近地表土壤水文条件对坡面土壤侵蚀和氮、磷养分流失的影响研究

论文摘要

研究近地表土壤水文条件对坡面土壤侵蚀和氮、磷养分流失的影响不但加深对土壤侵蚀过程和养分流失迁移机理的认识,也为农业面源污染防治提供重要的科学依据。本研究针对紫色土和红壤丘陵区坡耕地土壤侵蚀防治及农业非点源污染控制的迫切需要,通过人工模拟降雨试验和室内分析相结合的研究方法,研究了不同近地表土壤水文条件对紫色土和红壤坡面土壤侵蚀和氮、磷养分流失过程的影响,揭示了不同肥料类型和不同水文条件下红壤坡面氮和磷养分迁移过程。主要研究结论如下:1.阐明了近地表土壤水文条件对紫色土和红壤坡面土壤侵蚀过程的影响。对于两种土壤类型,近地表土壤水文条件对坡面土壤侵蚀过程产生重要影响。对于紫色土坡面,土壤水分饱和与壤中流+降雨的条件下土壤侵蚀量分别是自由下渗条件下的1.6～1.8与2.7～3.5倍。对于红壤坡面,土壤水分饱和与壤中流+降雨条件下的侵蚀量分别是自由下渗条件下的1.5和2.3倍。2.对比分析了相同试验条件下紫色土坡面和红壤坡面土壤侵蚀过程的差异。在试验条件为60 mm/h降雨强度、15°坡面和自由下渗水文条件下,紫色土坡面的产流量显著大于红壤坡面,但红壤坡面侵蚀量是紫色土坡面的1.1倍。在相同降雨和相同坡度条件下,当近地表土壤水文条件由自由下渗转化为土壤水分饱时,红壤坡面与紫色土坡面的侵蚀强度基本相同。而当近地面土壤水文条件转变为壤中流时,在相同降雨和坡度条件下,紫色土坡面的产流量是红壤坡面的83%,而紫色土坡面的侵蚀量是红壤坡面的1.2倍。反映了壤中流对紫色坡面侵蚀过程的影响大于红壤坡面。3.研究了不同近地表土壤水文条件下紫色土和红壤坡面土壤氮和磷养分的流失规律。同自由下渗条件下相比,在土壤水分饱和、壤中流和壤中流+降雨的条件下地表径流中NO3-N和PO4-P浓度及其流失量皆显著增加。对于紫色土坡面,壤中流和壤中流+降雨及土壤水分饱和条件下地表径流中NO3-N的流失量分别是自由下渗条件的192～277、100～114和27～39倍。壤中流+降雨和土壤水分饱和条件下地表径流中PO4-P的流失量分别是自由下渗条件的1.5～1.7和1.3倍。对于红壤坡面,壤中流和壤中流+降雨及土壤水分饱和条件下地表径流中NO3-N的流失量分别是自由下渗条件的143～210、323～355和60～67倍。壤中流和壤中流+降雨条件下地表径流中PO4-P的流失量分别是自由下渗条件的1.1～4.9和2.5～3.7倍。对于两种试验土壤,三种近地表土壤水文条件对氮、磷养分随侵蚀泥沙的流失表现出相同的规律,即壤中流+降雨和土壤水分饱和条件下侵蚀泥沙中NO3-N和PO4-P含量及其流失量皆显著大于自由下渗条件。4.对比分析了相同水文条件下紫色土坡面和红壤坡面养分流失的差异性。自由下渗条件下,紫色土坡面径流中NO3-N和PO4-P的流失量大于红壤坡面,前者的流失量分别是后者的2.0～2.1和1.1～1.9倍。土壤水分饱和条件紫色土坡面径流中NO3-N的流失量与红壤坡面基本相同。在壤中流条件下紫色土坡面径流中NO3-N的流失量是红壤坡面的1.5～3.1倍,说明壤中流对紫色土坡面径流氮素流失的影响大于红壤坡面。对于径流磷素流失,低肥水平条件下土壤水分饱和与壤中流条件紫色土坡面径流中的PO4-P的流失量分别是红壤坡面的2.1和2.0倍;而在高肥水平条件下,紫色土坡面径流中的PO4-P的流失量均小于红壤坡面,后者的流失量分别是前者的1.4和4.3倍。自由下渗与土壤水分饱和两种水文条件下,紫色土和红壤坡面侵蚀泥沙中NO3-N的流失量无显著差异;但自由下渗和土壤水分饱和条件紫色土坡面侵蚀泥沙中PO4-P的流失量小于红壤坡面,后者是前者的1.1～3.3和1.5～2.0倍。5.探讨了近地表水文条件对坡面土壤侵蚀和养分流失的影响原因。在自由下渗条件下,主要受自由入渗力影响,土壤表层一部分养分随降雨入渗被淋溶到土壤剖面亚表层及其以下,使土壤养分随径流和侵蚀泥沙的流失量减少。而壤中流的条件下,不但土壤中的养分被壤中流携带运移到土壤表层,且壤中流的形成使土壤颗粒间失去粘结力,土壤可蚀性增加,导致坡面土壤侵蚀强度增加,进而土壤氮、磷养分随径流和侵蚀泥沙的流失量增加。具体表现为壤中流条件下,土壤表层0～2 cm土层的NO3-N含量最高,是亚表层土壤的的1.2～1.3倍;而自由下渗条件下,亚表层NO3-N的含量最高,是表层土壤的4.0～9.3倍。6.揭示了不同肥料类型和不同水文条件下红壤坡面氮和磷养分的流失规律。地表径流和侵蚀泥沙中NO3-N浓度及其流失量在施KNO3分析纯与施尿素的条件下有显著差异。壤中流和壤中流+降雨的条件下,当施KNO3分析纯时径流中NO3-N流失量分别是施尿素时的1.8～2.0和1.9倍。但在施KNO3分析纯时侵蚀泥沙中的NO3-N流失量小于施尿素时的NO3-N流失量。同样,地表径流和侵蚀泥沙中PO4-P流失量在施K2HPO4分析纯和过磷酸钙的条件下也有显著差异,即在自由下渗、壤中流和壤中流+降雨的条件下,当施K2HPO4分析纯时地表径流中PO4-P流失量分别是施过磷酸钙时PO4-P流失量的1.9～2.6、1.9～3.6和1.5～2.8倍;两种施肥条件下侵蚀泥沙中PO4-P流失量的表现与侵蚀泥沙中NO3-N流失量的表现规律相同。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展与存在的问题

1.2.1 农业非点源污染概念、特征、来源及危害

1.2.2 土壤侵蚀引起的农业非点源污染物发生机理与过程

1.2.2.1 降雨径流过程

1.2.2.2 土壤溶质与径流作用过程

1.2.2.3 农田养分随径流输移过程

1.2.2.4 土壤溶质淋溶过程

1.2.3 非点源污染研究的发展阶段

1.2.4 近地表土壤水文条件对农业养分流失影响的研究

1.2.5 农业非点源污染防治研究

1.2.5.1 管理措施防治农业非点源污染

1.2.5.2 技术措施防治农业非点源污染

1.2.6 存在问题

第二章研究内容、研究方法与试验设计

2.1 研究内容

2.1.1 近地表土壤水文条件对紫色土和红壤坡面土壤侵蚀的影响

2.1.2 近地表土壤水文条件对紫色土坡面氮和磷养分流失的研究

2.1.3 近地表土壤水文条件对红壤坡面氮和磷养分流失的研究

2.1.4 紫色土坡面和红壤坡面侵蚀过程和养分流失的对比分析

2.1.5 不同肥料类型条件下红壤坡面氮和磷迁移的对比分析

2.2 技术路线与试验方案

2.2.1 技术路线

2.2.2 试验方案

2.2.2.1 试验装置

2.2.2.2 实验设计

2.2.3 试验步骤

2.2.4 化学分析

3-N 和PO₄-P 的计算'>2.2.5 地表径流中流失的NO₃-N 和PO₄-P 的计算

2.2.6 论文工作进度和试验流程图

第三章水文条件对紫色土和红壤坡面土壤侵蚀的影响

3.1 试验设计

3.2 不同水文条件下紫色土坡面径流量及侵蚀产沙量

3.3 不同水文条件下红壤坡面径流量及侵蚀产沙量

3.4 不同近地表土壤水文条件下紫色土和红壤坡面初始产流时间

3.5 不同近地表土壤水文条件下紫色土和红壤坡面径流量和侵蚀量

3.6 本章小结

第四章近地表土壤水文条件对紫色土坡面氮、磷流失的研究

4.1 试验设计

3-N 和PO₄-P 的浓度变化过程'>4.2 紫色土坡面地表径流中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度变化过程

3-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量'>4.3 紫色土坡面地表径流中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量

3-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量'>4.4 紫色土坡面侵蚀泥沙中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量

3-N 和PO₄-P 在紫色土剖面中的迁移'>4.5 不同水文条件下NO₃-N 和PO₄-P 在紫色土剖面中的迁移

4.6 本章小结

第五章近地表土壤水文条件对红壤坡面氮、磷养分流失的研究

5.1 试验设计

3-N 和PO₄-P 的浓度变化过程'>5.2 红壤坡面地表径流中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度变化过程

3-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量'>5.3 红壤坡面地表径流中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量

3-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量'>5.4 红壤坡面侵蚀泥沙中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度及其流失量

3-N 和PO₄-P 在红壤剖面中的分布'>5.5 不同水文条件下NO₃-N 和PO₄-P 在红壤剖面中的分布

3-N 和PO₄-P 在红壤剖面中含量'>5.6 不同水文条件下NO₃-N 和PO₄-P 在红壤剖面中含量

5.7 本章小结

第六章紫色土坡面和红壤坡面侵蚀过程和养分流失的对比分析

6.1 试验设计

6.2 近地表土壤水文条件下紫色土坡面和红壤坡面侵蚀过程的对比

6.3 近地表土壤水文条件下紫色土坡面和红壤坡面径流中养分流失的对比

6.4 近地表土壤水文条件下坡面侵蚀泥沙中养分流失的对比

6.5 本章小结

第七章不同肥料类型对红壤坡面氮、磷养分流失的对比分析

7.1 试验设计

3-N 和PO₄-P 的浓度变化过程'>7.2 不同肥料类型条件下径流中NO₃-N 和PO₄-P 的浓度变化过程

3-N 和PO₄-P 浓度及其流失量的对比分析'>7.3 地表径流中NO₃-N 和PO₄-P 浓度及其流失量的对比分析

3-N 和PO₄-P 浓度及其流失量的对比分析'>7.4 侵蚀泥沙中NO₃-N 和PO₄-P 浓度及其流失量的对比分析

3-N 和PO₄-P 在红壤剖面中的分布对比'>7.5 不同肥料类型条件下NO₃-N 和PO₄-P 在红壤剖面中的分布对比

7.6 本章小结

第八章研究结论与展望

8.1 研究结论

8.1.1 近地表土壤水文条件对紫色土和红壤坡面土壤侵蚀的影响

8.1.2 近地表土壤水文条件对坡面氮和磷养分流失的研究

8.1.3 紫色土和红壤坡面侵蚀过程和养分流失的对比分析

8.1.4 不同肥料类型和不同水文条件下红壤坡面氮和磷养分流失的对比分析

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

致谢

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