一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法

技术领域

本发明属于农业遥感应用技术领域，具体涉及一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法。

背景技术

目前，农业农村部开展的“测土配方施肥”项目主要基于土壤的氮素含量和作物对氮的需求来制定施肥方案。采用“测土配方施肥”技术不仅有助于提高作物产量，还在一定程度上减少了空气和水体的污染。该技术基于多年多点的肥效试验，通过精确的土壤分析，使农民能够为不同生长阶段的作物有针对性地施肥，满足其个性化的营养需求。然而，许多研究在探讨“测土配方施肥”方案时，仅关注土壤中的氮素供应，而忽略了大气中的氮源，导致某些情况下氮肥施用过多。

由于工农业生产和交通运输的迅速发展，大量含氮物质释放到大气中，其中一部分以干湿沉降的方式沉降到地表，同样对生态系统产生施肥效应。大气氮沉降是土壤养分循环中不可忽视的组成部分，对土壤生态系统的氮素供应至关重要。近年来，随着全球气候变化和气溶胶污染的加剧，大气氮沉降逐渐增加，这可能导致部分地区的土壤已富含足够氮素，无需过量施用氮肥。

因此，在进行农业生产时，需要综合考虑土壤状况、气象条件、植物需求和大气氮沉降等多种因素，制定最佳的施肥策略，以减少氮肥的过度使用，实现更加科学、可持续的农业发展。

发明内容

技术目的：鉴于上述问题，本发明提出了一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法，包括以下步骤：

步骤l：综合考虑大气沉降中的铵态氮和硝态氮、农田土壤中的氮以及农作物对氮的需求量，构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型；

步骤2：确定大气氮沉降中由农田施肥活动和非施肥活动引起的铵态氮沉降，并考虑农田施肥活动和大气铵态氮沉降的关系，结合DNDC模型，构建“氮肥施用-氨挥发-氮沉降”关系模型；

步骤3：耦合步骤l和步骤2构建的模型，估算农田氮肥优化施用量。

作为优选，步骤1中：以往氮肥施用只考虑土壤供给的氮，不考虑来自大气的氮输入，而大气氮沉降是实际存在的，在大气氮沉降不会增加农作物产量的情况下，农田推荐施氮量被假定为农作物生长的全部需求量，因此农田推荐施氮量应减去大气氮沉降量。

作为优选，步骤1中：构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型的计算方法如下：

其中，N

作为优选，步骤2中：大气氮沉降中由农田施肥活动和非施肥活动引起的铵态氮沉降量由NH

其中，

作为优选，步骤2中：构建“氮肥施用-氨挥发-氮沉降”关系模型，由农田施肥活动引起的大气铵态氮沉降量，计算方法如下：

其中，N

作为优选，假设R

其中，

作为优选，根据步骤2构建的模型，由优化后的施氮量引起的大气铵态氮沉降量的计算方法为：

其中，

作为优选，步骤3中：耦合步骤1构建的模型，则氮肥优化施用量的计算方法为：

其中，N

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

大气氮沉降作为农田生态系统一个重要的外部氮源，对生态系统同样具有施肥的作用，传统确定农作物推荐施氮量的方法主要是在点位上进行土壤-植物测试，或基于氮肥肥效试验。然而，这些研究并未充分考虑大气氮沉降对农田生态系统的影响。本发明从考虑大气氮沉降和确保作物产量两方面出发，通过构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型，结合生物地球化学模型，耦合“氮肥施用-氨挥发-氮沉降”关系模型，在农田推荐施氮量的基础上实现了氮肥施用量的进一步降低，同时可以基本确保我国粮食作物的生产，节约氮肥购买成本，减少环境污染和资源消耗。

附图说明

图1是一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法的流程图；

图2是我国华中地区R

图3是我国华中地区氮肥减施量统计图；

图4是我国华中地区氮肥减施量空间分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本实施例根据卫星监测的NH

如图1-4所示，本发明提出了一种考虑大气氮沉降的农田氮肥施用量优化方法，包括以下步骤：

步骤1：综合考虑大气沉降中的铵态氮和硝态氮、农田土壤中的氮和农作物对氮的需求量，构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型。

综合考虑大气沉降中的铵态氮和硝态氮、农田土壤中的氮和农作物对氮的需求量，具体指的是：以往氮肥施用只考虑土壤供给的氮，不考虑来自大气的氮输入，而大气氮沉降是实际存在的。在大气氮沉降不会增加农作物产量的情况下，农田推荐施氮量被假定为农作物生长的全部需求量，因此农田推荐施氮量应减去大气氮沉降量。

构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型，方法如下：

其中，N

步骤2：确定大气氮沉降中由农田施肥活动和非施肥活动引起的铵态氮沉降，并考虑农田施肥活动和大气铵态氮沉降的关系，结合生物地球化学模型DNDC，构建“氮肥施用-氨挥发-氮沉降”关系模型。

大气氮沉降中由农田施肥活动和非施肥活动引起的铵态氮沉降量由NH

其中，

农田施肥活动和大气铵态氮沉降的关系指的是：由施肥活动引起的大气铵态氮沉降与“先施用氮肥，再NH

构建农田氮肥施用-农田氨排放-大气氮沉降模型，则由施肥活动引起的大气铵态氮沉降量的计算方法如下：

其中，

本发明假设R

其中，

步骤3：耦合步骤1和步骤2构建的模型，估算农田氮肥优化施用量。

根据步骤2构建的模型，则由优化后的施氮量引起的大气铵态氮沉降量的计算方法如下：

其中，

耦合步骤1构建的模型，则氮肥优化施用量可由下式进行估算：

其中，N

本发明从考虑大气氮沉降和确保作物产量两方面出发，通过构建区域尺度农田氮肥施用量优化模型，结合生物地球化学模型，耦合“氮肥施用-氨挥发-氮沉降”关系模型，对我国主要粮食作物的施氮量进行优化。

首先，在全国范围内，本实施例在推荐施氮量的基础上实现了氮肥的施用量的进一步减少，平均减少了22.2kg N ha

其次，为了量化优化后的施氮量是否降低了作物的籽粒产量，本实施例利用生物地球化学模型DNDC，分别将优化前后的施氮量作为DNDC模型的施肥数据，量化氮肥优化前后对农作物产量的影响，以及对农田温室气体排放和氨挥发的影响。结果表明，优化后的施氮量导致我国主要粮食作物产量(稻谷、小麦和玉米的总量)轻微下降0.2％，但还是能基本满足我国的粮食需求。但是，氮肥优化带来的好处远远超过产量的微小变化。首先，减少的施氮量大概节约了106亿元的氮肥购买成本，同时减少了10.5Tg CO2-eq的温室气体排放(CH

总之，本申请对中国的可持续农业和环境保护具有重要意义，在优化氮肥施用量时考虑大气氮沉降，可以减少农田的氮施用总量，并且在确保粮食生产和安全的同时，最大限度地减少环境污染和资源消耗。

以上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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。