节水灌溉条件下土壤水氮运移特性研究综述

王保刚，马娟娟，孙西欢，郭向红

（太原理工大学，山西 太原 030024）

1 前言

我国是一个水资源相对贫乏的国家，而且水资源分布严重不均匀，南方水多，北方水少，长江流域及以南地区耕地面积只占全国的40.8%，却占有着80.4%的水资源量，而长江以北地区耕地面积占全国的59.2%，却只分布着19.6%的水资源量。水分不足和养分缺乏是制约广大旱作农地区生产的两个关键因素。如何有效地对二者进行调控，达到高产、优质和高效的生产目的，国内外已进行了大量的研究。灌溉施肥技术是一种在近代展现出来的新型技术，它是能将灌溉与施肥两者充分结合在一起，并从根本上节约灌溉用水、最大程度提高肥料利用率的实用方式。但是在实际操作中灌溉量、施肥量与灌溉和施肥的时机都不容易实现最优化控制。灌溉施肥后的降雨是农业生产中经常遇到的情况，而且灌施肥后的降雨容易引起土壤中氮素的再分布和淋失，这样不仅会降低氮素的利用率，而且流失氮肥中的硝态氮会对水环境造成严重污染。掌握了不同灌水施肥量时水肥在土壤中的分布规律，制定合理的灌溉施肥制度，才能使水肥利用率大大提高，防止环境污染。由于氮素是作物吸收养分的主要形式，国内外有一些关于水氮运移特性的研究，本文主要从氮素运移分布的影响因素、水氮运移分布规律和淋溶损失三方面对水氮运移特性研究做一综述。

2 节水灌溉条件下土壤水氮运移和分布影响因素的研究

关于水氮运移的影响因素，国内外学者作了很多工作，Feigin等[1]对粗质地土壤中生长的芹菜进行了滴灌施肥灌溉试验，试验使用硫酸铵、缓释肥和硝酸铵，得出氮的吸收量随硝酸铵施用量的增加而增加，而随灌水量的变化不大。武晓峰等[2]研究都表明，喷灌条件下不同深度土层中硝态氮含量与施肥量呈正相关关系，但与灌水量的相关关系不明显。郭大应等[3]对灌溉土壤硝态氮运移与土壤湿度的关系进行了研究，结果表明，灌溉土壤硝态氮的运移与土壤湿度有良好的相关关系，在增加土壤湿度时，也加剧了土壤硝态氮的运移。张建君等[4]利用室内模拟试验研究了点源灌溉施肥条件下硝态氮和铵态氮的分布规律，认为同一土壤条件下滴头流量、灌水量和肥液浓度是影响湿润体内硝态氮和铵态氮分布规律的三大主要因素。宋海星等[5]研究了玉米根系的吸收作用及土壤水分对硝态氮、铵态氮分布的影响。结果表明，根系发育状况及水分供应明显影响硝态氮的迁移及分布。铵态氮的迁移和分布不受根系发育状况及水分供应的影响。王虎等[6]研究了大田滴灌施肥条件下滴头流量和灌水施肥量对土壤NH4+-N扩散分布的影响,认为灌水施肥量增大使NH4+-N随水运移扩散的距离增大,使扩散区域内NH4+-N浓度提高。董玉云等[7]认为质地对土壤含水率的分布和再分布影响较大；入渗时间相同时，湿润深度随土壤黏粒含量的增加而减小；供水结束时，不同土壤质地的湿润体上层高含水率段的NO3--N分布均比较均匀，其含量相差较小；NO3--N本底值对土壤表层10 cm范围内NO3--N含量的分布和再分布影响不大。

3 节水灌溉条件下土壤水氮运移和分布规律研究

Bar-Yosef等[8]对滴灌条件下黏土和砂土中水分、NO3-和P的分布进行了试验研究，结果表明，黏土中，在灌水结束后，湿润体边缘有NO3-的累积，而湿润体内部NO3-浓度小于灌溉水中的浓度，这是反硝化作用的结果。砂土中也存在类似现象，不同的是，土壤溶液中的NO3-的浓度没有明显小于灌溉水中的浓度，这主要是由于砂土中有机质很少，因此反硝化过程几乎没有发生。Laher等[9]以硫酸铵为肥料对香蕉树进行滴灌施肥灌溉试验，得出灌水器周围硝态氮含量以及硝化细菌的含量很低。Khan[10]以KBr为溶质进行了田间试验，研究了点源情况下滴头流量、灌水量和溶液浓度对水分和溶质分布的影响，结果表明，初始溶质浓度不同，在水平方向和垂直方向的水分和溶质运移表现出不同的特征,在水平方向，水分和溶质基本一致；在垂直方向，初始浓度大时水分和溶质运移基本一致，而在初始浓度小时，水分的运动比溶质运移超前。Hajrasuliha等[11]用15N标记肥料，通过田间试验分析了肥料为KNO3和（NH4）2SO4时土壤中氮素的分布，并分析了作物对肥料的吸收情况。结果指出，肥料为铵态氮时氮素向下运动到150 cm；而肥料为硝态氮时氮素可以向下运移至210～240 cm，在作物生长季节作物吸收利用的氮仅占施入氮的21%～23%。在国内，沈仁芳等[12]进行室内土柱试验，认为硝态氮迁移基本上随土壤水分运动，其运动以对流为主。吕谋超等[13]探讨了停灌后不同时间内，同步滴灌施肥条件下根际土壤水氮分布试验研究。表明硝态氮的含量随径向距离及土层深度增加先增大后减小。李久生等[14]利用室内试验，对滴灌点源施肥灌溉条件下硝态氮和铵态氮的分布规律进行了研究，研究结果表明，硝态氮在距滴头一定范围内呈均匀分布，在湿润边界上硝态氮产生累积。袁新民等[15]研究了不同施肥量对土壤NO3-N累积的影响，发现对0～2 m土层NO3-N累积影响尤为突出，指出作物吸氮量与化肥氮施用量呈非线性关系，超过正常施氮量，土壤NO3-N会大量累积。费良军、脱云飞等[16]通过室内膜孔肥液自由入渗试验，观测分析不同入渗时间和再分布过程中铵态氮运移和分布特性，结果表明：在肥液自由入渗过程中，铵态氮锋面运移滞后于土壤水分锋面，但土壤铵态氮含量和土壤含水率以膜孔为中心向外逐渐减小；在再分布初期，土壤铵态氮锋面和土壤水分锋面运移一致，土壤铵态氮含量和含水率以膜孔为中心向外逐渐减小，减小的速度变慢，但随着再分布时间延长，土壤铵态氮开始硝化成硝态氮，铵态氮含量减小，硝态氮含量增加。

4 关于土壤水氮深层渗漏和淋溶损失的研究

关于氮的淋失，王小彬等[17]认为肥料氮中NO3--N容易淋溶主要是因为NO3--N极易随水分移动。黄元仿等[18]在研究了北京郊区畦灌的大白菜地不同施肥条件下土壤无机氮动态及其污染潜力后认为：灌水量较大或土壤保持较湿润的条件下,高施肥量能明显导致上层土壤无机氮向下淋洗。郭大应等[3]经室内地中渗透仪实验观测和对自然界一些现象的分析，证实灌溉土壤硝态氮的累积量与土壤湿度负相关。土壤剖面的湿度越小,越有利于上层土壤中的硝态氮因大量重力水下渗而累积于底土,污染地下水。高湿度土壤,虽然用较少的水就可将上层硝态氮向下淋洗,但由于机械弥散和反硝化作用,较少有硝态氮在底土和地下水中大量累积。习金根等[19]研究了在滴灌施肥条件下，化学氮肥施入土壤后的迁移、转化规律以及对作物生长的效应，得出：三种氮肥（硝态氮、铵态氮和尿素态氮）在沙质土和黏质土中的淋失量均是硝态氮肥>尿素>铵态氮肥。崔远来等[20]采用15N示踪方法，观测分析了氮素在稻田的挥发及淋失损失规律特征。结果表明：虽然节水灌溉下稻田渗漏液NH4+及NO3-浓度较淹灌高，但由于此时总渗漏量显著减少，氮的总淋失较淹灌条件少。李晓欣等[21]通过监测玉米生长季前后土壤中硝态氮含量及不同时期土壤含水量的变化，对玉米季硝态氮的淋失进行了研究。结果表明，灌溉降雨对 NO3--N在土体中的分布起再分配的作用,玉米季大的灌溉和降雨会造成NO3--N的淋溶损失。氮肥施用过量,土体本身NO3--N含量高是造成NO3--N淋失的主要原因。张兴昌等[22]、陈效民等[23]研究得出土壤NO3--N淋溶深度及淋失量主要受地面接纳水量（降水+灌溉水）影响，还与土壤质地、耕作方式、氮肥类型、作物种类、生长密度、降雨以及地下水位有很大的关系。

5 结语

综上所述，国内外的学者们在水氮运移方面做了大量研究，为我们以后进一步研究水氮运移做出了很大贡献。通过总结可以得到以下几点：第一，硝态氮是氮素在土壤中存在和运动的一种形式，易随水分的运动而运移，容易在湿润锋边缘产生积累。第二，硝态氮的分布规律还与灌水施肥量、土壤质地和本底值等有关，综合考虑各种因素重复试验才能掌握氮素的分布规律。第三，土壤含水率高，氮肥施用过量,土体本身NO3--N含量高是造成NO3--N淋失的主要原因。第四，铵态氮的迁移和分布不受根系发育状况及水分供应的影响。要针对不同的作物，因地制宜，综合考虑各方面因素，合理制定灌水量和施肥量，提倡“少量多次”的优化灌施制度，既提高了水肥利用率，又可避免肥料的渗漏而导致环境污染。

[1]Feigin A.，Letey J.，and Jarrell W.M.Nitrogen utilization efficiency by drip irrigated celery receiving preplant or water applied N fertilizer.Agronomy Journal，1982（74）：978-983

[2]武晓峰，张思聪，唐杰.节水灌溉条件下冬小麦生长期田间氮素迁移转化试验[J].清华大学学报（自然科学版），1998：92-95.

[3]郭大应，熊清瑞，谢成骞，等.灌溉土壤硝态氮运移与土壤湿度的关系[J].灌溉排水，2001，20（2）：66-70.

[4]张建君，李久生，任理.滴灌施肥灌溉条件下土壤水氮运移的研究进展[J].灌溉排水，2002（2）：75-79.

[5]宋海星，李生秀.根系的吸收作用及土壤水分对硝态氮、铵态氮分布的影响[J].中国农业科学，2005，38（1）：96-101.

[6]王虎，王旭东，杨莹.滴灌施肥条件下土壤铵氮分布规律的研究[J].干旱地区农业研究，2006（1）：51-55.

[7]董玉云，费良军，任建民.土壤质地对单膜孔肥液入渗水分及氮素运移的影响[J].农业工程学报，2009（4）：30-34.

[8]Bar-Yosef B.Sheikholslami M.R.，Distribution of water and ions in soil irrigated and fertilized from a triekle source，J，Soil Sci.Soc.Am.1976（40）：575-582.

[9]Laher M，Avnimelech Y.Nitrification in drip irrigation systems.Plant and Soil，1980（55）：35-42.

[10]Khan Akbar Ali，Yitayew Muluneh，Warriek A.W.，Field evaluation of Water and solute distribution from a Point source，Irrigation and Drainage Engineering，ASCE，J，1996，122（4）：221-227.

[11]Hajrasuliha S，Rolston DE，Louie DT.Fate of 15N fertilizer applied to trickle-irrigated grapevines，J，American journal of enology&viticulture 1998，49（2）：191-195.

[12]沈仁芳，赵其国.排水采集器原装土柱中红壤元素淋溶的研究[J]，土壤学报，第 32 卷增刊，1995：178-181.

[13]吕谋超，蔡焕杰，黄修桥.同步滴灌施肥条件下根际土壤水氮分布试验研究[J].灌溉排水学报，2008，27（3）：24-27.

[14]李久生，饶敏杰.喷灌施肥均匀性对冬小麦产量影响的田间试验评估[J].农业工程学报，2000，16（6）：38-42.

[15]袁新民，杨学云，同延安，李晓林，张福锁.不同施氮量对土壤NO3－－N累积的影响 [J].干旱地区农业研究，2001，19（1）：8-13.

[16]费良军，脱云飞，穆红文.膜孔肥液自由入渗土壤铵态氮运移和分布特性试验研究 [J].干旱地区农业研究，2008，26（3）：193-197.

[17]王小彬，蔡典雄.稳态水流下肥料氮的迁移[J].植物营养与肥料学报，1996，2(2):110-115.

[18]黄元仿，李韵珠.不同灌溉条件下上壤氮素淋漏的研究，现代土壤科学研究，中国农业出版社，1994，243-247.

[19]习金根.滴灌施肥条件下氮素在土壤中迁移转化及其生物效应研究[D].西北农林科技大学，2003.

[20]崔远来，李远华，吕国安，沙宗尧.不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J].水科学进展，2004，15（3）：280-285.

[21]李晓欣，胡春胜，张玉铭，董文旭.太行山前平原夏玉米生长季硝态氮的运移研究[J].华北农学报，2005，20（6）：54-57.

[22]张兴昌，邵明安.植被覆盖度对流域有机质和氮素径流流失的影响[J].草地学报，2000（9）：198-203.

[23]陈效民，邓建才，柯用春，等.硝态氮垂直运移过程中的影响因素研究[J].水土保持学报，2003，17（2）：12-15.