水田土壤氮的损失途径主要是(实际生产中,水稻田如何科学施氮肥)

中国论文网 发表于2022-11-19 23:47:43 归属于水利论文 本文已影响406 我要投稿 手机版

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 氮素是作物生长的必需大量元素之一,直接影响着农作物的生长水平。由于氮肥的施用和农业管理不当,目前我国的氮肥平均利用率仅为30%~50%,盈余的氮素除通过氨挥发流失到大气系统以外,一部分积累在土壤中,使农田土壤的养分盈余不断提高,导致农田生态系统营养流失量的增加,一部分通过排水、径流、渗漏等途径向水体迁移,导致了水体富营养化现象的发生,造成了难以治理的环境污染问题。因此,控制农田氮流失是治理农业面源污染的根本措施之一。
  影响氮素向水体迁移的因素很多,各因素之间的相互作用更导致研究这个问题的复杂性。从预防污染的角度分析,影响因素可以归纳为三种:施肥的种类、方法和时间;土地利用类型及耕作强度;降雨量及降雨强度。文章根据试验区的水土特点,通过参数设置,将上述影响因素融合到HYDRUS-1D模型中,模拟控制灌溉下水稻分蘖期的水氮运移,分析控灌条件下稻田的氮素变化特点,为合理制定农田排水方案,探寻切实可行的农业水土环境修复措施提供参考。
  1 模拟试验区概况
  试验区位于浙江省余姚市河姆渡镇内。气候条件属于北亚热带季风气候区,雨量集中在4-6月的梅雨季节和7-9月的台风季节,形成两个峰值,年降水量1987~1263mm,年蒸发量900~950mm,年平均湿度80%,干旱指数为0.72。多年平均温度16.5℃,年平均日照2061h,日照率47%,无霜期228d。稻田地下水埋深在50cm~150cm范围内。土壤情况具体见表1和表2。
  2 模型计算条件及参数
  2.1 初始条件和边界条件
  利用HYDRUS软件模拟水稻施尿素75kg/hm2后15d内的水氮运移,选择的观测点分别为土层20cm、40cm和60cm处。由于氮素的转化复杂,研究水稻田中氮素运移时,分别研究铵态氮和硝态氮的运移状况。所定边界初始条件和模型各参数如下:
  模拟土体的下边界设在80cm处;
  水分运移以土壤含水量为变量,控制灌溉方式下日常田间水分保持在饱和含水量的70%-100%,故水分运移初始条件下田间水分设为饱和含水量的85%;
  水分运移的边界条件考虑灌水,棵间蒸发和植株蒸腾,上边界条件为表层的大气边界,由于观测点土层在稻田地下水位的变动范围内,因此下边界条件为变压力水头;
  溶质运移的初始条件设定不考虑土壤中原有氮素含量,故初始浓度为零。溶质运移的上、下边界设为定通量边界。
  2.2 参数设定
  土壤水分参数选用Van Genuchten-Mualem方程进行计算,并且忽略滞后作用。根据试验区土壤结构和水分特性,利用HYDRUS-1D模型自带的神经网络预测功能,求得土壤水分参数初值见表3。
  溶质运移选用的时间离散方法为Crank-Nicholson有限差分法,空间离散法采用伽辽金有限元法,溶质运移模型选用平衡模型,溶质运移参数见表4。
  根据已有经验确定水稻分蘖期根系长度为20cm,通过已知实验数据确定水稻在控制灌溉方式下的棵间蒸发E=3.83mm/d,植株蒸腾T=0.77mm/d。
  3 模拟结果分析
  3.1 不同土层的土壤水分动态
  控制灌溉条件下,三个土层(20cm、40cm和60cm)体积含水量的变化如图1所示。土壤含水量变化随时间变化起伏较大,原因在于控制灌溉方式下,田间没有建立水层,为保持设定的土壤含水量,需要定期对土壤进行灌水,灌水后体积含水量增加。随着土层深度的增加,表层水逐步下渗,土壤含水量的峰值会出现一定的滞后效应,由图1还知,40cm土层含水量最大,这是由于该土层为粉砂质粘土,粘粒多,对水分的吸持力大,是土壤理化性质的表现,符合实际情况。
  3.2 不同土层的氮素变化动态
  控制灌溉条件下,三个土层(20cm、40cm和60cm)铵态氮在土壤溶液中的运移情况如图2所示,硝态氮在土壤溶液中的运移情况,如图3所示。20cm土层的铵态氮在施肥后6d内浓度上升显著,之后趋于平缓,40cm土层和60cm土层的铵态氮浓度变化速度明显下降,尤其是60cm土层,铵态氮浓度基本不变。这说明土壤中氮素的迁移主要集中在0-40cm土层中。硝态氮在40cm土层和60cm土层的浓度变化与铵态氮基本一致,20cm土层中0-6d的硝态氮浓度变化速度略滞后于铵态氮,6d后,铵态氮浓度趋于平稳,而硝态氮浓度则呈上升趋势,这是由于氮肥施入土壤后,先经过矿化作用被矿化为铵态氮,铵态氮再经硝化作用后形成硝态氮。而硝态氮的浓度值高于铵态氮的浓度值,是由硝态氮的分子质量大于铵态氮造成的。
  3.3 不同土层的水氮运移相关性
  对比土壤含水量(见图1)和土壤氮素含量(见图2、图3)可以发现,20cm土层中,在铵态氮的含量尚未趋于稳定的0-6d内,灌水过程能显著提高铵态氮浓度的增幅,这主要是稻田补水扰动土壤,促进土壤表层吸附的铵态氮释放而造成的。而灌水对硝态氮的浓度影响在施肥6d后比较显著,主要是由于前期铵态氮尚处于形成期,土壤中硝态氮含量不高,灌水对硝态氮的运移影响不大,后期随着铵态氮的含量增加硝化反应加剧,故后期硝态氮比铵态氮更易淋失,这与对施肥后15d时测得的土层底部溶质通量(见表5)是吻合的。
  经对比还发现,即使40cm土层中的土壤含水大于20cm土层,其氮素含量的变化速度仍要远小于20cm土层中氮素含量的变化速度,这说明浅层土壤中的氮素更易随水分流失。
  4 结束语
  根据对HYDRUS-1D模拟水稻分蘖期内控制灌溉下的水氮运移结果分析,施肥后浅层土壤中的氮素随水分运移显著,即使施肥6d后铵态氮的运移趋于稳定,但硝态氮却依然保持活跃。为防止土壤中的氮素流失,在种植水稻过程中应控制灌水次数和灌水量,不建立田面水层,使田间保持“只湿不淹”的状态,不仅可节省灌溉水量,更减少了排水量,从而降低水分渗漏和氮素淋失。而针对各阶段氮素成分的变化,选择适宜的生态减污方法,吸纳农田排水中的氮素,对降低农田面源污染有相当重要的意义。
  参考文献
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  作者简介:金斌斌(1976-),女,浙江嘉兴人,博士在读,讲师,主要研究方向:水利工程在农业水土资源中的利用。

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