河北山前平原土壤水分運移規(guī)律和硝酸鹽淋洗特征研究.pdf

1、河北平原長期嚴重缺水不得不靠超采地下水維持經(jīng)濟社會發(fā)展，超采區(qū)面積達到6.7萬km2。河北平原是我國重要的糧食高產(chǎn)區(qū)，是冬小麥和夏玉米的輪作主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)民過量施用氮肥的現(xiàn)象普遍存在。殘留在土壤中的無機氮主要以硝酸鹽（硝態(tài)氮）的形式存在，硝態(tài)氮極易隨土壤水向下遷移，成為地下水的潛在污染源。研究包氣帶土壤水分的運移規(guī)律和硝態(tài)氮淋洗特征，對保護地下水環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本論文以河北山前平原為研究區(qū)域，選取冉莊鎮(zhèn)井灌區(qū)和冶河灌區(qū)兩

2、個有代表性的試驗區(qū)，開展田間試驗，對土壤水分、硝態(tài)氮、地下水位、水質(zhì)、作物生理指標等進行動態(tài)監(jiān)測，對灌溉、施肥、作物種植等情況進行動態(tài)跟蹤調(diào)查。通過分析試驗數(shù)據(jù)，揭示常規(guī)施肥、常規(guī)灌溉條件下，農(nóng)田土壤水和硝態(tài)氮年內(nèi)變化規(guī)律及地下水變化情況。用環(huán)刀法測定土壤容重，砂壤土容重為1.35～1.4g/cm3，黏壤土容重為1.48g/cm3;圭夫儀測定飽和導水率，砂壤土飽和導水率46.5～110.2cm/d;黏壤土飽和導水率為10.1cm/d;壓

3、力膜儀測定土壤水分特征曲線，為SWAP數(shù)值模擬提供初始值。應(yīng)用SWAP模型對河北山前平原土壤水分和硝態(tài)氮運移進行了數(shù)值模擬，得到了農(nóng)田土壤水運移和硝態(tài)氮淋洗年際間的變化規(guī)律及地下水響應(yīng)規(guī)律;建立了土壤硝態(tài)氮運移深度和地下水位變幅計算模型。在此基礎(chǔ)上，提出農(nóng)業(yè)面源污染的防治措施和方法，為提高水肥利用效率和保護地下水提供科學依據(jù)。本文主要研究結(jié)論如下:
　　(1)通過分析試驗資料，揭示河北山前平原土壤水分變化規(guī)律。井灌區(qū)種植區(qū)0～50

4、0cm土壤含水量存在兩個峰值帶，分別位于地表以下40～100cm和300～400cm深處，最大峰值分別為36.59％和41.67％。下部峰值帶是過量灌溉和降水形成的，400cm以下土壤含水量趨于穩(wěn)定。非種植區(qū)0～250cm范圍內(nèi)為土壤水分變化區(qū)域，250cm以下土壤含水率趨于穩(wěn)定。渠灌區(qū)小麥、玉米輪作周期0～300cm土層范圍內(nèi)，土壤含水率變化呈“X”型。計劃灌水定額相同，不同地塊灌溉引起土壤含水率明顯變化的土層深度不同，其原因是主要受

5、土壤初始含水率和土壤空間異質(zhì)性的影響。
　　(2)通過分析試驗資料，得到河北山前平原土壤硝態(tài)氮時空變化規(guī)律。井灌區(qū)耕層土層硝態(tài)氮分布在年內(nèi)變化呈現(xiàn)正弦“S”狀，而深部土層硝態(tài)氮分布呈現(xiàn)“W”狀。小麥生育期內(nèi)，硝態(tài)氮主要累積在0～100cm深度土層范圍并形成峰值帶，返青期達最大值;玉米生育期0～500cm土層剖面硝態(tài)氮的分布呈“雙峰”曲線，最大峰值出現(xiàn)在150～260cm深度土層范圍內(nèi)。冬小麥生育期耕層土壤硝酸鹽累積量較高，其值為1

6、878.86～3097.89kg/hm2，占0～500cm深度土層累積量的57.08％～60.43％;夏玉米生育期耕層土壤硝酸鹽累積量為379.74～1343.74kg/hm2，占0～500cm深度土層累積量的26.54％～48.82％。渠灌區(qū)小麥、玉米輪作周期0～300cm土層范圍內(nèi)，土壤剖面硝態(tài)氮含量變化呈單調(diào)遞減曲線。0～150cm土層范圍內(nèi)土壤硝態(tài)氮的含量變化較大，150cm以下土層范圍內(nèi)土壤硝態(tài)氮的含量較穩(wěn)定。
　　(3

7、)通過分析試驗資料，發(fā)現(xiàn)河北山前平原地下水變化規(guī)律。井灌區(qū)厚包氣帶對下滲水量進行攔蓄、調(diào)節(jié)，地下水位基本穩(wěn)定。土壤中的硝態(tài)氮也在厚包氣帶中滯留，厚包氣帶成為保護地下水環(huán)境的天然屏障。渠灌區(qū)在降水、蒸發(fā)和蒸騰的共同作用下，3月份地下水埋深較大，而后隨著雨季的到來，地下水位逐漸回升。在地下水位埋深8m左右，灌水量為900～1200m3/hm2時，土壤中硝態(tài)氮向深層土壤運移。施肥、灌溉和降水是地下水中硝態(tài)氮含量的主要影響因素，觀測井中地下水硝

8、態(tài)氮的最大含量達15.70mg/L，表明對地下水產(chǎn)生污染。
　　(4)利用SWAP(Soil Water Atmosphere Plant)模型對厚包氣帶井灌區(qū)土壤水分和硝態(tài)氮的運移進行模擬。井灌區(qū)土壤含水率在垂直剖面上呈現(xiàn)3個明顯的變化帶:0～100cm為Ⅰ帶，在降水、蒸發(fā)、灌溉等因素影響下，土壤含水率頻繁變化，稱為強變動帶;100～800cm為Ⅱ帶，稱為弱變動帶;800cm以下為Ⅲ帶，受外界條件影響小，土壤含水率基本不變，稱為

9、穩(wěn)定帶;井灌區(qū)土壤硝態(tài)氮的淋洗與土壤水分的入滲變化規(guī)律基本一致，并有明顯的滯后作用。硝態(tài)氮運移比土壤水分入滲滯后70～190cm左右。選取冬小麥、夏玉米輪作期內(nèi)降水量及連續(xù)最大4個月的降水量作為自變量，土壤硝態(tài)氮淋洗深度作為因變量，采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行分析得到土壤硝態(tài)氮運移深度計算模型;以降水量為自變量，地下水位變幅為因變量，建立地下水位變幅計算模型，為地下水位、水質(zhì)預測提供理論依據(jù)。
　　(5)利用SWAP(Soil W