三峡库区典型小流域氮素气态损失动态变化及其主导因素——以开县野塘溪小流域为例

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氮肥施用在提高粮食单产的同时,又面临着不合理使用造成的利用率低、增加环境污染负荷等问题。而氮素气态损失不仅造成肥料利用率降低,还会对大气、土壤、水体和植被带来潜在的生态环境危害。氮肥气态损失主要包括氨挥发和硝化-反硝化两种途径。三峡库区属于我国典型的生态环境脆弱区,尤其是在三峡大坝建成并正式蓄水后,水库独特的水位脉动规律必然对库区大气、土壤、植被等生态环境要素造成影响,然而在此背景下,氨挥发和硝化反硝化对库区自然环境和人为因素的响应尚不清楚。  本研究分别采用通气法和密闭静态箱-气相色谱法,在消落带出露期间,原位监测了三峡库区典型小流域(野塘溪小流域)不同土地利用类型(旱地、水田)、消落带不同高程(175 m、170 m、165 m)氨挥发和N2O的动态变化规律及其影响因素,并在此基础上估算了小流域的氨挥发和N2O的损失量,以了解在三峡库区水位脉动背景下,不同施肥制度下氮平衡和转化的机理,为切实减少库区氮素损失及提高氮肥利用率提供理论基础。试验研究结果表明:  (1)土壤氨挥发损失不同土地利用方式和消落带不同高程的土壤氨挥发差异显著。不同土地利用类型下,氨挥发通量呈现明显的季节性变化,土壤氨挥发损失总量为:玉米地(沟)(14.68 kg ha-1)>玉米地(垄)(1.80 kg ha-1)、水田(1.93 kg ha-1)>旱地(1.86kg ha-1)、花生地(1.82 kg ha-1)>空白对照地(1.80 kg ha-1)。但不同高程的氨挥发累积总量值较为接近,大小依次为:165 m(1.94 kg ha-1)>175 m(1.92 kg ha-1)>170m(1.92 kg ha-1)。  不同土地利用类型和消落带不同高程土壤氨挥发的影响因素不同。不同土地利用下,土壤氨挥发主要受到气温、氮肥及施肥方式的影响。而不同高程土壤氨挥发的差异主要与田面水NH4+-N的浓度有关,相关分析显示,高程为175 m、165 m时二者存在着显著正相关关系。  (2)土-气界面N2O排放不同土地利用类型和消落带不同高程,N2O排放通量差异显著,具有明显的日变化和季节性变化特征。不同土地利用类型土壤N2O损失总量为:水田(4.53kg ha-1)>旱地(0.13kg ha-1)、玉米地(0.80 kg ha-1)>花生地(-0.25 kg ha-1)。N2O的累积排放量在不同高程之间存在较大差异,其高低次序依次为:165m(10.16 kg ha-1)>175 m(3.05 kg ha-1)>170 m(0.39 kg ha-1)。  不同土地利用方式下,N2O排放主要受土壤温度、土壤水分、NO3--N含量、NH4+-N含量等因素的影响。其中,土壤温度是影响旱地N2O排放的主要因子;水分是影响玉米地N2O排放的主要因子;NH4+-N是影响花生地N2O排放的主要因子;水田N2O排放无主要影响因子。而不同高程N2O排放量的差异主要是由于库区水位变化对土壤湿度的影响及土壤湿度自身的季节变化。水位脉动导致土壤强烈的干湿交替,同时,大量植被长期被淹没形成植物残体,土壤有效C较高,为N2O的排放创造了良好的底物条件。  (3)小流域氮素气态损失消落带出露期间,野塘溪小流域的氮素气态损失总量高达6007.8~17986.2kg a-1,占流域总施氮量的12.02~28.40%。流域氮损失以氨挥发为主,总量为1674~13652.4 kga-1,占到了施氮量的3.35~21.55%; N2O的累积排放总量为4333.8 kg a-1,占到流域施氮总量的6.84~8.67%。  从土地利用方式来看,小流域旱地和水田氮素气态总损失量分别为935.3 kga-1、16096.4 kg a-1,分别占到区域总施氮量的1.48~1.87%、25.41~32.20%。小流域氨挥发累积量表现为:旱地(874.2 kg a-1)>水田(656.2 kg a-1),旱地和水田的氨挥发损失分别占到施氮量的1.38~1.75%、1.04~1.13%。N2O的损失量表现为:水田(1540.2 kg a-1)>旱地(61.1 kg a-1),水田和旱地N2O的损失量分别占到施氮量的2.43~3.08%、0.10~0.12%。  (4)氮素气态损失主导因素农田生态系统的土壤氮素气态损失受诸多因素的影响,包括人为因素和自然因素;人为因素主要是氮肥类型、施肥量、施肥方式和耕作等,自然因素主要为土壤水分含量、土壤温度以及土壤中NO3--N、NH4+-N的含量以及库区水位的脉动产生的强烈干湿交替过程。这些因素间交互作用,对小流域的氮素气态损失产生综合影响。由于研究区消落带出露期间大部分用于耕作,总体来看,小流域的氮素气态损失受人为因素影响较大,施肥方式、有机无机肥配比、氮肥类型的不合理等可能是导致氮素气态损失大的主要原因。
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