摘要
氮作为植物生长发育过程中重要营养物质之一，被广泛应用到农业生产。然而，由于氮肥的不合理施用及植物较低的吸收利用率，过量氮素在包气带中形成累积，导致土壤硝态氮(NO3-N)累积具有增加的趋势。白洋淀流域位于华北平原西部，农业过量施肥使得包气带氮素增加，且受地下水超采影响，地下水水位下降引起包气带厚度增加，而目前深层包气带氮素迁移转化机制仍不明确。因此，研究包气带NO3-N的累积特征、迁移与转化过程对农业面源污染防控、防止地下水硝酸盐污染具有重要作用。本文选择白洋淀流域平原区作为研究区，从上游到下游采集了果园、蔬菜、小麦-玉米三种典型耕地的11个深层(0-20m)土壤剖面样品，结合水文、水化学和同位素示踪方法，分析土壤硝态氮及其主要环境因子的分布特征，研究硝态氮累积、迁移与环境因子间的关系，阐明硝态氮迁移与转化机制及其影响因素，为白洋淀流域及雄安新区面源污染防控和水环境保护提供科学支撑。研究的主要结论如下: (1)土壤质地垂向分布特征对土壤水、氮淋溶过程起主要影响。根系层土壤含水量、δ2H和δ18O同位素受蒸发、灌溉、根系吸水影响波动剧烈，根系层以下土壤含水量与δ2H和δ18O比值受土壤质地影响，在Ⅰ类剖面（北部一、二、三样带，剖面主要以粘土和粉砂质壤土分布）深层土壤含水量较高、δ2H和δ18O比值稳定分布且主要位于大气降水线下方，体现了土壤水补给主要接受降水和地下水的垂向稳定入渗;而Ⅱ类剖面（南部四、五样带，剖面主要以砂或砂质壤土分布）土壤含水量较低，土壤水δ2H和δ18O比值波动剧烈，且深层砂层土壤水δ2H和δ18O比值相对富集，与浅层δ2H和δ18O比值相近，表明除降水和地下水的垂向入渗外，浅层水分还可通过“优先流”或侧向进入深层。 (2)地貌类型与土地利用方式综合影响硝态氮及其环境要素的分布特征。Ⅰ类剖面较厚的粘土和粉砂质壤土分布导致NO3-N含量呈先增加后降低的特征，pH整体随深度逐渐升高，有机碳含量逐渐降低的特征;而Ⅱ类剖面位于滹沱河和沙河冲洪积扇系统，以砂或粉砂分布为主，NO3-N含量在多个砂层下覆的粘土层出现多个峰值，pH呈现剧烈波动，且在砂质土壤含量较低、粘土含量较高的特征，有机碳整体与第Ⅰ类剖面变化相似，滹沱河冲洪积扇区域深层较厚的砂质土壤受侧向或“优先流”补给过程的影响，有机碳含量呈现增加。 (3)结合氯离子质量平衡方法，揭示了深厚包气带不同土地利用及地貌类型下土壤剖面NO3-N累积和淋失特征。估算了20m深度土壤剖面NO3-N累积量为352.68～3133.8kg·ha-1，以果园和蔬菜、北部拒马河和唐河冲洪积扇以粘土和粉砂质壤土为主的NO3-N累积最明显。根系层以下土壤水分入渗补给速率和NO3-N淋失速率为45.19～403.29mm·y-1和10.1～218.58kg·ha-1·y-1，蔬菜及洪积扇、滹沱河冲洪积扇区域土壤剖面水分入渗补给速率和NO3-N淋失速率较高。 (4)结合NO3-/Cl-摩尔比，阐明了土壤氮素的转化过程，揭示了影响土壤氮素空间分布差异的因素。硝化反应在0～20m土壤剖面上均存在，而反硝化反应受限于有机碳含量，主要发生在10m以上的粘土层，10m以下反硝化反应仅在南部第五样带受侧向或“优先流”影响的剖面中较明显。另外，相关性分析结果表明，土壤含水量、SOC、EC、土壤质地是影响TN、NO3-N、NH4-N分布的主要因素，然而，不同作物类型下影响TN、NO3-N、NH4-N分布的因素存在差异。 研究不仅有助于认识地球关键带物质迁移的物理和地球化学过程，对白洋淀流域防治农业面源污染，加强地下水保护和流域土地利用综合管理具有重要的实际意义。
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