在所有必需营养元素中,氮素是限制植物生长和产量形成的首要因素（陆景陵，1992）。为了满足人口增长对农产品的需求，提高单位土地面积的粮食产量，农田氮肥用量逐年增加。目前，在世界各国的农业生产中，氮肥的生产量和用量均居首位。其中，我国又是世界上氮肥用量最多的国家之一，单位面积的用量也高于世界平均水平，但氮肥利用率仅为30%～41%。研究表明，施用氮肥可以获得明显的增产效果，同时农田中过量氮素通过氨挥发、硝化/反硝化、淋溶损失（Stenberg M et al，1999）和径流损失等方式从土壤-作物系统中损失，造成河流、湖泊等周边水体环境的富营养化污染程度加剧（Smolders A J P  et al，2010）。
 
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；估算硝酸盐淋失的通量，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。

• 氮素的存在形态

我国农业土壤的氮含量通常在0.05%～0.5%的范围内，除少数土类外( 如东北黑土及南方的某些黄壤)，一般氮含量都在0.2%以下，多数土壤的氮含量在0.1%以下。相对而言，土壤中的无机态氮含量很少，在有机质含量较高的表土中，只占全氮量的1%～2%，最多的也不会超过5%～8%，而且随生物吸收利用、气候条件及农业技术措施等发生较大的变化。
黄土高原旱地是我国西北重要的耕地资源，也是全国粮食产量提高潜力最大的区域之一。土壤有机碳氮含量以及土壤供氮能力的强弱对于农业生产有重大的影响，土壤中90%的氮素以有机氮形式存在于有机质中，其余氮素以硝态氮、铵态氮等矿质态氮形式存在。土壤中的有机氮不断进行矿化，形成的矿质氮是作物吸收氮素的主要来源（刘金山，2015）。黄土高原旱地属于我国半湿润到干旱的过渡区域，超过60%的土壤有机质含量低于1%，氮素供应能力差，与作物实际需求形成了尖锐矛盾。在此条件下，为了提高和维持作物产量，大量甚至过量施用氮肥现象普遍存在。过量施氮提高作物产量的同时引起了土壤硝酸盐大量残留等环境问题。许多地方，土壤剖面的硝态氮残留量和残留深度均随施氮量的增加而增加（张宏，2010），硝态氮的淋溶深度可400 cm以上，残留量达1000 kg/hm²以上（Emteryd O et al，1998）。
二、影响农田氮素淋溶的因素
氮素淋溶损失是指土壤中未被作物吸收利用的氮素随着降雨或灌溉水渗入到深层土壤和地下水，并通过沟渠排入河流、湖泊，进而导致农田氮素损失的过程。农田土壤中氮素发生淋溶损失下移必须满足以下两个基本条件：（1）土壤层中要有易移动性氮素累积（主要是硝态氮），该条件既受土壤中氮源和氮汇的控制，又受土壤中不同形态氮素转化过程的控制。（2）土壤中存在水分运动。土壤水分运动是土壤溶质运移的主要制约因素，活跃的土壤水分运动始终是土壤氮素淋溶运移的媒介和驱动力。
1、土壤水分
水是NO₃^--N在土壤中移动的载体，是NO₃^--N淋溶的驱动力量，土壤中NO₃^--N的运动一般与水分同步或略滞后。随着土壤水分减少，NO₃^--N淋溶也有可能相应减少。土壤干旱时，表层蒸发促使水分上移，NO₃^--N随之上升；土壤湿润时，NO₃^--N随水分下渗而下移，在饱和水流条件下引起氮的淋失。
降雨强度大或过量灌水导致的农田氮素大量淋溶损失在氮素急剧下渗运移的过程中表现明显。杜军等（2011）通过在河套开展的灌溉量、施氮量和浅层地下水埋深对春小麦产量和土壤中硝态氮淋溶损失影响的显著性研究中，指出灌溉量越大，土壤水分达到饱和的时间越短，作物来不及吸收更多的水分和养分。在这种条件下，土壤水分下渗的速度就越快，硝态氮更容易被淋洗进入地下水。灌溉量与硝态氮淋溶趋势图中有显著的拐点，即当灌溉量大于3200m³/hm²时，硝态氮淋溶量显著增高。TOUFIQ（2006）研究不同氮肥处理小麦地硝态氮垂向和侧向渗漏情况发现，在小麦播种期硝态氮淋溶损失是氮素损失的主要途径，农田灌溉增大了土壤硝态氮下移渗漏的强度。
冯绍元（2010）的研究表明，当土壤质地相同时，土壤硝态氮含量与降雨强度、施氮量关系密切，土壤中硝态氮浓度变化随降雨强度的增加而增大，当降雨强度达到40～70 mm/h时，硝态氮会淋溶到土壤剖面110 cm以下；随着施氮量增加，各层土壤硝态氮含量也均呈升高的趋势，并向下层土壤快速移动，造成对浅层地下水的污染。
2、施肥方式
化肥的肥效较快，易被作物吸收利用，而有机肥分解缓慢，具有长效性，但不能满足作物生长前期的养分需求，一定比例的有机无机肥料配施，可以满足作物生长并获得较高的产量（郝小雨，2012）。在习斌（2015）的研究中，总氮投入量相同条件下，单施化肥显著增加了氮素淋溶量，而有机无机肥料配施则显著低于等氮量条件下的化肥处理，表观淋溶率降低7.75～19.87个百分点，土壤氮素淋溶损失以NO₃^--N为主，占淋溶水中TN的中80%以上（廖义善，2013）。施用有机肥降低土壤氮淋溶主要是由于有机肥矿化分解过程中微生物消耗了土壤部分氮素，使得矿质氮被固持，土壤中硝态氮累积量降低（杨宪龙，2012）。有机无机肥料配合施用有利于改善土壤理化性质，加速有机肥矿化，促进作物对氮素的吸收，从而提高了氮肥利用效率（Azeez J O et al，2010）。
氮肥施用深度应以作物根系集中分布的土层范围为宜，这样既可以保证氮肥在中层土壤中稳定持久地为作物生长提供充足的养分供应，也有利于减小氮肥因氨挥发、硝化/反硝化及淋洗发生的损失量。对于碳铵、氨水等铵态氮肥,由于都是速效氮肥，深施盖土可以防止挥发，又不易从土壤中淋溶损失；而硝态氮肥在土壤中移动性强，肥效也快，适宜用于旱作农田的定期追肥。此外，氮肥与适量磷、钾肥混施，可以优化土壤养分构成，促进作物对肥料的吸收利用，减小氮肥浪费损失。
3、土壤性质
土壤理化性质不同，如土壤质地、通气性、有机质含量等，对农田氮素淋溶损失的影响也很大。土壤质地不同显著影响其保水、保肥的特性，也对土壤氮素淋失强度造成影响。矿物组成以2:1型黏土矿物为主的土壤，具有相当大的固铵能力，能大大减缓NH₄⁺-N向NO₃^--N的转化，进而减少土壤中易被淋溶的NO₃^--N 含量，阻止了NO₃^--N对水体环境的污染，在此类土壤中氮肥的施用量可适当提高。以1:1型黏土矿物为主的土壤和黏性不大的沙性土壤，其固铵能力很弱，为了控制NO₃^--N对水体的污染，施肥宜按少量、多次施用的原则。土壤质地影响土壤通透性、含水量和土壤有机质的分解速度，进而影响土壤硝化和反硝化作用的强弱程度。
4、耕作方式
在水肥管理措施以外，是否采取耕作以及耕作时间的选择也影响着硝态氮的淋失。耕作易于造成硝态氮淋失的解释是，结构性好的土壤耕作以后产生大的土壤比表面积和短的弥散路径；免耕易于造成硝态氮淋失的解释是，蚯蚓的数量和活性得以提高，形成大的土壤孔径。胡立峰（2006）研究表明，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66.16%；旋耕平均减少了21.17%；免耕则平均减少了20.19%。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。此外，保护性耕作可减少农田水分的非生产性消耗，提高水分生产效率，是实现该地区农业可持续发展的重要途径。
三、覆膜对氮素的影响
地膜覆盖栽培一般都能获得早熟增产的效果（Wang F X，2011），其效应表现在增温，保温、保水、保持养分、增加光效和防除病虫草等几个方面。地膜覆盖不仅直接减弱了降水对土壤氮素的直接冲刷和淋溶，而且从影响土壤理化性质、微生物和植物生长等多个方面间接影响土壤中氮素的迁移（Stevenson F J et al，1999）。
地膜覆盖可以提高土壤积温其原因是因为地膜紧贴地面它具有透光不透气导热系数小。土壤温度的升高，使土壤的理化性质得到改善，促进了植株根系的发育与形成，改善根系在土壤中的分布及增加根系活力，从而增强作物对土壤中氮素的吸收，减弱了氮素的淋溶。张仙梅(Galloway J N et al，2004)证明覆膜方式显著影响玉米干物质积累，覆膜处理玉米各生育时期干物质总积累量及籽粒干物质积累量均显著高于不覆膜处理，说明在黄土高原旱作地区，地膜覆盖显著提高玉米干物质积累量，促进同化物向籽粒转移而增加籽粒产量，覆膜增加了植株和籽粒中氮的积累量且效果显著。然而温度升高又会使根际微生物活动加剧，造成有机质分解加速速效N被迅速释放。
地膜覆盖改变了农田微地形，使土壤中的水、热、肥、微生物、植物、土壤孔隙度等条件也发生了变化，各个因素又影响氮素的迁移转化，而且多种因素相互的耦合作用对土壤中氮素的淋溶更是不可忽视。
四、研究热点与前沿
1、同位素¹⁵N示踪
稳定氮同位素可以有效的示踪氮的来源、运移及其效应，因此，用稳定氮同位素系统研究土壤元素的循环模式与机理是最有效的工具，具有广泛的应用（Fang H et al，2011）。在研究环境因素对整个系统的影响时，目前应用的同位素示踪仍着重于单因素，很少有综合应用于多因素交互作用中的研究。
通过测定土壤中的硝铵态氮和全氮、微生物氮、植物吸收的氮，了解氮肥的迁移转化过程和数量的分布以及氮素在覆膜条件下的利用效率和淋溶状况，为进一步提高氮肥的利用效率奠定了理论基础。
2、耦合模型的构建
定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律，对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。建立在系统动力学和田间试验基础上的土壤-作物系统模型解决田间水肥试验处理多、费时费力、耗资大的问题，已经在作物生产决策、水肥优化管理、环境影响评价等方面得到了非常广泛的应用。Zhou等（2012）将Hydrus-1D模型与WOFOST作物模型耦合，对干旱半干旱地区农田灌溉进行了优化。
 
 
 
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