不同重构措施复垦土壤水氮运移和作物生长模拟与响应机制

A clear understanding of mutual response mechanism among reclamation measures, water and nitrogen process of reclamation soil , crop growth and management measures is essential for reasonable choice of the rehabilitation measures and vital scientific management of reclamation soil.Contrary to the deficiencies of current research, such as inadequate systematic and comprehensive quantitative research on the current response mechanism in the field, no clear understanding of the mechanism, this project was designed on the basis a full analysis of existing research and data accumulation using combining methods physical simulation and mathematical model, theoretical analysis and practical observations. The study contents include: proposed precision spatial prediction methods of reclaimed soil properties by comparing the merits of multi-methods.Established combined models of water and nitrogen process and crop growth coupled with GIS for reclamation soil. Based on results of model simulation, analysed spatial distribution and influencing factors of parameters of water and nitrogen processes and crop growth, revealing the response mechanism of reclamation measures, water and nitrogen process, crop growth and management measures. The research results will further enrich the soil solute transport theory, and promote basic research of land reclamation.

清楚认识重构措施、重构土壤水氮运移、作物生长和管理措施相互之间的响应机制对于重构措施的合理选择和复垦土壤的科学管理至关重要，针对当前该领域定量化响应机制研究不够系统全面，机制认识不清等不足之处，在充分分析申请者已有研究和资料积累的基础上，设计本项目。拟采用物理模拟实验与数学模型相结合、理论分析与实际观测相结合的研究方法。研究内容包括：通过多方法优劣比较，提出复垦重构土壤属性高精度空间预测方法；整合土壤动力学模型和平衡模型，建立GIS耦合的复垦土壤水氮运移与作物生长联合模型；基于模型模拟结果，分析复垦土壤水氮运移和作物生长参数空间分布特征和影响因素，定量化揭示重构措施、重构土壤水氮运移、作物生长和管理措施相互之间的响应机制。研究成果将进一步充实土壤溶质运移理论，推动土地复垦基础性研究。

针对复垦领域定量化响应机制研究不够系统全面，机制认识不清等不足，以复垦土壤（又称为“重构土壤”）为核心，开展土壤质量空间预测和时空演变规律研究、模型建立与模拟、响应机制等研究。研究结果丰富了土壤溶质运移理论，为矿区生态重建、重构措施的合理选择和复垦土壤的科学管理提供了理论和实践依据。.通过以上内容的研究，取得如下重要结果、关键数据等：结合（非）重构土壤特征，创新地提出高精度空间异质性研究方法5套。经验贝叶斯克里格法比较适合粉煤灰充填复垦土壤肥力指标空间预测；顾及各向异性基于Markov的同位置协同格里格法三维模拟效果最佳。对于区域土壤颗粒组成不同层次采样时，B层可比A层采样点数量少30%，C层可少50%。基于以上方法研究成果，系统全面揭示了区域重构土壤属性的时空演变规律。研发了重构土壤采样工具，建立了重构土壤水氮运移和作物联合模拟的WHCNS模型和HYDRUS模型，进行了水氮运移与作物联合模拟。粉煤灰充填各复垦模式不同土层水分运移模拟效果较好，均方根误差均小于0.08cm3/cm3。直接覆土40～50cm模式相对于其他复垦模式，具有更强的稳定水分的能力，更加适合玉米生长，复垦效果最好。基于重构措施、重构后土壤质量和重构效果之间的响应机制研究，提出了优化重构模式。综合考虑各肥力指标对覆土厚度的响应特征，粉煤灰充填重构土壤冬小麦—夏玉米种植模式下覆土厚度40～50 cm较为合理。考虑到污染防控以及对作物品质的影响，重金属污染的重构土壤覆土后有效土层厚度达到100cm以上，pH值持续控制在7～8。开展重构土壤质量监测方案、检测手段和提升策略研究。连续小波变换(CWT)与径向基函数神经网络(RBF)相结合的方法对四种重金属的反演效果最好，与偏最小二乘回归相比，均方根误差均值降低了约2。CWT-RBF方法可作为重构土壤重金属反演的一种手段。