1．降雨条件下黄土坡地养分迁移机理及模拟模型.PDF

1．降雨条件下黄土坡地养分迁移机理及模拟模型 博 士 生：王辉 学科专业：土壤学 导 师：邵明安研究员、王全九研究员 摘 要：坡地土壤水分、养分迁移机制与预测模型研究是土壤质量退化和农业非点源污染研究的核心 内容，也是土壤侵蚀、坡地水文、旱地农业和环境科学等多学科交叉点。选择水蚀严重的黄土区，开 展黄土坡地土壤养分迁移机理及模拟模型研究，有效预测与控制土壤养分流失，对于生态环境保护和 坡地水分养分的管理均具有重要意义。 本文采用室内土槽与野外坡地小区模拟降雨相结合的试验方法，选择以非吸附性硝态氮或溴、 吸附性磷以及钾作为研究对象，系统地探讨了影响坡地土壤水分和养分迁移机理的多种因素，从坡面 尺度揭示了降雨条件下土壤养分向径流释放、迁移的内在机制，阐明了土壤养分流失对各种影响因子 的响应特征，并提出了水蚀条件下土壤养分随径流迁移模型，旨在为黄土区坡耕地土壤、水分及养分 流失治理和非点源污染的管理、评价与调控提供科学依据。 本论文完成的主要工作和取得的主要结论如下： (1) 室内试验结果表明，土壤质地、降雨雨强和坡度等因子对坡地溶质迁移影响显著。塿土的径 流磷和钾浓度曲线均呈幂函数衰减过程。由于砂黄土容易发生细沟侵蚀，加剧养分流失，其径流磷浓 度曲线呈抛物线变化。降雨强度与土壤侵蚀量和养分流失量均呈指数函数关系。径流溶质浓度随着坡 度增加而增高，土壤侵蚀对径流溶质浓度的贡献增大。 (2) 土壤容重和前期土壤含水量对坡地土壤水分和养分迁移的影响研究表明，径流溶质浓度对容 重变化敏感程度分别是：NO - 3- + 3 -NPO4 -PK 。田间压实处理降低了土壤侵蚀，减少了泥沙携带养分 流失，也降低非吸附性养分淋失，但增大了养分随径流流失量；翻耕加剧了土壤侵蚀，增加了非吸附 性养分淋失的潜在危险。径流溶质平均浓度与前期含水量均呈近似抛物线关系。利用二次多项式分别 拟合塿土和砂黄土坡地物质流失量与前期含水量的关系，并求出坡地物质流失量最少的前期含水量 值：塿土为10.21~11.37%，砂黄土为8.97~13.39%之间。 (3) 室内模拟试验条件下，坡地不同透水状况对坡地土壤侵蚀和养分流失过程的影响研究表明， 在初始条件一致下，不透水坡地的初始产流时间比半透水和完全透水坡地提前5-7min，其土壤侵蚀总 量比其它两者土壤侵蚀量之和还多；二次降雨条件下，不透水坡地土壤侵蚀剧烈，土壤侵蚀量是其他 两种状况之和的5 倍之多；二次降雨的径流养分浓度存在显著差异：不透水坡地径流PO 3- + 4 -P 和K 浓 度比其它坡地的高1-2 倍。因此，存在不透水底层或入渗低犁底层的坡耕地，具有潜在的严重土壤侵 蚀与磷钾流失趋势，尤其在初始土壤含水量较高的情况下。 (4) 室内和田间模拟试验条件下，地表处理状况（物理结皮、施加PAM 、秸秆覆盖、施肥方式） 对坡地土壤侵蚀和养分流失的影响研究表明，物理结皮有显著降低磷和钾随径流泥沙流失作用，也具 有减少土壤养分淋失作用。在暴雨条件下，施加PAM具有显著减少土壤侵蚀和降低径流磷和钾流失的 作用；在小雨强条件下，施加PAM表现出增加地表径流的作用，提高了径流磷和钾的流失量；施加PAM 具有减少土壤硝态氮淋失的作用，但未增加土壤剖面含水量。秸秆覆盖可能会加速淋溶到土壤中的非 吸附性化学物质（Br- 、NO3--N ））的流失，但明显有降低径流磷流失的作用。肥料地表喷施处理坡面 径流养分流失量比表层混施处理的大，溶质浓度变化曲线均呈幂函数衰减过程。 (5) 天然和人工降雨试验条件下，黄土坡地氮素淋溶的基本特征研究表明，从坡底至坡顶，土壤 硝态氮含量呈近似波浪式递减趋势，坡底部位有明显累积，坡面各点土壤硝态氮淋溶深度也呈递减趋 势；坡地硝态氮是二维淋溶，随着入渗水既沿重力方向迁移，又向坡底侧向迁移；降雨量与硝态氮淋 溶深度及淋失量均呈正线性关系；淋失是黄土坡地土壤氮素的主要损失途径。 (6) 利用试验资料对目前径流溶质迁移模型进行分析与检验，结果表明，建立以幂函数形式为特 征的模型更适合描述非饱和水流