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吉林西部盐渍土区包气带水氮运移规律及模拟研究认领

被引量： 10

作者：

聂思雨

学位授予单位：

吉林大学

摘要：

吉林西部地处我国内陆干旱和湿润的东亚季风区,受地质构造及气候变化的影响,经历了盐碱荒漠化的正逆演变过程,是我国苏打盐渍土面积最大的地区。该区实施水利工程进行灌溉排水减盐后开发建设水田,改善了原有的盐渍化问题并提高了粮食产量,但该区盐渍化的包气带土壤通透性较差,不合理的灌溉施肥导致过量的氮肥滞留在包气带,一旦灌溉水量较大,将伴随入渗水流向下淋失,对地下水造成不同程度的污染。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分迁移响应研究”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”,以吉林西部大安市的盐渍土区作为研究区,通过资料收集、野外原位试验及室内模拟试验,采用统计分析、随机模拟及Hydrus模型等技术方法,开展了吉林西部盐渍土区包气带水氮运移转化规律及模拟研究。论文的主要研究内容和结论如下:1、包气带水氮参数特征及空间变异规律在野外调查采样的基础上,测定不同深度土壤的含水量、含盐量、pH值、硝态氮和铵态氮,综合分析了参数的统计特征及空间变异性,对氮素与土壤水盐参数进行了空间相关性分析。结果表明土壤含盐量的变异系数显著大于含水量和pH值的变异系数,土壤含盐量受随机因素的影响,在垂向和横向空间变化显著,表层土壤呈现积盐现象。土壤pH值在垂向和横向空间分布较为一致,主要受结构性因素的影响变化较小。硝态氮和铵态氮的空间分布规律性较为明显,由东到西,硝态氮和铵态氮含量逐渐减少,由北向南,土壤铵态氮逐渐增加,硝态氮逐渐减少,土壤氮素空间分布规律在小尺度内受结构性因素影响。在此基础上,分析了硝态氮和铵态氮与土壤水盐参数进行了空间相关性,当土壤含盐量在由0.2%增加至0.6%,土壤氮素含量增加。当pH值降至8.5-9范围内,土壤硝态氮与铵态氮的含量较大,随着pH值的升高或降低,土壤氮素均降低。土壤含水量较小时对土壤氮素影响较弱,当土壤含水量增加至20%,土壤硝态氮减少,铵态氮增加,说明水分的增加促进硝态氮的淋失。2、盐渍土区包气带氮素运移和转化规律研究（1）根据盐渍土的分布特征,选择典型盐渍土地区开展田间试验,通过吸附动力学及等温吸附实验,分析氮素在盐渍土包气带介质的吸附特征。试验结果显示,与非盐渍土作对照,盐渍土吸附氮素速率较慢,最大吸附量比非盐渍土少18.75%,且不同土壤深度其吸附性能存在差异,深层土壤吸附性较强。当溶质初始浓度较大时,温度变化对盐渍土吸附铵态氮才有显著的影响。（2）研究区地处东北季冻区,具有明显的季节性冻融现象,设计完成了室内多次冻融循环模拟试验,开展了冻融交替作用对盐渍土区包气带氮素转化的影响研究。室内冻融试验数据表明,随着冻融循环次数的增加,土壤NH4+-N含量均呈显著性增加趋势,土壤NO3--N呈显著性下降趋势。这是由于农作物收获后,土壤中尚存的残余氮,发生了矿化作用,而随着冻融循环次数增加,氮素的硝化作用受到抑制,使得土壤NO3--N含量下降。短期内冻融循环可促进氮的矿化作用,但多次长期的冻融循环作用抑制氮素的矿化反应。通过实验还可以发现,当土壤含水量较高,施肥量较大的情况下,多次冻融作用后,土壤硝态氮较易于流失。（3）结合野外原位试验,研究作物在不同生长阶段包气带氮素运移规律。不同施肥量下土壤氮素、盐分及pH值的变化规律显示,垂直方向上,土壤铵态氮变化规律不一致,水稻在黄熟期和收获期铵态氮差距较大,土壤铵态氮随施肥量增加而增加。土壤硝态氮在不同生长时期垂向变化规律一致,表层土壤硝态氮含量最大,随土壤深度的增加而减少。施肥量的增加对土壤表层的硝态氮和铵态氮影响较为明显,对深层的含量影响较小。作物生长时期土壤盐分垂向分布特征不明显,在土壤100cm深时盐分相对较小。收获期后,土壤盐分随着土壤深度的增加差异明显,且土壤表层盐分达到最大,说明在水稻收获后表层土壤出现积盐现象,且施肥量较大时土壤盐分增高,土壤盐分大小与施肥量密切相关。3、包气带水氮运移模型的建立及其不确定性分析（1）结合田间试验数据,基于Hydrus建立包气带水氮运移模型,根据模型评价标准,该模型具有较好的模拟效果,能够用来模拟包气带水氮运移规律。通过水氮平衡分析可知,水量的流失途径为蒸散发,且高施肥水平下的水分利用要略高于低施氮水平。施氮量从180 kg/ha增加到220kg/ha,氮的矿化固持量增加21.6%,作物吸氮量增加12kg/ha,1m深处氮素的累积淋失量增加8.59 kg/ha,施肥量的增加提高了土壤氮的矿化能力,但也会增加氮素的淋失量,因此,该地区还需要结合灌溉施肥方式提高氮的有效利用率。（2）利用普似然不确定性估计与拉丁超立方随机模拟方法,识别参数的不确定性及其对硝态氮累积淋失量的影响。土壤饱和含水率、弥散度和吸附系数具有较好的识别性,反硝化速率和饱和导水率对模型结果的不确定性影响较大。研究考虑和不考虑参数不确定性的两种方案,对水稻生长条件下100cm深的土壤硝态氮淋失的影响。不同方案下的0-100cm的土壤硝态氮累积淋失量的预测范围分别为10.34-13.63kg/ha,9.47-12.71 kg/ha,考虑参数不确定性缩小的预测区间范围降低不确定性,提高了包气带水氮运移规律的模拟精度,在定量评估累积硝态氮淋失风险时,提高结果的准确性。4、水位变化下包气带氮素变化的预测应用最小二乘支持向量机方法建立地下水埋深模拟预测模型,分析研究区地下水埋深动态变化趋势,引入95%置信区间,预测得到地下水埋深变化上限和下限的范围分别为（5.98-6.85）m,（5.15-6.07）m。将地下水埋深作为包气带水氮运移的模型的下边界,模拟研究地下水位的变化对包气带氮素运移规律的影响。地下水埋深在5.15-6.85m内变化对土壤含水量、土壤硝态氮和铵态氮的影响较小。当地下水埋深降至1.49-1.71m时,土壤硝态氮的淋失风险指标由I级升到II级,增加了地下水生态环境的污染风险。因此,在研究区水田范围内,应该控制月平均地下水埋深大于1.7m的范围,可有效降低氮素的淋失风险。综上所述,本文开展的研究为盐渍土包气带水氮运移转化机理研究以及包气带-饱和带联合模拟提供理论基础,也为预防吉林西部地下水的氮素污染及水环境的保护提供依据,具有理论和实际意义。

摘要译文

关键词：

盐渍土; 包气带; 水氮运移; Hydrus模型; 氮素淋失; 地下水埋深变化

学位年度：

2018

学位类型：

博士

学科专业：

水文学及水资源

导师：

卞建民

中图分类号：

S156.41;S156.4[盐碱土改良]

学科分类号：

082802[农业水土工程];090301[土壤学];091002[荒（石）漠化防治学]