构建灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田CH4生长季排放量影响模型的方法与流程

本发明属于农业研究技术领域，具体涉及一种构建灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型的方法。

背景技术：

全球气候变暖的原因在于大气中温室气体浓度的增加，ch4是大气中重要的温室气体，对温室效应的贡献已达到15％，已成为继co2后影响全球气候的关键因素，其中稻田是ch4排放的主要人为“源”，每年约释放3.1×10¹⁰～1.12×10¹¹kg，占每年大气ch4总量的5％～19％。因此，如何减少稻田温室气体ch4排放对缓解中国气候变化具有重要的意义。

影响稻田ch4排放的因素很多，研究表明，稻田的灌溉模式对ch4的排放起到至关重要的作用，与淹灌相比，非充分灌溉条件下稻田ch4的排放会显著减小。同样，施肥措施对稻田ch4排放具有重要影响，研究表明氮肥的施入会使nh4+-n浓度变高，抑制了ch4氧化菌的生长，从而导致稻田ch4的排放量降低。生物炭由于其固氮、碳能力较强，因此能够在全球碳地球化学循环、气候变化和环境系统中发挥重要作用，目前已成为大气科学和环境科学领域研究的热点，研究表明，将生物炭施入到土壤中，会明显改善土壤质量与通透性，在固定大气co2的同时，影响土壤ch4排放。rondon等室内盆栽试验表明，向种植牧草与大豆的土壤中添2kg/m²生物炭后，ch4排放通量减少20.4％。

目前，虽然许多学者在水、肥及生物炭的管理上对稻田ch4排放产生的影响进行了深入的研究，但基本上均属单因素分别进行研究，其综合管理对稻田ch4排放规律的影响(因素耦合效应)却少有报道，因此对水、氮肥及生物炭等三因素间对水稻温室气体排放的耦合效应进行重点分析研究，结合稻田生长季ch4减排目标，寻找最优水、肥及生物炭配施方案，对东北寒地黑土稻田ch4的减排具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种构建灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型的方法，该方法为东北寒地黑土稻田ch4的减排提供可借鉴的田间管理技术。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种构建灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型的方法，包括如下步骤：

步骤一：取典型寒地黑土区作为试验用地；

步骤二：将步骤一所述试验用地分为数个试验因子组合，进行试验，待水稻移栽1周后开始检测ch4气体，至收获前1周结束；

步骤三：根据步骤二得到的检测数据计算稻田ch4的排放通量，再计算生长季排放量；

步骤四：以设计的灌水量x1、氮肥x2及生物炭x3编码值为自变量，以生长季排放量平均值y为因变量，进行二次多项式回归分析，得到ch4排放量与灌水量、氮肥、生物炭之间的回归方程：

y＝161.92+1.43x1-6.05x2-10.31x3-1.05x1x2-2.73x1x3-2.89x2x3-5.05x1²-1.21x2²-0.57x3²；

步骤五：将步骤四所得主效应模型中的任意2个因子定在零码值，求出单因素对ch4生长季排放量的影响效应，分别得到单因子效应方程：

y1＝161.92+1.43x1-5.05x1²

y2＝161.92-6.05x2-1.21x2²

y3＝161.92-10.31x3+0.57x3²；

步骤六：将步骤四所得主效应模型中的任意1个因子定在零码值，得到其他两个因子的互作效应方程：

y12＝161.92+1.43x1-6.05x2-1.05x1x2-5.05x1²-1.21x2²

y13＝161.92+1.43x1-10.31x3-2.73x1x3-5.05x1²-0.57x3²

y23＝161.92-6.05x2-10.31x3-2.89x2x3-1.21x2²-0.57x3²。

其中一些实施例中，步骤一中所述试验用地土壤基本理化性质为：有机质质量比41.4g/kg、ph值6.40、全氮质量比15.06g/kg、全磷质量比15.23g/kg、全钾质量比20.11g/kg、碱解氮质量比154.36mg/kg、有效磷质量比25.33mg/kg和速效钾质量比157.25mg/kg。

其中一些实施例中，步骤二中每个试验因子组合的灌水量、氮肥及生物炭分别分布在5000～10000kg/hm²、50～150kg/hm²、0～40t/hm²内。

其中一些实施例中，步骤二中各试验因子组合具体设置为：各小区四周同样种植水稻以加设保护行，各小区之间采用隔渗处理，即小区四周用塑料板和水泥埂作为隔渗材料，埋入田间地表以下40cm深；灌水方式采取管道供水，各条管道上配有水表以控制灌水量，氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥比例为5：3：2施用，p肥作基肥一次施用，施入量为45kg/hm²，k肥分基肥和8.5叶龄两次施用，前后比例为1：1，施入量为80kg/hm²，生物炭施于土壤表层，用旋耕机将生物炭与耕层土壤均匀混合。

其中一些实施例中，步骤二中所述数个试验因子组合为11个试验组合，3次重复，随机区组排列，每个小区面积为10m×10m＝100m²；

本发明还提供一种构建得到的灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型在稻田水肥及生物炭配施中的应用，采用频率分析法对主效应模型进行寻优，将编码值在试验设计范围内划分出(-2，-1.414，0，1.414，2)五个水平，构成t＝5³＝125个处理组合，结合产量，将稻田ch4生长季排放量减排目标控制在一定范围内。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明通过在土壤中添加生物炭，与水肥共同耦合，建立了东北寒地稻田ch4生长季排放量关于水、氮肥及生物炭的数学模型，模型通过显著性检验，能够反映稻田ch4的排放与水肥及生物炭之间的关系，使水肥及生物炭的定量研究更为方便，具有很好的应用前景。可为东北寒地黑土稻田ch4的减排提供可借鉴的田间管理技术。

附图说明

图1是本发明的单因素效应曲线图；

图2是灌水量、氮肥互作效应曲面图；

图3是灌水量、生物炭互作效应曲面图；

图4是氮肥、生物炭互作效应曲面图；

图5是灌水量、氮肥、生物炭互作效应四维图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明提供一种构建灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型的方法，包括如下步骤：

步骤一：取典型寒地黑土区作为试验用地；

步骤二：将步骤一所述试验用地分为数个试验因子组合，进行试验，待水稻移栽1周后开始检测ch4气体，至收获前1周结束；

步骤三：根据步骤二得到的检测数据计算稻田ch4的排放通量，再计算生长季排放量；

步骤四：以设计的灌水量x1、氮肥x2及生物炭x3编码值为自变量，以生长季排放量平均值y为因变量，进行二次多项式回归分析，得到ch4排放量与灌水量、氮肥、生物炭之间的回归方程：

y＝161.92+1.43x1-6.05x2-10.31x3-1.05x1x2-2.73x1x3-2.89x2x3-5.05x1²-1.21x2²-0.57x3²；

步骤五：将步骤四所得主效应模型中的任意2个因子定在零码值，求出单因素对ch4生长季排放量的影响效应，分别得到单因子效应方程：

y1＝161.92+1.43x1-5.05x1²

y2＝161.92-6.05x2-1.21x2²

y3＝161.92-10.31x3+0.57x3²；

步骤六：将步骤四所得主效应模型中的任意1个因子定在零码值，得到其他两个因子的互作效应方程：

y12＝161.92+1.43x1-6.05x2-1.05x1x2-5.05x1²-1.21x2²

y13＝161.92+1.43x1-10.31x3-2.73x1x3-5.05x1²-0.57x3²

y23＝161.92-6.05x2-10.31x3-2.89x2x3-1.21x2²-0.57x3²。

在一实施例中，步骤一中所述试验用地土壤基本理化性质为：有机质质量比41.4g/kg、ph值6.40、全氮质量比15.06g/kg、全磷质量比15.23g/kg、全钾质量比20.11g/kg、碱解氮质量比154.36mg/kg、有效磷质量比25.33mg/kg和速效钾质量比157.25mg/kg。

在一实施例中，步骤二中每个试验因子组合的灌水量、氮肥及生物炭分别分布在5000～10000kg/hm²、50～150kg/hm²、0～40t/hm²内。

在一实施例中，步骤二中各试验因子组合具体设置为：各小区四周同样种植水稻以加设保护行，各小区之间采用隔渗处理，即小区四周用塑料板和水泥埂作为隔渗材料，埋入田间地表以下40cm深；灌水方式采取管道供水，各条管道上配有水表以控制灌水量，氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥比例为5：3：2施用，p肥作基肥一次施用，施入量为45kg/hm²，k肥分基肥和8.5叶龄两次施用，前后比例为1：1，施入量为80kg/hm²，生物炭施于土壤表层，用旋耕机将生物炭与耕层土壤均匀混合。

在一实施例中，步骤二中所述数个试验因子组合为11个试验组合，3次重复，随机区组排列，每个小区面积为10m×10m＝100m²；

本发明还提供一种构建得到的灌水量、氮肥及生物炭对东北寒地稻田ch4生长季排放量影响模型在稻田水肥及生物炭配施中的应用，采用频率分析法对主效应模型进行寻优，将编码值在试验设计范围内划分出(-2，-1.414，0，1.414，2)五个水平，构成t＝5³＝125个处理组合，结合产量，将稻田ch4生长季排放量减排目标控制在一定范围内。

以下结合具体的实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

1、试验地概况

试验于2018年5～10月在黑龙江省绥化市庆安县和平镇水稻灌溉试验中心站(125°44'e，45°63'n)进行，是典型寒地黑土区。多年平均气温2.5℃，多年平均降水量550mm，多年平均水面蒸发量750mm。作物水热生长期156～171d，全年无霜期128d。气候特征属寒温带大陆性季风气候。土壤类型为白浆土型水稻土，容重1.01g/cm3，孔隙度61.8％。

土壤基本理化性质：有机质质量比41.4g/kg、ph值6.40、全氮质量比15.06g/kg、全磷质量比15.23g/kg、全钾质量比20.11g/kg、碱解氮质量比154.36mg/kg、有效磷质量比25.33mg/kg和速效钾质量比157.25mg/kg。

2、试验设计

试验采用饱和d311最优设计，研究控制灌溉条件下灌水量、氮肥以及生物炭三因素对水稻生长季ch4排放量的影响，水分与肥料参照当地农户施入标准，具体为灌水量5000～10000kg/hm²，氮肥(纯氮)50～150kg/hm²，生物炭0～40t/hm²。具体设计方案见表1、2。

0kg/hm²，生物炭0～40t/hm²。具体设计方案见表1、2。

表1因素水平编码表

表2饱和d-311最优设计处理表

试验共设11个处理，3次重复，随机区组排列，每个小区面积为10m×10m＝100m²，小区四周同样种植水稻以加设保护行。水稻育秧、移栽、植保及用药等技术措施以及田间管理条件相同，为减少侧向渗透对试验的影响，小区与小区之间采用隔渗处理，即小区四周用塑料板和水泥埂作为隔渗材料，埋入田间地表以下40cm深。灌水方式采取管道供水，各条管道上配有水表以控制灌水量，氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥比例为5：3：2施用，p肥作基肥一次施用，施入量为45kg/hm²，k肥分基肥和8.5叶龄(幼穗分化期)两次施用，前后比例为1：1，施入量为80kg/hm²，生物炭施于土壤表层，用旋耕机将生物炭与耕层土壤均匀混合。供试肥料为尿素(含n46％)、磷酸二铵(含n18％，含p2o546％)，钾肥(k2o含量40％)，供试生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的秸秆生物炭产品。

供试水稻品种为当地主栽品种龙庆稻3号，种植密度为每穴4株，5月6日施基肥，5月17日移栽，5月31日施分蘖肥，7月19日施穗肥，9月20日收获。水稻生育期为127d，分为返青期(5月17日～5月30日)、分蘖期(5月31日～7月7日)、拔节孕穗期(7月8日～7月25日)、抽穗开花期(7月26日～8月4日)、乳熟期(8月5日～8月24日)、黄熟期(8月25日～9月20日)。

3、气体采集与测定

气体采样选择在晴天进行，采用静态暗箱-气相色谱法。箱体为横截面边长18cm的长方体，采用有机玻璃材料制作，箱体外表粘贴覆盖绝热材料(海绵及铝箔)，以便减小采样期间由于太阳辐射导致的箱内气体温度变化。水稻生长前期箱高90cm，抽穗期后箱高增至130cm。箱体一侧距顶部30cm处设置三通阀采气孔，用于连通三通阀便于收集气体。采样箱顶部内置风扇1个，用于采样时混匀箱内气体。在移栽前于取样盆中放置木制底座，底座与泥面齐平，取样时将取样箱轻放在回型框底座上，底座水槽内的水确保取样时箱内外气体隔绝的作用。水稻移栽1周后开始检测，检测时间为10：00～12：00^[21-22]，每一处理3次重复平行采集，每周1次，至收获前1周结束。采样时用注射器抽取箱内约100ml气体，分别在第0、5、10、15min各采集一次样本，然后将注射器内气体立即转移到铝箔采样袋中，并及时将采样袋带回实验室测定。

气体ch4浓度采用岛津gc-14b气象色谱仪进行检测，检测器分别是氢火焰离子检测器fid和热导检测器tcd，温度为200℃和100℃，分离材料分别为gdx-502和porapakq，柱温分别为100℃和55℃，标准气体由国家标准物质中心提供。

4、计算方法和数据分析

稻田ch4的排放通量计算公式：f＝ρ·h·dc/dt·273/(273+t)

其中：f为气体排放通量(mg·m^-2·h^-1)，ρ为标准状态下气体密度(kg·m^-3)，h为箱高(m)，dc/dt为采样箱内气体的浓度变化率(ml·m^-3·h^-1)，273为气态方程常数，t为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。根据气样浓度与时间的关系曲线计算气体排放通量，生长季排放量为各个生育期平均通量值与该生育期总时长的乘积然后累加求得。

试验数据采用excel2003、spss17.0及matlab7.0进行统计分析。

5、ch4生长季排放量效应函数的建立

以表1中x1(w)、x2(n)、x3(c)编码值为自变量，表2中ch4生长季排放量平均值y为因变量进行二次多项式回归分析，得出ch4排放量与灌水量、氮肥、生物炭之间的回归方程：

y＝161.92+1.43x1-6.05x2-10.31x3-1.05x1x2-2.73x1x3-2.89x2x3-5.05x1²-1.21x2²-0.57x3²

对回归方程进行f检验：f＝5.16＞(f0.01(10，20))＝3.37)，回归方程关系极显著，即方程能够反映ch4生长季排放量与灌水量、氮肥以及生物炭之间的关系。回归方程一次项系数的绝对值是判断各因素对ch4排放量影响程度的依据，因此通过该方程可以看出对ch4排放量的影响程度由大到小依次为：生物炭、氮肥、水。

6、单因素效应曲线的建立

对上述主效应模型采用“降维法”，将任意2个因子定在零码值，求出单因素对ch4生长季排放量的影响效应，分别得到单因子效应方程并绘制出单因素效应曲线图，如图1所所示。

y1＝161.92+1.43x1-5.05x1²

y2＝161.92-6.05x2-1.21x2²

y3＝161.92-10.31x3+0.57x3²

由图1可以看出，在编码值范围内，灌水量对ch4排放量的影响表现为先促进后抑制，氮肥和生物炭的增加可明显抑制ch4的排放量。

7、因子互作效应方程的建立

将任意1个因子定在零码值，得到其他两个因子的互作效应方程，方程如下：

y12＝161.92+1.43x1-6.05x2-1.05x1x2-5.05x1²-1.21x2²

y13＝161.92+1.43x1-10.31x3-2.73x1x3-5.05x1²-0.57x3²

y23＝161.92-6.05x2-10.31x3-2.89x2x3-1.21x2²-0.57x3²

对此2因子互效应方程作图，如图2至图5所示。从图中可以看出，2因子交互作用对ch4的排放具有抑制作用，其对ch4排放量的影响程度由大到小依次为：氮肥+生物炭、水+生物炭、水+氮肥。由图(a)、(b)可以看出，当灌水量固定在一定水平，ch4的排放量随着氮肥和生物炭施入的增加而减小，而当氮肥或生物炭固定在一定水平，灌水量的增加对ch4的排放量影响有增有减，减排效果不是很明显；由图(c)可以看出随着氮肥和生物炭的施入量的增加，ch4的排放量明显降低，其中生物炭施入量的增加对ch4的减排效果较明显。

采用频率分析法对主效应模型进行寻优，将编码值在试验设计范围内划分出(-2，-1.414，0，1.414，2)五个水平，构成t＝5³＝125个处理组合，结合产量，将稻田ch4生长季排放量减排目标控制20％～40％范围内，因本试验中处理11各因子均处在零水平，因此认为是正常处理，即选定ch4生长季正常排放量60％～80％(86.65～115.54kg/hm²)进行频率分析，得到ch4生长季排放量水肥及生物炭管理模拟方程寻优结果50个，气体排放通量频率分析见表3。

表3ch4生长季排放量86.65～115.54kg/hm²之间的水肥及生物炭配施方案

综上，灌水量对稻田ch4的排放有重要的影响，本发明的研究表明当灌水量比较少时，会促进土壤和大气之间的气体交换，破坏了土壤的厌氧条件，抑制了产ch4菌的活性，但土壤通气性提升又一定程度上促进了ch4向大气中直接排放。而当水量充足时，稻田田面长期保持较深的水层，大气与土壤被水层阻断，可能会关闭部分气孔，减少ch4通过植株体的排放^[25-26]。这与本发明研究结果一致。

氮肥施用量对稻田ch4排放量有重要的影响，本发明结果表明所施氮肥对黑土稻田ch4生长季排放量影响呈明显负效应，这与上官行健等认为尿素能够使稻田ch4排放量降低的结果基本一致。

本发明表明，生物炭施用可有效降低稻田ch4排放量，其原因可能是生物炭输入有效改善了土壤通气状况，降低了土壤的水溶性有机碳含量，从而提高了土壤的保肥性。此外，生物炭输入作为碳源，可为ch4氧化菌提供充足基质，可通过氧化作用降低ch4排放。

本发明通过在土壤中添加生物炭，与水肥共同耦合，建立了东北寒地稻田ch4生长季排放量关于水、氮肥及生物炭的数学模型，模型通过显著性检验，能够反映稻田ch4的排放与水肥及生物炭之间的关系，使水肥及生物炭的定量研究更为方便，具有很好的应用前景。

通过本发明，可得到以下研究结果：

第一：水、氮及生物炭对稻田ch4生长季排放量均有不同程度的影响。分析结果表明，三因素对ch4排放量的影响表现为：生物炭＞氮肥＞水；灌水量对ch4排放量的影响表现为先增大后减小，氮肥和生物炭的增加可明显降低ch4的排放量。

第二：两因素的交互作用均会抑制ch4生长季的排放。分析结果表明，其对ch4排放量的影响表现为：氮肥+生物炭＞水+生物炭＞水+氮肥；当灌水量固定在一定水平，ch4的排放量随着氮肥和生物炭施入的增加而减小，而当氮肥或生物炭固定在一定水平，灌水量的增加对ch4的排放量影响有增有减，减排效果不是很明显；随着氮肥和生物炭的施入量的增加，ch4的排放量明显降低，其中生物炭施入量的增加对ch4的减排效果较明显。

第三：结合产量，将稻田ch4生长季排放量减排目标控制20％～40％范围内，采用频率分析法对主效应模型进行寻优，其优化水肥及生物炭配施方案为：灌水量4930～5310kg/hm²、施氮量96.93～107.74kg/hm²，生物炭量19.71～24.12t/hm²。

上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。