三峽庫區(qū)小流域土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化及調(diào)控技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國人口的迅速膨脹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現(xiàn)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。三峽庫區(qū)作為我國重要的湖泊水域和戰(zhàn)略水資源庫,在其成庫后逐漸轉(zhuǎn)變成一個受人工調(diào)控程度人、且具有典型湖泊和河流艤重特征的深水水庫,庫周地區(qū)的生態(tài)環(huán)境也因此而發(fā)生變化。如何掌控庫周地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中面源污染元索氮的吲定及排放就成為保證水庫水質(zhì)安全及庫周農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。然而,目前國內(nèi)外的氮素面源污染研究主要集中在對湖泊或江河等自然景觀的氮磷遷移上

2、,面對于三峽庫區(qū)這種大型人工水利工程影響背景下的農(nóng)業(yè)土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化乃至農(nóng)田生態(tài)環(huán)境變化的研究相對較少。因此,闡明三峽庫區(qū)紫色土氮素在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機理及動態(tài)過程,選擇出有效控制氮素流失的調(diào)控技術(shù)對于發(fā)展“庫區(qū)生態(tài)環(huán)境保護”和“農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展”雙贏的新型減排農(nóng)業(yè),增強庫區(qū)水域系統(tǒng)及農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境氣候變化的綜合能力具有重要意義。本研究選擇三峽庫區(qū)王家溝小流域為研究對象,在實地采樣與實驗室分析的基礎(chǔ)上,采用地統(tǒng)計學(xué)方法分析小流域

3、土壤氮素在三維空間的分布特征,剖析地形因子、土地利用方式以及土層深度對土壤氮素分布的影響,以闡明小流域土壤氮素的基礎(chǔ)情況與肥力概況:并以妤氧培養(yǎng)的方式描述農(nóng)業(yè)土壤中有機氮在溫度、濕度、外源氮素等多重環(huán)境因子影響下進行礦化的動態(tài)特征,揭示土壤氮素礦化過程與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系,詮釋氮素在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化機理;與此同時,通過室內(nèi)土柱模擬試驗,揭示不同質(zhì)地土壤氮素在土體垂直剖面上的滲漏淋失規(guī)律及動態(tài)運移特征,充實對土壤氮素垂直遷移機制

4、的認識;在了解氮素遷移轉(zhuǎn)化行為的基礎(chǔ)上,利用田間徑流小區(qū)試驗對比各防控措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運用的實際效果,以篩選出適宜三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)土壤氮素調(diào)控的途徑和方法,為庫區(qū)面源污染控制技術(shù)的研發(fā)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.三峽庫區(qū)小流域土壤氮素空間分布特征
　　 以三峽庫區(qū)王家溝小流域為樣區(qū),研究了全氮和堿解氮在流域空間上的分布情況以及地形因子和土地利用方式對其分布的影響。結(jié)果表明:土壤全氮在流

5、域中部地區(qū)的含量偏高,并呈現(xiàn)出由中部向四周逐層遞減的分布規(guī)律,土壤堿解氮含量最高的區(qū)域出現(xiàn)在中部及南部的海拔最低處,含量最低的區(qū)域為小流域的西部和西南部,東部及東北部的堿解氮含量居中。垂直空間的分布上,土壤全氮在0～100 cm垂直剖面上的變化規(guī)律較為明顯且平緩,各種土地利用方式的土壤全氮含量均表現(xiàn)出隨土層加深而逐漸減小的整體趨勢,各層次間的含量差異不大,土壤堿解氮在0～60 cm的垂直剖面上仍然表現(xiàn)出隨土壤層次加深,其含量逐漸減小的變

6、化趨勢,但各層次間的堿解氮含量基本都達到極顯著差異(p＜0.01)。
　　 各地形因子對流域內(nèi)土壤氮素分布的影響較明顯。各個坡度上的土壤全氮含量主要集中在1.0～1.5 g/kg之間,低坡度區(qū)域土壤全氮含量的分布穩(wěn)定且適中,高坡度區(qū)域的全氮含量則普遍較低,且分布不均;堿解氮含量受坡度影響相對較小,隨著坡度的升高或降低,其含量未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。從坡向上看,除東北坡向的全氮含量較低外,其它各坡向上的全氮含量分布相似,主要集中

7、于1.0～1.5 g/kg之間,只有西南坡向有部分全氮含量較高的地塊出現(xiàn):堿解氦含最的高值則出現(xiàn)在西南坡向,低值出現(xiàn)在南和東南坡向,除此之外的其它坡向上堿解氮含量均適中,且分布均勻。坡位對土壤氮素的影響各不相同,低坡位區(qū)域內(nèi),土壤全氮及堿解氮含量分布不一,高低含量的地塊均有出現(xiàn),而高坡位區(qū)域內(nèi),全氮及堿解氮含量則較低,未見高值樣本的分布,中坡位區(qū)域的全氮及堿解氮含量最為適宜,多數(shù)集中在80～110 mg/kg之間。不同土地利用方式下,土

8、壤全氮含量的高低順序依次為水田＞林地＞桑園＞旱地＞撂荒地,而堿解氮含量高低則基本呈現(xiàn)出水田＞林地＞早地＞撂荒地＞桑園的規(guī)律性變化。該部分研究對土壤氮素分布的影響因子進行了深刻剖析,闡明了小流域土壤氮素的空間分布情況和基礎(chǔ)肥力狀況。
　　 2.三峽庫區(qū)紫色土氮素礦化動態(tài)特征
　　 采用室內(nèi)好氧培養(yǎng)的方法,對小流域紫色土中有機氮在溫度、水分、外源氮素等多重環(huán)境因子影響下發(fā)生礦化的動態(tài)特征進行了研究。結(jié)果表明,紫色土的凈氮礦化

9、量在各個階段均表現(xiàn)出隨培養(yǎng)溫度升高而逐漸增大的趨勢。其中,砂壤上的凈氮礦化量在各溫度水平間均達到極顯著差異,而壤土和粘土的凈氮礦化量除了在15℃和25℃兩個溫度梯度間未達到極顯著差異外,15℃和35℃之間以及25℃和35℃之間的凈氮礦化量均達到極顯著差異。而紫色土凈氮礦化最對水分變化的響應(yīng)也非常規(guī)律,同樣呈現(xiàn)出隨水分含量增加,凈氮礦化量逐漸增大的趨勢,且各水分含量水平間的凈氮礦化量均表現(xiàn)出極顯著性差異(p＜0.01)。除此之外,土壤溫度

10、和水分還對紫色土氮素的礦化作用產(chǎn)生明顯的交互效應(yīng)。當溫度和水分條件均為最低水平時,凈氮礦化量呈現(xiàn)出負值,即兩者的交互作用導(dǎo)致了礦化進程的反向進行;而當溫度和水分條件均為最高水平時,凈氮礦化量卻并未表現(xiàn)出礦化量的最高值。溫度對紫色土礦化作用的影響在一定程度上大于水分含量。
　　 外加氮源對紫色土氮素的礦化過程表現(xiàn)出非常明顯的促進作用。在不同的溫度和水分處理下,添加外源氮素后的凈氮礦化量在各個培養(yǎng)階段均顯著大于朱添加氮素的凈氮礦化量

11、,差異達極顯著水平(p＜0.01),并且當溫度和水分含量均較高時,外加氮源的有效性會相應(yīng)增強,使得有機氮的礦化勢大于礦質(zhì)氮的生物固持,土壤凈氮礦化量明顯增高。三種質(zhì)地紫色土的礦化作用在未添加外源氮素的情況卜,以壤土的凈氮礦化總量最高,粘土次之,砂壤土最低,但添加外源氮素后,三種質(zhì)地土壤的氮素礦化能力在各溫度和水分條件下則呈現(xiàn)出砂壤土＞粘土＞壤土的變化趨勢。壤土或偏砂質(zhì)壤土的通氣狀況良好,因而對土壤系統(tǒng)中好氧微生物種類和活性產(chǎn)生積極作用,

12、促進礦化作用的發(fā)生。本研究闡明了土壤質(zhì)地、溫度、水分、外加氮源等因素對紫色土氮素礦化的綜合影響,有助于更加深入地詮釋土壤氮素的轉(zhuǎn)化機理。
　　 3.三峽庫區(qū)紫色土氮素滲漏淋失規(guī)律
　　 以三峽庫區(qū)紫色土為例,結(jié)合小型原狀土柱對不同質(zhì)地士壤的滲漏淋失規(guī)律進行了研究和探討。結(jié)果表明,在相同灌水量處理下,砂壤土的水分淋失量相對較大,壤土次之,粘土的水分淋失量最小,水分滲漏淋失量與灌水量顯著相關(guān),整個滲漏階段中水分淋失量的最大值

13、基本都出現(xiàn)在灌水前期(5～10 d)。比較不同氮肥施用量的銨態(tài)氮及硝態(tài)氮實時淋失濃度,各滲漏階段均表現(xiàn)出高氮處理最高、低氮處理次之,未施氮處理最低的總體趨勢。氮素實時淋失濃度較高值基本部出現(xiàn)住灌水初期(5～30 d),由于該時段的淋失濃度大,而采樣間隔時間較短,因此,三種質(zhì)地土壤的氮素階段淋失速率最大值就出現(xiàn)在灌水的最初階段(5～10 d)。不同氮肥施用量處理下氮素的累積淋失濃度在整個灌水期的各個階段呈現(xiàn)出先增大后減小的總體變化規(guī)律。其

14、中,三種質(zhì)地土壤的硝態(tài)氮累積淋失濃度最高值均出現(xiàn)灌水開始后30 d時,而銨態(tài)氮累積淋失濃度最高值所出現(xiàn)的時段則根據(jù)土壤質(zhì)地的不同分布各異,其中,砂壤土和粘土的銨態(tài)氮累積淋失濃度最高值出現(xiàn)在灌水開始后20 d時,而壤土的最高值則出現(xiàn)在40 d時。
　　 進一步分析各種形態(tài)氮素的滲漏淋失規(guī)律發(fā)現(xiàn),三峽庫區(qū)紫色土的硝態(tài)氮淋失總濃度在各種氮肥施用量處理下均大于銨態(tài)氮淋失總濃度,這說明硝態(tài)氮在土壤垂直剖面上的移動性大于銨態(tài)氮。除此之外,土

15、壤質(zhì)地不同,硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的垂直移動性也各不相同。其中,未施氮及低氮處理的硝態(tài)氮淋失總濃度基本都表現(xiàn)為砂壤土最高,壤土次之,粘土最低,但高氮處理下硝態(tài)氮的淋失總濃度則表現(xiàn)為壤土＞砂壤土＞粘土;氮肥施用量對三種質(zhì)地土壤中銨態(tài)氮的垂直遷移影響不大,其淋失總濃度在各氮肥施用鼉處理下均表現(xiàn)為壤土＞砂壤土＞粘土。該部分研究闡明了土壤氮素的垂直運移動態(tài)變化規(guī)律,進一步充實了對土壤氮素垂直遷移機制的認識。
　　 4.三峽庫區(qū)小流域旱坡地氮素流

16、失特征及調(diào)控技術(shù)
　　 在學(xué)握三峽庫區(qū)小流域土壤氮素空間分布特征以及轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律的基礎(chǔ)上,通過對比不同耕作措施下的水土流失和土壤氮素流失狀況篩選出適合于研究區(qū)的旱坡地土壤氮素調(diào)控技術(shù)。結(jié)果表明,小流域的降雨期主要集中在6月和7月。其中,6月共產(chǎn)生徑流三次,最大徑流最為21.96L/m2,泥沙流失量的最高值出現(xiàn)在7月,其值為61.85 t/km2,徑流量、泥沙流失量均與平均雨強呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。實施保護性耕作措施后,徑流量和

17、泥沙流失量均出現(xiàn)不同程度的減小,整個觀測期中,T3(免耕+順坡耕作+稻草覆蓋)和T5(免耕+橫坡壟作)處理有效地減少了坡面徑流量,而T4(順坡耕作+植物籬)處理則對徑流泥沙的攔截效果最佳。
　　 小流域旱坡地土壤中的氮素分別通過徑流以及徑流泥沙兩種途徑產(chǎn)生流失。其中,徑流中氮素的流失最相對較小,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及總氮的徑流流失量最大值分別為10.75 mg/m2、44.55mg/m2和291.38 mg/m2,且均出現(xiàn)在常規(guī)順坡

18、耕作處理;與之相反,三種形態(tài)氮素的徑流流失鍍最小值則分別為5.63 mg/m2、24.06 mg/m2和152.62 mg/m2,均出現(xiàn)在T4處理,除此之外,T2(順坡耕作+PAM土壤凋符劑)處理也對氮素的坡面徑流流失表現(xiàn)出較好的攔截作用。徑流泥沙中所攜帶的氮素流失量相對較大,尤以T1和T6(橫坡耕作)處理最為明顯,也就是說,除常規(guī)順坡耕作處理外,橫坡耕作對泥沙中氮素的固持效應(yīng)最差;比較而言,T4和T5(免耕+橫坡壟作)處理則表現(xiàn)出對泥

19、沙中氮素較強的保蓄作用,其氮素流失量在整個觀測期的各次降雨產(chǎn)流中均表現(xiàn)為最小。在整個觀測期內(nèi),通過泥沙攜帶發(fā)生流失的氮素明顯大于徑流流失的氮素,泥沙中總氮流失鼉約為徑流中總氮流失量的1.83～3.38倍。泥沙中氮素的流失以硝態(tài)氮為主,徑流中氮素的流失則以顆粒態(tài)為主,顆粒態(tài)氮的流失量占總氮流失量的53％～62％。
　　 綜上所述,在地形地貌復(fù)雜的三峽庫區(qū),其土壤氮素的空間分布主要表現(xiàn)為坡度、坡向、海拔以及土地利用方式等外部條件的共

20、同作用,從而構(gòu)成庫區(qū)小流域土壤氮素的基礎(chǔ)肥力特征。土壤溫度為主導(dǎo)的氮素礦化動力學(xué)理論并不足以解釋普遍觀察劍的紫色土有機氮礦化作用機理,氮素礦化作用的驅(qū)動力主要來源于溫度和水分含量的交互作用,但這種作用也會隨著外源氮素以及土壤質(zhì)地的不同而發(fā)生變化,進而影響劍紫色土有機氮礦化的綜合響應(yīng)。氮素在土壤剖面的滲漏濃度及速率很大程度上取決于土壤中粘粒含量的比例以及氮肥施用量的高低。坡面土壤有機氮的轉(zhuǎn)化特征與垂直剖面氮素的遷移規(guī)律相輔相成,共同決定了

21、適合于三峽庫區(qū)小流域土壤氮素流失的調(diào)控技術(shù),同時也進一步清楚,調(diào)控技術(shù)只能在一定的外界環(huán)境條件下對土壤氮素的行為進行調(diào)節(jié),當外界環(huán)境的變化程度超過一定臨界值時,人為調(diào)控的作用就微乎其微了。今后還需開展三峽庫區(qū)大區(qū)域尺度及全境生態(tài)系統(tǒng)和氣候帶背景下的土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化機制研究,以了解整個庫區(qū)不同類型農(nóng)業(yè)土壤中氮素的基礎(chǔ)儲備及面源污染潛在風險,并加強土壤氮素礦化機理與微生物活性和生物酶作用的耦合機制研究,與此同時,應(yīng)創(chuàng)建三峽庫區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)前提下