[发明专利]冬小麦-夏玉米复种连作根层水肥供需时空耦合调控方法

摘要

本发明涉及一种冬小麦‑夏玉米复种连作根层水肥供需时空耦合调控方法，是依据冬小麦‑夏玉米复种连作系统周年高产对水分和养分的需求规律及根系生长和吸收特点，以定时、定位、定量的方式补给土壤水分和养分，实现供与需的精准匹配和耦合，既保持两季周年高产水平又避免水肥过度投入而显著节水节肥。适用于中国黄淮海灌区冬小麦‑夏玉米复种连作周年高产栽培，经济、社会和生态效益显著。

主权项

1.一种冬小麦‑夏玉米复种连作根层水肥供需时空耦合调控方法，其特征在于包括步骤如下：1）在冬小麦播种的同时，实施底肥分层条施，即将底施氮磷钾肥分别条施于地表以下8 cm、16 cm和24 cm深处；垂直分布于上述三个不同深度土层的施肥条带为一组，相邻两组之间的间距为30‑46 cm，等于2倍的冬小麦播种行距，即在相邻两组分层施肥条带之间播种两行冬小麦；冬小麦全生育期施用氮素、磷素和钾素的量根据已有技术确定；底施氮素、磷素和钾素在上述三个不同深度土层中分配的比例，根据使用的肥料类型确定：控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，在8 cm土层深处施入普通氮磷钾肥，其中氮素占冬小麦全生育期总施氮量的12.5%，磷素占全生育期总施磷量的16.7%，钾素占全生育期总施钾量的12.5%；在16 cm土层深处施入控释尿素和普通磷钾肥，其中氮素占全生育期总施氮量的25%，磷素占全生育期总施磷量的33.3%，钾素占全生育期总施钾量的25%；在24 cm土层深处施入控释尿素和普通磷钾肥，其中氮素占全生育期总施氮量的37.5%，磷素占全生育期总施磷量的50%，钾素占全生育期总施钾量的37.5%；仅使用普通氮磷钾肥时，在8 cm土层深处施入的氮素占冬小麦全生育期总施氮量的5%，磷素占全生育期总施磷量的16.7%，钾素占全生育期总施钾量的10%；在16 cm土层深处施入的氮素占全生育期总施氮量的10%，磷素占全生育期总施磷量的33.3%，钾素占全生育期总施钾量的20%；在24 cm土层深处施入的氮素占全生育期总施氮量的15%，磷素占全生育期总施磷量的50%，钾素占全生育期总施钾量的30%；2）于冬小麦播种当日采集播种麦田地表下0‑20 cm和地表下20‑40 cm土层土壤样品，用传统的烘干法测定土壤质量含水量，分别为Wθ_m‑0‑20和Wθ_m‑20‑40，单位为%，并用算术平均值计算方法计算出地表下0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，为Wθ_am‑0‑40，单位为%；用传统的环刀法测定持水量，分别为WFC_0‑20和WFC_20‑40，用公式（1）计算出地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量：Wθ_r‑0‑20=Wθ_m‑0‑20×100 / WFC_0‑20                  （1）公式（1）中Wθ_r‑0‑20为地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量，单位为%；用公式（2）计算出地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量：WS_0‑40=6.3989 Wθ_am‑0‑40‑6.1645                  （2）公式（2）中WS_0‑40为冬小麦播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；Wθ_am‑0‑40为播种当日0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，单位为%；用公式（3）计算出地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量：WS_0‑100=12.037 Wθ_am‑0‑40+79.934                 （3）公式（3）中WS_0‑100为冬小麦播种当日地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；Wθ_am‑0‑40为播种当日地表下0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，单位为%；3）依据冬小麦播种当日播种麦田地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量Wθ_r‑0‑20数值的大小，判断是否需要补灌；当Wθ_r‑0‑20大于60%时无需补灌，当Wθ_r‑0‑20小于等于60%时，则用公式（4）计算出播种期需补灌水量：WI_s=0.4901 Wθ_m‑0‑20²‑16.412 Wθ_m‑0‑20+173.29         （4）所述的公式（4）中WI_s为播种期需补灌水量，单位为mm；Wθ_m‑0‑20为冬小麦播种当日0‑20 cm土层土壤质量含水量，单位为%；播种期补灌水量最多不超过60 mm；4）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自冬小麦播种至越冬期间的降水量数据，计算出该期间的总降水量WP_ps；5）用公式（5）计算出冬小麦播种至越冬期间的根层主效供水量：WW_ps=WS_0‑40+WI_s+WP_ps                           （5）所述的公式（5）中WW_ps为冬小麦播种至越冬期间的根层主效供水量，单位为mm；WS_0‑40为冬小麦播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；WI_s为冬小麦播种期补灌水量，单位为mm；WP_ps为播种至越冬期间的总降水量，单位为mm；6）于冬小麦越冬期，依据WW_ps数值的大小，判断是否需要补灌；当WW_ps值大于等于130 mm，或虽低于130 mm但二者的差值小于5 mm时，无需补灌；当WW_ps值低于130 mm，且二者的差值大于等于5 mm时，则用公式（6）计算出越冬期需补灌水量：WI_ps=130‑WW_ps                                                    （6）所述的公式（6）中WI_ps为越冬期需补灌水量，单位为mm；越冬期补灌水量最多不超过60 mm；7）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自冬小麦越冬至拔节期间的降水量数据，并计算出冬小麦播种至拔节期间的总降水量WP_y1；8）用公式（7）计算出冬小麦播种至拔节期间的自然主效供水量：WW_y1=WS_0‑40+ WP_y1                               （7）所述的公式（7）中WW_y1为冬小麦播种至拔节期间的自然主效供水量；WS_0‑40为冬小麦播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；WP_y1为冬小麦播种至拔节期间的总降水量，单位为mm；9）于冬小麦拔节期计算需补灌水量，并随水追肥；如果冬小麦播种期和越冬期补灌水量均为0 mm，则用公式（8）计算出拔节期需补灌水量：WI_y1=‑0.6829 WW_y1+173.17                       （8）所述的公式（8）中WI_y1为拔节期需补灌水量，单位为mm；如果冬小麦播种期补灌水量或越冬期补灌水量大于0 mm，则先用公式（9）计算出冬小麦播种至拔节期间所需的总补灌水量：WI_ty1=‑0.534 WW_y1+178.09                        （9）所述的公式（9）中WI_ty1为冬小麦播种至拔节期间所需的总补灌水量，单位为mm；再用公式（10）计算出拔节期需补灌水量：WI_y1= WI_ty1‑WI_s‑ WI_ps                            （10）所述的公式（10）中WI_y1、WI_s和WI_ps分别为冬小麦拔节期需补灌水量、播种期补灌水量和越冬期补灌水量，单位为mm；在冬小麦拔节期补灌水时，将拔节期需追施的氮肥和钾肥溶解后随灌溉水均匀地施入冬小麦根层；追施的肥料为可溶性氮肥和可溶性钾肥；根据冬小麦播种期施用底肥时使用的肥料类型不同，确定拔节期需追施的氮素和钾素用量：当底肥是控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，冬小麦拔节期施氮量占全生育期总施氮量的25%，施钾量占全生育期总施钾量的25%；当底肥仅使用普通氮磷钾肥时，冬小麦拔节期施氮量占全生育期总施氮量的50%，施钾量占全生育期总施钾量的20%；10）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自冬小麦拔节至开花期间的降水量数据，并计算出冬小麦播种至开花期间的总降水量WP_y2；11）用公式（11）计算出冬小麦播种至开花期间的自然主效供水量：WW_y2=0.7 WS_0‑100+0.3 WP_y2                       （11）所述的公式（11）中WW_y2为冬小麦播种至开花期间的自然主效供水量，单位为mm；WS_0‑100为冬小麦播种当日地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；WP_y2为冬小麦播种至开花期间的总降水量，单位为mm；12）于冬小麦开花期计算需补灌水量；首先用公式（12）计算出冬小麦播种至开花期期间所需的总补灌水量：WI_ty2=‑1.2039 WW_y2+382.42                        （12）所述的公式（12）中WI_ty2为冬小麦播种至开花期期间所需的总补灌水量，单位为mm；再用公式（13）计算开花期需补灌水量：WI_y2= WI_ty2‑WI_s‑ WI_ps‑WI_y1                         （13）所述的公式（13）中WI_y2、WI_s、WI_ps和WI_y1分别为开花期需补灌水量、播种期补灌水量、越冬期补灌水量和拔节期补灌水量，单位为mm；开花期补灌水量最多不超过60 mm；13）在开花期灌水时，根据冬小麦播种期施用底肥时使用的肥料类型不同，确定是否实施随水追肥；当底肥是控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，开花期不再追肥；仅进行灌溉；当底肥仅使用普通氮磷钾肥时，冬小麦开花期施氮量占全生育期总施氮量的20%，施钾量占全生育期总施钾量的20%；将开花期需追施的氮肥和钾肥溶解后随灌溉水均匀地施入冬小麦根层；追施的肥料为可溶性氮肥和可溶性钾肥；14）冬小麦收获后，在同一地块复种夏玉米；在夏玉米播种的同时，实施底肥分层条施，即将底施氮磷钾肥分别条施于地表以下8 cm、16 cm和24 cm深处；垂直分布于上述三个不同深度土层的施肥条带为一组，每一组分层施肥条带均与一个夏玉米播种行对应，二者彼此交错5‑10 cm，相邻两组分层施肥条带之间的间距一般为40‑80 cm，等于相邻两行夏玉米的间距；夏玉米全生育期施用氮素、磷素和钾素的量根据已有技术确定；底施氮素、磷素和钾素在上述三个不同深度土层中分配的比例，根据使用的肥料类型确定：控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，在8 cm土层深处施入普通氮磷钾肥，其中氮素占夏玉米全生育期总施氮量的20%，磷素占全生育期总施磷量的25%，钾素占全生育期总施钾量的20%；在16 cm土层深处施入控释尿素和普通磷钾肥，其中氮素占全生育期总施氮量的40%，磷素占全生育期总施磷量的50%，钾素占全生育期总施钾量的40%；在24 cm土层深处施入控释尿素和普通磷钾肥，其中氮素占全生育期总施氮量的20%，磷素占全生育期总施磷量的25%，钾素占全生育期总施钾量的20%；仅使用普通氮磷钾肥时，在8 cm土层深处施入的氮素占夏玉米全生育期总施氮量的12.5%，磷素占全生育期总施磷量的25%，钾素占全生育期总施钾量的15%；在16 cm土层深处施入的氮素占全生育期总施氮量的25%，磷素占全生育期总施磷量的50%，钾素占全生育期总施钾量的30%；在24 cm土层深处施入的氮素占全生育期总施氮量的12.5%，磷素占全生育期总施磷量的25%，钾素占全生育期总施钾量的15%；15）于夏玉米播种当日用土钻采集播种夏玉米田地表下0‑20 cm和20‑40 cm土层土壤样品，用传统的烘干法测定土壤质量含水量，分别为Mθ_m‑0‑20和Mθ_m‑20‑40，单位为%，并用算术平均值计算方法计算出地表下0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，为Mθ_am‑0‑40，单位为%；用传统的环刀法测定持水量，分别为MFC_0‑20和MFC_20‑40，用公式（14）计算出地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量：Mθ_r‑0‑20=Mθ_m‑0‑20×100 / MFC_0‑20                （14）所述的公式（14）中Mθ_r‑0‑20为地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量，单位为%；用公式（15）计算出地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量：MS_0‑40=6.3989 Mθ_am‑0‑40‑6.1645                  （15）所述的公式（15）中MS_0‑40为夏玉米播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；Mθ_am‑0‑40为夏玉米播种当日地表下0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，单位为%；用公式（16）计算出地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量：MS_0‑100=12.037 Mθ_am‑0‑40+79.934                （16）所述的公式（16）中MS_0‑100为夏玉米播种当日地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；Mθ_am‑0‑40为夏玉米播种当日地表下0‑40 cm土层土壤平均质量含水量，单位为%；16）依据夏玉米播种当日田间地表下0‑20 cm土层土壤相对含水量Mθ_r‑0‑20数值的大小，判断是否需要补灌；当Mθ_r‑0‑20大于60%时无需补灌，当Mθ_r‑0‑20小于等于60%时，则用公式（17）计算夏玉米播种期需补灌水量：MI_s=0.4901 Mθ_m‑0‑20²‑16.412 Mθ_m‑0‑20+173.29      （17）所述的公式（17）中MI_s为夏玉米播种期需补灌水量，单位为mm；Mθ_m‑0‑20为夏玉米播种当日地表下0‑20 cm土层土壤质量含水量，单位为%；夏玉米播种期补灌水量最多不超过60 mm；17）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自夏玉米播种至拔节期间的降水量数据，计算出该期间的总降水量MP_ps；18）用公式（18）计算出夏玉米播种至拔节期间的根层主效供水量：MW_ps=MS_0‑40+MI_s+MP_ps                        （18）所述的公式（18）中，MW_ps为夏玉米播种至拔节期间的根层主效供水量；MS_0‑40为夏玉米播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；MI_s为夏玉米播种期补灌水量，单位为mm；MP_ps为夏玉米播种至拔节期间的总降水量，单位为mm；19）于夏玉米拔节期，依据MW_ps数值的大小，判断是否需要补灌；当MW_ps值大于等于130 mm，或虽低于130 mm但二者的差值小于5 mm时，无需补灌；当MW_ps值低于130 mm，且二者的差值大于等于5 mm时，则用公式（19）计算出夏玉米拔节期需补灌水量：MI_ps=130‑MW_ps                                               （19）所述的公式（19）中MI_ps为夏玉米拔节期需补灌水量，单位为mm；夏玉米拔节期补灌水量最多不超过60 mm；20）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自夏玉米拔节期至大喇叭口期期间的降水量数据，并计算出夏玉米播种至大喇叭口期期间的总降水量MP_y1；21）用公式（20）计算出夏玉米播种至大喇叭口期期间的自然主效供水量：MW_y1=MS_0‑40+ MP_y1                           （20）所述的公式（20）中，MW_y1为夏玉米播种至大喇叭口期期间的自然主效供水量；MS_0‑40为夏玉米播种当日地表下0‑40 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；MP_y1为夏玉米播种至大喇叭口期期间的总降水量，单位为mm；22）于夏玉米大喇叭口期计算需补灌水量；如果夏玉米播种期和拔节期补灌水量均为0 mm，则用公式（21）计算出夏玉米大喇叭口期需补灌水量：MI_y1=‑0.6829 MW_y1+173.17                       （21）所述的公式（21）中MI_y1为夏玉米大喇叭口期需补灌水量，单位为mm；如果夏玉米播种期补灌水量或拔节期补灌水量大于0 mm，则先用公式（22）计算出夏玉米播种至大喇叭口期期间所需的总补灌水量：MI_ty1=‑0.534 MW_y1+178.09                        （22）所述的公式（22）中MI_ty1为夏玉米播种至大喇叭口期期间所需的总补灌水量，单位为mm；再用公式（23）计算出夏玉米大喇叭口期需补灌水量：MI_y1=MI_ty1‑MI_s‑MI_ps                              （23）所述的公式（23）中，MI_y1、MI_s和MI_ps分别为大喇叭口期需补灌水量、播种期补灌水量和拔节期补灌水量，单位为mm；23）在大喇叭口期灌水时，根据夏玉米播种期施用底肥时使用的肥料类型不同，确定是否实施随水追肥；当底肥是控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，大喇叭口期不需追肥；仅进行灌溉；当底肥仅使用普通氮磷钾肥时，大喇叭口期施氮量占夏玉米全生育期总施氮量的16.7%，施钾量占全生育期总施钾量的20%；将大喇叭口期需追施的氮肥和钾肥溶解后随灌溉水均匀地施入夏玉米根层；追施的肥料为可溶性氮肥和可溶性钾肥；24）使用雨量数据采集器采集或从当地气象部门获取自夏玉米大喇叭口期至开花期期间的降水量数据，并计算出夏玉米播种至开花期间的总降水量MP_y2；25）用公式（24）计算出夏玉米播种至开花期间的自然主效供水量：MW_y2=0.7 MS_0‑100+0.3 MP_y2                        （24）所述的公式（24）中MW_y2为夏玉米播种至开花期间的自然主效供水量，单位为mm；MS_0‑100为夏玉米播种当日地表下0‑100 cm土层土壤蓄水量，单位为mm；MP_y2为夏玉米播种至开花期间的总降水量，单位为mm；26）于夏玉米开花期计算需补灌水量，并随水追肥；首先用公式（25）计算出夏玉米播种至开花期期间所需的总补灌水量：MI_ty2=‑1.2039 MW_y2+382.42                          （25）所述的公式（25）中MI_ty2为夏玉米播种至开花期期间所需的总补灌水量，单位为mm；再用公式（26）计算夏玉米开花期需补灌水量：MI_y2=MI_ty2‑MI_s‑MI_ps‑MI_y1                            （26）所述的公式（26）中，MI_y2、MI_s、MI_ps和MI_y1分别为夏玉米开花期需补灌水量、播种期补灌水量、拔节期补灌水量和大喇叭口期补灌水量，单位为mm；夏玉米开花期补灌水量最多不超过60 mm；在夏玉米开花期补灌水时，将开花期需追施的氮肥和钾肥溶解后随灌溉水均匀地施入夏玉米根层；追施的肥料为可溶性氮肥和可溶性钾肥；根据夏玉米播种期施用底肥时使用的肥料类型不同，确定开花期需追施的氮素和钾素用量：当底肥是控释尿素与普通氮磷钾肥搭配使用时，夏玉米开花期施氮量占全生育期总施氮量的20%，施钾量占全生育期总施钾量的20%；当底肥仅使用普通氮磷钾肥时，夏玉米开花期施氮量占全生育期总施氮量的33.3%，施钾量占全生育期总施钾量的20%；所述的土层深度均为地表下土层深度。