吉林西部苏打盐渍土区土壤水氮空间分布特征及行为模拟

发布时间：2018-01-04 07:34

  本文关键词：吉林西部苏打盐渍土区土壤水氮空间分布特征及行为模拟　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：吉林西部位于松嫩平原西部,受气候及人为因素影响,生态环境脆弱,土壤盐渍化严重,未利用土地面积占吉林省未利用土地面积的一半以上。为开发利用吉林西部的盐渍化荒废土地资源,吉林省实施了土地整理项目,将盐渍化荒地开发为水田,目前吉林西部新增开发水田已达到15.2万公顷。但是,伴随着水田面积的增加,不合理灌溉与施肥极易引起局部地段的土壤次生盐渍化以及土壤氮素迁移和淋失,不仅降低氮肥利用率,影响水稻的产量,还可对地下水和地表水造成污染。因此在灌区进行合理的水肥措施调控水盐氮、改良盐渍土、提高水肥效用、增加水稻产量成为保障粮食安全,实现农业可持续发展等急需解决的重要问题。本文依托国家自然科学基金项目 苏打盐渍土区区域水田开发的盐份迁移响应研究‖和吉林省自然科学基金项目 苏打盐渍土区水田生态系统水盐氮互馈过程及模拟研究”,以吉林西部大安灌区为研究区,通过资料收集、样品采集和室内试验,结合经典统计、地统计分析方法和DSSAT(Decision Support System for Agrotechnology Transfer)模型模拟方法,开展了研究区土壤水氮空间分布特征、水氮行为和水稻生长动态模拟研究,通过研究得到主要结论如下:(1)通过野外布点采样测试与分析,研究了大安地区土壤水分、贮水常数和氮素的空间分布及变异特征,分析了不同土地利用类型对不同深度土壤含水量分布特征的影响。结果表明叉干乡西部、中部月亮泡至新平安一线、东部的联合等区域表层土壤含水量较高;非盐碱土壤含水量随土壤深度增加逐渐递减,盐碱土壤含水量先减小后增加;吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量呈四周高中间低的空间分布特征,东西方向上的变化幅度很小;实际贮水量由西向东,由北向南,实际贮水量均呈现逐渐升高的变化趋势;土壤硝态氮含量呈现由东到西逐渐减少的分布规律,土壤氨氮含量呈现东西方向变化不大、南部和北部高中间低的分布规律,土壤全氮由西向东呈指数形式增加,由南向北先增加后减小。(2)结合试验与数据分析,利用RETC软件和EXCEL软件对土壤水分特征曲线和土壤水分扩散率进行拟合,建立了土壤水分特征曲线和土壤基本理化性质之间的土壤转换函数模型及土壤水分扩散率的经验函数模型,并根据土壤转换函数得到了土壤饱和导水率,对土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率和饱和导水率的分布特征及空间变异性进行了分析,并研究了盐碱化对土壤水力学参数的影响。结果显示研究区不同土壤类型不同深度土壤水分扩散曲线均可以用指数函数进行描述,土壤含盐量对土壤水分扩散率有较显著的影响,在土壤含水量较低时(0.3cm3/cm3),土壤含盐量越高,土壤水分扩散率越大。van Genuchten模型适合描述研究区土壤水分特征曲线。盐碱地0-20cm、20-40cm和60-80cm土壤饱和含水量属于中等变异强度,40-60cm和80-100cm属于弱变异强度,非盐碱地剖面各层土壤饱和含水量均属于弱变异强度;非盐碱地40-60cm土壤的α值为弱变异强度,盐碱地和非盐碱地其他土层α值均为中等强度变异;除盐碱地80-100cm土壤的n变异系数为18.81%属于中等强度变异外,其它均为弱变异强度;在盐碱地剖面上,除60-80cm土层外,饱和导水率随土壤深度逐渐增大,在非盐碱地剖面上饱和导水率值均呈先增大后减小趋势,盐碱地土壤饱和导水率的变异性较非盐碱地大。(3)根据调查和实测数据,构建了DSSAT模型并对DSSAT模型进行了校正与检验。结果表明所建DSSAT模型能够准确模拟研究区水稻的生育期和籽粒产量以及土壤水氮动态,模型可用于研究区水田土壤水氮行为及水稻的生长模拟。(4)应用校验的DSSAT模型,模拟了不同灌溉方式和施氮水平下研究区水田土壤剖面不同深度土壤水分的变化规律,分析了土壤盐渍化、灌溉方式、氮肥施用量对土壤水分的影响。结果表明,不同土层土壤水分变化规律基本相同,变化幅度不同,随着土壤深度增加,土壤水分变化幅度逐渐减小。相同生育期内,间歇灌溉方式下土壤水分低于常规灌溉方式。盐碱地土壤水分的变化幅度较非盐碱地土壤水分变化幅度大。施肥量对表层土壤含水量影响最大,对底层几乎无影响。不同施氮水平下,返青期和分蘖期土壤含水量无变化,变化最为明显的是拔节孕穗期和灌浆期。(5)不同灌溉方式下土壤硝态氮行为模拟的结果显示,返青期,表层土壤硝态氮含量逐渐减小,20-100cm各层土壤硝态氮含量先增加后减小。常规灌溉方式下,分蘖期至收获,盐碱地所有土层仅在收获后土壤硝态氮增加。非盐碱地所有土层在晒田期和收获后土壤硝态氮增加。间歇灌溉方式下,盐碱地0-80cm土壤在分蘖期、孕穗期和收获后硝态氮增加,80-100cm土壤硝态氮仅在孕穗期和收获后略有增加;非盐碱地0-80cm土壤硝态氮在分蘖期、晒田期和收获后增加,80-100cm土壤硝态氮在晒田期和收获后略有增加。盐碱地收获后各土层间歇灌溉方式下的土壤硝态氮含量明显高于常规灌溉,非盐碱地晒田期间歇灌溉方式下土壤硝态氮含量高于常规灌溉,收获后常规灌溉方式下土壤硝态氮含量高于间歇灌溉。(6)不同灌溉方式下土壤氨氮行为模拟的结果表明,两种灌溉方式下土壤氨氮的变化规律基本一致,返青期至追施分蘖肥前土壤氨氮含量相同,之后常规灌溉方式下土壤氨氮含量高于间歇灌溉,成熟期至收获阶段差异最为明显。表层土壤氨氮在追施分蘖肥后急剧增加并达到生育期内的最高值,随后逐渐降低,追施穗肥和粒肥后有所升高,升高幅度小于追施分蘖肥后的增加幅度,随后土壤氨氮含量变动不大。20-40和40-60cm土壤氨氮在追施分蘖肥后逐渐增加至最大值,随后逐渐减小,分蘖期后至收获,土壤氨氮含量变动幅度不大。60-80cm和80-100cm土壤氨氮含量随着生育期的增加逐渐增加。非盐碱地土壤氨氮变化规律基本与盐碱地一致,变动幅度较盐碱地大,晒田阶段和成熟期至收获阶段略有不同。晒田阶段,非盐碱地所有深度土壤氨氮含量均有所降低。成熟期至收获阶段,0-20cm、20-40cm和40-60cm土壤氨氮呈现先增加后减小的变化规律,该阶段土壤氨氮含量显著于拔节孕穗期。(7)通过DSSAT模型对150kg/ha、180kg/ha、200kg/ha、220kg/ha和240kg/ha施氮水平下土壤硝态氮和氨氮行为的模拟结果显示不同施氮量对土壤硝态氮的影响主要体现在收获期。在施氮量由150kg/ha增加至200kg/ha时,土壤硝态氮含量随施氮量的增加而增加,施氮量由200kg/ha增加至240kg/ha时,土壤硝态氮含量先减小后增加。施氮水平对土壤氨氮的影响主要体现在追施分蘖肥后和成熟期至收获。施氮量由150kg/ha增加至200kg/ha时,土壤氨氮含量均随施氮量的增加而增加,施氮量由200kg增加至240kg时,土壤氨氮含量先减小后增加。收获后盐碱地土壤氨氮含量略有差异,240kg/ha施氮水平下土壤氨氮含量最高,其次为200kg/ha施氮水平,其他施氮水平下土壤氨氮含量基本相同。(8)运用DSSAT模型对不同灌溉方式和施氮水平下的水稻生产潜力和生长动态进行了模拟,并得到了不同灌溉-施氮组合下的水稻产量。研究得出在施氮水平由150kg/ha增加到200kg/ha时,产量随着施氮量的增加而增加,由200kg/ha增加至240kg/ha时,呈现先减小后增加的 V‖字型,且200kg/ha与240kg/ha施氮水平下的产量接近,说明施氮水平超过200kg/ha时水稻增产效果不明显。在非盐碱地中,施氮水平低于200kg/ha时,常规灌溉方式下的产量高于间歇灌溉,施氮量越小产量差距越大,200-240kg/ha施氮水平时,间歇灌溉方式下产量更高;盐碱地中,所有施氮水平下常规灌溉方式下的产量均明显高于间歇灌溉,施氮量越高,产量差距越大。相对于非盐碱地,盐碱地在高水肥下的增产效果更加显著。叶面积指数变化规律与产量变化规律一致,非盐碱地最大叶面积指数在4.1-6.11之间,盐碱地的最大叶面积指数在2.79-4.35之间。水稻产量较高且对环境影响较小的水肥管理模式为:200kg/ha施氮水平-间歇灌溉的组合方式适于非盐碱地水稻种植管理,200kg/ha施氮水平-常规灌溉适于盐碱地水稻种植管理。研究结果为苏打盐渍化灌区节水控肥、提高水氮利用效率、防止土壤次生盐渍化、预防地下水和地表水污染、提高水稻产量提供了一定的科学理论基础。
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本文编号：1377673