氮肥运筹对砂壤土麦田土壤水氮分布和利用的影响

袁浩; 王继唯; 张世卿; 马阳; 张帆; 彭正萍; 夏辉; 李旭光; Hao YUAN; Ji-wei WANG; Shi-qing ZHANG; Yang MA; Fan ZHANG; Zheng-ping PENG; Hui XIA; Xu-guang LI

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 112-118.

农田水利

氮肥运筹对砂壤土麦田土壤水氮分布和利用的影响

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Effect of Nitrogen Application on Distribution and Utilization of Soil Water and Nitrogen in Ssandy Loam Wheat Field

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摘要

为解决河北省黑龙港区砂壤质氮肥施用问题，分别设置不施氮肥T1，总施氮量为240 kg/hm²氮肥基追比T2（3∶7）、T3（4∶6）、T4（5∶5）、T6（6∶4）和T6（7∶3）处理。研究小麦水氮利用效率以及土壤含水量、贮水量、氮素动态变化规律。结果表明，砂壤质土壤氮肥基追比3∶7的处理水分利用效率、氮肥生产效率最高，分别为21.00 kg/（hm²·mm）和24.36 kg/kg。土壤含水量随土层深度增加而增加，在60~80 cm聚集。氮肥基追比3∶7的处理土壤贮水量、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N在小麦生育期都有较高值，可以为小麦生长发育提供充足水分和氮素营养。在小麦拔节期0~100 cm土层中NO₃ ^--N累积量最大，NO₃ ^--N有向下淋溶的风险，但是随着小麦生长NO₃ ^--N累积量逐渐减少。因此选用氮肥基追比为3∶7相对较为合理。

Abstract

In order to solve the problem of applying nitrogen fertilizer in sandy soil in Heilonggang Area of Hebei Province， no nitrogen fertilizer is applied， and the total nitrogen application rate is 240 kg/hm² nitrogen base-topdressing ratio treatments at 3∶7， 4∶6， 5∶5， 6∶4 and 7∶3， respectively. The water and nitrogen use efficiency of wheat and the dynamic changes of soil water content， water storage and nitrogen are studied. The results show that the highest water use efficiency （Wue） and nitrogen production efficiency （Nue） of sandy soil at 3∶7 are 21.00 kg/（hm²·mm） and 24.36 kg/kg， respectively. Soil water content increases with the increase in soil depth and accumulates at 60~80 cm. The soil water storage， NH₄ ⁺-N and NO₃ ^--N of the treatment with nitrogen base-topdressing ratio of 3∶7 had higher values in the growth period of wheat， which could provide sufficient water and nitrogen nutrition for the growth and development of wheat. The accumulation of NO₃ ^--N is the highest in 0~100 cm soil layer at jointing stage， and there is a risk of downward leaching of NO₃ ^--N， but the accumulation of NO₃ ^--N decreases with the growth of wheat. Therefore， it is relatively reasonable to choose the nitrogen fertilizer base-topdressing ratio of 3∶7.

关键词

冬小麦 / 氮肥基追比 / 砂壤质土壤 / 土壤水氮分布 / 水氮利用效率

Key words

winter wheat / nitrogen base topdressing ratio / sandy soil / soil water and nitrogen distribution / water and nitrogen use efficiency

基金

河北省重点研发计划(19226425D)

河北省人才工程培养资助项目(A201910003)

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袁浩 , 王继唯 , 张世卿 , 马阳 , 张帆 , 彭正萍 , 夏辉 , 李旭光. 氮肥运筹对砂壤土麦田土壤水氮分布和利用的影响[J].中国农村水利水电, 2021(3): 112-118

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过量施氮和缺水是华北平原高产区农业可持续发展的主要障碍^［1］。氮肥在粮食连续丰收的过程中发挥了巨大作用，但受种植习惯等因素影响，农业生产中氮肥施用不合理，污染物超过土壤承载能力大量残留在土壤中，不仅造成土壤严重污染^［2，3］，甚至对地下水环境造成污染^［4］。水分作为氮肥的载体，同样水分用量不合理甚也会造成作物减产^［5］。依据土壤质地优化氮肥基追比可以提高小麦生产效率，对改善农业生态环境具有重要意义^［6，7］。在小麦生产中农民施肥管理仍存在很大随意性，小麦季施肥量尤其是氮肥用量过大、施肥不均匀，肥料因表施而挥发损失或因漫灌而淋失的现象普遍存在，致使肥料利用率降低^［8］。

施肥是调控作物生长发育和产量构成的重要措施^［9，10］。安婷婷等^［11］曾在2014-2015年和2015-2016年两个时期，对小麦设置了不同的施氮量，发现小麦籽粒产量和籽粒氮素积累和土壤NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N呈显著正相关。袁嫚嫚等^［12］采用田间试验比较了缓释尿素与普通尿素对小麦产量和氮素利用率的影响，发现农民习惯施氮和优化施氮处理在30~60 cm土层的NO₃ ^--N明显淋失。

不同土壤质地有不同性质，但是目前农民盲目效仿，所有质地类型土壤都采用相同施肥方法。砂壤质地土结构松散，黏结能力差，虽然通气性比较好，但是保水保肥能力弱，在施肥灌溉后易造成水分和养分的渗漏，造成资源的浪费。本文针对河北省黑龙港地区砂壤质土壤类型，探索土壤含水量、贮水量、氮素动态变化规律以及小麦水氮利用效率变化，为提高水氮利用效率，减少氮素影响土壤环境提供重要支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018年10月至2019年6月在河北省宁晋县贾家口镇白木村进行，白木村位于37°36′51″N，115°7′23″E，气候属于温带大陆性气候，年平均气温12.8 °C，年平均降水449.1 mm。试验地土质为粉砂质壤土。小麦播种前0~20 cm土壤基础化学性状见表1。土壤0~100 cm土层土壤颗粒含量、土壤容重和田间持水量见表2。试验田内设置小型气象站，小麦全生育期间降水量和日平均气温动态变化见图1。

表1 供试土壤0~20 cm基础化学性状

Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil

土壤

质地

有机质/

(g·kg^-1)

铵态氮/

(mg·kg^-1)

硝态氮/

(mg·kg^-1)

有效磷/

(mg·kg^-1)

速效钾/

(mg·kg^-1)

砂壤质

8.06

13.0

2.3

22.8

5.2

161.3

表2 供试土壤0~100 cm土层物理性状

Tab.2 Soil texture 0~100 cm soil layer basic physical properties

土层/ cm	机械组成/%			容重/ (g·cm^-3)	田间持水量 (质量含水量)/ %
土层/ cm	黏粒	粉粒	砂粒	容重/ (g·cm^-3)	田间持水量 (质量含水量)/ %
0~20	1.7	34.6	63.7	1.53	25.8
20~40	1.8	17.7	80.5	1.69	24.5
40~60	2.2	28.7	69.1	1.63	25.7
60~80	3.5	36	60.5	1.56	25.3
80~100	1.9	27.4	70.7	1.63	26.3

注：国际制土壤质地分类标准。

图1 小麦生长期间温度和降水量动态变化

Fig.1 Dynamic changes of temperature and precipitation during wheat growth

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1.2 试验设计

本试验共计6个氮肥施用处理，即不施氮肥T1、氮肥基追比分别为T2（3∶7）、T3（4∶6）、T4（5∶5）、T5（6∶4）、T6（7∶3），每处理重复3次，共18个小区，小区面积7 m×7 m=49 m²，随机排列。不同氮肥基追比的总纯氮用量均为240 kg/hm^2［13］，各处理除了氮肥外的磷肥（P₂O₅）和钾肥（K₂O）在播种前全部底施，分别为105和135 kg/hm²，具体各处理的施肥方案见表3。2018年10月14日采用15 cm等行距播种。灌水方式采用微喷灌，全生育期灌2水，在播种后、拔节期共进行二次灌水，总灌水量为1 500 m³/hm²。

表3 试验处理及其对应施肥量

Tab.3 Test treatment and corresponding fertilization amount

氮肥施用方式	处理代号	施肥量/(kg·hm^-2)
氮肥施用方式	处理代号	纯氮总量	基肥	追肥	磷肥（P₂O₅）	钾肥（K₂O）
不施氮肥	T1	0	0	0	105	135
基追比3∶7	T2	240	72	168	105	135
基追比4∶6	T3	240	96	144	105	135
基追比5∶5	T4	240	120	120	105	135
基追比6∶4	T5	240	144	96	105	135
基追比7∶3	T6	240	168	72	105	135

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤样品采集与测定

在小麦生长的返青、拔节、挑旗、灌浆和成熟期，每个小区用土钻采集土样，土层深度0~100 cm，每20 cm一层。将土样置于密封袋中，鲜土样采用1 mol/L的KCl溶液浸提，用SmarChem 200全自动化学分析仪测定的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N含量^［14］。同时用烘干法测定土壤中的含水量^［15］。

1.3.2 土壤贮水量和硝态氮累积量计算

土壤贮水量和硝态氮累积量计算公式为：

S = 10 \sum_{i = 1}^{n} {h_{i}}_{} {ρ_{i}}_{} θ_{i}

（1）

A = \frac{1}{10} \sum_{i = 1}^{n} {h_{i}}_{} {ρ_{i}}_{} C_{i}

（2）

式中：S为土壤贮水量，mm；h_i 为第i层土壤厚度，cm；

ρ_{i}

为第i层土壤容重，g/cm³；θ_i 为第i层土壤含水量，g/g；A为土壤硝态氮累积量，kg/hm²；C_i 为第i层土硝态氮浓度，mg/kg。

1.3.3 水分利用效率和氮素利用效率计算

水分利用效率和氮素利用效率公式为：

W U E = \frac{Y}{E T}

（3）

P F P = \frac{Y}{N}

（4）

式中：WUE为水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为产量，kg/hm²；ET为小麦生育期耗水量，mm；PFP为氮肥生产效率，kg/kg；N为施氮量，kg/hm²。

1.3.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行试验数据处理和分析，采用SPSS24.0软件进行显著性检验，显著水平均为0.05。

2 结果与分析

2.1 小麦水分利用效率和氮肥生产效率

见表4所示，T1~T6水分利用效率在14.85~21.00 kg/（hm²·mm），T1处理水分利用效率最低为14.85 kg/（hm²·mm），T2处理水分利用效率最高为21.00 kg/（hm²·mm），不同处理水分利用效率表现为T2>T4>T3>T5>T6>T1，T2~T6的水分利用效率分别是T1的1.41、1.33、1.34、1.16、1.04倍。

表4 小麦水分利用效率和氮肥生产效率

Tab.4 Water use efficiency and nitrogen production efficiency of Wheat

处理	水分利用效率/ （kg·hm^-2·mm^-1）	氮肥生产效率/ （kg·kg^-1）
T1	14.85b	-
T2	21.00a	24.36a
T3	19.79a	22.74ab
T4	19.90a	21.93abc
T5	17.26ab	18.69bc
T6	15.44b	17.80c

随着氮肥基追比的增加氮肥生产效率下降，T2~T6氮肥生产效率呈递减的趋势，T2处理氮肥生产效率最高为24.36 kg/kg，主要由于土壤物理特性，砂壤质土壤颗粒大易造成漏水漏肥，基肥施肥多，但是大部分养分渗漏，小麦得不到充分的吸收利用，而在拔节期追肥量大，小麦会更好的得到充分的吸收利用，由此表明适当调整氮肥基追会促进小麦氮素吸收利用，对小麦生长起到至关重要的作用。

2.2 小麦各生育期土壤剖面水分动态分布规律

图2表明，小麦全生育期内各土层土壤含水量变幅为2.2%~26.1%，土壤表层水分变化波动大，含水量随土层深度的增加而增加，在土层40~80 cm土壤含水量有较高值，因为此土层黏粒多，土壤水毛管力作用大，有利于使该土层储存较多水分。

图2 小麦各生育期土壤剖面含水量动态变化规律

Fig.2 Dynamic change of water content in soil profile during wheat growth stages

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返青期，0~20 cm土层T1~T6含水量变幅为11.3%~14.9%，在60~80 cm土层含水量在19.3%~23.1%，说明土壤水分集中在60~80 cm附近：T5和T6含水量在土层60 cm含水量较高。由于底肥施用量多，随着含水量滞留于土壤下层，小麦根系尚浅不利于小麦生长。拔节期，受灌水影响，各土层含水量较返青期显著上升。与返青期比，T1、T2、T3、T4、T5、T6在0~100 cm含水量分别提高75.7%、59.5%、31.1%、22.7%、42.2%、20.1%，T2水分提高较高，因为追肥多，使土壤溶质水溶液在土壤0~100 cm聚集，此时正处于小麦生长关键期，更好地为小麦生长提供充足的养分。

挑旗期，0~60 cm土壤颗粒大，不利于储存水分，水分容易下渗，造成土壤含水量迅速下降，60~80 cm土壤颗粒结构小，有利于储存土壤中的水分，水分在60~80 cm处累积，不施氮素T1在土层0~100 cm剖面上有较高值，因为此小区小麦长势弱小，吸收土壤中水分和养分少。灌浆期，由于天气干燥，温度升高，土壤表层水分蒸腾作用严重，使得土壤含水量迅速下降。T1~T6的0~40 cm土壤含水量分别降低58.9%、55.2%、67.5%、65.4%、17.8.%、17.7%。成熟期，土壤水分集中在80 cm处，T1~T6分别为16.8%、16.1%、14.6%、19.5%、20.2.%、20.4%。

2.3 小麦各生育期土壤剖面贮水量动态分布规律

如图3所示，小麦各生育期0~100 cm土壤贮水量动态分布随小麦生长的延续土壤贮水量呈上升-下降趋势。小麦播种后145 d（返青期），T1~T6的土壤贮水量相差明显，T1~T6贮水量变幅在209.2~251.2 mm。小麦播种后157 d（拔节期），由于施肥灌溉0~100 cm土壤贮水量升高，T1~T6的土壤贮水量提高13.6%~51.1%，因为施肥量，T2由于土壤颗粒大容重较大，水分在土壤中贮水量显著升高，T1~T6的土壤贮水量分别为339.3、316.1、288.0、281.8、309.2和285.4 mm。

图3 小麦生育期内土壤贮水量的动态变化

Fig.3 Dynamic change of soil water storage during wheat growth stages

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小麦播种后179 d（挑旗期），由于小麦生长需要大量水分造成土壤中贮水量下降，各处理下降比率较大，T1~T6降低变幅为9.3%~26.6%。小麦播种后220 d（灌浆期），温度升高，株间蒸发加速，各处理贮水量显著下降。小麦播种后240 d（成熟期），一方面由于小麦成熟根系死亡，对土壤中水分吸收量下降；另一方面土壤水分向更深层土壤下渗，T1~T6的土壤贮水量分别为167.9、140.5、143.0、174.5、159.0和152.1 mm。T2和T3贮水量值比较低，主要因为土壤中水分与肥料相融，更多的水分在小麦根系被小麦吸收利用所致。

2.4 小麦各生育期土壤剖面NH₄ ⁺-N动态分布规律

如图4表明，小麦生育期土壤剖面NH₄ ⁺-N含量动态变化规律。从整个生育期看土壤剖面的NH₄ ⁺-N含量变化呈升高-下降的趋势，土壤耕作层（0~40 cm）NH₄ ⁺-N含量的变化主要受施肥影响。返青期，从土壤剖面上看相同处理NH₄ ⁺-N含量变化不大，不同处理间相差明显，0~20 cm土层中NH₄ ⁺-N大小为T6>T5>T4>T3>T2>T1。由于底肥施用不同造成，施肥越多NH₄ ⁺-N含量越高。拔节期，由于追施氮肥，表层土NH₄ ⁺-N增加，T2~T6的0~20 cm土壤NH₄ ⁺-N分别提高66.9%、29.5%、19.4%、14.6%、11.1%，T2由于追肥多，表层NH₄ ⁺-N含量高，但深层NH₄ ⁺-N含量仍较低，此时小麦进入快速生长阶段，表层土中NH₄ ⁺-N快速被小麦吸收利用。

图4 小麦生育期内土壤剖面NH₄ ⁺-N动态变化规律

Fig.4 Dynamic change of NH₄ ⁺-N in soil profile during wheat growth stages

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挑旗期，由于小麦生长的需要，T2~T6在40~60 cm的土壤NH₄ ⁺-N快速下降，T2~T6下降幅度为24.9%~48.4%。灌浆期，各处理0~100 cm土层NH₄ ⁺-N含量基本稳定在3.16~8.84 mg/kg。成熟期，土壤剖面0~100 cm土层的NH₄ ⁺-N继续降低，T1~T6土壤中NH₄ ⁺-N都降至4.56 mg/kg以下。

2.5 小麦各生育期土壤剖面NO₃ ^--N动态分布规律

图5表明，在整个生育期砂壤质各土层NO₃ ^--N含量变幅在3.72~40.71 mg/kg，不同处理间土壤表层NO₃ ^--N变化明显。返青期，由于底肥施氮量不同，0~20 cm处T2~T6的土壤NO₃ ^--N是T1的4.40、5.13、5.96、6.04、7.24倍。拔节期，追氮肥导致土壤剖面NO₃ ^--N增加，0~20 cm土层NO₃ ^--N变化最大，T2~T6的NO₃ ^--N分别为40.71、36.98、31.40、24.47、22.20 mg/kg，T2在小麦拔节期追肥多，更好地为小麦生长提供充足氮肥。

图5 小麦生育期内土壤剖面NO₃ ^--N动态变化规律

Fig.5 Dynamic change rule of NO₃ ^--N in soil profile during wheat growth stages

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挑旗期，表层土NO₃ ^--N含量下降，NO₃ ^--N含量集中在40~60 cm，T1~T6分别为18.07、15.12、17.29、24.03、27.23、26.09 mg/kg，T2和T3在此土层NO₃ ^--N含量低，被小麦根系吸收利用，T2和T3由于追肥量多在土层0~20 cm仍有较高值。灌浆期，表层土与底层土NO₃ ^--N相差不大，NO₃ ^--N从表层土到底层土依次下降，在80~100 cmT2~T6处理最高，分别为9.48、18.41、18.50、18.12、24.25、20.38 mg/kg。成熟期，各土层NO₃ ^--N显著降低，0~100 cm各处理平均NO₃ ^--N含量T1~T6依次为5.32、8.59、14.93、14.04、16.77、15.17 mg/kg。

2.6 土壤0~100 cm中NO₃ ^--N累积量

如图6表明，T1~T6不同处理在土壤0~100 cm中NO₃ ^--N累积量动态变化。T1在0~100 cm土层中NO₃ ^--N累积随小麦生育期变化稳定，但T2和T6的NO₃ ^--N累积变化明显。

图6 0~100 cm土壤NO₃ ^--N累积量动态变化

Fig.6 Dynamic change of NO₃ ^--N accumulation in 0~100 cm soil

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小麦播种后145 d（返青期），底肥施氮量越高0~100 cm土层中硝态氮累积越多，T2~T6分别为51.64~75.03 mg/kg。小麦播种后157 d（拔节期），在此时期由于施肥缘故，NO₃ ^--N在0~100 cm明显累积，T2土壤中NO₃ ^--N值最高为95.66 mg/kg。T3和T4的土壤NO₃ ^--N累积较高，此时小麦主要根系尚浅利于小麦吸收利用，虽然T6的NO₃ ^--N累积值较高，但是NO₃ ^--N含量主要在60~100 cm的深层土壤中不利用为小麦提供养分，还会导致NO₃ ^--N向深层淋溶。

小麦播种后179 d（挑旗期），随着小麦生长T2~T6土壤NO₃ ^--N含量下降11.4%~29.9%。小麦播种后220 d（灌浆期），温度升高，土壤硝化细菌活动加强，有利于土壤NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^--N，从而使NO₃ ^--N累积量升高。在小麦播种后240 d（成熟期），此时小麦已经成熟，基本上不会吸收土壤NO₃ ^--N，所以土壤中NO₃ ^--N随水分向深层渗漏。

3 讨论与结论

周加森等^［16］研究表明，氮肥在一定比例，可以提高水氮利用效率，从而达到小麦高产。随灌水量增加，冬小麦水分利用效率逐渐增加；随施氮量增加，水分利用率和氮肥生产效率呈下降的趋势。杨永辉等^［17］发现基追比为7∶3进行3次灌水小麦的水分利用效率最高，显著高于其他处理。张振等^［18］研究发现，在施氮量为240 kg/hm²条件下，氮肥基追比5∶5土壤水利用效率最高。本试验中T2处理（氮肥基追比3∶7）水分利用效率最高，T3~T6随着氮肥基追比越大，水分利用效率和氮肥生产效率降低，但是无明显差异。

赛力汗·赛等^［19］表明，不同生育期土壤垂直含水量变化主要在0~80 cm，含水量在土层0~40 cm变化明显。华北地区含水量随土壤深度增加而增加，深层土壤中含水量较高^［20］。邓振镛等^［21］研究表明贮水量施影响小麦产量主要因素，在小麦生育期内0~100 cm土壤贮水量较高对小麦产量贡献较大。本文研究表明含水量主要受灌水和降水的影响，在土层0~40 cm变化显著，不同的施肥比例对土壤含水量也有影响，氮肥基追比为3∶7处理含水量在全生育期有较高值。本文也表明氮素基追比为 3∶7在小麦生长关键期有较高的贮水量。

施肥量与土壤表层（0~40 cm）NH₄ ⁺-N呈正比，施氮量越多，土壤表层NH₄ ⁺-N含量越高，在土壤下层NH₄ ⁺-N含量变化较小。氮肥基追比对土壤NO₃ ^--N影响大，在基肥施氮量越高，0~100 cm土壤NO₃ ^--N越高。此时小麦根系尚浅，作物吸收微乎其微，在小麦拔节期同时向深层下渗，容易造成NO₃ ^--N的淋溶^［22］。于淑芳等^［23］研究表明NO₃ ^--N的迁移与累积主要发生在0~100 cm层内。拔节期由于追肥，0~100 cm土层NO₃ ^--N累积量超过100 kg/hm²以上，造成土壤环境污染，但随着小麦生长0~100 cm土壤NO₃ ^--N的累积逐渐降低。本研究表明，NO₃ ^--N主要集中在0~40 cm，并随土壤深度增加而下降，不同处理NO₃ ^--N含量存在差异，随灌水时间增加，土壤NO₃ ^--N向深层运动，在60~100 cm累积。

因此，针对黑龙港地区砂壤质麦田推荐总施氮量为240 kg/hm²氮肥基追比为3∶7，此施肥方式小麦水分利用效率和氮肥生产效率均较高，小麦生长的各时期土壤中水氮分布更有利于小麦吸收利用。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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1 材料与方法
1.1 试验区概况
表1 供试土壤0~20 cm基础化学性状
表2 供试土壤0~100 cm土层物理性状
图1 小麦生长期间温度和降水量动态变化
1.2 试验设计
表3 试验处理及其对应施肥量
1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤样品采集与测定
1.3.2 土壤贮水量和硝态氮累积量计算
1.3.3 水分利用效率和氮素利用效率计算
1.3.4 数据处理
2 结果与分析
2.1 小麦水分利用效率和氮肥生产效率
表4 小麦水分利用效率和氮肥生产效率
2.2 小麦各生育期土壤剖面水分动态分布规律
图2 小麦各生育期土壤剖面含水量动态变化规律
2.3 小麦各生育期土壤剖面贮水量动态分布规律
图3 小麦生育期内土壤贮水量的动态变化
2.4 小麦各生育期土壤剖面NH4 +-N动态分布规律
图4 小麦生育期内土壤剖面NH4 +-N动态变化规律
2.5 小麦各生育期土壤剖面NO3 --N动态分布规律
图5 小麦生育期内土壤剖面NO3 --N动态变化规律
2.6 土壤0~100 cm中NO3 --N累积量
图6 0~100 cm土壤NO3 --N累积量动态变化
3 讨论与结论
参考文献

收稿日期	出版日期
2020-05-08	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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