太湖流域施肥土壤酸化过程及碳氮流失的耦合机制

In view of the serious environmental problems including soil acidification, water eutrophication and greenhouse gases emission by agricultural fertilization, this research focuses on “nitrogen fertilizer input changes-soil acidification- soil carbon and nitrogen loss- river carbon and nitrogen export”. The field monitoring, river water quality monitoring, sampling and laboratory analysis, RS, GIS, N and C isotope, and modeling will be utilized in this study. The soil acidification process from the scales of watershed and farmland over the past 30 years will be revealed. The coupling mechanism of soil carbon and nitrogen loss and the impacts of fertilization on the physicochemical properties of soil will be detected. Furthermore, the corresponding mechanism of watershed carbon and nitrogen export to agricultural fertilization will be revealed. The best agricultural management practices and water resources strategy will be proposed. And this study will provide a theoretical basis for the mechanism of the migration and transformation of carbon and nitrogen in intensive agricultural area, data support for understanding regional carbon and nitrogen cycle and source sink, and an important scientific basis for revealing the evolution of regional environmental quality.

以流域碳氮流失的耦合研究为核心，针对施肥引起的土壤酸化、水体富营养化以及温室气体排放等环境问题，以“氮肥输入变化-土壤酸化-土壤碳氮流失-河流碳氮输出”研究为主线，借助野外农田试验、河流水质监测、采样与实验室分析、遥感与地理信息系统、碳氮同位素技术以及模型模拟等方法和手段，从流域和农田两个尺度，揭示太湖流域近30年来土壤酸化过程，阐明高强度开发农业区施肥引起土壤理化性质的变化及碳氮流失的耦合机理，揭示流域碳氮输出对农业施肥的响应机制，提出最佳农业管理措施及水资源管理策略。本研究为阐明集约化农业区碳氮的迁移转化规律提供理论依据，为理解区域碳氮循环和源-汇收支提供数据支持，对于揭示区域环境质量演变提供重要科学依据。

在全球变化研究中，陆地生态系统碳-氮耦合循环过程及影响机制是国内外广泛关注的前沿性科学问题。本项目选择天目湖流域和常熟农田系统为研究对象，开展了太湖流域土壤酸度时空格局变化过程及影响因素、长期施肥条件下土壤碳氮流失的耦合机制、河流碳氮来源解析及施肥对碳氮流失的影响机制研究。主要获得了以下结果：①从70年代至今，太湖流域农田长期过量施用化肥，引起土壤酸化，平原河网区农田的pH在7~8之间，天目湖流域农田土壤的pH最低，仅为6.7，林地和菜地土壤的pH相对较高，在7~7.3之间，土壤酸化加剧了流域河湖系统的碳氮流失；②暴雨径流、污水排放、河流中梯级滚水坝和人工湿地的截留等是影响天目湖流域河流水质时空差异的重要影响因素；③天目湖流域河-湖系统δ15N- NO3-值的范围是-1.3‰~67.02‰，δ18O- NO3-值的范围是-1.49‰~39.89‰，均处于土壤有机氮、粪便及生活污水的特征值范围内，这说明河水、湖水受土壤有机质流失、生活污水影响较大；④天目湖流域河流释放温室气体通量的时空差异明显。中田河下游在2019年6、7、8月CO2释放通量为500~1200 umol C m-2 d-1，下宋河下游居中（350~500 umol C m-2 d-1），平桥河最低（0~200 umol C m-2 d-1）；从空间分布来看，上游释放通量高于下游，一方面与上游河流碳酸钙含量较高有关，另一方面与上游人类活动污水排放量增加引起的河流酸化有关。研究陆地生态系统碳氮耦合循环及其影响机制，不仅可以为更加精确地评估和预测陆地生态系统碳汇功能提供科学依据，也将为人类调控全球气候变化提供重要理论基础，还为控制农业面源污染物流失和改善地表地下水环境质量提供科学依据。