冻融作用下侵蚀黑土耕层氮时空分异变化驱动机制研究

The process of freeze-thaw is affected by soil structure, composition, moisture, temperature, and microorganism and so on, and influences the process of soil nitrogen (N) transformation-migration. The high heterogeneity of soil properties is caused by the serious soil erosion on the slope in the Mollisol region, and must lead to the change of the spatial pattern of the N in the freeze-thaw period. However, the mechanisms of freeze-thaw on the change of the N spatial heterogeneity is still not clear. In the study, slope aspects and crop straw managemnt will be compared, and the methods of field investigation, characters monitoring, isotopic tracing and inside incubator, combining with the traditional statistics and geostatistics at the slope scale, are employed to clarify (1) the characters change of the N spatial heterogeneity in the plough layer before and after the freeze-thaw process; (2) the driving process of physics and microorganism on the change of the spatial variance during the freeze-thaw period; (3) the process of N transformation and migration on soil profile during the freeze-thaw period; (4) the method to build the prediction model for slope scale based on the main driving factors. The results can provide the theory and technology for refining the precision fertilization and reducing non-point source pollution.

冻融作用下土壤氮（N）的转化-运移过程，主要受土壤理化性质及微生物等因素的影响。黑土坡面土壤侵蚀严重，土壤理化性质的异质程度较高，秋末春初频繁的冻融交替势必导致坡面土壤N素时空分异格局变化。但冻融影响下的侵蚀黑土耕层N时空分异变化特征及驱动机制尚不明确。本研究利用野外调查、监测、稳定同位素示踪和室内培养等手段，结合经典统计学和地统计学等分析方法，兼顾农田秸秆管理方式和坡向变化，研究：（1）冻融前后耕层土壤N时空分异变化特征；（2）冻融期耕层土壤N时空分异变化的主要物理和微生物驱动过程；（3）冻融期剖面土壤N素的转化-运移过程；（4）构建基于主导因子的冻融驱动下耕层土壤N时空分异格局变化预报模型。预期的成果可为黑土区坡耕地精准施肥和减轻面源污染等提供理论依据和技术支撑。

通过室内模拟和长期定位监测，研究了冻融期间典型坡面不同耕作措施和流域内土壤N、P时空格局变化的主要驱动机制。主要结论如下：. （1）冻融模拟：冻结强度、土壤含水量和容重越大形成恒定低温不变的时间越长，上、下土层水分差变化越大，越有利于深层土壤水分向表土层迁移。冻结和融冻过程上、下土层水分差成“单峰”变化趋势。. （2）坡面：冻融期土壤N在水势的作用下向上迁移，在侵蚀、硝化反硝化和蒸发作用下，土壤中N含量减少。排除大气沉降和土壤侵蚀，冻融后各坡位土层TN减少。秸秆还田减少侵蚀和蒸发，有效减少表层N损失。冻融作用下，受蒸发和水分状态变化改变的土壤水势作用下，深层土壤N向表层迁移，增加了表土层N含量。冻融过程，合适的土壤含水量有利于土壤P向上迁移，容重较大的坡背处P向上运移多。坡顶水分含量适中，土壤昼夜温差大，P易向表土层迁移；而坡低水分含量过高，土壤昼夜温差小，土壤P迁移少。侵蚀是降低表土层P含量的主要因素。覆盖虽然减少蒸发，但减少侵蚀，增加了表层土壤TP含量，降低了坡底AP的含量。. （3）流域：. 冻融后，沿侵蚀沟至流域出口部分林地、农林交错带TN含量增加，坡度> 6°区域TN流失最多。冻融后，坡中土壤养N流失加剧，坡底N积累增加，尤其0-10 cm土层AN含量显著增加；林地土壤TN的流失加剧，比农田多减少6.90-8.84%，而6-8°林地0-5cm土层AN增加；耕地土壤AN含量减少，而林地AN含量增加；面北坡TN减少幅度大，而面南坡AN减少最多；玉米地耕层土壤TN和AN下降幅度高于大豆地。.冻融后，耕层P减少，土层深度的增加减少幅度增大。受侵蚀、太阳辐射、积雪、土壤湿度等影响，冻融后流域面北坡、林地和水道两侧TP和AP明显增加。>9°坡、面北坡和林地，以及当土壤湿度指数<0.6、含铁矿物指数>0.2、NDVI>0.1、无或少积雪覆盖时，冻融后TP含量增加。海拔＜200 m或在210-230 m之间、>9°坡、面南坡和林地，以及当土壤湿度<0.7、土壤含铁矿物指数>0.2、NDVI>0.1、无或少积雪覆盖时，冻融后AP含量均增加。