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农田氮素损失是造成农业非点源污染的主要原因之一,其中由于大量施用氮肥引起的土壤氮素淋溶损失又是农田氮素损失的重要途径。针对农业集约化种植条件下氮素损失机制,本文选取江阴农业集约化种植区,开展了土壤水、硝态氮垂向运移现场试验研究,并与当地常规农业比较,以揭示农田土壤水、硝态氮淋失的机制及其对地下水水质的影响。研究结果可为减轻农田氮素淋失、防治农业非点源污染和优化田间管理措施提供科学依据。
田间现场监测结果表明,三种典型种植区的土壤硝态氮含量均呈现随着土层深度的增加而逐渐减小的趋势,其中土壤硝态氮含量最大值出现在大棚葡萄集约化种植区的20-40cm土层中;集约化种植区土壤硝酸盐浓度随时间变化不频繁,但变化幅度较大,常规种植区土壤硝酸盐浓度变化频繁,变化幅度较小;土壤硝态氮平均累积总量以大棚葡萄集约化种植区最高,显著高于蔬菜集约化种植区和常规农业种植区。
土壤水分运移强烈影响着土壤中氮素的迁移与转化过程,是造成氮素渗漏损失的主要驱动力和载体。采用数值模拟方法研究了土壤水渗漏对降雨条件的响应关系,发现土壤水的渗漏率与降雨强度关系密切;在保持总降雨量不变的前提下,低频率高强度降雨条件下的土壤水渗漏总量明显高于高频率低强度降雨条件下的土壤水渗漏总量。土壤水瞬时下渗率与前期降雨事件有关,短时间内多次出现的降雨事件显著增大土壤水的下渗率。
对硝态氮的垂向迁移模拟表明,大棚葡萄集约化种植区0-120cm土体的土壤硝态氮淋失量为277.1kg/hm2,而蔬菜集约化种植区和常规种植区的淋失量仅为16.4kg/hm2、15.2kg/hm2,即集约化种植区土壤硝酸盐淋失量和淋失率显著高于常规农业种植区,表明在大棚葡萄集约化种植区过量施肥增大了土壤硝态氮的淋失风险,对生态环境构成了潜在的污染威胁。
地下水质监测结果表明,三种典型种植区的地下水硝态氮含量相差很大,其中以大棚葡萄集约化种植区的硝态氮平均含量最高,达到了15.97mg/l;而蔬菜集约化种植区、常规种植农田的硝态氮含量分别仅为4.02mg/l、3mg/l,进一步表明集约化种植区地下水硝酸盐含量变化幅度大,超标率高,大棚葡萄集约化种植区过量灌溉和施肥已经造成了地下水环境的污染。
基于以上研究结果,本文针对农业集约化种植提出了优化水肥管理、改进施肥方法、推广缓释氮肥以及改善土地利用方式等提高氮肥利用率、减轻氮素淋溶损失的防治对策,为非点源污染的管理与控制提出了可行措施,为流域最佳管理措施的制定提供科学依据。