農田水肥高效利用多維臨界調控方法
2023-05-12 04:34:31 1
農田水肥高效利用多維臨界調控方法
【專利摘要】本發明提供了一種農田水肥高效利用多維臨界調控方法，本發明以節水、省肥、高產、控汙為目標，基於農田試驗與實地查勘數據，結合水肥耦合灌溉、作物生長、控制排水與臨界調控等相關理論，構建節水灌溉、控制排水、合理施肥多維臨界調控指標，從而實現農田水肥高效利用多維臨界調控。本發明可用於農田水肥耦合灌溉與控制排水協同管理，有利於提高水肥利用效率，解決農業、水利分部門管理中潛在的資源浪費與環境汙染風險問題。
【專利說明】農田水肥高效利用多維臨界調控方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於農田水肥利用率調控【技術領域】，尤其涉及一種農田水肥高效利用多維臨界調控方法。
【背景技術】
[0002]我國農田灌溉用水約佔全國用水總量的62%，其中，水稻作為我國主要糧食作物，2013年播種面積約3048萬公頃，產量約佔全國糧食總產的40%。隨人口增長，城鎮化加快與極端氣候頻繁，糧食安全與旱澇災害、水環境汙染等已成為制約我國經濟社會可持續發展的關鍵問題。我國每年農業缺水量達300億m3，但灌溉水利用係數0.5，灌溉水分生產率
1.5kg/m3,遠低於發達國家灌溉水利用係數0.7~0.8和水分生產率2~3kg/m3。合理利用降雨，優化控制灌溉用水總量，提高農業用水效率，對建立最嚴格水資源管理制度，解決乾旱缺水問題，具有重要意義。
[0003]肥料是農業生產的基本要素和提高作物產量的有效措施。2011年，我國化肥使用量4124t，化肥消費量佔世界1/3以上；單位面積農用化肥使用量434.3kg/hm2，是國際公認的化肥使用安全上限225kg/hm2的1.93倍。但當季氮肥利用率僅35%，磷肥利用率10%~25%，低於發達國家15%左右。不僅造成化肥資源浪費，還加重了水環境汙染負荷。科學施肥，提高養分利用效率，減少農業面源汙染，對保障農業可持續發展與水資源可持續利用具有重要意義。
[0004]目前，主要是通過 提高灌水技術及改進施肥方式來提高農田水肥利用率。龔時宏等提出了一種通過確定最佳灌溉時機和最佳灌溉方法來提高桃樹產量以及水分利用率；張建輝等提出了在坡耕地上挖土坑的方法來提高柑橘肥料利用率；丁孝東等提出了通過測土配方的方法來提高豆角肥料利用率。上述方法均存在一定局限性，僅適用於特定作物及特定地形；且未考慮水肥相互作用對作物生長的影響。所以還需深入研究不同地域氣候、土壤和作物條件下水肥耦合灌溉對作物生長、水分養分運移的影響機制。
[0005]在控制排水方面，張展羽等提出了一種水位水質聯合控制的排水裝置；高君等提出了一種農田排水自動裝置。然而這些技術僅用來控制農田排水水位與水質，缺少考慮控制排水水深對作物生長、水肥利用率、排水水量及水質等方面的影響，所以還需深入探討水資源高效利用與旱澇、鹽鹼、潰、汙等災害綜合治理的控制排水技術與標準。
【發明內容】
[0006]針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種多目標的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，適用於不同自然環境灌區。
[0007]本發明以節水、省肥、高產、控汙為目標，基於農田試驗與實地查勘數據，結合水肥耦合灌溉、作物生長、控制排水與臨界調控等相關理論，構建節水灌溉、控制排水、合理施肥多維臨界調控指標，從而實現農田水肥高效利用多維臨界調控。
[0008]為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案:[0009]農田水肥高效利用多維臨界調控方法，包括步驟:
[0010]步驟1，構建農田的區域空間屬性資料庫，所述的區域空間屬性資料庫包括土壤類型數據、排水系統設計數據、土地利用數據和氣象數據；
[0011]步驟2，通過農田的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗，獲得作物生育期內的氣象數據、地下水位、田間水位、田間滲漏量、灌水量、排水量、水質氮含量、土壤氮含量、作物生理生態及作物最終產量，即試驗數據，其中，氣象數據從區域空間屬性資料庫中獲取；對試驗數據進行統計分析獲取農田水肥遷移轉化規律及作物生長發育與產量形成規律；
[0012]步驟3，構建作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型，本步驟進一步包括子步驟:
[0013]3.1根據作物生長發育與產量形成規律構建作物生長發育模擬模塊；
[0014]3.2根據農田水肥遷移轉化規律構建農田水肥遷移轉化模擬模塊；
[0015]3.3採用區域空間屬性資料庫和試驗數據對作物生長發育模擬模塊和農田水肥遷移轉化模塊的參數進行統一、規範、率定和驗證，獲得作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型；
[0016]步驟4，採用 作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型對不同水肥耦合與控制排水條件進行模擬，獲得水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係；
[0017]步驟5，以高產、節水、省肥和控汙為目標函數，以最大淹水深度、水稻水分脅迫、地下水位、水量平衡、氮平衡為約束，以作物邊際水分利用率為灌溉臨界調控指標，以利潤為施肥臨界調控指標，以地面累計淹水深度和累計超標準地下水深為排水臨界調控指標，建立農田「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型；
[0018]步驟6，採用「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型優化步驟4獲得的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係；
[0019]步驟7，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係確定最優的灌溉模式、施肥模式和排水模式。
[0020]步驟I中所述的土壤類型數據通過對土壤取樣並進行化驗獲得，所述的排水系統設計數據通過實地測量獲得，所述的土地利用數據通過實地調查分析獲得，所述的氣象數據來自氣象站觀測數據。
[0021]步驟2中所述的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗具體為:
[0022]以灌溉模式、施肥模式和排水模式為控制因素，設定不同的灌溉模式、施肥模式和排水模式，將不同的控制因素組合成一系列水肥耦合和控制排水條件，實測各水肥耦合和控制排水條件下作物發育期內氣象數據、地下水位、田間水位、田間滲漏量、灌水量、排水量、水質氮含量、土壤氮含量、水稻產量及生理生態。
[0023]子步驟3.1中所述的作物生長發育模擬模塊為基於0RYZA2000作物生長模型。
[0024]子步驟3.2中所述的農田水肥遷移轉化模擬模塊為基於DRAINMOD-N II的稻田水肥遷移轉化模型。
[0025]步驟7進一步依次包括子步驟:
[0026]7.1根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，選擇水分利用率最大的灌溉模式為臨界灌溉模式；[0027]7.2在臨界灌溉模式下，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，選取利潤最大的施肥模式為臨界施肥模式；
[0028]7.3在臨界灌溉模式和臨界施肥模式下，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，獲得臨界排水模式。
[0029]與現有技術相比，本發明具有以下的技術效果:
[0030]I)解決了農田尺度作物生長模型與土壤養分遷移轉化模型、農田排水模型之間輸入輸出參數統一、規範與標準化接口問題，實現了模型參數的無縫化連接。
[0031]2)實現了農田水肥耦合灌溉與控制排水協同管理，有利於提高水肥利用效率，解決農業、水利分部門管理中潛在的資源浪費與環境汙染風險問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明農田水肥高效利用多維臨界調控方法示意圖；
[0033]圖2為區域空間 屬性資料庫建立示意圖；
[0034]圖3為作物生長發育與農田水肥遷移轉化耦合模擬模型的計算示意圖；
[0035]圖4為「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0037]見圖1，本發明包括步驟:
[0038]步驟a，構建區域空間屬性資料庫，見圖2。
[0039]對待調控農田區進行現場勘測、實地調查分析及試驗觀測，獲取土壤類型數據、排水系統設計數據、土地利用數據和氣象數據，構建待調控農田的區域空間屬性資料庫。土壤類型數據可通過對土壤取樣並進行化驗獲得，排水系統設計數據通過實地測量獲得，土地利用數據通過實地調查分析獲得，氣象數據來自氣象站觀測數據。
[0040]步驟b，基於待調控農田區的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗的數據，經統計分析獲取農田水肥遷移轉化規律及作物生長發育與產量形成規律。
[0041]本具體實施中，在2007~2008年間對待調控水稻田進行大量水肥耦合灌溉試驗和控制排水試驗，並對試驗數據進行分析，根據水肥耦合灌溉試驗數據獲得不同水肥耦合條件下作物生長發育與產量形成規律，根據控制排水試驗獲得不同水肥耦合條件下農田水肥遷移轉化規律。所述的作物生長發育與產量形成規律和農田水肥遷移轉化規律可以為一系列數據、圖表或文字描述。
[0042]本具體實施中水肥耦合灌溉試驗和控制排水試驗具體為:考慮3個控制因素:灌溉模式、施肥模式和排水模式，灌溉模式設置淹灌和間歇灌溉兩種灌溉，淹灌包括30_淹灌模式和60mm淹灌模式，間歇灌溉包括30mm間歇灌溉模式和60mm間歇灌溉模式，30mm淹灌模式表示水稻生育期內保持淹灌，且每次灌溉時農田間灌溉定額為30mm，60mm淹灌模式、30_間歇灌溉模式、60_間歇灌溉模式的含義以此類推。施肥模式設置三種施氮水平，分別為0kg/hm2、135kg/hm2、180kg/hm2 ;排水模式設置控制排水水深0.5m和常規排水兩種。
[0043]對上述控制因素組合後獲得24組水肥耦合和控制排水條件，每組水肥耦合條件設置一個重複。將試驗區劃分為48個面積大致相等的試驗小區，試驗小區內均種植水稻II優7954，分別用上述24組水肥耦合條件對試驗小區進行控制，並獲得水稻生育期內氣象數據、地下水位、田間水位、田間滲漏量、灌水量、排水量、水質氮含量、土壤氮含量、水稻產量及生理生態，從而獲得試驗數據，氣象數據從區域空間屬性資料庫中獲取。
[0044]步驟c，構建作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型。
[0045]根據步驟b獲得的作物生長發育規律及農田水肥遷移轉化規律，分別建立作物生長發育模擬模塊和農田水肥遷移轉化模擬模塊，本具體實施中建立的作物生長發育模擬模塊為基於0RYZA2000作物生長模型，建立的農田水肥遷移轉化模擬模塊為基於DRAINM0D-NII的稻田水肥遷移轉化模型；採用待調控農田區的區域空間屬性資料庫和水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗數據對作物生長發育模擬模塊和農田水肥遷移轉化模擬模塊的參數進行統一、規範、率定、檢驗，形成作物生長發育模擬模塊與農田水肥遷移轉化模擬模塊的「無縫」連接，構成作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型。
[0046]下面以水稻田為例進一步說明作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型的獲得過程:
[0047]水稻生長發育模擬模塊需要氣象數據、水稻特性參數、土壤類型數據、田間管理數據。水稻田水肥遷移轉化模擬模塊需要氣象數據、水稻生長相關參數、排水系統設計數據、土壤類型數據、氮運移及轉化參數。氣象數據、土壤類型數據和排水系統設計數據通過區域空間屬性資料庫獲得；水稻特性參數包括水稻發育速率、比葉面積、同化物分配係數等，由水稻生長發育模擬模塊參數率定得到；氮運移及轉化參數包括徑向彌散度、彎曲度、公差、最小時間步長，氮轉化參數包括日最大轉換量、最佳溫度、臨界土壤水空隙，由水肥遷移轉化模擬模塊參數率定得到。田間管理數據包括灌溉模式、施肥模式和排水模式。
[0048]水稻生長發育模擬模塊和水稻田水肥遷移轉化模塊所需參數有大量相同部分，而且水稻生長發育模擬模塊輸出的水稻生長發育情況、水稻氮素利用情況和水稻水分利用情況又可以作為水稻田水肥遷移轉化模塊的輸入，水稻生長發育情況、水稻氮素利用情況和水稻水分利用情況即水稻生長相關參數。採用2007年的水稻田的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗數據對作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型參數進行率定，採用2008年的水稻田的水肥耦合灌溉技術與控制排水試驗數據對作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型參數進行驗證。
[0049]步驟d，水肥耦合與控制排水下水肥利用率分析
[0050]設定不同水肥耦合與控制排水條件，採用作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型進行模擬，採用作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型對不同水肥耦合與控制排水條件進行模擬，得到水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係；水肥流失採用排水水量和排水水質進行衡量。
[0051] 例如，可設定X種灌溉模式、y種施肥模式及z種排水模式，則共有x*y*z組水肥耦合條件，輸入x*y*z組水肥耦合條件，採用作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型進行模擬計算，獲得灌溉模式-排水模式-施肥模式-水稻產量-灌溉水量-水肥利用率-排水水量-排水水質間的動態響應關係。本具體實施中設定9種灌溉模式:雨養模式、淹灌30mm模式、淹灌40mm模式、淹灌60mm模式、淹灌75mm模式、間歇灌溉30mm模式、間歇灌溉45mm模式、間歇灌溉60mm模式、間歇灌溉75mm模式；設定12種施肥模式:施氮水平Okg/hm2、30kg/hm2、60kg/hm2、90kg/hm2、120kg/hm2、150kg/hm2、180kg/hm2、210kg/hm2、240kg/hm2、270kg/hm2、330kg/hm2、360kg/hm2 ；5種排水模式:非控制排水、深度20cm的控制排水、深度30cm的控制排水、深度40cm的控制排水、深度50cm的控制排水深度，灌溉模式、施肥模式、排水模式三個調控變量組合起來有540組水肥耦合條件。
[0052]步驟e，構建農田「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型。
[0053]以節水、省肥、高產、控汙為多目標，以作物邊際水分利用率為灌溉臨界調控指標，以利潤為施肥臨界調控指標，以地面累計淹水深度和累計超標準地下水深為排水臨界調控指標，建立農田「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型。
[0054]以最大淹水深度、水稻水分脅迫、地下水位、水量平衡、氮平衡為約束，以水稻邊際水分生產率和水稻水分生產彈性係數分別作為灌溉臨界調控指標與灌溉臨界識別條件，所述的水分生產彈性係數為邊際水分利用率除以平均水分利用率。以利潤和邊際利潤分別作為施肥臨界調控指標與施肥臨界識別條件，以地面累計淹水深度和累計超標準地下水深為排水臨界調控指標，建立農田「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型。
[0055]I)目標函數
[0056](I)高產目標函數
[0057]水稻產量是灌溉、施肥和排水共同作用的結果，水稻高產目標函數:
[0058]Z = maxYa (I)
[0059]式(I)中，Ya為水稻生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型模擬得到的水稻實際產量單位:kg/hm2。
[0060](2)節水目標函數
[0061]充分利用降雨與農田排水優化灌溉制度，使水稻全生育期灌溉水量最小，節水目標函數如下:
[0062]
【權利要求】
1.一種農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 步驟1，構建農田的區域空間屬性資料庫，所述的區域空間屬性資料庫包括土壤類型數據、排水系統設計數據、土地利用數據和氣象數據； 步驟2，通過農田的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗，獲得作物生育期內的氣象數據、地下水位、田間水位、田間滲漏量、灌水量、排水量、水質氮含量、土壤氮含量、作物生理生態及作物最終產量，即試驗數據，其中，氣象數據從區域空間屬性資料庫中獲取；對試驗數據進行統計分析獲取農田水肥遷移轉化規律及作物生長發育與產量形成規律； 步驟3，構建作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型，本步驟進一步包括子步驟: 3.1根據作物生長發育與產量形成規律構建作物生長發育模擬模塊； 3.2根據農田水肥遷移轉化規律構建農田水肥遷移轉化模擬模塊； 3.3採用區域空間屬性資料庫和試驗數據對作物生長發育模擬模塊和農田水肥遷移轉化模塊的參數進行統一、規範、率定和驗證，獲得作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型； 步驟4，採用作物生長發育和農田水肥遷移轉化耦合模型對不同水肥耦合與控制排水條件進行模擬，獲得水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係； 步驟5，以高產、節水、省肥和控汙為目標函數，以最大淹水深度、水稻水分脅迫、地下水位、水量平衡、氮平 衡為約束，以作物邊際水分利用率為灌溉臨界調控指標，以利潤為施肥臨界調控指標，以地面累計淹水深度和累計超標準地下水深為排水臨界調控指標，建立農田「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型； 步驟6，採用「灌溉-施肥-控制排水」三維臨界調控模型優化步驟4獲得的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係； 步驟7，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係確定最優的灌溉模式、施肥模式和排水模式。
2.如權利要求1所述的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 步驟I中所述的土壤類型數據通過對土壤取樣並進行化驗獲得，所述的排水系統設計數據通過實地測量獲得，所述的土地利用數據通過實地調查分析獲得，所述的氣象數據來自氣象站觀測數據。
3.如權利要求1所述的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 步驟2中所述的水肥耦合灌溉試驗與控制排水試驗具體為: 以灌溉模式、施肥模式和排水模式為控制因素，設定不同的灌溉模式、施肥模式和排水模式，將不同的控制因素組合成一系列水肥耦合和控制排水條件，實測各水肥耦合和控制排水條件下作物發育期內氣象數據、地下水位、田間水位、田間滲漏量、灌水量、排水量、水質氮含量、土壤氮含量、水稻產量及生理生態。
4.如權利要求1所述的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 子步驟3.1中所述的作物生長發育模擬模塊為基於0RYZA2000作物生長模型。
5.如權利要求1所述的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 子步驟3.2中所述的農田水肥遷移轉化模擬模塊為基於DRAINMOD-NII的稻田水肥遷移轉化模型。
6.如權利要求1所述的農田水肥高效利用多維臨界調控方法，其特徵在於: 步驟7進一步依次包括子步驟: .7.1根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，選擇水分利用率最大的灌溉模式為臨界灌溉模式； .7.2在臨界灌溉模式下，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，選取利潤最大的施肥模式為臨界施肥模式； . 7.3在臨界 灌溉模式和臨界施肥模式下，根據優化的水肥耦合與控制排水條件及作物產量、水肥利用率、水肥流失間的動態響應關係，獲得臨界排水模式。
【文檔編號】A01C21/00GK103959970SQ201410205209
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】邵東國, 陳述, 劉歡歡, 孫春敏, 譚學志 申請人:武漢大學