关于土壤养分和水分的研究始终是学科所关注的两大焦点问题,国内外已经取得了极为丰富的研究成果和资料,但是,仍然遗留有许多亟待研究和解决的科学问题。以往研究对于土壤养分全量给予了极大的关注,测定播种前耕层土壤养分状况的居多,监测生长过程中土壤剖面养分消长规律的极少;以耕层养分含量为主要依据确定施肥量居多,考虑地区土壤墒情周年变化特征,确定施肥量和施肥深度者研究较少。本研究正是基于生产实际,瞄准学科发展动向,企图探讨以土壤墒情为主要科学依据,进行“精确时间和精确空间”施肥理论基础的研究,以便使旱地土壤养分和水分能够在时空关系上实现协调。土壤有效养分是土壤肥力和土壤质量的重要指标,这是因为土壤有效养分首先与农作物的产量水平具有高度的相关性,常作为土壤肥力水平诊断的主要依据;土壤有效养分是土壤养分库的直观表现,同时又是土壤潜在养分有效化能力的指示。因此,土壤有效养分表征着自然因素、土壤性质、以及人为的土壤管理水平与使用情况等信息。其次,土壤有效养分是土壤中最为活跃的成分,它的空间移动对于协调养分和水分错位分布具有极为重要的作用。所以,本研究立足于研究土壤中最为活跃的有效养分动态变化特征,分析其与水分状况的基本关系,揭示旱地土壤水分养分时空耦合机制,为旱地土壤水肥管理奠定科学依据。基于上述目标,本研究在关中头道塬旱地农田设置了定位观察点,监测了常规施肥管理模式条件下在冬小麦和夏玉米生育期土壤剖面0～100cm范围内水分和养分的变异过程,揭示现代集约化生产与耕作模式下土壤养分、水分的时空变异规律。取得了如下主要结论:1.相对而言硝态氮素是最为活跃土壤营养成分,它的迁移是土壤剖面上氮素与水分在空间上实现自然协调途径之一。旱地土壤在小麦生育期间硝态氮含量有着明显的空间分布梯度,从表层到底层土壤硝态氮含量明显降低,从表层0～30cm的40mg/kg降低到了70cm左右处的10mg/kg,70cm以下土壤硝态氮含量降低到5mg/kg以下。特别是在很长时期内土壤硝态氮含量为40 mg/kg左右的高峰位于剖面的30～40cm处,并不是在通气和氧化条件较好的表层。30～40cm土壤墒情相对稳定是主要原因。小麦生育期间土壤硝态氮含量有明显的阶段变化特征。在前90天内土壤硝态氮向下迁移,迁移锋面从约60cm推进到约80cm处。90天～120天范围内0～80cm范围内土壤硝态氮素明显被耗竭递减。第120～150天在0～30cm土壤硝态氮仍处于消耗期,在40～80cm处土壤硝态氮迁移递增。从第150天～180天期间0～40cm土层硝态氮处于恢复递增,40cm以下剖面上土壤硝态氮处于基本稳定过程。第180天以后到小麦收获期土壤剖面上硝态氮向下迁移,供后季作物吸收利用。在玉米生育期前30天内,土壤硝态氮素延续了小麦生育期间土壤剖面硝态氮素平衡状态,在第30天以后0～100cm范围土壤整体上处于明显的硝态氮素消耗阶段,下层土壤又恢复到小麦播种前的水平。旱地硝态氮素淋而不失,被作物吸收,自然实现了土壤养分和水分空间协调。2.旱地土壤碱解氮素在剖面上呈现出明显的垂直递减分布梯度,印证着现代施肥制度。小麦生育期间碱解氮的含量时空变化过程呈现出“二元结构特征”,即40cm以上土壤碱解氮含量相对较为稳定,40cm以下层呈现出先增加后减少的趋势,小麦生育中后期土壤深层碱解氮耗竭更为明显;而墒情不稳定的上层土壤碱解氮素变异不大。在玉米生育期间上层0～20cm变异不大。在玉米生育期前30天内在20～70cm土壤碱解氮素有明显递减过程,与玉米根系分布相对较浅有关,第30天以后土壤剖面间接氮素分布状态基本稳定。3.土壤速效磷的垂直递减的梯度更为显著。在小麦生育期间0～60cm范围土壤有效磷从表层13mg/kg下降到5mg/kg,且有随生育过程进行几乎同步持续性降低趋势。既印证了磷肥的使用方式,又反映了深层土壤磷素的生物有效性。尤其是在中后期60cm以下深层土壤速效磷明显被耗竭,土壤剖面上速效磷的耗竭过程证实了旱地土壤根系的延伸过程。在玉米生长阶段土壤剖面速效磷的整体水平较低,上下层之间变异在9mg/kg到3mg/kg,尽管如此,土壤速效磷素仍然表现为明显的水平分布梯度。在玉米生育期0～100cm土壤速效磷素含量水平很低,上下土层变异范围为5mg/kg～3mg/kg之间;随着玉米生长发育进行先在40cm以上土壤速效磷素逐渐增加,后在第60～70天,深层土壤速效磷才增加,深层土壤速效磷的递增与该阶段土壤水分增加有很大关系。从第75天起土壤剖面属于速效磷素的耗竭过程。尽管玉米根系分布较浅,在旱地深层土壤磷素同样具有重要的生物学意义。4.土壤速效钾在小麦生育过程中大多是随时间的变化梯度比随空间变化梯度更加明显,这是因为土壤速效钾受土壤母质类型作用程度较强,人为培肥作用对其影响相对较弱缘故。速效钾在小麦生育前期主要耗竭于50cm以上土层,在第100～170天期间50cm以下土层速效钾耗竭才非常明显,整个小麦生育期间剖面上各层土壤速效钾减小量平均在50～55mg/kg。玉米生育期间土壤剖面速效钾素分布特征呈现出了明显的水平分布梯度,在40～70cm处呈现出低谷。上层0～30cm土壤速效钾含量变异不大,而40～70cm土壤速效钾升降过程明显。尤其在生育后期40cm以下土壤速效钾减少较为明显。5.关中旱地土壤剖面除0～20cm以外,其下层水分显示出较强的整体移动特征,也即土壤水分的增减过程在20～100cm范围内有很强的同步性。而0～20cm水分含量变异性强,也即对于作物生长的安全性和保障率相对低,20cm以下土壤墒情相对稳定,基本上能够稳定在土壤田间持水量的50～80%以上,而且由于土体具有较强和整体移动性能,基本上保证了作物生长免受水分胁迫作用。土壤水分变异特征决定了旱地表层土壤有效养分含量变异性不大,而深层土壤有效养分含量更为重要。