三峡库区小流域土壤氮素迁移转化及调控技术研究

发布时间：2020-06-05 02:29

【摘要】：随着我国人口的迅速膨胀以及化肥用量的增加,大量湖泊、河流、近海域都不同程度地出现水体富营养化现象。三峡库区作为我国重要的湖泊水域和战略水资源库,在其成库后逐渐转变成一个受人工调控程度大、且具有典型湖泊和河流双重特征的深水水库,库周地区的生态环境也因此而发生变化。如何掌控库周地区农业土壤中面源污染元素氮的固定及排放就成为保证水库水质安全及库周农业发展的重中之重。然而,目前国内外的氮素面源污染研究主要集中在对湖泊或江河等自然景观的氮磷迁移上,而对于三峡库区这种大型人工水利工程影响背景下的农业土壤氮素迁移转化乃至农田生态环境变化的研究相对较少。因此,阐明三峡库区紫色土氮素在土壤生态系统中的迁移转化机理及动态过程,选择出有效控制氮素流失的调控技术对于发展“库区生态环境保护”和“农业可持续发展”双赢的新型减排农业,增强库区水域系统及农田系统应对环境气候变化的综合能力具有重要意义。本研究选择三峡库区王家沟小流域为研究对象,在实地采样与实验室分析的基础上,采用地统计学方法分析小流域土壤氮素在三维空间的分布特征,剖析地形因子、土地利用方式以及土层深度对土壤氮素分布的影响,以阐明小流域土壤氮素的基础情况与肥力概况；并以好氧培养的方式描述农业土壤中有机氮在温度、湿度、外源氮素等多重环境因子影响下进行矿化的动态特征,揭示土壤氮素矿化过程与各影响因素之间的相关关系,诠释氮素在土壤生态系统中的转化机理；与此同时,通过室内土柱模拟试验,揭示不同质地土壤氮素在土体垂直剖面上的渗漏淋失规律及动态运移特征,充实对土壤氮素垂直迁移机制的认识；在了解氮素迁移转化行为的基础上,利用田间径流小区试验对比各防控措施在农业生产中运用的实际效果,以筛选出适宜三峡库区农业土壤氮素调控的途径和方法,为库区面源污染控制技术的研发和可持续农业的发展提供一定的科学依据。主要研究结果如下：1.三峡库区小流域土壤氮素空间分布特征以三峡库区王家沟小流域为样区,研究了全氮和碱解氮在流域空间上的分布情况以及地形因子和土地利用方式对其分布的影响。结果表明：土壤全氮在流域中部地区的含量偏高,并呈现出由中部向四周逐层递减的分布规律,土壤碱解氮含量最高的区域出现在中部及南部的海拔最低处,含量最低的区域为小流域的西部和西南部,东部及东北部的碱解氮含量居中。垂直空间的分布上,土壤全氮在0～100 cm垂直剖面上的变化规律较为明显且平缓,各种土地利用方式的土壤全氮含量均表现出随土层加深而逐渐减小的整体趋势,各层次间的含量差异不大,土壤碱解氮在0-60 cm的垂直剖面上仍然表现出随土壤层次加深,其含量逐渐减小的变化趋势,但各层次间的碱解氮含量基本都达到极显著差异(p0.01)。各地形因子对流域内土壤氮素分布的影响较明显。各个坡度上的土壤全氮含量主要集中在1.0-1.5 g/kg之间,低坡度区域土壤全氮含量的分布稳定且适中,高坡度区域的全氮含量则普遍较低,且分布不均；碱解氮含量受坡度影响相对较小,随着坡度的升高或降低,其含量未表现出明显的规律性变化。从坡向上看,除东北坡向的全氮含量较低外,其它各坡向上的全氮含量分布相似,主要集中于1.0-1.5 g/kg之间,只有西南坡向有部分全氮含量较高的地块出现；碱解氮含量的高值则出现在西南坡向,低值出现在南和东南坡向,除此之外的其它坡向上碱解氮含量均适中,且分布均匀。坡位对土壤氮素的影响各不相同,低坡位区域内,土壤全氮及碱解氮含量分布不-高低含量的地块均有出现,而高坡位区域内,全氮及碱解氮含量则较低,未见高值样本的分布,中坡位区域的全氮及碱解氮含量最为适宜,多数集中在80～110 mg/kg之间。不同土地利用方式下土壤全氮含量的高低顺序依次为水田林地桑园旱地撂荒地,而碱解氮含量高低则基本现出水田林地旱地撂荒地桑园的规律性变化。该部分研究对土壤氮素分布的影响因子进行了深刻剖析,阐明了小流域土壤氮素的空间分布情况和基础肥力状况。 2.三峡库区紫色土氮素矿化动态特征采用室内好氧培养的方法,对小流域紫色土中有机氮在温度、水分、外源氮素等多重环境因子影响下发生矿化的动态特征进行了研究。结果表明,紫色土的净氮矿化量在各个阶段均表现出随培养温度升高而逐渐增大的趋势。其中,砂壤土的净氮矿化量在各温度水平间均达到极显著异,而壤土和粘土的净氮矿化量除了在15℃和25℃两个温度梯度间未达到极显著差异外,15℃和35℃之间以及25℃和35℃之间的净氮矿化量均达到极显著差异。而紫色十净氮矿化量对水分变化的响应也非常规律,同样呈现出随水分含量增加,净氮矿化量逐渐增大的趋势,且各水分含量水平间的净氮矿化量均表现出极显著性差异(p0.01)。除此之外,土壤温度和水分还对紫色土氮素的矿化作用产生明显的交互效应。当温度和水分条件均为最低水平时,净氮矿化量呈现出负值,即两者的交互作用导致了矿化进程的反向进行：而当温度和水分条件均为最高水平时,净氮矿化量却并未表现出矿化量的最高值。温度对紫色土矿化作用的影响在一定程度上大于水分含量。外加氮源对紫色土氮素的矿化过程表现出非常明显的促进作用。在不同的温度和水分处理下,添加外源氮素后的净氮矿化量在各个培养阶段均显著大于未添加氮素的净氮矿化量,差异达极显著水平(p0.01),并且当温度和水分含量均较高时,外加氮源的有效性会相应增强,使得有机氮的矿化势大于矿质氮的生物固持,土壤净氮矿化量明显增高。三种质地紫色土的矿化作用在未添加外源氮素的情况下,以壤土的净氮矿化总量最高,粘土次之,砂壤土最低,但添加外源氮素后,三种质地土壤的氮素矿化能力在各温度和水分条件下则呈现出砂壤土粘土壤土的变化趋势。壤土或偏砂质壤土的通气状况良好,因而对土壤系统中好氧微生物种类和活性产生积极作用,促进矿化作用的发生。本研究阐明了土壤质地、温度、水分、外加氮源等因素对紫色土氮素矿化的综合影响,有助于更加深入地诠释土壤氮素的转化机理。 3.三峡库区紫色土氮素渗漏淋失规律以三峡库区紫色土为例,结合小型原状土柱对不同质地土壤的渗漏淋失规律进行了研究和探讨。结果表明,在相同灌水量处理下,砂壤土的水分淋失量相对较大,壤土次之,粘土的水分淋失量最小,水分渗漏淋失量与灌水量显著相关,整个渗漏阶段中水分淋失量的最大值基本都出现在灌水前期(5-10 d)。比较不同氮肥施用量的铵态氮及硝态氮实时淋失浓度,各渗漏阶段均表现出高氮处理最高、低氮处理次之,未施氮处理最低的总体趋势。氮素实时淋失浓度较高值基本都出现在灌水初期(5-30 d),由于该时段的淋失浓度大,而采样间隔时间较短,因此,三种质地土壤的氮素阶段淋失速率最大值就出现在灌水的最初阶段(5-10 d)。不同氮肥施用量处理下氮素的累积淋失浓度在整个灌水期的各个阶段呈现出先增大后减小的总体变化规律。其中,三种质地土壤的硝态氮累积淋失浓度最高值均出现灌水开始后30 d时,而铵态氮累积淋失浓度最高值所出现的时段则根据土壤质地的不同分布各异,其中,砂壤土和粘土的铵态氮累积淋失浓度最高值出现在灌水开始后20 d时,而壤土的最高值则出现在40 d时。进一步分析各种形态氮素的渗漏淋失规律发现,三峡库区紫色土的硝态氮淋失总浓度在各种氮肥施用量处理下均大于铵态氮淋失总浓度,这说明硝态氮在土壤垂直剖面上的移动性大于铵态氮。除此之外,土壤质地不同,硝态氮和铵态氮的垂直移动性也各不相同。其中,未施氮及低氮处理的硝态氮淋失总浓度基本都表现为砂壤土最高,壤土次之,粘土最低,但高氮处理下硝态氮的淋失总浓度则表现为壤土砂壤土粘土；氮肥施用量对三种质地土壤中铵态氮的垂直迁移影响不大,其淋失总浓度在各氮肥施用量处理下均表现为壤土砂壤土粘土。该部分研究阐明了土壤氮素的垂直运移动态变化规律,进一步充实了对土壤氮素垂直迁移机制的认识。4.三峡库区小流域旱坡地氮素流失特征及调控技术在掌握三峡库区小流域土壤氮素空间分布特征以及转化迁移规律的基础上,通过对比不同耕作措施下的水土流失和土壤氮素流失状况筛选出适合于研究区的旱坡地土壤氮素调控技术。结果表明,小流域的降雨期主要集中在6月和7月。其中,6月共产生径流三次,最大径流量为21.96L/m2,泥沙流失量的最高值出现在7月,其值为61.85 t/km2,径流量、泥沙流失量均与平均雨强呈现出显著的正相关关系。实施保护性耕作措施后,径流量和泥沙流失量均出现不同程度的减小整个观测期中,T3(免耕+顺坡耕作+稻草覆盖)和T5(免耕+横坡垄作)处理有效地减少了坡面径流量,而T4(顺坡耕作+植物篱)处理则对径流泥沙的拦截效果最佳。小流域旱坡地土壤中的氮素分别通过径流以及径流泥沙两种途径产生流失。其中,径流中氮素的流失量相对较小,铵态氮、硝态氮以及总氮的径流流失量最大值分别为10.75 mg/m2、44.55mg/m2和291.38 mg/m2,且均出现在常规顺坡耕作处理；与之相反,三种形态氮素的径流流失量最小值则分别为5.63 mg/m2、24.06 mg/m2和152.62 mg/m2,均出现在T4处理,除此之外,T2(顺坡耕作+PAM土壤调节剂)处理也对氮素的坡面径流流失表现出较好的拦截作用。径流泥沙中所携带的氮素流失量相对较大,尤以T1和T6(横坡耕作)处理最为明显,也就是说,除常规顺坡耕作处理外,横坡耕作对泥沙中氮素的固持效应最差；比较而言,T4和T5(免耕+横坡垄作)处理则表现出对泥沙中氮素较强的保蓄作用,其氮素流失量在整个观测期的各次降雨产流中均表现为最小。在整个观测期内,通过泥沙携带发生流失的氮素明显大于径流流失的氮素,泥沙中总氮流失量约为径流中总氮流失量的1.83～3.38倍。泥沙中氮素的流失以硝态氮为主,径流中氮素的流失则以颗粒态为主,颗粒态氮的流失量占总氮流失量的53%-62%。综上所述,在地形地貌复杂的三峡库区,其土壤氮素的空间分布主要表现为坡度、坡向、海拔以及土地利用方式等外部条件的共同作用,从而构成库区小流域土壤氮素的基础肥力特征。土壤温度为主导的氮素矿化动力学理论并不足以解释普遍观察到的紫色土有机氮矿化作用机理,氮素矿化作用的驱动力主要来源于温度和水分含量的交互作用,但这种作用也会随着外源氮素以及土壤质地的不同而发生变化,进而影响到紫色土有机氮矿化的综合响应。氮素在土壤剖面的渗漏浓度及速率很大程度上取决于土壤中粘粒含量的比例以及氮肥施用量的高低。坡面土壤有机氮的转化特征与垂直剖面氮素的迁移规律相辅相成,共同决定了适合于三峡库区小流域土壤氮素流失的调控技术,同时也进一步清楚,调控技术只能在一定的外界环境条件下对土壤氮素的行为进行调节,当外界环境的变化程度超过一定临界值时,人为调控的作用就微乎其微了。今后还需开展三峡库区大区域尺度及全境生态系统和气候带背景下的土壤氮素迁移转化机制研究,以了解整个库区不同类型农业土壤中氮素的基础储备及面源污染潜在风险,并加强土壤氮素矿化机理与微生物活性和生物酶作用的耦合机制研究,与此同时,应创建三峡库区生态农业前提下的野外大型原状土柱观测系统,为三峡库区大区域土壤氮素调控综合技术体系的建立提供更加深入、全面的基础研究数据,以设计、整合出对三峡库区农田氮素最合理、有效的技术调控体系。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X142

【参考文献】