分蘖肥和穗肥均采用光谱诊断法即公式(4)来确定。分蘖肥和穗肥期分别测定水稻冠层ndvi，采用greenseeker光谱仪，实测分蘖期和孕穗期田块的ndvi值分别为0.187和0.789，经过公式计算，诊断追肥量分别为110.6kg/ha和59.8kg/ha。整个生育期施氮量为215.4kg/ha，比传统施肥处理低25kg/ha，减少化肥氮投入10.4％，最终水稻产量为8352kg/ha，高于传统施肥处理的8175kg/ha，增产2.16％；氮肥利用率提高了2个百分点，净收益增加425元/ha，增收6％。
实施例2：本实施例选在鹰潭余江的水稻早稻田进行实施，属于江西双季稻区，早稻供试品种为常规早稻中早33，栽插密度为13.3cm×30cm，农户施肥处理为对照，其施氮量为185kg/ha，基肥、蘖肥和穗肥的比例分别为30％、40％和30％。
供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，耕层土壤有机质含量31.50g·kg-1，全氮、全磷和全钾养分含量分别为1.66、0.35和30.32g·kg-1，速效氮、速效磷和速效钾养分含量分别为144.93、9.77和和108.14mg·kg-1。
光谱诊断施肥处理根据本发明方法进行实施，首先根据目标产量y计算需氮量n。目标产量根据当地多年产量进行判定，多年平均产量为7000kg/ha，判定目标产量为7700kg/ha。因此需氮量就等于8250/100×1.80＝148.5kg/ha。
本实施例中土壤地力属于高地力水平，基肥氮施用量为45kg/ha，和传统推荐施肥相同，分蘖肥和穗肥均采用光谱诊断法即公式(4)来确定。分蘖肥和穗肥期分别测定水稻冠层ndvi，采用greenseeker光谱仪，实测分蘖期和孕穗期田块的ndvi值分别为0.296和0.808，经过公式计算，诊断追肥量分别为96.8kg/ha和42.9kg/ha。整个生育期施氮量为184.7kg/ha，比传统施肥处理低55.3kg/ha，减少化肥氮投入23％，最终水稻产量为9031kg/ha，与传统施肥处理持平；氮肥利用率提高了4个百分点，净收益增加210元/ha。
实施例3：本实施例选在鹰潭余江的水稻早稻田进行实施，选择2个田块，每个田块中间一分为二，一半农户施肥，一半光谱诊断施肥，早稻供试品种为常规早籼稻中选181，栽插密度为13.3cm×30cm，农户施肥处理为对照，其施氮量为185kg/ha，基肥、蘖肥和穗肥的比例分别为30％、40％和30％。
供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，耕层土壤有机质含量31.50g·kg-1，全氮、全磷和全钾养分含量分别为1.66、0.35和30.32g·kg-1，速效氮、速效磷和速效钾养分含量分别为144.93、9.77和和108.14mg·kg-1。
光谱诊断施肥处理根据本发明方法进行实施，首先根据目标产量y计算需氮量n。目标产量根据当地多年产量进行判定，多年平均产量为7300kg/ha，判定目标产量为8000kg/ha。本实施例中基肥氮施用量为37.5kg/ha，蘖肥氮用量为97.5kg/ha，同农户施肥水平。穗肥采用光谱诊断法进行推荐，穗肥期采用greenseeker光谱仪测定水稻冠层ndvi，实测ndvi值为0.296和0.808，经过公式计算，诊断追肥量分别为31.2kg/ha和46.2kg/ha。整个生育期两个田块施氮量分别为166.2kg/ha和181.2kg/ha，比农户对照减少化肥氮投入10.2％和2.1％，最终水稻产量分别为7770kg/ha和7943kg/ha，而农户对照施肥产量分别为7350kg/ha和7365kg/ha，增产7.2％和7.8％。氮肥农学利用率分别提高28.7％和23.1％，净收益增加19％和23％。
实施例4：本实施例选在鹰潭余江县邓家埠的水稻晚稻田进行实施。供试品种为籼稻农香98。设2个栽插密度，分别为13.3cm×30cm(d1)和10.0cm×26.7cm(d2)，两个氮肥处理：传统推荐施肥处理和光谱诊断施肥处理，p、k肥用量各处理相同，p肥用钙镁磷肥，用量为纯p2o597.5kg/hm2；k肥用氯化钾，用量为纯k2o156kg/hm2。p肥全部基施，k肥分3次施用(基肥30％，蘖肥40％，穗肥30％)。各小区间做埂覆膜，单排单灌，防止串肥；其他管理措施同当地高产栽培方案。传统施肥处理总施氮量为195kg/ha，基肥、蘖肥和穗肥分别为45、110和40kg/ha。
本实施例晚稻不同处理各时期氮肥用量见表1
表1晚稻不同处理各时期氮肥用量(kg/ha)
供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，耕层土壤有机质27.60gkg-1，全氮、全磷和全钾含量分别为1.56、0.36和27.96g/kg，速效氮、速效磷和速效钾含量分别为129.12、8.82和52.50mg/kg。
光谱诊断施肥处理根据本发明方法进行实施，首先根据目标产量y计算需氮量n。目标产量根据当地多年产量进行判定，多年平均产量为7300kg/ha，判定目标产量为8000kg/ha。本实施例中光谱诊断施肥处理基肥氮施用量为45kg/ha，同传统推荐施肥处理。蘖肥和穗肥采用光谱诊断法进行推荐。蘖肥期和穗肥期采用greenseeker光谱仪测定水稻冠层ndvi，分蘖期实测ndvi值为0.296和0.808，经过公式计算，诊断追肥量分别为31.2kg/ha和46.2kg/ha。整个生育期两个田块施氮量分别为166.2kg/ha和181.2kg/ha，比农户对照减少化肥氮投入10.2％和2.1％，最终水稻产量分别为7770kg/ha和7943kg/ha，而农户对照施肥产量分别为7350kg/ha和7365kg/ha，增产7.2％和7.8％，氮肥农学利用率分别提高28.7％和23.1％，净收益增加19％和23％，其效果图见图1。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。