基于精细管理地区减少氮淋失的管理模型

虽然氮是集约耕作农业系统的重要营养物,但是充分发挥其效率并减少损失非常困难,原因之一是影响土壤残留硝态氮和硝态氮淋失潜力的空间和时间变异性。1999~2001年美国土壤学家Delgado使用氮素淋洗经济分析(NLEAP)模型评价精细管理地区的氮管理效益。氮淋失随管理地区变化,低生产力地区淋失量最大。研究发现生产力是决定硝态氮淋失的重要空间变量,低生产力地区硝态氮淋失量随施肥量增加而增加。除了氮,可以限制产量以减少硝态氮的生长季淋失和土壤残留硝态氮非生长季的有效淋失。基于生产力地区的空间变量施肥比统一施肥的硝态氮淋失量少,且维持最高产量,使用精细管理后第一年可减少硝态氮的淋失率为25%。     

不同灌溉施肥方式下尿素态氮在土壤中迁移转化特性的研究

采用室内土柱模拟试验方法 ,研究了不同灌溉施肥方式下尿素态氮在土壤中的迁移、淋溶和转化特征。结果表明 ,灌水量及水肥供应方式是决定尿素态氮在土壤中迁移、转化和淋失的关键因素。氮素淋溶量随灌水量的增加而增加 ;与浇灌施肥相比 ,滴灌施肥显著地降低了氮素的淋溶损失。在淋失的氮素形态中 ,以尿素态氮为主 ,其次为硝态氮 ,铵态氮的淋失量最低。灌水量低时 ,滴灌施肥铵态氮在土壤上层明显累积 ;灌水量增加后 ,这种累积作用减弱。灌水量低时 ,灌溉施肥的土壤硝态氮变化呈上低下高 ,增加灌水量降低了土壤中硝态氮含量 ;滴灌施肥显著地减少了尿素态氮的淋溶损失 ,增加了土壤中有效态氮的含量。     

不同土壤耕作法对作物产量及土壤硝态氮淋失的影响

针对华北平原小麦—玉米两熟区不同土壤耕法下玉米产量及玉米生育期土壤硝态氮迁移进行研究,结果表明,翻耕模式下玉米产量最高,免耕下最低。在0~180 cm土体中,收获期与苗期相比,翻耕硝态氮含量平均减少了66.6%;旋耕平均减少了21.7%;免耕则平均减少了20.9%。累积峰出现的深度与硝态氮淋失有直接关系。对比3种模式,翻耕累积峰最深,硝态氮淋失威胁最大;免耕无明显累积峰。在施肥、灌溉等影响硝态氮淋失的可控因子以外,从耕作模式上研究硝态氮淋失是今后研究的方向。     

畦灌不同施肥模式对夏玉米田间水氮分布的影响

为了探究夏玉米畦灌条件下适宜的灌溉施肥模式,在大田试验条件下对不同施肥方式(液施和撒施)、液施不同施肥时机和不同入畦流量下土壤水氮空间分布状况及其变化趋势进行了研究。结果表明,灌后2d土壤水分空间分布差异明显小于硝态氮,适当增大入畦流量有助于改善沿畦长方向土壤水分空间分布均匀性。灌后2d不同处理间作物有效根系层土壤硝态氮和土壤水分的贮存效率(土壤有效根系层土壤硝态氮占0—100cm土层中硝态氮的比重)变化都不明显。入畦流量相同时,液施情况下硝态氮沿畦长分布均匀性(介于86.1%~96.9%之间)高于撒施(介于89.3%~89.7%之间)。基于入畦单宽流量为4L/(s·m)、灌水至畦长33%处时均匀施肥的畦灌施肥模式,玉米根系层中土壤水氮含量比重较高,而且土壤水分与土壤硝态氮沿畦长分布均匀性最好,从而形成了有助于作物吸收的均匀的土壤水氮空间分布状态。     

冬小麦不同畦灌施肥模式水氮分布田间试验

基于冬小麦生长期间施用尿素获得的试验观测结果,分析不同畦灌施肥模式下沿畦长土壤水氮空间分布差异,开展畦灌施肥模式田间试验评价,探讨适宜的畦灌施肥运行方式。研究结果表明,畦灌施肥模式差异对有效贮存在作物根系层的土壤水分和土壤硝态氮占0～80 cm土层相应值的比重以及土壤水分空间分布均匀性不产生显著影响,但对沿畦长土壤硝态氮空间分布均匀性的影响却较为明显。基于入畦单宽流量4 L/(s·m)和灌溉全程均匀施肥的畦灌施肥运行方式,可在冬小麦生长期返青水和扬花水灌后2 d的作物有效根系层内,形成相对较高的土壤水氮空间分布均匀性,适合当地生产实践中采用。     

有机肥及DMPP对蔬菜生产及硝态氮淋失的影响

研究在等氮条件下有机无机肥配施及添加硝化抑制剂DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸盐)对蔬菜产量、品质及土壤硝态氮淋失的影响,旨在为蔬菜安全生产和地下水环境质量保护提供理论依据。采用大型原状土柱系统,连续种植3季蔬菜(蕹菜、苋菜和萝卜),以施有机肥的氮素量占总氮施用量的质量分数为依据,设置8个施肥处理:不施肥(CK)、纯化肥(CF)、30%有机肥+70%无机肥(30%OM)、50%有机肥+50%无机肥(50%OM)、70%有机肥+30%无机肥(70%OM)、纯化肥+DMPP(CF+DMPP)、30%有机肥+70%无机肥+DMPP(30%OM+DMPP)和50%有机肥+50%无机肥+DMPP(50%OM+DMPP)。结果表明:1)随有机肥施用比例增大,蔬菜产量呈下降趋势,但施用比例不高于50%时产量下降不显著;随有机肥施用比例增大土壤硝态氮淋失量及蔬菜硝酸盐均降低,50%OM处理土壤淋失液硝态氮平均浓度及淋失量较CF处理显著降低了29.29%和25.39%,氮肥表观利用率及表观淋失率分别为22.60%和8.82%。2)硝化抑制剂DMPP对蔬菜产量和硝酸盐含量的影响与蔬菜种类和种植季候密切相关,降低土壤硝态氮淋失的效果为CF+DMPP30%OM+DMPP50%OM+DMPP,但DMPP的抑制效果会随有机肥的比例增加而降低。50%OM+DMPP处理氮肥表观淋失率和表观利用率分别为4.70%和26.26%。3)试验期间,3季蔬菜水分输入(降雨和灌溉)分别为总水分输入量的49.82%(蕹菜季)、23.03%(苋菜季)和27.15%(萝卜季);水分淋失量为总淋失量的46.75%(蕹菜季)、19.66%(苋菜季)和33.59%(萝卜季);硝态氮淋失量为总淋失量的73.77%(蕹菜季)、2.31%(苋菜季)和23.92%(萝卜季)。研究表明,50%OM+DMPP处理,是保证蔬菜产量品质,同时有效降低土壤硝态氮淋失量的最优处理;降雨和施肥措施是影响土壤硝态氮淋失的重要因素,合理配施有机肥及添加DMPP并根据蔬菜生长需肥特性进行施肥能有效应对连续降雨造成的硝态氮大量淋失。     

日光温室番茄灌水量与根层硝态氮淋溶特征及渗漏关系研究

针对蔬菜灌溉水肥渗漏问题,采用田间试验和室内分析相结合,研究了番茄膜下沟灌灌水量与土壤硝态氮的根层外渗漏关系,分析了灌水量与不同根层土壤硝态氮的淋溶和保蓄特征,结果表明:灌溉不施肥条件下灌水量与土壤硝态氮淋溶量和淋溶率、灌溉施肥条件下灌水量与土壤施入硝态氮的保蓄率和渗漏率均呈直线关系;灌溉均会引起浅根层(0—20 cm)硝态氮淋溶,灌溉施肥条件下7.5～15 mm灌水量范围硝态氮积累有一个峰值,而22.5～45 mm范围则有两个峰值;灌水量在7.5～15mm之间,灌溉不施肥条件下根层土壤硝态氮淋溶率为0,灌溉施肥条件下土壤硝态氮渗漏率为0～5.19%;灌水量在22.5～45 mm之间,灌溉不施肥土壤硝态氮淋溶率为5.38%～19.08%,灌溉施肥条件下根层土壤硝态氮渗漏率为21.91%～61.96%。日光温室番茄膜下沟灌能减少肥料淋溶与渗漏的节水灌水量为15 mm。     

亚热带主要耕作土壤硝态氮淋失特征试验研究

本文选取红壤、水稻土、潮土、黄棕壤和紫色土等我国亚热带地区的主要耕作土壤为研究对象,采用土柱模拟试验,研究了在这些土壤中,氮素累积与硝态氮迁移的动态特征,并对氮素的淋失风险进行了定量评价和预测。结果表明,硝态氮在土壤中的淋失过程可分为两个明显的阶段:高浓度快速降低阶段和低浓度缓慢降低阶段。硝态氮淋失过程存在明显的拐点,该点对应的累积入渗量（拐点入渗量）变化范围为38.1 - 219.7 mm,且随土壤硝态氮含量的增加呈幂函数关系增加,表明随硝态氮含量的增高,其淋失风险呈加速增大的趋势。硝态氮淋失强度随土壤硝态氮含量的增加呈显著的线性变化趋势。初步估测,我国亚热带地区年降水入渗量700 mm和土壤硝态氮累积水平为N 20 mg /kg条件下,表层土壤（0-20cm）的硝态氮年平均淋失量为N 484.9 kg /hm2,土壤间的变异系数（CV）分别为26.5%。土壤硝态氮含量是影响硝态氮淋失强度的决定性因素,其它土壤性质的影响均相对较小,因此,控制土壤氮素累积和化肥施用水平是降低其淋失风险的关键环节。     

不同施肥处理对三峡库区柑橘园土壤氮磷淋失影响

在2017年8月利用原状土柱模拟淋溶试验对三峡库区秭归县柑橘园土壤的氮磷淋溶流失进行研究,探讨不同施肥处理对土壤氮、磷淋失的影响,为三峡库区农业面源污染的防控提供理论依据。试验设置6个处理,分别为不施肥处理(T0)、减量施肥(T1)、常量施肥(T2)、增量施肥(T3)、常量复合肥A施肥(T4)和常量复合肥B施肥(T5)。结果表明:(1)不同施肥处理下,柑橘园土壤淋滤液中总氮(TN)、总磷(TP)、硝态氮(NO_3~-—N)和铵态氮(NH_4~+—N)的淋溶浓度范围分别为37.16~163.07,0.61~6.69,27.54~79.38,2.37~7.10mg/L。(2)施肥量和施肥种类皆为土壤中氮磷淋溶的影响因素。在相同施肥种类下,土壤氮磷淋溶浓度随施肥量增加而显著增加,但施肥量高到一定程度后,淋溶浓度增长幅度会降低。在相同施氮量下,硝态氮的淋失受施肥种类影响最大,铵态氮最小。(3)在土壤淋滤液中,硝态氮为可溶性氮主要淋失形态,其淋失量占TN淋失量的比率为29.72%~46.18%,NH_4~+—N淋失量的比重为1.09%~2.05%。从研究结果推论,常量复合肥A施肥处理更有利于肥料氮向供植物吸收可溶性氮转化并降低施肥后土壤中氮素累积的风险。     

不同水氮用量对日光温室黄瓜季硝态氮淋失的影响

于2010年3～7月,在河北省辛集市马庄农场研究了不同水氮用量对黄瓜季硝态氮淋失的影响,结果表明,通过调节不同生育阶段灌水量使黄瓜全生育期土壤含水量保持在18.7%～22.1%,不仅可以满足黄瓜生长发育对土壤水分的要求,而且可以减少用水量30%。不同处理中以节水灌溉、习惯施氮处理（W2N1）土壤硝态氮含量最高,习惯灌水、减量施氮处理（W1N2）最低。全生育期内,土体95cm深度硝态氮淋失量与土壤含水量、土壤硝态氮含量均呈正相关,其中以初瓜期和盛瓜期相关性系数最高。与农民习惯水氮处理（W1N1）相比,节水减氮处理（W2N2）在节水30%减施氮25%的情况下,可以显著降低黄瓜季土壤硝态氮淋失量,整个生育期降低淋失量35.0%。3年连续试验结果表明,节水减氮处理（W2N2）与习惯水氮处理（W1N1）间黄瓜产量结果差异不显著,说明河北省温室大棚蔬菜生产,目前农民习惯施氮和灌水量有很大的节水节肥空间,根据蔬菜不同生育期需肥量和土壤含水量来合理分配水、氮可取得明显的节水节氮效果。     

间歇和连续喷灌下土壤水分运动特征COMSOL数值模拟与验证

为探明间歇喷灌和连续喷灌条件下的土壤水分运动规律,建立喷灌随时间变化的非均匀灌水边界下的土壤水分二维运动模型,借助COMSOL数值模拟软件,实现模型的求解,并通过土箱试验对模型进行验证,分析不同喷灌模式下土壤水分运动特征,评估喷灌均匀性和喷灌模式对土壤含水率均匀性的影响。结果表明,土壤含水率和土壤湿润峰模拟值与实测值之间的一致性较好。喷灌模式对土壤水分运动过程和含水率均匀度影响不大。随着间歇次数和间歇时长的增加,喷灌结束时表层土壤含水率减小、水分入渗深度增加。喷灌条件下,土壤含水率均匀度高于地表测得的喷灌均匀度。当喷灌均匀度为39.77%～80.15%时,土壤含水率均匀度为88.57%～94.47%。当喷灌均匀度较低、点喷灌强度较高、总灌水量较大时,采用间歇喷灌、增加间隙次数和总间歇时长,可以一定程度降低地表径流和深层渗漏风险、改善土壤含水率均匀性。研究可为喷灌系统设计均匀度合理取值和高效运行提供理论基础。     

滴灌均匀系数对土壤水分和氮素分布的影响

为了确定滴灌均匀系数的设计与评价标准,在日光温室内研究了滴灌施肥灌溉均匀性和施氮量对土壤水氮分布特性的影响。试验中滴灌均匀系数（Cu）设置0.62、0.80和0.96 3个水平,施氮量设置150和300 kg/hm2 2个水平。土壤含水率和电导率采用沿毛管均匀布置的TDR探头（Hydra Probe）连续监测,并定期取土样测试土壤硝态氮和铵态氮含量。结果表明,在作物生育期内3种滴灌均匀系数处理的土壤含水率一直保持很高的均匀系数,滴灌均匀系数和施氮量对土壤含水率均值及其均匀系数的影响均不显著（α=0.05）。土壤电导率及硝态氮含量的均匀性在很大程度上取决于土壤初始氮素含量的均匀性,其均匀系数低于土壤含水率的均匀系数,滴灌均匀系数的影响也不显著。从获得均匀的土壤水氮分布的角度出发,现行滴灌均匀系数标准尚有降低的空间。     

干旱区滴灌均匀系数和灌水量对土壤水氮分布的影响

研究新疆干旱区滴灌均匀系数和灌水量对土壤水氮分布的影响,为滴灌均匀系数设计与评价标准的修订和完善提供依据。供试作物为棉花,试验中滴灌均匀系数(Cu)设置0.65(C1)、0.78(C2)和0.94(C3)3个水平,灌水量设置充分灌水量的50%、75%和100%3个水平。结果表明,棉花生育期内根系层0～60cm土层含水率均匀系数保持在较高水平(0.80～0.97),滴灌均匀系数和灌水量及其交互作用的影响均未达到显著水平。土壤NO3--N含量均匀系数随时间和空间表现出较强的变化特征,在生育期内的变化范围为-0.27～0.92,且低于土壤含水率均匀系数;滴灌均匀系数和灌水量及其交互作用对NO3--N含量均匀系数的影响不显著。干旱区作物生育期降水量难以弥补灌水不均匀对水分分布造成的负面影响,滴灌均匀系数对棉花生育期内根系层土壤含水率均匀系数的影响强于初始含水率均匀性和灌水量。上述结果可供制定干旱区滴灌均匀系数标准时参考。     

滴灌均匀系数和施氮量对白菜生长及产量和品质的影响

为了完善滴灌均匀系数设计与评价标准,在日光温室内研究了滴灌均匀系数和施氮量对白菜生长、氮素吸收、相对叶绿素含量（SPAD）、产量和品质的影响。试验中均匀系数设置0.62、0.80和0.96 3个水平,施氮量设置150和300 kg/hm2 2个水平。土壤多参数传感器Hydra Probe的监测结果表明,白菜生育期内不同处理的土壤含水率和温度变化动态基本一致,而不同处理间的土壤电导率的差异主要是由其初始值不同引起的。当滴灌均匀系数不大于80%时,白菜株高、干物质质量、吸氮量和产量的均匀系数大于灌水和施肥的均匀系数,且滴灌均匀系数对株高、干物质质量、相对叶绿素含量（SPAD）、吸氮量、产量及Vc含量、总糖、硝酸盐、纤维素等品质指标均值和均匀系数的影响均不显著（α=0.05）。因此采用过高的均匀系数,对提高产量和改善品质的作用不明显,采用现行滴灌均匀系数的设计和评价标准（均匀系数Cu≥0.80）不会对白菜的生长、养分吸收和产量造成不利影响,可考虑适当降低。     

喷灌均匀系数对冬小麦需水规律的影响

利用田间试验研究了不同喷灌均匀系数条件下的冬小麦耗水规律及喷灌蒸发漂移损失。试验设置低、中、高喷灌均匀系数处理,喷灌均匀系数的变化范围为62%～82%。试验结果表明,在北京地区冬小麦生育期内,喷洒水利用系数的变化范围为0.64～0.86,利用系数随喷灌均匀系数的增大而增大,随风速的增大而降低。低均匀系数处理的冬小麦耗水量高于高均匀系数处理。试验结果还表明,在所研究的喷灌均匀系数范围内,均匀系数对产量的影响不明显。     

喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

微喷带水量分布特性试验分析

水量分布特性是衡量节水灌溉质量的重要技术指标。为了寻求微喷带水量分布均匀系数的测试方法和评判标准,该文在参照旋转式喷头水量分布特性检测方法的基础上,研究了新型节水灌溉设备微喷带水量分布特性的检测方法,并根据该方法对国内几种典型微喷带的水量分布均匀系数Cu进行了检测。检测结果表明,微喷带的水量分布均匀系数低于旋转式喷头,且不同微喷带之间的差别较大,几种微喷带的水量分布均匀系数Cu最高为78.34%、最低仅为24.55%。据此,分析了影响微喷带水量分布均匀系数的主要因素,并提出了依据水量分布特性将微喷带分成3类,分别用于不同灌溉场合的建议。     

喷灌条件下耕作方式对土壤水分均匀性与冬小麦水分利用效率的影响

为研究喷灌均匀系数对土壤水分、作物产量及水分利用效率的影响,进一步探讨喷灌条件下适宜耕作措施,于2018—2019年冬小麦生长季进行试验,试验设置旋耕(RT)、深松(ST)、深翻耕(CT)3种耕作处理,在每个处理选取18 m×18 m区域将其划分为9个6 m×6 m的小区作为试验区。结果表明:在3种耕作方式下历次喷灌均匀系数均值在63.91%~76.83%,而表层土壤含水量均匀系数均值依然可以达到84.20%~89.83%,较前者高14.48%~31.75%;冬小麦产量均匀系数较历次灌溉均匀系数均值高出9.99%~23.79%,比累计灌溉均匀系数低2.11%~7.85%,与表层土壤含水量均匀系数均值相差0.82%~6.04%。与RT相比,ST和CT处理产量分别提高9.38%,13.22%,水分利用效率分别增加10.61%,12.88%。即相较于历次灌溉均匀系数,冬小麦产量均匀系数受累计灌溉均匀系数与表层土壤含水量均匀系数均值影响更大,且ST、CT为该灌溉条件下适宜的耕作方式。     

玉米冠层对喷灌水量再分配影响的田间试验研究

为了确定喷灌水量通过作物冠层时的分配规律，定量评价作物冠层对喷灌水利用率的影响，该文采用水量平衡法对喷灌条件下的玉米冠层上部、棵间、茎秆下流及冠层截留水量进行了田间观测。试验结果表明，喷灌水经玉米冠层再分配后所形成的棵间和茎秆下流水量分别占冠层上部水量的45.4%和43.0%。截留水量空间分布变化较冠层上部、棵间和茎秆下流水量为大，均值为3.6 mm，变异系数Cv平均值为0.5。由相关分析知茎秆下流水量和棵间水量均随冠层上部水量的增加而线性增加，但茎秆下流水量与冠层上部水量的关系更为密切。冠层上部水量、叶面积和株高对截留量的影响较小。