CN104969705A - 一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，通过以下公式确定推荐氮肥最优施量：推荐氮肥最优施量＝作物吸氮量+氮素盈余-土壤供氮量；将推荐氮肥最优施量按基肥40％、拔节肥20％、攻穗肥20％、攻粒肥20％的比例进行分配。本发明以达到提高作物水肥利用效率，从源头减轻农业面源污染的目的。需要测定土壤养分含量、植株养分含量、氮素转运贡献率等，就可以获得考虑环境因素的生态优化施氮量。

Description

一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法

技术领域

本发明涉及植物营养、生态环境领域，具体涉及一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法。

背景技术

随着国家对地区工业和城市污染的逐步控制，以农田为核心的灌区退水污染正在成为影响黄河水质的主要污染源，第一次全国污染源普查结果显示，农业源排放的化学需氧量、总氮、总磷等污染物分别占全国排放总量的44％、57％和67％。农业面源污染具有潜在性、随机性、广泛性、复杂性及滞后性的特点，目前正面临着根治难的境况。在农业生产过程中，化肥用量呈逐年增加的趋势，而肥料的利用率却一直在低水平徘徊，作物收获所带走的磷占施肥量的65％左右，氮不到40％，氮、磷的大量盈余必然导致化肥向水体的直接流失显著增加，使得农田退水过程中氮、磷等面源营养物质成为加剧黄河水污染的主要根源，农业面源污染将成为河套灌区水环境质量改善的严重制约因素。

在农业生产过程中，为了提高作物产量，投入大量肥料，其中占主导地位还是化肥，尤其是氮肥，当季施入土壤中的氮素并不能被作物完全利用，除了被作物吸收外，部分在土壤深层累积，部分随着灌水及降水被淋选出根区，并进入地下水中，对环境造成了严重污染。氮素在土壤中主要以硝态氮的形式存在，有研究表明，施氮过多能够显著增加硝态氮的淋溶损失，施氮越多，硝态氮淋溶损失则越大。农田土壤中产生硝态氮淋失要满足二个条件，一是土层中要存在水分的垂直运动，二是土层中的硝态氮大量残留，而氮肥的过量施用是导致土壤硝态氮淋失的主要氮源，所以合理调控氮肥施用量是解决硝态氮淋失的有效手段。我国长期偏施氮肥，氮、磷、钾肥施用不平衡的现象已极为严重，施肥结构单一、过量施肥、忽视土壤和环境养分的利用，造成肥料利用效率较低及严重的环境污染。已有研究表明，在一定范围内增施磷肥，能够有效提高作物产量及吸氮量，增加作物对氮肥的消耗。

内蒙古河套灌区地处干旱半干旱地区，降水量较小，氮素的气态损失不大，主要的损失是氮素的淋溶损失，而氮、磷、钾等肥料的不均衡施用是造成农田土壤硝态氮大量淋溶及累积的重要原因，鉴于灌区的土壤基本养成分中钾含量丰富，主要施用的化肥是氮肥及磷肥。因此，立足河套灌区基本的农田生产现状，针对常规作物玉米，以提高作物的肥料利用效率及消减农田生产中氮、磷等特征污染物负荷为目的，在保证产量的前提下，合理调控当地的氮、磷配施水平，进一步削减氮、磷施量，从源头上减轻农业面源污染，解决土壤肥力不足及不合理施肥对本地区作物产量及水肥利用效率的限制，实现作物高产稳产，具有重要的科学研究价值，可为减轻农业面源污提供技术支撑和理论依据，是黄河上游灌区水质安全的重要科技需求及提高灌区农业清洁生产水平和推进现代农业的重要保障，也是黄河中下游水安全和生态安全的重要举措，具有重要的科学研究价值和现实意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，以达到提高作物水肥利用效率，从源头减轻农业面源污染的目的。需要测定土壤养分含量、植株养分含量、氮素转运贡献率等，就可以获得考虑环境因素的生态优化施氮量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，通过以下公式确定推荐氮肥最优施量：

推荐氮肥最优施量＝作物吸氮量+氮素盈余-土壤供氮量；将推荐氮肥最优施量按基肥40％、拔节肥20％、攻穗肥20％、攻粒肥20％的比例进行分配。

其中，所述氮素盈余通过以下公式计算：

氮素盈余＝作物收获后土壤氮素残留+氮素表观损失。

其中，所述土壤供氮量通过以下公式计算：

土壤供氮量＝土壤种前无机氮+作物生育期内土壤氮素矿化量。

本发明具有以下有益效果：

以达到提高作物水肥利用效率，从源头减轻农业面源污染的目的。需要测定土壤养分含量、植株养分含量、氮素转运贡献率等，就可以获得考虑环境因素的生态优化施氮量。

附图说明

图1为本发明实施例中玉米植株吸氮速率示意图。

图2为本发明实施例中玉米各生育期植株吸氮量累积量分析图。

图3为本发明实施例中选取P₂水平下的四个施氮处理分别玉米地上部植株吸氮量之间建立一元二次回归模型。

图4为本发明实施例中选取N₂水平下的四个施氮处理分别玉米地上部植株吸氮量之间建立一元二次回归模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明具体实施中试验区选在内蒙古河套灌区上游，灌溉水源为黄河水，灌溉方式为渠道漫灌，通过渠口的无喉道量水堰控制灌溉水量，灌溉定额为90～105mm，玉米生育期内灌4次水，追肥时，尿素先在施肥罐中溶解，再随灌溉水进入农田。玉米4月中旬施基肥、播种，9月下旬收获。

其中，所述肥料如下：

氮肥  尿素(46％N)

磷肥  过磷酸钙(16％P205)

其中供试土壤为壤土，表层20cm土壤基本养分含量如下：

对比例(N₀P₀)

不施月巴对照处理；

实施例1(N₀P₂)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素0kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙1125kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素0kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素0kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素0kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例2(N₁P₂)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素117.4kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙1125kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例3(N₂P₀)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素235kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙0kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例4(N₂P₁)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素235kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙562.5kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例5(N₂P₂)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素235kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙1125kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例6(N₂P₃)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素235kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙1687.5kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素117.5kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

实施例7(N₃P₂)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素352.2kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙1125kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素176.1kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素176.1kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素176.1kg/hm²于玉米根部周围；四水前.8月上旬，补水玉米；

实施例8(N₁P₁)

玉米播种前施基肥，基肥为尿素117.4kg/hm²(占纯氮量的40％)，过磷酸钙562.5kg/hm²；一水前，5月下旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；二水前，6月中旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；三水前，7月中旬，用点播器追施尿素58.7kg/hm²于玉米根部周围；四水前，8月上旬，补水玉米；

由表1可知，中氮中磷(N₂P₂)处理玉米百粒重较高，与其余处理间差异显著(P＜0.05)，空白处理最小；当施磷量恒定在P₂水平时，N₂＞N₃＞N₁＞N₀，说明在一定施氮范围内，施氮与玉米百粒重之间表现为正相关(N₀～N₂)，而施氮过量(N₃)则对小麦生长产生抑制作用；当施氮量恒定在N₂水平时，表现出类似规律。

对玉米籽粒产量分析，P₂水平下，产量规律表现为：N₂＞N₃＞N₁＞N₀，N₂处理相对空白处理的增产62.14％，而相对于N₀、N₁、N₃处理分别增产39.2％、14.29％、11.06％；N₂水平下，产量规律表现为：P₂＞P₃＞P₁＞P₀，P₂处理相对于P₀、P₁、P₃处理分别增产32.15％、11.22％、5.13％。可见，低氮(N₁)、低磷(P₁)、高氮(N₃)、高磷(P₃)处理并不能有效增加玉米的籽粒产量，施肥效益较低，中氮中磷处理(N₂P₂)能够有效提高作物产量及施肥效益。

表1玉米产量构成因子

见表2、3，在P₂水平下，随着施氮量的增加，植株吸氮量也随之增加，当施氮达到一定水平时，植株对氮的需求达到饱和，增加趋势变缓，而氮肥利用率表现为逐渐降低，100kg籽粒产量的植株需氮量及对应的施氮量总体上都表现为增加趋势，且供给的增加速率大于作物的需求，说明施肥效益降低。在N₂水平下，随着施磷量的增加，植株吸氮量、氮肥利用率、100kg籽粒产量的植株吸氮及施氮量都表现为先增加后降低的趋势，说明适量的磷肥能够促进作物对氮肥的吸收，过多则对作物产生毒害作用。玉米的植株吸磷量、磷肥利用率、100kg籽粒产量的植株吸磷及施磷量表现出类似规律(表3)。

表2玉米氮肥利用效率

表3玉米磷肥利用率

氮素是限制作物生长和产量形成的首要因素，不仅植株体不同部位含氮量存在差异，不同生育时期，含氮量也不相同，尤其在作物生长后期，由营养生长转入生殖生长，植株体不同部位氮素分布发生较大变化。

如图1，玉米不同生育时期的氮素吸收速率随着播种后天数的增加，表现为先增加后降低的趋势，其中达到最大氮素吸收速率的天数表现为高氮(N₃P₂)及中氮(N₂P₀、N₂P₁、N₂P₂、N₂P₃)＜低氮(N₁P₁、N₁P₂)＜缺氮处理(N₀P₀、N₀P₂)处理，即随着施氮量的增加，氮素吸收速率极限值表现出前移现象，说明能够较好的吸收土壤中的氮素。

由图2知，对玉米各生育期植株吸氮量累积量进行分析，苗期的植株吸氮量仅占植株总吸氮量的2％左右，各施肥处理间无显著差异；拔节至大口期的植株吸氮量较高，占植株总吸氮量的21.4％～41.3％，其中缺氮(N₀)处理占21.4％～23.8％，低氮(N₁)处理占34.5％～35.5％，中氮(N₂)及高氮(N₃)处理占40％左右，以中氮中磷(N₂P₂)处理最高，表现为随着施氮量的增加而增加，施氮过量则有降低趋势，适量的磷肥配施能够提高植株吸氮量；抽雄至吐丝期的植株吸氮量也较高，占植株总吸氮量的29.2％～50.8％，其中缺氮(N₀)处理占49％～50.8％，低氮(N₁)处理占37.8％～40.5％，中氮(N₂)及高氮(N₃)处理占30％左右，表现为随着施氮量的增加而降低；灌浆期的植株吸氮量占植株总吸氮量的16.2％～21.4％，缺氮(N₀)处理占17.5％左右，低氮(N₁)处理占16.2％～17.7％，中氮(N₂)及高氮(N₃)处理占19～21.4％；成熟期的植株吸氮量较低，仅占植株总吸氮量的5.8～8.3％。总体上，玉米收获后植株总的吸氮量表现为随着施氮量的增加而增加。

由图3、图4可知，选取P₂水平下的四个施氮处理(N₀P₂、N₁P₂、N₂P₂、N₃P₂)及N₂水平下的四个施氮处理(N₂P₀、N₂P₁、N₂P₂、N₂P₃)分别玉米地上部植株吸氮量之间建立一元二次回归模型，方程拟合较好。总体上，植株吸氮量表现为随着施氮量的增加而增加，但其吸氮效率则逐渐降低，这是由于作物植株对氮素的需求存在着极限值，适量施氮可促进小麦植株对氮素的吸收与积累。而随着施磷量的增加，植株吸氮量则表现出先增后减的规律，说明施磷过量抑制植株对氮素的吸收，合理的施肥(N₂P₂)能够较好地协调土壤供氮能力与植株吸氮需求之间的供需平衡。

由表4知，玉米地上部分植株吸氮量、灌浆前(成熟期)营养体氮素积累量表现为随着施氮量的增加而增加，即在营养生长阶段，植株体内的氮素分布受施氮水平影响较大，而中氮条件下适量配施磷肥(N₂P₂)，能够有效提高植株吸氮量及营养体氮素积累量；玉米收获后籽粒的氮素积累量主要是由灌浆期至成熟期营养体的氮素转运量和花后氮素同化量组成，其中，氮素转运贡献率约占43.5～57％，大体上，随着施氮量的增加，表现为先增加后降低的趋势，而在中氮条件下，随着施磷量的增加，也表现为先增加后降低的趋势，其中氮素转运量及转运率也表现出类似规律，说明在生殖生长阶段，低氮(磷)及高氮(磷)处理不利于花前氮素的转运，同时，施用适量氮肥能够提高籽粒的花后氮素同化量(中氮及低氮处理)。

表4玉米植株氮素转运

根据氮素输入、输出平衡原理，氮盈余＝氮输入-氮输出，氮素输入项包括化肥施用、播种前土壤无机氮、氮素矿化，氮素吸必项包括作物收获后植株吸氮量、土体残留量及氮素表观损失。选取0～100cm土层作为研究对象，其中，不考虑氮素的激发效应，氮素矿化是根据空白处理作物吸氮量与试验前后土壤无机氮的净变化来加以估计。

在氮素输入项中，缺氮条件下，氮素供应以种前无机氮为主，占氮素输入的69.8％，低氮条件下，以种前无机氮及化肥氮为主，种前无机氮加上矿化氮大于施入的化肥氮，中氮及高氮条件下，以化肥氮为主，分别占56.7％和66.3％。总体上，氮素矿化所占比例较小，随着施氮量的增加，种前无机氮及矿化氮所占比例逐渐减少，而化肥氮所占比例则逐渐增加。在氮素输出项中，以作物携出氮为主，表现为随着施氮理的增加而增加，但其增加速率是逐渐降低的，占氮素输出的42.5％～70.2％，土壤残留无机氮也随施氮量的增加而增加，占氮素输出的25.8％～37.9％，氮素表观损失占0～19.6％，高氮处理相比中氮，玉米植株吸氮量增加的并不显著，说明高氮并不能显著增加植株对氮素的吸收，但是却增加了37.6％～51.1％的土壤氮素残留以及73.3％～91％的氮素表观损失，对资源造成了严重浪费。

最终，氮素盈余表现为随着施氮量增加而增加，中氮条件下，氮素盈余在222.5～231.1kg/hm²之间，而高氮条件下，则达到了351.5kg/hm²，相比中氮条件增加了52.1％～58％，说明当施氮量达到中氮水平时，再增施氮肥将产生显著的氮素损失，对地下水环境造成危害。可见，中氮中磷配施(N₂P₂)能够有效减少作物收获后氮素的残留、表观损失及盈余，为进一步减轻农面源污染提供理论依据。

表5玉米全生育期氮素平衡

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，其特征在于，通过以下公式确定推荐氮肥最优施量：

推荐氮肥最优施量＝作物吸氮量+氮素盈余-土壤供氮量；将推荐氮肥最优施量按基肥40％、拔节肥20％、攻穗肥20％、攻粒肥20％的比例进行分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，其特征在于，所述氮素盈余通过以下公式计算：

氮素盈余＝作物收获后土壤氮素残留+氮素表观损失。

3.根据权利要求1所述的一种基于农田氮素平衡的玉米水肥一体化施肥方法，其特征在于，所述土壤供氮量通过以下公式计算：

土壤供氮量＝土壤种前无机氮+作物生育期内土壤氮素矿化量。