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裂缝条件下稻田土壤中N_2O的释放和氮溶质运移的机理研究

黄树辉  
【摘要】:土壤中不同的水分状况对土壤中氮素运移和N2O释放产生重要影响。水稻土逐渐变干 和干湿交替条件下产生裂缝的现象,显著改变了土体中最基本的物理和化学性质,包括土壤 三相比、土温变化、氧化还原状况、水分传导系数以及土壤微生物的特性等。本文模拟了淹 水、逐渐变干、湿润状态、干湿交替等不同的水分状况下,加入不同量的硫酸铵肥料和硝化 抑制抑制剂DCD的土柱和田间实验来探讨土壤中N2O释放规律和渗漏液中氮素运移规律以 及与氮有关的还原酶活性的变化,试图阐述稻田裂缝条件下N2O的释放规律和渗漏液中氮溶 质运移。在此基础上,还利用DNDC模型来模拟和比较了稻田释放N2O的规律,以期得到 适合南方稻田N2O排放模拟的模型。取得了如下结果: (1) 水稻田N2O排放通量的较大值主要出现在三次烤田期。对田间N2O排放影响最大 的因素分别是土壤含水量(x1) ,土温(x2) 和Eh(x3) ,它们对N2O排放量(Y)的影响可以用公式 Y=-1498. 95+2895. 48X1十50. 63X2-96. 99X1*X2+0. 006X2*X3表示。烤田前稻田土壤中羟胺还 原酶活性的强弱与N2O的排放存在显著线性负相关关系。氮肥和磷肥对土壤中产生N2O的 贡献主要在水稻生长中后期,即从第一次烤田起(移栽后34d),都表现为对N2O排放的促进作 用。而低氮水平对N2O排放的刺激作用没有高氮的刺激对N2O排放明显,且N2处理(180 kgN ha-1) 、N1处理(90 kgN ha-1) 和NO(没有施肥)之间的平均N2O排放差异不显著。在水稻生长 中后期(第一次烤田后),较高水平的氮肥加入即,N3处理(270kgN ha-1) 和N4处理(360kgN ha-1) 能强烈刺激N2O排放。 (2) 土壤裂缝形成对若干土壤酶活性的影响差异很大。质地粘重的青紫泥和黄斑田土壤 在自然干燥过程中会产生裂缝,但粉砂性的小粉土在整个培养过程中没有出现裂缝。青紫泥 和黄斑田在裂缝演变过程中,裂缝的单位面积总长度,最大宽度以及最大深度都遵循着一定 的规律。水稻土在自然干燥过程中,有无裂缝对于土壤中硝酸还原酶和羟胺还原酶活性变化 影响显著,但是亚硝酸还原酶活性的演变与土壤产生裂缝没有明显关系。在水稻分蘖期的烤 田过程中,随着稻田土壤的含水量的逐渐减少,土壤中硝酸还原酶活性急剧降低,羟胺还原 酶活性里波浪型变化,几乎检测不到亚硝酸还原酶活性。 (3) 裂缝的产生影响土体的氧化还原状态。改变土壤渗漏液中Eh值,进而影响土壤渗 漏液中氮的形态分配比例。在自然干燥过程产生的裂缝显著增加土壤渗漏液中硝态氮和亚硝 态氮浓度,但是对铵态氮浓度的变化没有影响很小。裂缝的平均体积、平均面积、平均深度 与土壤渗漏液中硝态氮浓度之间存在线性负相关关系。硝态氮浓度的变化影响着土壤渗漏液 中亚硝态氮浓度。没有裂缝产生的小粉土土壤渗漏液中Eh值与硝态氮、亚硝态氮存在显著 的负相关关系。有裂缝产生的青紫泥和黄斑田中土壤渗漏液中Eh值与硝态氮、亚硝态氮和 总氮之间没有显著的相关关系。裂缝的出现影响着土壤渗漏液中氮溶质运移和土壤中NZo 气体的释放,另外还改变了土壤中NZO的时变化规律。 (4)不同的水分管理状态下,所有处理的渗漏液中NZO浓度都是超饱和的。不同的水分 管理状态会对土柱渗漏液中溶质的运移产生不同的影响:不同的水分处理可以导致渗漏液中 钱态氮浓度含量不一样,施肥逐渐变干处理(O)的渗漏液中馁态氮浓度最高,其次是淹水处理 (E),最小的是湿润处理(F)。E处理中渗漏液中硝态氮和亚硝态氮浓度明显高于。和F两种处 理。O处理的土壤中释放的N20通量明显高于E和F处理,且呈波动变化。此外也对土壤释 放 NZO产生不同的效果。 (5)不同起始开裂强度和不同量的硫酸钱的实验表明,施肥量越多,渗漏液中按态氮浓度 越高。施氮肥量只对渗漏液中按态氮有显著影响.不同始起开裂天数只对渗漏液中NZO浓 度变化有显著影响。 (6)硝化抑制剂DCD对裂缝条件下的氮素运移的影响实验表明,从不同量的硫酸馁加入 与不同的开裂强度下的对照实验可得出渗漏液中按态氮浓度与肥料的施入量呈正相关,但是 与开裂强度的关系却没有肥料加入的处理明显,渗漏液中亚硝态氮和PH各处理之间的差异 不明显,渗漏液中硝态氮和N20含量与肥料和开裂强度的关系复杂,数据分析也表明,不同 的肥料加入量导致影响土体释放NZO的规律也不一样,这说明裂缝的存在影响着肥料释放 NZO的潜力;而淹水+硫酸钱+OCD逐渐变干处理实验与对照相比,OCO的加入并没有在裂 缝产生过程中起到抑制的效果,因而也导致了整个过程中土体释放的NZO通量比对照高; 但是在不同的裂缝强度下,再淹水加入相同量的硫酸按和不同量的OCO实验却可得出OCD 对土体中NZO的释放具有不同抑制效果,OCO对于抑制开裂条件下先淹水再逐渐变干过程 中土壤释放的NZO的抑制是非常有效的。 (7)DNDC模型能够较好地模拟出中国东南地区农田生态系统的N20排放趋势。这说 明该模型己经抓住了实质性的NZO排放关键过程。但对于稻田的模拟时,模拟值普遍比观 察值偏高,说明该模式还有待进一步完善。稻田ONOC模型的改善可从干湿交替过程、氮 肥的施入量与方式和水稻吸收NZO这三方面考虑。 关键词:NZO,稻田土壤,裂缝,水分状态,溶质氮,渗漏液,运移,ONOC模型 /夕


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