县域农田生态系统土壤氮素平衡模拟及其潜在环境风险评价

摘要

本文以江苏省仪征市(北亚热带)与江西省余江县(中亚热带)作为研究区域。采用野外调查和室内分析测试，定点研究和区域分析数据，利用地统计学分析和GIS空间建模技术，分析了不同县域内土壤性质的时空变异特征、分布状况及成因；研究了县域农田生态系统表观氮素平衡状况；建立了县域农田潜在可溶出氮模型，并开展了县域尺度上的土壤潜在可溶出氮模拟和验证研究；最后开展了农田生态系统氮素潜在环境风险评价的研究，为我国农田养分科学管理提供理论指导和决策依据。主要的论文结论如下： 1)在不同时期的区域研究结果中，仪征市与余江县土壤有机质、全氮、pH值的空间分布大都表现为强烈的或中等空间自相关性，说明受区域性因素影响较大，在2001年余江县全氮和pH值的空间分布表现为弱空间相关性，空间渐变性规律较差，说明受人为因素影响较大。在仪征市，三个时期的土壤有机质、全氮及两个时期的土壤pH值(1984、2000年)在空间分布上的总体趋势是由西北向东南递增，2004年的pH值呈现为中间的小块斑状值低于周边地区；在余江县，1985年的土壤有机质和全氮含量空间分布比较单一；1998和2001年的土壤有机质和全氮空间分布呈中间低南北高的趋势；三个时期的土壤pH值的空间分布规律性较差。 总的来说，1984-2004年仪征市的土壤有机质、全氮变化率在大部分地区呈增加趋势，pH值的变化率在研究区域的北部以增加为主，南部沿江地区呈降低趋势。余江县1985-2001年土壤有机质、全氮变化率均有不同程度的增加与降低，增加的区域都主要分布在研究区域的南部和北部的丘陵，pH值的变化率在大部分地区以降低为主。 2)农田表观氮素单位面积耕地年平均收入、支出与盈余量的最大值分别位于仪征市东南角沿江区域的朴席镇和余江县河谷平原的邓埠镇；仪征市与余江县在2000-2005年的表观氮素平衡都处于增长趋势，且增长比较平缓。仪征市6年的表观氮素盈余量大于余江县的盈余量。余江县的农田表观氮素盈余量小于余江县的氮素支出量，而仪征市的氮素盈余量大于仪征市的氮素支出量，说明仪征市农田生态系统中积累了过多的氮素，对环境有更大的潜在风险。 3)综合利用气象要素模型与NLEAP矿化模型，与表观氮素模型相耦合，建立了土壤潜在可溶出氮模型，选择适用于我国自然条件下的参数方案，以旱地与水田的氮素循环为研究对象，模拟了县域尺度上的农田生态系统的土壤潜在可溶出氮量，并进行了相关验证。结果表明：以水田为主的余江县有机质年平均矿化率低于主要以水田旱地轮作的仪征市，仪征市的水田有机质矿化量小于仪征市旱地有机质矿化量。潜在可溶出氮的结果中，仪征市土壤潜在可溶出氮含量的高值区集中在东南部沿江平原的朴席镇；余江县可溶出氮含量的高值区集中在西南部丘陵岗地的杨溪乡和位于河谷平原的邓埠镇。两个区域的潜在可溶出氮高值区都主要聚集在经济发达的中心城镇及周边城镇。 4)从农田氮素损失的三个主要途径(径流损失、淋溶损失、气态损失)入手，筛选出影响氮素盈余的主要因素，通过层次分析法确定影响因素权重，构建氮素潜在环境风险评价模型，并且提出了在表观氮素盈余量控制下的潜在风险评价法。从风险等级来看，仪征农田氮素潜在环境风险以潜在风险为主，低风险区主要位于仪征西南部，潜在风险区主要位于仪征西部、中部、南部镇及东部的部分地区，高风险区主要位于仪征北部以及东南部。余江农田氮素潜在环境风险以低风险为主，风险的分布趋势是东北、西南高，中部低。从土地利用类型来看，水田的氮素损失潜在风险大于旱地。

目录

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2农田生态系统氮素平衡研究进展

1.3农田生态系统氮素平衡参数研究

1.4土壤氮素过程模型研究进展

1.5氮素综合模型研究进展

1.6模型与GIS集成的分类研究进展

1.7环境风险评价研究进展

1.7.1环境风险评价国内外研究进展

1.7.2风险评价方法研究

1.8存在的主要问题

1.9研究内容与论文框架

1.10研究思路和技术路线

第二章 研究区域与数据处理

2.1研究区域概况

2.1.1江苏省仪征市区域概况

2.1.2江西省余江县区域概况

2.2数据处理

2.2.1矢量数据

2.2.2土壤数据

2.2.3气象数据

2.2.4统计年鉴数据

2.2.5 田间试验数据及野外土壤调查分析数据

2.2.6投影坐标体系及栅格框架

第三章 县域尺度下土壤性质时空变异

3.1地统计学原理简述

3.1.1区域化变量

3.1.2变异函数及理论模型

3.1.3回归模型的检验

3.1.4克里格插值方法

3.2江苏省仪征市土壤性质时空变异与分析

3.2.1数据预处理

3.2.2不同时期土壤性质的描述性统计分析

3.2.3不同时期土壤性质的变异特征分析

3.2.4土壤性质的时空分布

3.3江西省余江县土壤性质时空变异与分析

3.3.1数据预处理

3.3.2不同时期土壤性质的描述性统计分析

3.3.3不同时期土壤性质的变异特征分析

3.3.4土壤性质的时空分布

3.4小结

第四章 县域农田生态系统表观氮素平衡分析

4.1表观氮素平衡模型

4.1.1江苏省仪征市表观氮素平衡状况

4.1.2江西省余江县表观氮素平衡状况

4.2区域对比分析

4.3小结

第五章 潜在可溶出氮模型的建立与模拟

5.1土壤潜在可溶出氮模拟模型

5.2 NLEAP矿化模型

5.2.1土壤有机质矿化

5.2.2有机肥矿化

5.2.3作物残茬矿化

5.3 NLEAP矿化模型的参数确定

5.3.1太阳辐射的计算

5.3.2土壤温度效应函数

5.3.3土壤湿度效应函数

5.3.4一级矿化速率的计算

5.3.5模型与GIS的集成

5.4潜在可溶出氮模拟

5.4.1江苏省仪征市潜在可溶出氮模拟

5.4.2江西省余江县潜在可溶出氮模拟

5.6模型验证

5.7县域农田潜在可溶出氮差异对比分析

5.8小结

第六章 农田生态系统氮素潜在环境风险评价

6.1氮素潜在环境风险评价方法及其原理

6.1.1县域农田氮素潜在环境风险评价模型

6.1.2确定指标权重的方法

6.1.3氮素潜在环境风险评价划分标准

6.2仪征市农田生态系统氮素潜在环境风险评价

6.2.1评价指标的选取

6.2.2指标权重的确定

6.2.3数据的量化处理

6.2.4评价结果与分析

6.3余江县农田生态系统氮素潜在环境风险评价

6.3.1评价指标的选取

6.3.2指标权重的确定

6.3.3数据的量化处理

6.3.4评价结果与分析

6.4小结

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2论文创新点

7.3不足与展望

参考文献

致谢

附彩图