典型潮土土体构型中的水氮运移及县域尺度环境风险评价

发布时间：2017-10-19 08:29

  本文关键词：典型潮土土体构型中的水氮运移及县域尺度环境风险评价

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【摘要】：土体构型是发育在土壤剖面尺度上的物理非均质现象,是整个土体各层次的分布、排列和组合状况,一般由自然和人为作用形成;其作为农业生产重要的立地条件之一,对水分、养分在土壤中的储存、运移以及作物的根系生长都有相当重要的影响,同时也在较大程度上决定了农田的地力水平和农作物产量。本研究依托于中国科学院STS课题和国家自然科学基金项目,以中国科学院封丘农业生态试验站内实测数据和河南省封丘县1200 km2区域内118组土壤剖面实测数据为研究基础,结合以往土壤调查数据,分析研究区垂向土体的土壤质地,确定不同土体构型的分布状况;通过实时试验得到的研究区土壤理化性质、土壤水氮含量等资料,对研究区土壤水分与氮素时空变化特征进行分析并探讨其成因;利用Hydrus-1D模型对研究区土壤水分运动和氮素运移过程进行模拟,并借助于平衡方程和估算模型计算不同土体构型中的水量储存和氮素淋失;对县域范围内的土体构型分布状况进行分析,并用Hydrus-1D软件对其中分布面积较大的几种构型中的水氮运移进行数值模拟,进而结合其它土壤资料和当地种植方式评估其环境风险。这对封丘县及黄淮海平原潮土区的不同土体构型水分与氮素环境风险及农业种植改良有重要意义。本研究得出以下主要结论:(1)通过对中国科学院封丘生态农业试验站内典型潮土构型0~2 m间的土壤采样分析,获取了典型潮土构型的垂向土层质地分布。封丘站内的典型潮土构型浅层质地偏粗,60~90 cm左右出现一层厚度适中的粘土层,向下质地偏中细,属于黄淮海平原主要土类中比较典型的“蒙金土”构型。(2)对中国科学院封丘生态农业试验站内试验地的16个小区进行土壤水氮的长期观测,得到了一个完整的冬小麦—夏玉米轮作期内农田土壤含水量与硝态氮、铵态氮含量数据。土体垂向含水量在时空分布上明显受到灌溉时间和土体构型的影响,在3月至4月、7月至8月出现两次峰值,60~90 cm处粘土层持水能力较强,含水量最高且变化相对平稳;而硝态氮含量的两个峰值出现在施肥和降水之后,浅层硝态氮含量受施肥的影响较大,中层及以下变化趋势较为平稳,60~90 cm处硝态氮含量一直保持在最高水平。铵态氮由于自身吸附性质在土层中变化并不剧烈,但仍会受到施肥的影响。(3)利用Hydrus-1D软件对土壤水分和硝态氮时空变化进行数值模拟,经校正与验证,获得了拟合度较高的水氮模拟模型。全年0~2 m土体中的水储量在450~700mm之间,趋势波动不大,玉米季水储量大于小麦季,2 m处全年均有水分下渗,且玉米季的下渗量明显大于小麦季;全年0~2 m土体中硝态氮累积量均超过50kg/hm2,且累积量随着施肥量的增大而上升,硝态氮淋失量随施肥量增加而增大,玉米季淋失量明显大于小麦季,2 m处出现了较大的氮素下渗。(4)基于对县域范围内多个采样点的土壤粒径分析,借助垂向层次概化图像及土壤图,得到县域范围内土体构型分布状况:县域0~2 m剖面深度范围内,轻壤土与壤土体积占比最大,二者相加超过了50%,其余的依照分布量排序为砂土、粘土和砂壤土;土体构型分布概况以中-细-粗构型为最多,分布概率达到32.31%,其次是中-中-粗、中-中-细、中-中-中,细-细-细,所占比例都超过了10%。(5)利用Hydrus-1D模型对区域内面积占比大的构型进行变上边界水氮模拟,灌水(降雨)和施肥量的上升会使土层中水氮储量上升,下行增强,实施少量多次灌溉有助于减缓水分与氮素向2 m以下的渗漏,但在缺少保水保肥层的砂质构型中,一般的改良措施无法起到很大的作用,2 m以下土层及地下水污染风险较大。
【关键词】：土体构型 水氮运移 Hydrus-1D模型 县域尺度 风险评价
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S151.9;X820.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 土体构型的定义及分类11-12
• 1.2.2 土体构型对土壤中水氮迁移的影响12-14
• 1.2.3 土体构型产生的农学及环境效应14-15
• 1.3 主要研究内容与技术路线15-17
• 第二章 试验材料及方法17-27
• 2.1 研究区概况17-18
• 2.2 试验设计18-22
• 2.2.1 供试土壤及土体构型18-20
• 2.2.2 试验处理20-22
• 2.3 数据获取及模型模拟22-27
• 2.3.1 采样及测试方法22-25
• 2.3.2 Hydrus-1D模型原理25-27
• 第三章 典型潮土构型及其土壤水分动态模拟27-52
• 3.1 典型潮土构型及其剖面特征27-30
• 3.2 剖面土壤水分时空动态分布30-35
• 3.2.1 剖面土壤水分初始含水量30-32
• 3.2.2 剖面土壤水分时间动态分布32-33
• 3.2.3 剖面土壤水分空间动态分布33-35
• 3.3 基于Hydrus-1D模型的土壤水分运动模拟35-52
• 3.3.1 模型的建立35-38
• 3.3.2 土壤水分动态模型率定与验证38-48
• 3.3.2.1 基于小麦季的模型率定38-43
• 3.3.2.2 基于玉米季的模型验证43-48
• 3.3.3 土壤水分储量与平衡分析48-52
• 3.3.3.1 土壤水储量变化状况48-50
• 3.3.3.2 土壤中水量平衡状况50-52
• 第四章 典型潮土构型的土壤氮素动态模拟52-74
• 4.1 土壤氮素时空动态特征52-63
• 4.1.1 剖面土壤氮素初始值分布52-55
• 4.1.2 剖面土壤硝态氮时间动态分布55-57
• 4.1.3 剖面土壤硝态氮空间动态分布57-61
• 4.1.4 剖面土壤铵态氮时空动态分布61-63
• 4.2 基于Hydrus-1D模型的土壤氮素运动模拟63-74
• 4.2.1 模型的建立63-65
• 4.2.2 土壤氮素动态模型率定与验证65-71
• 4.2.2.1 基于小麦季的模型率定65-68
• 4.2.2.2 基于玉米季的模型验证68-71
• 4.2.3 土壤硝态氮累积与淋失状况71-74
• 第五章 县域尺度土体构型空间分布及其环境风险评估74-113
• 5.1 封丘县域内土体构型的三维空间分布74-85
• 5.2 主要土体构型中土壤水氮运移过程分析85-94
• 5.3 县域尺度下不同土体构型的环境预测与风险评估94-113
• 5.3.1 不同土体构型对水氮运移的影响94-98
• 5.3.2 上边界条件变化下的水氮运移预测98-107
• 5.3.3 不同构型风险评估及水氮优化管理107-113
• 第六章 结论与展望113-116
• 6.1 结论113-114
• 6.2 存在的不足与展望114-116
• 参考文献116-123
• 攻读学位期间参加的科研项目及研究成果123-124
• 致谢124-125

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本文编号：1060089