华北小麦—玉米滴灌施肥下水氮运移和N2O排放研究

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原典型的种植制度,两种作物产量约占全国小麦、玉米总产量的1/5,水资源短缺和面源污染等环境污染问题已经成为制约该地区农业可持续发展的主要因素。滴灌施肥技术被公认为是一种具有节水、节肥、减少污染等优点的水肥一体化田间管理措施,在国内外已广泛应用,但是在华北平原粮食作物的应用研究还很缺乏。本研究采用田间试验和生物地球化学模型相结合的研究方法,主要研究了滴灌施肥技术下土壤水氮运移、分布规律,土壤硝态氮累积及其对N2O排放的影响,并利用田间实测试验数据校正了DNDC (DeNitrification-DeComposition)模型水肥一体化模块,应用校正和验证后的DNDC模型提出了多目标调控下的华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统滴灌施肥优化技术。主要研究结论如下：(1)在滴灌施肥条件下,滴灌量会影响滴灌后水、氮的水平和垂直运移,施氮量主要影响滴灌施氮后氮素的水平运移。灌水量越大,滴灌施肥后水分和硝态氮运移的垂直深度越大,当灌溉系数为0.5和1时,水分和硝态氮主要向下运移至60cm土层和80cm以上土层,减少灌水量可以降低灌溉水深层渗漏损失和硝态氮深层淋溶的风险。随施氮量的增加,滴灌施肥后N03--N水平方向上呈现出在湿润土体边缘聚集的现象越来越不明显的特征。滴灌施肥试验中N2(冬小麦和夏玉米施氮分别为189和231kg ha-1)处理湿润土体内土壤养分均匀度最高,合理的施肥量有利于提高滴灌后土壤养分的均匀性,垂直方向上硝态氮没有出现在湿润体边缘聚集的现象。在冬小麦和夏玉米收获后,0-100cm土壤剖面N03--N累积量与施氮量呈正相关关系,0-40cm土层的N03--N增加量显著高于土壤其他层次。(2)灌溉系数≥1可以保持冬小麦-夏玉米整个生育期0-80 cm土层含水量在田间持水量的75%-80%以上。冬小麦生长季中,灌溉系数为1的W3处理水分利用效率最高,达2.28 kgm-3,是测墒补灌试验筛选出的最优灌溉方案。夏玉米生长季由于正值雨季,降水量充足,采用滴灌措施未能提高夏玉米的产量和水分利用效率。在冬小麦季滴灌施肥措施下各处理的氮肥表观损失量介于0-21.59kg ha-1之间,与施氮量呈正相关关系,而常规漫灌施肥处理的氮肥表观损失量高达228.58kg ha-1,远高于滴灌施肥处理。与冬小麦生长季不同,在夏玉米生长季滴灌施肥未能减少氮肥的表观损失。综合氮素吸收利用率、生理利用率、农学利用率和籽粒氮肥吸收利用率等指标,最优施氮量处理为N2处理。(3)滴灌施肥和常规漫灌施肥相比能够减少表层土壤水分和氮肥的损失。从冬小麦拔节期的对比结果来看,滴灌施肥措施土壤蓄水保墒和保肥效果均优于漫灌撒施肥料措施。每次滴灌施氮后土壤硝态氮含量有所增加,N3(冬小麦和夏玉米施氮分别为270和330kg ha-1)处理增加幅度最大。在降雨量很低的冬小麦生长季,滴灌施肥和漫灌施肥都存在明显的氮肥表聚现象,而在降雨量大的夏玉米生长季,两种灌溉施肥方式的表聚现象相对不明显,常规漫灌施肥方式下,夏玉米季存在更大的硝态氮淋失风险。滴灌措施比漫灌措施全年表层土壤水分和硝态氮含量的波动幅度均更小。(4)滴灌施肥措施下各处理N20排放通量均较低,滴灌施肥后N2O排放总体呈现上升式波动的态势,上升波动时间一般大约为3-5天,但是波动幅度均较小,较大的N20排放峰出现在降雨较多的7月份。滴灌施肥处理的排放峰强度和持续时间明显低于常规漫灌施肥处理。在相同施氮量情况下,滴灌施肥比常规漫灌施肥能减少43%的N20排放量。滴灌施肥措施平均直接排放系数和排放强度分别比常规漫灌施肥减少了27%和47%。表层土壤温度、WFPS值和N03--N含量都显著影响滴灌施肥条件下农田土壤N20排放。(5)引入土壤温度参数对DNDC模型水肥一体化模块中NO3-和NH4+库转化为N20的比例系数进行校正,可以提高模型对滴灌施肥措施下土壤N20排放、土壤N03-和NH4+库模拟的准确性。校正后的DNDC模型能够真实的表达滴灌施肥一体化管理措施下,华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统的作物产量、土壤硝态氮浓度动态变化和N20排放通量动态变化及总量。通过校正后模型的模拟分析,华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统,综合作物产量、环境效应和N20排放等多目标的优化滴灌施氮量技术为：冬小麦季滴灌130mm(灌溉系数为1),施氮189 kg Nha-1.夏玉米季滴灌19.2mm(灌溉系数为0.2),施氮231 kg N ha-1,同时玉米生长季将雨季条施取消改为在生长季分4次全部滴灌施肥。