旱地覆膜栽培土壤水热硝酸盐耦合运移机制及模型模拟

Nitrate leaching in drylands has led to nitrate accumulation in deep soil layer in loess area, which not only reduces Nitrogen use efficiency, but also shows the negative effects on environment. Plastic film mulch as a cultivation method which affects on soil water and heat significantly, has played an importantent role in improving food production in this drylands area, however, the mechanism of nitrate leaching under plastic flim mulch is poorly understood. Therefore, this study focuses on nitrate leaching under plastic film mulch in drylands, and takes plastic film mulch as the water-heat factor to couple with rainfall and fertilizer (water and fertilizer factors), to 1) investigate the integrated effects of soil water, heat and fertilizer on the processes of nitrate accumulation and leaching, by field observation using the soil profile moisture and temperature monitoring instruments and in situ leaching (percolating) devices, artifical rainfall experiment, and laboratory analysis; 2) clarify the coupling transport mechanism of soil water, heat and nitrate on the basis of field observation and model simulation; 3) calculate nitrate leaching flux and evaluate the regulatory effect of plastic film mulch on nitrate leaching. We anticipate this study will be useful for controlling nitrate leaching to reduce the negative implication for environment and to improve nitrogen use efficiency in drylands.

黄土区旱地硝酸盐淋失造成土壤深层硝酸盐大量累积，不仅降低了氮肥的利用率，对环境也存在潜在的负面效应；覆膜栽培作为一项强烈影响土壤水热运动的耕作措施，对于黄土区粮食增产起到了积极的作用，而旱地覆膜栽培条件下土壤硝酸盐淋失的机理仍然不明。本研究以旱地覆膜栽培条件下土壤硝酸盐淋失为研究对象，将覆膜栽培作为水热因子，并将其与降雨量（水因子）、施肥量（肥因子）进行耦合，利用土壤剖面水分和温度监测设备及田间原位淋溶（渗漏）装置，通过田间定位监测、野外人工降雨实验及室内理化性质分析，系统研究水热肥耦合作用下农田硝酸盐累积与淋溶过程；结合模型模拟的方法，阐明覆膜栽培下土壤水热硝酸盐耦合运移机制，揭示水热肥耦合作用对硝酸盐淋溶的影响机理；估算硝酸盐淋失通量，评价覆膜栽培对旱地硝酸盐淋失的调控作用，为减少黄土区旱地硝酸盐淋失及其潜在负面环境效应，提高氮肥利用率提供科学依据。

黄土区旱地硝酸盐淋失造成土壤硝酸盐深层大量累积，不仅降低了氮肥的利用率，对环境也存在潜在的负面效应。覆膜栽培作为抗旱保墒的耕作措施，在黄土区大面积推广并对其粮食增产起到了积极的作用，但旱地覆膜栽培条件下土壤硝酸盐淋失关注较少且机理不明。本研究以旱地覆膜栽培条件下土壤硝酸盐运移为研究对象，将覆膜栽培作为水热调控的因子，并将其与施肥进行耦合，利用土壤剖面水热监测设备及田间原位淋溶装置，结合Hydrus模型模拟，系统研究水热肥耦合作用下旱地农田硝酸盐累积与淋溶过程，阐明覆膜栽培条件下土壤水热硝酸盐耦合运移机制，估算硝酸盐淋失通量，探讨覆膜栽培对旱地硝酸盐淋失的调控作用。研究结果表明，1）覆膜栽培玉米生长季土壤硝酸盐动态变化主要表现为膜下表层（0-40 cm）累积，在推荐施肥（180 kg N/ha）情况下，硝酸盐的深层淋溶受到抑制，但在一般施肥（260 kg N/ha）情况下，硝酸盐在160 cm土层范围内表现出显著的淋溶。覆膜栽培下土壤硝酸盐表层累积主要与温度、水分以及施肥量有关；在适当的施肥条件下，垄沟覆膜可以通过水热条件的改善增加作物对氮素的吸收，从而减少土壤硝酸盐的淋溶。2）覆膜栽培抑制了犁底层（20-60 cm土层）暂时性缺水层（自覆盖层）的形成，实现了对小降雨的捕获以及深层水分对表层土壤水分的补充，从而满足了玉米对水分的需求，有利于增产。同时，覆膜栽培下自覆盖层现象的抑制有利于作物生长初期对氮素的吸收，减少了后期土壤硝酸盐的淋溶。3）降雨量决定土壤硝酸盐淋溶特征。降雨量小于30 mm时平作不覆膜土壤硝酸盐垂向迁移不明显，但降雨量大于15小于30 mm时垄沟覆膜下土壤硝酸盐在0-30 cm土层存在垂向与水平的运移。降雨量大于30 mm平作不覆膜与垄沟覆膜土壤硝酸盐均显示出垂向运移。强降雨事件中，土壤硝酸盐均能被淋出作物根区范围，但平作不覆膜在深层土壤溶液中的浓度比垄沟覆膜高。4）通过合适的边界条件的设置，Hydrus2D能很好的拟合土壤剖面水分（R2= 0.75）与硝酸盐（R2= 0.51）的运移过程。模型通量估算与氮素平衡表明，垄沟覆膜配合氮肥垄施减量，不仅能够满足作物生长对氮素的需求，减少土壤硝酸盐残留，也能降低深层渗漏，因此旱地覆膜栽培不仅能提高氮肥利用率，减少氮素的潜在负面环境效应，对减少旱地硝酸盐淋失起着积极的调控作用。