一种基于模型的旱地马铃薯优化推荐施肥方法

摘要

本发明涉及一种马铃薯优化推荐施肥方法。所述推荐施肥方法包括：步骤1)确定目标产量；步骤2)确定已知地块土壤基础养分供应水平的级别；步骤3)根据多年多点减素试验计算已知地块的产量反应；或者根据已知地块土壤基础养分供应水平级别和马铃薯产量反应系数估算已知地块的产量反应；步骤4)基于QUEFTS模型获得的马铃薯最佳养分吸收量，结合目标产量、施肥产量反应和农学效率，分别计算已知地块马铃薯获得目标产量所需要的氮磷钾肥用量。该方法既适合我国以小农户为主体的经营模式，也能够实现区域尺度的肥料推荐，是实现马铃薯增产增效和提高其比较优势的重要途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于模型的旱地马铃薯优化推荐施肥方法，属于农业资源环境领域。

背景技术

我国是世界上最大的马铃薯生产国，种植面积和总产量处于世界首位，但是单位面积产量与发达国家还有一定差距。提高养分管理水平是马铃薯产量进一步提高的有效途径，然而当前我国马铃薯普遍存在偏施氮肥以及磷钾养分失衡等问题，肥料不合理施用不仅影响马铃薯产量的进一步提高，还导致肥料利用率低下和环境污染等问题。因此，建立科学有效的推荐施肥方法对于提高马铃薯产量、提高农民收入和保护环境具有重要意义。

目前对于推荐施肥方法的研究，国内外大多采用测土配方施肥和肥料效应函数法等，我国农业部也在2005年启动了测土配方施肥计划，在马铃薯增产增收中发挥了重要作用。然而现实问题是：土壤测试化验分析耗时、耗力、并需要一定的财力投入，在我国以小农户为主要经营主体的模式下很难做到一家一户的测土配方施肥；另外，受当前测试方法局限性的影响，土壤养分测试值并不能完全反应土壤养分供应状况。因此，迫切需要针对马铃薯开展一种科学有效、方便使用的施肥方法。

发明内容

针对现有技术方法的不足，本发明提供一种马铃薯推荐施肥方法。在利用QUEFTS(Quantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils)模型的基础上，结合土壤基础养分供应、马铃薯养分需求、肥料产量反应和农学效率，以养分协同优化的最佳养分管理为原则，同时考虑了养分的平衡施用，最终给出合理的推荐施肥量。该方法适合我国以小农户为经营主体的种植模式，克服了现有施肥方法的技术问题。

本发明所采取的技术方案是：

一种马铃薯优化推荐施肥方法，包括：

步骤1)确定目标产量；

步骤2)确定已知地块土壤基础养分供应水平的级别；

步骤3)根据多年多点减素试验计算已知地块的产量反应；或者根据已知地块土壤基础养分供应水平级别和马铃薯产量反应系数估算已知地块的产量反应；

步骤4)基于QUEFTS模型获得的马铃薯最佳养分吸收量，结合目标产量、施肥产量反应和农学效率，分别计算已知地块马铃薯获得目标产量所需要的氮磷钾肥用量。

本发明所述的推荐施肥方法中，步骤1)中，所述目标产量为在已知地块无非生物逆境胁迫的土壤过去3-5年平均产量的基础上增加10％的产量。

本发明所述的推荐施肥方法中，步骤2)中，判断土壤基础养分(主要是氮N)供应水平的级别，主要依据马铃薯种植区土壤特性(如土壤质地、颜色、有机质含量等)判断或土壤养分水平(主要是有机质、速效N、速效P、速效K)测试结果来判断。

依据马铃薯种植区土壤特性，土壤基础养分供应水平的级别分别为：

低：砂土(不考虑土壤颜色)或微红/微黄的壤土或粘土；

中：灰色/褐色的壤土或粘土；

高：有机质含量高，并呈黑色的壤土或粘土。

依据土壤养分水平测试结果，土壤氮素养分供应水平的级别分别为：

低：土壤有机质≤1％，并土壤速效氮≤100kg/kg；

中：土壤有机质1～3％，并土壤速效氮100～180kg/kg；

高：土壤有机质≥3％，并土壤速效氮≥180kg/kg。

同时，如果速效氮≥180mg/kg，则根据有机质测试值的“低”、“中”等级升级为“中”、“高”等级；如果速效氮≤100mg/kg，则根据有机质测试值的“高”等级降级为“中”等级。

依据土壤养分水平测试结果，土壤磷养分供应水平的级别分别为：

低：P≤10mg/kg；

中：P介于10～25mg/kg之间；

高：P≥25mg/kg。

依据土壤养分水平测试结果，土壤钾养分供应水平的级别分别为：

低：K≤80mg/kg；

中：K介于80～150mg/kg之间；

高：K≥150mg/kg。

本发明所述的推荐施肥方法中，步骤3)中，产量反应的定义为：施用氮磷钾肥地块与不施某种养分地块之间的产量差；其中，

如果在已知地块做过减素试验，则根据减素试验计算产量反应，即产量反应(t/ha)＝施肥地块产量－减素地块产量；

如果已知地块没有做过减素试验，则根据不同马铃薯种植区域土壤基础养分供应水平级别和马铃薯产量反应系数对产量反应进行估算。即产量反应(t/ha)＝目标产量×产量反应系数。不同级别基础养分供应水平的土壤上马铃薯产量反应系数如表1。

表1马铃薯不同种植区在不同级别基础养分供应水平的土壤上的产量反应系数

表2马铃薯种植区域分类

种植区域省份东北黑龙江、吉林、辽宁西北甘肃、内蒙、宁夏、青海、陕西、新疆华北河北、山东、山西、河南、北京、天津东南安徽、浙江、湖北、湖南、江西、江苏、福建、广东、广西、海南、上海西南云南、贵州、四川、重庆、西藏

注：每个马铃薯种植区域都对应各自相应的参数。

由表1和表2可知，根据马铃薯的种植区域分成东北、华北、西北、东南和西南5个生态区，每个区域分成低、中和高三个级别基础养分供应水平，分别求算不同级别对应的产量反应系数。

其中，产量反应系数计算主要依据土壤养分供应水平级别和多年多点历史数据。历史数据为近十几年(如2000-2016)我国开展的马铃薯田间肥料试验获得的减素处理的产量与氮磷钾施肥的产量数据。减素处理与氮磷钾施肥处理的产量之比为相对产量，产量反应系数由(1-相对产量)求的。

本施肥方法中把相对产量的25th、50th、75th个百分位数分别定义为土壤基础养分供应低、中、高等级，土壤基础养分供应低、中、高等级分别对应高、中、低的产量反应系数。

本发明所述的推荐施肥方法中，步骤4)中，基于QUEFTS模型获得的马铃薯最佳养分吸收量，结合目标产量、施肥产量反应和农学效率，分别计算已知地块马铃薯获得目标产量所需要的氮磷钾肥用量。

所述施氮量(kg N/ha)主要基于产量反应和预设农学效率求算；具体地，施氮量(FN，kg N/ha)＝A×1000/(-0.094×A²+5.7021×A+6.8869)；A为产量反应，单位为t/ha。

所述施磷量根据磷肥产量反应和维持土壤基础地力磷素平衡两部分组成，维持土壤基础地力磷素平衡部分相当于需要归还维持基础地力产量下的块茎和秸秆因收获而带走的磷素养分量。具体地，本发明所述的施磷量确定如下：

施磷量主要根据产量反应、作物移走量(维持基础地力部分需磷量)和上季磷素残效三部分来考虑。

马铃薯施磷量(FP,kg P₂O₅/ha)＝产量反应需磷量+(作物移走量-上季磷素残效)；

或，马铃薯施磷量(FP,kg P₂O₅/ha)＝产量反应需磷量+【(块茎磷素移走量+秸秆磷素移走量)-上季磷素残效】；

或，马铃薯施磷量(FP,kg P₂O₅/ha)＝产量反应×10+【(目标产量-产量反应)×RIEp×HIp×2.292+(目标产量-产量反应)×RIEp×(1-HIp)×2.292×(1-秸秆还田率)】-上季磷素残效；其中，RIEp＝0.81，HIp＝0.75；

或，马铃薯施磷量(FP,kg P₂O₅/ha)＝产量反应×10+【(目标产量-产量反应)×1.392+(目标产量-产量反应)×0.464×(1-秸秆还田率)】-上季磷素残效。

马铃薯推荐施肥方法考虑上季磷素平衡的50％作为上季作物残余的养分带入下季马铃薯。在马铃薯推荐用量中予以扣除，如果计算结果为负值则以“零”计。

磷素残效＝(上季作物有机肥和化肥养分投入量-上季作物养分移走量量)×0.5；

其中，上季作物有机肥和化肥养分投入量按照实际调查数据获取；

上季养分移走量＝上季作物经济产量移走量+上季作物秸秆移走量；

上季作物经济产量移走量＝上季产量×RIEP×HIP×磷换算系数；

上季作物秸秆移走量＝上季经济产量×RIEP×(1-HIP)×(1-还田比例)×磷换算系数。

所述施钾量根据钾肥产量反应和维持基础地力钾素平衡两部分组成，维持土壤钾素平衡部分相当于需要归还维持基础地力产量下的块茎和秸秆因收获而带走的钾素养分量。具体地，本发明所述的施钾量确定为：

施钾量主要根据产量反应、作物移走量(维持土壤平衡)和上季钾素残效三部分来考虑。具体如下：

马铃薯施钾量(FP,kg>2O/ha)＝产量反应需钾量+(作物移走量-上季钾素残效)；

或，马铃薯施钾量(FP,kg>2O/ha)＝产量反应需钾量+块茎移走量+秸秆移走量-上季钾素残效；

或，马铃薯施钾量(FP,kg>2O/ha)＝产量反应×15+【(目标产量-产量反应)×RIEk×HIk×1.205+(目标产量-产量反应)×RIEk×(1-HIk)×1.205×(1-秸秆还田率)】-上季钾素残效；其中，马铃薯RIEK＝3.5，HIK＝0.78；

或，马铃薯施钾量(FP,kg>2O/ha)＝产量反应×15+【(目标产量-产量反应)×3.478+(目标产量-产量反应)×0.981×(1-秸秆还田率)】-上季钾素残效。

马铃薯推荐施肥方法考虑上季钾素平衡的80％作为上季作物残余的养分带入下季马铃薯。在马铃薯推荐用量中予以扣除，如果计算结果为负值则以“零”计。

钾素残效＝(上季作物有机肥和化肥养分投入量-上季作物养分移走量量)×0.8；

其中，上季作物有机肥和化肥养分投入量按照实际调查数据获取；

上季养分移走量＝上季作物经济产量移走量+上季作物秸秆移走量；

上季作物经济产量移走量＝上季经济产量×RIEK×HIK×钾换算系数；

上季作物秸秆移走量＝上季经济产量×RIEK×(1-HIK)×(1-还田比例)×钾换算系数。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1、与农民习惯和测土配方施肥相比，该推荐施肥方法克服了农民习惯施肥的盲目性和测土配方施肥的复杂性和难操作性，省时、省力，可操作性强。同时，该方法优化了氮磷钾肥的投入量，改善了养分投入比例，使其更有利于保持土壤和作物的养分平衡，从而促进养分的良性循环和利用，降低了因过量施肥导致农业面源污染的风险。

2、该推荐施肥方法根据不同农户施肥的产量反应进行推荐，符合我国以小农户为主体的经营模式，能够做到一户一个配方，施肥具有针对性；该方法只需用户针对已知地块回答一些简单的问题，然后通过现成的公式计算就能得到合理的施肥方案，简单方便，易于学习和掌握。

3、该推荐施肥方法主要依据模型和大量历史数据模拟得到的马铃薯养分需求规律，参数中包含了我国广泛的品种和环境条件信息，具有普遍的指导意义，可应用于我国各地马铃薯种植区域，适用性较强，能够满足区域尺度的施肥推荐。

4、田间验证试验证明，采用该推荐施肥方法进行施肥，提高了马铃薯的产量，增加了农民的收入，达到了增产增效和提高马铃薯比较优势的目的。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1大田验证试验

试验于2017年1-12月在黑龙江、吉林、甘肃、内蒙、山西、江西六省开展了46个马铃薯推荐施肥方法试验。马铃薯种植前对每个试验站点地块种植情况进行调查，了解往年施肥及产量情况，根据调查结果确定目标产量和土壤基础养分供应水平级别，通过本优化推荐施肥方法(NE)计算出产量反应推荐施肥量(见表3)，同时设置当地测土配方施肥处理(ST)和农民习惯处理(FP)作为对照(在其中三地26个试验点)。小区面积30m2，农民习惯处理选取当地马铃薯种植户进行试验布置和调查测产。

施肥量结果显示(表3)，各地养分施用量平均氮素施用量显著性差异(P<0.05)大小顺序为FP>ST>NE，不同管理措施的磷钾施用量无显著差异。除甘肃和黑龙江外，各省的FP处理施氮量和施磷量均高于NE处理。但吉林省和山西省的FP处理施钾量高于NE处理。

各处理肥料用量对比分析

从表3可见，NE施肥氮肥用量在161～240kg/ha，平均值为191kg/ha；磷肥用量在90～135kg/ha，平均值为112kg/ha；钾肥用量在90～240kg/ha，平均值为159kg/ha。FP处理氮肥用量在141～339kg N/ha之间，平均值为241kg/ha；磷肥施用量在60～210kg P₂O₅/ha，平均值为124kg/ha；钾肥用量在0～243kg>2O/ha之间，平均值为138kg/ha。

与农民习惯施肥相比，NE施肥处理减少了氮肥和磷肥的投入，增加了钾肥投入；氮肥和钾肥用量分别平均增加了9.5％和9.6％，磷肥用量平均减少了15.2％(表3)。

表3马铃薯养分专家系统推荐施肥施肥量比较

各处理最终产量对比分析

由表4可见，NE施肥处理马铃薯产量变幅为19.5～55.5t/ha，平均值为38.0t/ha；FP施肥处理马铃薯产量变幅为17.4～48.3t/ha，平均值为34.6t/ha。其中NE施肥处理比农民习惯施肥平均增产9.8％。

表4马铃薯养分专家系统推荐施肥产量、经济效益和氮肥农学效率比较

各处理经济效益对比分析

从表4经济效益分析来看，NE施肥处理纯收入在18837～63278元/ha，平均为44523元/ha(六省)；农民习惯施肥处理纯收入在16574～57643元/ha，平均40765元/ha(六省)。NE施肥处理相对FP施肥处理表现出收入增加，增收幅度分别平均为9.2％或3758元/ha(六省比较)。表4还表明，NE处理不但提高了农民产量和收益，还增加了氮素农学效率，减少了不合理施肥带来的潜在环境风险。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。