膜孔灌土壤氮素运移转化特性和覆膜土壤温度效应试验研究

论文摘要

在查阅和分析国内外膜孔灌理论与技术相关文献资料的基础上,结合国家自然科学基金项目,采用室内外试验和理论研究相结合的技术路线,主要研究了施肥条件下膜孔灌水、氮运移转化分布特性、玉米耗水规律和覆膜土壤温度效应,主要研究成果为：(1)研究了膜孔灌单点源、单向交汇入渗和多向交汇入渗特性,建立了包含垂直一维入渗量和侧渗量的膜孔单点源入渗量模型和基于减渗量和交汇界面面积的膜孔单向交汇和多向交汇的入渗量数学模型；研究了膜孔灌田面水流推进和消退规律,基于水量平衡原理,提出了由膜孔灌田面水流推进和消退资料推求基于Kostiakov入渗模型的膜孔灌单点源入渗参数的方法。(2)通过室内试验,研究了膜孔灌尿素在土壤中的运移和转化规律,揭示了施肥方式、施肥量和灌水量对尿素转化特性的影响。膜孔灌施尿素过程中,土壤尿素前锋在垂直方向的运移速率较水平方向的大,均随运移距离的增加而减小,尿素在土壤剖面中的运移与水分运动保持一致；对于膜孔灌施尿素自由入渗,转化生成的土壤铵态氮主要分布在膜孔中心附近,土壤铵态氮含量随着转化时间的延长先增大后减小,转化生成的土壤硝态氮在膜孔中心最大,土壤硝态氮含量随着距膜孔中心的增大而减小,随着转化时间的延长逐渐增多；不同施肥方式对转化生成的铵态氮含量和分布影响较大,铵态氮在土壤中的分布规律与灌水后尿素在土壤中的分布规律相同；不同施肥方式对转化生成的硝态氮含量和分布影响较小,转化初期,硝化作用弱,转化7天后硝化作用增强,土壤硝态氮在通气状况较好的膜孔附近含量较高,且湿润体内水平方向的硝态氮含量分布范围较垂直方向的大；增大施肥量和灌水量,增大了土壤铵态氮和硝态氮的含量和分布范围,但增大灌水量不会使土壤铵态氮含量明显增加,这与转化过程中氨的挥发有关。(3)研究了玉米膜孔灌农田尿素转化特性,揭示了膜孔灌农田尿素转化规律和施肥量、灌水量与株距对尿素转化特性的影响。施肥后第15天,尿素基本完全转化,在尿素转化过程中,土壤铵态氮含量随转化时间先增大后减小,土壤硝态氮含量随转化时间逐渐增大,建立了土壤硝态氮含量与转化时间之间的幂函数关系；与畦灌相比,膜孔灌明显加快了尿素的转化速度,使土壤中的硝态氮分布范围增大；增大施肥量和灌水量,促进了尿素的转化,增大了土壤中的硝态氮含量和分布范围,建立了转化生成的土壤硝态氮含量与施肥量和灌水量之间的幂函数关系；株距对尿素转化影响因灌水量和施肥量大小而不同,总的来说,株距40厘米处理促进了尿素转化,使土壤中的硝态氮含量和分布范围增大。(4)研究揭示了膜孔灌农田玉米吸氮条件下土壤硝态氮动态变化和分布特性。在玉米三叶期,膜孔灌土壤硝态氮累积峰明显较畦灌的宽,三叶期后,膜孔灌土壤硝态氮累积峰较畦灌的低；施肥量越大,土壤深度方向的硝态氮累积峰越宽越高,硝态氮含量越大,增大施肥量,推迟了玉米硝态氮吸收最大的时期,但增大了拔节期硝态氮的淋失量和收获时的残留量；灌水量越大,深度方向的硝态氮累积峰位置越低,在拔节期和抽穗期造成硝态氮淋失量越大；株距40厘米处理促进了土壤硝态氮下移,增大了下层土壤的硝态氮含量,增大了土壤硝态氮淋失的可能；建立了土壤硝态氮含量总量与玉米生育期天数之间的一元二次函数关系以及土壤硝态氮残留量与施肥量之间的幂函数关系。(5)研究了膜孔灌玉米的耗水规律、水分生产效率等,揭示了施肥量和灌水量对膜孔灌玉米耗水量、生物指标和产量构成因素的影响。抽穗期是玉米需水的关键时期,对于同一生育期,畦灌玉米的各阶段耗水量较膜孔灌的大；膜孔灌的施肥量和灌水量越大,玉米各生育阶段和整个生育期的耗水量越大,建立了膜孔灌不同施肥量和灌水量玉米各生育阶段的累积耗水量与生育期天数之间的一元二次函数关系以及玉米生育期总耗水量与施肥量和灌水量之间的幂函数关系；畦灌玉米的水分生产效率较膜孔灌的小,施肥量和灌水量越大,膜孔灌玉米累积耗水量和产量越大,但水分生产效率减小；膜孔灌的灌水量和施肥量越大,玉米各项生物指标和产量指标越大,建立了不同施肥量和灌水量的各项生物指标和产量指标与玉米生育期总耗水量之间的幂函数关系。(6)研究了膜孔灌土壤温度效应,揭示了膜孔灌土壤温度日动态变化和季节性动态变化特性。膜孔灌土壤温度日动态变化较畦灌的平稳,且随着土层深度的增加,膜孔灌的增温作用减小；提出了膜孔灌与畦灌农田土壤温度之间的线性函数关系；建立了膜孔灌下层土壤温度与表层5cm土壤温度之间的一元二次函数模型以及土壤日温度随时间变化的一元三次函数模型；膜孔灌土壤温度的季节性动态变化在玉米生育前期波动较大,在后期相对比较平缓,随着土层加深,膜孔灌季节增温作用减小；膜孔株间处的土壤温度升温及降温过程较膜孔行间处慢,受外界温度的影响和土壤剖面温差较膜孔行间处的小。以上研究成果为进一步开展膜孔灌农田高效灌溉施肥和减少硝态氮对环境影响以及水热耦合特性研究奠定了科学基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 土壤氮素运移转化研究现状
• 1.2.1 土壤氮素运移
• 1.2.2 土壤氮素淋溶研究
• 1.2.3 土壤氮素转化
• 1.3 农田覆膜栽培研究进展
• 1.3.1 地膜覆盖对土壤温度的调节
• 1.3.2 地膜覆盖对土壤水分条件的改善
• 1.3.3 地膜覆盖对作物吸收养分的影响
• 1.3.4 地膜覆盖对作物耗水量的影响
• 1.3.5 地膜覆盖对作物生物指标和产量的影响
• 1.4 滴灌施肥研究进展
• 1.4.1 滴灌施肥技术的特点及应用研究
• 1.4.2 滴灌施肥下水分和养分在土壤中的分布及转化特点
• 1.5 膜孔灌研究进展
• 1.5.1 膜孔灌入渗特性
• 1.5.2 膜孔灌土壤水分分布特性
• 1.5.3 膜孔灌氮素运移、转化和分布特性
• 1.5.4 膜孔灌水流运动模型研究
• 1.5.5 膜孔灌田面入渗特性
• 1.6 研究目标和主要研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 主要研究内容
• 1.6.3 技术路线
• 2 膜孔水分入渗特性及数学模型
• 2.1 膜孔自由入渗特性及数学模型
• 2.1.1 试验装置与方法
• 2.1.2 膜孔自由入渗侧渗量变化特性
• 2.1.3 膜孔自由入渗侧渗量与垂直一维入渗量的关系
• 2.1.4 膜孔自由入渗模型
• 2.2 膜孔单向交汇入渗特性及数学模型
• 2.2.1 试验装置与方法
• 2.2.2 膜孔单向交汇入渗量变化特性
• 2.2.3 膜孔单向交汇入渗减渗量和交汇界面变化特性
• 2.2.4 膜孔单向交汇入渗减渗量和交汇界面面积的关系
• 2.2.5 膜孔单向交汇入渗模型
• 2.3 膜孔多向交汇入渗特性及数学模型
• 2.3.1 试验装置与方法
• 2.3.2 膜孔多向交汇入渗量变化特性
• 2.3.3 膜孔多向交汇入渗交汇界面特性
• 2.3.4 膜孔多向交汇入渗减渗量和交汇界面面积的关系
• 2.3.5 膜孔多向交汇入渗模型
• 2.4 由膜孔灌田面灌水资料推求基于Kostiakov模型的点源入渗参数
• 2.4.1 膜孔灌田面灌水试验条件
• 2.4.2 膜孔灌田面水流运动推进和消退特性
• 2.4.3 膜孔灌点源入渗参数的推求
• 2.5 本章小结
• 3 尿素施肥方式对膜孔自由入渗土壤氮素运移和转化特性的影响
• 3.1 试验条件与方案
• 3.1.1 试验条件
• 3.1.2 试验方案
• 3.2 施肥方式对膜孔自由入渗量的影响
• 3.3 膜孔灌施土壤尿素运移和转化特性
• 3.3.1 壤湿润锋运移特性
• 3.3.2 供水阶段土壤尿素运移特性
• 3.3.3 湿润体土壤尿素含量分布特性
• 3.3.4 膜孔灌施土壤尿素转化特性
• 3.3.5 灌施肥液浓度对土壤尿素转化特性的影响
• 3.4 膜孔表施土壤尿素转化特性
• 3.4.1 膜孔表施尿素用量对入渗量的影响
• 3.4.2 表施尿素用量对土壤尿素转化特性的影响
• 3.4.3 灌水量对表施土壤尿素转化特性的影响
• 3.5 膜孔深施土壤尿素转化特性
• 3.5.1 膜孔深施尿素用量对入渗量的影响
• 3.5.2 深施尿素用量对膜孔入渗土壤尿素转化的影响
• 3.5.3 灌水量对深施肥土壤尿素转化特性的影响
• 3.6 本章小结
• 4 施肥量和灌水量对玉米膜孔灌农田尿素转化特性的影响
• 4.1 试验方法
• 4.1.1 试验条件
• 4.1.2 试验设计
• 4.1.3 观测方法
• 4.2 玉米膜孔灌农田土壤尿素转化特性
• 4.2.1 玉米膜孔灌农田土壤铵态氮变化
• 4.2.2 玉米膜孔灌农田土壤硝态氮变化
• 4.3 施肥量对玉米膜孔灌农田土壤尿素转化的影响
• 4.3.1 不同施肥量的玉米膜孔灌农田土壤硝态氮变化
• 4.3.2 施肥量对膜孔灌玉米农田土壤硝态氮变化的影响
• 4.4 灌水量对膜孔灌玉米农田尿素转化特性的影响
• 4.4.1 不同灌水量玉米膜孔灌农田土壤硝态氮变化
• 4.4.2 灌水量对玉米膜孔灌农田土壤硝态氮变化的影响
• 4.5 株距对玉米膜孔灌农田土壤尿素转化特性的影响
• 4.5.1 株距对不同施肥量膜孔灌土壤硝态氮分布特性的影响
• 4.5.2 株距对不同灌水量膜孔灌土壤硝态氮分布特性的影响
• 4.6 本章小结
• 5 施肥量和灌水量对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.1 试验方法
• 5.2 玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性
• 5.3 施肥量对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.3.1 不同施肥量玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性
• 5.3.2 施肥量对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.3.3 施肥量对玉米膜孔灌土壤硝态氮累积的影响
• 5.4 灌水量对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.4.1 不同灌水量玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化
• 5.4.2 灌水量对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.4.3 灌水量对玉米膜孔灌土壤硝态氮累积的影响
• 5.5 株距对玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.5.1 株距对不同施肥量玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.5.2 株距对不同灌水量玉米膜孔灌土壤硝态氮动态变化特性的影响
• 5.6 本章小结
• 6 膜孔灌玉米耗水规律和水分生产效率
• 6.1 试验方法
• 6.1.1 试验条件
• 6.1.2 试验设计
• 6.1.3 观测项目与方法
• 6.2 膜孔灌玉米耗水规律
• 6.2.1 施肥量和灌水量对膜孔玉米生育期耗水规律的影响
• 6.2.2 膜孔灌玉米产量及水分生产效率（WUE）与耗水量的关系
• 6.3 膜孔灌玉米生物指标分析
• 6.3.1 施肥量和灌水量对膜孔灌玉米生物指标的影响
• 6.3.2 膜孔灌生物指标与耗水量相关性分析
• 6.4 膜孔灌玉米产量指标分析
• 6.4.1 施肥量和灌水量对膜孔灌玉米产量指标的影响
• 6.4.2 膜孔灌产量指标与耗水量的相关性分析
• 6.5 本章小结
• 7 膜孔灌农田土壤温度效应
• 7.1 试验方法
• 7.1.1 土壤温度日动态变化观测
• 7.1.2 玉米生育期土壤温度观测
• 7.2 玉米膜孔灌土壤温度日动态变化
• 7.2.1 膜孔灌土壤温度的日动态变化
• 7.2.2 膜孔灌土壤剖面温度变化
• 7.2.3 膜孔灌相邻土层平均温差日动态变化
• 7.2.4 膜孔灌日平均温差随土层深度变化
• 7.2.5 距膜孔中心不同位置处土壤温度日动态变化
• 7.2.6 距膜孔中心不同位置处日平均土壤温差随土层深度变化
• 7.3 膜孔灌土壤温度季节性动态变化
• 7.3.1 膜孔灌土壤温度季节性动态变化
• 7.3.2 距膜孔中心不同位置处的土壤温度季节性动态变化
• 7.3.3 玉米膜孔灌季节土壤特征温度变化
• 7.4 本章小结
• 8 总结与建议
• 8.1 总结
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录