專利名稱：：為栽培作物施肥以優(yōu)化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及為栽培作物施肥，通過作物的生物指標(biāo)的利用優(yōu)化氮肥施用的數(shù)量，以優(yōu)化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量的方法。本發(fā)明與在作物栽培中設(shè)計和實施最佳施肥方法相關(guān)。FI專利公開102135披露了一種施肥方法，其中在作物播種時施撒初始量的肥料，它是與最大產(chǎn)量對應(yīng)的肥料量的50-75％。在生長季中，通過熱量總和計算預(yù)計的產(chǎn)量，通過此預(yù)計產(chǎn)量計算另外的肥料需要量。本方法的目的是在數(shù)量方面達(dá)到最大的產(chǎn)量。所述的方法主要是一種矯正法，例如它不優(yōu)化營養(yǎng)物的效率?，F(xiàn)在，根據(jù)作物品種和作物的變種(plantvariety)、目標(biāo)產(chǎn)量、土壤性質(zhì)，例如土壤中有機(jī)物的含量以及以前在此區(qū)域內(nèi)生長的作物的種類(前作物)計算氮肥施用的數(shù)量。根據(jù)具體情況，此處的“面積”表示一個小面積，例如1m2，或一個大面積，例如15公頃。在實踐中，將肥料施撒在表面，或置于作物種子或幼苗行列之間的土壤中，或直接置于種子實際所在的行列，或以液體形式噴霧在葉子上。根據(jù)栽培的作物種類，或耕作的地點(農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域)，可以一次施用全部的肥料或在播種時施用一部分，根據(jù)生長季內(nèi)確定的需要量再施用一部分。為監(jiān)控平衡的氮營養(yǎng)，許多實驗室專門分析作物和土壤樣品并據(jù)此發(fā)布氮肥施用建議。通?；谒^的DRIS法或與其他已知最佳曲線的比較，在生長季制定氮肥施用建議(Anon.1990，Beaufils1973，Siman1974)。作為一種程序，上述過程很慢，因為將樣品送到實驗室、分析結(jié)果、將其反饋給種植者、并在農(nóng)場作出施肥決定需要大量時間，在此期間內(nèi)，耕作的田地發(fā)生了很多改變。曾通過發(fā)展能直接在田間測量作物群(plantstand)的氮的狀況和氮濃度的計量儀作出許多嘗試以消除時間方面的問題。已能用顏色反應(yīng)試紙測定作物氮的情況(銨和硝酸鹽氮)。能用各種便攜的實驗試劑盒在耕作的田間測定作物和土壤的氮情況(Pulkkinen1999)。例如，已發(fā)展了測定作物群(plantstand)的綠色度、即葉綠素(Watanabeet等，1980)和細(xì)胞液中氮濃度的便攜式計量儀(Scaife和Stevens1984)。然而這些所述的方法不能對田間各部分的氮情況有非常精確、具有小塊區(qū)域特異性(patch-specific)的監(jiān)測。換句話說，這些方法實際上對大面積內(nèi)區(qū)域特異性的測定太費事。最近的系統(tǒng)包括能安裝在拖拉機(jī)上的傳感器和由航攝照片或衛(wèi)星照片得到的生長數(shù)量和氮分析。特別地，本技術(shù)涉及精確耕作的概念，其由定位系統(tǒng)(GIS和GPS技術(shù))以用安裝在如聯(lián)合收割機(jī)、拖拉機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備上的傳感器(Wollring等，1998)和產(chǎn)品質(zhì)量測定儀(蛋白質(zhì)檢測器，http//www.casecorp.com/agricultural)構(gòu)成，這些技術(shù)現(xiàn)在能從田間很小的小區(qū)域(sub-areas)內(nèi)收集數(shù)據(jù)。實際上已經(jīng)處理大約10米×10米的小區(qū)域。另外，已經(jīng)開發(fā)出處理小塊區(qū)域特異性數(shù)據(jù)的軟件(Grandzinski等，1998)。在現(xiàn)今精確耕作中，設(shè)計生長季中總氮量和/或補(bǔ)充量或分次施用氮肥技術(shù)的問題在于如果土壤的生產(chǎn)能力由于一種或另一種原因已經(jīng)改變，需要為以產(chǎn)量制圖(yieldmapping)為基礎(chǔ)的實際產(chǎn)量或為新的目標(biāo)產(chǎn)量計算出氮的用量。然而事先不能顯示計劃的氮量在通行的生長條件下從任何方面來說是最優(yōu)的。換句話說，種植者應(yīng)能小塊區(qū)域特異性地確定所考慮時間內(nèi)可能的產(chǎn)量。迄今為止，除收集數(shù)年的小塊區(qū)域特異性產(chǎn)量數(shù)據(jù)外，沒有其他確定精確耕作過程中可能產(chǎn)量的方法，在這種情況下，當(dāng)采用某些肥料投入時，可以通過數(shù)年的產(chǎn)量制圖發(fā)現(xiàn)可能的最佳產(chǎn)量。由于上述問題，例如在生長季中借助傳感器或假色照片(false-colorphotos)制定的氮肥計劃中，在相當(dāng)程度上目標(biāo)是均化的綠色度或葉區(qū)域的均勻形成。換句話說，在相當(dāng)程度上目標(biāo)是使作物群(plantstand)的綠色和葉區(qū)域的形成均化，而不使施肥計劃適應(yīng)田間不同區(qū)域內(nèi)實際變化的產(chǎn)量形成可能性。然而，由于這是一個已知的事實，即田間不同區(qū)域的生產(chǎn)能力不同，因此對氮肥的總需求也隨著生產(chǎn)能力的變化而改變，上述在生長季中分配氮肥的方法不必然促進(jìn)預(yù)期方式的氮肥使用的效率和產(chǎn)量。另一個問題是用現(xiàn)行技術(shù)實施氮肥施用計劃的成功不能確實可靠地證明與收成的聯(lián)系?？梢酝ㄟ^在田間組織增加氮肥數(shù)量的實驗而觀察到實驗上的成功(所謂的施肥窗，Anon1992)，但在精確耕作中，即使此方案實際上也不成功。由于區(qū)域內(nèi)的變化，在田間的不同部分，應(yīng)有幾乎無數(shù)個試驗。本發(fā)明的目的是提供一種施肥方法，借此優(yōu)化產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，并使?fàn)I養(yǎng)輸入最小化，并利用它考慮耕作區(qū)域內(nèi)不同的小面積之間生長的差異。因而，本發(fā)明提供一種為栽培作物施肥從而借助生物指標(biāo)優(yōu)化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量的方法，在此方法中，在建立作物群(plantstand)之前進(jìn)行以下步驟將耕作面積分成小面積；在每個小面積內(nèi)以生物指標(biāo)為基礎(chǔ)確定可能的產(chǎn)量；選擇針對可能的產(chǎn)量的最佳生物指標(biāo)水平；并且確定為達(dá)到可能的產(chǎn)量中理想的最佳生物指標(biāo)水平所需氮肥施用量，然后，在播種時施撒氮肥，或任選地在播種后根據(jù)所述的肥料需求量施加氮肥一或多次，在每個小面積內(nèi)通過測量生長監(jiān)測生長季中可能的產(chǎn)量的實現(xiàn)情況，并基于這些測量結(jié)果，在需要時施加另外的氮肥一或多次以達(dá)到所需的生物指標(biāo)水平。根據(jù)本發(fā)明，能使用例如通常北歐所用的一種施肥方法，在這種方法中，在播種時施撒大多數(shù)肥料，并根據(jù)生長季中的需要補(bǔ)充另外的肥料。也能采取中歐通行的分散施肥法，按此方法，在田間施肥2-7次。所用的生物指標(biāo)是作物的含氮化合物。如果栽培的作物是谷物，所述采用的生物指標(biāo)是蛋白質(zhì)。如果栽培的作物是例如甜菜，生物指標(biāo)是氨基氮(α-氨基氮)?？梢酝ㄟ^例如使用傳感器技術(shù)、航攝照片或人造衛(wèi)星照片測量所述生物指標(biāo)的水平。根據(jù)本發(fā)明，在測定施用氮肥需要量時，考慮每個小面積中生長季或以前生長季的產(chǎn)量以及產(chǎn)物的生物指標(biāo)水平。在這種情況下，步驟優(yōu)選為，在收獲階段，制備產(chǎn)量圖和生物指標(biāo)圖例如蛋白質(zhì)圖，然后用這些圖為以后的生長季制定施肥建議。本發(fā)明因而涉及制定施肥計劃中的一個整體，其基礎(chǔ)是以新方式利用生物指標(biāo)-例如栽培作物的蛋白質(zhì)含量以及從葉面積和/或植株量(phytomass)推導(dǎo)得到的產(chǎn)量預(yù)測值或?qū)嶋H產(chǎn)量。可以借助生物指標(biāo)精確確定最優(yōu)的可能產(chǎn)量，即潛在的產(chǎn)量水平。另外，可以考慮到可以從土壤中得到的天然氮；至今為此，在栽培中一直很難做到區(qū)域特異性。在本發(fā)明中，從作物群測得的數(shù)據(jù)，例如用傳感器技術(shù)(例如在波長600-800nm范圍內(nèi)，測定作物群反射的射線)或用航空或衛(wèi)星照片的假色技術(shù)和其他區(qū)域特異性(GIS/GPS技術(shù))數(shù)據(jù)與土壤(土壤生產(chǎn)能力)和產(chǎn)量(產(chǎn)量和質(zhì)量圖)有關(guān)。使用數(shù)學(xué)模型和作物群的生物指標(biāo)實時利用測量數(shù)據(jù)，通過此方法，控制測量時或之后的施肥。本方法的創(chuàng)造性在于，在實際施肥前制定建議，以生物指標(biāo)為基礎(chǔ)確定作物群的潛在作物產(chǎn)量。當(dāng)涉及谷物時，整體施肥計劃所用的生物指標(biāo)是作物實現(xiàn)的蛋白質(zhì)含量(收獲后評估)，并且分別地，為生長季中特定施肥所用的生物指標(biāo)是正在形成的借助模型可以預(yù)報的蛋白質(zhì)含量。如果谷物種或谷物變種的最佳的蛋白質(zhì)濃度類型已經(jīng)實現(xiàn)/正在實現(xiàn)，能為當(dāng)時的生長條件正確計劃氮肥施用。反之，如果蛋白質(zhì)濃度明顯高于確定的最佳水平，作物產(chǎn)量已達(dá)到最大化，氮肥施用水平可以降低，除非高的蛋白質(zhì)水平在商業(yè)上特別有益，并能給作物帶來所希望的性質(zhì)。分別地，如果作物的蛋白質(zhì)水平低于確定的臨界限度值，當(dāng)?shù)适┯迷黾訒r，產(chǎn)量也將增加。下面參考圖1更詳細(xì)地描述本發(fā)明，它是本發(fā)明優(yōu)選的氮肥施用方法的概要圖。1.可能產(chǎn)量的確認(rèn)以產(chǎn)量和在不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域(例如芬蘭、丹麥)進(jìn)行的氮反應(yīng)試驗的生物指標(biāo)為基礎(chǔ)，就相對的最佳產(chǎn)量確定種和/或變種特定的臨界和最佳生物指標(biāo)水平。用式1將每個試驗系列的產(chǎn)量轉(zhuǎn)化成相對產(chǎn)量，而完成上述步驟(1)Yp＝(Yi/Ymax*100)其中Yp是相應(yīng)(proportional)的產(chǎn)量(％)，Yi是以ikg/公頃的量施加氮肥時的產(chǎn)量(kg/公頃)，Ymax是個體試驗的最大產(chǎn)量(kg/公頃)。然后從這些材料中得到描述生物指標(biāo)水平和相應(yīng)產(chǎn)量(例如式2形式的公式)之間關(guān)系的函數(shù)。(2)Yp＝100*(X-Xmin)/[k+(X-Xmin)]其中X是谷粒中的生物指標(biāo)水平，Xmin是生物指標(biāo)可以有的最大水平，k是從實驗材料中計算得到的常數(shù)?？梢詮南率?確定小塊區(qū)域特異性的潛在產(chǎn)量。(3)Spot＝Y(jié)+(100-Yp)*Y其中Y＝測得的產(chǎn)量，Spot是小塊區(qū)域特異性潛在產(chǎn)量.2.確定氮肥需要量以作物有用的數(shù)值/計劃的用途為基礎(chǔ)，選擇針對可能的產(chǎn)量而確定的生物指標(biāo)水平(參照制成麥芽的大麥和面包谷物中的蛋白質(zhì)含量)。計算從選擇的生物指標(biāo)水平的相應(yīng)值得到的產(chǎn)量相應(yīng)值的偏差(用式2)。然后用一個公式(例如式4形式的公式)計算與產(chǎn)物得到的氮肥施用相比氮肥施用水平的變化。NO產(chǎn)量表示從沒有氮肥施用的平均值得到的相應(yīng)的產(chǎn)量，m是常數(shù)(從試驗材料計算得到)，N是氮肥量(kg/公頃)。(4)X＝NO產(chǎn)量+(100-NO產(chǎn)量)*(1-e-m*N)如下計算相對于以前的作物所得到的肥料的肥料需求量的改變。首先，用為某塊區(qū)域選擇的生物指標(biāo)水平代替式4中的X，得到N。然后，用作物得到的氮肥量代替式4中的X，又得到N。從計算得到的第一個N值中減去計算出的第二個N值，所得的差值是與作物得到的量相比，在氮肥施用中所需的校正值。此方法可以對照以前的作物的氮肥施用，增加或減少未來的氮肥施用。其他營養(yǎng)與氮比例和土壤中所含營養(yǎng)決定將使用的其他營養(yǎng)如磷和鉀的需要量。在本施肥方法中，所用營養(yǎng)的量足以滿足生長而不過剩，以致于它們不會殘留在環(huán)境中而受到瀝濾(leading)。上述方法依照品質(zhì)目標(biāo)的設(shè)定而優(yōu)化產(chǎn)量。當(dāng)知道產(chǎn)量水平和作物的價格及肥料的成本時，也能用此方法優(yōu)化經(jīng)濟(jì)收益。3.監(jiān)測潛在產(chǎn)量的實現(xiàn)在生長季中，用已知技術(shù)檢測作物群的植株量和葉子的綠色度(可安裝在工作機(jī)械上測定作物群反射的射線的傳感器、航攝照片和衛(wèi)星照片)。在生長季中，通過測定例如作物群反射的射線以確定作物群的植株量。也可以從航攝照片確定作物群的植株量。反射值提供了作物群的植株量和生物指標(biāo)的評估。此結(jié)果是一個測量值，用它可以預(yù)知未來產(chǎn)品的數(shù)量和生物指標(biāo)水平，在此基礎(chǔ)上，制定標(biāo)題2下確定的方式的施肥建議。例如，在谷物的收獲階段，用已知技術(shù)-例如產(chǎn)量計量器和蛋白質(zhì)檢測器-制作的產(chǎn)量圖和蛋白質(zhì)圖對精確耕作是有益的。對于谷物和其他品種的蛋白質(zhì)制圖的一個有用的選擇是前段描述的繪制反射值的制圖。4.產(chǎn)物利用標(biāo)題1-3下記載的施肥方法，生產(chǎn)出的作物氮利用率高，作物的品質(zhì)波動降低，并且由于優(yōu)化了產(chǎn)量而提高了經(jīng)濟(jì)收益。例1從制備麥芽的大麥得到的本發(fā)明方法在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出方面的效果(＝作物價格-肥料費用)。在1999夏天，在一個種植者的土地上進(jìn)行了一項有2條約10m寬、30m長的區(qū)域的試驗。在脫粒之前，從每個條狀區(qū)域中以大約20米的間隔取得15個樣品(2×1行米)，以確定植株地上部分的質(zhì)量、谷粒質(zhì)量和谷粒中蛋白質(zhì)含量。以樣品為基礎(chǔ)，能確定所得產(chǎn)品的收益值(表1)。在此測定的基礎(chǔ)上，估計如果未采取本發(fā)明的方法，產(chǎn)品的收益值會有多大。要點是，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的限制(11.75％)，用現(xiàn)行的耕作方法，產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量很高，以致將不能用作制作麥芽的大麥。種植者將大麥用來制成麥芽比將其作為飼料大麥多收入0.15FIM/kg(0.90對0.75FIM/kg)。使用新方法，在條形區(qū)域1內(nèi)的經(jīng)濟(jì)收益將高出25％，在條形區(qū)域2中將高出28％。表1*以1999年12月的價格水平為基礎(chǔ)參考文獻(xiàn)Anon.1990.Radgivarmatchifaitresultatavvaxtanalysen.Lantmannen12，4-7.Anon.1992.小麥.IFA世界肥料應(yīng)用手冊，國際肥料工業(yè)協(xié)會(IFAWorldFertilizerUseManualInternationalFertilizerIndustryAssociation)，巴黎65-92頁Beaufils，E.R.1973.調(diào)查和建議的整體系統(tǒng)(DiagnosisandRecommendationIntegratedSystem)(DRIS)，土壤科學(xué)公報(SoilSci.Bull.)1.Univ.Natal，南非Grandzinski，M.，VanOverstraeten，M.，Schrder，D.andFinch，R.1998.采用圖和局部計算方法提出隨空間變化的施肥建議(Usingmapsandlocalcalculationmethodsforspatiallyvariablefertilizerrecommendations)，國際肥料學(xué)會第422次會議(ProceedingsNo422oftheInternationalFertilizerSociety)20頁Pulkkinen，J.1999.Kesalannoitusavomaalla.Leipa，No5/1999，pp.41-42.Scaife，A.&Stevens，K.L.1984.蔬菜作物汁液中硝酸鹽的監(jiān)控(Monitoringsapnitrateinvegetablecrops)用電極法及日照時間和葉片位置的影響對試驗區(qū)域進(jìn)行對比(Comparisonofteststripswithelectrodemethodsandaffectsoftimeofdayandleafposition)，Commun.SoilSci.PlantAnal.14761-771.Siman，G.1974.特別關(guān)注采用作物分析作為補(bǔ)充肥料的指南的生長谷物中的氮狀況(Nitrogenstatusingrowingcerealswithspecialattentiontotheuseofplantanalysisasaguidetosupplementalfertilization.)Diss.R.agri.Con.瑞典93頁Watanabe，S.，Hatanaka，Y.&Inada，K.1980.數(shù)字式葉綠素測定儀的發(fā)展；I.結(jié)構(gòu)和性能，Jpn.作物科學(xué)雜志(J.CropSci.)4989-90。Wolhring，J.，Reusch，S.&Karlsson，C.1998.以作物感覺為基礎(chǔ)的可變速率的氮應(yīng)用(variableratenitrogenapplicationbasedoncropsensing)，國際肥料學(xué)會第423次會議(ProceedingsNo423oftheInternationalFertilizerSociety)。權(quán)利要求1.通過借助生物指標(biāo)優(yōu)化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量的對栽培作物施肥的方法，其特征在于，建立作物群之前進(jìn)行以下步驟將耕作區(qū)域分成小面積；在每個小面積內(nèi)以生物指標(biāo)為基礎(chǔ)確定可能的產(chǎn)量；選擇針對可能的產(chǎn)量的最佳生物指標(biāo)水平；確定為達(dá)到可能的產(chǎn)量中理想的最佳生物指標(biāo)水平所需氮肥量；然后，在播種時施撒氮肥，或在播種后根據(jù)所述的肥料需求量任選地施撒氮肥一或多次，在每個小面積內(nèi)通過測定作物群監(jiān)測生長季中可能產(chǎn)量的實現(xiàn)情況，并根據(jù)這些測量結(jié)果，在需要時施撒另外的氮肥一或多次以達(dá)到所需的生物指標(biāo)水平。2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于栽培的作物是谷物，生物指標(biāo)是蛋白質(zhì)。3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于栽培的作物是甜菜，生物指標(biāo)是氨基氮。4.前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在生長季通過使用傳感器技術(shù)、航攝照片或衛(wèi)星照片測量生物指標(biāo)的水平。5.前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于確定每個小面積中氮肥需要量時考慮生長季中和以前生長季中產(chǎn)物的產(chǎn)量和作物的生物指標(biāo)水平。6.權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在收獲階段制作產(chǎn)量圖和生物指標(biāo)圖，例如蛋白質(zhì)圖，用于為隨后的生長季制定施肥建議。全文摘要本發(fā)明涉及通過借助生物指標(biāo)而優(yōu)化產(chǎn)物的數(shù)量和質(zhì)量為栽培作物施肥的方法，在此方法中，建立作物群之前進(jìn)行以下步驟將耕作區(qū)域分成小面積；在每個小面積內(nèi)以生物指標(biāo)為基礎(chǔ)確定可能的產(chǎn)量；選擇針對可能的產(chǎn)量的最佳生物指標(biāo)水平；確定為達(dá)到可能的產(chǎn)量中理想的最佳生物指標(biāo)水平所需氮肥量；然后，在播種時施撒氮肥，或在播種后根據(jù)所述的肥料需求量施加氮肥一或多次，在每個小面積內(nèi)通過測定作物群監(jiān)測生長季中可能產(chǎn)量的實現(xiàn)情況，并根據(jù)這些測量結(jié)果，根據(jù)需要，施加另外的氮肥一或多次以達(dá)到所需的生物指標(biāo)水平。文檔編號A01C21/00GK1413081SQ00817478公開日2003年4月23日申請日期2000年12月19日優(yōu)先權(quán)日1999年12月20日發(fā)明者B·阿斯貝林,R·考比拉,J·克里莫拉,J·貝爾托南申請人:凱米拉農(nóng)業(yè)公司