喷灌施肥下农田土壤氮素迁移转化规律及环境效应

喷灌施肥一体技术是一种在大田作物上被采用的灌水施肥方式，合理的喷灌施肥制度对于提高水肥利用效率、减少农田水分与养分损失、降低环境污染风险等具有十分重要的意义。本项目以华北地区冬小麦-夏玉米连作系统为背景，采用大田试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，系统分析不同喷灌施肥量对土壤环境（土壤理化性质、土壤微生物和酶活性等）、土壤氮素迁移转化规律、土壤表层NH3和N2O的挥发过程、氮素深层淋失过程，作物吸氮规律和产量，以及对农田氮平衡和水氮利用效率等的影响，提出喷灌施肥条件下影响氮素转化的主要土壤生物和理化指标，建立不同形态氮素转化的数学模型和根系吸氮模型，揭示喷灌施肥条件下水肥高效利用的调控机制，评估不同喷灌施肥情景下氮素挥发和淋失对环境的影响等，提出喷灌施肥条件下环境友好的水氮高效利用调控阈值。研究成果可为华北地区冬小麦-夏玉米连作农田水肥高效利用和农业面源污染的防控等提供科学依据。

水肥耦合对于提高水肥利用效率、减少农田水分与养分损失、降低环境污染风险等具有十分重要的意义。本项目以华北地区冬小麦-夏玉米连作系统为背景，通过四年大田试验和数值模拟，系统分析不同喷灌施肥量对土壤环境、氮素迁移转化、作物生长等影响，提出了适宜的施氮计划。研究结果显示：.（1）长期大剂量的施用化肥使得土壤pH值下降，且下降程度随着施肥量的增加而增加，表明氮肥的施入造成了土壤酸化。土壤剖面EC值在0.15~0.60ms/cm之间， EC值随施氮量的增加而升高。施氮量高的处理土壤C/N值较大。.（2）喷灌条件下冬小麦农田0~60cm土层土壤水氮动态变化较大，造成水氮淋洗极少。但是夏玉米季产生较大水氮淋洗，深层土壤中（>100 cm）氮素的运移速率为50 cm yr-1。未施氮处理会造成土壤氮素的亏损，单季施氮110 kg ha-1保持相对稳定土壤氮素，而单季施氮大于等于220 kg ha-1时，土壤剖面硝态氮含量显著增加。.（3）施氮处理（单季施氮量110-550 kg ha-1）冬小麦的干生物量、产量和吸氮量分别增加43%~70%、51%~72%、60%~160%，夏玉米的干生物量、青贮产量和吸氮量分别增加20~48%、26%~41%、30%~63%，单季施氮量大于110 kg ha-1并没有增加产量，但是氮素损失总量却达到了施氮量的40%~71%。.（4）施氮后土壤NH3和N2O排放速率显著增加，且随施氮量增加而增加，N2O排放速率小于NH3挥发速率。夏玉米季NH3排放速率高于冬小麦季。不同施氮处理对夏玉米生育期内CO2、CH4的排放没有显著影响。.（5）在综合考虑经济效益和环境效益的情况下，推荐喷灌条件下累积蒸发皿水面蒸发量达到30~70 mm时灌溉，灌水量为0.65×（水面蒸发量-降雨量），且作物单季施氮量为110 kg ha-1。.（6）模拟1952~2012年期间冬小麦生产得到研究区气候生产潜力呈下降趋势。冬小麦季温度增加将缩短作物生育期长度，从而降低产量、生物量和吸氮量；空气相对湿度增加将增加产量、生物量和吸氮量。夏玉米季气象因子的变化对产量和吸氮量没有显著影响。.采用推荐施肥量110 kg ha-1不仅可显著降低农田氮素负荷，同时也减少了N2O和NH3等温室气体排放，提高了氮素利用效率和经济效益，保护了农田生态环境，促进农田可持续利用和发展。