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冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

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农业工程学报 2013年第16期29卷 102-111页

作者：张志宇郄志红吴鑫淼河北农业大学城乡建设学院保定071001

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GN... 详细信息

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。

关键词：冬小麦-夏玉米轮作灌溉制度优化土壤水量平衡水分生产函数多目标优化

秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响

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中国农业科学 2023年第7期56卷 1344-1358页

作者：马胜兰况福虹林洪羽崔俊芳唐家良朱波蒲全波中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院大学南充市农业科学院

【目的】探明秸秆还田量对农田土壤物理特征的影响，为川中丘陵紫色土区建立“提升土壤质量、高效利用秸秆”的种植业副产物利用模式，同时为秸秆资源化利用提供科学依据。【方法】基于田间长期定位试验(2006—至今)，采用原位监测和计... 详细信息

【目的】探明秸秆还田量对农田土壤物理特征的影响，为川中丘陵紫色土区建立“提升土壤质量、高效利用秸秆”的种植业副产物利用模式，同时为秸秆资源化利用提供科学依据。【方法】基于田间长期定位试验(2006—至今)，采用原位监测和计算机断层微扫描技术(CT)相结合的方法，研究秸秆还田量(无秸秆还田(RMW0)、秸秆30%还田(RMW30)、秸秆50%还田(RMW50)和秸秆100%还田(RMW100))差异对冬小麦-夏玉米轮作体系耕层土壤物理特征的影响。【结果】(1)秸秆还田可明显改善土壤透气、持水和导水性能，随秸秆还田量增加改善效果明显增加。RMW30、RMW50和RMW100处理较RMW0处理土壤容重分别显著降低15.2%、11.7%和17.9%，土壤孔隙度则分别显著增加18.4%、13.7%和21.3%。另外，RMW100处理饱和导水率高达1.62 mm·min-1，导水性能优于其他处理。(2)秸秆还田促进已有孔隙发育成更大孔隙，且孔隙均匀性和孔隙间连通性明显改善，RMW100和RMW50处理对土壤大孔隙组成的改善优于RMW30和RMW0处理。RMW100处理平均孔隙直径趋大，孔隙间连通性最优。RMW50处理孔隙均匀性明显提高，大小孔隙配比较其他处理更合理。(3)与无秸秆还田处理相比，秸秆还田后>2 mm团聚体数量显著增加，0.25—2 mm团聚体数量显著减少，秸秆还田有利于形成土壤水稳性大团聚体，促进中团聚体向大团聚体转变，RMW50和RMW100处理改善效果均显著优于RMW30处理。(4)土壤容重、>0.25 mm团聚体和大孔隙特征是反映石灰性紫色土区耕层土壤物理特征的主要指标，第一主成分和第二主成分对土壤物理性质的解释度分别为57.8%和23.6%。RMW50与RMW100处理土壤物理特征接近，与RMW0和RMW30处理在PC1和PC2轴上出现明显离散。【结论】川中丘陵紫色土区在产量无显著差异的基础上，不同秸秆还田量对耕层土壤物理性质的影响存在差异，秸秆50%和100%还田效果无显著差异，但显著优于秸秆30%还田和不还田处理，宜因地制宜进行还田量选择。

关键词：秸秆还田紫色土冬小麦-夏玉米轮作土壤团聚体土壤孔隙

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冬小麦-夏玉米轮作区土壤养分时空变化特征

中国农业科学 2013年第12期46卷 2471-2482页

作者：崔贝王纪华杨武德陈立平黄文江郭建华宋晓宇冯美臣北京市农林科学院北京农业信息技术研究中心国家农业信息化工程技术研究中心山西农业大学农学院北京农产品质量检测与农田环境监测技术研究中心中国科学院对地观测与数字地球科学中心

【目的】研究冬小麦-夏玉米轮作区土壤养分的时间和空间变化规律以及多年轮作对土壤养分的影响。【方法】以国家精准农业示范研究基地为例,利用GIS技术和地统计学方法,结合《北京土壤养分分等定级标准》,分析冬小麦-夏玉米轮作区土壤养... 详细信息

【目的】研究冬小麦-夏玉米轮作区土壤养分的时间和空间变化规律以及多年轮作对土壤养分的影响。【方法】以国家精准农业示范研究基地为例,利用GIS技术和地统计学方法,结合《北京土壤养分分等定级标准》,分析冬小麦-夏玉米轮作区土壤养分时空变异特征。【结果】从2000—2007年,研究区严重缺乏磷、钾养分,且含量等级呈下降趋势;土壤全氮含量虽在部分区域偏高,但盈亏等级也呈下降趋势;有机质含量略微增加,处于平衡状态。不同年度的各土壤养分的变异系数范围为11.00%—51.71%,属于中等程度的变异。随着时间的推移,有效磷、有机质、全氮和碱解氮空间分布稳定。速效钾在2001年空间分布规律与2000年和2007年不同,但2000年和2007年空间分布一致,说明土壤速效钾空间分布也具有一定的稳定性。【结论】整体上来说,研究区南部和东北部土壤养分含量偏高,中部含量偏低。当田块土壤物理特性有大的变动时,土壤养分的空间结构特征会受到一定影响;但当长时间田块耕作管理相对一致时,结构性因素(尤其土壤特性、气候)起主要作用。

关键词：时空变异土壤特性地统计学分析冬小麦-夏玉米轮作

冬小麦-夏玉米轮作产量与氮素利用最佳水氮配置

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植物营养与肥料学报 2016年第4期22卷 886-896页

作者：张经廷陈青云吕丽华申海平贾秀领梁双波河北省农林科学院粮油作物研究所农业部华北地区作物栽培科学观测实验站河北石家庄050035 中国农业大学农学与生物技术学院北京100193

【目的】华北太行山前平原高产限水区冬小麦-夏玉米轮作体系中灌水施肥不合理的现象普遍存在,水资源浪费和农业面源污染严重。长期定位研究水氮配置对小麦玉米产量和氮素利用影响,可为该区优化水氮管理模式,充分发挥水氮协同增效作用提... 详细信息

【目的】华北太行山前平原高产限水区冬小麦-夏玉米轮作体系中灌水施肥不合理的现象普遍存在,水资源浪费和农业面源污染严重。长期定位研究水氮配置对小麦玉米产量和氮素利用影响,可为该区优化水氮管理模式,充分发挥水氮协同增效作用提供依据。【方法】2006 2014年进行大田试验,采取裂区设计,灌水量为主区,施氮量为副区。小麦季灌水设春灌一次水(W_1,拔节水)和两次水(W_2,拔节水+开花水)两个处理;玉米季在小麦灌一次水基础上设限水处理(WL),在两次水基础上设适水处理(WS),限水和适水的灌水次数根据降水年型而定。两种灌水条件均设置6个施氮水平,分别为0(N_0)、60(N_(60))、120(N_(120))、180(N_(180))、240(N_(240))、300(N_(300))kg/hm^2。连续8年定位测定了小麦玉米产量、植株吸氮量。【结果】小麦玉米产量和植株吸氮量年际间差异均较大,相对而言,W_2(WS)产量和吸氮量的年际波动较小,一定程度上降低了不同年型气象因素的影响,达到稳产的效果。两种水分条件下N0和N60处理的作物产量和吸氮量除个别年份外都显著低于其余施氮处理。本研究的产量水平下(冬小麦7000 9500 kg/hm^2,夏玉米8500 11000 kg/hm^2)小麦玉米产量与其吸氮量呈显著线性正相关。小麦玉米8年平均产量和吸氮量在一定施氮范围内均随施氮量的增加而显著增加,但施氮达到120 kg/hm^2后产量不再显著增加,达到180 kg/hm^2后吸氮量不再显著增加,同一施氮水平的作物产量和吸氮量都表现W_2(WS)高于W_1(WL)。两种水分条件下小麦玉米的氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮素生产效率都随施氮量的增大而显著减小,但对同一施氮水平W_2(WS)高于W_1(WL)。冬小麦-夏玉米整个轮作体系氮肥累计表观利用率(一段时期内作物对肥料氮的累计吸收量与该时期施氮总量的比值)同样随施氮量的增加显著减小,一次水+限水条件下从N60+60的51.8%下降到N300+300的22.3%,两次水+适水从N_(60+60)的57.4%下降到N_(300+300)的24.6%。同一施氮水平的氮肥累计表观利用率两次水+适水都高于一次水+限水。【结论】冬小麦春灌两次水、施用N 120 kg/hm^2,夏玉米适水灌溉、施N 120 kg/hm^2的产量和吸氮量都达到最高水平,氮肥偏生产力、农学效率、累计表观利用率以及氮素生产效率也比较高,因此在一定时期内可作为当地小麦-玉米轮作体系适宜的水氮配置,周年产量可维持在1619 t/hm^2。

关键词：冬小麦-夏玉米轮作水氮配置产量吸氮量氮肥利用效率

冀鲁豫地区冬小麦—夏玉米轮作农田氮循环及作物生产灰水足迹时空演变

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冀鲁豫地区冬小麦—夏玉米轮作农田氮循环及作物生产灰水足迹时空...

作者：赵丹玥西北农林科技大学

学位级别：硕士

农业中氮肥的广泛使用极大地威胁着淡水生态系统,同时在此过程中排放的NO和NH也会导致温室效应并危害人类健康。作物生产灰水足迹(GWF)可从水量的角度评价作物农业生产过程中污染物对水环境影响的程度。然而,作物生产灰水足迹的量化大... 详细信息

农业中氮肥的广泛使用极大地威胁着淡水生态系统,同时在此过程中排放的NO和NH也会导致温室效应并危害人类健康。作物生产灰水足迹(GWF)可从水量的角度评价作物农业生产过程中污染物对水环境影响的程度。然而,作物生产灰水足迹的量化大多将化肥淋溶率设为固定值,忽略了气象、土壤以及农业措施等影响。此外,灌溉有助于稳定和提高作物产量,通常是农民和政策制定者降低风险的首选策略,不同灌溉技术对环境的压力需进一步探索。因此,本研究以2004-2020年冀鲁豫(河北、山东和河南,JLY)地区冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象,基于DNDC模型模拟不同灌溉方式下作物生育期农田氮循环过程中氮淋溶、NO和NH排放,核算两种作物市级尺度逐年单产灰水足迹(UGWF)及作物总生产灰水足迹(TGWF),并分析其时空演变特征。主要研究结果如下:(1)冀鲁豫地区冬小麦和夏玉米的氮淋溶率2004-2020年平均值分别约为8%和26%。年际间标准差分别为2%和6%。同年份两种作物农田氮淋溶存在明显空间差异,高值区域在河南南部及山东东部。冬小麦田间氮淋溶率较夏玉米对不同灌溉方式更为敏感,地下滴灌氮淋溶率最小(7%),是地面灌溉条件下氮淋溶率的86%。(2)冀鲁豫地区2004-2020年冬小麦和夏玉米生育期NO排放分别约为3.32kg/hm和0.87 kg/hm。河南及河北两省份夏玉米生育期NO排放高于冬小麦生育期,但河北相反。NO排放空间差异显著,冬小麦NO排放的高值区域在河南南部、河北北部及山东南部,夏玉米在河南南部与山东中南部。地下滴灌产生的NO排放最高,2020年河南冬小麦和夏玉米地下滴灌的NO排放较地面灌溉高分别为24%和2%。(3)冬小麦和夏玉米生育期NH排放呈现显著下降趋势(降64%)。冬小麦生育期NH排放较夏玉米高,空间差异显著。冬小麦和夏玉米的NH排放高值区域在河北中北部。灌溉方式的改变对冬小麦和夏玉米生育期中NH排放影响较小。(4)冀鲁豫地区冬小麦的UGWF多年平均值约为3513.88 m/t,夏玉米的UGWF约为9568.53 m/t。河南南部、河北北部和山东中部等地区,冬小麦和夏玉米的UGWF值较高。四种灌溉方式下的冬小麦UGWF大都呈现地面灌溉>喷灌>地面滴灌>地下滴灌现象,河北、山东和河南地下滴灌方式下冬小麦UGWF分别是地面灌溉的88%,89%和84%。四种灌溉方式中,地下滴灌方式下夏玉米UGWF最高,地面灌溉最低,两者之间夏玉米UGWF的差异约为1%。(5)冀鲁豫地区2004-2020年冬小麦和夏玉米生育期TGWF多年平均值分别为294.85×10m和596.80×10m。2020年冬小麦和夏玉米的TGWF较2004年分别增加了75%和95%。冬小麦高值区域主要分布于河南南部,而夏玉米相对分散。四种灌溉方式下的冬小麦夏玉米TGWF呈现时间及空间的异质性。夏玉米生育期在节水灌溉措施下TGWF较地面灌溉高。综上,氮淋溶、NO排放、NH排放、UGWF和TGWF具有明显的空间差异性,需提高农业管理措施建设,缩小区域间农业生产水平。不同作物以及灌溉方式对作物生产中的大气及水环境响应不同,在未来研究中需综合考虑水资源和其对环境的影响,以期为落实农业双碳目标和最严格水资源管理制度提供方法和数据参考。

关键词：冬小麦-夏玉米轮作灌溉方式作物生产灰水足迹氮循环

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冬小麦-夏玉米轮作中的磷肥推荐

中国农业大学学报 1995年第S2期 33-35页

作者：帅修富王兴仁曹一平北京农业大学植物营养系北京100094

由轮作推荐施肥模型的数学分析得到一个轮作周期中的磷素推荐施用量。结果表明:磷肥推荐量随着冬小麦播前 Olsen-P 含量下降而上升,而夏玉米的推荐施磷量变化不大,冬小麦推荐施磷量高于夏玉米。可将一个轮作周期的土壤养分含量变化规律... 详细信息

由轮作推荐施肥模型的数学分析得到一个轮作周期中的磷素推荐施用量。结果表明:磷肥推荐量随着冬小麦播前 Olsen-P 含量下降而上升,而夏玉米的推荐施磷量变化不大,冬小麦推荐施磷量高于夏玉米。可将一个轮作周期的土壤养分含量变化规律拓展到多个轮作周期。结果表明:各轮作周期中冬小麦播前土壤 Olsen-P 含量,冬小麦推荐施磷量存在着平衡点,轮作系统具有稳定性。

关键词：冬小麦-夏玉米轮作轮作施肥推荐长期轮作

华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响

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中国生态农业学报（中英文） 2020年第12期28卷 1880-1889页

作者：胡瞒瞒董文旭王文岩 Gokul Gaudel Peter Mosongo 胡春胜中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室石家庄050022 中国科学院大学北京100049

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发,然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行,利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失... 详细信息

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发,然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行,利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失率、氨挥发特征,旨在探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下土壤氨排放对氮肥深施的响应,为减少农业源氨排放和优化农田施肥提供理论依据。试验设置5个处理:不施肥(CK)、常规肥料表施(T1)、缓释肥表施(T2)、缓释肥基追肥分层深施(T3)、缓释肥一次性分层深施(T4)。结果表明:氨挥发主要发生在玉米追肥季,占全年氨挥发量的84.84%;T1、T2、T3和T4处理的周年氨挥发累积量分别为22.75 kg·hm−2、6.17 kg·hm−2、2.25 kg·hm−2和0.55 kg·hm−2,分别占总施肥量的4.86%、1.32%、0.48%和0.13%。与常规肥料表施(T1)相比,缓释肥处理(T2、T3和T4)分别降低72.88%、90.11%和97.32%的氨挥发损失;一次性深施处理(T4)能避开土壤氨高挥发期,周年氨挥发累积量与不施肥处理(0.43 kg·hm−2)没有显著差异,且显著低于表施处理。CK、T1、T2、T3和T4全年产量分别为8.31 t·hm−2、13.20 t·hm−2、12.66 t·hm−2、14.42 t·hm−2和14.22 t·hm−2;与常规肥料表施(T1)相比,缓释肥深施(T3和T4)均可提高作物产量,分别增产9.25%和7.75%。而缓释肥表施(T2)产量略有降低。综合考虑土壤氨排放和作物产量,缓释肥表施(T2)可以显著降低土壤氨挥发,但是作物产量不稳定;而氮肥深施(T3、T4)能在保证作物高产的基础上显著降低土壤氨排放,是一种高效、简便、环境友好的施肥方式。

关键词：氨挥发氮肥深施单位产量氨排放强度缓释肥冬小麦-夏玉米轮作

施氮量对潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷淋溶的影响

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中国生态农业学报（中英文） 2021年第1期29卷 29-37页

作者：骆晓声寇长林王小非李太魁王洪媛河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所郑州450002 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081

潮土是我国华北地区主要土壤类型之一,潮土区是我国冬小麦-夏玉米作物的主要产区,研究不同施氮量潮土氮磷淋溶特征对于指导区域农田面源污染防控具有重要意义。本研究设置3个施肥处理,即传统施氮(CON)、优化施氮(OPT)和优化再减氮(OPTJ)... 详细信息

潮土是我国华北地区主要土壤类型之一,潮土区是我国冬小麦-夏玉米作物的主要产区,研究不同施氮量潮土氮磷淋溶特征对于指导区域农田面源污染防控具有重要意义。本研究设置3个施肥处理,即传统施氮(CON)、优化施氮(OPT)和优化再减氮(OPTJ),利用田间渗漏池法,研究潮土冬小麦-夏玉米轮作农田硝态氮及总磷淋溶特征。结果表明:2016—2018年,冬小麦-夏玉米轮作周年不同施肥处理90 cm土层年淋溶水量79.0~102.5 mm,不同淋溶事件间土壤淋溶液硝态氮浓度波动较大,CON、OPT和OPTJ处理单次淋溶事件硝态氮浓度分别为18.9~208.7(平均为72.7)mg·L−1、9.0~99.2(平均为33.8)mg·L−1、4.7~55.5(平均为15.4)mg·L−1。本研究区域冬小麦-夏玉米轮作模式的氮素淋溶风险较高,磷素淋溶风险较低。传统施氮处理(CON)下农田硝态氮的平均淋溶量和表观淋失系数分别为66.4 kg·hm−2和10.3%,而总磷(TP)为0.06 kg·hm−2和0.04%。氮肥减施会显著降低氮素淋失,OPT和OPTJ处理的氮素淋溶减排率可达56.3%和78.9%。两个年度CON、OPT和OPTJ处理硝态氮平均表观淋失系数分别为10.3%、6.2%和4.9%,随着施氮量的增加,硝态氮淋失系数动态增加。氮淋溶具有较大的年际变化,降雨量高的2018年比降雨少的2017年硝态氮淋溶量多57.0%。两个年度CON、OPT和OPTJ处理总磷平均淋溶量分别为0.06 kg·hm−2、0.06 kg·hm−2和0.08 kg·hm−2。适量减施氮肥会增加作物产量,OPT处理的作物产量是CON处理的1.08倍。然而,过量减施则会带来减产风险,OPTJ处理氮肥减施56%,作物产量比CON处理降低2.0%~8.1%。总之,潮土区农田硝态氮淋溶风险较大,适量减施氮肥能够在保证作物产量的基础上显著降低氮素淋失损失。

关键词：潮土施氮量淋溶冬小麦-夏玉米轮作硝态氮总磷产量

不同施肥方式下砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发特征及排放系数

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中国生态农业学报（中英文） 2020年第12期28卷 1869-1879页

作者：吕金岭王小非李太魁寇长林河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所/农业部原阳农业环境与耕地保育科学观测实验站/河南省农业生态环境重点实验室郑州450002

土壤类型对于农田氨挥发影响较大,而关于砂姜黑土农田氨挥发特征及排放系数研究相对较少,不利于区域性农田土壤氨排放清单的准确评估。基于此,选取豫南典型砂姜黑土为研究对象,设置不施肥(CK)、传统施肥(TR)、优化施肥(OPT)、再优化施肥... 详细信息

土壤类型对于农田氨挥发影响较大,而关于砂姜黑土农田氨挥发特征及排放系数研究相对较少,不利于区域性农田土壤氨排放清单的准确评估。基于此,选取豫南典型砂姜黑土为研究对象,设置不施肥(CK)、传统施肥(TR)、优化施肥(OPT)、再优化施肥(ZOPT)和缓控肥(HK)5种施肥处理,利用密闭海绵法,探究砂姜黑土农田不同施肥方式下冬小麦-夏玉米轮作土壤氨挥发特征,并尝试确定氨排放系数。结果表明:砂姜黑土传统施肥条件下冬小麦季土壤氨挥发量为11.1 kg×hm-2,夏玉米季氨挥发量为13.4 kg×hm-2,说明夏玉米季是砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨的高排放时期。对比不同处理的氨挥发量,发现ZOPT和HK处理冬小麦季和夏玉米季的氨挥发量显著低于其他处理(P冬小麦季和夏玉米季分别为1.7%和1.5%,显著低于其他处理(P冬小麦季分别为2.1%和2.6%,夏玉米季分别为2.6%和3.6%;TR处理的氨排放系数最高,冬小麦季和夏玉米季分别为3.6%和4.7%。不同施肥处理氨挥发量与施肥量的拟合结果表明,随施肥量增加,冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发显示出较强的线性增长趋势,其中夏玉米季和冬小麦季的R2分别为0.934和0.931,说明该区域砂姜黑土传统施肥量的氨挥发未出现明显的激发性增长现象。本研究结果可为砂姜黑土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮肥利用率的提高和氮排放清单的估算提供依据。

关键词：砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作施肥方式氨挥发速率氨挥发量氨排放系数