一种基于作物根系生长分布规律的水肥一体化施肥方法

技术领域

本发明涉及一种施肥方法，尤其涉及一种水肥一体化施肥方法。

背景技术

根系是作物从土壤中吸收养分的唯一器官，因此，制定施肥制度必须以根系生长分布规律为基础。科学合理的施肥制度不仅有利于提高作物产量与肥料利用效率，同时还会减少环境污染并降低农业生产成本。一般情况下，随着作物生长，扎根深度逐渐增大，各土层中的根系也逐渐增多，但总体而言，从表层至最大扎根深度处根系逐渐减少。理论上，当土壤中养分的分布方式与根系的分布方式相吻合时(即根系分布较多的土层中养分含量较高，根系分布较少的土层中养分含量较低)，养分从土壤运移至根表面的距离较短，阻力较小，更有利于作物吸收利用，从而提高养分利用率并减少深层渗漏与挥发等损失。因此，在施肥过程中，应尽可能使得养分与根系的分布方式相吻合。

已有大量研究表明，相对于传统施肥技术，水肥一体化技术可显著提高肥料利用效率，因此近年来得到了广泛关注与应用。水肥一体化是将灌溉与施肥融为一体的农业高效节水省肥新技术：在遵循作物需水、需肥规律的基础上，根据土壤水分与养分状况，通过管道系统将肥液与灌溉水一起直接输送至作物根区。在实施水肥一体化技术时，往往都是在单次灌水过程中在某一较短时段内集中施肥或全程均匀施肥，很少顾及施肥过程对土壤养分分布的影响(CN201610312193.3；CN201710307752.6)，常导致养分分布与根系分布相背离(即根系分布较多的土层中养分含量较低，根系分布较少的土层中养分含量较高)或养分过度集中分布于某一土层，不利于作物吸收利用。因此，有必要基于作物根系生长分布规律，对单次灌水过程中的施肥方案予以优化，使得土壤养分分布与根系分布更加吻合，从而促进作物对养分的吸收利用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于作物根系生长分布规律的水肥一体化施肥方法，以便促进作物吸收利用、减少环境污染、提高肥料利用效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于作物根系生长分布规律的水肥一体化施肥方法，包括以下步骤：

1)对于某一作物，先获取式(1)中的根系形参p；

L

式中，z

2)根据所获得的根系形参p，根据式(1)为该作物绘制相对根长密度分布图；

3)将单次灌水过程从开始至最后均匀分为n段，相应地，也将作物根区从最大扎根深度至地表分为n段；

4)在相对根长密度分布图上分别计算各段对应的闭合图形的面积及其所占百分比；

5)从最大扎根深度处至地表各段对应的图形面积所占百分比作为单次灌水过程中从开始至最后各段施肥所占百分比；

6)基于单次灌水时长与施肥量，分n段灌水并在各灌水段按步骤5)中相对应的各段施肥所占百分比进行施肥。

步骤1)中，获取根系形参p的方式包括：

a)直接从相关文献中获取，已有大量研究结果表明，对于小麦p＝3.85，对于棉花p＝1.96；

b)从文献中搜集或实测根长密度分布资料L

步骤3)中，将单次灌水过程从开始至最后均匀分为3段：前期、中期、后期，将作物根区从最大扎根深度至地表分为3段：下段、中段、上段。

步骤4)中，小麦下、中、上段对应的图形面积所占百分比分别为2％、18％、80％。

步骤4)中，棉花下、中、上段对应的图形面积所占百分比分别为11％、32％、57％。

本发明的有益效果：本发明根据作物根系生长分布规律以及土壤水和溶质运移规律，对传统水肥一体化技术进行改进，即基于作物相对根长密度分布特征，灌水过程中分时段分比例施肥，使得养分在根区各土层中的分布方式与根系的分布方式更加吻合：根系多的土层中养分含量高，根系少的土层中养分含量低。本发明可使养分从土壤运移至根系表面的距离缩短，阻力变小，从而促进作物吸收利用、减少深层渗漏与挥发等损失，最终提高棉花产量、促进肥料利用率并降低环境污染风险。

附图说明

本发明有如下附图：

图1中，a图为小麦的相对根长密度分布L

图2应用不同水肥一体化技术(N1～N5分别代表在灌水过程的前、中、后期集中施肥，均匀施肥以及基于根系生长分布施肥)，收获前棉花地上部中的氮含量与土壤中残留的无机氮含量；

图3应用不同水肥一体化技术(N1～N5分别代表在灌水过程的前、中、后期集中施肥，均匀施肥以及基于根系生长分布施肥)的籽棉产量。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

通常情况下，在水肥一体化灌水过程中以及灌水后的水分快速重分布过程中，肥料与水一起主要以质流形式在土壤中快速运移，然后在非饱和尤其是当土壤含水量小于田持(田间持水量)的情况下以质流与扩散并存的方式缓慢移动供作物根系吸收利用。由此可见，灌水过程中肥料的施入方式直接影响其在土壤中的分布方式：前期施入的肥料随水流运移到深层土壤中，后期施入的肥料主要滞留在表层土壤中。对于已有水肥一体化技术而言，在单次灌水过程中，肥料的施入方式主要有以下4种：(1)灌水前期一次性施入；(2)灌水中期一次性施入；(3)灌水末期一次性施入；(4)灌水前、中、后期均匀施入。根据水肥运移规律可知，上述4种肥料施入方式都可能导致肥料与根系的分布方式相背离或过度集中分布于某一土层，不利于作物吸收利用。

受土壤、气候、作物种类与品种、生长阶段、灌水施肥以及田间管理措施等众多因素的综合影响，作物根系生长分布规律非常复杂，随时间与空间呈动态变化趋势。随着作物生长，根系扎根深度逐渐增大，各土层中的根系不断增多，即根长密度(单位土体中根系的长度)逐渐增大，但从表层至最大扎根深度处，根长密度逐渐降低。另外，在田间条件下适时获得根长密度分布资料费时费力。因此，目前仍很难基于根长密度的动态分布规律进行施肥。

然而，已有大量研究结果表明，对于某一种作物而言，其相对根长密度分布规律几乎不受土壤与气候条件、品种与生长阶段、灌水施肥以及田间管理措施等因素的影响，可以用一个统一的幂函数予以描述：

L

式中z

因此，根据上述作物相对根长密度的统一分布函数，本发明提出了一种水肥一体化施肥方法，即在单次灌水过程中将肥料分时段分比例施入，使得肥料在土壤中的分布与根系分布更加吻合。该施肥方法的关键在于确定各灌水时段的施肥比例，实施过程与步骤如下：

1)对于某一作物，先获取式(1)中的根系形参p，获取方式主要有2种：a)直接从相关文献中获取，比如，已有大量研究结果表明，对于小麦p＝3.85，对于棉花p＝1.96；b)从文献中搜集或实测根长密度分布资料(L

2)根据所获得的根系形参p，根据式(1)为该作物绘制相对根长密度分布图，其中小麦与棉花的相对根长密度分布L

3)将单次灌水过程从开始至最后均匀分为n段(本发明以3段为例进行展示，即前期、中期、后期)，相应地，也将作物根区从最大扎根深度(z

4)在相对根长密度分布图上分别计算各段对应的闭合图形的面积及其所占百分比(小麦下、中、上段对应的图形面积所占百分比分别为2％、18％、80％；棉花下、中、上段对应的图形面积所占百分比分别为11％、32％、57％)；

5)从最大扎根深度处至地表各段对应的图形面积所占百分比作为单次灌水过程中从开始至最后各段施肥所占百分比；

6)基于单次灌水时长与施肥量，分n段灌水并在各灌水时段按上述相对应的各段施肥所占百分比施肥(小麦前、中、后期施肥比例分别为2％、18％、80％；棉花前、中、后期施肥比例分别为11％、32％、57％)。

发明技术应用效果验证

2019、2020年，该发明技术在新疆沙湾县得到了试验验证与应用示范：相对于传统水肥一体化技术，在保持单位面积灌水施肥总量不变的情况下，应用本发明技术(N5)能显著促进膜下滴灌棉花吸收利用养分(图2)，从而降低土壤养分残留(图2)、提高棉花产量(提高6-16％，图3)。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。