不同管理措施對(duì)黃土塬區(qū)農(nóng)田土壤水分調(diào)控和硝態(tài)氮淋溶累積的影響

胡錦昇，樊 軍，付 威，郝明德

（1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

氮肥利用率低在我國是一個(gè)較普遍的問題。統(tǒng)計(jì)認(rèn)為，我國主要糧食作物的氮肥利用率為27.5%，且呈下降的趨勢(shì)[1]。黃土高原是我國典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題是降雨偏少且季節(jié)分布不均，施肥偏多但利用率低，缺少有效的保水保肥措施。水分和養(yǎng)分是限制作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，增加氮肥的施用量雖能提高作物對(duì)水分和氮素的利用，增加作物產(chǎn)量[2]，但氮肥利用率隨之降低，可能導(dǎo)致氮素嚴(yán)重殘留和淋溶[3]。如何利用合理的水肥調(diào)控措施提高氮肥利用率、減少氮素?fù)p失和增加作物產(chǎn)量是迫切需要解決的問題。研究表明，施用獲得最大作物產(chǎn)量的氮肥量容易導(dǎo)致大量硝態(tài)氮淋溶累積[4]，相比于單施氮肥，氮磷化肥配施可促進(jìn)作物生長和氮素吸收，是減少土壤硝態(tài)氮淋溶累積的有效措施[5]，但農(nóng)田長期不合理施用氮磷化肥會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)、惡化農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、降低作物產(chǎn)量，造成氮肥利用率降低[6]。因此，實(shí)施氮磷化肥以外的管理措施促進(jìn)作物對(duì)氮素吸收利用，減少硝態(tài)氮?dú)埩艉土苋芗氨ＷC作物產(chǎn)量受到越來越多的關(guān)注。施鉀肥能促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，提高土壤水分利用效率，增加作物抗逆性，緩解土壤質(zhì)量退化[7-8]。華北潮土地區(qū)試驗(yàn)表明，長期施用氮磷化肥后作物產(chǎn)量下降，配施鉀肥能提高氮素利用率，維持產(chǎn)量穩(wěn)定[9]。生物炭能影響土壤持水性和水分入滲，吸附硝酸鹽，提高氮肥的有效性，具有一定的保水保肥性能[10-11]。目前對(duì)生物炭輸入后土壤硝態(tài)氮淋溶狀況的研究并不多見，研究也主要集中于室內(nèi)人工模擬試驗(yàn)[12]。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱狀況，加強(qiáng)微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳、氮的礦化，提高養(yǎng)分有效性[13]。但甘肅定西大田試驗(yàn)顯示地膜覆蓋的增產(chǎn)作用在一定程度上是以耗竭土壤有機(jī)物質(zhì)、養(yǎng)分和水分為代價(jià)的，長期連續(xù)或全程覆膜不僅導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而且也惡化了土壤生態(tài)，使土壤肥力下降，難以持續(xù)高產(chǎn)[14]。改變連續(xù)長時(shí)間地膜覆蓋方式，選取適宜的覆蓋時(shí)期能緩解這一現(xiàn)狀。水分作為土壤硝態(tài)氮運(yùn)移載體，研究認(rèn)為二者存在密切關(guān)聯(lián)，硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，不易被土壤膠體吸附，而隨水淋溶，土壤水分狀況及作物利用水分能影響其在土壤剖面中的累積分布[15]。為了探索有效的水分和氮肥管理措施，提高水肥利用效率，減少硝態(tài)氮淋溶累積，本文通過在渭北旱塬的定位試驗(yàn)，研究在施氮磷化肥基礎(chǔ)上，配施鉀肥、生物炭以及三種不同時(shí)期地膜覆蓋措施對(duì)土壤水分運(yùn)移和硝態(tài)氮淋溶的影響，以期為黃土塬區(qū)旱地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省長武縣中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站 (107°40’E、35°12’N)，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)土壤為黑壚土，母質(zhì)是深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，地勢(shì)平坦，土層深厚。海拔1200 m，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水578.5 mm，季節(jié)性分布不均，降雨集中在7—9月份。冬小麥一個(gè)完整的生長年包括休閑期和生育期，時(shí)間跨度在當(dāng)年7月到次年6月，其中7月至9月為休閑期，10月至次年6月為生育期。2008—2017年冬小麥休閑期平均降水332.7 mm，生育期為225.8 mm(表1)。年均潛在蒸發(fā)量1500 mm，平均溫度9.1℃，塬面大于等于0℃活動(dòng)積溫3688℃，大于等于10℃活動(dòng)積溫3029℃。年日照時(shí)數(shù)2226 h，熱量供作物一年一熟有余，無霜期171 d，地下水位50～80 m，土壤容重1.23～1.44 g/cm3，剖面通透性好，肥力中等。當(dāng)?shù)刂饕魑餅槎←満痛河衩?，冬小麥種植面積占糧食作物的50%以上。

表1 2008—2017年冬小麥休閑期與生育期降水量(mm)Table 1 Rainfall in summer fallow periods and growth periods of winter wheat from 2008 to 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)始于2002年，之前是連續(xù)耕種的傳統(tǒng)農(nóng)田。供試作物為一年一熟冬小麥，品種為‘長航1號(hào)’。試驗(yàn)區(qū)總面積1260 m2，各小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，面積為35 m2(5 m × 7 m)，種植方式為寬窄行種植，寬行60 cm，窄行30 cm。試驗(yàn)所用地膜為60 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜。本研究選取了包括冬小麥不同施肥方式和不同覆膜時(shí)期共7個(gè)處理 (表2)，每個(gè)處理3次重復(fù)，覆膜處理在翻耕時(shí)清除地膜，翻耕后重新覆膜。試驗(yàn)使用的生物炭為雜木 (楊樹、棗樹、槐樹等) 黑炭，購置于當(dāng)?shù)厣虡I(yè)公司，該生物炭的基本理化性質(zhì)：容重0.58 g/cm3，顆粒組成2～0.02 mm占86.29%，0.02～0.002 mm占11.93%，小于0.002 mm占1.78%，pH為8.96，陽離子交換量為20.73 cmol/kg。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土壤硝態(tài)氮含量 在2017年7月冬小麥?zhǔn)斋@期，于試驗(yàn)小區(qū)采集0—300 cm土壤剖面樣品，0—100 cm每10 cm深度取樣，100—300 cm每20 cm取樣，分別混合均勻，于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干后研磨過0.25 mm篩，以1 mol/L的KCl溶液浸提，用UV2300紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。

1.3.2 土壤含水量 在試驗(yàn)小區(qū)利用CNC503B型中子水分儀于2016年4—9月和2017年4—11月每月測(cè)定0—300 cm土壤剖面含水量。0—100 cm土層按每10 cm記錄讀數(shù)一次，100—300 cm土層按每20 cm記錄讀數(shù)一次。

1.3.3 作物生物量 各試驗(yàn)小區(qū)在收獲期隨機(jī)選取長勢(shì)均勻的冬小麥10株，105℃下殺青后在80℃烘干至恒重，測(cè)定生物量。

1.4 土壤水分最大補(bǔ)給深度和消耗深度確定方法

選取2016—2017年冬小麥生長年土壤水分含量增加最大的水分分布曲線和季初的水分分布曲線比較，兩條曲線交叉點(diǎn)即為最大補(bǔ)給深度，若無交叉說明水分補(bǔ)給深度超過測(cè)定的土壤深度；同理，選取土壤水分含量增加最大的水分分布曲線和降低最大的水分分布曲線比較，交叉點(diǎn)即為最大消耗深度，無交叉即表明消耗超過測(cè)定深度。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1 土壤硝態(tài)氮與含水量計(jì)算 土壤硝態(tài)氮累積量計(jì)算公式為：

表2 試驗(yàn)處理詳情Table 2 Experimental treatment details

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式為：式中：A為土壤硝態(tài)氮累積量 (kg/hm2)；h為土層厚度 (cm)；ρ為土壤容重 (g/cm3)；C為硝態(tài)氮濃度(mg/kg)；S為土壤儲(chǔ)水量 (mm)；θm為質(zhì)量含水量(g/kg)。其中土壤容重 0—100、100—200和200—300 cm土層分別取1.34、1.28和1.31 g/cm3[16]。

1.5.2 統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用Microsoft Excel 2013，處理間方差分析和多重比較使用SPSS18.0，繪圖使用Origin 9.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面水分補(bǔ)給與消耗深度

2016—2017年降水量為713.4 mm (表1)，屬豐水年[17]。0—300 cm土壤剖面水分分布動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表明，2016年6月到9月是土壤水分的補(bǔ)給時(shí)期，9月到次年6月是土壤水分的消耗時(shí)期。不同處理不同時(shí)期0—300 cm土壤剖面含水量變化存在差異 (圖1)：不同處理2016年6月和2017年6月土壤水分消耗后，其剖面含水量呈先減少后增大并逐漸趨于穩(wěn)定的變化，對(duì)照處理在整個(gè)剖面含水量都高于其他處理，而其他處理剖面含水量基本一致；2016年9月土壤水分得到補(bǔ)給，各處理剖面含水量隨著深度增加呈逐漸減少趨勢(shì)，其中覆膜處理土壤剖面含水量高于未覆膜處理。水分補(bǔ)給時(shí)期，CK在整個(gè)剖面水分補(bǔ)給基本一致，其他處理水分補(bǔ)給由表層向深層逐漸減少，NP、NPK、NPB和NPFGT處理在200 cm深度以下基本無補(bǔ)給，而NPFFT和NPFWT處理能向更深層補(bǔ)給；水分消耗時(shí)期，CK處理水分在0—300 cm土層減少幅度明顯小于其他處理，施肥與覆蓋措施顯著增加了剖面水分的消耗，NPFFT和NPFWT處理深層水分的變化幅度更大。

不同處理影響了土壤水分最大補(bǔ)給和最大消耗深度，在土壤水分補(bǔ)給時(shí)期，NPFGT處理最大補(bǔ)給深度超過300 cm，其他處理最大補(bǔ)給深度都在260—300 cm之間。在土壤水分消耗時(shí)期，NPFGT處理最大消耗深度最淺，在160 cm，其他處理最大消耗深度均在280—300 cm之間。設(shè)定土壤表層至某一深度土層水分的補(bǔ)給或消耗量占總補(bǔ)給或消耗量的80%，則該層為土壤水分主要補(bǔ)給或消耗深度。由此可見，CK主要補(bǔ)給和消耗深度較NP處理大，其他處理補(bǔ)給深度與NP基本一致；但主要耗水深度存在差異，NPFGT較NP處理減少80 cm，NPFWT、NPK、NPB和NP處理主要消耗深度一致，NPFFT主要耗水深度明顯大于NP處理，增加了40 cm (表3)。

2.2 土壤剖面水分補(bǔ)給量和消耗量

土壤剖面水分補(bǔ)給和消耗的測(cè)定結(jié)果顯示，不同管理措施下，土壤水分補(bǔ)給和消耗量的差異達(dá)到顯著水平 (表4)。在0—300 cm土層，CK、NPK、NPB和NP處理補(bǔ)給量基本一致，NPFGT、NPFFT和NPFWT補(bǔ)給量顯著高于NP處理，分別高32.7%、43.1%和43.5%。NPFWT、NPB、NPFGT、NPK和CK消耗量與NP處理無顯著差異，大小順序?yàn)镹PFWT＞NPB＞NPFGT＞NP＞NPK＞CK，NPFFT 消耗量顯著高于NP，是NP處理的2.0倍。土層0—100 cm是冬小麥根系主要生長層，CK土壤水分補(bǔ)給和消耗量均顯著小于NP處理，其他處理較NP水分補(bǔ)給和消耗量的比較結(jié)果與0—300 cm土層的比較結(jié)果一致。比較各處理0—100 cm和0—300 cm土層年末補(bǔ)給量發(fā)現(xiàn)，前者分別占后者的53.1% (NPFGT)、61.3% (NPFWT)、79.5% (NPK)、79.9% (NP)、116.3% (NPB)、116.3% (CK) 和 136.5% (NPFFT)。這表明，NPK、NP、NPB、CK和NPFFT處理年末水分補(bǔ)給集中在0—100 cm土層，土壤水分的補(bǔ)充與消耗量在100 cm以下基本持平，而NPFGT和NPFWT處理能向深層補(bǔ)給更多的水分。

圖1 不同處理土壤剖面含水量Fig. 1 Water contents in soil profiles under different treatments

表3 不同處理土壤水分補(bǔ)給與消耗深度Table 3 Depths of soil water recharge and depletion in different treatments

2.3 土壤剖面硝態(tài)氮分布

長期連續(xù)施用氮肥會(huì)造成硝態(tài)氮在土壤中淋溶累積。冬小麥連作15年后，在收獲期土壤硝態(tài)氮含量的結(jié)果顯示，不同處理影響硝態(tài)氮在0—300 cm土壤剖面的分布 (圖2)，各處理硝態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在0—20 cm表層土壤，存在氮素表聚現(xiàn)象，CK處理表層聚集的氮素主要來自大氣沉降。CK、NPFGT和NPB處理硝態(tài)氮由表層向下逐漸減少且無累積峰，主要分布在0—20 cm土層，100 cm以下硝態(tài)氮濃度趨于穩(wěn)定，含量低于1.0 mg/kg。NPK、NPFWT、NPFFT和NP處理硝態(tài)氮也隨表層向下逐漸減少，但在30 cm土層以下開始增加并出現(xiàn)累積峰，累積峰出現(xiàn)在30—60 cm土層間。NPK處理50—60 cm土層出現(xiàn)峰值，峰值為3.8 mg/kg；NPFWT處理40—50 cm土層出現(xiàn)峰值，峰值為7.1 mg/kg；NPFFT處理30—40cm土層出現(xiàn)峰值，峰值為14.5 mg/kg；NP處理40—50 cm土層出現(xiàn)峰值，累積峰值最大達(dá)18.8 mg/kg，分別是其他三個(gè)處理的1.3 (NPFFT)、2.6 (NPFWT) 和4.9 (NPK) 倍。其中NPK和NPFWT處理硝態(tài)氮主要分布在0—100 cm土層，100—300 cm硝態(tài)氮含量低于1.0 mg/kg，趨于穩(wěn)定；NPFFT和NP處理硝態(tài)氮主要分布在0—200 cm土層，200 cm以下硝態(tài)氮含量也逐漸穩(wěn)定，但含量高于1.0 mg/kg，也顯著高于其他處理，硝態(tài)氮有向下淋溶的趨勢(shì)。

表4 不同處理土壤水分補(bǔ)給與消耗量 (mm)Table 4 Soil water recharge and depletion in different treatments

圖2 不同處理土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig. 2 Distribution of -N in soil profile under different treatments

2.4 土壤剖面硝態(tài)氮累積量

不同處理對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量有顯著影響 (表5)。0—20 cm土層NP處理顯著高于CK，前者是后者的3倍，其他處理與NP相比，雖有不同程度降低，但均未達(dá)顯著水平。在土壤0—100 cm剖面，NP處理較CK顯著增加了土層硝態(tài)氮累積量，是CK的6.7倍，NPFWT、NPK、NPB和NPFGT較NP處理顯著減少了土壤硝態(tài)氮含量，分別減少了56.5%、63.3%、71.5%和80.5%，NPFFT與NP處理無顯著差異但減少了土壤硝態(tài)氮累積量，減少了61.2 kg/hm2。0—200和0—300 cm土層各處理硝態(tài)氮累積量與0—100 cm基本一致，除NPFFT外，其他處理都較NP顯著減少硝態(tài)氮累積量。在0—20 cm土層，NPFGT和NPB處理硝態(tài)氮累積量占整個(gè)剖面50%以上，是硝態(tài)氮主要累積層；土壤0—100 cm剖面是CK、NPK和NPFWT處理硝態(tài)氮主要累積層，硝態(tài)氮累積量占總累積量的80%左右；而NP和NPFFT處理硝態(tài)氮主要累積層在0—200 cm，硝態(tài)氮累積量占總量的80%以上。

表5 不同處理土壤硝態(tài)氮累積量 (kg/hm2)Table 5 Soil -N accumulation in different treatments

表5 不同處理土壤硝態(tài)氮累積量 (kg/hm2)Table 5 Soil -N accumulation in different treatments

注（Note）：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間在 0.05 水平上差異顯著 Values followed by different letters in a column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.

處理 Treatment 0—20 cm 0—100 cm 0—200 cm 0—300 cm CK 16.9 ± 2.7 b 30.9 ± 2.9 c 38.6 ± 3.3 c 44.1 ± 4.0 c NP 51.4 ± 8.7 a 207.6 ± 2.5 a 271.7 ± 22.0 a 289.8 ± 25.6 a NPK 42.1 ± 5.2 ab 76.2 ± 6.1 bc 88.1 ± 14.3 bc 94.4 ± 10.7 c NPB 39.6 ± 8.7 ab 59.2 ± 8.7 bc 69.0 ± 11.1 c 75.8 ± 12.4 c NPFFT 48.5 ± 9.7 a 146.4 ± 17.0 ab 208.7 ± 26.3 ab 234.2 ± 22.6 ab NPFGT 27.9 ± 6.5 ab 40.5 ± 5.4 c 49.1 ± 4.9 c 56.8 ± 4.2 c NPFWT 47.7 ± 8.8 a 90.3 ± 9.1 bc 105.4 ± 13.1 bc 112.4 ± 18.9 bc

3 討論

3.1 不同管理措施對(duì)土壤硝態(tài)氮累積的影響

不同處理冬小麥連續(xù)15年種植過程中，作物利用和損失使得不施肥農(nóng)田土壤硝態(tài)氮含量越來越低，施氮肥中只有NP、NPFFT和NPFWT處理在0—300 cm有明顯的硝態(tài)氮累積并出現(xiàn)累積峰，其他處理硝態(tài)氮累積不明顯。相較于NP處理，未覆地膜的NPK和NPB處理能顯著降低土壤硝態(tài)氮累積量，連續(xù)多年耕作后未在表層以下形成明顯的累積層。原因在于鉀肥能促進(jìn)作物生長和對(duì)氮素的利用，提高氮肥利用率，增加根區(qū)和根區(qū)外硝態(tài)氮利用，顯著降低氮素盈余[18]。同時(shí)還能增加水分利用率，使得淋失風(fēng)險(xiǎn)明顯減弱，硝態(tài)氮向深層淋溶與累積減少[7]，本研究中，NPK處理硝態(tài)氮累積量顯著低于NP，且主要在0—100 cm土層，累積量達(dá)76.2 kg/hm2，占該處理0—300 cm土層總累積量的80.7%。而NP處理0—100 cm土層硝態(tài)氮累積量為207.6 kg/hm2，只占總累積量的71.6%。施用生物炭能減少土壤硝態(tài)氮的淋溶累積，一方面是因?yàn)樯锾扛纳仆寥赖某炙芰?，同時(shí)能直接吸附土壤中的氮素從而顯著減少硝態(tài)氮淋溶量[19-20]；另一方面，生物炭減緩了吸附的硝態(tài)氮在土壤中的釋放，相當(dāng)于營養(yǎng)元素的緩釋載體，可達(dá)到保肥的效果[21]，有效地提高氮肥利用率和減少氮素?fù)p失。已有研究表明長武黑壚土農(nóng)田添加生物炭量越多，土壤溶質(zhì)阻滯作用越強(qiáng)，相較于不添加生物炭，土壤硝態(tài)氮的淋溶損失量顯著減少，黑鈣土和紫色土區(qū)施用生物炭也大幅度降低土壤中硝態(tài)氮的淋失[22]。本研究結(jié)果也顯示NPB硝態(tài)氮累積量顯著低于NP處理，在0—20 cm土層硝態(tài)氮累積量為39.6 kg/hm2，占到該處理總累積量的52.2%，而NP僅為51.4 kg/hm2，只占其總累積量的17.7%。且配施生物炭較增施鉀肥處理在土壤中硝態(tài)氮累積量少，緩解土壤硝態(tài)氮向下淋溶累積的效果更好，生物炭的施用對(duì)提高旱作農(nóng)田氮素利用率和減少氮素?fù)p失具有積極意義。

相較于NP處理，不同覆膜時(shí)期處理均能減少冬小麥土壤硝態(tài)氮累積量，其中NPFFT土壤剖面硝態(tài)氮累積量僅次于NP處理，有明顯的累積層，而NPFGT處理土壤剖面硝態(tài)氮累積量是除CK外最低，沒有形成累積層。原因在于NPFFT處理在作物休閑期改善了土壤水熱條件，增加了有機(jī)氮礦化和被生物固定肥料氮的再礦化[23]，這一時(shí)期累積的硝態(tài)氮在生育期也能因降水發(fā)生淋溶下移，可造成硝態(tài)氮在土壤中大量淋溶累積，李小剛等[24]研究表明休閑期氮素礦化占到當(dāng)季施氮量的20%，而覆膜較不覆膜氮素礦化增加28%，本研究中NPFFT處理硝態(tài)氮累積量分別是NPFGT和NPFWT處理的4.1和2.1倍。但累積量還是小于NP處理，這是因?yàn)樵谛蓍e期覆膜一方面改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物吸收硝態(tài)氮；另一方面NPFFT較NP處理耗水更深，減少了硝態(tài)氮向下遷移的深度，遷移累積的硝態(tài)氮被作物根系吸收[23]。NPFGT處理在休閑期能有效緩解氮素的礦化，減少表層土壤中硝態(tài)氮含量，在土壤水分恢復(fù)時(shí)避免大量硝態(tài)氮淋溶，生育期覆膜后又能有效抑制土壤水分蒸發(fā)和減少水分無效消耗，顯著增加了土壤含水量，改善冬小麥生長的水熱條件，促進(jìn)根系生長[9]，加強(qiáng)作物根系吸收硝態(tài)氮的能力，進(jìn)一步減少硝態(tài)氮淋溶累積，周昌明等[25]研究表明生育期覆膜作物氮素利用效率顯著大于不覆蓋，本研究中NPFGT硝態(tài)氮累積量只有NP處理的19.6%。NPFWT處理雖在休閑期增加了硝態(tài)氮含量但在生育期為土壤形成了良好的水熱條件，促進(jìn)作物根系發(fā)育以更好地利用硝態(tài)氮，累積量介于NPFFT和NPFGT處理之間，只是在淺層0—100 cm有累積發(fā)生，該層累積量占總的累積量的80.3%。不同覆膜時(shí)期對(duì)土壤硝態(tài)氮淋溶累積的影響表明在作物生育期覆膜可有效地降低農(nóng)田硝態(tài)氮的淋溶累積量。

3.2 土壤水分運(yùn)移與硝態(tài)氮累積的關(guān)系

土壤硝態(tài)氮易溶于水，水分作為硝態(tài)氮運(yùn)移的載體與硝態(tài)氮淋溶累積狀況密切相關(guān)。黃土旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水分布不均且集中于7—9月，多年降水及補(bǔ)給消耗數(shù)據(jù)顯示：冬小麥連作休閑期是水分補(bǔ)給土壤的主要時(shí)期，硝態(tài)氮的遷移和積累也可能主要發(fā)生在這一時(shí)期，生育期降水量和強(qiáng)度雖不及休閑期，但也占到全季的41%，表層濃度高的硝態(tài)氮會(huì)向下淋溶。研究顯示NP處理土壤硝態(tài)氮主要累積在0—200 cm，其水分主要補(bǔ)給深度在0—160 cm，且土壤硝態(tài)氮累積量隨著水分補(bǔ)給量的增加而增加(P＜0.01)(圖3)，證實(shí)硝態(tài)氮在土壤中累積受土壤水分運(yùn)移影響。長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站近十年冬小麥農(nóng)田土壤水分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示水分消耗深度能達(dá)到300 cm左右[26-27]，而降水補(bǔ)給深度一般小于300 cm，且受降水年型的影響，如豐水年或強(qiáng)降雨月份補(bǔ)給深度可達(dá)300 cm而枯水年只有100 cm，但一般而言水分補(bǔ)給深度在200 cm左右，很少超過作物水分消耗最大深度，硝態(tài)氮一般不會(huì)進(jìn)一步隨水向更深層淋溶[28-29]。土壤水分狀況與作物根系對(duì)水分的利用有關(guān)，很大程度上影響硝態(tài)氮的淋溶累積，已有研究認(rèn)為渭北旱塬冬小麥的根系下扎深度超過200 cm，92%根系集中在100 cm以上且呈指數(shù)遞減分布，根系最深可達(dá)300 cm[30]。休閑期補(bǔ)給的水分在作物生育期被消耗，0—100 cm土層是冬小麥根系主要耗水和養(yǎng)分吸收層，同時(shí)作物生育期蒸散量大于降水，使得根系不斷從土壤深層吸收水分，以補(bǔ)給作物利用，耗水深度最大可達(dá)200—300 cm[31]。本研究中，2016—2017年各處理水分最大補(bǔ)給消耗深度雖都在300 cm左右，但水分補(bǔ)給消耗過程主要集中在0—200 cm，深層的水分變化小，這與前人研究結(jié)果一致，可認(rèn)為在土壤中硝態(tài)氮的淋溶累積主要發(fā)生在0—200 cm，且硝態(tài)氮淋溶累積量與水分補(bǔ)給量的變化一致，都向下層逐漸減少。水分補(bǔ)給時(shí)期，覆膜較未覆膜增加了水分補(bǔ)給量，硝態(tài)氮隨水分向土壤下層淋溶增多，其中NPFFT和NPFWT處理增加了土壤氮素礦化量[32]，能向下淋溶更多的硝態(tài)氮。水分消耗時(shí)期，各處理間水分消耗的狀況不同，小麥根系對(duì)土壤不同深度水分和硝態(tài)氮的利用影響硝態(tài)氮在土壤中的累積量和分布狀況[33]。研究認(rèn)為覆膜可減少水分無效消耗、增加作物蒸騰耗水，使水分消耗由物理過程向生理過程轉(zhuǎn)化，提高水分利用效率[34]。當(dāng)季作物生物量表明，NPFGT和NPFWT處理生物量顯著大于NP處理，其他處理雖無顯著差異但較NP處理均能增加生物量 (圖4)，更高的生物量一定程度上表明作物利用了更多的水分和硝態(tài)氮[35]，同時(shí)減少了硝態(tài)氮隨水分進(jìn)一步向深層淋溶。在不同處理中，NPFFT處理土壤硝態(tài)氮累積多而利用少，與NP處理都在0—200 cm大量累積；NPFWT和NPFGT處理消耗大量硝態(tài)氮，NPFWT累積主要在0—100 cm，而NPFGT少量硝態(tài)氮主要集中在0—20 cm；NPK、NPB與NP處理水分補(bǔ)給基本一致，NPB較NPK更有利于作物對(duì)硝態(tài)氮吸收利用，硝態(tài)氮主要累積于0—20 cm，而NPK在0—100 cm累積。水分補(bǔ)給影響了硝態(tài)氮在土壤中累積分布，而水分消耗限制其進(jìn)一步向土壤深層淋溶，配合作物根系耗水及其對(duì)硝態(tài)氮吸收，其結(jié)果是不同處理下土壤剖面硝態(tài)氮累積量和深度存在差異。因此，在旱作農(nóng)田選取合理的管理措施能有效調(diào)控硝態(tài)氮在土壤中的淋溶累積，考慮不同處理對(duì)土壤水分條件和硝態(tài)氮淋溶累積的影響，施氮磷化肥基礎(chǔ)上生育期地膜全覆蓋效果最好，適宜于渭北旱塬冬小麥種植區(qū)采用。

圖3 土壤水分補(bǔ)給量與硝態(tài)氮累積量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water supply and -N accumulation

圖4 2016—2017年不同處理冬小麥生物量Fig. 4 Winter wheat biomass in different treatments during 2016-2017

4 結(jié)論

硝態(tài)氮在土壤中的累積分布與土壤水分運(yùn)移和作物根系吸收密切相關(guān)。不同處理影響土壤水分消耗補(bǔ)給和作物生長，使得硝態(tài)氮在土壤中的累積分布存在差異，其中施氮磷化肥和施氮磷化肥與休閑期地膜全覆蓋處理硝態(tài)氮累積分布在0—200 cm土層，施氮磷化肥配施鉀肥和全年地膜全覆蓋處理硝態(tài)氮主要分布在0—100 cm土層，而施氮磷化肥配施生物炭和生育期地膜全覆蓋處理硝態(tài)氮少量分布于0—20 cm土層。在氮磷化肥配施的基礎(chǔ)上，增施鉀肥、生物炭和覆膜均可以減少土壤硝態(tài)氮?dú)埩衾鄯e量。施氮磷化肥基礎(chǔ)上生育期地膜全覆蓋處理土壤0—300 cm剖面作物收獲期硝態(tài)氮含量最低且無累積峰。且該處理能增加水分補(bǔ)給，減少硝態(tài)氮淋溶深度，改善作物生長，增加生物量，是改善黃土塬區(qū)水肥狀況，產(chǎn)投比較高的冬小麥增產(chǎn)模式。