不同水耕年限土壤剖面基础性质与水-氮动态分布特征

摘要

作物对土壤水分及氮素利用率是影响作物生长和发育的主要影响因素，除了灌溉或施肥等农业措施外，土壤性质是影响作物水肥利用效率的主要限制因素。气候、生物、地形、母质以及人为影响因素一致的条件下，种植年限是影响土壤性质差异的主要因素。不同的水稻种植年限会造成土壤性质差异，进而影响土壤水肥运移特征以及作物对水分与养分的吸收。
　　江汉平原是我国重要的农业生产基地，季节性缺水和作物氮肥利用率低成为限制区域农业生产的重要影响因素。水田和旱地是本区域主要的农业种植方式，由于水稻机械化水平和经济效益的提高，导致旱地改水田的趋势不断加大。一方面，水稻高水肥投入的特征导致种植方式转变后水肥消耗量增加，季节性干旱和肥料流失造成的水环境污染问题加剧。另一方面，农民对水肥管理措施的制定未考虑水耕年限的差异，很可能导致水肥利用效率的进一步降低，进而造成更为严重的水环境污染。因此，针对不同水稻耕作年限的农田开展土壤性质测定与水-氮动态分布研究，可为制定合理的稻田水-氮管理措施提供理论依据，以提高水-氮利用效率，对可持续农业生产和水环境保护有重要的意义。
　　本研究采用野外监测与试验、室内实验和理论分析相结合的研究方法，对不同水耕年限的农田（2年、18年和＞100年）进行了研究，重点关注不同水耕年下条件下土壤基本理化性质和水力学特性的差异，及其对土壤水分和氮素分布与运移的影响;初步揭示了水耕年限对土壤性质与水-氮分布的影响机制，初步提出了考虑水耕年限的优化的农田施肥和灌溉管理原则。本研究主要成果如下:
　　(1)不同水耕年限条件下，农田土壤基本理化性质差异显著。耕作层和犁底层厚度随水耕年限的延长而增加。土壤有机质在耕作层富集，且随水耕年限的延长而增加，2年、18年和100年农田土壤有机质平均含量分别为10.97 g/kg、15.44 g/kg和17.97 g/kg;2年、18年和100年农田土壤容重变化范围分别介于1.18～1.37 g/cm3、1.09～1.46 g/cm3和0.98～1.54 cm3;耕作层容重最小，底土层其次，犁底层最大。
　　(2)不同水耕年限条件下，耕作层土壤饱和导水率(Ks)随水耕年限延长而增大，犁底层及底土层随水耕年限延长而减小。犁底层Ks值由2年农田的37.02 cm/d下降到100年农田的3.11 cm/d。土壤持水性随水耕年限的延长而增强。土壤基本理化性质是影响土壤饱和导水率和持水性的主要影响因素，土壤容重、粘粒含量与Ks呈显著负相关关系，大孔隙含量与Ks呈显著正相关关系。
　　(3)不同水耕年限条件下，农田土壤剖面水-氮分布与积累差异明显。土壤水分和硝态氮含量均随水耕年限的延长而增加，水耕2年、18年和100年稻田0-100cm剖面土壤平均含水量分别为0.39 cm3/cm3、0.46 cm3/cm3和0.54 cm3/cm3，硝态氮含量分别为3.75 mg/kg、6.27 mg/kg和9.85 mg/kg。3种农田铵态氮储量远低于硝态氮储量，且各农田间铵态氮含量差异较小，水耕2年、18年和100年剖面铵态氮与硝态氮储量比值分别为0.61、0.39和0.30。
　　(4)小麦生育期，不同水耕年限农田土壤剖氮素分布与积累差异明显。土壤氮素在耕作层富集，2年、18年和100年农田耕作层硝态氮含量分别为12.26 mg/kg、12.74 mg/kg和14.88 mg/kg，铵态氮分别为6.01 mg/kg、8.33 mg/kg和11.69 mg/kg，耕层以下氮素含量较小。小麦的氮素农学利用率随水耕年限的延长而降低，2年、18年和100年农田分别为10.03 kg/kg、6.39 kg/kg和4.15 kg/kg，土壤水分过高是限制小麦产量的重要因素，对于水耕年限较长的稻田要格外加强农田排水。
　　(5)水稻生育期，不同水耕年限农田土壤剖面水-氮分布差异明显。土壤含水量随水耕年限的延长而增大，水耕100年农田耕作层含水量(0.43 cm3/cm3)分别是18年和2年的1.14倍和1.36倍，耕层以下土壤水分差异较小。土壤溶液中硝态氮浓度显著低于铵态氮浓度，2年、18年和100年农田土壤溶液的硝态氮平均浓度分别为0.76 mg/L、0.95 mg/L和1.08 mg/L，铵态氮浓度分别为3.99 mg/L，12.61 mg/L和12.08 mg/L。
　　(6)对于水耕年限较短的农田，为有效减少水-氮的渗漏损失，可以通过两种方式实现，一是在水稻播种前增加打田次数以加速犁底层的形成，二是在水肥管理措施上，采用少量多次的灌溉和施肥方式。对于水耕年限较长的农田，土壤水分及养肥保持性强，可采取多量少次的灌溉和施肥措施，进而有效减少劳力成本，但也需要防止灌溉与强降雨事件叠加引发的地表径流。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 不同水耕年限土壤研究进展

1．2．2 水耕年限对土壤基础性质的影响研究进展

1．2．3 水耕年限对土壤养分状况的影响研究进展

1．2．4 旱改水对土壤的影响

1．3 存在的问题

2 研究区概况、研究内容与方法

2．1 研究区概况与样地分布

2．2 研究内容

2．3 研究方法

2．3．1 样地选取与仪器布设

2．3．2 试验设计和样品采集

2．3．3 测定项目与方法

2．4 技术路线

3 土壤基本理化性质与水力学性质差异

3．1 土壤基本理化性质差异

3．2 土壤水力学性质差异

3．2．1 土壤饱和导水率差异及其影响因素

3．2．2 土壤水分特征曲线与孔隙分布

3．2．3 土壤水分特征曲线模拟

3．3 土壤水分常数与库容差异

3．3．1 土壤水分常数

3．3．2 土壤水分库容

3．4 水耕年限对土壤水分渗漏与保持特征的影响

3．4．1 土壤基础性质对水分渗漏与保持特征的影响

3．4．2 土壤大孔隙对水分渗漏与保持特征的影响

3．4．3 农田优化的灌溉措施探讨

3．5 本章小结

4 休耕期土壤剖面水-氮分布与积累特征

4．1 剖面土壤含水量分布

4．2 剖面土壤硝态氮分布

4．3 剖面土壤铵态氮分布

4．4 剖面水-氮积累

4．5 水耕年限对土壤剖面水-氮分布与积累的影响

4．5．1 水耕年限对土壤剖面水-氮分布与积累的影响

4．5．2 优化灌溉和施肥方式的探讨

4．6 本章小结

5 小麦生育期水-氮分布与积累特征

5．1 土壤剖面含水量分布

5．2 土壤剖面硝态氮分布

5．3 土壤剖面铵态氮分布

5．4 土壤剖面水-氮积累特征

5．4．1 土壤剖面水分积累特征

5．4．2 土壤剖面氮素积累特征

5．5 小麦生育期水-氮相互关系及其影响因素

5．5．2 水-氮分布与积累影响因素

5．5．3 麦季优化的农田耕作措施探讨

5．6 本章小结

6 水稻生育期水-氮分布特征

6．1 土壤剖面含水量分布

6．2 土壤剖面硝态氮分布

6．3 土壤剖面铵态氮分布

6．4 水稻生育期土壤水-氮相互关系及其影响因素

6．4．2 土壤水-氮相互关系的影响因素

6．5 减少稻田氮肥损失的措施探讨

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．2 展望

7．3 论文创新点

参考文献

硕士期间参与课题与发表论文

致谢