再生水灌溉对农田土壤碳氮循环过程的影响机理及模型构建

Irrigation with treated wastewater has become an important agricultural practice due to potentially alleviating the scarity of fresh water resource. Treated wastewater contains a great amount of orgainc materials (e.g. organic matter, dissolved organic matter)and inorganic N, these nutrient materials via treated wastewater irrigation could alter the soil fertility status and C/N cycling, and thus affect greenhouse gas emissions. Hence, the aims of this project are to: 1)Evaluating the effects of treated wastewater combined with different fertilizer types application on the C/N cycling and greenhouse gas emissions; 2)Use of 15N, 14C and nitrification inhibitor to identify the mechanisms of treated wastewater irrigation on the soil C/N cycling and gaseous losses; 3)Developing a reactive-diffusion kinetics model for describing the C/N cycling in soil irrigated with treated wastewater; 4) Modelling and Perdicting the dynamics of C/N cycling, NO3- leaching and Global Warming Potential from soil affected by irrigation with treated wastewater. Finally, the safety irrigation modes about treated wastewater application are also suggested based on the experimental results and model analysis.

再生水回用于农业灌溉已经成为缓解水资源短缺的重要措施，水中含有的较高浓度的有机质和无机氮，可能影响土壤肥力、改变土壤C、N循环过程，进而增加农田温室气体排放。本项目拟以华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系为背景，通过连续的田间试验，摸清再生水灌溉配合不同类型氮肥条件下土壤C、N动态变化过程、运移转化规律及温室气体排放特征，借助稳定同位素示踪和硝化抑制剂技术研究再生水灌溉土壤的C、N循环转化过程机理及气态损失途径，建立再生水灌溉条件下土壤C、N循环转化过程的反应扩散动力学模型，应用建立的模型分析再生水灌溉条件下的土壤C、N循环转化、NO3-淋失以及温室效应，进而提出面向养分高效利用的再生水合理灌溉技术模式，为再生水技术化推广及安全利用提供理论基础。

再生水回用于农业灌溉已经成为缓解水资源短缺的重要措施，再生水中含有较高浓度的有机质和无机氮，可能影响土壤肥力、改变土壤碳、氮循环过程，进而增加农田土壤温室气体排放。本项目开展了3年连续的夏玉米-冬小麦轮作期间再生水和地下水灌溉田间试验，研究表明再生水灌溉没有显著增加农田土壤CO2和N2O的排放量，施氮肥对土壤排放CO2无显著影响，但是施氮肥显著增加了土壤N2O排放量（P＜0.05），并且施尿素和硫酸铵处理土壤N2O的排放量显著大于施缓释肥处理（P＜0.05）。与沟灌相比，滴灌不会增加土壤CO2和N2O的排放量。土壤CO2排放量随施尿素的增加呈线性增加，随施缓释肥的增加呈二次曲线增加；土壤N2O排放量随施尿素或缓释肥的增加呈线性增加。再生水灌溉对作物产量和籽粒品质无显著影响，施氮肥显著提高了夏玉米-冬小麦产量（P＜0.05），但不同氮肥类型之间无显著差异。借助15N稳定同位素示踪技术以及添加双氰胺硝化抑制剂开展2类土壤硝化-反硝化试验，研究发现再生水和施氮肥增强了土壤反硝化作用，并在特定条件下增强了土壤硝化-反硝化作用，促进了土壤N2O排放和氮肥转化，灌水水质类型和土壤含水率、以及氮肥类型和土壤含水率都对N2O排放具有显著交互效应。开展的土壤碳氮矿化试验表明，施氮肥显著增加了土壤中DOC、DON、有机碳和有机氮的含量，施氮肥显著促进了土壤碳和氮的矿化（P＜0.05），再生水灌溉没有增加土壤碳和氮的矿化, 氮肥和DOM是土壤碳和氮矿化的重要影响因素，并构建了土壤碳和氮矿化动力学模型。构建的数学模型 能较好的描述再生水灌溉下N2O的排放与土壤含水率之间的关系。构建的基于DNDC的过程模型能较好的捕捉到再生水灌溉、施肥等农田管理以及自然降雨等事件下土壤N2O动态变化，模型对于单个时间点位上N2O排放速率变化的响应精度略低。再生水滴灌配施缓释肥能保证作物产量，降低施肥成本，节约淡水资源并减少温室气体的排放。本研究提出了再生水高效合理利用模式，能促进再生水在农业中的科学利用。