灌区包气带氮素生物地球化学动态对水分的响应过程研究

Increasing nitrate pollution has posed a serious threat to the safety of rural potable water in agricultural regions，which has become a great challenge to the sustainable utilization and management of the groundwater. Based on our existing research, this project highlights the response mechanism of N cycle process to soil moisture variability in Vadoze zone by the field irrigation test and indoor simulation calculation, chemical analysis method, nitrogen balance method, coupled model of water and nitrogen solute transport and isotopes quality transmission model. It determines the balanced effects of nitrogen in liquid, soil, gas phases and microbial biogeochemical interaction characteristics. The aim is to understand how the temporal soil moisture fluctuations are dynamically transmitted to the biogeochemical field system and obtain a quantitative probabilistic description. As a result we can obtain important theoretical knowledge on nitrogen cycle mechanism, which is of great value for nitrogen pollution evolution and control in groundwater. And it may also guide farmland practice of the irrigation area, for the safety of rural drinking water and the economic and social development.

日益加剧的农业区地下水硝酸盐污染给农村用水安全构成严重威胁，已成为地下水可持续利用与管理的一个严峻挑战。本项目以典型灌区为研究对象进行对比试验，在前期研究的基础上，应用化学分析法、氮平衡法、包气带水量和污染物迁移耦合模型，结合同位素质量传输模型，通过野外灌溉试验和室内计算模拟,深入探讨氮在包气带淋溶转化过程对水分变化的响应机制，查明氮素的水、土、气等多相均衡作用和微生物生物地球化学作用特性，明确水分在不同时间尺度上的变化,引起环境系统的动态传输响应过程,获得N循环的定量描述。研究成果不仅可在包气带氮循环机理等方面获得重要的理论认识，对未来地下水氮污染的演变和控制具有重要的科学价值，而且还可有效指导灌区农田生产实践，保障农村居民饮水安全和经济社会发展。

包气带是地表、土壤污染物迁移到地下水的通道和介质，氮在其中的迁移转化一直都是科学家关注的热点。本项目针对包气带环境中氮元素分布、形态、循环过程规律、动力学机制、影响因素及其对水分的响应过程等方面进行了深入研究。首先研究了水分运移与滞留对微生物群落的影响，水流中断后氨化细菌和硝化细菌与土壤水分含量呈正相关。水流中断点为0.8倍的田间持水量,大于此点，水分会对微生物造成抑制，同时也限制了其它因子的作用；温度是控制包气带土壤水力参数和微生物量群落结构的重要因子；利用状态空间方程（SSE）与结构方程（SEM）模型，研究了氮素的生物地球化学过程，得出灌溉施肥改变了包气带水动力场和pH地球化学动力场，激化营养物质与土壤基质的交互作用，引起各深度的生物地球化学反应；应用15N同位素示踪研究大田氮的生物地球化学转化，根据MCMC（Markov Chain Monte Carlo）模型计算原位氮转化速率，提出了基于生物地球化学环境因子的氮转化速率计算模型；建立了包气带氮素迁移转化的生物地球化学模型和水热耦合模型，进一步模拟追踪了氮素迁移转化过程路径。