一种定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法与流程

1.本发明涉及作物生产养分管理技术领域，尤其涉及一种定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法。


背景技术：

2.氮素作为生命元素是作物吸收量最大的营养元素，其对作物的产量和品质形成有至关重要的作用。作物吸收的氮素主要有以下几个来源：土壤氮素、施入的氮肥(无机肥和有机肥)、前茬作物残体中的氮素、灌水和大气干湿沉降输入的氮素等。其中土壤氮素和氮肥是两个最主要的氮素来源。土壤氮素中有效氮(主要指硝态氮和铵态氮)是作物氮素吸收的最主要形式，因此评价土壤有效氮的作物吸收及其氮营养贡献对作物高效氮营养管理和氮肥减施增效有十分重要的意义。
3.目前，有关土壤有效氮作物吸收的定量研究通常采用外源
15
n微注射技术，该技术就是把一定量的
15
n标记的硝态氮或铵态氮直接注射到土壤中，这种方法存在诸多缺陷：1、增加了注射土层的氮素含量，改变了原来的氮素分布状态；2、注射的氮素只分布于注射点周围很少一点土壤中，其浓度显著高于周围其它土壤，这种不均衡性可能会改变作物对这一层次土壤氮素的吸收特性；3、只能研究注射点(注射层)土壤氮素的作物吸收，由于标记的
15
n氮素不能覆盖作物整个根域，所以对根域内全部土壤有效氮的作物有效性则不能进行整体评价。


技术实现要素：

4.针对现有定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法存在的上述问题，本发明提供一种定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法，该方法不改变土壤有效氮初始含量，实现原位标记，并实现了对作物根系分布区域进行了全部覆盖，代表性强，且轻简易操作，对精准调控作物氮素营养进而提高肥料利用率大有裨益。
5.为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
6.一种定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法，包括以下步骤：
7.a、在一地力均匀的地块划分出一个区域，所述区域内不施氮，其余部分正常施氮，然后在所述地块上进行至少一季的作物种植，得到土壤有效氮含量具有显著差异的不施氮区域和施氮区域；
8.b、将所述不施氮区域和所述施氮区域按照纵向深度平均分为5
‑
10层，每层土壤的厚度为l/(5
‑
10)，l为作物根系的最大深度；然后测定所述不施氮区域和所述施氮区域中每层土壤中的有效氮的浓度；
9.c、在所述施氮区域划分出圆形的标记单元，每个所述标记单元内设置8个标记点，8个所述标记点分别分布在把所述标记单元平均分为8等分的直径上，8个所述标记点距离所述标记单元的圆心的距离分别为r/8、r/4、3r/8、r/2、5r/8、2r/3、7r/8、r；其中，r为所述标记单元的半径；
10.d、用土钻在所述标记点处将地表至作物根系最深处之间的土壤取出，弃去，在所述标记单元内留下8个钻坑；同时，在所述不施氮区域内用所述土钻分层取出地表至作物根系最深处之间的土壤，并在取出的土壤中添加
15
n标记的有效氮，使取出的每一层土壤的有效氮含量与对应施氮区域内每层土壤的有效氮含量相同，然后将添加
15
n标记的每层土壤按照对应位置由下往上填入所述标记单元的钻坑中，在所述标记单元内完成土壤有效氮标记；
11.e、在完成土壤有效氮标记的所述标记单元内种植待研究作物，待所述待研究作物成熟后，测定标记单元内的作物的干物质重量、作物全氮含量及作物
15
n丰度；计算土壤有效氮对作物的氮营养贡献：
12.土壤有效氮对作物的氮营养贡献率＝土壤有效氮作物吸收量g/作物总吸氮量g
×
100％；
13.其中，作物总吸氮量＝干物质重量
×
作物全氮百分含量；
14.土壤有效氮作物吸收量＝作物总吸氮量
×
[(作物
15
n丰度
‑
作物
15
n本底丰度)/外源添加的有效氮
15
n丰度]
×
(一个钻坑内土壤的有效氮总量/一个钻坑内添加的外源
15
n标记有效氮总量)
×
k，k为所述标记单元的面积与8个钻坑的横截面积之和的比值。
[0015]
相对于现有技术，本发明提供的定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法不改变土壤有效氮初始含量，实现原位标记，并实现了对作物根系分布区域的全部覆盖和整体评价，代表性强、操作简单，在作物生产中，可根据土壤有效氮的作物吸收量及其氮营养贡献率精准调整施肥量，定量结果准确，避免盲目施肥导致的资源浪费与环境污染，对提高肥料利用率、作物产量及品质具有重要的意义。
[0016]
优选的，步骤b中，将所述不施氮区域和所述施氮区域按照纵向深度平均分为10层，每层土壤的厚度为l/10。
[0017]
优选的，步骤c中，所述标记单元的半径为20
‑
40cm。
[0018]
优选的，步骤c中，所述标记单元可以设置3
‑
6个。
[0019]
优选的，步骤d中，所述土钻的内径为4
‑
6cm。
[0020]
优选的，所述标记单元与不施氮区域的间距≥200cm。
[0021]
优选地，步骤e中，所述待研究作物包括冬小麦、夏玉米、谷子、棉花和大豆。
[0022]
本发明还提供了所述的定量土壤有效氮对作物氮营养贡献率的方法在精准调整土壤施肥量中的应用。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例1中标记单元内的标记点的分布位置示意图；
[0024]
图2是本发明实施例1中标记单元内的钻坑内的土层分布示意图；
[0025]
图3是本发明实施例1中标记单元内中种植冬小麦的示意图；
[0026]
图4是本发明实施例2中标记单元内中标记点的分布位置以及种植夏玉米的示意图。
具体实施方式
[0027]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]
实施例1
[0029]
定量土壤有效氮对冬小麦氮营养贡献率的方法：
[0030]
a、创造土壤有效氮含量有差异的两种土壤
[0031]
在一地力均匀的地块划分出两个区域，其中一个区域的作物种植期间正常施用氮肥，年施氮量400kg/hm2，该区域记作n
400
；另外一个区域不施氮肥，不施氮区域记作n0。在这两个区域内进行冬小麦
‑
夏玉米一年的轮作种植，一年之后，得到有效氮含量具有显著差异的不施氮区域和施氮区域；不施氮区域和施氮区域的间距为200cm；
[0032]
b、测定不施氮区域和施氮区域作物根区土壤有效氮含量
[0033]
将不施氮区域和施氮区域按照纵向深度平均分为10层，每层土壤的厚度为20cm(研究区域内冬小麦根系最大深度l为200cm)；然后测定不施氮区域和施氮区域中每层土壤中的有效氮的浓度(mg/kg)，分别记作c
n400
‑
x
、c
n0
‑
x
，x为土壤层数，测定结果如表1所示；
[0034]
c、确定标记点位置
[0035]
在施氮区域内划分出半径(r)为30cm的圆形标记单元(也为冬小麦种植单元)，共划分出3个标记单元，每个标记单元内设置8个标记点，8个标记点分别分布在把标记单元平均分为8等分的直径上，8个标记点距离所述标记单元的圆心的距离分别为r/8、r/4、3r/8、r/2、5r/8、2r/3、7r/8、r(30/8、30/4、90/8、30/2、150/8、60/3、210/8、30)cm；其中，r为标记单元的半径；8个标记点的分布位置如图1所示；
[0036]
d、标记点土壤有效氮标记
[0037]
用内径为4cm的土钻在标记点处将地表至作物根系最深处(200cm)之间的土壤取出，弃去，在标记单元内留下8个钻坑；同时，在不施氮区域内用内径为4cm的土钻分层取出地表至作物根系最深处之间的土壤，并在取出的土壤中添加
15
n标记的有效氮，使取出的每一层土壤的有效氮含量与对应施氮区域内每层土壤的有效氮含量相同，然后将添加
15
n标记的每层土壤按照对应位置由下往上填入标记单元的钻坑中，在标记单元内完成土壤有效氮标记；8个标记点对应的钻坑内的土层分布情况如图2所示；
[0038]
m
15n
＝m
土
×
(c
n
‑
c0)，m
土
为某一层土壤的总质量(单位为kg，计算方法为：钻孔面积
×
土层厚度
×
该土层土壤容重)，c
n
，c0分别为该土层土壤有效态氮含量，单位为mg/kg；
[0039]
各土层补偿添加的
15
n标记的有效氮的量如表1所示；
[0040]
表1施氮区域与不施氮区域各土层有效氮含量及外源补加的有效氮的量
[0041][0042][0043]
e、标记单元内种植冬小麦以计算冬小麦对土壤有效氮的吸收量及土壤有效氮对冬小麦的氮营养贡献率
[0044]
土壤有效氮标记完成后在标记单元内均匀撒播种植冬小麦(冬小麦的种植密度为400粒/m2)，如图3所示；待冬小麦成熟后，测定标记单元内的冬小麦的干物质重量、冬小麦全氮含量及冬小麦的
15
n丰度，计算土壤有效氮对作物的氮营养贡献，计算方法如下：
[0045]
土壤有效氮对作物的氮营养贡献率＝土壤有效氮作物吸收量g/作物总吸氮量g
×
100％；
[0046]
其中，作物总吸氮量g＝干物质重量g
×
作物全氮含量％；
[0047]
土壤有效氮作物吸收量g＝作物总吸氮量g
×
[(作物
15
n丰度
‑
作物
15
n本底丰度)/外源添加的有效氮
15
n丰度]
×
(一个钻坑内土壤的有效氮总量/一个钻坑内添加的外源
15
n标记有效氮总量)
×
28.125，28.125为所述标记单元的面积与8个钻坑的横截面积之和的比值；
[0048]
计算结果如表2所示。
[0049]
表2冬小麦对土壤有效氮的吸收量及土壤对冬小麦的氮营养贡献率
[0050][0051][0052]
f、对定量数据的准确性与可靠性的验证
[0053]
在本实施例的研究区域内，冬小麦氮营养来源中，氮肥占比21.28％
‑
48.23％，平均34.56％；生长季内有机矿化氮占比19.34％
‑
29.79％，平均24.78％；前茬还田秸秆氮素平均占比7.26％；灌水输入氮和大气沉降氮等其他氮源占比为3.22％，用差减法计算(100％减去以上氮源比例)间接得出土壤有效氮比例为32.18％，与本实施例得出的土壤有效氮对冬小麦的氮营养贡献33.89％的数值基本相当，进一步证实了本实施例计算的土壤有效氮对冬小麦氮营养贡献率的方法的准确性。
[0054]
实施例2
[0055]
定量土壤有效氮对夏玉米氮营养贡献率的方法：
[0056]
a、创造土壤有效氮含量有差异的两种土壤
[0057]
在一地力均匀的地块划分出两个区域，其中一个区域的作物种植期间正常施用氮肥，年施氮量400kg/hm2，该区域记作n
400
；另外一个区域不施氮肥，不施氮区域记作n0。在这两个区域内进行冬小麦
‑
夏玉米一年的轮作种植，一年之后，得到有效氮含量具有显著差异的不施氮区域和施氮区域；不施氮区域和施氮区域的间距为200cm；
[0058]
b、测定不施氮区域和施氮区域作物根区土壤有效氮含量
[0059]
将不施氮区域和施氮区域按照纵向深度平均分为10层，每层土壤的厚度为12cm(研究区域内夏玉米根系最大深度l为120cm)；然后测定不施氮区域和施氮区域中每层土壤中的有效氮的浓度(mg/kg)，分别记作c
n400
‑
x
、c
n0
‑
x
，x为土壤层数，测定结果如表3所示；
[0060]
c、确定标记点位置
[0061]
在施氮区域内划分出半径(r)为20cm的圆形标记单元(也为夏玉米种植单元)，共划分出3个标记单元，每个标记单元内设置8个标记点，8个标记点分别分布在把标记单元平均分为8等分的直径上，8个标记点距离所述标记单元的圆心的距离分别为r/8、r/4、3r/8、r/2、5r/8、2r/3、7r/8、r(20/8、20/4、60/8、20/2、100/8、40/3、140/8、20)cm；其中，r为标记单元的半径；8个标记点的分布位置如图4所示；
[0062]
d、标记点土壤有效氮标记
[0063]
用内径为4cm的土钻在标记点处将地表至夏玉米根系最深处(120cm)之间的土壤取出，弃去，在标记单元内留下8个钻坑；同时，在不施氮区域内用内径为4cm的土钻分层取
出地表至120cm深处之间的土壤，并在取出的土壤中添加
15
n标记的有效氮，使取出的每一层土壤的有效氮含量与对应施氮区域内每层土壤的有效氮含量相同，然后将添加
15
n标记的每层土壤按照对应位置由下往上填入标记单元的钻坑中，在标记单元内完成土壤有效氮标记；
[0064]
m
15n
＝m
土
×
(c
n
‑
c0)，m
土
为某一层土壤的总质量(单位为kg，计算方法为：钻孔面积
×
土层厚度
×
该土层土壤容重)，c
n
，c0分别为该土层土壤有效态氮含量，单位为mg/kg；
[0065]
各土层补偿添加的
15
n标记的有效氮的量如表3所示；
[0066]
表3施氮区域与不施氮区域各土层有效氮含量及外源补加的有效氮的量
[0067][0068][0069]
e、标记单元内种植夏玉米以计算夏玉米对土壤有效氮的吸收量及土壤有效氮对夏玉米的氮营养贡献率
[0070]
土壤有效氮标记完成后在标记单元的圆心处种植夏玉米，如图4所示；待夏玉米成熟后，测定标记单元内的夏玉米的干物质重量、夏玉米全氮含量及夏玉米的
15
n丰度，计算土壤有效氮对夏玉米的氮营养贡献，计算方法如下：
[0071]
土壤有效氮对作物的氮营养贡献率＝土壤有效氮作物吸收量g/作物总吸氮量g
×
100％；
[0072]
其中，作物总吸氮量g＝干物质重量g
×
作物全氮含量％；
[0073]
土壤有效氮作物吸收量g＝作物总吸氮量g
×
[(作物
15
n丰度
‑
作物
15
n本底丰度)/外源添加的有效氮
15
n丰度]
×
(一个钻坑内土壤的有效氮总量/一个钻坑内添加的外源
15
n标记有效氮总量)
×
12.5，12.5为标记单元的面积与8个钻坑的横截面积之和的比值；
[0074]
计算结果如表4所示。
[0075]
表4夏玉米对土壤有效氮的吸收量及土壤对夏玉米的氮营养贡献率
[0076][0077][0078]
f、对定量数据的准确性与可靠性的验证
[0079]
在本实施例的研究区域内，夏玉米氮营养来源中，氮肥平均占比为32.25％；生长季内有机矿化氮平均占比为31.42％；前茬还田秸秆氮素平均占比3.19％；灌水输入氮和大气沉降氮等其他氮源占比为4.53％，用差减法计算(100％减去以上氮源比例)间接得出土壤有效氮比例为28.61％，与本实施例得出的土壤有效氮对夏玉米的氮营养贡献30.78％的数值基本相当，进一步证实了本实施例计算的土壤有效氮对夏玉米氮营养贡献率的方法的准确性。
[0080]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。