劉秀花，盧 杰，齊 燕，賀 屹，高萬德，陳云飛，胡安焱，賀軍奇*

?作物水肥高效利用?

水氮耦合對(duì)作物氮素吸收利用與遷移轉(zhuǎn)化的影響

劉秀花1, 2，盧 杰1, 2，齊 燕1, 2，賀 屹1, 2，高萬德1, 2，陳云飛1, 2，胡安焱1, 2，賀軍奇1, 2*

（1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，西安 710054；2.旱區(qū)地下水與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

【】探明不同水氮耦合模式下氮素吸收利用與遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。在2 a冬小麥和夏玉米大田水氮耦合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置P模式：施肥5 kg下的不同灌水量（1=10 m3、2=20 m3、3=40 m3），N模式：灌水30 m3下的不同施肥（1=5 kg、2=10 kg、3=15 kg），以及各模式下的干（AM1）、中（AM2）和濕（AM3）土壤初始含水率狀態(tài)，應(yīng)用Hydrus-1D模擬分析其對(duì)氮素吸收利用與遷移轉(zhuǎn)化過程的影響。①灌后1～4 d，土壤含水率劇烈增加，表層淋失通量大于轉(zhuǎn)化通量，氮循環(huán)以淋失的外循環(huán)為主。灌水4 d后，上部含水率逐漸穩(wěn)定，氮循環(huán)由外循環(huán)淋失為主變?yōu)橐詢?nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)化為主。而深層（70～500 cm）因?yàn)檗D(zhuǎn)化速率小，含水率高，一直以氮淋失的外循環(huán)為主。②在P模式下，灌水量和初始含水率增加都會(huì)引起作物氮素吸收量的下降；淺層（100 cm）累積NH4+-N和NO3--N淋失、礦化、硝化和反硝化通量均隨灌水量增加逐漸增大，轉(zhuǎn)化通量變化范圍分別為1～2.5、1～4、0～0.6 mg/cm2；深層轉(zhuǎn)化通量較小且穩(wěn)定。③在N模式下，作物吸收通量隨施肥量的增加而增大；100 cm以上土層的累積水分滲漏量變化小，但無機(jī)氮累積滲漏量隨施肥量增加而顯著增大，100 cm以下的累積水分和無機(jī)氮滲漏量變化小；礦化、硝化和反硝化通量在表層隨施肥量增加而逐漸增大，變化范圍分別為1～2.5、1.5～16、0.3～1.2 mg/cm2，而100 cm以下各通量變化小且穩(wěn)定。適宜的水氮耦合模式可提高作物對(duì)氮素吸收利用，綜合考慮氮素內(nèi)外循環(huán)過程，在AM1-2時(shí)525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2施肥量為最佳水氮模式。

水氮耦合；氮素吸收利用；氮礦化、硝化和反硝化；Hydrus-1D

0 引 言

【研究意義】農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的全球氮通量變化極大地影響了糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性和環(huán)境的健康[1-2]。氮肥的施用大大促進(jìn)了糧食生產(chǎn)，但實(shí)際上大部分氮肥投入并沒有被作物吸收，相反，過量的氮肥施用導(dǎo)致了其利用率下降，不僅造成水體的嚴(yán)重污染，同時(shí)也成為NH3[3]和N2O[4]等大氣污染物和溫室氣體[5]的重要排放源，對(duì)全球的水資源、環(huán)境、生物多樣性和氣候產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[6]。如在我國北方冬小麥和玉米輪作區(qū)，43%以上的施氮通過氨揮發(fā)、硝酸鹽淋失和反硝化進(jìn)入環(huán)境[7-8]。因此，在保障人類食物供給的同時(shí)如何將農(nóng)業(yè)及相關(guān)的污染物排放控制在環(huán)境容量安全閾值內(nèi)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也是一個(gè)亟待解決的問題。

【研究進(jìn)展】水肥耦合效應(yīng)是指在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中土壤礦質(zhì)元素系統(tǒng)與水系統(tǒng)最佳組合而產(chǎn)生優(yōu)化產(chǎn)量、質(zhì)量等的現(xiàn)象[2]。水和氮在作物生長和環(huán)境變化中存在多方面的耦合關(guān)系，水是植物光合作用的原料，是氮元素進(jìn)入植物體和環(huán)境的主要載體，氮是構(gòu)成植物光合作用所需葉綠素的關(guān)鍵元素，無論是缺水還是缺氮，植物生長和糧食產(chǎn)量都會(huì)受到限制。而土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)和氮流失的主要物理驅(qū)動(dòng)因子，控制其中礦化、固定化、硝化、反硝化和揮發(fā)等復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程[9-11]。除此之外，溫度也是影響氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子，其通過影響有機(jī)物分解和功能微生物生命活動(dòng)影響氮轉(zhuǎn)化速率。在合適的土壤水分條件下，溫度升高不僅能促進(jìn)礦化[12]、硝化[13]和反硝化[14]作用，更能促進(jìn)植物根系對(duì)氮的吸收利用。

適宜的水、肥組合對(duì)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量具有明顯的正向作用[15-16]，1955年來，化肥氮對(duì)當(dāng)前糧食產(chǎn)量貢獻(xiàn)了45（±3）%，灌溉發(fā)展和化肥氮的耦合貢獻(xiàn)為47（±3）%。然而，糧食安全、水資源和水環(huán)境近年來都發(fā)生了深刻變遷[1]，長期以來人們對(duì)這三者的演化關(guān)系缺乏定量理解，因此研究水肥耦合效應(yīng)，找出適宜的水肥管理模式，提高農(nóng)田精準(zhǔn)施肥和灌溉水平，減小單位面積的養(yǎng)分損失[17]和水資源消耗，降低氮素污染風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展可持續(xù)的高效集約灌溉農(nóng)業(yè)，對(duì)糧食與環(huán)境安全具有十分重大的意義。

【切入點(diǎn)】在灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮素?fù)p失途徑與水氮管理有著密切的關(guān)系[18-20]，提高農(nóng)田氮利用效率的研究[6,21-22]是近年來的一個(gè)前沿性熱點(diǎn)課題，目前關(guān)于作物水氮耦合研究多針對(duì)水稻[23]、小麥[24]、玉米[25]、棉花[26]等作物，研究成果主要集中在對(duì)水分及氮素利用效率、形態(tài)及生理、產(chǎn)量等方面，而水氮耦合及其協(xié)同效應(yīng)對(duì)作物和環(huán)境的綜合影響研究較少。為了獲得高產(chǎn)，農(nóng)民使用了大量的水和肥，這種做法導(dǎo)致了土壤剖面中大量硝酸鹽的積累，加大其從根區(qū)進(jìn)入底土或淺層地下水的風(fēng)險(xiǎn)[27]。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，基于非飽和流動(dòng)和溶質(zhì)輸運(yùn)的集成模型，通過大田小區(qū)試驗(yàn)和模型模擬，從水氮耦合的內(nèi)部轉(zhuǎn)化和外部循環(huán)共同表征水氮耦合過程，系統(tǒng)全面地分析灌施量與作物吸收量、淋失量和轉(zhuǎn)化量等之間的耦合關(guān)系，綜合評(píng)估水氮耦合模式的變化對(duì)氮循環(huán)和氮素?fù)p失的影響，提出合理的灌溉施肥模式。旨在為建立區(qū)域性節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)、減排的高效水氮耦合方式提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于我國大型灌區(qū)涇惠渠（東經(jīng)108°34′34″—109°21′35″；北緯34°25′20″—34°41′40″）試驗(yàn)站內(nèi)。灌區(qū)北靠黃土臺(tái)塬，南與渭河相鄰，東西有石川河和涇河圍繞。土壤主要以第四紀(jì)沉積黃土為主，土層深厚，土地肥沃，水利條件較好。作物主要以玉米、小麥、棉花、蔬菜為主，其中玉米和小麥輪作所占的面積達(dá)到95%以上。

灌區(qū)屬于大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，灌區(qū)多年平均降水量為538.9 mm，總?cè)照諘r(shí)間約2 200 h，多年平均氣溫13.4 ℃，最高平均氣溫15.1 ℃，最低平均氣溫8 ℃。夏季溫度高，雨量多，且7—9月降水可達(dá)全年的50%。冬季12—2月（次年）寒冷干燥，降水量僅約占全年的4%左右，研究期降水和氣溫變化見圖1。

圖1 涇惠渠灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取站內(nèi)一塊約為190 m2的農(nóng)田作為野外試驗(yàn)地，試驗(yàn)期為2013—2014年，種植方式為夏玉米和冬小麥輪作，灌溉用水為井水。依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理方式，在作物播種前冬小麥和夏玉米分別使用尿素（CO(NH2)2）6.0～7.0 kg，氮磷鉀復(fù)合肥8.55～11 kg，其中磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和硫酸鉀；灌溉實(shí)驗(yàn)時(shí)使用尿素（含氮量46%），灌溉方式為畦灌。

試驗(yàn)前人工挖出500 cm的剖面，分別在10、20、40、70、100、150、200、250、300、400 cm和500 cm深度安裝Hydra Probe II (SDI-12)自動(dòng)溫濕度檢測探頭，數(shù)據(jù)采集間隔為10 min。同時(shí)，利用環(huán)刀在對(duì)應(yīng)深度采取原狀土壤樣，每次水肥試驗(yàn)在灌溉前1 d（0）、灌后4 d（1）、灌后10 d（2）以及灌后30 d（3）在對(duì)應(yīng)深度取樣1次。灌水施肥量及取樣時(shí)間如表1。

表1 野外試驗(yàn)灌施量及取樣時(shí)間

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

研究區(qū)土壤pH值范圍為8.01～9.03，土壤樣品全氮采用半微量開氏凱氏定氮法定量，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮使用Skalarplu-San連續(xù)流動(dòng)分析儀測定；土壤的粒徑組成由Mastersizer 2000激光粒度儀測定。

1.4 非飽和水流動(dòng)力模型

水流采用考慮作物根系吸水的Richards方程，包氣帶水分入滲考慮一維垂向運(yùn)移，計(jì)算式為[30]：

式中：為土壤體積含水率（cm3/cm3）；為時(shí)間（d）；為空間坐標(biāo)（cm，正面向上）；()為非飽和滲透系數(shù)函數(shù)（cm/d）；為土壤水壓力水頭（cm）；為根系吸水項(xiàng)（cm/d）。

依據(jù)van Genuchten[31]方程和Mualem[32]模型，估計(jì)土壤水分特征曲線()和非飽和導(dǎo)水率()：

式中：r和s分別為剩余體積含水率和飽和體積含水率；(cm-1)和是經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，而=1-1/，s為飽和水力傳導(dǎo)率（cm/s）；為有效飽和度，根據(jù)Mualem，建議取值0.5[33-35]。

作物根系吸水量采用Feddes模型來計(jì)算，即：

式中：()為根系實(shí)際吸水量；為土壤基質(zhì)勢；p為潛在根系吸水量；()為水分脅迫函數(shù)；()為根系吸水分布函數(shù)（cm-1）；p為作物潛在蒸騰率（cm/d）。

應(yīng)用Penman-Montheith公式計(jì)算參考作物的潛在蒸散量0[36-38]：

式中：0為參考作物潛在蒸散量（mm/d）；為凈輻射（MJ/（m2·d））；為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；為濕度計(jì)常數(shù)；為2 m高度處的日平均空氣溫度（℃）；2為2 m高度處的風(fēng)速（m/s）；s為飽和水汽壓（kPa）；a為實(shí)際水汽壓（kPa）；?為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）。

參考作物潛在蒸散量0乘以作物系數(shù)C即為潛在蒸散量p，其表達(dá)式為[39]：

潛在蒸散量p可分為潛在土壤蒸發(fā)（p）和作物蒸騰（p）二部分[40]：

式中：為消光系數(shù)，表征太陽輻射的衰減程度，取值為0.463。

1.5 熱傳導(dǎo)模型

根據(jù)能量守恒定律，熱傳導(dǎo)控制方程為[41]：

式中：為溫度（K）；V為汽相的體積百分?jǐn)?shù)（cm3/cm3）；W、V和P分別為液相、汽相、濕潤土壤的體積熱容量（J/（cm3·K））；為液態(tài)水體積汽化潛熱（J/cm3）；（）為表觀導(dǎo)熱系數(shù)（J/（cm·s·K））；L和V分別為液態(tài)水和氣態(tài)水通量密度（cm/s）；W為植物根系吸水相關(guān)熱量源匯項(xiàng)略。

1.6 氮遷移與轉(zhuǎn)化模型

NH4+-N考慮硝化、礦化和根系吸收作用，其運(yùn)移方程為：

NO3--N考慮硝化、反硝化和根系吸收作用，其運(yùn)移方程為：

氮轉(zhuǎn)化速率修正，氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率在室內(nèi)通過同位素示蹤測定[29]，模擬時(shí)氮轉(zhuǎn)化參數(shù)需要進(jìn)行濕度和溫度的修正。濕度修正采用Walker[35,42]方程：

式中：r和分別為參考含水率ref和實(shí)際含水率系數(shù)值；為與溶質(zhì)相關(guān)的參數(shù)（通常為0.7）。參考含水率（ref）根據(jù)參考?jí)侯^（ref）計(jì)算得出，礦化和硝化反應(yīng)的參考水分為田間持水率，反硝化作用的參考水分為飽和土壤含水率[40]。

溫度修正采用Arrhenius[42]方程：

1.7 初始條件和邊界條件

水流和溫度初值采用實(shí)測值，水流上邊界為給定大氣可積水邊界，并假設(shè)邊界條件是隨時(shí)間變化的；下邊界因遠(yuǎn)離地下水，所以為自由排水邊界；地表溫度及630 cm處的實(shí)測溫度作為熱傳導(dǎo)過程的上邊界與下邊界條件；溶質(zhì)運(yùn)移的上邊界選擇質(zhì)量濃度通量邊界，下邊界選擇零質(zhì)量濃度梯度邊界，初始值為試驗(yàn)前土壤剖面中的氮素質(zhì)量濃度。

1.8 參數(shù)確定

依據(jù)不同土層土壤粒徑和體積質(zhì)量，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出各土層的水力參數(shù)（rs）和s初值。再通過校準(zhǔn)和驗(yàn)證，擬合得出水力參數(shù)見表2。

表2 擬合后各土壤層水力參數(shù)

土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)采用Chung and Horton模型計(jì)算，其中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)1、2與3的數(shù)值分別為24.3、39.3、153.4 W/(cm·K)。

NH4+-N和NO3–-N在土壤水中的擴(kuò)散系數(shù)分別取經(jīng)驗(yàn)值1.52 cm2/d和1.64 cm2/d[43]，NH4+-N吸附系數(shù)d取經(jīng)驗(yàn)值12.37 L/kg。氮素轉(zhuǎn)化速率,1、γ,1、μ,2采用15N同位素標(biāo)記試驗(yàn)的結(jié)果作為初值[29]，并根據(jù)模擬值和實(shí)測值的擬合率定，見表3。

表3 擬合后各土壤層溶質(zhì)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型評(píng)價(jià)與應(yīng)用

應(yīng)用Hydrus-1D水汽熱溶質(zhì)模型，對(duì)水力參數(shù)、氮轉(zhuǎn)化參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證。土壤含水率、溫度、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮模擬值和實(shí)測值見圖2，各土層深度校準(zhǔn)和驗(yàn)證期土壤含水率實(shí)測值和擬合值有較好的一致性（2=0.85），均方根誤差（）和平均誤差（）分別為0.017、0.038 cm3/cm3；除在表層受大氣溫度的影響較大，帶來一定誤差外，整體上溫度實(shí)測值與模擬值一致性很好（2=0.97），和分別為1.16、0.04 ℃。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮實(shí)測與模擬質(zhì)量濃度決定系數(shù)分別為0.47、0.35，其中，銨態(tài)氮的和為0.51 mg/kg和1.92 mg/kg，硝態(tài)氮?jiǎng)t分別為0.27 mg/kg和0.84 mg/kg，由于受土壤空間變異性和尿素水解、硝化、反硝化過程的影響，隨著灌溉施肥時(shí)間的增加，NH4+-N擬合效果越好，而NO3--N質(zhì)量濃度總體一致性較好，只在第30天的擬合效果較差。

圖2 實(shí)測與模擬對(duì)比

2.2 土壤水分、氮素平衡分析

將500 cm剖面看作是一個(gè)整體，根據(jù)水量平衡原理計(jì)算模擬期土壤中水儲(chǔ)量的變化，其計(jì)算式為：

式中：為降雨量（mm）；為灌溉水量（mm）；?為土體內(nèi)水儲(chǔ)量的變化（mm）；為土壤剖面底部滲漏量（mm）；為實(shí)際騰發(fā)量（mm）；為徑流量（mm）。由于研究區(qū)地勢平坦，且為農(nóng)作物種植地，所以徑流不做考慮。

表4為各試驗(yàn)期（30 d）水量收支平衡，2013年冬小麥降雨量最小，僅占總輸入水量的1.4%，灌溉水量占總輸入水量的98.6%。而2014年夏玉米降雨量最多，占總輸入水量的31.39%，灌溉水量占總輸入水量的68.61%，可以看出灌溉水是土壤水分收入的主要來源。4次試驗(yàn)底部邊界日平均滲漏水量分別為6.84、5.28、3.83 mm和9.14 mm，分別占總輸入水量的45.87%、73.86%、41.38%、88.94%。

表4 各試驗(yàn)期水量平衡分析

試驗(yàn)期氮素收支平衡見表5，2013年冬小麥和2014年夏玉米試驗(yàn)期沒有施肥，此時(shí)礦化作用是系統(tǒng)中最重要的氮素補(bǔ)給來源，礦化的NH4+-N主要用于硝化作用，2次試驗(yàn)中的硝化通量分別占礦化通量的90.31%和71.48%。4次試驗(yàn)反硝化作用消耗的氮分別占總氮輸入的9.45%、60.9%、16.25%、54.46%，2014年夏玉米試驗(yàn)期降水輸入多，土壤含水率高，導(dǎo)致氮素反硝化損失高。模擬開始與結(jié)束時(shí)系統(tǒng)中含氮量的差值有負(fù)值，說明系統(tǒng)結(jié)束時(shí)的含氮量大于開始時(shí)的含氮量，土壤氮累積，而內(nèi)部變化是正值時(shí)，表明本次氮素?fù)p失大于輸入。

表5 模擬期土壤氮素收支項(xiàng)累積通量

在底部500 cm處氮累積淋失量，2013年夏玉米占總氮輸入的6.18%（NH4+-N為2.72%，NO3--N為3.46%），冬小麥為16.57%（NH4+-N為7.71%，NO3--N為8.86%），2014年冬小麥占總氮輸入的24.98%（NH4+-N為7.44%，NO3--N為17.54%），夏玉米占總氮輸入的44.77%（NH4+-N為13.75%，NO3--N為31.02%）。由于降雨量及灌水量較小，2013年夏玉米和冬小麥的氮淋失量小，氮素不易隨水流失，但易累積在土壤中。同時(shí)，2013年夏玉米和冬小麥的根系吸收氮素均小于2014年，2013年夏玉米吸收量占總氮輸入的8.37%（其中NH4+-N為2.7%，NO3--N為5.67%），冬小麥占總氮輸入的10.97%（其中NH4+-N為2.9%，NO3--N為8.07%），2014年冬小麥占總氮輸入的11.25%（其中NH4+-N為5.42%，NO3--N為5.83%），夏玉米為31.56%（其中NH4+-N為10.91%，NO3--N為20.65%）。整體上夏玉米吸氮量大于冬小麥，因?yàn)樽魑飳?duì)氮素的吸收受其對(duì)吸水量的影響，而且夏玉米試驗(yàn)期根系密度大、長勢好、蒸發(fā)較大，吸水的同時(shí)氮素也吸收的較多。而冬小麥試驗(yàn)期作物還處于越冬期，根系密度小，且溫度較低，吸水較少，所以吸氮量也較少。

2.3 灌溉優(yōu)化方案確定

為尋找最優(yōu)的水氮耦合機(jī)制，以夏玉米抽雄—灌漿期為例，在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行水-氮耦合運(yùn)移優(yōu)化情景分析。抽雄—灌漿期所需水量為116.8 mm[39]，而研究區(qū)面積為190 m2，所以設(shè)置P模式，即施肥（5 kg）下的不同灌水（1=10 m3、2=20 m3、3=40 m3）；假定產(chǎn)量指標(biāo)為7 500 kg/hm2，每50 kg籽粒需氮量為1.4～1.6 kg，正常需要尿素的量約為10 kg[39]。因此在常規(guī)灌水30 m3條件下設(shè)置N模式，即灌水（30 m3）下的不同施肥（1=5 kg、2=10 kg、3=15 kg）模式，以及各模式的干（AM1）、中（AM2）和濕（AM3）3個(gè)土壤初始含水率狀態(tài)。初始含水率通過降水的多年入滲穩(wěn)定平衡分析，模擬出0～500 cm土壤剖面的土壤初始含水率，作為AM2環(huán)境，相應(yīng)的AM1環(huán)境和AM3環(huán)境是在次基礎(chǔ)上分別減少30%和增加30%來確定（表6），其他條件和參數(shù)同前。

表6 土壤剖面不同狀態(tài)的前期土壤含水率

模擬期，土壤剖面溫度在0～150 cm的均大于20 ℃，而底部的溫度基本都小于20 ℃。溫度對(duì)作物吸收量的影響很小，只通過影響轉(zhuǎn)化速率來影響轉(zhuǎn)化量，超過20 ℃時(shí)，溫度修正值大于1。

2.3.1 不同方案對(duì)作物吸收的影響

P模式下，在灌水量10 m3，初始含水率AM2和AM3時(shí)，模擬期（10 d）作物吸收量沒有差異，銨態(tài)氮吸收量分別為13.13、13.49 mg/cm2，硝態(tài)氮吸收量分別為26.41、27.37 mg/cm2（圖3（a）），相反，灌水量和初始含水率增加都會(huì)引起作物氮吸收量的下降；N模式下，作物氮素吸收量隨著施肥量的增加而增大，且銨態(tài)氮和硝態(tài)氮規(guī)律一致。而在同一施肥量下，初始含水率的干和濕影響不大，相差只有在灌后第1～2 d，尤其在中和濕時(shí)差異很?。▓D3（b））。由于規(guī)律一致，只列出AM2下銨態(tài)氮吸收和硝態(tài)氮吸收隨灌水量和施肥量的變化。

圖3 P和N模式下模擬期作物吸收通量變化

2.3.2 不同方案下的氮遷移與轉(zhuǎn)換

P模式下，隨灌水量的增加，淋失量也在增大，如當(dāng)灌水量為20 m3時(shí)，土壤初始含水率由干到濕時(shí)，根層100 cm處的NH4+-N累積淋失通量從7.73 mg/cm2增加到21.45 mg/cm2（圖4（a）），NO3--N從13.32 mg/cm2增加到55.02 mg/cm2（圖4（c）），底部500 cm處NH4+-N累積淋失通量從0.32 mg/cm2增加到10.9 mg/cm2（圖4（b）），NO3--N從0.34 mg/cm2增加到22.6 mg/cm2（圖4（d））。綜上可知，在10 m3（AM2）和20 m3（AM1）時(shí)淋失量均最小，100 cm處銨態(tài)氮淋失通量分別為7.06、7.05 mg/cm2；硝態(tài)氮的淋失量有類似的規(guī)律，10 m3（AM1-3）和20 m3（AM2）淋失通量分別為4.47、13.2、19.1、13.5 mg/cm2。在N模式下，同一初始含水率下無論是100 cm還是500 cm處NH4+-N和NO3--N淋失量均不隨施肥量的增大而增加，但隨初始含水率由干變濕，根部（100 cm）淋失量也會(huì)明顯增大（圖4（e）—圖4（h））。

土壤含水率狀態(tài)控制氮遷移與循環(huán)，綜合作物吸收和淋失通量變化，建議灌水量控制在10～15 m3為宜，如初始含水率較干時(shí)，灌水量可增加到20 m3，這時(shí)，施肥量可以按作物的生長階段來確定，建議10 kg左右為宜。

圖4 不同模式下NH4+-N和NO3--N在100 cm和500 cm土層深度處累積淋失通量

以初始含水率AM2為例，分析不同灌溉施肥模式下剖面上氮內(nèi)外循環(huán)的變化（圖5—圖6）。P模式，表層0～70 cm礦化通量變化、硝化通量和反硝化通量都會(huì)增加，變化范圍分別為1～2.5、1～4、0～0.6 mg/cm2，最大值均在淺層，深層轉(zhuǎn)化量很小。N模式，表層0～70 cm礦化通量、硝化通量和反硝化通量分別為1～2.5、1.5～16、0.3～1.2 mg/cm2，表明隨著施肥量的增加，硝化和反硝化通量顯著增大，會(huì)造成大量的氮以氣態(tài)方式流失。

灌溉施肥初期，由于尿素水解，表層土壤（0～20 cm）的NH4+-N量非常大，加之土壤含水率高，表層氮主要以淋失為主（圖5）。后期土壤水重新分布并穩(wěn)定后，上部土壤氮的外循環(huán)遷移逐漸轉(zhuǎn)為以內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)化為主，而下部總是以淋失的外循環(huán)為主。灌水和施肥條件下，土壤剖面上礦化通量隨著灌水量的增加而增加，卻不隨施肥量增加，是因?yàn)橛绊懙V化作用的因素只有轉(zhuǎn)化速率和土壤含水率，而施肥量增加，NH4+-N的升高，并不影響礦化通量（圖6）。硝化通量隨著灌水量增加而增加，由于受底物質(zhì)量濃度（NH4+-N）的影響，灌水引起的硝化通量增加量明顯小于施肥。反硝化通量也有明顯的表層土壤轉(zhuǎn)化量大而深層土壤轉(zhuǎn)化量小的特征。因此，氮的內(nèi)部轉(zhuǎn)化表層土壤都明顯高于深層土壤，是水分、溫度和氮底物質(zhì)量濃度共同作用的結(jié)果。

總之，施肥量和灌水量對(duì)表層土壤質(zhì)量濃度影響較明顯，而對(duì)深層土壤影響較小，但當(dāng)灌水量足夠大時(shí)，底部的無機(jī)氮質(zhì)量濃度變化明顯。長時(shí)間的灌溉施肥，無機(jī)氮會(huì)在土壤底部積累甚至向下滲漏，從而增加土壤、地下水保護(hù)和治理難度。綜合作物吸收和氮對(duì)環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)，建議灌水施肥的最佳組合，依據(jù)土壤初始含水率狀態(tài)（干、中、濕），選擇525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2左右施肥量最佳，保證作物最大吸收，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生最小的影響。

3 討 論

土壤水分是影響灌區(qū)氮轉(zhuǎn)化運(yùn)移關(guān)鍵且最直接的環(huán)境因子，一方面水分是氮素運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力，控制氮的外循環(huán)遷移和淋失；另一方面水分通過控制氮轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而控制氮的內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)化量。Stanford等[9]發(fā)現(xiàn)，礦化速率在水勢為-1.5～0.03 Mpa時(shí)，會(huì)隨著含水率增大而增大，低于或超過臨界值，都會(huì)抑制礦化速率。土壤水分是通過改變土壤通氣狀況和氧分布進(jìn)而影響硝化-反硝化作用，硝化速率在土壤孔隙含水率達(dá)40%～60%之間時(shí)最大[10]，而當(dāng)孔隙含水量從60%增加到90%時(shí)，砂土和壤土中的反硝化速率分別增加6倍或10倍[11]。

施肥量的增加，會(huì)增大土壤中的底物質(zhì)量濃度，促進(jìn)硝化通量[29]。如施肥量由5 kg增加到15 kg時(shí)，尿素水解生成NH4+-N，增加了硝化作用的底物，大大促進(jìn)硝化作用，因此NO3--N質(zhì)量濃度也顯著增加。受水分傳輸影響，100 cm以下不同施肥量下的NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度變化很小，而且在各土壤初始水分狀態(tài)，其質(zhì)量濃度也沒有明顯的變化。土壤初始含水狀態(tài)對(duì)氮素質(zhì)量濃度和通量的影響取決于其對(duì)水的響應(yīng)程度，濕潤土壤對(duì)灌水量響應(yīng)明顯[28]，所以氮素可以隨水運(yùn)移到更深處，且在該狀態(tài)下，施肥引起的質(zhì)量濃度變化遠(yuǎn)大于灌水。

土壤中氮的轉(zhuǎn)化遷移非常復(fù)雜，受土壤飽和程度、氧質(zhì)量濃度、水分、溫度、微生物種類和數(shù)量、C/N等因素影響，隨土壤干濕交替條件的變化而變化[40,44]。礦化速率主要受有機(jī)質(zhì)和微生物活性影響，微生物活性又受制于有機(jī)碳和全氮量。研究區(qū)表層有機(jī)質(zhì)豐富，有機(jī)碳和全碳量較高，所以灌區(qū)表層礦化速率較高，深層礦化速率較小。硝化速率和反硝化速率受到土壤中氧分布的影響，而土壤氧質(zhì)量濃度通常隨土層深度呈垂直梯度變化[45]以及隨根面距離呈徑向梯度變化[46]。土壤表層0～20 cm微生物活性大，C源和N源充足，通氣好，礦化通量和硝化通量都較大，而反硝化作用發(fā)生在厭氧環(huán)境中，所以反硝化通量較小。灌后20～40 cm土壤環(huán)境逐漸變成還原環(huán)境，礦化和硝化作用受到抑制，反硝化作用反而有所促進(jìn)。40～500 cm礦化作用和硝化作用較低，而反硝化作用因?yàn)镹O3--N在底部積累，有充足的反應(yīng)物，反硝化作用增加。

土壤剖面中硝酸鹽的高積累和水的自由流動(dòng)是硝酸鹽滲入底土或地下水的先決條件。高施肥模式下，受降水的影響，殘留的硝酸鹽可以繼續(xù)向下移動(dòng)，即使在模擬期未浸出也會(huì)在后期流失，這一現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)區(qū)普遍存在。研究表明68%的硝酸鹽在根區(qū)外積累和20%的根區(qū)累積硝酸鹽會(huì)運(yùn)移到地下水[47]。在英國農(nóng)田中年淋失量1/3來源于殘留的硝酸鹽。在灌區(qū)，硝酸鹽淋失受到施肥、灌溉和種植模式等管理措施的強(qiáng)烈影響，不同種植制度下作物對(duì)氮的吸收能力、肥料管理和灌溉的差異可導(dǎo)致土壤剖面中硝酸鹽積累。特別是當(dāng)施氮量超過作物需求時(shí)土壤剖面有大量的硝酸鹽積累[48-49]。在高灌溉率或強(qiáng)降雨后，積累的硝酸鹽會(huì)滲入底土[50-52]。因此，灌溉農(nóng)業(yè)在與高肥料和水的投入相結(jié)合的情況下，地下水硝酸鹽污染的風(fēng)險(xiǎn)很高。

農(nóng)業(yè)氮素管理的目的是為植物提供足夠的氮素，使其最大限度地促進(jìn)作物生長和獲得高產(chǎn)，并使其遠(yuǎn)離其他生態(tài)系統(tǒng)。土壤中氮循環(huán)的復(fù)雜性隱藏了不同過程之間的相互作用，給管理帶來挑戰(zhàn)。土壤氮素高盈余意味著高的土壤氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，這些氮素一部分殘留在土壤中供后季作物吸收利用，另一部分則通過淋失、氨揮發(fā)和反硝化等途徑損失，增加了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)作物生長特性選擇適宜的水氮耦合模式，把土壤氮素盈虧控制在合理范圍內(nèi)極其重要。

4 結(jié) 論

1）現(xiàn)有灌溉模式下，水分滲漏量占總輸入水量的41.38%～88.94%；夏玉米時(shí)期蒸發(fā)量占總輸入水量的42.9%～54.7%，淋失量、根系吸收量、反硝化量是總氮輸入主要的去項(xiàng)，分別占總氮輸入的6.18%～44.77%、8.37%～31.56%、9.46%～60.9%。

2）土壤表層（0～70 cm）的氮轉(zhuǎn)化速率遠(yuǎn)大于深層，灌后前4 d，土壤含水率劇烈增加，表層淋失量大于轉(zhuǎn)化量，氮循環(huán)以淋失的外循環(huán)為主；灌溉4 d以后，含水率逐漸穩(wěn)定，氮循環(huán)由外循環(huán)淋失為主變?yōu)橐詢?nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)化為主。而深層（70～500 cm）因?yàn)檗D(zhuǎn)化速率很小，一直以氮淋失的外循環(huán)為主。

3）同等條件下，表層比深層更易淋失水和無機(jī)氮。70 cm以上土層無機(jī)氮累積滲漏量隨施肥量增加變化很大，累積水分滲漏量變化較??；70 cm以下土層的累積水分和無機(jī)氮滲漏量幾乎都不增加。

4）過量施肥會(huì)導(dǎo)致無機(jī)氮在土壤中累積，灌水或降雨會(huì)使無機(jī)氮（主要是NO3--N）大量淋失進(jìn)入深層土壤，降低作物的利用，并使其進(jìn)入地下水，造成嚴(yán)重的水環(huán)境污染。因此，依據(jù)土壤初始含水率狀態(tài)（干、中、濕），選擇525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2左右施肥量最佳。對(duì)于降雨量大且地下水埋深較淺的地區(qū)更要嚴(yán)格控制灌水和施肥量。

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The Effects of Water-nitrogen Coupling on Uptake and Transformation of Nitrogen in Soil

LIU Xiuhua1,2, LU Jie1,2, QI Yan1,2, HE Yi1,2, GAO Wande1,2, CHEN Yunfei1,2, HU Anyan1,2, HE Junqi1,2*

(1.School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710054, China;2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Xi’an 710054, China)

【】Nitrogen (N) is the most important plant nutrient but its leaching to surface and subsurface water bodies is a great environmental concern. The dynamics of N in soil is mediated by a multitude of biotic and abiotic processes, and the aim of this project is to investigate the effect of water-nitrogen coupling on it.【】Atwo-year experiment involving winter wheat-summer maize rotation was conducted. It consisted of two sets of treatments. The first one kept N fertilization at 5kg with the irrigation amount varying from 10 m3to 40 m3; the second one kept the irrigation amount at 30 m3with N fertilization varying from 5 kg to 15 kg. Added to these are three initial soil water treatments: dry, moderate and wet. Water and nitrogen movement in each treatment was simulated using the Hydrus-1D model.【】Soil water content in the proximity of the soil surface increased drastically in the first four days after the irrigation, and spatiotemporal change in N was dominated by its movement more than by its transformation. After that, soil water in the topsoil stabilized asymptotically and the N change was dominated by transformation. N transformation in the subsoil (70～500 cm) was weak. Increasing irrigation amount or reducing initial soil water content led to a decrease in root uptake of N. The accumulated leaching of NH4+-N and NO3--N from the top 100 cm of soil increased with the irrigation amount. Increasing irrigation amount boosted mineralization, nitrification and denitrification, with their associated rates varying in the range of 1～2.5 mg/cm2, 1～4 mg/cm2and 0～0.6 mg/cm2, respectively. Root N uptake from the top 100 cm of soil increased with N fertilization. The cumulative leaching of NH4+-N and NO3--N remained almost the same under different irrigation amounts, though increasing greatly with N fertilization. Mineralization, nitrification and denitrification in the topsoil increased with fertilization, with their rates varying in the range of 1～2.5 mg/cm2, 1.5～16 mg/cm2and 0.3～1.2 mg/cm2, respectively. In contrast, their reactions in soil deeper than 100 cm were comparatively slow.【】A rationalwater- nitrogen coupling can improve root N uptake and utilization. When initial soil water content was dry, coupling 525～900 m3/hm2of irrigation with 225 kg/hm2of N fertilization was optimal for winter wheat-summer maize rotation in the areas we studied.

water-nitrogen coupling; nitrogen uptake and utilization; nitrogen mineralization, nitrification and denitrification; Hydrus-1D

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021595

1672 - 3317（2022）04 - 0001 - 12

劉秀花, 盧杰, 齊燕, 等. 水氮耦合對(duì)作物氮素吸收利用與遷移轉(zhuǎn)化的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(4): 1-12.

LIU Xiuhua, LU Jie, QI Yan, et al. The Effects of Water-nitrogen Coupling on Uptake and Transformation of Nitrogen in Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(4): 1-12.

2021-12-02

國家自然基金面上項(xiàng)目（41273104，41877179）；陜西水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019slkj-18）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（300102291507）

劉秀花（1968-），女。教授，主要從事水文生態(tài)與水安全研究。E-mail: liuxh68@chd.edu.cn

賀軍奇（1978-），男。副教授，主要從事水文生態(tài)學(xué)研究。E-mail: hejunqi@chd.edu.cn

責(zé)任編輯：白芳芳