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坡地土壤养分迁移机制与影响因素研究是农业非点源污染研究领域的核心内容,也是土壤科学、农业科学与环境科学的学科交叉点。磷是农作物生长的主要限制因素,也是水体富营养化的关键限制因子之一。随着农田化肥施用量不断提高,土壤磷流失加剧,对水生生态环境危害日趋严重。川中丘陵地处长江上游,是四川农业的主体区域之一,区内以紫色土为主,抗蚀性较弱,因降雨集中,严重的土壤侵蚀及养分流失不仅使土地生产力下降,而且给下游水体带来了难以预料的生态环境问题。
本文通过不同施肥条件、不同雨强、不同坡度以及不同植被覆盖的野外定位试验与人工模拟降雨试验,对降雨、径流、泥沙及养分流失过程开展全面的定位观测与土、水、植物样品的采样分析,系统研究了紫色土坡耕地磷素迁移的途径、形态、含量与负荷等,分析了磷素流失过程、特征及其主要影响因素,探讨了与环境友好的坡地施肥,旨在为该区施肥模式的选择及农业非点源污染控制提供科学依据。
研究取得的主要结论如下:
1.紫色土坡耕地雨季地表径流和壤中流发育,在总径流量中的比例分别为43.6%和56.4%。暴雨下坡耕地磷素随地表径流或壤中流迁移。常规施肥(NPK)下,川中丘陵区紫色土坡耕地磷素流失的平均浓度为0.54 mg/L,年流失负荷为0.37 kg/hm2.a。磷素迁移的途径有泥沙结合态迁移、溶解于地表径流迁移及溶解于壤中流迁移,分别占磷素迁移负荷的65.1%、27.3%、7.6%。地表径流中可溶性磷的主要组成部分是磷酸盐,溶解性有机磷是壤中流中可溶性磷的主要组成部分。
2.降雨特性、坡度、地表覆盖、施肥显著影响坡耕地磷素迁移,地表径流中的可溶性磷流失率及颗粒态磷流失率与雨强呈显著幂函数相关,地表径流中的磷流失量随降雨侵蚀力增大呈幂函数上升;地表径流中可溶性磷及颗粒态磷随坡度升高有上升趋势;增加覆盖度可极大减少磷素特别是颗粒态磷的流失;施肥通过调节植被覆盖度、地表糙度、土壤结构及土壤含磷量等影响磷素流失;秸秆还田对磷素流失的控制作用最显著,其次是施有机肥及平衡施肥。
3.根据坡地磷素迁移规律建立了二元经验模型和BP神经网络模型,对坡地泥沙磷流失进行了预测,并取得了较好的效果。
4.结合磷素流失量、磷肥损失率、磷肥利用率以及作物产量等指标,综合评估与环境友好的坡地施肥,结果表明,秸秆还田、有机肥与化肥配施的施肥模式既可控制农田磷素流失,又保障了粮食产量,具有较好的综合效益,是该区实现与环境友好坡地施肥的优化模式。