[发明专利]一种基于区域尺度旱地作物氮投入环境阈值的确定方法

权利要求书

1.一种基于黄淮海平原区区域尺度小麦氮投入环境阈值的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)区域内最高相对产量下施氮量的确定

①查阅区域内某一旱地作物的施氮量及其产量的历史文献数据，根据查阅的历史文献施氮量及其作物产量数据，计算每一施氮量对应的作物相对产量，作物相对产量计算为公式1：

Y_相对产量＝Y_i/Y_max×100％ (公式1)，

公式1中，Y_i为某一施氮梯度下某一施氮量的作物产量，Y_max为该施氮梯度下最大作物产量，Y_相对产量为该施氮量下的作物相对产量；

②根据区域内的土壤类型设置施氮梯度试验，每个土壤类型至少设置一个施氮梯度试验，每个施氮梯度试验至少设置一个年度的试验，实测各施氮梯度试验中各施氮量对应的作物产量，并计算各施氮梯度试验中每一施氮量对应的作物相对产量，该作物相对产量的计算采用公式2计算；

Y_{试验相对产量}＝Y_试验i/Y_试验max×100％ (公式2)，

公式2中，Y_试验i为某一年内某一施氮梯度试验某一施氮量下的作物产量，Y_试验max为该年内该施氮梯度试验最大的作物产量，Y_{试验相对产量}为该年内该施氮梯度试验该施氮量下的作物相对产量；

③以步骤(1)①和步骤(1)②所述的各施氮量为横坐标，以步骤(1)①和步骤(1)②所述的各施氮量对应的作物相对产量为纵坐标，用数据统计软件，建立区域尺度上施氮量与作物相对产量的产量效应方程，所建立的区域尺度上施氮量与作物相对产量的产量效应方程为公式3：

Y_相对产量＝a₃x²+b₃x+c₃ (公式3)，

公式3中，Y_相对产量为作物相对产量，x为施氮量，a₃和b₃为系数，c₃为常数；

④根据公式3的顶点坐标公式：〔(-b₃/2a₃),(4a₃c₃-b₃²)/4a₃)〕，求得区域内最高相对产量下施氮量X_{最高相对产量下施氮量}和最高相对产量Y_{最高相对产量}，

X_{最高相对产量下施氮量}＝(-b₃/2a₃)，Y_{最高相对产量}＝(4a₃c₃-b₃²)/4a₃；

(2)初步确定区域尺度旱地作物氮投入的环境阈值

①以步骤(1)④计算的最高相对产量Y_{最高相对产量}为基准，通过公式4，计算从99％至94％每降低一个百分点的相对产量，将以最高相对产量Y_{最高相对产量}为基准，从99％至94％每降低一个百分点的相对产量称为不同产量保证率，所述不同产量保证率分别为99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量，

W＝Y_{最高相对产量}×E (公式4)，

公式4中E分别为0.99、0.98、0.97、0.96、0.95、0.94，W为不同产量保证率，E分别为0.99、0.98、0.97、0.96、0.95、0.94时，W分别对应地为99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量；

将计算得到的99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量分别代入公式3中计算得到不同产量保证率下对应的施氮量；

②绘制不同产量保证率下边际土壤无机氮储量图

A、建立施氮量与土壤无机氮储量的关系方程

实测步骤(1)②各施氮梯度试验中的每一个施氮量下在0-100cm土壤中的土壤无机氮储量，以各施氮梯度试验的每一个施氮量为横坐标，每一个施氮量对应的土壤无机氮储量为纵坐标，用数据统计软件，建立施氮量与土壤无机氮储量的关系方程，如果施氮梯度试验为两年以上的试验，则纵坐标为每一个施氮量对应的两年以上的平均土壤无机氮储量，施氮量与土壤无机氮储量的关系方程为公式5：

Y_{土壤无机氮储量}＝a₅e^b′x (公式5)，

公式5中，Y_{土壤无机氮储量}为0-100cm土壤中的土壤无机氮储量，单位为kg·hm^-2；x为施氮量、单位为kg，a₅为常数、b′为系数；

分别将步骤(2)①计算得到的99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的施氮量代入公式5，计算得到对应的土壤无机氮储量Y_{土壤无机氮储量}；

B、绘制不同产量保证率下边际土壤无机氮储量图

边际土壤无机氮储量采用公式6计算：

边际土壤无机氮储量_y＝土壤无机氮储量_(y+1)-土壤无机氮储量_y (公式6)，

公式6中，土壤无机氮储量_y分别为99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的土壤无机氮储量，土壤无机氮储量_(y+1)为比土壤无机氮储量_y对应的相对产量高一个百分点的相对产量对应的土壤无机氮储量；

在横坐标上从左至右依次取如下不同产量保证率：99％最高相对产量，98％最高相对产量，97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量，纵坐标为不同产量保证率对应的边际土壤无机氮储量，绘制不同产量保证率下边际土壤无机氮储量图；

③绘制不同产量保证率下边际氨挥发量图

A、建立施氮量与氨挥发量的关系方程

实测步骤(1)②各施氮梯度试验中的每一个施氮量下的氨挥发量，以各施氮梯度试验的每一个施氮量为横坐标，每一个施氮量对应的氨挥发量为纵坐标，用数据统计软件，建立施氮量与氨挥发量的关系方程，如果施氮梯度试验为两年以上的试验，则纵坐标为每一个施氮量对应的两年以上的平均氨挥发量，施氮量与氨挥发量的关系方程为公式7：

Y_氨挥发量＝b₇+k₇x (公式7)，

公式7中，Y_氨挥发量为氨挥发量、单位为kg N·hm^-2；x为施氮量、单位为kg，k₇为系数、b₇为参数；

分别将步骤(2)①计算得到的99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的施氮量代入公式7，计算得到对应的氨挥发量Y_氨挥发量；

B、绘制不同产量保证率下边际氨挥发量图

边际氨挥发量采用公式8计算：

边际氨挥发量_y＝氨挥发量_(y+1)-氨挥发量_y (公式8)，

公式8中，氨挥发量_y分别为99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的氨挥发量，氨挥发量_(y+1)为比氨挥发量_y对应的相对产量高一个百分点的相对产量对应的氨挥发量；

在横坐标上从左至右依次取如下不同产量保证率：99％最高相对产量，98％最高相对产量，97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量，纵坐标为不同产量保证率对应的边际氨挥发量，绘制不同产量保证率下边际氨挥发量图；

④绘制不同产量保证率下边际氮淋溶流失量图

A、建立施氮量与氮淋溶流失量的关系方程

实测步骤(1)②各施氮梯度试验中的每一个施氮量下氮淋溶流失量，以各施氮梯度试验的每一个施氮量为横坐标，每一个施氮量对应的氮淋溶流失量为纵坐标，用数据统计软件，建立施氮量与氮淋溶流失量的关系方程，如果施氮梯度试验为两年以上的试验，则纵坐标为每一个施氮量对应的两年以上的平均氮淋溶流失量，施氮量与氮淋溶流失量的关系方程为公式9：

Y_{氮淋溶流失量}＝a₉x²+b₉x+c₉(公式9)，

公式9中，Y_{氮淋溶流失量}为氮淋溶流失量，单位为kg N·hm^-2；x为施氮量，单位为kg，a₉和b₉为系数，c₉为常数；

分别将步骤(2)①计算得到的99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的施氮量代入公式9，计算得到对应的氮淋溶流失量Y_{氮淋溶流失量}；

B、绘制不同产量保证率下边际氮淋溶流失量图

边际氮淋溶流失量采用公式10计算：

边际氮淋溶流失量_y＝氮淋溶流失量_(y+1)-氮淋溶流失量_y(公式10)，

公式10中，氮淋溶流失量_y分别为99％最高相对产量、98％最高相对产量、97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量对应的氮淋溶流失量，氮淋溶流失量_(y+1)为比氮淋溶流失量_y对应的相对产量高一个百分点的相对产量对应的氮淋溶流失量；

在横坐标上从左至右依次取如下不同产量保证率：99％最高相对产量，98％最高相对产量，97％最高相对产量、96％最高相对产量、95％最高相对产量、94％最高相对产量，纵坐标为不同产量保证率对应的边际氮淋溶流失量，绘制不同产量保证率下边际氮淋溶流失量图；

⑤比较分析步骤(2)②绘制的不同产量保证率下边际土壤无机氮储量图、步骤(2)③绘制的不同产量保证率下边际氨挥发量图、步骤(2)④绘制不同产量保证率下边际氮淋溶流失量图，该三幅图中99％最高相对产量至98％最高相对产量这一段各环境指标下降幅度均大于其它任意相邻的两个不同产量保证率下各环境指标的下降幅度，初步确定98％最高相对产量对应的施氮量为初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值；所述初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值为将98％最高相对产量代入步骤(1)③所述的区域尺度上施氮量与作物相对产量的产量效应方程公式3：Y_相对产量＝a₃x²+b₃x+c₃中计算得到的x值；所述环境指标分别为边际土壤无机氮储量、边际氨挥发量、边际氮淋溶流失量；

(3)初步确定的氮投入环境阈值下的区域产量风险和环境风险评估，最终确定区域尺度旱地作物氮投入环境阈值

①产量风险评估

A、分别对步骤(1)②每个施氮梯度试验建立每一年的施氮梯度试验施氮量与作物实际产量的产量效应方程，每个施氮梯度试验每一年的施氮梯度试验的施氮量与作物实际产量的产量效应方程均按以下方法建立：

以步骤(1)②所述某一施氮梯度试验某一年的各施氮量为横坐标，以实测的该各施氮量对应的作物实际产量为纵坐标，用数据统计软件，建立某一施氮梯度试验某一年的施氮梯度试验的施氮量与作物实际产量的产量效应方程为公式11：

Y_{梯度试验实际产量}＝a₁₁x²+b₁₁x+c₁₁ (公式11)，

公式11中，Y_{梯度试验实际产量}为某一施氮梯度试验某一年的作物实际产量，x为该施氮梯度试验该年的施氮量，a₁₁和b₁₁为系数，c₁₁为常数；

B、将步骤(2)⑤初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值代入公式11，计算出各施氮梯度试验各年度在初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值下的作物实际产量Y_{梯度试验实际产量}，根据公式12计算各施氮梯度试验各年度作物产量波动率：

公式12中，y_i为任一施氮梯度试验某一年在初步确定的区域尺度旱地作物氮投入阈值下的作物实际产量，为该年各施氮梯度试验在初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值下的平均作物实际产量；

C、绘制作物产量波动率柱状图

在横坐标上设置各梯度试验，纵坐标为作物产量波动率，绘制各施氮梯度试验各年度作物产量波动率柱状图，比较各施氮梯度试验的作物产量波动率和减产2％的作物产量波动率的大小，当绘制的各施氮梯度试验的产量波动率大于减产2％时的作物产量波动时，确定步骤(2)⑤以98％最高相对产量对应的施氮量为初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值为无产量风险；

②环境风险评估

A、将步骤(2)⑤初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值分别代入施氮量与土壤无机氮储量的关系方程公式5：

Y_{土壤无机氮储量}＝a₅e^b′x、施氮量与氨挥发量的关系方程公式7：Y_氨挥发量＝b₇+k₇x、施氮量与氮淋溶流失量的关系方程公式9：Y_{氮淋溶流失量}＝a₉x²+b₉x+c₉，分别计算出初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值下的土壤无机氮储量、氨挥发量、氮淋溶流失量；

B、将步骤(1)④通过公式3的顶点坐标公式求得的区域内最高相对产量下施氮量X_{最高相对产量下施氮量}分别代入公式5：Y_{土壤无机氮储量}＝a₅e^b′x、公式7：Y_氨挥发量＝b₇+k₇x、公式9：Y_{氮淋溶流失量}＝a₉x²+b₉x+c₉，分别计算出区域内最高相对产量下施氮量对应的土壤无机氮储量、氨挥发量、氮淋溶流失量；

C、比较氮的潜在流失风险，当初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值下的土壤无机氮储量与区域内最高相对产量下施氮量对应的土壤无机氮储量差异显著，同时初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值下的氮流失总量与区域内最高相对产量下施氮量对应的氮流失总量差异显著时，确定步骤(2)⑤以98％最高相对产量对应的施氮量为初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值为无环境风险；所述氮流失总量＝氨挥发量+氮淋溶流失量；

③当产量风险评估确定初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值为无产量风险和环境风险评估确定初步确定的区域尺度旱地作物氮投入环境阈值为无环境风险时，则步骤(2)⑤以98％最高相对产量对应的施氮量即为基于区域尺度旱地作物氮投入环境阈值；

所述旱地作物为小麦。