一种有机肥定量替代化肥的施用方法技术领域
本发明属于肥料施用技术领域领域，具体涉及一种有机肥定量替代化肥的施用方
法。
背景技术
化肥是粮食安全的重要保障，对粮食增产的贡献占40％-50％。上世纪八十年代以
来，我国化肥使用总量从1600万吨(折纯)增长到2014年的5990万吨，增长了270％，即使是
近10年，我国的化肥使用量仍然以每年2.7％的速度在增长。目前，我国单位面积耕地化肥
用量为329公斤/公顷，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍。然而，我国肥料养分利用率低，氮肥当
季利用率仅为30％-35％，磷肥仅为10％-20％。大量的养分排放到环境中，已成为地表水富
营养化、地下水和农产品硝酸盐超标、土壤酸化的重要原因，对生态环境造成了严重的危
害。因此，我国农业生产亟需从过度依赖化肥投入转变为保护环境的绿色增产增效施肥模
式。
目前，有机肥部分替代化肥是减少农业化肥施用量的重要途径，但由于缺乏轻简
化、定量化、合理化的有机肥施用技术，农民施用有机肥的盲目性很大，针对性不强，造成我
国丰富的有机肥养分资源未能充分利用，畜禽有机肥还田率不到50％，有机肥养分资源浪
费严重。
中国发明专利CN 201510771958.5公开了一种在农田施用有机肥的方法，虽然该
方法可以确定有机肥的施用量，但应用该方法的前提条件是获得目标营养元素的施用总
量，以及不同种植模式下化肥养分定量替代有机肥养分的适宜比例。上述两个参数是有机
肥合理施用的关键，实际农业生产过程中，如何快速得到上述两个参数是有机肥轻简化、定
量化、合理化施用的基础。
目前，精准获得目标营养元素的施用总量往往需要通过繁琐的土壤测试和复杂的
计算过程，例如测土配方施肥技术，需要大量的人力、物力和财力对土壤养分进行测定。我
国小麦、玉米、水稻生产主要以小农户经营为主体，复种指数高，作物种植茬口紧，依据土壤
测试指导农民合理施用有机肥存在测试推荐不及时和成本高等难题，小农户为主体的经营
模式很难做到这一点。
不同种植模式下化肥养分定量替代有机肥养分的最佳比例是有机肥合理施用的
关键参数。目前一般采用短期试验得到这一参数，然而，研究表明有机肥残留养分对粮食作
物的增产效果至少在3年以上。因此，中长期定位试验数据得到的化肥养分定量替代有机肥
养分比例是维持作物高产稳产的重要保障。此外，如果该替代比例失调，极易造成作物减
产、土壤重金属污染、以及抗生素等有害物质在土壤中大量积累。
目前，本领域对上述问题并未提供系统化的解决方案，过往研究均未能充分考虑
如何快速预估目标营养元素的施用总量，未能根据作物种类和种植区域提出长期稳定的化
肥养分定量替代有机肥养分的适宜比例，导致有机肥不合理现象普遍存在。因此，亟需一种
轻简化、定量化、合理化的有机肥施用方法。
发明内容
本发明提供一种适用于小麦、玉米、水稻种植的有机肥定量替代化肥的施用方法。
该方法具有轻简化、定量化、合理化等优点，只需要通过评估作物生长环境和土壤肥力状
况，利用可获得产量、氮肥反应指数和有机肥替代指数等关键参数，快速、准确地预估氮肥
和有机肥的施用总量，有效提高作物产量和氮肥利用率，减少环境污染，提升土壤肥力水
平，是一种高效易行、适用广泛的环境保护性有机肥施用技术。
本发明提供一种有机肥定量替代化肥的施用方法，具体步骤如下：
S1、依据作物生长环境，以当地以往若干年该作物平均产量来估算某一田块最佳
养分管理措施下的可获得产量；
S2、按照公式(1)、公式(2)分别计算氮肥农学效率和达到可获得产量所需要的总
氮素用量：
氮肥农学效率＝A×(可获得产量×INS)2+B×(可获得产量×INS)+C (1)
其中，INS是指氮肥反应指数，其数值根据土壤肥力状况确定；氮肥农学效率的单
位为kg/kg，A为二次项系数，B为一次项系数，C为常数项，A、B、C的数值通过拟合作物以往试
验数据二项式曲线确定；
总氮素用量＝(可获得产量×INS)÷氮肥农学效率×1000 (2)
其中，总氮素用量的单位为kg N/ha；
S3、按照有机肥氮素养分定量替代化肥氮素养分的原则，以公式(3)、公式(4)分别
计算有机肥推荐施用量和有机替代后的氮肥用量：
有机肥推荐施用量＝(总氮肥用量×有机肥替代指数)÷有机肥氮素含量÷1000 (3)
其中，有机肥推荐施用量的单位为t/ha，有机肥替代指数根据作物的多年定位数
据计算获得；
有机替代后的氮肥用量＝总氮肥用量×(1-有机肥替代指数) (4)
其中，有机替代后的氮肥用量的单位为kg/ha；
S4、以计算得到的有机肥推荐施用量对该田块施肥。
S1所述作物生长环境为气候条件、土壤条件中的任一种或几种。
S1所述可获得产量的估算方式为：划分生长环境的风险等级，针对各等级梯度设
置合理的最佳养分管理措施下的预期产量，根据当地情况评定作物生长环境风险，相应等
级的预期产量即为可获得产量；预期产量≥当地以往若干年该作物平均产量。
当作物为小麦时，所述可获得产量为根据当地气候条件出现干旱、低温、霜冻等自
然灾害的频率评定生长环境风险后进行估算，标准为(根据以往5年的实验结果总结)：
当地经常(每两年总次数≥3次)发生自然灾害的为高风险生长环境，可获得产量
等于当地以往若干年小麦平均产量；
当地有时(每两年总次数＝2次)发生自然灾害的为中风险生长环境，可获得产量
为在当地以往若干年小麦平均产量的基础上增加0.5t/ha；
当地很少(每两年总次数≤1次)发生自然灾害的为低风险生长环境，可获得产量
为在当地以往若干年小麦平均产量的基础上增加1.0t/ha。
当作物为玉米时，所述可获得产量为根据当地气候条件发生涝害、旱害等自然灾
害的频率和田块土壤条件评定生长环境风险后进行估算，标准为(根据以往5年的实验结果
总结)：
当地经常(每两年总次数≥3次)发生自然灾害或者田块为障碍性土壤，为高风险
生长环境，可获得产量为在当地以往若干年玉米平均产量的基础上增加0.5t/ha；
当地有时(每两年总次数＝2次)发生自然灾害或者田块土层厚度较浅，为中风险
生长环境，可获得产量为在当地以往若干年玉米平均产量的基础上增加1.0t/ha；
当地很少(每两年总次数≤1次)发生自然灾害，为低风险生长环境，可获得产量为
在当地以往若干年玉米平均产量的基础上增加1.5t/ha。
当作物为水稻时，所述可获得产量为根据土壤条件评定生长环境风险后进行估
算，标准为(根据以往5年的实验结果总结)：
田块土壤有障碍因子，为高风险生长环境，可获得产量等于当地以往若干年水稻
平均产量；
田块土壤无障碍因子，为低风险生长环境，可获得产量为在当地以往若干年水稻
平均产量的基础上增加0.5t/ha。
所述土壤有障碍因子指土壤为盐渍土、泥炭土、酸性硫酸盐土中的任何一种。
S1所述若干年为5-10年，优选为5年。
S2所述氮肥反应指数依据表1确定：
表1不同土壤肥力状况下作物氮肥反应指数
当作物为小麦时，A为-0.2406，B为3.985，C为4.9974。小麦可适用于河南小麦-玉
米轮作体系和湖北水稻-小麦轮作体系。
当作物为夏玉米时，A为-0.0559，B为2.7026，C为5.8266。夏玉米可适用于河南小
麦-玉米轮作体系。
当作物为春玉米时，A为-0.1118，B为3.5435，C为6.7919。春玉米可适用于黑龙江
春玉米单作体系。
当作物为中稻时，A为-0.5002，B为7.5038，C为0.5747。中稻可适用于湖北水稻-小
麦轮作体系。
当作物为早稻或晚稻时，A为-0.5003，B为8.0034，C为0.6522。早稻或晚稻可适用
于江西双季稻连作体系。
不同作物的有机肥替代指数见表2：
表2不同作物有机肥替代指数
小麦
玉米
水稻
|
有机肥替代指数
0.3
0.3
0.2
S3所述有机肥氮素含量按如下方式确定：
当所用有机肥为商品肥料时，商品肥料氮素含量即为有机肥氮素含量；
当所用有机肥为畜禽粪肥，以实际测试值确定，或者根据我国畜禽粪肥平均氮素
含量估算。
我国畜禽粪肥平均氮素含量可参见表3：
表3畜禽粪肥中氮素平均质量百分含量
鸡粪
猪粪
牛栏粪
马厩肥
羊圈粪
|
风干样品
2.137％
3.773％
1.299％
1.070％
1.262％
鲜基样品
1.032％
0.238％
0.500％
0.454％
0.782％
S4所述施肥，以基肥的形式施入。
所述以基肥的形式施入，为在整地前施入田间，使用旋耕机将有机肥在0-20cm土
层内混匀。
本发明的方法优点如下：
1、与现有技术相比，本发明的方法可以在不进行土壤测试的条件下定量施用有机
肥，只需要评估作物生长环境和土壤肥力状况，具有轻简化、定量化、合理化等优点，可操作
性强，降低了农民施用有机肥的盲目性。
2、本发明的方法在优化小麦、玉米、水稻氮肥施用量的基础上，合理施用有机肥。
即减少了化肥的过量施用，也通过合理施用有机肥改善土壤结构，提高土壤微生物多样性、
促进土壤养分良性循环。因此，有效降低了农业面源污染和水体富营养化的风险。
3、本发明的方法适用范围涉及我国三大粮食作物(小麦、玉米、水稻)种植区，包括
华东双季稻连作体系、华中水稻-小麦轮作体系、华北小麦-玉米轮作体系、东北春玉米单作
体系，适用范围广泛。通过5年定位试验得到了不同作物的最佳有机肥替代指数。
4、与常规施肥相比，本发明的方法显著提高作物千粒重、结实率、氮素回收利用率
和收获指数，例如水稻千粒重和结实率分别提高13.14％和3.7％，水稻氮素回收利用率和
收获指数分别提高41.24％和8.3％。利用本发明的方法提高了小麦、玉米和水稻产量，降低
了农业生产成本，增加了农民收入，实现了有机肥的科学利用。
附图说明
图1为预实验1中的小麦氮肥反应指数分析图。
图2为预实验1中的玉米氮肥反应指数分析图。
图3为预实验1中的水稻氮肥反应指数分析图。
图4为预实验2中的小麦氮肥农学效率与可获得产量和INS之间的二项式曲线关系
图。
图5为预实验2中的夏玉米氮肥农学效率与可获得产量和INS之间的二项式曲线关
系图。
图6为预实验2中的春玉米氮肥农学效率与可获得产量和INS之间的二项式曲线关
系图。
图7为预实验2中的北方一季稻和南方中稻氮肥农学效率与可获得产量和INS之间
的二项式曲线关系图。
图8为预实验2中的南方早、晚稻氮肥农学效率与可获得产量和INS之间的二项式
曲线关系图。
图9为本发明有机肥定量替代化肥的施用方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于
说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
预实验1氮肥反应指数的计算
氮肥反应指数INS，
INS＝1-不施肥作物产量÷施肥作物产量
利用6102个数据点(通过5年的试验获得)分析了小麦、玉米和水稻在不施氮肥条
件下和施用氮肥条件下的产量，每种作物的样本数在2000个以上，通过上述公式计算得到
高产田(INS排序靠前第25％的数据点)、中产田(INS排序中间第50％的数据点)、低产田
(INS排序靠后第25％的数据点)氮肥反应指数，小麦氮肥反应指数分析图见图1、玉米氮肥
反应指数分析图见图2、水稻氮肥反应指数分析图见图3，最终统计得到的小麦、玉米和水稻
氮肥反应指数见的表1。
表1不同土壤肥力状况下作物氮肥反应指数
预实验2氮肥农学效率的计算
在预实验1中6102个数据点的基础上，通过合并区间数据点，进一步拟合氮肥农学
效率与可获得产量和INS之间的二项式曲线关系，发现小麦、夏玉米、春玉米、北方一季稻和
南方中稻、南方早稻和晚稻的氮肥农学效率与可获得产量、INS之间存在很好的一元二次方
程关系，决定系数R2均为0.99以上。所述一元二次方程为：
氮肥农学效率＝A×(可获得产量×INS)2+B×(可获得产量×INS)+C (1)
其中A为二次项系数，B为一次项系数，C为常数项。
当作物为小麦时，计算氮肥农学效率的公式为：
氮肥农学效率＝-0.2406×(可获得产量×INS)2+3.985×(可获得产量×INS)+
4.9974 (5)
具体见图4，A为-0.2406，B为3.985，C为4.9974，R2＝0.999。
小麦可适用于河南小麦-玉米轮作体系和湖北水稻-小麦轮作体系。
当作物为夏玉米时，计算氮肥农学效率的公式为：
氮肥农学效率＝-0.0559×(可获得产量×INS)2+2.7026×(可获得产量×INS)+
5.8266 (6)
具体见图5，A为-0.0559，B为2.7026，C为5.8266，R2＝0.9977。夏玉米可适用于河
南小麦-玉米轮作体系。
当作物为春玉米时，计算氮肥农学效率的公式为：
氮肥农学效率＝-0.1118×(可获得产量×INS)2+3.5435×(可获得产量×INS)+
6.7919 (7)
具体见图6，A为-0.1118，B为3.5435，C为6.7919，R2＝0.9985。春玉米可适用于黑
龙江春玉米单作体系。
当作物为中稻时，计算氮肥农学效率的公式为：
氮肥农学效率＝-0.5002×(可获得产量×INS)2+7.5038×(可获得产量×INS)+
0.5747 (8)
具体见图7，A为-0.5002，B为7.5038，C为0.5747，R2＝0.9999。中稻可适用于湖北
水稻-小麦轮作体系。
当作物为早稻或晚稻时，计算氮肥农学效率的公式为：
氮肥农学效率＝-0.5003×(可获得产量×INS)2+8.0034×(可获得产量×INS)+
0.6522 (9)
具体见图8，A为-0.5003，B为8.0034，C为0.6522，R2＝0.9999。早稻或晚稻可适用
于江西双季稻连作体系。
实施例1江西省高安市双季稻试验
本实施例按照图9的流程进行，于2013年-2015年在江西省高安市渡埠农村进行，
种植制度为双季稻连作。种植作物前对试验站点往年的产量情况和自然气候条件进行调
查，得到农户过去5年的晚稻平均产量水平为8t/ha，早稻平均产量水平为7t/ha。农田土壤
无障碍因子，水稻的可获得产量为农户过去5年的平均产量水平基础上增加0.5t/ha。因此，
晚稻可获得产量＝8t/ha+0.5t/ha＝8.5t/ha；早稻可获得产量＝7t/ha+0.5t/ha＝7.5t/
ha。
当地土壤类型为粘土，有机质含量偏低，其过去5年的平均产量低于全国25％的水
稻种植区产量，将其土壤肥力状况归为低等，根据表1得到水稻氮肥反应指数(INS)为0.37。
可以基于本发明的方法计算氮肥农学效率，早晚稻氮肥农学效率(kg/kg)＝-0.5003×(可
获得产量×0.37)2+8.0034×(可获得产量×0.37)+0.6522。因此，晚稻氮肥农学效率为
20.87kg/kg，早稻氮肥农学效率为19.01kg/kg。
可以基于本发明的方法计算总氮素用量，总氮素用量(kg N/ha)＝(可获得产量×
0.37)÷氮肥农学效率×1000。因此，晚稻总氮素用量为150.69kg N/ha，早稻总氮素用量为
145.98kg N/ha。
江西省高安市渡埠农村有机肥主要以腐熟猪粪为主，腐熟猪粪样品实测氮素含量
为1.86％。根据表2可得水稻替代指数为0.2。有机肥推荐施用量(t/ha)＝(总氮素用量×有
机肥替代指数)÷有机肥氮素含量÷1000，有机替代后的氮肥用量＝总氮肥用量×(1-有机
肥替代指数)。因此，晚稻有机肥推荐施用量为1.62t/ha；早稻有机肥推荐施用量为1.57t/
ha，晚稻有机替代后的氮肥用量为120.55kg N/ha；早稻有机替代后的氮肥用量为116.78kg
N/ha。
同时，本实施例设置两个对照处理，用于与本发明的方法进行对比，具体处理如
下：
CK(不施氮肥，不施用有机肥)
FP(高氮肥处理，晚稻氮肥用量为195kg N/ha；早稻氮肥用量为156kg N/ha，均不
施用有机肥)
各处理早晚稻总产量及氮肥利用率分析：
从表4可见，与不施氮肥处理相比，应用本发明的方法下早晚稻总产量增加82％。
与高氮肥处理相比，在减少41％的氮肥用量条件下，应用本发明的方法可以使早晚稻总产
量与高氮肥处理产量持平，无显著差异。
本发明的方法与高氮肥处理相比，水稻地上部总氮积累量差异不显著，但应用本
发明的方法使得水稻氮肥农学利用率和表观利用率显著高于高氮肥处理。与高氮肥处理相
比，应用本发明的方法使得水稻氮肥农学利用率和表观利用率分别提高2.85kg/kg和8.11
个百分点。
上述结果表明，本发明的方法在显著降低氮肥用量的前提条件下，能够保持水稻
高产，且明显提高水稻氮肥农学利用率和表观利用率。
表4不同施肥处理早晚稻年际总产量及氮肥利用率
注：同列数字之间如果字母相同表示无显著性差异(P<0.05)
实施例2本发明的技术在河南、湖北、黑龙江、江西5年应用情况
本实施例按照图9的流程进行，于2013年-2015年分别在河南省原阳县原阳基地、
湖北省荆门市五三农场、黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡、江西省高安市高安基地进行。其
中河南省原阳基地种植制度为小麦-玉米轮作，湖北省五三农场种植制度为水稻-小麦轮
作，黑龙江省民主乡种植制度为春玉米单作，江西省高安基地种植制度为双季稻连作。
类似于实施例1，种植作物前对每个试验站点往年的产量情况进行调查，根据农户
过去5年的平均产量水平以及当地自然气候条件估算可获得产量，根据不同土壤肥力状况
估算作物氮肥反应指数，根据可获得产量和作物氮肥反应指数计算出氮肥农学效率，根据
上述参数计算出总氮肥用量(见表5)。
为说明本发明的方法的合理性，不同作物有机肥替代指数分别设定为0、0.1、0.2、
0.3、0.4、0.5，即每个作物共5个处理(见表5)。
由表5可知，与有机肥替代指数为0处理(即全部施用化肥)比较，河南和湖北冬小
麦在有机肥替代指数为0.3时(即有机肥氮素替代30％化肥氮素)小麦4-6季平均产量无显
著下降，表明小麦有机肥氮素替代化肥氮素的适宜替代率为30％，证明了本发明涉及的小
麦有机肥替代指数为0.3的合理性(见表2)；
由表5可知，与有机肥替代指数为0处理(即全部施用化肥)比较，江西双季稻和湖
北中稻在有机肥替代指数为0.2时水稻4-6季平均产量无显著下降，表明水稻有机肥氮素替
代化肥氮素的适宜替代率为20％，证明了本发明涉及的水稻有机肥替代指数为0.2的合理
性(见表2)。
由表5可知，与有机肥替代指数为0处理(即全部施用化肥)比较，河南夏玉米和黑
龙江春玉米在有机肥替代指数为0.3时玉米4-6季平均产量无显著下降，表明玉米有机肥氮
素替代化肥氮素的适宜替代率为30％，证明了本发明涉及的玉米有机肥替代指数为0.3的
合理性(见表2)。
表5畜禽粪肥定量替代化肥对作物产量的影响(kg/ha，4-6季平均)
注：同行数字之间如果字母相同表示无显著性差异(P<0.05)
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在
本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因
此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。