本发明提供一种稻田水肥优化方法，通过采集区域内常规水肥管理和常规水文年份水稻生育期平均降雨量，开展水稻不同水肥管理方法长期定位试验，计算水稻产量、氮肥利用率和水分利用率，建立该区域水稻产量、氮肥利用率和水分利用率与稻田用水总量、施氮量的二元二次回归方程，采用极大似然估计法建立协同提高水稻产量、水分和氮肥利用效率的最优稻田用水量和施氮模式，计算最优稻田用水量和施氮模式下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率，并对其田间实际应用效果进行验证、评价。本发明方法可达到对水稻不同生育期灌溉水量、施氮量进行精确控制的目的，且能分发挥水氮耦合协同效应。本发明的优化方法可靠、准确性较高，能有效指导水稻生产实际。
1.一种稻田水肥优化方法，其特征在于：通过以下步骤实现：
（1）采集区域内农民常规水肥管理方法和常规水文年份水稻生育期平均降雨量：研究区域内水稻农民习惯施肥量、水分管理方法，以及区域近20 年来气象资源，包括降雨量、蒸发量，剔除降雨量过多和过少的异常年份，计算该区域内常规水文年份下水稻移栽至成熟期平均降雨量，并统计水稻分蘖期、穗分化期、抽穗开花期、灌浆期水稻关键生育期内累积降雨量、降雨频次，用以优化指导水稻各时期精确灌溉水量；
（2）开展水稻不同水肥管理方法长期定位试验，计算水稻产量、氮肥利用率和水分利用率：参照当地农民习惯水氮管理方法，设水分灌溉方法、施氮量2因素裂区试验，主区为灌溉方法，灌溉模式设常规淹灌、中度干湿交替和重度干湿交替，记录各灌溉模式下水稻移栽至成熟期灌溉水用量以及水稻生育期降雨量数据，副区为施氮量，以当地农民常规施氮量为中氮水平，施氮量要求至少设无氮、低氮、中氮、高氮4个不同等级，氮肥按基肥：分蘖肥：穗肥：花肥=4:2:2:2分次施用，钾肥按照基肥：促花肥=6:4分两次施入，磷肥作基肥一次性施入，为消除土壤前期肥效对肥料试验的影响，该试验至少连续进行5年，采用最近2年或1年数据计算水稻产量、氮肥利用率和水分利用率数据，所述施氮量中，0%N为无氮、50%N为低氮、100%N为中氮、150%N为高氮；
（3）建立该区域不同水肥管理方法下水稻产量、氮肥利用率、水分利用率回归方程，以稻田用水总量、施氮量为变量，基于最小二乘法，建立水稻产量、氮肥利用率和水分利用率与稻田用水总量、施氮量的二元二次回归方程；其中稻田用水总量为当季水稻移栽至成熟稻田灌溉水量和降雨量的总和；其中二元二次回归拟合方程具体如下：Y=a1+b1•W+c1•N+d1•W2+e1•N2+f1•W•N（a）
方程（a）中：Y为产量，W为稻田用水总量，N为施氮肥，a1、b1、c1、d1、e1、f1为常数；WUE=a2+b2•W+c2•N+d2•W2+e2•N2+f2•W•N（b）方程（b）中：WUE为水分利用效率，W为稻田用水总量，N为施氮肥，a2、b2、c2、d2、e2、f2为常数；
NRE=a3+b3•W+c3•N+d3•W2+e3•N2+f3•W•N （c）
方程（c）中：NRE为氮素回收利用率，W为稻田用水总量，N为施氮肥，a3、b3、c3、d3、e3、f3为常数；
（4）采用极大似然估计法建立协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用的最优稻田用水量和施肥模式；具体步骤为：
1）采用Matlab软件，对水稻产量、水分利用率和氮肥利用率进行数据归一化处理，进而分别以其作为目标值构建基于算术平均、相乘、均方根函数模型；目标值分别以C1、C2、C3表示，具体如下：方程（d）、（e）、（f）中，Yi分别表示水稻产量、水分利用率、氮素利用率，K为目标数量；
2）采用极大似然估计法确定不同函数模型中目标值达到极大值条件下的最优施氮量和稻田用水量；
3）利用步骤（3）所建立的二元二次回归方程计算上述最优施氮量和稻田用水量条件下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率，通过比较不同方程中水稻产量、水分利用率和氮肥利用率间的变异系数，评价不同水肥优化方法的稳定性和可靠性，以水稻产量为例，计算公式为：变异系数CV%=产量的标准差×100/产量均值，若不同方程间水稻产量、水分利用率和氮肥利用率变异系数均小于5%，表示该水肥优化方法可协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用；
（5）水肥优化方法田间效果验证：基于水稻产量、水分利用率和氮肥利用率反应，对最优施氮量、稻田用水量田间实际应用效果进行验证、评价。
2.根据权利要求1所述的一种稻田水肥优化方法，其特征在于：步骤（5）最优水肥优化方法田间应用效果，根据最优稻田用水量减去步骤（1）该区域常规水文年份平均降雨量，得出该区域水稻生育期灌溉用水量，将其按返青分蘖期：穗分化期：抽穗开花期：灌浆期=
0.37-0.45：0.16-0.22：0.07-0.09：0.18-0.24水分需求比例进行划分，并参考关键生育期内累积降雨量、降雨频次对不同生育期的精确灌水量进行细化，最后，基于稻田水稻产量、水分利用率和氮肥利用率反应，对上述水肥优化方法田间应用效果进行验证、评价。
一种稻田水肥优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业技术领域，涉及一种稻田水肥优化方法。
背景技术
[0002] 水稻是我国三大粮食作物之一，其生产过程中消耗大量农业用水和肥料资源。随着水资源供需矛盾和农田面源污染危害的加剧，水稻生产过程中的节水、增产、增效等问题越来越引起人们的重视。因此，亟需探索既能满足水稻基本水、肥生理需求，又能有效节约水、氮资源的稻田水肥综合管理方法。
[0003] 针对当前化肥过量、不合理施用导致的增肥不增产、肥料利用率偏低、农业生态污染等一系列问题，国内外科学家基于作物类型、肥料种类、施肥量、施肥时期和施肥位置，提出并构建了一系列适合我国生产实际的作物推荐施肥方法，例如：①基于土壤为基础的测土配方施肥方法、养分专家系统推荐施肥法、地力分级法、目标产量法等；②通过地上作物为基础的推荐施肥方法，像光谱诊断法、肥料效应函数法、作物营养诊断法等。以上两种推荐施肥方法在我国大田作物上均有较广泛的应用，对优化区域施肥措施、促进节肥增效发挥了重要的作用。另一方面，为节约水稻生产过程中水资源，在研究水稻生长和发育对水分的敏感性及提高水分利用效率的基础上，总结提出了适宜不同生态环境的水稻节水高产灌溉技术，如湿润灌溉、控制灌溉、调亏灌溉和覆盖旱作等水稻节水灌溉技术。在我国，尤其以干湿交替灌溉技术应用最为广泛。
[0004] 近年来，研究发现适宜的灌溉管理、氮肥运筹、水肥互作调控措施对提高水稻氮素吸收效率、促进增产和节约水资源均具有显著作用。因此，人们在水稻适宜水肥管理方法上进行了广泛、大量的探索，积累了丰富的经验。但由于人力、资金等因素，不同试验所设置的灌溉方法、施氮肥量水平处理数量一般较少，难以反映产量等指标随水分、氮肥量要素的变化规律，且不同试验结果差异较大、缺乏可比性等；其次，不同控制灌溉方法中水分控制指标难以精确定量，不同区域水文气象条件的差异使田间试验结果仅适用于特定的气候环境，因而当前水稻节水栽培中水分控制仍主要依靠当地农户的经验控制。因此，寻求适合不同气候条件下的水稻水肥优化方法具有十分重要的意义。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种稻田水肥优化方法，该方法以协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用为目标，探索一种可以实现水稻水分用量、施肥量精确可控的最优水肥施用方法，进而指导水稻生产实际。
[0006] 本发明所述的一种稻田水肥优化方法，通过以下步骤实现：
[0007] (1)采集区域内农民常规水肥管理和常规水文年份水稻生育期平均降雨量：
[0008] 研究区域内水稻农民习惯施肥量、水分管理方法，以及区域近20年来气象资源(包括降雨量、蒸发量等)，剔除降雨量过多和过少的异常年份，计算该区域内常规水文年份下水稻移栽至成熟期平均降雨量，并统计水稻分蘖期、穗分化期、抽穗开花期、灌浆期等水稻关键生育期内累积降雨量、降雨频次等。
[0009] (2)开展水稻不同水肥管理模式长期定位试验：
[0010] 参照当地农民习惯水氮管理方法，设水分灌溉方法、施氮量2因素裂区试验。主区为灌溉方法，灌溉模式设常规淹灌、中度干湿交替和重度干湿交替，记录各灌溉模式下水稻移栽至成熟期灌溉水用量以及水稻生育期降雨量数据。副区为施氮量，以当地农民常规施氮量为中氮(100％N)水平，施氮量要求至少设无氮(0％N)、低氮(50％N)、中氮(100％N)、高氮(150％N)4个不同等级，氮肥按基肥：分蘖肥：穗肥：花肥＝4:2:2:2分次施用，钾肥按照基肥：促花肥＝6:4分两次施入，磷肥作基肥一次性施入。为消除土壤前期肥效对肥料试验的影响，该试验至少连续进行5年，采用最近2年或1年数据计算水稻产量、氮肥利用率和水分利用率数据。
[0011] (3)建立该区域不同水肥管理方法下水稻产量、氮肥利用率、水分利用率回归方程。以稻田用水总量、施氮量为变量，基于最小二乘法，建立水稻产量、氮肥利用率和水分利用率与稻田用水总量、施氮量的二元二次回归方程；其中稻田用水总量为当季水稻移栽至成熟稻田灌溉水量和降雨量的总和。
[0012] (4)进一步采用极大似然估计法建立协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用的最优稻田用水量和施肥模式。具体步骤为：
[0013] a.采用Matlab软件，对水稻产量、水分利用率和氮肥利用率进行数据归一化处理，进而分别以其作为目标值构建基于算术平均、相乘、均方根函数模型。
[0014] b.采用极大似然估计法确定不同函数模型中目标值达到极大值条件下的最优施氮量和稻田用水量；
[0015] c.利用步骤(3)所建立的二元二次回归方程计算上述最优施氮量和稻田用水量条件下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率。通过比较不同方程中水稻产量、水分利用率和氮肥利用率间的变异系数，评价不同水肥优化方法的稳定性和可靠性。以水稻产量为例，计算公式为：变异系数(CV％)＝产量的标准差×100/产量均值，若不同方程间水稻产量、水分利用率和氮肥利用率变异系数均小于5％，表示该水肥优化方法可协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用。
[0016] (5)水肥优化方法田间效果验证：基于水稻产量、水分利用率和氮肥利用率反应，进一步对最优施氮量、稻田用水量田间实际应用效果进行实地验证、评价。根据最优稻田用水量减去步骤(1)该区域常规水文年份平均降雨量，得出该区域水稻生育期灌溉用水量，将其按返青分蘖期：穗分化期：抽穗开花期：灌浆期＝0.37-0.45：0.16-0.22：0.07-0.09：0.18-0.24水分需求比例进行划分，同时参考关键生育期内累积降雨量、降雨频次对不同生育期的灌水量进行精确细化。最后，基于水稻产量、水分利用率和氮肥利用率，对上述水肥优化方法田间应用效果进行验证、评价：若优化模型构建的水稻产量、水分利用率和氮肥利用率理论值与田间实际值变化在5.0％以内，表示该水田优化方法可靠、准确性较高，适用于指导该区域水稻生产。
[0017] 本发明提供的一种稻田水肥优化方法，其有益效果为：在稻田水肥管理长期定位试验基础上，通过调查分析试验区域常规水文年份降雨量、灌溉模式、水稻产量、水分利用率和氮肥利用率等数据，借助数值模拟方法构建协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用的最优稻田用水量和施氮量模式，可以达到对水稻不同生育期灌溉水量、施氮量进行精确控制的目的，且能分发挥水氮耦合协同效应。
[0018] 根据本发明推荐的水肥优化方法指导水稻栽培，可协同实现水稻高产、水分和氮素高效利用的目标，其预测产量、水分和氮肥利用率数据与实际值基本一致，说明本发明的优化方法可靠、准确性较高，能有效指导水稻生产实际。
具体实施方式
[0019] 下面结合具体实施例对本发明作进一详细描述，应理解，它们仅是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限定。
[0020] 实施例1一种稻田水肥优化方法
[0021] (1)明确区域内农民常规水肥管理模式：以浙江省浙北平原为水肥优化方法具体实施区域，该区域内单季晚稻施肥量为150-200kg ha-1，水分管理模式采用分蘖盛期排水晒田的常规淹灌模式，水、氮利用效率较低。剔除降雨量过多和过少的异常年份，该区域近10年常规水文年份水稻移栽至成熟期年均降雨量为720mm，且主要分布于幼苗期和分蘖期。
[0022] (2)开展不同水肥管理模式长期定位试验：参照当地农民习惯水肥管理模式，在中国水稻研究所富阳基地开展水肥耦合长期定位试验，设水分灌溉模式、施氮量2因素裂区试验，主区为灌溉模式，副区为施氮量。灌溉模式设常规淹灌、中度干湿交替和重度干湿交替，各灌溉模式下水分管理模式如表1，记录各灌溉模式下水稻移栽至成熟期灌溉水用量以及水稻生育期降雨量数据。施氮量设0(无氮)，90(低氮),180(中氮)，270(高氮)kg ha-1、4个不同等级，氮肥按照基肥：分蘖肥：穗肥：花肥＝4:2:2:2分次施用；钾肥施用量120kg ha-1，按照基肥：促花肥＝6:4分两次施入；磷肥施用量60kg ha-1，作基肥一次性施入。该试验至少连续进行5年，为消除前期残留肥料对肥料试验结果的影响，以最近2年或1年试验结果计算水稻产量、氮肥利用率和水分利用率＝水稻产量/(灌溉用水+降雨量)等(表2)。
[0023] 表1不同灌溉模式下水分管理
[0024]
[0025] 中度、中度干湿交替处理水层最低值分别表示当土壤水势达到-17kPa、-37kPa才开始灌溉水。
[0026] 表2不同水肥管理模式下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率
[0027]
[0028] (3)进一步，建立该区域不同水肥管理模式下水稻产量、氮肥利用率、水分利用率回归方程。具体步骤为：
[0029] a.以稻田用水总量、施氮量为变量，基于最小二乘法，利用Matlab软件绘制水稻产量、氮肥利用率和水分利用率随施氮量、稻田用水总量变化的三维曲面，建立该区域水稻产量、氮肥利用率和水分利用率与稻田用水总量、施氮量的二元二次回归拟合方程(表3)，具体如下：
[0030] Y＝a1+b1·W+c1·N+d1·W2+e1·N2+f1·W·N (1)
[0031] 方程(1)中：Y为产量(Yield，kg/hm2)；W为稻田用水总量(m3/hm2)；N为施氮肥(kg/2
hm)；a1、b1、c1、d1、e1、f1为常数。
[0032] WUE＝a2+b2·W+c2·N+d2·W2+e2·N2+f2·W·N (2)
[0033] 方程(2)中,WUE为水分利用效率(Water use efficiency，kg/kg)；W为稻田用水总量(m3/hm2)；N为施氮肥(kg/hm2)；a2、b2、c2、d2、e2、f2为常数。
[0034] NRE＝a3+b3·W+c3·N+d3·W2+e3·N2+f3·W·N (3)
[0035] 方程(3)中,NRE为氮素回收利用率(Nitrogen use efficiency，％)；W为稻田用水总量(m3/hm2)；N为施氮肥(kg/hm2)；a3、b3、c3、d3、e3、f3为常数。
[0036] 表3水稻产量、水分利用率和氮肥利用率二元二次回归方程
[0037]
[0038] (4)进一步采用极大似然估计法建立协同实现水稻高产、水分和氮肥高效利用的最优稻田用水量和施肥模式。具体步骤为：
[0039] a.采用Matlab软件，对水稻产量、水分利用率和氮肥利用率进行数据归一化处理，分别以其作为目标值构建基于算术平均(方程4)、相乘(方程5)、均方根(方程6)函数模型，其目标值分别以C1、C2、C3表示，具体如下：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 方程(4)、(5)、(6)中，Yi分别表示水稻产量、水分利用率、氮素利用率，K为目标数量(本实验中为3)。
[0044] b.采用极大似然估计法确定模型(4)、(5)、(6)中目标值达到极大值条件下的最优施氮量和稻田用水量；
[0045] c.利用方程(1)、(2)、(3)计算上述最优施氮量和稻田用水量条件下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率(表4)。通过比较不同方程中水稻产量、水分利用率和氮肥利用率间的变异系数，发现3中不同目标函数间水稻产量、水分利用率和氮肥利用率间的变异系数均小于5％，表明160kg ha-1施氮量、11000m3 ha-1稻田优化水肥优化模式下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率较高，且表现出明显的稳定性和可靠性。表明该水肥优化方法可同时实现水稻高产、水分和氮肥利用率高效。
[0046] 表4极大目标值条件下水稻最优施氮量、稻田用水量及其相关产量、水分利用率和氮素利用率
[0047]
[0048] (5)水肥优化方法田间应用效果验证：基于水稻产量、水分利用率和氮肥利用率反应，进一步对最优施氮量、稻田用水量田间实际应用效果进行实地验证、评价。根据最优稻田用水量减去步骤(1)该区域常规年份平均降雨量，得出该区域水稻生育期灌溉用水量为380mm，将其按返青分蘖期：穗分化期：抽穗开花期：灌浆期＝0.45：0.22：0.09：0.24比例进行划分，各时期灌溉水量分别为171mm，83.6mm，34.2mm，91.2mm。采用干湿交替灌溉模式，参考常规水文年份水稻关键生育期内累积降雨量、降雨频次并结合稻田水分含量对不同生育期的灌水时期、灌水量进行精确细化。收获后，测定水肥优化模式下水稻实际产量、水分利用率和氮肥利用率。
[0049] 如表5所示，大田条件下实际水稻产量、氮肥利用率和水分利用率与步骤4目标函数预测值高度吻合，其实测值仅较预测理论值仅波动0.08-1.49％、1.06-6.32％、0.22-1.55％，表明本发明的水肥优化方法用于指导稻田水肥管理具有较高准确性，且可协同实现水稻高产、水分和氮素高效利用的目的。
[0050] 表5.水肥优化管理方法下水稻产量、水分利用率和氮肥利用率预测值与实际值比较
[0051]
