本文關鍵詞： 三峽庫區(qū) 紫色土 無機磷 旱坡地和水田 徑流和淋溶 減磷配施有機肥　出處：《西南大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：人口數量大,資源短缺和環(huán)境惡化是制約中國社會、經濟發(fā)展和人們生活水平提高的三大障礙。當前,全世界范圍內正面臨著糧食增產與維護和改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量的挑戰(zhàn),治理農業(yè)面源污染是其中的重要內容。黨的“十八大”將生態(tài)文明建設與經濟、政治、社會、文化建設擺在了同等重要位置,對治理農業(yè)面源污染高度重視,要求打好農業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)。磷素是農業(yè)生產中最為重要的養(yǎng)分限制性因子,然而,由于其過量施用已經引起了嚴重的水體富營養(yǎng)化問題,大量研究已經表明,磷素是引發(fā)農業(yè)面源污染的主要元素之一,而且是關鍵性元素。所以建立兼顧作物高產和環(huán)境保護的土壤磷素推薦施肥體系及耕作措施對于農業(yè)生產和水環(huán)境保護具有重要意義。土壤磷對生態(tài)系統(tǒng)的作用機制是在土壤-水-大氣-生物界面之間交換性遷移中形成的,土壤磷素農業(yè)面源污染具有明顯的系統(tǒng)特征和地域特征。紫色土主要分布在長江中上游,占三峽庫區(qū)耕地面積的78.7%,隨著土地利用強度加大,水土流失日益嚴重,造成了土壤養(yǎng)分的流失和水體富營養(yǎng)化污染,加劇了生態(tài)環(huán)境惡化。因此,研究特定區(qū)域尺度內的土壤磷素流失強度、通量以及時空變異規(guī)律,配置科學技術,調整適地磷肥管理,發(fā)展有機生態(tài)農業(yè),強化典型農作系統(tǒng)的磷素循環(huán),探明磷素原位截留和生態(tài)攔截凈化機理,達到進一步消減農田土壤磷素養(yǎng)分的輸出之目的。綜合減排是土壤磷農業(yè)面源污染機理與調控技術研究發(fā)展的新趨勢,主要在土壤微生態(tài)方面弄清磷流失污染的過程,優(yōu)化化學磷肥以及有機肥施用量和配施比例,綜合降低磷污染物在土壤、水體等多界面上的發(fā)生量。本研究結合我國目前“一控兩減三基本”的農業(yè)資源和環(huán)境對策,通過源頭控制,中間阻控和末端消納的技術手段,注重化肥減量優(yōu)化以及有機無機肥配合施用,弄清了化肥和有機肥施用條件下紫色土農田土壤磷素流失源強及其徑流和淋溶遷移特征,為全面認識三峽庫區(qū)紫色土農田磷素流失和有效評價磷流失對水環(huán)境風險提供了科學依據。本文以我國三峽庫區(qū)主要農田土壤紫色土為材料,采用田間長期定位試驗與野外原位定點監(jiān)測并結合室內實驗分析的方法,通過22年水旱輪作長期定位試驗從時間和空間尺度上研究了長期定位施肥和長期保護性耕作制度下紫色土無機磷變化特征,運用化學測試和系統(tǒng)的土-水-植并析的生態(tài)學觀點,研究了紫色土旱坡地土壤無機磷遷移特征及主控因素以及稻-油水旱輪作紫色土無機磷素動態(tài)變化及其遷移特征,最后建立土-水-植耦合的紫色土農田磷素遷移流失模型,為預測三峽庫區(qū)紫色土農田土壤磷素流失量,制定合理的施肥和耕作措施提供了較為可靠的科學依據和理論基礎。獲得的主要研究結論如下:1.應用蔣柏藩-顧益初無機磷分級體系對22年長期定位施肥試驗紫色土0~100cm土層各形態(tài)無機磷進行分級測定,研究了各形態(tài)無機磷在土壤剖面的分布及變化規(guī)律。結果表明,長期施用化學磷肥以及有機無機肥配施處理的土壤全磷、有效磷和各形態(tài)無機磷均較試驗前有不同程度的增加,且以豬糞+npk(m+npk)處理土壤增加最多,其中有效磷含量增加了6倍;不施肥(ck)和單施氮肥(n)的處理土壤有效磷、全磷和各形態(tài)無機磷出現了下降,其中有效磷含量分別降低了51.1%和53.5%。除了fe-p和ca10-p含量下層高于上層外其余各形態(tài)無機磷都表現為耕層高于下層的特征。各處理ca2-p、al-p、ca8-p、o-p等無機磷的剖面分布較為相似,均呈20~60cm下降比較迅速,80~100cm變化不大或者稍微上升的趨勢,而fe-p則表現為隨土層深度增加呈上升趨勢。相關分析表明各組分無機磷對紫色土有效磷的貢獻為ca2-p(0.9569)al-p(0.9265)ca8-p(0.9100)fe-p(0.8277)ca10-p(0.7449)o-p(0.7362)。長期有機無機肥配施可以顯著增加磷素在土壤中的累積,并能減少土壤對磷素的固定,增強其在土壤中的移動,促進土壤磷素向有效態(tài)轉化。2.以1990年建立的耕作制定位試驗田紫色土為研究對象,分析了常規(guī)中稻-冬水田平作(cf)、中稻-冬水田壟作免耕1(rnt1)、中稻-小麥或油菜壟作免耕2(rnt2)和中稻-小麥或油菜水旱輪作(cr)等耕作方式對紫色土剖面不同形態(tài)無機磷分布演變特征的影響。結果表明:與試驗前土壤相比,長期不同耕作處理的土壤上下層全磷、有效磷和各形態(tài)無機磷均有不同程度的增加,各處理土壤中不同形態(tài)無機磷含量大小順序為rnt2cfcrrnt1。除了fe-p含量下層土壤高于上部耕層外,ca2-p、ca8-p、al-p、ca10-p、o-p都表現為耕層高于下層的特征。不同耕作措施對紫色土剖面各形態(tài)無機磷含量影響顯著,對各形態(tài)無機磷有效性影響效果為crrntcf。長期水旱輪作更有利于作物對磷的吸收。從各形態(tài)無機磷在不同剖面紫色土總無機磷中所占比重來看,ca10-p和o-p較大,鈣磷整體所占比重最大。3.從不同施肥條件下紫色土旱坡地磷素年際流失特征可以看出,總磷(tp)和總可溶性磷(tdp)流失量有明顯的差異。各處理tp和tdp變化范圍比較大,分別為0.06~1.58kg·hm-2·a-1和0.009~0.268kg·hm-2·a-1。從2011~2014年不同施肥處理tp和tdp平均流失總量可以看出,tp流失量大小依次為倍量施磷肥(2p)優(yōu)化施肥(p)優(yōu)化施肥+豬糞有機肥(mp)優(yōu)化施肥+秸稈還田(sp)優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)不施磷肥(p0)。倍量施磷肥(2p)處理流失總磷量最高。優(yōu)化施肥(p)處理分別是優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)處理和優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)處理的1.5~2倍左右。tdp流失量與tp流失量大小順序稍有不同,各處理大小依次為倍量施磷肥(2p)優(yōu)化施肥+豬糞有機肥(mp)優(yōu)化施肥(p)優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)優(yōu)化施肥+秸稈還田(sp)優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)不施磷肥(p0)。各施肥處理磷素流失量與降雨量做相關性分析得出,總磷累積流失量和累積降雨量呈y?aln(x)-b,a?0(r2=0.8306~0.9473)對數關系相關,總可溶性磷累積流失量和累積降雨量呈y?ax?b,a?0(r2=0.9302~0.9803)線性關系相關(其中p0處理為對數關系相關)。同時采用野外徑流小區(qū)對紫色土旱坡地2014年雨季(5~8月)3次典型降雨產流進行定點監(jiān)測,研究了p、2p、mp、sp、mdp、sdp、p0等不同施肥方案對紫色土旱坡地地表徑流和壤中流磷素流失的影響。結果表明:紫色土旱坡地地表徑流和壤中流受降雨強度影響,雨季次降雨中雨到暴雨平均徑流量為10.68~52.32mm,泥沙量為13.58~40.20kg·km-2,壤中流占總徑流的53%以上,壤中流是雨季徑流主要輸出途徑。而次降雨地表徑流總磷(tp)平均含量和流失負荷都遠高于壤中流,地表徑流磷素流失是紫色土旱坡地雨季磷素流失主要方式。發(fā)現減磷配施有機肥對紫色土旱坡地坡面徑流中磷素流失有顯著消減效應,sdp、mdp分別比p處理的總磷含量降低57%和48%,配施秸稈效果好于配施豬糞有機肥。次降雨磷素平均流失負荷為0.01~0.47kg·hm-2,磷素平均流失負荷表現為2ppmpspmdpsdpp0。減磷配施豬糞和秸稈有機肥對土壤磷素地表徑流損失具有顯著消減效應,但增加壤中流磷素淋失風險。因此要控制磷素流失首先要控制水土侵蝕,在平衡配施有機肥的同時要注意采取增厚土層,提升土壤有機質等綜合治理措施。不同施肥處理對冬小麥-夏玉米生長發(fā)育和磷肥利用率的影響研究表明,冬小麥季和夏玉米季都以倍量施磷肥(2p)處理作物磷吸收量為最高,但是磷素表觀利用率卻不高。小麥季優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)和優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)處理分別比常規(guī)優(yōu)化施肥(p)處理磷肥表觀利用率高5.9%和4.2%。玉米季有機無機肥配施處理磷肥表觀利用率也顯著高于單施化肥處理(p0.05)。盡管倍量施磷肥(2p)處理可以增加作物對磷素的吸收量,但是經濟效益和利用率卻大大降低,會導致肥料資源的浪費和環(huán)境的污染。有機無機肥配施可以顯著提高作物對磷肥的吸收利用。紫色土旱坡地冬小麥和夏玉米適當減磷配施有機肥可以在不減產的前提下提高磷肥的利用率并能降低對水環(huán)境污染。4.優(yōu)化及減磷配施有機肥對水稻、油菜生長發(fā)育和磷肥利用率的影響研究結果表明,在常規(guī)作物施肥基礎上適當減少化學磷肥施用量,并配合施用有機肥,對作物產量并沒有產生顯著的減產效應,而且能在一定程度上減少農田磷素損失提高磷素利用率。水稻對磷肥的利用率總體表現為:優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)優(yōu)化施肥+豬糞有機肥(mp)優(yōu)化施肥+秸稈還田(sp)≈優(yōu)化施肥(p),各處理磷肥利用率在20%~25%之間。油菜對磷肥的利用率總體表現為:優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田(sdp)優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機肥(mdp)優(yōu)化施肥+豬糞有機肥(mp)優(yōu)化施肥+秸稈還田(sp)優(yōu)化施肥(p),各處理磷肥利用率在17%~29%之間。油菜不同生育期土壤磷素動態(tài)變化研究結果表明,有機無機肥配施可以顯著提高土壤有效磷含量。蕾薹期土壤有效磷較苗期有一個明顯的降低,但在油菜開花期和收獲后期,土壤有效磷有一個明顯的上升,油菜生長花期以后是土壤有效磷淋失的主要時期。不同施肥處理對稻田田面水tp含量動態(tài)變化研究表明,在水稻生長前一個月內,田面水總磷含量隨著施磷水平的增加而增加,優(yōu)化施肥(p)比不施磷肥(p0)處理總磷含量高4倍左右。各處理磷含量大小表現為pmpspmdpsdpp0。一個月后不同施肥處理田面水總磷含量基本一致,80天后各處理總磷含量接近不施磷處理。磷肥施用后的7~10天內是控制稻田磷素流失的關鍵時期,在此時期內任何降雨徑流或者人為擾動以及農田排水都可能使得大量的磷素流失進入水環(huán)境之中,從而增加對水體污染的風險。為探索長江流域稻油輪作系統(tǒng)水稻季減少農田磷素流失的最佳施肥模式和有效耕作措施,降低其對長江水質的威脅。采用滲漏池長期田間原位定點試驗并結合室內實驗分析,研究了化肥配施豬糞有機肥和水稻秸稈還田對土壤磷素淋溶遷移的影響。結果表明在水稻生長期內土壤淋溶水中磷素濃度隨時間延長呈逐漸下降的趨勢,前期波動幅度大且下降迅速,到55天之后逐步穩(wěn)定達到平衡�？偪扇苄粤�(tdp)是滲漏水磷素的主要形態(tài)。土壤淋溶水中總磷(tp)和總可溶性磷(tdp)含量均表現為mpsppmdpsdpp0。土壤總磷(tp)淋失負荷在0.295~0.493kg·hm-2之間�；瘜W磷肥減量有利于降低土壤淋溶水中磷素淋失量。p0處理比p處理總磷淋失量降低39%。mdp和sdp處理比mp和sp處理三層總磷淋失量分別降低21.7%和19.6%。施用有機肥提高了淋溶水中的磷素含量,促進了土壤中磷素的淋失,同時顯著提高了土壤中有效磷的含量,豬糞有機肥的促進作用比水稻秸稈大。通過本試驗研究各施肥處理對作物生長、磷肥利用率和對土壤磷素有效性的貢獻及其磷素淋失對水環(huán)境風險大小可以看出化學磷肥減量和秸稈配施是應對農業(yè)面源污染“控源節(jié)流”的較好措施。在綜合考慮農業(yè)生產省本增效和控制農田面源污染的情況下,可以采取減量化肥配施有機肥的施肥模式。5.土-水-植耦合的紫色土農田磷素遷移流失模型可以較好的模擬預測水田田面水可反應性無機磷(MRP)含量變化特征和三峽庫區(qū)紫色土旱坡地磷素遷移流失特征。其中稻田磷素流失模型中固定速率常數最敏感,對結果影響作用最大。施肥初期排水會導致磷素隨排水損失增加,因此,合理排灌對控制紫色土稻田磷素流失有其積極意義。利用紫色土22年長期定位施肥試驗和長期不同耕作制試驗監(jiān)測基地以及原狀土壤滲漏池,從時間和空間尺度上,并兼顧水田、旱地土壤,系統(tǒng)研究了三峽庫區(qū)紫色土中磷素的遷移轉化特征,獲得了大量的基礎性監(jiān)測數據和研究成果,為三峽庫區(qū)紫色土農田土壤磷肥的優(yōu)化管理以及施行合理的施肥和耕作制度提供了理論依據。全面系統(tǒng)的研究了不同磷素水平以及不同種類有機肥對三峽庫區(qū)紫色土農田土壤無機磷遷移流失的影響,得出優(yōu)化施肥量磷減20%配施秸稈有機肥可以作為一種從源頭控制紫色土農田土壤磷素流失的較好措施加以推廣。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S153.6

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本文編號：1494897