白洋淀典型农田区土壤氮素迁移特征及调控途径研究

来源 :河北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zoulin
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白洋淀流域农业面源污染治理是改善白洋淀水质、保障雄安新区水安全的重要举措之一。近年,为保护好白洋淀,流域实行生态补水工程,显著影响了补水河流周边农田地下与土壤中水、氮运移过程。但过去的研究仅聚焦于降水对地下水位的垂向影响,对生态补水下地下水位波动的横向影响研究较为缺乏。为此,本文以白洋淀主要入淀河流-府河支流及周边林地、无植被覆盖的过渡带和农田区域为研究对象,综合采用原位监测、田间控制试验、稳定同位素示踪等手段,探明地下水位上升土壤氮素剖面分布和迁移特征及生物拦截带对土壤氮素分布的影响。旨在明确白洋淀典型农田区地下水位波动下土壤氮素迁移分布特征,为生态补水背景下白洋淀流域农田面源污染防控提供科学依据。主要研究结果如下:(1)刻画了降水和生态补水下地下水位波动特征。降水引起白洋淀入淀河流水位上升及周边地下水位埋深变浅,地下水位波动对中雨和大雨事件更为敏感,累积降雨量与林地、过渡带和农田的累积地下水位埋深降幅的时间序列曲线均呈现高度同步,地下水位对极端降雨事件响应更为强烈,2021年10月4日至6日连续72 h期间地下水位抬升至地表;生态补水也明显引起了地下水位的变化,但不同年际之间,地下水位的响应存在一定差异,2021年距离补水河流最近的林地最先发生响应,过渡带和农田区域较林地滞后一天,2022年林地、过渡带及农田地下水位对河流补水的响应更为明显,且几乎同时发生响应,无植被覆盖的过渡带区域地下水位在补水期间抬升幅度最大。(2)明晰了地下水位波动下农田土壤剖面水分变化特征。常规雨季地下水位仅与农田0~100cm土壤体积含水量呈现显著正相关(p<0.01);极端降雨(连续72h降雨,累积日降雨量99 mm)不仅与40~80 cm 土壤体积含水量呈现显著正相关(p<0.01),还与120~180 cm深层土壤体积含水量呈现显著正相关(p<0.01),而且在160 cm 土层的相关系数达到了最高(0.989);生态补水导致地下水位上升补给土壤水分,主要影响深层土壤(100~140 cm)含水量,其中2021年生态补水对100~120 cm 土壤体积含水量产生显著影响,2022年对120~140cm 土壤体积含水量产生显著影响,深层土壤体积含水量越来越受到生态补水的影响。(3)剖析了地下水位上升过程中土壤氮素剖面分布、迁移特征。农田土壤硝态氮含量随土壤深度整体呈现由高到低的变化趋势,60~80 cm 土壤硝态氮含量最高,可达22.33 mg/kg;140 cm土层硝态氮含量最低,为0.96 mg/kg。极端降水期和生态补水期土壤硝态氮含量均随土壤深度呈现先增大后减小,与常规时期土壤硝态氮含量主要分布在亚表层(20~40cm)不同,极端降水期和生态补水期土壤硝态氮含量分别在80 cm和60 cm土层出现峰值,是常规时期的2.39倍和1.30倍,极端降水期、生态补水期和常规时期均在140cm 土层呈现最低值。与浅层土壤(0~40cm)相比,深层土壤硝态氮δ15N值较大。其中补水期120 cm 土壤硝态氮δ15N值较无水分输入期高0.6‰,表明补水增加了土壤硝态氮δ15N值;降水导致土壤氮向下层迁移,极端降水后,土壤硝态氮δ15N值由表层20 cm贫化状态增加至80 cm富集状态,δ18O值由表层20cm波动增加至140cm。(4)阐述了优化施肥处理和林地作为生物拦截带对农田土壤氮素分布的影响。同一时期不同施肥处理下0~140cm 土层土壤剖面硝态氮基本上呈现先增加再减小的规律,但各处理土壤硝态氮含量存在差异。施氮量增加的处理土壤剖面硝态氮含量、淋溶液硝态氮浓度随之增加,减施氮肥的优化处理(107.9N kg/hm2,131.9P2O5kg/hm2,48K2Okg/hm2)有效降低了淋溶硝态氮浓度。生物拦截带具有明显的硝态氮拦截作用,林地土壤硝态氮含量在60cm处达到19.66 mg/kg,低于同层次农田土壤硝态氮含量的1/2。综上,生态补水和极端降水均导致土壤硝态氮分布发生明显变化,其中生态补水通过自下而上引起地下水位上升,导致深层土壤硝态氮与地下水交互增强,极端降水通过驱动土壤水分自上而下移动,导致土壤剖面氮整体下移,增强与地下水的交互,增加了对地下水的污染风险。对白洋淀典型农田区的土壤氮素迁移的阻控途径可划分为三个过程,首先从源头控制氮肥用量,在白洋淀典型农田区进行施氮量减半的优化施肥处理;其次靠近农田一侧100m内区域,禁用化肥;最后近水区域种植乔灌木等具有生态价值的植物作为防护林。此生物拦截带模式可对农田土壤氮素迁移产生一定的阻控效果。研究结果对阻控地下水硝酸盐污染和白洋淀生态保护具有重要意义。
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