節(jié)水灌溉條件下土壤水氮運(yùn)移特性研究綜述

王保剛，馬娟娟，孫西歡，郭向紅

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 前言

我國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，而且水資源分布嚴(yán)重不均勻，南方水多，北方水少，長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)耕地面積只占全國(guó)的40.8%，卻占有著80.4%的水資源量，而長(zhǎng)江以北地區(qū)耕地面積占全國(guó)的59.2%，卻只分布著19.6%的水資源量。水分不足和養(yǎng)分缺乏是制約廣大旱作農(nóng)地區(qū)生產(chǎn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。如何有效地對(duì)二者進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的生產(chǎn)目的，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究。灌溉施肥技術(shù)是一種在近代展現(xiàn)出來(lái)的新型技術(shù)，它是能將灌溉與施肥兩者充分結(jié)合在一起，并從根本上節(jié)約灌溉用水、最大程度提高肥料利用率的實(shí)用方式。但是在實(shí)際操作中灌溉量、施肥量與灌溉和施肥的時(shí)機(jī)都不容易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。灌溉施肥后的降雨是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的情況，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，這樣不僅會(huì)降低氮素的利用率，而且流失氮肥中的硝態(tài)氮會(huì)對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。掌握了不同灌水施肥量時(shí)水肥在土壤中的分布規(guī)律，制定合理的灌溉施肥制度，才能使水肥利用率大大提高，防止環(huán)境污染。由于氮素是作物吸收養(yǎng)分的主要形式，國(guó)內(nèi)外有一些關(guān)于水氮運(yùn)移特性的研究，本文主要從氮素運(yùn)移分布的影響因素、水氮運(yùn)移分布規(guī)律和淋溶損失三方面對(duì)水氮運(yùn)移特性研究做一綜述。

2 節(jié)水灌溉條件下土壤水氮運(yùn)移和分布影響因素的研究

關(guān)于水氮運(yùn)移的影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了很多工作，F(xiàn)eigin等[1]對(duì)粗質(zhì)地土壤中生長(zhǎng)的芹菜進(jìn)行了滴灌施肥灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)使用硫酸銨、緩釋肥和硝酸銨，得出氮的吸收量隨硝酸銨施用量的增加而增加，而隨灌水量的變化不大。武曉峰等[2]研究都表明，噴灌條件下不同深度土層中硝態(tài)氮含量與施肥量呈正相關(guān)關(guān)系，但與灌水量的相關(guān)關(guān)系不明顯。郭大應(yīng)等[3]對(duì)灌溉土壤硝態(tài)氮運(yùn)移與土壤濕度的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，灌溉土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移與土壤濕度有良好的相關(guān)關(guān)系，在增加土壤濕度時(shí)，也加劇了土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移。張建君等[4]利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了點(diǎn)源灌溉施肥條件下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布規(guī)律，認(rèn)為同一土壤條件下滴頭流量、灌水量和肥液濃度是影響濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布規(guī)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對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分布的影響。結(jié)果表明，根系發(fā)育狀況及水分供應(yīng)明顯影響硝態(tài)氮的遷移及分布。銨態(tài)氮的遷移和分布不受根系發(fā)育狀況及水分供應(yīng)的影響。王虎等[6]研究了大田滴灌施肥條件下滴頭流量和灌水施肥量對(duì)土壤NH4+-N擴(kuò)散分布的影響,認(rèn)為灌水施肥量增大使NH4+-N隨水運(yùn)移擴(kuò)散的距離增大,使擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)NH4+-N濃度提高。董玉云等[7]認(rèn)為質(zhì)地對(duì)土壤含水率的分布和再分布影響較大；入滲時(shí)間相同時(shí)，濕潤(rùn)深度隨土壤黏粒含量的增加而減小；供水結(jié)束時(shí)，不同土壤質(zhì)地的濕潤(rùn)體上層高含水率段的NO3--N分布均比較均勻，其含量相差較小；NO3--N本底值對(duì)土壤表層10 cm范圍內(nèi)NO3--N含量的分布和再分布影響不大。

3 節(jié)水灌溉條件下土壤水氮運(yùn)移和分布規(guī)律研究

Bar-Yosef等[8]對(duì)滴灌條件下黏土和砂土中水分、NO3-和P的分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，黏土中，在灌水結(jié)束后，濕潤(rùn)體邊緣有NO3-的累積，而濕潤(rùn)體內(nèi)部NO3-濃度小于灌溉水中的濃度，這是反硝化作用的結(jié)果。砂土中也存在類似現(xiàn)象，不同的是，土壤溶液中的NO3-的濃度沒(méi)有明顯小于灌溉水中的濃度，這主要是由于砂土中有機(jī)質(zhì)很少，因此反硝化過(guò)程幾乎沒(méi)有發(fā)生。Laher等[9]以硫酸銨為肥料對(duì)香蕉樹(shù)進(jìn)行滴灌施肥灌溉試驗(yàn)，得出灌水器周圍硝態(tài)氮含量以及硝化細(xì)菌的含量很低。Khan[10]以KBr為溶質(zhì)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，研究了點(diǎn)源情況下滴頭流量、灌水量和溶液濃度對(duì)水分和溶質(zhì)分布的影響，結(jié)果表明，初始溶質(zhì)濃度不同，在水平方向和垂直方向的水分和溶質(zhì)運(yùn)移表現(xiàn)出不同的特征,在水平方向，水分和溶質(zhì)基本一致；在垂直方向，初始濃度大時(shí)水分和溶質(zhì)運(yùn)移基本一致，而在初始濃度小時(shí)，水分的運(yùn)動(dòng)比溶質(zhì)運(yùn)移超前。Hajrasuliha等[11]用15N標(biāo)記肥料，通過(guò)田間試驗(yàn)分析了肥料為KNO3和（NH4）2SO4時(shí)土壤中氮素的分布，并分析了作物對(duì)肥料的吸收情況。結(jié)果指出，肥料為銨態(tài)氮時(shí)氮素向下運(yùn)動(dòng)到150 cm；而肥料為硝態(tài)氮時(shí)氮素可以向下運(yùn)移至210～240 cm，在作物生長(zhǎng)季節(jié)作物吸收利用的氮僅占施入氮的21%～23%。在國(guó)內(nèi)，沈仁芳等[12]進(jìn)行室內(nèi)土柱試驗(yàn)，認(rèn)為硝態(tài)氮遷移基本上隨土壤水分運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)以對(duì)流為主。呂謀超等[13]探討了停灌后不同時(shí)間內(nèi)，同步滴灌施肥條件下根際土壤水氮分布試驗(yàn)研究。表明硝態(tài)氮的含量隨徑向距離及土層深度增加先增大后減小。李久生等[14]利用室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)滴灌點(diǎn)源施肥灌溉條件下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮在距滴頭一定范圍內(nèi)呈均勻分布，在濕潤(rùn)邊界上硝態(tài)氮產(chǎn)生累積。袁新民等[15]研究了不同施肥量對(duì)土壤NO3-N累積的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)0～2 m土層NO3-N累積影響尤為突出，指出作物吸氮量與化肥氮施用量呈非線性關(guān)系，超過(guò)正常施氮量，土壤NO3-N會(huì)大量累積。費(fèi)良軍、脫云飛等[16]通過(guò)室內(nèi)膜孔肥液自由入滲試驗(yàn)，觀測(cè)分析不同入滲時(shí)間和再分布過(guò)程中銨態(tài)氮運(yùn)移和分布特性，結(jié)果表明：在肥液自由入滲過(guò)程中，銨態(tài)氮鋒面運(yùn)移滯后于土壤水分鋒面，但土壤銨態(tài)氮含量和土壤含水率以膜孔為中心向外逐漸減??；在再分布初期，土壤銨態(tài)氮鋒面和土壤水分鋒面運(yùn)移一致，土壤銨態(tài)氮含量和含水率以膜孔為中心向外逐漸減小，減小的速度變慢，但隨著再分布時(shí)間延長(zhǎng)，土壤銨態(tài)氮開(kāi)始硝化成硝態(tài)氮，銨態(tài)氮含量減小，硝態(tài)氮含量增加。

4 關(guān)于土壤水氮深層滲漏和淋溶損失的研究

關(guān)于氮的淋失，王小彬等[17]認(rèn)為肥料氮中NO3--N容易淋溶主要是因?yàn)镹O3--N極易隨水分移動(dòng)。黃元仿等[18]在研究了北京郊區(qū)畦灌的大白菜地不同施肥條件下土壤無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)及其污染潛力后認(rèn)為：灌水量較大或土壤保持較濕潤(rùn)的條件下,高施肥量能明顯導(dǎo)致上層土壤無(wú)機(jī)氮向下淋洗。郭大應(yīng)等[3]經(jīng)室內(nèi)地中滲透儀實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和對(duì)自然界一些現(xiàn)象的分析，證實(shí)灌溉土壤硝態(tài)氮的累積量與土壤濕度負(fù)相關(guān)。土壤剖面的濕度越小,越有利于上層土壤中的硝態(tài)氮因大量重力水下滲而累積于底土,污染地下水。高濕度土壤,雖然用較少的水就可將上層硝態(tài)氮向下淋洗,但由于機(jī)械彌散和反硝化作用,較少有硝態(tài)氮在底土和地下水中大量累積。習(xí)金根等[19]研究了在滴灌施肥條件下，化學(xué)氮肥施入土壤后的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律以及對(duì)作物生長(zhǎng)的效應(yīng)，得出：三種氮肥（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和尿素態(tài)氮）在沙質(zhì)土和黏質(zhì)土中的淋失量均是硝態(tài)氮肥>尿素>銨態(tài)氮肥。崔遠(yuǎn)來(lái)等[20]采用15N示蹤方法，觀測(cè)分析了氮素在稻田的揮發(fā)及淋失損失規(guī)律特征。結(jié)果表明：雖然節(jié)水灌溉下稻田滲漏液NH4+及NO3-濃度較淹灌高，但由于此時(shí)總滲漏量顯著減少，氮的總淋失較淹灌條件少。李曉欣等[21]通過(guò)監(jiān)測(cè)玉米生長(zhǎng)季前后土壤中硝態(tài)氮含量及不同時(shí)期土壤含水量的變化，對(duì)玉米季硝態(tài)氮的淋失進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，灌溉降雨對(duì) NO3--N在土體中的分布起再分配的作用,玉米季大的灌溉和降雨會(huì)造成NO3--N的淋溶損失。氮肥施用過(guò)量,土體本身NO3--N含量高是造成NO3--N淋失的主要原因。張興昌等[22]、陳效民等[23]研究得出土壤NO3--N淋溶深度及淋失量主要受地面接納水量（降水+灌溉水）影響，還與土壤質(zhì)地、耕作方式、氮肥類型、作物種類、生長(zhǎng)密度、降雨以及地下水位有很大的關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們?cè)谒\(yùn)移方面做了大量研究，為我們以后進(jìn)一步研究水氮運(yùn)移做出了很大貢獻(xiàn)。通過(guò)總結(jié)可以得到以下幾點(diǎn)：第一，硝態(tài)氮是氮素在土壤中存在和運(yùn)動(dòng)的一種形式，易隨水分的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移，容易在濕潤(rùn)鋒邊緣產(chǎn)生積累。第二，硝態(tài)氮的分布規(guī)律還與灌水施肥量、土壤質(zhì)地和本底值等有關(guān)，綜合考慮各種因素重復(fù)試驗(yàn)才能掌握氮素的分布規(guī)律。第三，土壤含水率高，氮肥施用過(guò)量,土體本身NO3--N含量高是造成NO3--N淋失的主要原因。第四，銨態(tài)氮的遷移和分布不受根系發(fā)育狀況及水分供應(yīng)的影響。要針對(duì)不同的作物，因地制宜，綜合考慮各方面因素，合理制定灌水量和施肥量，提倡“少量多次”的優(yōu)化灌施制度，既提高了水肥利用率，又可避免肥料的滲漏而導(dǎo)致環(huán)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]武曉峰，張思聰，唐杰.節(jié)水灌溉條件下冬小麥生長(zhǎng)期田間氮素遷移轉(zhuǎn)化試驗(yàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998：92-95.

[3]郭大應(yīng)，熊清瑞，謝成騫，等.灌溉土壤硝態(tài)氮運(yùn)移與土壤濕度的關(guān)系[J].灌溉排水，2001，20（2）：66-70.

[4]張建君，李久生，任理.滴灌施肥灌溉條件下土壤水氮運(yùn)移的研究進(jìn)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對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分布的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（1）：96-101.

[6]王虎，王旭東，楊瑩.滴灌施肥條件下土壤銨氮分布規(guī)律的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006（1）：51-55.

[7]董玉云，費(fèi)良軍，任建民.土壤質(zhì)地對(duì)單膜孔肥液入滲水分及氮素運(yùn)移的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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.，F(xiàn)ield 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，趙其國(guó).排水采集器原裝土柱中紅壤元素淋溶的研究[J]，土壤學(xué)報(bào)，第 32 卷增刊，1995：178-181.

[13]呂謀超，蔡煥杰，黃修橋.同步滴灌施肥條件下根際土壤水氮分布試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2008，27（3）：24-27.

[14]李久生，饒敏杰.噴灌施肥均勻性對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的田間試驗(yàn)評(píng)估[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（6）：38-42.

[15]袁新民，楊學(xué)云，同延安，李曉林，張福鎖.不同施氮量對(duì)土壤NO3－－N累積的影響 [J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2001，19（1）：8-13.

[16]費(fèi)良軍，脫云飛，穆紅文.膜孔肥液自由入滲土壤銨態(tài)氮運(yùn)移和分布特性試驗(yàn)研究 [J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（3）：193-197.

[17]王小彬，蔡典雄.穩(wěn)態(tài)水流下肥料氮的遷移[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1996，2(2):110-115.

[18]黃元仿，李韻珠.不同灌溉條件下上壤氮素淋漏的研究，現(xiàn)代土壤科學(xué)研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1994，243-247.

[19]習(xí)金根.滴灌施肥條件下氮素在土壤中遷移轉(zhuǎn)化及其生物效應(yīng)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2003.

[20]崔遠(yuǎn)來(lái)，李遠(yuǎn)華，呂國(guó)安，沙宗堯.不同水肥條件下水稻氮素運(yùn)移與轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（3）：280-285.

[21]李曉欣，胡春勝，張玉銘，董文旭.太行山前平原夏玉米生長(zhǎng)季硝態(tài)氮的運(yùn)移研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2005，20（6）：54-57.

[22]張興昌，邵明安.植被覆蓋度對(duì)流域有機(jī)質(zhì)和氮素徑流流失的影響[J].草地學(xué)報(bào)，2000（9）：198-203.

[23]陳效民，鄧建才，柯用春，等.硝態(tài)氮垂直運(yùn)移過(guò)程中的影響因素研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17（2）：12-15.