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《西北农林科技大学》 2001年
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土壤-根系统养分迁移机制及其数值模拟

张富仓  
【摘要】: 资源和环境问题是目前人类面临的两大主要问题。在农业水土环境中,水分和养分资源的有效利用是人们更为关心的一个问题。特别是在北方干旱半干旱地区,由于土壤水分和养分贫乏,肥料利用率低,成为农业发展的另一个突出障碍。因此,定量研究土壤(根系统中的养分迁移和转化和吸收,是农业水土工程、土壤学、植物营养学以及植物生理学等多种学科目前研究的前沿领域。近几十年来,国外许多学者从农田土壤养分迁移、转化以及作物根系吸收的机制角度对土壤养分的形态、转化、动向和归宿以及在植物体内的功能、代谢和调控等方面进行了较深入的研究。国内在此领域的研究也取得了一定的进展,但对养分在土壤中迁移过程、植物根系对养分的吸收动力学机制以及用数值模拟的方法定量计算植物对养分的吸收研究的不够,特别是缺乏系统的研究。本文以陕西省3种不同质地的土壤-土娄土、黑垆土、黄绵土和沙土为土壤材料,以小麦、玉米和大麦为作物材料,从机制角度系统地研究了土壤氮、磷、钾的迁移和供应特征参数、小麦、大麦、玉米等作物根系吸收氮、磷、钾、锌等养分的动力学机制以及作物根系吸收养分的数学模型的建立和数值计算等。取得了如下一些主要结论: 1.采用示踪的方法研究了磷在三种不同质地土壤中扩散特征及其影响因素,得出了土壤磷的扩散系数(De)与土壤质地、含水率、温度、施磷量以及土壤容重的定量关系式。提出了描述土壤磷扩散系数的温度效应的磷扩散系数的温度系数的概念。根据饱和、非饱和水动力弥散实验,推导出了吸附性养分离子(K+)和非吸附性养分离子(NO3-)水动力弥散参数(扩散-弥散系数)的计算方法。 土壤磷的扩散特征以及影响因素研究表明:土壤含水率是影响磷扩散系数的主要因素之一,土壤磷的扩散系数与土壤含水率的关系呈显著的幂函数(D=aθvb)相关;土壤质地不同,磷的扩散系数明显存在差异。在其它条件相同的情况下(含水率、容重、温度),随着土壤质地的加重,土壤磷扩散系数增加;温度也是影响土壤磷扩散的一个重要因子。温度升高,土壤磷扩散系数增加,并且增加的幅度受土壤含水率的影响,提出了土壤磷扩散系数的温度效应可用磷扩散系数的温度系数定量表达式。温度系数与土壤含水率(θv)符合幂函数关系即=cθvd,温度较高时,土壤磷扩散温度效应相对减弱;随着土壤施磷量的增加,土壤的磷扩散系数明显增加,由于质地较粘重的土壤磷的吸附能力较强,在较高施磷量条件下,其吸附的磷量也较多,相应地土壤溶液中磷的数量较低,因而扩散系数提高较轻质土壤少;土壤容重对磷扩散的影响与土壤的质地有关。对于质地较重的土壤,随着土壤容重的增加,磷扩散系数有降低的趋势;而对于质地轻的沙土,磷扩散系数有增加的趋势。 通过室内土柱对黄绵土和土娄土饱和、非饱和水动力弥散实验,推导出了吸附性养分离子(K+)和非吸附性养分离子(NO3-)水动力弥散参数(扩散-弥散系数)的WP=5计算方法。根据一维饱和弥散实验结果,由相应的解析解,用简化计算方法求得饱和水动力弥散系数Dsh和阻滞因子R;对于一维非饱和弥散实验, 在分析养分离子的水动力弥散理论的基础上,推导出了求解非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的计算公式。 2.首次在国内采用土壤溶液离心和阴离子交换树脂相结合的方法研究了施磷量对三种不同质地土壤磷的吸附性能的影响;理论推导出了预测土壤供磷能力的解吸模型,并用于描述磷肥施入土壤中土壤对磷的吸附和解吸作用两个主要过程,用实验的方法测定和计算了描述土壤供磷能力的参数。 土壤施用磷肥后,土壤溶液和土壤固相吸附磷(树脂交换的磷)浓度均增加;三种土壤比较,施用磷肥后土壤溶液浓度增加的程度表现为质地较轻的土壤大于质地较粘重的土壤,即沙土>黑垆土>土娄土,且随着施磷量的增加土壤溶液磷浓度在低施磷量段(0-600(沙土0-400)mg P/kg土)和高施磷量段(600-1200(沙土400-1200)mg P/kg土)呈线性增加;温度升高,土壤溶液磷浓度有降低的趋势;由于三种土壤对磷素都存在着较强的吸附作用,因此施用的磷肥大多被土壤固相所吸持,施磷量与土壤固相磷吸持量呈显著线性相关,三种土壤比较,施磷量与土壤固相磷吸持量没有明显差异。温度升高,沙土施磷量与树脂交换的磷的关系没有显著差异,而黑垆土和土娄土则随着温度的升高树脂交换的磷较明显的增大;土壤磷的吸附等温线可用Freundlich方程给予很好的描述,随着土壤质地的加重,土壤的吸附容量明显增大,土壤的吸附强度也明显增大,土壤磷的吸附等温线上移,吸附量表现为土娄土(黑垆土(沙土,说明土壤粘粒对磷的吸附等温线有较大的影响。温度对土壤磷的吸附等温线产生显著的影响,随着温度的升高,吸附等温线上移,表明了土壤对磷的吸附增强。 根据理论推导出的预测土壤供磷能力的解吸模型,采用实验的方法研究了解吸条件下施磷对三种不同质地土壤磷的供磷能力的影响。三种土壤磷的解吸曲线,即土壤溶液磷浓度与水土比的关系均呈递减的幂函数;对于某一土壤在某一浸提时间下,随着土壤施磷量的增大,土壤溶液磷浓度和土壤磷的缓冲能力均有增加;土壤质地越重,土壤对磷的吸附越强
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