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不同潜水埋深污水灌溉氮素运移及对作物影响试验研究

作　者: 齐学斌
导　师: 李佩成
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业水资源与水环境工程
关键词: 污水灌溉潜水埋深氮素运移作物生理
分类号: S512.1;S513
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

通过不同潜水埋深条件下污水灌溉氮素运移及对冬小麦和夏玉米生理指标影响试验,研究了土壤中NO3--N与NH4+-N、地下水中NO3--N动态变化规律;探讨了污水灌溉对冬小麦和夏玉米生理指标(叶面积指数、株高、干物质积累量和产量)的影响;分析了不同水质灌溉对冬小麦籽粒品质的影响;建立了基于BP神经网络的土壤氮素运移模型;提出了污水灌溉环境影响评价指标体系与评价方法。上述研究对于安全高效利用劣质水资源,缓解农业用水紧缺矛盾具有重要意义。研究采取田间试验与室内分析化验相结合、机理分析与计算机模拟相结合的研究方式。田间试验在中国农业科学院农田灌溉研究所作物需水量试验场测桶和洪门试验站地中渗透仪测坑中进行,试验污水为经处理后的一级处理出水和二级处理出水,试验土壤为粉砂壤土和砂壤土。测坑试验按灌水量和地下水埋深两因素设计,灌水量设计为高灌水定额(1200 m3/hm2)和低灌水定额(1200 m3/hm2),3个潜水埋深(2m、3m、4m),观测内容包括:灌溉水质、土壤水分、土壤硝态氮及铵态氮含量、土壤溶液硝态氮及铵态氮浓度、地下水中硝态氮浓度、土壤溶液及地下水pH值、作物生理指标。测桶试验按水质和灌水量两因素设计,水质设污水、稀释污水(1/2污水+1/2清水)、再生水和清水四个水平;水量设高灌水定额(灌水量为1200m3/hm2)和低灌水定额(灌水量900m3/hm2)两个水平,测试项目包括灌溉水质、土壤水分、土壤中硝态氮及铵态氮、作物生理指标、冬小麦籽粒中总磷、钾、氮、铅、镉、铬、砷的含量。取得的主要结论如下:(1)测桶试验表明:各处理土壤中NH4+-N主要分布在土壤的上表层0～20cm,土壤中NO3--N从表层到底层逐渐增加。当灌溉水质相同时,灌水定额高的处理,籽粒中淀粉的含量显著大于灌水定额低的处理;籽粒中粗蛋白质的含量刚好相反,灌水定额大的处理要低于灌水定额小的处理。当灌水定额相同时,各处理小麦籽粒中粗蛋白质的含量依次为污水>稀释污水>再生水>清水。低灌水定额时,与对照相比,污水、稀释污水和再生水处理分别增产12.71%、9.57%和1.14%;高灌水定额时,与对照相比,污水、稀释污水和再生水处理分别增产12.22%、5.05%和2.12%。污水灌溉处理的小麦籽粒中氮、磷、钾含量均比对照提高。不同处理小麦籽粒中重金属含量差异较小。(2)不同潜水埋深污水灌溉土壤中NO3--N和NH4+-N运移试验表明:污水灌溉后,各土层中硝态氮的含量均显著增加。相同潜水埋深,灌水定额越高,0～200cm土层土壤NO3--N增加越多;相同灌水定额,潜水埋深越深,0～200cm土层土壤NO3--N增加越多。潜水埋深对土壤中NH4+-N含量影响不明显。(3)不同潜水埋深污水灌溉地下水中NO3--N运移试验表明:冬小麦污水灌溉后第10天,低灌水定额处理,地下水中NO3--N浓度较灌水前分别增加了21.15%、15.49%、4.92%;高灌水定额,地下水中NO3--N浓度较灌水前分别增加了46.81%、15.48%、10.07%。夏玉米污水灌溉后第10天,低灌水定额处理,地下水中NO3--N浓度较灌水前分别增加了34.67%、24.94%、20.89%;高灌水定额处理,地下水中NO3--N浓度较灌水前分别增加了58.42%、38.98%、27.2%。可见,相同潜水埋深,灌水定额越高,土壤溶液及地下水中NO3--N浓度增加越多;相同灌水定额,潜水埋深越浅,由于淋溶和硝化作用产生的NO3--N造成浅层地下水污染的风险越大。(4)不同潜水埋深污水灌溉对作物生理指标影响试验表明:污水灌溉对冬小麦叶面积指数、干物质积累量和产量的影响较大。夏玉米各处理间叶面积指数、株高的差异不显著。地下水埋深、水质和灌水量因素,对冬小麦抽穗前的群体密度影响较大。相同地下水埋深条件下,低灌水定额处理比高灌水定额处理更能促进冬小麦的叶面积指数及株高的增长。相同灌水量和施肥条件下,地下水埋深2m处理对促进冬小麦各生理指标的增长最有利。(5)在分析氮素在土壤中转化运移机理的基础上,建立了基于BP神经网络的土壤氮素运移模型,模型的输入因子为表征作物生育指标的叶面积、气象因素综合指标ET0、地下水埋深和不同深度的土壤含水率;输出因子为不同深度土壤中硝态氮含量。经网络模拟训练,模型的拓扑结构为10:12:7。计算和检验结果表明,所建BP网络模型具有较高的模拟精度。(6)在综合分析污水灌溉田间试验的基础上,采用模糊综合评价分析方法,建立了污水灌溉环境评价指标体系,开发出了配套计算机软件。实例检验表明,该模型具有较高的精度。创新点:在进行污水灌溉氮素运移及对作物生长影响研究方面,考虑了地下水埋深因素对作物生理指标的影响,拓展了研究范围;关于污水灌溉对地下水的污染问题,在进行室内土柱氮素运移试验的基础上,开展了污水灌溉对地下水中硝态氮污染田间试验,分析了不同地下水埋深污水灌溉的风险程度,研究更为深入;在氮素运移试验基础上,建立了基于BP神经网络的土壤氮素运移模型,提出了污水灌溉环境影响评价指标体系及模糊综合评价方法,开发出了与其配套的软件,在计算方法上有创新,模型实用性更强。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章综述  13-30
  1.1 问题的提出及研究意义  13-15
    1.1.1 中国水资源面临的严峻形势  13
    1.1.2 中国污水灌溉发展情况  13-14
    1.1.3 污水灌溉存在问题  14
    1.1.4 开展不同潜水埋深污水灌溉氮素运移及对作物生长影响研究的意义  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-28
    1.2.1 污水灌溉对农作物生长的影响研究  16-18
    1.2.2 污水灌溉对土壤质量影响的研究  18-22
    1.2.3 污水灌溉对地表水质量影响的研究  22
    1.2.4 污水灌溉对地下水质影响的研究  22-23
    1.2.5 污染物在土壤—植物－地下水系统中转化运移模拟研究  23-26
    1.2.6 污水灌溉技术与灌溉制度研究  26-27
    1.2.7 存在问题与不足之处  27-28
  1.3 本论文的主要研究内容  28
    1.3.1 污水灌溉氮素运移机理及对冬小麦品质影响试验  28
    1.3.2 不同潜水埋深冬小麦污水灌溉氮素运移田间试验  28
    1.3.3 不同潜水埋深夏玉米污水灌溉氮素运移田间试验  28
    1.3.4 不同潜水埋深污水灌溉对作物生理指标的影响  28
    1.3.5 不同潜水埋深污水灌溉氮素转化运移模拟研究  28
    1.3.6 污水灌溉环境影响评价指标体系研究  28
  1.4 研究方法和技术路线  28-29
  1.5 本章小结  29-30
第二章污水灌溉氮素运移及对作物影响试验设计  30-40
  2.1 污水的概念及其在本文中的含义  30
  2.2 试验小区概况  30-31
  2.3 试验设计  31-34
    2.3.1 测桶试验设计  31-32
    2.3.2 测坑试验设计  32-34
  2.4 试验观测内容与方法  34-39
    2.4.1 测桶试验观测  34-36
    2.4.2 测坑试验观测  36-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章污水灌溉氮素运移及对冬小麦品质影响试验  40-58
  3.1 土壤氮素循环  40-43
    3.1.1 土壤系统中的氮循环  40
    3.1.2 土壤中氮的获得和转化  40-42
    3.1.3 土壤中氮的损失  42-43
  3.2 污灌后土层中氮素动态变化  43-48
    3.2.1 污灌后土壤中铵态氮的动态变化  43-46
    3.2.2 污灌后土壤中硝态氮的动态变化  46-48
  3.3 土壤中氮素随作物生育期的变化  48-54
    3.3.1 土壤中铵态氮随作物生育期的动态变化  48-51
    3.3.2 土壤中硝态氮随作物生育期的动态变化  51-54
  3.4 污水灌溉对小麦籽粒品质的影响  54-57
    3.4.1 污水灌溉对小麦籽粒中淀粉、蛋白质的影响  54-55
    3.4.2 污水灌溉对产量的影响  55
    3.4.3 污水灌溉对小麦氮、磷、钾吸收的影响  55-56
    3.4.4 污水灌溉对小麦籽粒中重金属含量的影响  56-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章不同潜水埋深冬小麦污水灌溉氮素运移田间试验  58-71
  4.1 全生育期内土壤水分变化  58-60
  4.2 土壤氮素的迁移转化  60-68
    4.2.1 灌水后土壤中氮的迁移转化  60-63
    4.2.2 土壤中氮随作物生育期的变化  63-68
  4.3 土壤溶液及地下水中氮素的迁移转化  68-69
  4.4 本章小结  69-71
第五章不同潜水埋深夏玉米污水灌溉氮素运移田间试验  71-84
  5.1 全生育期内土壤水分变化  71-73
  5.2 土壤氮素的迁移转化  73-81
    5.2.1 灌水后土壤中氮的迁移转化  73-77
    5.2.2 土壤中氮随作物生育期的变化  77-81
  5.3 土壤溶液及地下水中氮素的迁移转化  81-83
  5.4 本章小结  83-84
第六章不同潜水埋深污水灌溉对作物生理指标影响研究  84-93
  6.1 不同潜水埋深污水灌溉对冬小麦生理指标影响  84-89
    6.1.1 冬小麦试验概况  84-85
    6.1.2 对株高的影响  85-86
    6.1.3 对叶面积指数的影响  86-87
    6.1.4 对群体密度的影响  87-88
    6.1.5 对干物质量的影响  88-89
    6.1.6 对产量的影响  89
  6.2 不同潜水埋深污水灌溉对夏玉米生理指标影响  89-92
    6.2.1 夏玉米试验概况  89-90
    6.2.2 对叶面积指数的影响  90-91
    6.2.3 对株高的影响  91
    6.2.4 对产量的影响  91-92
  6.3 本章小结  92-93
第七章基于BP 神经网络的土壤氮素运移模拟研究  93-101
  7.1 试验设计  93
  7.2 生育期内降雨及灌水资料  93-94
  7.3 土壤剖面含水率动态分布  94
  7.4 土壤剖面硝态氮动态分布  94-95
  7.5 土壤硝态氮的动态模拟  95-100
    7.5.1 输入因子、输出因子、训练样本的确定  95
    7.5.2 网络结构  95-96
    7.5.3 网络的训练  96
    7.5.4 网络参数及网络结构的确定  96-97
    7.5.5 模型的检验  97-100
  7.6 本章小结  100-101
第八章污水灌溉环境影响评价指标体系研究  101-122
  8.1 概述  101
  8.2 评价指标体系构建的基本原则  101-102
  8.3 污水灌溉环境评价过程  102
  8.4 评价目标确定  102
  8.5 评价指标体系构建  102-104
  8.6 评价指标权重计算  104-107
  8.7 评价指标分级标准  107-109
  8.8 评价指标数据  109-110
  8.9 评价矩阵的建立  110-115
  8.10 模糊合成值计算  115-116
  8.11 污水灌溉环境评价计算机辅助系统  116-121
  8.12 本章小结  121-122
第九章结论与建议  122-124
  9.1 主要研究结论  122-123
  9.2 问题与建议  123-124
参考文献  124-133
致谢  133-134
作者简介  134-135

不同潜水埋深污水灌溉氮素运移及对作物影响试验研究

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