（环境科学专业论文）庶叶还田对土壤no3流失阻控作用的初步研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ek a r s ta r e a ，g r o u n d w a t e ri sa l li m p o r t a n tr e s o u r c eo fl o c a lp e o p l el i f ea n d a g r i c u l t u r e ，b u tn i t r o g e nc a u s e db yf e r t i l i z e ri sv e r yc o m m o n t h e r e f o r e ，r e d u c e n i t r o g e np o l l u t i o ni nk a r s tg r o u n d w a t e ri sv e r yi m p o r t a n tf o re n s u r i n gt h ep e o p l e s l i v e l i h o o da n ds o c i a lh a r m o n ya n ds t a b i l i t y t h e r ea r em a n yr e p o r t sa b o u tt h e m a n a g e m e n to fn i t r o g e np o l l u t i o ni nt h eg r o u n d w a t e r , b u t t h e s es t u d i e sf o c u s e do nt h e m a n a g e m e n tf o rp o l l u t i o n ，h o wt or e d u c ep o l l u t i o ni sr a r e l ys t u d i e d ，e s p e c i a l l yi nt h e k a r s ta r e a i nt h i ss t u d y , t a k i n gt h ek a r s td e p r e s s i o n so fg u a n c u nu n d e r g r o u n do f g u a n g x ia sa ne x a m p l e ，t h r o u g ht h ew a yo fs u g a r c a n el e a v e s t of i e l dt od i s c u s s w h e t h e rn i t r a t ee r o s i o nw i l lb ec o n t r o l l e di nac e r t a i ne x t e n ta n dw h e t h e rn i t r o g e n p o l l u t i o no fg r o u n d w a t e rb yt h ef e r t i l i z a t i o nw i l lr e d u c e t h i sr e s e a r c hc o n s i s t so ft h r e ep a r t s f i r s t l y , w ed i s c u s sn i t r o g e nc o n t e n t so f s o i l sw a t e ri nt w od i f f e r e n tl a n du s es o i l st ou n d e r s t a n dt h enf o r m sa n dt h ee r o s i o n f e a t u r e so fn i t r a t ei nk a r s ta r e a s e c o n d l y , w eu s et h ew a yo fs u g a r c a n el e a v e st of i e l d t od i s c u s sw h e t h e rn i t r a t ee r o s i o nw i l lb ec o n t r o l l e dt os a m ee x t e n t t h i r d l y , w e o b s e r v et h ec h a n g e so fs o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa tt h ed i f f e r e n tt i m ei n t h ec a n es o i lt ol o o k i n gf o rr e a s o na b o u tn i t r a t ee r o s i o ni nt h ef i e l dw i t hs u g a r c a n e l e a v e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a r n m o n i u m - ni st h em a i ni n o r g a n i cn i t r o g e ni nt h e p a d d ys o i lw a t e r , b u tt h ec a n es o i lw a t e ri sn i t r a t e a m m o n i u ma n dn i t r a t ef o r m s c o n t e n ti n s o i lw a t e ri sd i f f e rg r e a t l y t h ec o n t e n to fa m m o n i u m - ni sv e r yf e w , b e t w e e n0 1 10 3 m g l ，n i t r a t ec o n t e n tc h a n g e sa l o t ，e s p e c i a l l yi nt h ef e r t i l i z e r , i th a s 17 2 m g li ns u g a r c a n es o i lw a t e r i l l u s t r a t et h a tn i t r a t ei st h em a i nf o r mo fn i t r o g e n l o s s ，r a i n ys e a s o nw i l la c c e l e r a t et h en i t r a t ee r o s i o n a f t e rf e r t i l i z e r , t h et r e n d si nc a n es o i lw a t e rb e t w e e nt w oc r o p p i n gp a t t e r n s ( y h a v es u g a r c a n el e a v e st of i e l da n dw n os u g a r c a n el e a v e st of i e l d ) a r es i m i l a re x c e p t 15 c ma n d3 0 c m w i t ht h es o i l sd e e p e r , t h ec o n t e n to fn i t r a t eb e c o m el e s s t h es u mo f n 0 3 一i nyo f15 c ma n d3 0 c mi s15 3 3 7 3 m g l ，wi s7 7 0 9 6 m g l ，yi st w i c et h a nw ： t h es u mi nyo f6 0 c m ，9 0 c m , 12 0 c m ，1 5 0 c m ，18 0 c mi s5 4 0 9 7 r a g ，wi s6 8 2 6 6 m g l ，yi s 桂林理工大学硕士学位论文 l e s st h a nw t h er e s u l t sp r o v et h a tu s et h ew a yo fs u g a r c a n el e a v e st of i e l dc a nr e d u c e n i t r a t el o s so fc a n ef i e l d s w i t hs u g a r c a n el e a v e st of i e l d ，t h e r ea r ed i f f e r e n tc h a n g eo ft h eq u a n t i t i e so f n i t r a t e ，a m m o n i u m - n ，o r g a n i cm a r e r ，t o t a ln i t r o g e n , p ha n dm o i s t u r e n i t r a t e ， o r g a n i cm a a e r ，t o t a ln i t r o g e n ，m o i s t u r eb e c o m em o r e ，a m m o n i u m - nb e c o m el e s s n i t r a t ec o n t e n ta n dp hn e g a t i v e l yr e l a t e di ny p o s i t i v e l yr e l a t e di nw k e y w o r d s ：k a r s ta r e a ；n i t r o g e nf o r m s ；s u g a r c a n el e a v e st of i e l d ；n i t r a t ee r o s i o n ； 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题意义 随着人类活动的加剧，岩溶含水层遭受到不同程度的破坏，而岩溶水对人类 的生活和生产环境产生着积极的环境影响n 3 ，岩溶含水层的污染是个热点问剧扪。 岩溶水因其开放性和脆弱性，很容易受到人类不合理活动的影响，造成水质的持 续恶化。有研究表明，广西大部分地下河水质虽然尚好，但部分离子2 0 年来有 明显的升高趋势，特别是n 0 3 升高明显口3 。广西桂林东区近2 0 年来由于土地利 用发生变化而导致岩溶地下水水质持续恶化，n 0 3 和p h 的变化很显著，甚至达 到污染的程度h 。贵州六盘水水城盆地是一个新兴的工业城市，近年来土地利用 状况发生了急剧的变化，对岩溶水及其水环境造成了极大的影响啼1 。贵州普定后 寨地下河流域近2 0 年来由于人类活动加强和土地利用结构不合理，而使该地下 河水质呈现恶化趋势1 。陕北黄土高原南缘的渭北地区，由于煤矿和岩溶水的无 计划开采，使当地的地下水也受到严重的污染，对当地正常的工农业生产和人民 生活秩序带来了一定的危害口3 。 水环境中的氮污染问题在2 0 世纪6 0 年代末期和7 0 年代初期曾引起公众的 广泛关注，其直接原因是世界上有个别婴儿由于饮用了富含硝酸盐的污染水后患 高铁血红蛋白症而死亡。鉴于硝态氮对人体的严重危害，世界卫生组织颁布的饮 用水质标准中规定，硝态氮的最大允许浓度为1 0 m g l ，这一标准为不少国家所 采用、如美国、日本、俄罗斯等，我国目前也暂用世界卫生组织的标准。欧盟提 出的允许值为5 6 m g n 0 3 - n l 8 1 0 1 有关资料报告。蔬菜生产发达的地区，由于投 入的化学氮肥超过一般农田，地下水中硝态氮的含量高达6 1 6 - 1 2 0 4 m g l 。我 国农业发达地区，农村地表水和地下水硝态氮的含量正在上升，这种上升与化学 氮肥的过量投入紧密相关。岩溶地区地下水污染中，n 0 3 污染是最普遍的，也是 危害地下河水质安全的最主要因子。由于污染的不确定时间、不确定途径、不确 定量等特点，面源污染一直以来成为研究的难点m 1 引。 在岩溶地区，硝态氮污染主要来自于农田。近些年来我国农村经济快速发展， 在很多经济发达的农村地区，传统的有机农业模式被打破，取而代之的是以大量 桂林理工大学硕士学位论文 的化肥投入为主的石油农业，一方面，作物秸秆就地焚烧、农村畜禽粪便等直接 弃入江河湖海，造成农村生态环境日益恶化，另一方面，农田有机肥的施用愈来 愈少。由于农业的产量过分地依赖于化肥的投入，又没有保证秸秆等有机物的归 还，导致土壤有机质矿化与积累的不平衡，支出大于收入，土壤有机质含量逐年 减少。 在岩溶地区土壤是岩石、大气、水、生物等四个大圈层的敏感交汇地带。在 农田生态系统中，土壤养分中氮的含量主要受降雨和土壤水分条件的影响，而土 壤中水分的运动也与土壤养分移动有着密切关系n 卜1 5 1 土壤中氮素的淋溶流失是 土壤氮素损失的基本途径之一，是导致生态环境中氮素污染的主要来源。尽管 n h 4 一n 也能被淋失，但一般情况下，土壤氮素的淋溶损失主要以n o 。- n 的形式进 行，因此n 0 3 _ n 是地下水的重要污染物。硝酸根离子极易溶于水，又受到土壤矿 质胶体和腐殖质所带大量负电荷的排斥，在土体中积累的硝态氮此时若遇到下渗 水流，则硝酸盐随水向下淋失n 引。对当地的地下水造成一定的污染。 我国甘蔗主要分布在广西、云南、广东、海南等地区。桂中南是广西甘蔗 生产的优势区，重点布局在崇左、扶绥、横县、宁明、宾阳、大新、龙州、隆安、 武鸣、邕宁、南宁辖区、覃塘区、来宾、武宣、象州、鹿寨、柳城、柳江、宜州、 上思等2 0 个县( 区) 。2 0 0 4 年统计广西甘蔗种植面积1 0 2 6 万亩，平均亩产4 4 5 吨。从2 0 0 4 年至今，甘蔗种植面积有增加的趋势。甘蔗收获后，蔗杆主要用于 榨糖，但甘蔗叶却没有得到合理的利用。甘蔗叶含有丰富的氮、磷、钾等养分， 是改土培肥的好材料u 。 根据研究，不同品种的鲜蔗叶的叶片系数一般在2 5 左右。按照广西全区 2 0 0 7 - 2 0 0 8 榨季平均单产7 8 吨计，每公顷留下的半干的蔗叶约1 2 - 1 5 吨， 以全广西年种植面积1 0 0 万平方千米计，每年留下的鲜蔗叶达1 1 7 0 万吨，折成 千物质的话，蔗叶有3 1 5 万吨被烧掉。造成每年相当5 8 6 万吨尿素的损失。在 甘蔗种植区，很多蔗农把收获后留下的蔗叶焚烧，结果造成大量的养分的损失， 部分蔗区的土壤肥力明显退化，特别是有机质含量下降、土壤容重变大、粘结， 不但造成土地耕翻和整地培土等作业困难，而且由于土壤通气不良对蔗根生长不 利、排水不畅。如果长期焚烧蔗叶，导致养分的损失，对蔗地的生态养分平衡、 培肥地力均不利。研究表明蔗叶还田后能增加土壤有机质，改善土壤肥力m 】。 2 桂林理工大学硕士学位论文 土壤中的氮素主要来源于土壤有机质。土壤中的有机质在微生物的分解作用下， 释放以氮素为主的养分供植物吸收。氮素也是构成植物体内蛋白质的主要成分， 又是叶绿素和各种维生素的重要组成部分。此外氮素能加速营养器官的生长使植 物浓绿健壮、枝叶繁茂。氮的总储量直接影响作物的产量。因此在该地区选择蔗 叶还田方式来增加土壤有机质，一方面可以合理利用甘蔗叶，减少焚烧对环境的 污染，对合理施肥有一定的指导作用。另一方面通过土壤各土层间的氮形态变化 来探讨岩溶地区的氮流失特征，对防治地下水n o 。污染有一定的参考价值。 1 2 研究现状 当前，国内外学者都致力于研究提高农田氮肥利用率以及减少氮素流失的 措施，探索农田氮素流失的定量化和模型化的研究方法，旨在进一步明确农田氮 素流失特征与规律，提出适合各地区农业生产实际中氮肥的科学合理施用技术和 农田土壤氮素流失的控制途径。 1 2 1 农田氮素流失规律的研究 国外自2 0 世纪7 0 年代以来，有关农田氮素通过径流和渗漏等途径从土壤 向地表水和地下水流失已经成为大多数国家的研究热点之一n 8 1 们。我国学者朱兆 良啪1 认为过量施用化肥尤其是氮肥，会形成从地下水、地表水、土壤到空气的“立 体污染”，对环境质量、气候变化和人体健康产生严重危害。 1 2 1 1 田间实验法 国内外学者为了解土壤氮素流失特点，并寻找氮素流失的影响因素，提出了 土地利用方式和管理措施的变换对氮素动态的影响。理解氮素动态及其在系统中 如何渗漏和径流流失，对养分管理极其重要。许峰盟妇等认为氮素在土水界面的 迁移途径主要包括氮素随水在坡面土壤上的养分流失，土壤剖面淋溶以及土壤中 溶质运移( 包括土壤中水平方向运移、林木和农作物根系之间的质流、养分扩散 等) 等过程在量和形态上的变化。氮素在土水界迁移的影响因子包括降水、灌溉、 土壤质地类型、施肥水平、种类和不同耕作方式以及植被等因素。通常硝酸盐淋 失主要发生在降雨集中季节，其淋失量的周期降雨量呈显著的线性相关乜1 啦 。土 层硝态氮的淋失程度在一定范围内与灌水量呈正相关汹3 土壤质地和结构主要决 3 桂林理工大学硕士学位论文 定土壤的透水性质，土壤剖面中大孔隙越多淋溶损失越大。袁东海凹们等对不同 农作利用方式下对红壤坡耕地氮素流失的氮素流失的研究表明，等高耕种、休闲 地等控制土壤氮素流失优于水平沟和水平草带农作方式，坡耕地土壤氮素流失主 要途径为径流流失，约占土壤流失量的8 1 9 9 3 4 ，其中径流流失的氮素又 以水溶态为主，约占7 8 8 7 6 ，且多集中于5 8 月份，占全年流失量的8 5 1 0 0 。不同土地利用方式下氮素在水土界面迁移特征的研究报道很多。排水灌 溉稻田氮素流失规律一般是：淹水层和部面土壤溶液中氮素的形态以铵态氮为主， 施肥后淹水层中氮素浓度呈指数消退；水稻生长期间氮肥主要以气体损失，而淋 溶量相对较少。旱作系统中冬小麦与玉米田在施肥当季淋洗损失可能不是氮肥损 失的主要途径，过量或施肥不当才导致硝酸盐在土壤中大量积累而淋失。氮肥种 类也会影响淋失期脚 ，施用有机肥增加土壤粒径及团聚体含量，提高阳离子代 换量，增加对硝态氮固持，阻碍了硝态氮向下迁移。郭胜利乜们等研究表明，有 机肥对k n 0 3 的淋失有一定抑制作用，s m i t h 瞳7 1 等将有机肥施于耕地研究其氮素 径流时发现，与对照区相比，黏壤土施入牛粪浆增加了固体颗粒与铵态氮在地表 水中的流失，而对硝态氮的流失几乎无影响，说明过多施用有机肥也存在着硝酸 盐污染地下水风险汹】。杨莉琳和胡春胜3 利用4 年的平衡施肥定位试验，研究 了太行山山前平原高产区冬小麦、夏玉米轮作制度下施肥对硝态氮以及作物产量 的影响。结果表明，土壤剖面中硝态氮含量与施肥量直接相关，过量施用氮肥使 硝态氮在土壤中大量积累并向下层快速移动。李晓欣咖3 等通过4 年定位试验研 究了小麦一玉米轮作制度下不同施肥处理对作物产量及硝态氮在土壤中累积和 分布的影响。结果表明：长期大量施用氮肥，会造成土壤硝态氮的累积，且土体 硝态氮的含量随施氮量的增加呈直线上升趋势：在土壤空间差异不显著的情况下， 硝态氮在4 0 0 cm 土体中的分布呈一定的规律性，分界在6 0 c m 和2 0 0c m 左右存 在累积峰。张云贵口妇等利用河北辛集潮土和北京昌平褐潮土两个长期定位施肥 试验研究了华北平原冬小麦夏玉米轮作体系下农田氮素平衡和硝态氮淋失风险。 1 5 n 同位素技术能用来示踪不同流向和途径的氮素去向，使用对照处理并与氮素 流动的背景值相对比，研究在最佳管理措施下氮素的动态变化。罗绪强啪3 等研 究表明稳定氮同位素作为一种有效的示踪手段，在研究氮循环特别是污染氮源的 识别方面有重要意义。何怡m 1 等表明氮同位素示踪技术应用于地下水硝酸盐污 4 桂林理工大学硕士学位论文 染研究具有重要意义。 1 2 1 2 氮素动态的研究与模拟 调查氮素动态和转化并计算氮素流失的另一个方法就是运用模拟模型。如 对于n 0 。- n 淋失定量化的研究，采用的模拟模型有淋失模型( l e a c h m ) 、n l e a p 模型、侵蚀产物运移影响( e p i c ) 模型、氮素耕作释放管理( n t r m ) 模型、资源与 环境的作物综合评价( c e r e s ) 模型、大平原框架的农业资源管理( g p f a r m ) 模型和 根区水分定量化( r z w q m ) 模型。这些模型分别从不同的角度、运用不同的计算方 法并利用特定的参数来模拟氮素的动态、转变和流失过程。 国外学者d a v i d s o n 等m 3 早在1 9 7 8 年就根据n o 。一n 在土壤中淋溶轨迹，利用 “活塞移动”理论来简单描述了硝态氮的淋溶行为。1 9 8 7 年，d o n i g i a n 口朝在n p s 模型的基础上建立了适合农业土壤养分径流流失模型( a i i m ) ，该模型不仅能从侵 蚀角度模拟降雨侵蚀过程，而且能模拟养分在径流作用下迁移、扩散、释放过程。 英国科学家w a r r i n g = t o n 曾采用土壤养分采样法、渗漏池法和多孔陶瓷吸管法进 行了大量硝态氮淋失的研究。w h i t t d 口铂应用j u r y 等提出的传递函数模型 ( t r a n s f e rf u n c t i o nm o d e l ，t f m ) ，针对所施的肥料( 砌【4 n 0 3 ) 模拟了氮素的淋 失。还有一些学者从不同角度探讨了氮流失汹侧崔剑波等m 1 运用马尔可夫过程 的理论，建立了土壤非饱和流条件下，模拟硝态氮通过土层运移的随机模型，模 型把时间可变系统假设为由紧密相连的时间均质情况相接而成，使得运用马尔可 夫过程成为可能，在给定土壤水流量及汇源项转移强度的土壤层次中，给出了硝 态氮溶质的统计分布；模型将随机过程与确定性过程相结合，在计算各土层间的 转移概率时考虑了硝态氮的作物吸收、淋洗、硝化和反硝化等主要过程，并用相 关函数修正氮素转化关系，并在褐土农田土壤非饱和流条件下，用微区试验对该 模型运行效果进行了验证，结果显示模拟计算值与实测值之间吻合性较好，说明 模型可以用于相似类型区，预测和评价土壤作物系统中n o a - n 溶质的运移行为。 张兴昌等h 1 1 建立了纸坊沟流域模型，并以人工降雨为手段，来研究不同治理措施 下黄土丘陵区小流域土壤氮素流失规律。在此研究基础上，他们又从土壤与降雨、 径流相互作用入手，分析了土壤氮素与降雨、径流相互作用过程及机理，并对 相互作用模型进行了探讨。袁东海等n 2 1 采用径流小区法研究了6 种不同农作方式 土壤氮素的流失特征。刘培斌等h 3 3 建立并验证了一个排水条件下，田间一维饱和 s 桂林理工大学硕士学位论文 一非饱和土壤中铵态氮和硝态氮运移与转化的耦合模型，模型中考虑了氮素的吸 附、有机质的矿化、硝化、反硝化、氨气挥发及作物根系吸氮等氮素各形态之间 的转化作用过程，同时考虑了土壤温度和湿度对氮素转化的影响。该模型可用于 描述田间土壤中氮素的行为，所得结论可供农业生产实际和环境保护参考。王季 震等“铂在 s p a c 系统中氮平衡及其模拟模型一文中介绍了一维饱和非饱 和土壤中氮素( n h 。一n ，n 0 3 一n 形式) 迁移转化的数值模拟，该模型为排水条件下 减少氮肥流失措施提供一定的依据，可有效提高氮肥利用率并减少其对环境的影 响，尤其是减少其对水环境的污染。胡克林n 朝考虑了表层土壤饱和导水率空间 变异性的影响，随机模拟了农田土壤水分渗漏与氮素淋失的特征。曹巧红和龚元 石m 3 应用h y d r u s - i d 模型研究了天气变化条件下农田土壤氮素的淋失特征。高 如泰h 刀等将作物发育模型与简化的土壤水、热和氮联合运移模型相结合，建立 土壤水、热、氮和作物生长联合数学模型，并对黄淮海平原水氮管理进行了分析。 王晓凤呻3 应用丹麦的d a i s y 模型初步模拟计算不同灌溉制度、施氮水平对冬小 麦夏玉米季土壤水氮利用效率的影响，指出不同的灌水量、灌水时间、不同施 氮量对冬小麦的生长及产量形成和土壤水分、氮素利用状况均有影响，并存在交 互作用。另有一些学者通过模拟实验和野外观测实验研究了不同类型土壤氮素径 流流失途径、形态和过程、施用氮肥后土壤氮素的流失特征，对于初步揭示土壤 氮素流失机理起到了推动作用附5 1 3 。 现代信息技术已开始广泛应用于农田氮素流失规律的研究：如地理信息系统 ( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、新的计算机软件和改善的感应技术等都可以用来 预报特定样点氮的预算与供应和农田中氮的流失，并记录土壤中氮素循环的时空 变异。改进的感应技术能用来评价氮素状况并能更好地调整氮素的施用以及成功 地确认低氮区或者氮素缺乏区。在这些新技术下，可运用氮素管理来评价系统中 氮素的动态，增加作物的农业物理反应，减少氮素供应并维持高产。改进的感应 技术还可以有效地鉴定低氮区域或氮素缺乏区。运用带间参照和一系列算法，能 更准确的量化氮素的需要。计算机模型可潜在地评价最佳管理措施对氮素利用率 和氮素流失的影响，以及计算管理措施区氮的动态和流失量。氮素模型可方便而 容易的通过互联网在全国建立硝态氮的淋失指标。该指标能利用数据库迅速计算 出硝态氮流失的潜在性，还可在g i s 软件的基础上分步进行详细的模拟处理当地 6 桂林理工大学硕士学位论文 特定样点的信息。通过互联网利用模型可对氮流失和潜在的管理方案进行评价和 定量化驼3 1 2 2 农田氮素流失控制技术方面的研究 农田氮素流失控制技术主要从两个方面入手，一方面从氮素污染源开始控制， 另一方面是在氮素的流失途径上进行控制。 氮素污染源控制主要有这两种方法，一是选用控释或缓释肥料3 1 和有机肥料， 2 0 1 0 年5 月2 6 日袁隆平院士在“科技日报”上说：施用缓控释肥，改变了传统 的施肥方式，能够提高肥料的利用率。二是合理施肥，施肥时尽量考虑分次施肥、 深施和平衡施。黄益宗等泓1 的研究探讨了农田氮肥损失的途径及其对环境造成的 危害，提出了几种阻控对策。( 1 ) 是合理的施用氮肥，( 2 ) 是使用腮酶抑制剂、 硝化抑制和控释肥料，( 3 ) 是降低土壤侵蚀和地表径流( 修筑堤坝、修筑梯田、 等高耕作、植被覆盖、 种植和保护农田防护林等均能减少农田氮的损失) 。 h u n s i g i ，g 等啼司的研究表明在甘蔗地中使用硝化抑制( n 2 固定剂) 结合合理的施 肥可以减少2 0 的氮肥使用量。 氮素流失途径上控制主要有下面几种方法，一是节水灌溉，氮素流失多半来 自硝态氮的淋失，而土壤水分与硝态氮淋失有很大的关系，土壤中水分充足时， 硝态氮易于随水下渗而淋失掉，因此在灌溉时选择少量多次，有利于氮素的保留。 二是建立农田阻隔氮素流失的“缓冲带”；三是作物轮作。周春来的汹3 研究结果 表明，实行豆科与麦类作物轮作，使土壤硝态氮含量增加，有利于提高土壤肥力， 改善肥力状况，促进养分的转化和均衡的利用，因而有利于农业协调、持续的发 展。m b v a n o t t i 口 等研究结果表明，实行大豆和玉米的轮作，能够增加土壤氮 的矿化，以及对氮素的吸收，从而减少氮素的流失。谢敏嘞1 对烟草生产大县， 江西峡江县进行了研究，该地长期以来，广泛推广“烟稻轮作”，在长年实行“肥 一稻一稻”的稻田，发展“烟草一晚稻”复种方式，不仅提高了烟草产量、提升 了烟叶质量，还大大改善了土壤结构、提高了土壤肥力，节省了肥料施用量。 1 2 3 秸秆还田方面的研究 韦衍标等n 刀采用正交试验设计，研究蔗叶还田配施化肥在赤红土上的改土 培肥和增产效果，试验表明，蔗叶还田结合增施化肥能加速有机质的积累，改 善赤红土的物理性状，增加土壤有效磷和有效钾的供应，促进甘蔗生长，提高 7 桂林理工大学硕士学位论文 甘蔗产量。 何春林等们研究了蔗叶过腹还田对甘蔗生长及土壤性状的影响，表明蔗叶过 腹还田，土壤有机质有一定程度的提高，而且全氮含量也提高了，增加了土壤氮 库贮量，起到培肥的作用。赵鹏等呻3 探讨了秸秆还田对夏玉米氮利用、产量和土 壤硝态氮的影响，结果表明夏玉米在收获后o - 2 0 0 c m 土层土壤硝态氮残留量有一 定程度上的减少，同时氮利用效率也得到了提高。 郭家文旧3 等通过对2 0 0 7 年农场土壤养分调查和1 9 8 3 年土壤普查资料的比 较，研究了2 5 年连续种植甘蔗后两类植蔗土壤肥力的演变及原因结果表明： 2 5 年来早地和水田土壤的有机质分别减少了1 2 6 5 和2 5 ；全n 旱地的变化 不大，水田比1 9 8 3 年减少了1 4 2 ；碱解氮旱地增加了1 5 3 ，水田减少了 2 2 6 5 ；结合糖厂历史单产、产糖率和农场蔗叶还田的情况，研究得出蔗叶还 田能够持续培肥蔗区土壤养分，是蔗区甘蔗持续高产的主要原因。 r a y m o n d 等池3 在昆士兰州对甘蔗地中集水的水质进行了研究，表明甘蔗种植 过程中，硝酸盐很容易随土壤水分而流失。v r a s i a h 等旧3 对昆士兰州甘蔗地土 壤不同层面硝酸根流失进行了研究，表明甘蔗地土壤对硝酸根有很大的吸附和阻 控容量，从而减少了硝酸根对地下水的污染，主要原因来自于甘蔗叶。 申源源等泓3 的研究表明农作物秸秆中含有大量的碳、氮、磷等多种营养元素， 同时富含纤维素、半纤维素和一定数量的木质素、蛋白质和糖等有机物质，是一 种可以资源化利用的固体废弃物。秸秆还田可以改善土壤结构及保水、肥、气、 热的能力，使土壤容重降低、孔隙度增加、有机质含量提高，养分结构趋于合理； 秸秆还田能够节约化肥用量，降低生产成本，减少环境污染，确保农业生产的良 性循环，保护农村生态环境，促进农业的生态化发展。王海景等砸鄙的研究表明作 物秸秆含有多种营养元素，是重要的有机肥源。通过人工或机械操作，并综合采 用少、免耕，选用良种、平衡施肥、防治病虫害、模式化栽培等多项配套农艺措 施，以不同形式将秸秆还田，可以起到降低土壤容重、增加土壤孔隙度、减少土 壤水分蒸发、提高土壤有机质和氮、磷、钾等养分的含量，维持土壤养分平衡、 促进作物生长发育、增加作物产量的作用。陈芝兰哺1 等研究表明不同秸秆还田 方式对提高土壤含水量、有机质、碱解氮含量均有明显作用：全量秸秆覆盖、秸 秆翻埋处理微生物总数、各生理类群大幅度提高，综合各因素，在西藏中部特殊 8 桂林理工大学硕士学位论文 生态环境下，以秸秆全量覆盖对提高土壤肥力、微生物数量、改善土壤结构均 有重要作用。秸秆还田后，土壤中主要的微生物为细菌，土壤养分含量与微生物 的数量之间存在一定的正相关关系。王允青等刀对水稻田里施用油菜秸秆还田进 行了研究，结果表明，施用油菜秸秆还田并配施一定量氮肥水稻产量提高明显。 刘定辉等嘲3 对四川盆地丘陵区秸秆还田对土壤水分特征的影响，结果表明：秸秆 还田对提高稻田土壤的蓄水保墒能力与土壤肥力，改善物理性状增强土壤抗旱能 力具有重要作用。 这些研究表明，农作物秸秆中含有大量的碳、氮、磷等多种营养元素，同时 富含纤维素、半纤维素和一定数量的木质素、蛋白质和糖等有机物质，秸秆还田 后能降低土壤容重、增加土壤孔隙度、减少土壤水分蒸发、提高土壤有机质和氮、 磷、钾等养分的含量，维持土壤养分平衡、促进作物生长发育、增加作物产量的 作用，而且土壤硝态氮残留量有一定程度上的减少，同时氮利用效率也得到了提 高。 1 2 4 存在问题 国内外学者主要集中在农田土壤以及不同土地利用类型和不同施肥量等方 面来研究n 0 3 。含量的动态变化、对氮素的两种重要形态n h 4 h 和n 0 3 - n 在土 水界的扩散过程及迁移转化机理，特别是对两种迁移方式i i 虎失和淋失的量做 了研究，或是用n 、o 同位素判定n 0 3 的污染来源，取得了丰硕的成果。但对 地下水循环强烈的岩溶地区氮迁移规律的研究却很少。而对土壤氮的研究也仅仅 局限于黑土、褐土、紫色土，这些规律是否适用于岩溶地区的石灰土则有待研究。 在西南岩溶地区，n 0 3 污染也是一个普遍的现象，它不仅仅集中北方平原带。前 人从不同土地利用方式、暴雨效应等方面对岩溶地区的n 0 3 变化做了很详细的 研究，但是多从面上来研究，具体到某一块地，某一种作物的影响则很少。为了 寻求有效的阻控硝态氮流失的措施，选择最主要的一种土地利用类型，而甘蔗种 植是广西的主要产业，因此本研究选取岩溶地区甘蔗地为研究对象，通过土壤和 土壤水中氮素的两种形态n h 4 h 和n 0 3 - n 的变化来探讨岩溶地区主要土地利用 类型的n 0 3 - n 在土壤中的运移过程，通过实验对比( 有、无蔗叶还田) 从氮素 流失方面来看蔗叶还田对氮素流失的阻控强度，进一步为合理施肥及提高肥料利 用率方面提供参考依据。 9 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容及拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究广西柳州官村岩溶地下河流域不同土地利用方式下土壤水中氮素的 各种有效形态、含量特征。揭示岩溶地区土壤及土壤水氮素形态及硝态氮流失特 征。 ( 2 ) 通过蔗叶还田的方式，来探讨蔗叶还田是否能在一定程度上阻控硝态氮 的流失。 ( 3 ) 对甘蔗地土壤进行研究，通过不同时期土壤理化性质的对比来探讨蔗叶 还田阻控硝态氮流失的原因。 1 4 实际工作量 本研究得到了广西青年科学基金岩溶暗河流域土层氮库对地下水n 0 3 一污染 的贡献( 项目编号：0 9 9 1 0 9 6 ) 和行业专项“桂林丫吉试验场岩溶水科学观测与 研究”的资金支持。结合项目要求在广西柳州市融安县大良镇官村地下河流域的 农田进行了实验研究，选取两种土地利用方式：水田和旱地，水田主要用于种植 水稻，旱地主要用于种植甘蔗。 采样均在野外进行，主要采取土壤水样和土壤样品，然后进行样品分析。同 时获得一年的地下河水文和研究区气象监测数据。实际工作量见下表： 表1 1 论文实际工作量统计 t a b l e1 1a c t u a lw o r k l o a ds t a t i s t i c so f p a p e r s 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 研究区概况 第2 章研究区概况及研究方法 取样点选取在广西壮族自治区融安县大良镇的蒙洞村和马槽村，位于典型地 下河一官村地下河流域中游的洼地中，地下河出口处地理位置为东经 1 0 9 。2 0 ，3 1 4 1 ”，北纬2 4 0 5 2 ，5 1 3 4 ”，出口处标高1 6 0m 。流域面积3 0 5k m 2 。 07 5 0 q 一 固- 圈：圈，日国s 圈 j ! r b 1 高等级公路；2 国道：3 省道；4 县乡道：5 河流：6 县界 图2 1 研究区交通位置图 f i 9 2 1 t r a f f i cm a p o fs t u d ya l e a 研究区地处于广西北部，紧邻2 0 9 国道，交通方便。距柳州约1 1 0 公里，距 桂林约1 4 0 公里。地貌分为中低山陡坡地、低山缓坡地、岩溶峰丛地、沉积平原 1 l 桂林理工大学硕士学位论文 地等类型。地层为泥盆系上统融县组灰岩、白云质灰岩，地貌为峰丛洼地( 图 2 1 、图2 2 ) 。 l 地f 河出口：2 落水洞：3 天面：4 溢流天面；s 岩溶泉：6 溢洪i = l ；7 村寨；8 上泥盆统碳酸盐岩； 9 地下河管道；1 0 地表河流；1 1 洼地；1 2 取样点 图2 2 官村地下河水文地质略图 f i 9 2 2 h y d r o l o g i c a lg e o l o g ym a po f g u a n c u nu n d e r g r o u n ds t r e a m 研究区地处中亚热带季风气候区，太阳辐射强，气候温和，雨水充沛。年平 均气温2 0 0 c ，春季为1 0 2 0 ，夏季在2 2 以上，秋季为1 0 2 2 ，冬季在 1 0 以下。年平均雨量1 7 5 0 毫米，5 - 7 月降雨最集中，9 月至次年2 月为枯季， 枯季6 个月的降雨量总和仅占全年的l l 。 官村地下河上方的谷地底部平坦，土地资源丰富，土地利用类型为水田、旱 地、居民点。耕地面积为7 6h m 2 ，只占流域面积的2 。耕地中水田面积为5 8h m 2 ， 桂林理工大学硕士学位论文 占7 6 ，其余为旱地，主要种植甘蔗。流域内的坡地2 0 世纪7 0 年代以乔木为 主，8 0 年代起以商业为目的的伐薪烧炭逐渐兴起，乔木逐渐减少，9 0 年代大 规模的养羊和开采方解石矿，加剧了植被的退化，造成水土流失。研究区内农业 活动主要集中在3 月至1 1 月，冬季的农业活动开展相对较少，每年的5 月中下 旬是当地主要的施肥季节，所施肥料以化肥为主，主要有尿素和过磷酸钙等。 2 2 样品的采集 2 2 1 研究区样点分布 水田和旱地是研究区两种主要的土地利用类型，因此选择水田和甘蔗地来进 行研究。根据土壤厚度情况，土壤样品：水田分四层来进行取样，甘蔗地分七层 进行取样。土壤理化性质见表2 1 、表2 2 。 袁2 1 水田土壤理化性质 t a b l e2 1p a d d ys o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s 表2 2 甘蔗地土壤理化性质 t a b l e2 2c a n el a n ds o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s 桂林理工大学硕士学位论文 l 丫丫丫丫 、7 丫 旷 l 三兰三 _ i l ! 三 9 三“三一l 。二 一。 a 4 o i l o o o a p 一耕作层。p - 犁底层，e - 淋溶层 8 - 沉积层 图2 3 水田( a ) 和甘蔗地( b ) 取样点分布图 f i 9 2 3 s a m p l i n gp o i n td i s t r i b u t i o n i np a d d y ( a ) a n dc a n el a n d ( b ) 土壤水样品：根据样地面积均分，水田设5 组采样点，甘蔗地设1 0 组采样 点( 有蔗叶还田地5 组，无蔗叶还田地5 组) 。水田每组采样点设4 个不同深度 即1 5 c m 、3 0 c m 、6 0 c m 、9 0 c m 。甘蔗地每组采样点设7 个不同深度即1 5 c m 、3 0 c m 、 6 0 c m 、9 0 c m 、1 2 0 c m 、1 5 0 c m 、1 8 0 c m ( 见图2 3 ) 。水田面积约为2 0 平方米( 图 2 4 ) ，甘蔗地面积约为9 0 平方米( 图2 5 ) o 1 4 n个lm，如i椭 ： h - 啪枷棚li，埘 一 胂一，e b b i = 群u 桂林理工大学硕士学位论文 图2 3 研究地一水田 f i 9 2 3t h es t u d yl a n 岬a d d y 圈2 4 研究地一甘蔗地 f i 9 2 4t h es t u d yl a n d - - - s u g a r c a n el a n d 2 2 2 土壤水样品和土壤样品采集 水稻施肥时间及重量：5 0 9 m 2 次。5 月2 8 日，l k gj 尿素+ l k g 钾肥，插苗时 l k g 尿素。甘蔗地施肥时间及重量：6 0 9 m 2 次。7 月1 2 日所施肥料为山东齐 鲁复合肥，2 5 0 k g ，8 月1 0 日施尿素，2 5 0 k g 。施肥时间及重量完全按照当地农 民种植习惯，本研究地甘蔗施肥时间相对有点晚。 2 2 2 1 土壤水样品的采集 土壤水取样所用仪器为w s 系列土壤溶液取样器( 见图2 6 、2 7 ) 。 图2 6 取样管示意图图2 7 吸压式土壤溶液取样器 f i 9 2 6s c h e m e so fs a m p l i n gt u b e sf i 9 2 7s u c t i o np r e s s u r et y p es a m p l e ro fs o i lw a t e r 该取样器主要用于田间原位提取土壤不同层次溶液。陶瓷头直径3 1 r a m ，长 7 c m 。采用正负压的方式来提取管内吸取的溶液，不用取土分解，比较方便实验 观测。 1 s 桂林理工大学硕士学位论文 l 在水田中直接埋设土壤溶液取样管，水田土层较薄，均在l 米深左右， 设4 个深度，分别为15 c m 、3 0 c m 、6 0 c m 、9 0 c m 。取样分布在整个水稻种植期间， 从5 月份到9 月份共5 个月时间。取样间隔，在种植前期7 天到1 0 天取一次土 壤水，之后取样间隔大概1 5 到2 0 天。 2 在甘蔗地中同样直接埋设土壤溶液取样管，土层相比水田厚很多，根据实 验需要，设置7 个深度，分别为1 5 c m 、3 0 c m 、6 0 c m 、9 0 c m 、1 2 0 c m 、1 5 0 c m 、1 8 0 c m 。 取样同样分布在甘蔗生长的整个阶段，从5 月份到1 1 月份共6 个月时间。取样 间隔与水田一样。 3 雨水和沟渠排水在雨季采集。 所有样品取完后立刻送实验室分析。 2 2 2 2 土壤样品的采集 1 水田，采样时根据土壤溶液取样深度，共取0 1 5 c m 、1 5 3 0 c m 、3 0 6 0 c m 、 6 0 - 9 0 c m 共4 个土样。取样两次，种植水稻前和水稻收割后。 2 甘蔗，采样同样根据土壤水溶液取样深度，共取0 1 5 c m 、1 5 - 3 0 c m 、 3 0 - 6 0 c m 、6 0 - 9 0 c m 、9 0 - 1 2 0 c m 、1 2 0 - 1 5 0 c m 、1 5 0 - 1 8 0 c m 共7 个土样。按月取样， 共七次。 2 3 样品分析及分析方法 2 3 1 土壤化学指标分析 土壤化学指标主要分析下面几种：p h 、全氮、硝态氮、铵态氮、有机质、 含水率。主要用来判断土壤肥力及农业生产活动对土壤氮素含量的影响。 有机质采用重铬酸钾氧化一外加热法，全氮采用凯氏定氮法，p h 采用玻璃电 极法，硝态氮采用酚二磺酸比色法，铵态氮采用扩散皿法，含水率采用1 0 5 c 常 压干燥法。所有样品由广西分析测试研究中心测试。 2 3 2 水化学指标分析 水化学指标根据不同的要求，分析指标也有所不同，具体如下： 1