毛乌素沙地农灌区氮素迁移转化机理及其对地下水的影响

Irrigated agriculture in Mu Us Sandy Land has been developed greatly in the last 30 years, which in turn increases the farm’s income and improves peoples’ life. However, greater water and nitrogen use in this system imposes much nitrogen left in soil layer, which will pollute or has polluted ground water system. So, it is important to study migration and transformation rules of nitrogen in irrigated farmland and its effects on groundwater in Mu Us Sandy Land. We will measure soil water dynamic using Drain Gauge device, measure groundwater table using Diver, quantitatively identify nitrate source in groundwater by using nitrogen and oxygen isotope. We will analyze the nitrogen transformation and moving processes and related soil physical, chemical and biological properties in the vadose zone. We will use an integrated nitrogen transport model to simulate the impacts of irrigation and fertilization on nitrogen leaching in unsaturated and saturated zone in different scenarios. Based on these modeling results, we will determine proper application amounts of nitrogen and irrigation water for sustainable development of protected agriculture in Mu Us Sandy Land. This research is expected to provide scientific implications for groundwater resources protection in the arid agricultural areas.

上世纪80年代以来，地处干旱区的毛乌素沙地农灌区为增产增收采取了灌溉与增加施用氮肥等方式，包气带中氮素含量与运移成为地下水安全的主要隐患。本研究将利用DrainGauge和Diver在典型区分别实时监测包气带的水分动态、深层渗漏通量及地下水位变化；定期采集地下水、土壤、化肥、农家肥等样品，利用分光光度计、离子色谱、PCR等精密仪器，分析地下水、土壤的理化性质与生物性质，包括硝态氮、氨态氮含量，土壤硝化细菌和反硝化细菌总数等，判定灌溉施肥与农灌区土壤的理化性质、生物性质的关系；利用氮氧同位素定量识别地下水中硝酸盐来源，并计算对地下水氮污染的贡献率；在以上研究基础上，利用作物生长与水氮迁移转化联合模型，模拟包气带内氮素的迁移转化过程，最终揭示氮素迁移转化与对地下水水质的影响机制，同时提出适宜的灌溉与施肥控制模式。以上研究对于农业发展条件下的干旱区稀有的居民生存依赖的地下水资源保护提供科学支持。

上世纪80年代以来，地处干旱区的毛乌素沙地农灌区为增产增收采取了灌溉与增加施用氮肥等方式，包气带中氮素含量与运移成为地下水安全的主要隐患。本项目结合原位试验，数据分析和数值模拟研究沙地农灌区水氮运移规律。运用HYDRUS-1D模型模拟不同施肥量和灌溉量下硝态氮在土壤剖面中的含量变化，计算根层和模型底部硝态氮的渗漏量、淋失率；以期为当地农业的可持续发展提供科学依据。取得了以下几方面的主要研究成果：.不同施氮处理硝态氮浓度在各土层中均表现为I20N438＞I20N338＞I20N238＞I20N138＞I20N38，各处理间硝态氮的浓度差随深度增加而逐渐变小。施氮对硝态氮淋失的影响较小；灌溉对硝态氮淋失的影响大于施氮的影响。各土层累积硝态氮淋失量均随着灌溉量的增大而增大，但增大量随土层深度的增加而减小。.通过方差分析发现，各施氮处理春玉米叶面积在抽雄期和灌浆期出现差异，春玉米株高和茎粗在抽雄期有所差异。I20N238~I20N438施氮处理的作物吸氮量差异不显著(P>0.05)，而I20N238~I20N438施氮处理与I20N138~I20N38施氮处理差异显著(P<0.05)，这说明施氮量的增加会对作物吸氮量产生影响，但当施氮量超过一定值时增加施氮并不会使作物吸氮量明显提高。.利用作物生长与水氮迁移转化联合模型，模拟包气带内氮素的迁移转化过程，最终揭示氮素迁移转化与对地下水水质的影响机制，同时提出适宜的灌溉与施肥控制模式。地下水位越高，硝态氮淋失量越大。包气带厚度增加有利于防止农田施肥对当地地下水的污染。.综合指数法评价结果表明I20N238 处理为该地区最佳的水肥管理方案，不仅使施用的氮肥能够被作物充分吸收利用，维持作物产量不变，而且显著降低了氮素损失，并提高了水氮利用效率。研究结果对于农业发展条件下的干旱区稀有的居民生存依赖的地下水资源保护提供科学支持。