不同灌溉量与施氮量下稻田裸地氮素运移规律

马艳宝; 童菊秀; 马越; 刘聪; Yan-bao MA; Ju-xiu TONG; Yue MA; Cong LIU

节水灌溉 ›› 2021 ›› (8) : 62-66.

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Study on Nitrogen Transport in Bare Paddy Field Under Different Irrigation Amounts and Nitrogen Fertilizer Application Rates

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摘要

为了优化水稻田的灌溉与氮肥管理，基于不同灌溉水量与氮肥处理条件，在5块农田中开展了野外裸地氮素运移试验，分析了不同田块地表水与土壤水中三氮浓度随时间的变化规律。结果表明铵态氮（NH₄ ⁺-N）在每次施氮肥后浓度会迅速增高，随后降低；硝态氮（NO₃ ^--N）在施氮肥及减少灌溉量后浓度会有明显的增高，在每次施氮肥后3 d内各田块地表水NO₃ ^--N浓度均低于NH₄ ⁺-N浓度，地表水NO₃ ^--N浓度峰值产生时间也滞后于NH₄ ⁺-N；晒田前，土壤水总氮（TN）与土壤水NH₄ ⁺-N浓度随时间的变化规律相似，NH₄ ⁺-N是TN的主要成分；晒田后，地表水与土壤水TN与NO₃ ^--N浓度随时间的变化规律相似，NO₃ ^--N是TN的主要成分。在田1~田5中，田4的水肥模式（施氮量429.3 kg/hm²，灌溉量8 587.5 m³/ hm²，追肥比6∶4）比较适合当地水稻的生长，不仅节约了资源还降低了对环境的污染。此研究结果可为当地节水灌溉与农业面源污染防治提供参考价值。

Abstract

In order to optimize the irrigation and nitrogen fertilizer management in paddy field, field experiments were conducted in five bare farmlands to explore the nitrogen transport under conditions of different irrigation amount and nitrogen fertilizer application rates. NH₄ ⁺-N, NO₃ ^--N and TN concentration in surface water and soil water in each bare farmland were analyzed. The study results showed that the concentration of NH₄ ⁺-N increased rapidly after each application of nitrogen fertilizer and then decreased. NO₃ ^--N concentration increased significantly after the reduction of nitrogen fertilizer application and irrigation amount. Within 3 days after each application of nitrogen fertilizer, the concentration of NO₃ ^--N in surface water was lower than that of NH₄ ⁺-N and the peak generation time of NO₃ ^--N concentration in surface water lagged behind that of NH₄ ⁺-N concentration. Before the field drying, TN and NH₄ ⁺-N concentrations in soil water had similar variations over time, and NH₄ ⁺-N was the main component of TN. After the field drying, TN and NO₃ ^--N concentrations in surface water and soil water varied similarly over time, and NO₃ ^--N was the main component of TN. In the test fields 1~5, the irrigation and nitrogen fertilizer mode of the field 4, with fertilizer rate of 429.3 kg / hm², irrigation amount of 8 587.5 m³/ hm² and topdressing ratio of 6∶4, was more suitable for the local rice growth, which not only saved resources but also reduced environmental pollution. This study results can provide references for water-saving irrigation and non-point source pollution prevention.

关键词

地表水与土壤水 / 氮素浓度 / 灌溉量 / 施氮量

Key words

surface water and soil water / nitrogen concentration / irrigation amount / nitrogen fertilizer application rate

基金

国家自然科学基金资助项目(42072271)

中央高校基本科研业务费资助项目(2652018179)

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马艳宝 , 童菊秀 , 马越 , 刘聪. 不同灌溉量与施氮量下稻田裸地氮素运移规律[J].节水灌溉, 2021(8): 62-66

Yan-bao MA , Ju-xiu TONG , Yue MA , Cong LIU. Study on Nitrogen Transport in Bare Paddy Field Under Different Irrigation Amounts and Nitrogen Fertilizer Application Rates[J].Water Saving Irrigation, 2021(8): 62-66

0 引言

随着现代农业的不断发展，对尿素的需求量不断增长，但研究发现过多的尿素投入并不会提高农作物的品质，还会造成资源浪费与环境污染等问题^{[1, 2]}。且我国农业发展面临水资源供求矛盾的挑战，灌溉水利用率较低^{[3, 4]}。近几十年来国内外学者越来越重视施氮量与灌溉量对农作物生长的影响，有学者研究了不同灌溉方式与施氮量时，土壤中无机氮及铵态氮（NH₄ ⁺-N）和硝态氮（NO₃ ^--N）的浓度分布^[5]。在中国江汉平原，减少氮肥施用量能显著降低总氮（TN）与总磷（TP）的淋失，并维持或提高水稻产量^[6]。有人基于¹⁵N示踪方法，分析了不同水肥处理下氮素在稻田中的时空分布、运移、挥发及淋溶损失规律^[7]，但其取样间隔时间太长，没有详细地分析氮素分布规律。已有的研究大多分析不同水氮处理对作物产量、氮素利用及经济效益的影响^[8-12]，较少对土壤水与地表水中氮素的分布规律以及氮素运移过程进行详细描述。因此，本文选取不同灌溉水量与不同施氮量时的5块裸田，在每次施氮后进行密集取样，详细分析不同田块中地表水与土壤水中氮素浓度随时间的变化规律，并根据水稻的对氮素吸收的特性，在种植水稻前选定了适宜当地的水肥管理模式，此研究可为当地节水灌溉与农业面源污染防治提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概括

试验于2020年10-12月在湖北省荆门市武汉大学农谷试验研究基地进行。试验区位于东经112°47′~112°58′、北纬30°42′~31°05′之间的鄂中地区，地势东北高、西南低，该地属亚热带季风气候，年平均气温16.3 ℃，平均降雨量为1 112.4 mm，温暖多雨，相对湿度为77%，全年日照时数约为1 873.2 h，全年蒸发量1 339.2 mm左右，试验区基本理化性质见表1。

表1 试验区土壤的基本理化性质

土壤深度/cm	粒级分数/%			饱和含水率/(cm³·cm^-3)	初始铵态氮/(mg·kg^-1)	初始硝态氮/(mg·kg^-1)	初始总氮/(g·kg^-1)	pH值	土壤容重/(g·cm^-3)
土壤深度/cm	砂粒2.000~0.050 mm	粉粒0.050~0.002 mm	黏粒＜0.002 mm	饱和含水率/(cm³·cm^-3)	初始铵态氮/(mg·kg^-1)	初始硝态氮/(mg·kg^-1)	初始总氮/(g·kg^-1)	pH值	土壤容重/(g·cm^-3)
0~10	5.6	56.5	37.9	0.492 4	8.68	10.80	0.886	6.83	1.389
10~20	26.8	42.0	31.2	0.444 8	8.00	7.75	0.646	6.87	1.501
20~30	32.9	41.4	25.6	0.425 0	6.67	6.80	0.468	6.86	1.688

1.2 试验设计

图1为试验区5块农田的总体布置图，田中均未种植水稻，每块田块大小为15 m×7 m，试验田间用混凝土隔开，田埂高20 cm，氮肥种类为尿素（总氮含量＞46％）。田1与田5采用当地农民推荐的田间施氮量（613.2 kg/hm²），其余三块田则减少30％的施氮量（429.3 kg/ hm²）。田1~田3采用当地常规灌溉量（约11 139 m³/ hm²），田4与田5采用干湿交替节水式灌溉，灌水量较常规式灌溉约减少22.9％（约8 587.5 m³/ hm²）。除了田2的两次施肥比为8∶2外，其余四块田均为6：4，试验田第一次施氮肥时间为2020年10月3日，第二次施氮肥时间为2020年10月19日，在地面无积水后施氮肥，施氮量及灌溉总量见表2，试验期间平均温度与各田块补给水量随时间的变化见图2。试验从第一次施氮肥灌水后的第1 d开始，在晒田前田块1~田3一直处于淹水状态，田块4至田5处于干湿交替的状态，田块1~田5从第23 d开始晒田，晒田后都采用干湿交替灌溉。根据水稻根系分布特征，本研究在0~30 cm处取土壤水样，分3层为0~10、10~20和20~30 cm^{[13, 14]}。

图1 水稻田总体布置图（单位：m）

注：取样管A、B每块田各设3个，分别取10、20、30 cm深度的水样，陶土头取样D仅设于节水式灌溉田块，为了防止在田间水较少情况下，取样管A、B均无法正常取水。监测管C每块田仅设一个，通过水位变化决定是否灌水。

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表2 各田块施氮量及灌溉总量

田块	施氮总量/（kg· hm^-2）	第一次施氮量/ （kg· hm^-2）	第二次施氮量/ （kg · hm^-2）	施肥比	灌溉量/（m³· hm^-2）
田1	613.2	367.95	245.25	6∶4	11 139.0
田2	429.3	343.35	85.95	8∶2	11 139.0
田3	429.3	257.55	171.75	6∶4	11 139.0
田4	429.3	257.55	171.75	6∶4	8 587.5
田5	613.2	367.95	245.25	6∶4	8 587.5

图2 温度与各田块补给水量随时间变化图

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1.3 水样的收集与测量

田间地表水样用60 mL注射器进行抽取，土壤水样用PVC取样管A、B和陶土头取样装置获取，具体构造见图3，取样时间间隔在晒田前为1~2 d，晒田后为7~10 d，所取水样为了保证数据的准确性要在24 h内测定完，测定前通过真空抽滤装置用孔径为0.45 μm的滤膜将水样中的悬浮物杂质滤除，再添加相应化学试剂进行测量，水样检测方法见表3。

图3 取土壤水装置图（单位：cm）

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表3 水样检测方法

检测指标

检测方法

分析仪器

NH₄ ⁺-N

纳氏试剂光度法

AOE UV-1000 分光光度计

NO₃ ^--N

紫外分光光度法

AOE UV-1000 分光光度计

过硫酸钾氧化紫外分光光度法

AOE UV-1000 分光光度计

华泰不锈钢压力蒸汽灭菌器

PVC取样管A与B结构一致，分别在各田块中的位置不同。在图3（a）中，PVC取样管顶部与底部均带有堵帽，防止管底水与雨水渗漏进去，上堵帽处钻有直径6 mm的小孔，将6 mm粗的软管深入PVC管内，一直延伸到底部，在距PVC管底部约5~8 cm的管壁上均匀钻取三排直径约为3 mm的小孔，取样时通过使用60 mm注射器抽取软管来抽取进入PVC管内的土壤水。图3（b）中的陶土头是一种专业的取土壤水装置，通过压力泵使负压瓶内形成负压，从而使土壤水通过陶土头进入负压瓶中，在试验开始的前一周时将PVC自制管与陶土头预埋到田间相应的位置，之后田内保持自然状态。

2 结果与分析

2.1 地表水三氮浓度变化规律

5个田块的地表水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N与TN浓度随时间变化规律展示如图4所示。由图4（a）可见，各田块中地表水NH₄ ⁺-N浓度的变化趋势相似，第一次施氮肥1 d后NH₄ ⁺-N浓度增大，第3 d后达到峰值，随后开始下降。田1~田3中地表水NH₄ ⁺-N浓度较小，这是由于在施氮肥当天第一次灌水后发生降雨，田1~田3中地表积水较深，稀释了NH₄ ⁺-N。田5的灌溉量小，对氮素的稀释与淋溶作用小，且施氮量最高，因此地表水中NH₄ ⁺-N浓度最高；田3和田4虽然施氮量相同，但田4灌溉量小于田3，因此田4地表水NH₄ ⁺-N浓度要高于田3。

图4 地表水中NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N与TN浓度随时间变化图

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在第一次施氮肥后的16 d进行第二次施氮肥，第二次施氮肥1 d后地表水NH₄ ⁺-N浓度就明显增大，第3 d时达到峰值，随后开始下降。田2由于第二次施氮量很小，故地表水NH₄ ⁺-N浓度增加较小，在第二次施氮肥后减少灌溉量，田1~田5地表水中NH₄ ⁺-N浓度都比第一次施氮肥要高。田5 中地表水NH₄ ⁺-N浓度依然大于田1，虽然田3灌溉量大于田4，但田3的NH₄ ⁺-N浓度在第17 d与18 d却高于田4，这是田4在这两天的硝化作用比田3强而导致的。

由图4（b）可见，在第一次施氮肥后3 d内，田1~田5中地表水NO₃ ^--N浓度没有明显变化，远低于此时地表水NH₄ ⁺-N浓度，随后浓度不断增大，在第7 d达到峰值，之后开始下降，在第15 d的时候田1~田5的地表水NO₃ ^--N浓度下降变慢，这是由于12 d与14 d灌水量减小，减小了氮素的稀释与淋溶作用，同时增强了硝化作用。田4与田5灌溉量小，降低了NO₃ ^--N的淋溶作用，同时地表水NH₄ ⁺-N浓度较高，田间的干湿交替状态导致硝化作用强烈，所以地表水NO₃ ^--N浓度较高，同理田4地表水NO₃ ^--N浓度高于田3。田1与田2中地表水NH₄ ⁺-N浓度较小，田块大多时候处于淹水状态，不利于硝化作用，因此地表水NO₃ ^--N浓度较小。

地表水NO₃ ^--N浓度在第二次施氮肥后3 d左右才开始增大，在第5~6 d达到峰值。在第一次施氮肥后23~29 d时进行晒田，硝化作用增强，反硝化作用减弱，因此再次灌水后地表水NO₃ ^--N浓度会增加。田5施氮肥多而灌溉水少，吸附在表层土壤的NH₄ ⁺-N较多，因此经过晒田后，田5的地表水NO₃ ^--N浓度最高。在第一次施氮肥42 d后发现地表水NO₃ ^--N浓度的下降速度变慢，甚至田1的NO₃ ^--N浓度增大，这可能是在42 d至52 d期间产生了多天降雨，部分吸附在土壤颗粒上的NH₄ ⁺-N在雨水冲刷的作用下进入地表水中，通过硝化作用使田面水的NO₃ ^--N浓度升高。52 d后温度降低很快，硝化作用明显下降^{[15, 16]}，经过灌溉淋溶与反硝化作用导致田间NO₃ ^--N浓度不断降低。

由图4（c）可见，在第一次施氮肥后5 d内，由于地表水NO₃ ^--N浓度较小，地表水NH₄ ⁺-N和未分解的有机氮占总氮的大部分，随着氮素的流失，各田块地表水TN的浓度不断降低，接着由于地表水NO₃ ^--N浓度快速增大，各田块地表水TN浓度略增大，之后随着地表水NH₄ ⁺-N与NO₃ ^--N浓度的不断降低，各田块地表水TN的浓度也不断降低。第二次施氮肥由于减少了灌溉量，各田块地表水TN浓度急剧增高，田2施氮量最少灌溉量最多导致浓度上升的很小，各田块峰值出现的时间与地表水NH₄ ⁺-N出现的峰值较为接近，随后浓度不断降低。在晒田后，各田块地表水NH₄ ⁺-N的浓度很低，地表水TN主要由NO₃ ^--N组成，故灌水后地表水TN浓度增大，田5地表水NO₃ ^--N浓度最高，因此其地表水TN浓度也最高。

2.2 土壤水三氮浓度变化规律

2.2.1 NH₄ ⁺-N

不同深度土壤水NH₄ ⁺-N浓度随时间变化如图5所示。在图5（a）中，各田块10 cm深度土壤水NH₄ ⁺-N浓度变化规律不明显，可能是由于土壤表层通透气好，加上不断受到淋溶作用，NH₄ ⁺-N变化较快的原因。在图5（b）中，各田块在土壤20 cm深度处与地表NH₄ ⁺-N浓度变化的趋势基本一致，但下降的幅度要大于地表水的NH₄ ⁺-N浓度，在第7 d时各田块20 cm深度土壤水NH₄ ⁺-N浓度较低。田1~田3在20 cm深度土壤水的NH₄ ⁺-N浓度大于田4~田5，而地表水NH₄ ⁺-N浓度却是田4与田5的比较高，这是由于田1~田3灌溉量多于田4~田5，导致地表尿素分子与NH₄ ⁺-N大量向下运移淋溶，且土壤中氧气供应不充分，硝化作用消耗的NH₄ ⁺-N较少，因此田1~田3中土壤水NH₄ ⁺-N浓度较高。田4与田5灌溉量相同，但田5的施氮量较高，故NH₄ ⁺-N与尿素的淋溶量比田4多，在20 cm深度处NH₄ ⁺-N浓度大于田4。在第二次施氮肥时减少施氮量与灌溉量，淋溶到20 cm深度的NH₄ ⁺-N量也变少，并且增强了硝化作用，故各田块20 cm土壤水NH₄ ⁺-N浓度的峰值比第一次施肥后的低。各田块在第一次施氮肥后的29 d左右20 cm深度处NH₄ ⁺-N浓度较低且趋于稳定，这是由淋溶、挥发和硝化等作用导致的。在图5（c）中，各田块30 cm深度与20 cm深度的土壤水NH₄ ⁺-N浓度变化相似，但浓度均大幅度低于20 cm深度，田4~田5在30 cm深度比20 cm深度的NH₄ ⁺-N浓度降低了30%~50％，而灌溉量较大的田1~田3则降低了80~90％，可见随着灌溉量的增加，不同深度土壤水中NH₄ ⁺-N浓度变化较大。

图5 不同深度土壤水NH₄ ⁺-N浓度随时间变化图

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2.2.2 NO₃ ^--N

各田块不同深度土壤水中NO₃ ^--N浓度随时间的变化规律如图6所示。由图6（a）可见，在第一次施氮肥后5 d内，各田块10 cm深度处的NO₃ ^--N浓度未出现明显变化，这是由于NO₃ ^--N极易向下淋溶，加上第一次施氮肥后有降雨，各田块处于淹没状态，土壤内通气不足，反硝化作用远远大于硝化作用，不断消耗10 cm深度的NO₃ ^--N，导致NO₃ ^--N浓度较低。在5~7 d时，地表水的NO₃ ^--N浓度逐渐增大到第一个峰值，因此地表水向下淋溶到土壤中的NO₃ ^--N相对增多，且这段时间内田1~田5的灌溉量减少，对施氮肥量较大灌溉量最小的田5影响最大，增强了硝化作用，导致田5的NO₃ ^--N浓度增加，在10~12 d期间，灌溉量进一步减少，田4的NO₃ ^--N浓度也开始增加。田1~田3在大多时都处于淹水状态，在晒田之前其NO₃ ^--N浓度较低。在第一次施氮肥后23 d对田1~田5进行晒田，晒田5d后再次灌水，除了田1与田2外，其他3块田在10 cm深度处的NO₃ ^--N浓度都大幅度增加，在晒田后均是间隔3~4 d灌水一次，各田块大多时处于干湿交替状态下，与淹水状态相比，硝化作用增强，淋溶作用降低，从而使得土壤10 cm处NO₃ ^--N浓度增加，在52 d后温度都低于5 ℃，硝化作用减弱，NO₃ ^--N浓度受到反硝化作用与灌溉水稀释而不断降低。

图6 不同深度土壤水NO₃ ^--N浓度随时间变化图

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由图6（b）可见，20 cm深度与10 cm深度的NO₃ ^--N浓度总体变化趋势相似，在第一次施氮肥7 d后田4与田5的20 cm深度NO₃ ^--N浓度开始增加，在15 d后开始降低，经过施氮与晒田后所有田块20 cm深度NO₃ ^--N浓度都开始增加，之后经过干湿交替式灌溉，大多数田块20 cm深度处NO₃ ^--N浓度继续增加，虽然田5的NO₃ ^--N浓度没有增加，但是其下降速度减小。由图6（c）可见，土壤30 cm深度处NO₃ ^--N浓度较低，这是由于NO₃ ^--N受到强烈的淋洗与反硝化作用引起的。在17 d时，田5在30 cm深度处的NO₃ ^--N浓度大幅度增加，随后又急剧下降，而在20 cm深度的NO₃ ^--N浓度则是急剧下降随后上升，这是进行第二次施氮肥后20~30 cm处的NO₃ ^--N淋溶作用突然加强引起的。

2.2.3 TN

各田块不同深度土壤水TN浓度随时间的变化规律如图7所示。在图7（a）中，第一次施氮肥后23 d进行晒田，之后各田块10 cm深度处土壤水TN浓度与NO₃ ^--N浓度随时间的变化规律相似，在晒田后田5土壤10 cm处的TN浓度大于田4，在大约40 d后，田4中土壤10 cm处TN浓度又大于田5，这与田4~田5在10 cm深度处的NO₃ ^--N浓度变化一致，可见晒田后，NO₃ ^--N含量在TN中占主要部分。由图7（b）~图7（c）所示，在23 d晒田前，各田块20 cm与30 cm深度处的TN和NH₄ ⁺-N浓度变化的总体趋势一致，每次施氮肥后浓度都会增加，不同的是，田5在20 cm深度处的TN浓度要大于田1，而NH₄ ⁺-N浓度却低于田1，NO₃ ^--N浓度差别不大，可能是田5中含有较多的有机氮。在晒田后，土壤吸附的NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^--N，因此增加了土壤水中的TN浓度，在晒田后减少灌溉量后，TN下降趋势变缓，甚至田3~田5中20 cm和30 cm处的TN浓度略微增加，可见各田块在晒田后20 cm和30 cm处的TN与NO₃ ^--N浓度变化趋势大致上相似。

图7 不同深度土壤水TN浓度随时间变化图

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NH₄ ⁺-N是水稻生长过程中最需要的氮素，研究表明NH₄ ⁺-N对整个生育期内水稻的生长起着主要作用，水稻的产量与NH₄ ⁺-N施用量呈显著正相关，然而水稻生长并不完全依赖于NH₄ ⁺-N，田中应该存在一定的NO₃ ^--N供水稻吸收^[17]。将试验期间取样数据分析可得，田1~田3除晒田期外大多数处于淹水状态，NH₄ ⁺-N与NO₃ ^--N总体浓度都不高；田5由于硝化作用最强导致NO₃ ^--N浓度非常高，NO₃ ^--N容易向深处淋溶从而造成氮素浪费与环境污染；田4与田5相比减少了30％施肥量，地表至土壤30 cm深度的NH₄ ⁺-N总浓度却仅降低9.5％，减少了主要根部吸收区的NH₄ ⁺-N流失，而且NO₃ ^--N总浓度降低了46.3％，降低了对环境的污染风险，故田4的水氮处理模式比较适合当地水稻田。另外，在第一次施氮肥灌水后遭遇了强降雨，增加氮肥量与补给水量都会加剧氮素运移，从而导致前期田1~田3中地表至地下30 cm深度的氮素浓度都很低，故在进行施肥灌水时应尽量避开强降雨天气。

3 结论

（1）各田块的地表水NH₄ ⁺-N浓度在每次施氮肥后会迅速增高，随后降低，在第二次施氮肥时，施氮量与灌水量都减小，各田块地表水NH₄ ⁺-N浓度峰值比第一次施氮肥后的浓度峰值高。20 cm与30 cm深度土壤水NH₄ ⁺-N与地表水NH₄ ⁺-N的总体变化趋势相一致，在第二次施氮肥时，施氮量与灌水量的减小，减弱了NH₄ ⁺-N的淋溶作用，各田块不同深度的土壤水NH₄ ⁺-N浓度峰值比第一次施氮肥后的浓度峰值低。

（2）各田块地表水NO₃ ^--N浓度的峰值产生时间滞后于NH₄ ⁺-N，每次施氮肥3 d内的总体浓度低于地表水NH₄ ⁺-N，每次施氮肥与减少灌溉量和晒田后，各田块地表水NO₃ ^--N浓度增加。田1~田3淹水时间较长，不同深度土壤水NO₃ ^--N浓度较低，田4~田5长时间处于干湿交替状态，不同深度土壤水NO₃ ^--N浓度较高，其中田5施氮量最高，灌溉量最少，不同深度土壤水NO₃ ^--N浓度最高。

（3）在晒田前，各田块20 cm和30 cm深度处土壤水的TN浓度变化趋势与NH₄ ⁺-N相似，NH₄ ⁺-N是TN的主要成分。在晒田后，各田块地表水与不同深度土壤水中NH₄ ⁺-N浓度较低，土壤水与地表水的TN的变化趋势与NO₃ ^--N相似，NO₃ ^--N是TN的主要成分。

（4）在进行施氮肥灌水时应尽量避开强降雨天气，在当地进行稻田种植时，预期田4的水肥模式是最好的处理方式。

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收稿日期	出版日期
2021-02-27	2021-08-10
发布日期
2021-08-10

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