一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法

摘要

本发明提供了一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，属于农业生态环境技术领域。本发明通过建立粪肥盈余量与Olsen‑P增量的关系曲线，测算农田土壤对粪肥的消纳能力。本发明的方法的建立将为有机肥的合理替代量提供参考。

权利要求

1.一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，包括以下步骤：

1)测定施肥前Olsen‑P；施用粪肥，测定粪肥投入量和粪肥总磷含量；收获作物，测定收获作物后土壤Olsen‑P、作物干重和作物总磷含量；

2)按照式I所示公式计算y值，y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量；y＝(作物收获后土壤Olsen‑P)‑(施肥前Olsen‑P)式I；

3)按照式II所示公式计算x值，x表示土壤磷盈余量；

x＝(粪肥投入量×粪肥总磷含量)‑(作物干重×作物总磷含量)×作物种植年限式II；

4)将对应的步骤2)所述y值和步骤3)所述x值代入式III所示公式中，拟合土壤盈余量2

和Olsen‑P增量的关系曲线，计算得到a、b和c的数值；y＝a×x+b×x+c式III；

‑1

5)以57mg·kg 作为土壤磷环境阈值代入式IV所示公式中，得到ymax值；

ymax＝土壤磷环境阈值‑施肥前Olsen‑P式IV；

6)将步骤5)得到的ymax值回代入式III所示公式，得到xmax值，所述xmax值为土壤允许的最大磷盈余量；

7)按照式V所示公式计算土壤允许施用的最大粪肥量；

步骤2)和步骤3)之间没有时间顺序限制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粪肥包括畜禽粪肥。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述畜禽粪肥包括鸡粪、猪粪、羊粪和牛粪中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述畜禽粪肥为鸡粪时，式III中a为10‑0.5、b为0.059、c为‑10.524。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述畜禽粪肥为猪粪时，式III中a为10‑0.6、b为0.114、c为25.215。

说明书

一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农业生态环境技术领域，尤其涉及一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法。

背景技术

[0002] 由于氮磷营养元素的含量超过生物生长需求而造成的水质恶化现象称为水体氮磷污染。水体氮磷污染的最主要来源为农业源，而畜禽养殖业所产生的氮磷污染在农业源中的占比超过40％。因此，提高畜禽粪肥的合理利用可有效减少畜禽养殖业所产生的氮磷污染。目前畜禽粪污土地承载力测算方法都是基于作物对氮的养分需求而确定粪肥消纳量。但是，猪、羊、牛粪的氮磷比接近1～3:1，而作物的氮磷需求比接近3～6:1，这导致以氮为基准核算粪肥还田量势必加剧土壤磷流失对水体富营养化的威胁。基于土壤磷环境阈值测算单位农田粪肥消纳能力是确定流域畜禽养殖规模，实现“以地定养”的关键。

[0003] 中国发明专利201611200395.5公开了一种有机肥定量替代化肥的方法，其方法在于依据作物生长环境和当地以往若干年作物平均产量估算某一田块最佳养分管理措施下可获得产量，根据氮肥反应指数和氮肥农学利用效率获得该产量所需的总氮素用量，然后根据不同作物的有机肥替代指数替代部分化肥。虽然该方法建立后可以减少繁琐的土壤测试过程，但是未考虑有机肥中氮磷比高于作物氮磷需求比这一问题，以等氮替代确定有机肥用量，加剧了土壤磷累积造成的磷面源污染。中国发明专利201610461397.3公开了一种施磷量对春玉米产量和土壤有效磷含量影响的研究，其方法首先建立施磷量和土壤速效磷(Olsen‑P)增量关系曲线，然后基于土壤磷农学阈值测算施磷量。但是，该方法未区分施用化肥磷和粪肥磷对土壤磷增量影响，且未考虑粪肥磷的盈余和迭代累积效应。中国发明专利202010461249.8公开了一种定量调控红壤水稻土有效磷含量的施肥方法，其方法比较土壤有效磷实测值和农学阈值，实测值高于农学阈值则施用牛粪，反之则继续施用化肥。虽然该方法从原理上是为了控制土壤有效磷含量，但是土壤磷含量的区分方法较为简单，而且牛粪用量1500kg/亩采用的是经验值，未经过测算。目前缺少一种以土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，本发明通过建立粪肥盈余量与Olsen‑P增量的关系曲线，测算农田土壤对粪肥的消纳能力。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，包括以下步骤：

[0007] 1)测定施肥前Olsen‑P；施用粪肥，测定粪肥投入量和粪肥总磷含量；收获作物，测定收获作物后土壤Olsen‑P、作物干重和作物总磷含量；

[0008] 2)按照式I所示公式计算y值，y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量；y＝(作物收获后土壤Olsen‑P)‑(施肥前Olsen‑P)式I；

[0009] 3)按照式II所示公式计算x值，x表示土壤磷盈余量；

[0010] x＝(粪肥投入量×粪肥总磷含量)‑(作物干重×作物总磷含量)×作物种植年限式II；

[0011] 4)将对应的步骤2)所述y值和步骤3)所述x值代入式III所示公式中，拟合土壤盈2
余量和Olsen‑P增量的关系曲线，计算得到a、b和c的数值；y＝a×x+b×x+c式III；

[0012] 5)以57mg kg‑1作为土壤磷环境阈值代入式IV所示公式中，得到y值；

[0013] y＝土壤磷环境阈值‑施肥前Olsen‑P式IV；

[0014] 6)将步骤5)得到的y值回代入式III所示公式，得到x值，所述x值为土壤允许的最大磷盈余量；

[0015] 7)按照式V所示公式计算土壤允许施用的最大粪肥量；

[0016]

[0017] 步骤2)和步骤3)之间没有时间顺序限制。

[0018] 优选的，所述粪肥包括畜禽粪肥。

[0019] 优选的，所述畜禽粪肥包括鸡粪、猪粪、羊粪和牛粪中的一种或几种。

[0020] 优选的，当所述畜禽粪肥为鸡粪时，式III中a为10‑0.5、b为0.059、c为‑10.524。

[0021] 优选的，当所述畜禽粪肥为猪粪时，式III中a为10‑0.6、b为0.114、c为25.215。

[0022] 本发明提供了一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，本发明通过建立粪肥盈余量与Olsen‑P增量的关系曲线，测算农田土壤对粪肥的消纳能力。本发明的方法的建立将为有机肥的合理替代量提供参考。

附图说明

[0023] 图1表示Olsen‑P与径流中溶解态总磷(TDP)的关系；

[0024] 图2实施例1中表示施用鸡粪后土壤磷盈余与Olsen‑P增量关系；

[0025] 图3实施例2中表示施用猪粪后土壤磷盈余与Olsen‑P增量关系；

[0026] 图4表示对比例1中施用化肥后土壤磷盈余与Olsen‑P增量关系；

[0027] 图5表示对比例2中施用化肥后土壤磷盈余与Olsen‑P增量关系。

具体实施方式

[0028] 本发明提供了一种基于土壤磷环境阈值测算土壤允许施用的最大粪肥量的方法，包括以下步骤：

[0029] 1)测定施肥前Olsen‑P；施用粪肥，测定粪肥投入量和粪肥总磷含量；收获作物，测定收获作物后土壤Olsen‑P、作物干重和作物总磷含量；

[0030] 2)按照式I所示公式计算y值，y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量；y＝(作物收获后土壤Olsen‑P)‑(施肥前Olsen‑P)式I；

[0031] 3)按照式II所示公式计算x值，x表示土壤磷盈余量；

[0032] x＝(粪肥投入量×粪肥总磷含量)‑(作物干重×作物总磷含量)×作物种植年限式II；

[0033] 4)将对应的步骤2)所述y值和步骤3)所述x值代入式III所示公式中，拟合土壤盈2
余量和Olsen‑P增量的关系曲线，计算得到a、b和c的数值；y＝a×x+b×x+c式III；

[0034] 5)以57mg kg‑1作为土壤磷环境阈值代入式IV所示公式中，得到y值；

[0035] y＝土壤磷环境阈值‑施肥前Olsen‑P式IV；

[0036] 6)将步骤5)得到的y值回代入式III所示公式，得到x值，所述x值为土壤允许的最大磷盈余量；

[0037] 7)按照式V所示公式计算土壤允许施用的最大粪肥量；

[0038]

[0039] 步骤2)和步骤3)之间没有时间顺序限制。

[0040] 本发明首先测定施肥前Olsen‑P；施用粪肥，测定粪肥投入量和粪肥总磷含量；收获作物，测定收获作物后土壤Olsen‑P、作物干重和作物总磷含量，作物完全成熟后收获。本发明对Olsen‑P的测定方法没有特殊限制，采用本领域常规方法即可。本发明具体实施过程中，所述Olsen‑P的测定方法为：采用浓度为0.5mol/L的NaHCO3水溶液浸提风干土壤，得到浸提液，同时配制梯度磷浓度的溶液作为标线，采用钼蓝比色法测定浸提液中磷浓度，然后根据土壤干重和浸提液的比折算Olsen‑P含量。在本发明中，所述风干土壤的粒径优选为1～2mm；所述NaHCO3水溶液的pH值优选为8.5；所述风干土壤的质量和所述NaHCO3水溶液的体积的比例优选为(2～2.5g)：50mL；所述浸提的时间优选为25～30min；所述磷浓度的单位为mg/L，所述Olsen‑P的单位为mg/kg。在本发明中，收获作物后土壤Olsen‑P的测定方法同上述方案中施肥前Olsen‑P的测定方法，此处不再赘述。在本发明中，粪肥总磷含量的测定优选的参照中华人民共和国农业行业标准有机肥料测定方法(NY 525‑2012)，所述粪肥总磷含量的单位优选为g/kg；粪肥投入量的单位优选为t/ha。在本发明中，所述粪肥优选的包括畜禽粪肥；所述畜禽粪肥优选的包括鸡粪、猪粪、羊粪和牛粪中的一种或几种。本发明对作物干重和作物总磷含量的测定方法没有特殊要求，采用本领域常规方法即可。

[0041] 得到施肥前Olsen‑P和收获作物后土壤Olsen‑P后，本发明按照式I所示公式计算y值，y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量；y＝(作物收获后土壤Olsen‑P)‑(施肥前Olsen‑P)式I。

[0042] 得到粪肥投入量、粪肥总磷含量、作物干重和作物总磷含量后，本发明按照式II所示公式计算x值，x表示土壤磷盈余量；

[0043] x＝(粪肥投入量×粪肥总磷含量)‑(作物干重×作物总磷含量)×作物种植年限式II。

[0044] 得到x值和y值后，本发明将对应的y值和x值代入式III所示公式中，拟合土壤盈余2
量和Olsen‑P增量的关系曲线，计算得到a、b和c的数值；y＝a×x+b×x+c式III。当所述畜‑0.5
禽粪肥为鸡粪时，式III中a为10 、b为0.059、c为‑10.524。当所述畜禽粪肥为猪粪时，式‑0.6
III中a为10 、b为0.114、c为25.215。

[0045] 本发明以57mgkg‑1作为土壤磷环境阈值代入式IV所示公式中，得到y值；y＝土壤磷环境阈值‑施肥前Olsen‑P式IV。在本发明中，所述土壤磷环境阈值是通过26年长期定位监测Olsen‑P与径流中溶解性总磷(TDP)的关系，确定Olsen‑P引起径流中TDP显著增加(出现分段曲线，第一阶段斜率较低，第二阶段斜率较高)的拐点，将这一拐点作为土壤磷环境阈‑1值。当农田Olsen‑P含量超过57mgkg 后，径流中TDP的含量显著增加，因此确定土壤磷环境‑1
阈值为57mgkg 。

[0046] 本发明将通过式IV计算得到的y值回代到确定a、b和c数值的式III中，得到x值，即土壤允许的最大磷盈余量。

[0047] 得到土壤允许的最大磷盈余量后，本发明按照式V所示公式计算土壤允许施用的最大粪肥量；

[0048]

[0049] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0050] 实施例1

[0051] 以北京市昌平区试验点2008～2017年为期10年的施肥试验为例，研究单施鸡粪和Olsen‑P增量的关系。2007年取耕作层土壤过2mm筛后，混匀备用。经分析，土壤pH 8.26，土壤有机质含量5.56g/kg，碱解氮57.1mg/kg，速效磷5.95mg/kg，有效钾79mg/kg，属沙壤土。2008～2017年试验种植作物为玉米，试验所用鸡粪为风干鸡粪，试验中鸡粪用量为4.8～
17.8t/ha，氮含量为2.02％～4.97％，P2O5含量为1.88％～5.91％。

[0052] 通过长期定位监测Olsen‑P与径流中溶解性总磷(TDP)的关系，获得Olsen‑P引起径流中TDP显著增加的拐点为土壤磷环境阈值，计算公式如下：

[0053] Z1＝a1×s1+b1  (1)

[0054] Z2＝a2×s2+b2  (2)

[0055] 式(1)和式(2)分别代表两段线性函数所对应的公式。其中S代表Olsen‑P值，Z代表径流液中TDP含量，a1、a2、b1和b2均为常数。a1和b1为第一段线性函数的斜率和截距值，a2和b2为第二段线性函数的斜率和截距值。Olsen‑P的测定方法为：取2.5g过2mm筛的风干土壤，用50mL的0.5mol/LNaHCO3(pH＝8.5)浸提30min后，采用钼蓝比色法测定浸提液中磷浓度(mg/L)，然后根据固液比计算土壤中的Olsen‑P含量(mg/kg)。土壤径流液先用0.45μm滤膜过滤分离出含有溶解态总磷的溶液，在该溶液中添加0.9g过硫酸钾，用灭菌锅消煮2h将溶液中的有机磷全部转化为无机磷，然后用钼蓝比色法测定溶解态总磷浓度(mg/L)。式(1)、(2)两条直线相交的坐标，对应的值即为Olsen‑P引起显著环境影响的含量拐点，即两条直线的交点坐标如下：

[0056]

[0057]

[0058] 式(3)中S值即为以Olsen‑P为衡量标准所对应的磷环境阈值。

[0059] 由图1可知，当农田Olsen‑P含量超过57mg kg‑1后，径流中TDP的含量显著增加，因‑1此确定土壤磷环境阈值为57mg kg 。

[0060] 利用多年定位试验中一一对应的土壤盈余量值和Olsen‑P增量值可以拟合土壤盈余量和Olsen‑P增量的关系曲线，从而得到公式(5)中a，b，c的值分别是多少。土壤磷盈余与Olsen‑P增量的关系如图2所示，由图2可知，施用鸡粪后土壤磷盈余与Olsen‑P增量之间的关系为：

[0061] y＝10‑0.5×x2+0.0569×x‑10.524  公式(6)；

[0062] 公式(6)中y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量，x表示土壤磷盈余量，即畜禽粪肥投入的磷素量减去作物磷带走量，畜禽粪肥投入的磷素量通过畜禽粪肥的投入量和畜禽粪肥中总磷含量的乘积计算得到，作物磷带走量通过作物干重乘以作物中总磷含量的乘积计算得到。

[0063] 本试验未施肥前Olsen‑P值为5.95mg/kg，由图1得知土壤的磷环境阈值为57mg/kg。带入公式(6)可知，本试验施用鸡粪后允许的最大磷盈余量为908.2kg P/ha。鸡粪含单质磷含量按1.61％计算，将最大磷盈余量和鸡粪中磷含量带入公式(7)可计算得出，单位农田允许的最大鸡粪还田量为56.4t/ha。

[0064]

[0065] 实施例2

[0066] 实验例2的供试土壤性质同实施例1，不同之处在于施用粪肥为猪粪。

[0067] 试验所用猪粪为风干猪粪，试验中猪粪用量为9.2～11.5t/ha，氮含量为1.97％～2.62％，P2O5含量为0.73％～9.18％。

[0068] 土壤磷盈余与Olsen‑P增量的关系如图3所示，由图3可知，施用猪粪后土壤磷盈余与Olsen‑P增量之间的关系为：

[0069] y＝10‑0.6×x2+0.114×x+25.215  公式(8)

[0070] 公式(8)中y表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量，x表示土壤磷盈余量，即畜禽粪肥投入的磷素量减去作物磷带走量，畜禽粪肥投入的磷素量通过畜禽粪肥的投入量和畜禽粪肥中总磷含量的乘积计算得到，作物磷带走量通过作物干重乘以作物中总磷含量的乘积计算得到。

[0071] 本试验未施肥前Olsen‑P值为5.95mg/kg，由图1得知土壤的磷环境阈值为57mg/kg。带入公式(8)可知，本试验施用猪粪后允许的最大磷盈余量为214kgP/ha。猪粪含单质磷含量按2.16％计算，将最大磷盈余量和鸡粪中磷含量带入公式(7)可计算得出，单位农田允许的最大猪粪还田量为10t/ha。

[0072] 对比例1

[0073] 对比例1的供试土壤性质同试验例1，不同之处在于施用肥料为化肥。

[0074] 土壤磷盈余与Olsen‑P增量的关系如图4所示，由图4可知，施用化肥后土壤磷盈余与Olsen‑P增量之间的关系为：

[0075] ΔOlsenP＝0.0232×PS‑1.421  公式(9)

[0076] 公式(9)中ΔOlsen‑P表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量，Ps表示土壤磷盈余量，即化肥投入的磷素量减去作物磷带走量，作物磷带走量通过作物干重乘以作物中总磷含量的乘积计算得到。

[0077] 本试验未施肥前Olsen‑P值为5.95mg/kg，由图1得知土壤的磷环境阈值为57mg/kg。带入公式(7)可知，本试验施用化肥后允许的最大磷盈余量为2261kg P/ha。

[0078] 对比例2

[0079] 以湖南祁阳站国家肥力网监测红壤旱地肥力长期定位监测试验点1990‑2012年为期25年的施肥试验为例，研究施用化肥和Olsen‑P增量的关系。1990年取耕作层土壤过2mm筛后，混匀备用。经分析，土壤pH 5.7，土壤有机质含量6.7g/kg，速效磷13.9mg/kg，有效钾122mg/kg。1991～2015年试验种植制度为小麦‑玉米一年两熟制。

[0080] 土壤磷盈余与Olsen‑P增量的关系如图5所示，由图5可知，施用化肥后土壤磷盈余与Olsen‑P增量之间的关系为：

[0081] ΔOlsenP＝0.0428×PS+4.7249  公式(10)

[0082] 公式(10)中ΔOlsen‑P表示收获作物后土壤Olsen‑P相对于未施肥前土壤的Olsen‑P增量，Ps表示土壤磷盈余量，即化肥投入的磷素量减去作物磷带走量，作物磷带走量通过作物干重乘以作物中总磷含量的乘积计算得到。

[0083] 本试验未施肥前Olsen‑P值为13.9mg/kg，由图5得知土壤的磷环境阈值为57mg/kg。带入公式(7)可知，本试验施用化肥后允许的最大磷盈余量为897kgP/ha。

[0084] 以上所述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。