内蒙古河套灌区土壤氮元素迁移转化试验与模拟研究

氮元素是农田耕作系统中作物必需的营养元素，也是作物产量的最重要的养分限制因子。植物对氮的需求量大，但农田土壤却普遍缺氮，农业生产者为获得高产，投入氮肥成为必要途径。随着氮肥的大量应用，诸多弊端显现出来，利用率降低、经济效益下降等问题日益突出，农田部分氮素流失到地表水，使水体加剧了其富营养化过程，农田土壤中氮被淋失到地下水也加重了对地下水的污染。因此，深入研究氮素在农田灌区土壤环境体系中的行为去向，对提高氮肥利用率、减少农业非点源污染具有十分重要的意义。 　　内蒙古河套灌区位于黄河流域中游，是中国规模最大的三个灌区之一，历史悠久，农产丰富，素有“唯富一套”的美称。施用化肥30多年来，在用量增加迅速的同时，化肥的利用率却增长缓慢，大量化肥随灌溉水进入土壤和地下水，最后通过排干进入地表水，造成河流和湖泊的污染，尤其导致了东部乌梁素海水体富营养化，使其过早地进入了沼泽化阶段。本文以黄河流域内蒙古河套灌区义长、乌拉特两灌域为研究对象，于秋浇期采集研究区土样。通过土样氮元素含量分析，确定了研究区土壤氮元素的空间分布，通过系列室内模拟试验，获得了土壤的水力特性参数和土样中铵态氮、硝态氮的运移参数；运用多孔介质中饱和非饱和水分流动和溶质运移一维模型HYDRUS-1D对研究区土壤氮元素的迁移转化进行模拟研究；设定不同灌溉、施肥措施情景，获得铵态氮、硝态氮在不同土壤深度的行为特性，为确定田间合理灌溉和施肥措施提供了有力的理论依据。最后，总结了本研究的不足之处，对该领域发展进行了展望。主要研究内容与结论如下： 　　(1)分别于春灌、夏灌和秋浇三个时段在研究区19个点采集代表性耕地土样，测定其中全氮、铵态氮和硝态氮的含量，经传统统计和地统计学分析，获知不同时段三种氮元素的空间变异函数最优拟合理论模型大都为球状、高斯和指数模型，实际变异函数与理论变异函数拟合较好。氮元素在三个时段的空间变异都具有强烈的空间相关性，变化主要是由内在因子即土壤母质(非石灰性岩石风化物)等空间自相关部分控制。同时也测得各采样点的土壤机械组成情况，研究区0～20cm土壤主要由粉(砂)壤土、粉(砂)质粘壤土和粉(砂)质粘土三种质地土壤构成。 (2)利用拟合的空间变异函数理论模型的各项参数，经kriging插值获得研究区0～20cm土壤层全氮、铵态氮和硝态氮在4、7、11月三个时段的空间变异分布预测图。可知在作物生长期间(4、7月)，土壤氮元素含量多为东北高，西南低；全氮含量以4月最高，11月最低，土壤铵态氮、铵态氮含量以7月最高，11月最低。(3)将经由kriging插值获取的研究区土壤全氮含量现状与“六五”期间土壤全氮平均含量对比得知，研究区土壤全氮平均含量由“六五”期间的0.410～0.871g/kg范围扩大至现状的0.482～1.598g/kg范围，范围扩大了约一倍；研究区土壤中全氮现状含量比“六五”期间有所上升；土壤全氮分布现状较“六五”期间有较明显变化，除了北圪堵，北部乡镇全氮平均含量仍保持在0.75～1g/kg“六五”期间的含量，西南部和东北部地区的全氮含量有所增加，土壤全氮有向东西分布的趋势。 (4)结合各样点的土壤机械组成与土壤氮元素的空间分布分析，论文选取乌拉特前旗2号北圪堵、五原7号荣丰和五原11号建丰三个样点的不同土壤质地及不同土壤全氮含量级别的典型土壤，测定了土壤水分特征曲线、饱和导水率、纵向弥散度，土壤铵态氮吸附常数及硝化一级速率常数等相关参数。 (5)将选取的三种不同类型土壤填装编号土柱进行室内模拟灌溉淋溶试验，次灌水80mm。土柱各取样点铵态氮浓度变化总体上是随时间降低的，表层土壤铵态氮在初始阶段先升后降，在灌后第60小时出现一个峰值，最终达到平衡，三个土柱迁移规律表现出良好的一致性。土柱各取样点的硝态氮浓度总体趋势皆为明显增加。由于土壤质地的不同，透水性能好的1号土柱粉(砂)壤土首先达到了硝态氮的变化平稳值，时间约在灌后第170小时。 (6)对Hydrus-1D模型进行参数敏感性分析，饱和导水率Ks和饱和土壤含水量θs为模型中最为敏感的两个参数，二者与底部总流量变化率的线性关系分别为△D=1.05△Ks、△D=-0.0923△θs-0.00002。利用室内土柱淋溶试验数据对模型进行可靠性验证，模型模拟结果与实际现象较为吻合，证明模型可靠。