水氮耦合对作物氮素吸收利用与迁移转化的影响

刘秀花，卢 杰，齐 燕，贺 屹，高万德，陈云飞，胡安焱，贺军奇*

▪作物水肥高效利用▪

水氮耦合对作物氮素吸收利用与迁移转化的影响

刘秀花1, 2，卢 杰1, 2，齐 燕1, 2，贺 屹1, 2，高万德1, 2，陈云飞1, 2，胡安焱1, 2，贺军奇1, 2*

（1.长安大学 水利与环境学院，西安 710054；2.旱区地下水与生态效应教育部重点实验室，西安 710054）

【】探明不同水氮耦合模式下氮素吸收利用与迁移转化规律。在2 a冬小麦和夏玉米大田水氮耦合试验的基础上，分别设置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）和湿（AM3）土壤初始含水率状态，应用Hydrus-1D模拟分析其对氮素吸收利用与迁移转化过程的影响。①灌后1～4 d，土壤含水率剧烈增加，表层淋失通量大于转化通量，氮循环以淋失的外循环为主。灌水4 d后，上部含水率逐渐稳定，氮循环由外循环淋失为主变为以内循环转化为主。而深层（70～500 cm）因为转化速率小，含水率高，一直以氮淋失的外循环为主。②在P模式下，灌水量和初始含水率增加都会引起作物氮素吸收量的下降；浅层（100 cm）累积NH4+-N和NO3--N淋失、矿化、硝化和反硝化通量均随灌水量增加逐渐增大，转化通量变化范围分别为1～2.5、1～4、0～0.6 mg/cm2；深层转化通量较小且稳定。③在N模式下，作物吸收通量随施肥量的增加而增大；100 cm以上土层的累积水分渗漏量变化小，但无机氮累积渗漏量随施肥量增加而显著增大，100 cm以下的累积水分和无机氮渗漏量变化小；矿化、硝化和反硝化通量在表层随施肥量增加而逐渐增大，变化范围分别为1～2.5、1.5～16、0.3～1.2 mg/cm2，而100 cm以下各通量变化小且稳定。适宜的水氮耦合模式可提高作物对氮素吸收利用，综合考虑氮素内外循环过程，在AM1-2时525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2施肥量为最佳水氮模式。

水氮耦合；氮素吸收利用；氮矿化、硝化和反硝化；Hydrus-1D

0 引 言

【研究意义】农业系统的可持续发展是当今世界面临的一个重大挑战，农业生产引起的全球氮通量变化极大地影响了粮食生产的可持续性和环境的健康[1-2]。氮肥的施用大大促进了粮食生产，但实际上大部分氮肥投入并没有被作物吸收，相反，过量的氮肥施用导致了其利用率下降，不仅造成水体的严重污染，同时也成为NH3[3]和N2O[4]等大气污染物和温室气体[5]的重要排放源，对全球的水资源、环境、生物多样性和气候产生了深远影响[6]。如在我国北方冬小麦和玉米轮作区，43%以上的施氮通过氨挥发、硝酸盐淋失和反硝化进入环境[7-8]。因此，在保障人类食物供给的同时如何将农业及相关的污染物排放控制在环境容量安全阈值内是一项具有挑战性的任务，也是一个亟待解决的问题。

【研究进展】水肥耦合效应是指在农业系统中土壤矿质元素系统与水系统最佳组合而产生优化产量、质量等的现象[2]。水和氮在作物生长和环境变化中存在多方面的耦合关系，水是植物光合作用的原料，是氮元素进入植物体和环境的主要载体，氮是构成植物光合作用所需叶绿素的关键元素，无论是缺水还是缺氮，植物生长和粮食产量都会受到限制。而土壤水分是陆地生态系统氮循环和氮流失的主要物理驱动因子，控制其中矿化、固定化、硝化、反硝化和挥发等复杂的物理、化学和生物过程[9-11]。除此之外，温度也是影响氮转化的关键因子，其通过影响有机物分解和功能微生物生命活动影响氮转化速率。在合适的土壤水分条件下，温度升高不仅能促进矿化[12]、硝化[13]和反硝化[14]作用，更能促进植物根系对氮的吸收利用。

适宜的水、肥组合对作物生长发育及产量具有明显的正向作用[15-16]，1955年来，化肥氮对当前粮食产量贡献了45（±3）%，灌溉发展和化肥氮的耦合贡献为47（±3）%。然而，粮食安全、水资源和水环境近年来都发生了深刻变迁[1]，长期以来人们对这三者的演化关系缺乏定量理解，因此研究水肥耦合效应，找出适宜的水肥管理模式，提高农田精准施肥和灌溉水平，减小单位面积的养分损失[17]和水资源消耗，降低氮素污染风险，发展可持续的高效集约灌溉农业，对粮食与环境安全具有十分重大的意义。

【切入点】在灌溉农业生产中，氮素损失途径与水氮管理有着密切的关系[18-20]，提高农田氮利用效率的研究[6,21-22]是近年来的一个前沿性热点课题，目前关于作物水氮耦合研究多针对水稻[23]、小麦[24]、玉米[25]、棉花[26]等作物，研究成果主要集中在对水分及氮素利用效率、形态及生理、产量等方面，而水氮耦合及其协同效应对作物和环境的综合影响研究较少。为了获得高产，农民使用了大量的水和肥，这种做法导致了土壤剖面中大量硝酸盐的积累，加大其从根区进入底土或浅层地下水的风险[27]。【拟解决的关键问题】鉴于此，基于非饱和流动和溶质输运的集成模型，通过大田小区试验和模型模拟，从水氮耦合的内部转化和外部循环共同表征水氮耦合过程，系统全面地分析灌施量与作物吸收量、淋失量和转化量等之间的耦合关系，综合评估水氮耦合模式的变化对氮循环和氮素损失的影响，提出合理的灌溉施肥模式。旨在为建立区域性节水节肥、增产、减排的高效水氮耦合方式提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于我国大型灌区泾惠渠（东经108°34′34″—109°21′35″；北纬34°25′20″—34°41′40″）试验站内。灌区北靠黄土台塬，南与渭河相邻，东西有石川河和泾河围绕。土壤主要以第四纪沉积黄土为主，土层深厚，土地肥沃，水利条件较好。作物主要以玉米、小麦、棉花、蔬菜为主，其中玉米和小麦轮作所占的面积达到95%以上。

灌区属于大陆性半干旱季风气候区，灌区多年平均降水量为538.9 mm，总日照时间约2 200 h，多年平均气温13.4 ℃，最高平均气温15.1 ℃，最低平均气温8 ℃。夏季温度高，雨量多，且7—9月降水可达全年的50%。冬季12—2月（次年）寒冷干燥，降水量仅约占全年的4%左右，研究期降水和气温变化见图1。

图1 泾惠渠灌区气象数据图

1.2 试验设计

选取站内一块约为190 m2的农田作为野外试验地，试验期为2013—2014年，种植方式为夏玉米和冬小麦轮作，灌溉用水为井水。依据当地农田管理方式，在作物播种前冬小麦和夏玉米分别使用尿素（CO(NH2)2）6.0～7.0 kg，氮磷钾复合肥8.55～11 kg，其中磷肥和钾肥分别为过磷酸钙和硫酸钾；灌溉实验时使用尿素（含氮量46%），灌溉方式为畦灌。

试验前人工挖出500 cm的剖面，分别在10、20、40、70、100、150、200、250、300、400 cm和500 cm深度安装Hydra Probe II (SDI-12)自动温湿度检测探头，数据采集间隔为10 min。同时，利用环刀在对应深度采取原状土壤样，每次水肥试验在灌溉前1 d（0）、灌后4 d（1）、灌后10 d（2）以及灌后30 d（3）在对应深度取样1次。灌水施肥量及取样时间如表1。

表1 野外试验灌施量及取样时间

1.3 土壤理化性质分析

研究区土壤pH值范围为8.01～9.03，土壤样品全氮采用半微量开氏凯氏定氮法定量，硝态氮和铵态氮使用Skalarplu-San连续流动分析仪测定；土壤的粒径组成由Mastersizer 2000激光粒度仪测定。

1.4 非饱和水流动力模型

水流采用考虑作物根系吸水的Richards方程，包气带水分入渗考虑一维垂向运移，计算式为[30]：

式中：为土壤体积含水率（cm3/cm3）；为时间（d）；为空间坐标（cm，正面向上）；()为非饱和渗透系数函数（cm/d）；为土壤水压力水头（cm）；为根系吸水项（cm/d）。

依据van Genuchten[31]方程和Mualem[32]模型，估计土壤水分特征曲线()和非饱和导水率()：

式中：r和s分别为剩余体积含水率和饱和体积含水率；(cm-1)和是经验拟合参数，而=1-1/，s为饱和水力传导率（cm/s）；为有效饱和度，根据Mualem，建议取值0.5[33-35]。

作物根系吸水量采用Feddes模型来计算，即：

式中：()为根系实际吸水量；为土壤基质势；p为潜在根系吸水量；()为水分胁迫函数；()为根系吸水分布函数（cm-1）；p为作物潜在蒸腾率（cm/d）。

应用Penman-Montheith公式计算参考作物的潜在蒸散量0[36-38]：

式中：0为参考作物潜在蒸散量（mm/d）；为净辐射（MJ/（m2·d））；为土壤热通量（MJ/（m2·d））；为湿度计常数；为2 m高度处的日平均空气温度（℃）；2为2 m高度处的风速（m/s）；s为饱和水汽压（kPa）；a为实际水汽压（kPa）；∆为饱和水汽压曲线斜率（kPa/℃）。

参考作物潜在蒸散量0乘以作物系数C即为潜在蒸散量p，其表达式为[39]：

潜在蒸散量p可分为潜在土壤蒸发（p）和作物蒸腾（p）二部分[40]：

式中：为消光系数，表征太阳辐射的衰减程度，取值为0.463。

1.5 热传导模型

根据能量守恒定律，热传导控制方程为[41]：

式中：为温度（K）；V为汽相的体积百分数（cm3/cm3）；W、V和P分别为液相、汽相、湿润土壤的体积热容量（J/（cm3·K））；为液态水体积汽化潜热（J/cm3）；（）为表观导热系数（J/（cm·s·K））；L和V分别为液态水和气态水通量密度（cm/s）；W为植物根系吸水相关热量源汇项略。

1.6 氮迁移与转化模型

NH4+-N考虑硝化、矿化和根系吸收作用，其运移方程为：

NO3--N考虑硝化、反硝化和根系吸收作用，其运移方程为：

氮转化速率修正，氮初级转化速率在室内通过同位素示踪测定[29]，模拟时氮转化参数需要进行湿度和温度的修正。湿度修正采用Walker[35,42]方程：

式中：r和分别为参考含水率ref和实际含水率系数值；为与溶质相关的参数（通常为0.7）。参考含水率（ref）根据参考压头（ref）计算得出，矿化和硝化反应的参考水分为田间持水率，反硝化作用的参考水分为饱和土壤含水率[40]。

温度修正采用Arrhenius[42]方程：

1.7 初始条件和边界条件

水流和温度初值采用实测值，水流上边界为给定大气可积水边界，并假设边界条件是随时间变化的；下边界因远离地下水，所以为自由排水边界；地表温度及630 cm处的实测温度作为热传导过程的上边界与下边界条件；溶质运移的上边界选择质量浓度通量边界，下边界选择零质量浓度梯度边界，初始值为试验前土壤剖面中的氮素质量浓度。

1.8 参数确定

依据不同土层土壤粒径和体积质量，通过神经网络计算出各土层的水力参数（rs）和s初值。再通过校准和验证，拟合得出水力参数见表2。

表2 拟合后各土壤层水力参数

土壤热传导系数采用Chung and Horton模型计算，其中经验参数1、2与3的数值分别为24.3、39.3、153.4 W/(cm·K)。

NH4+-N和NO3–-N在土壤水中的扩散系数分别取经验值1.52 cm2/d和1.64 cm2/d[43]，NH4+-N吸附系数d取经验值12.37 L/kg。氮素转化速率,1、γ,1、μ,2采用15N同位素标记试验的结果作为初值[29]，并根据模拟值和实测值的拟合率定，见表3。

表3 拟合后各土壤层溶质参数

2 结果与分析

2.1 模型评价与应用

应用Hydrus-1D水汽热溶质模型，对水力参数、氮转化参数进行校准与验证。土壤含水率、温度、铵态氮和硝态氮模拟值和实测值见图2，各土层深度校准和验证期土壤含水率实测值和拟合值有较好的一致性（2=0.85），均方根误差（）和平均误差（）分别为0.017、0.038 cm3/cm3；除在表层受大气温度的影响较大，带来一定误差外，整体上温度实测值与模拟值一致性很好（2=0.97），和分别为1.16、0.04 ℃。铵态氮和硝态氮实测与模拟质量浓度决定系数分别为0.47、0.35，其中，铵态氮的和为0.51 mg/kg和1.92 mg/kg，硝态氮则分别为0.27 mg/kg和0.84 mg/kg，由于受土壤空间变异性和尿素水解、硝化、反硝化过程的影响，随着灌溉施肥时间的增加，NH4+-N拟合效果越好，而NO3--N质量浓度总体一致性较好，只在第30天的拟合效果较差。

图2 实测与模拟对比

2.2 土壤水分、氮素平衡分析

将500 cm剖面看作是一个整体，根据水量平衡原理计算模拟期土壤中水储量的变化，其计算式为：

式中：为降雨量（mm）；为灌溉水量（mm）；∆为土体内水储量的变化（mm）；为土壤剖面底部渗漏量（mm）；为实际腾发量（mm）；为径流量（mm）。由于研究区地势平坦，且为农作物种植地，所以径流不做考虑。

表4为各试验期（30 d）水量收支平衡，2013年冬小麦降雨量最小，仅占总输入水量的1.4%，灌溉水量占总输入水量的98.6%。而2014年夏玉米降雨量最多，占总输入水量的31.39%，灌溉水量占总输入水量的68.61%，可以看出灌溉水是土壤水分收入的主要来源。4次试验底部边界日平均渗漏水量分别为6.84、5.28、3.83 mm和9.14 mm，分别占总输入水量的45.87%、73.86%、41.38%、88.94%。

表4 各试验期水量平衡分析

试验期氮素收支平衡见表5，2013年冬小麦和2014年夏玉米试验期没有施肥，此时矿化作用是系统中最重要的氮素补给来源，矿化的NH4+-N主要用于硝化作用，2次试验中的硝化通量分别占矿化通量的90.31%和71.48%。4次试验反硝化作用消耗的氮分别占总氮输入的9.45%、60.9%、16.25%、54.46%，2014年夏玉米试验期降水输入多，土壤含水率高，导致氮素反硝化损失高。模拟开始与结束时系统中含氮量的差值有负值，说明系统结束时的含氮量大于开始时的含氮量，土壤氮累积，而内部变化是正值时，表明本次氮素损失大于输入。

表5 模拟期土壤氮素收支项累积通量

在底部500 cm处氮累积淋失量，2013年夏玉米占总氮输入的6.18%（NH4+-N为2.72%，NO3--N为3.46%），冬小麦为16.57%（NH4+-N为7.71%，NO3--N为8.86%），2014年冬小麦占总氮输入的24.98%（NH4+-N为7.44%，NO3--N为17.54%），夏玉米占总氮输入的44.77%（NH4+-N为13.75%，NO3--N为31.02%）。由于降雨量及灌水量较小，2013年夏玉米和冬小麦的氮淋失量小，氮素不易随水流失，但易累积在土壤中。同时，2013年夏玉米和冬小麦的根系吸收氮素均小于2014年，2013年夏玉米吸收量占总氮输入的8.37%（其中NH4+-N为2.7%，NO3--N为5.67%），冬小麦占总氮输入的10.97%（其中NH4+-N为2.9%，NO3--N为8.07%），2014年冬小麦占总氮输入的11.25%（其中NH4+-N为5.42%，NO3--N为5.83%），夏玉米为31.56%（其中NH4+-N为10.91%，NO3--N为20.65%）。整体上夏玉米吸氮量大于冬小麦，因为作物对氮素的吸收受其对吸水量的影响，而且夏玉米试验期根系密度大、长势好、蒸发较大，吸水的同时氮素也吸收的较多。而冬小麦试验期作物还处于越冬期，根系密度小，且温度较低，吸水较少，所以吸氮量也较少。

2.3 灌溉优化方案确定

为寻找最优的水氮耦合机制，以夏玉米抽雄—灌浆期为例，在上述试验基础上，进行水-氮耦合运移优化情景分析。抽雄—灌浆期所需水量为116.8 mm[39]，而研究区面积为190 m2，所以设置P模式，即施肥（5 kg）下的不同灌水（1=10 m3、2=20 m3、3=40 m3）；假定产量指标为7 500 kg/hm2，每50 kg籽粒需氮量为1.4～1.6 kg，正常需要尿素的量约为10 kg[39]。因此在常规灌水30 m3条件下设置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）和湿（AM3）3个土壤初始含水率状态。初始含水率通过降水的多年入渗稳定平衡分析，模拟出0～500 cm土壤剖面的土壤初始含水率，作为AM2环境，相应的AM1环境和AM3环境是在次基础上分别减少30%和增加30%来确定（表6），其他条件和参数同前。

表6 土壤剖面不同状态的前期土壤含水率

模拟期，土壤剖面温度在0～150 cm的均大于20 ℃，而底部的温度基本都小于20 ℃。温度对作物吸收量的影响很小，只通过影响转化速率来影响转化量，超过20 ℃时，温度修正值大于1。

2.3.1 不同方案对作物吸收的影响

P模式下，在灌水量10 m3，初始含水率AM2和AM3时，模拟期（10 d）作物吸收量没有差异，铵态氮吸收量分别为13.13、13.49 mg/cm2，硝态氮吸收量分别为26.41、27.37 mg/cm2（图3（a）），相反，灌水量和初始含水率增加都会引起作物氮吸收量的下降；N模式下，作物氮素吸收量随着施肥量的增加而增大，且铵态氮和硝态氮规律一致。而在同一施肥量下，初始含水率的干和湿影响不大，相差只有在灌后第1～2 d，尤其在中和湿时差异很小（图3（b））。由于规律一致，只列出AM2下铵态氮吸收和硝态氮吸收随灌水量和施肥量的变化。

图3 P和N模式下模拟期作物吸收通量变化

2.3.2 不同方案下的氮迁移与转换

P模式下，随灌水量的增加，淋失量也在增大，如当灌水量为20 m3时，土壤初始含水率由干到湿时，根层100 cm处的NH4+-N累积淋失通量从7.73 mg/cm2增加到21.45 mg/cm2（图4（a）），NO3--N从13.32 mg/cm2增加到55.02 mg/cm2（图4（c）），底部500 cm处NH4+-N累积淋失通量从0.32 mg/cm2增加到10.9 mg/cm2（图4（b）），NO3--N从0.34 mg/cm2增加到22.6 mg/cm2（图4（d））。综上可知，在10 m3（AM2）和20 m3（AM1）时淋失量均最小，100 cm处铵态氮淋失通量分别为7.06、7.05 mg/cm2；硝态氮的淋失量有类似的规律，10 m3（AM1-3）和20 m3（AM2）淋失通量分别为4.47、13.2、19.1、13.5 mg/cm2。在N模式下，同一初始含水率下无论是100 cm还是500 cm处NH4+-N和NO3--N淋失量均不随施肥量的增大而增加，但随初始含水率由干变湿，根部（100 cm）淋失量也会明显增大（图4（e）—图4（h））。

土壤含水率状态控制氮迁移与循环，综合作物吸收和淋失通量变化，建议灌水量控制在10～15 m3为宜，如初始含水率较干时，灌水量可增加到20 m3，这时，施肥量可以按作物的生长阶段来确定，建议10 kg左右为宜。

图4 不同模式下NH4+-N和NO3--N在100 cm和500 cm土层深度处累积淋失通量

以初始含水率AM2为例，分析不同灌溉施肥模式下剖面上氮内外循环的变化（图5—图6）。P模式，表层0～70 cm矿化通量变化、硝化通量和反硝化通量都会增加，变化范围分别为1～2.5、1～4、0～0.6 mg/cm2，最大值均在浅层，深层转化量很小。N模式，表层0～70 cm矿化通量、硝化通量和反硝化通量分别为1～2.5、1.5～16、0.3～1.2 mg/cm2，表明随着施肥量的增加，硝化和反硝化通量显著增大，会造成大量的氮以气态方式流失。

灌溉施肥初期，由于尿素水解，表层土壤（0～20 cm）的NH4+-N量非常大，加之土壤含水率高，表层氮主要以淋失为主（图5）。后期土壤水重新分布并稳定后，上部土壤氮的外循环迁移逐渐转为以内循环转化为主，而下部总是以淋失的外循环为主。灌水和施肥条件下，土壤剖面上矿化通量随着灌水量的增加而增加，却不随施肥量增加，是因为影响矿化作用的因素只有转化速率和土壤含水率，而施肥量增加，NH4+-N的升高，并不影响矿化通量（图6）。硝化通量随着灌水量增加而增加，由于受底物质量浓度（NH4+-N）的影响，灌水引起的硝化通量增加量明显小于施肥。反硝化通量也有明显的表层土壤转化量大而深层土壤转化量小的特征。因此，氮的内部转化表层土壤都明显高于深层土壤，是水分、温度和氮底物质量浓度共同作用的结果。

总之，施肥量和灌水量对表层土壤质量浓度影响较明显，而对深层土壤影响较小，但当灌水量足够大时，底部的无机氮质量浓度变化明显。长时间的灌溉施肥，无机氮会在土壤底部积累甚至向下渗漏，从而增加土壤、地下水保护和治理难度。综合作物吸收和氮对环境带来的风险，建议灌水施肥的最佳组合，依据土壤初始含水率状态（干、中、湿），选择525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2左右施肥量最佳，保证作物最大吸收，并对环境产生最小的影响。

3 讨 论

土壤水分是影响灌区氮转化运移关键且最直接的环境因子，一方面水分是氮素运移的主要驱动力，控制氮的外循环迁移和淋失；另一方面水分通过控制氮转化速率，进而控制氮的内循环转化量。Stanford等[9]发现，矿化速率在水势为-1.5～0.03 Mpa时，会随着含水率增大而增大，低于或超过临界值，都会抑制矿化速率。土壤水分是通过改变土壤通气状况和氧分布进而影响硝化-反硝化作用，硝化速率在土壤孔隙含水率达40%～60%之间时最大[10]，而当孔隙含水量从60%增加到90%时，砂土和壤土中的反硝化速率分别增加6倍或10倍[11]。

施肥量的增加，会增大土壤中的底物质量浓度，促进硝化通量[29]。如施肥量由5 kg增加到15 kg时，尿素水解生成NH4+-N，增加了硝化作用的底物，大大促进硝化作用，因此NO3--N质量浓度也显著增加。受水分传输影响，100 cm以下不同施肥量下的NH4+-N和NO3--N质量浓度变化很小，而且在各土壤初始水分状态，其质量浓度也没有明显的变化。土壤初始含水状态对氮素质量浓度和通量的影响取决于其对水的响应程度，湿润土壤对灌水量响应明显[28]，所以氮素可以随水运移到更深处，且在该状态下，施肥引起的质量浓度变化远大于灌水。

土壤中氮的转化迁移非常复杂，受土壤饱和程度、氧质量浓度、水分、温度、微生物种类和数量、C/N等因素影响，随土壤干湿交替条件的变化而变化[40,44]。矿化速率主要受有机质和微生物活性影响，微生物活性又受制于有机碳和全氮量。研究区表层有机质丰富，有机碳和全碳量较高，所以灌区表层矿化速率较高，深层矿化速率较小。硝化速率和反硝化速率受到土壤中氧分布的影响，而土壤氧质量浓度通常随土层深度呈垂直梯度变化[45]以及随根面距离呈径向梯度变化[46]。土壤表层0～20 cm微生物活性大，C源和N源充足，通气好，矿化通量和硝化通量都较大，而反硝化作用发生在厌氧环境中，所以反硝化通量较小。灌后20～40 cm土壤环境逐渐变成还原环境，矿化和硝化作用受到抑制，反硝化作用反而有所促进。40～500 cm矿化作用和硝化作用较低，而反硝化作用因为NO3--N在底部积累，有充足的反应物，反硝化作用增加。

土壤剖面中硝酸盐的高积累和水的自由流动是硝酸盐渗入底土或地下水的先决条件。高施肥模式下，受降水的影响，残留的硝酸盐可以继续向下移动，即使在模拟期未浸出也会在后期流失，这一现象在农业区普遍存在。研究表明68%的硝酸盐在根区外积累和20%的根区累积硝酸盐会运移到地下水[47]。在英国农田中年淋失量1/3来源于残留的硝酸盐。在灌区，硝酸盐淋失受到施肥、灌溉和种植模式等管理措施的强烈影响，不同种植制度下作物对氮的吸收能力、肥料管理和灌溉的差异可导致土壤剖面中硝酸盐积累。特别是当施氮量超过作物需求时土壤剖面有大量的硝酸盐积累[48-49]。在高灌溉率或强降雨后，积累的硝酸盐会渗入底土[50-52]。因此，灌溉农业在与高肥料和水的投入相结合的情况下，地下水硝酸盐污染的风险很高。

农业氮素管理的目的是为植物提供足够的氮素，使其最大限度地促进作物生长和获得高产，并使其远离其他生态系统。土壤中氮循环的复杂性隐藏了不同过程之间的相互作用，给管理带来挑战。土壤氮素高盈余意味着高的土壤氮素损失风险，这些氮素一部分残留在土壤中供后季作物吸收利用，另一部分则通过淋失、氨挥发和反硝化等途径损失，增加了环境污染风险。因此，根据作物生长特性选择适宜的水氮耦合模式，把土壤氮素盈亏控制在合理范围内极其重要。

4 结 论

1）现有灌溉模式下，水分渗漏量占总输入水量的41.38%～88.94%；夏玉米时期蒸发量占总输入水量的42.9%～54.7%，淋失量、根系吸收量、反硝化量是总氮输入主要的去项，分别占总氮输入的6.18%～44.77%、8.37%～31.56%、9.46%～60.9%。

2）土壤表层（0～70 cm）的氮转化速率远大于深层，灌后前4 d，土壤含水率剧烈增加，表层淋失量大于转化量，氮循环以淋失的外循环为主；灌溉4 d以后，含水率逐渐稳定，氮循环由外循环淋失为主变为以内循环转化为主。而深层（70～500 cm）因为转化速率很小，一直以氮淋失的外循环为主。

3）同等条件下，表层比深层更易淋失水和无机氮。70 cm以上土层无机氮累积渗漏量随施肥量增加变化很大，累积水分渗漏量变化较小；70 cm以下土层的累积水分和无机氮渗漏量几乎都不增加。

4）过量施肥会导致无机氮在土壤中累积，灌水或降雨会使无机氮（主要是NO3--N）大量淋失进入深层土壤，降低作物的利用，并使其进入地下水，造成严重的水环境污染。因此，依据土壤初始含水率状态（干、中、湿），选择525～900 m3/hm2灌水量和225 kg/hm2左右施肥量最佳。对于降雨量大且地下水埋深较浅的地区更要严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

刘秀花, 卢杰, 齐燕, 等. 水氮耦合对作物氮素吸收利用与迁移转化的影响[J]. 灌溉排水学报, 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

国家自然基金面上项目（41273104，41877179）；陕西水利科技计划项目（2019slkj-18）；中央高校基本科研业务费项目（300102291507）

刘秀花（1968-），女。教授，主要从事水文生态与水安全研究。E-mail: liuxh68@chd.edu.cn

贺军奇（1978-），男。副教授，主要从事水文生态学研究。E-mail: hejunqi@chd.edu.cn

责任编辑：白芳芳