土壤养分流失

2024-12-06|版权声明|我要投稿

土壤养分流失(精选9篇)

土壤养分流失 篇1

摘要:指出了早期对坡耕地养分流失的研究主要集中于地表径流对其的影响,目前关注于壤中流、地下径流对其的研究。在总结坡耕地养分流失危害、影响因素、过程及特征的基础上,重点综合分析了优先流、壤中流、地下径流3种土壤水分运动对养分流失的影响。

关键词:坡耕地,养分流失,优先流,壤中流,地下径流

1 引言

坡耕地作为山区落后生产条件下人口与资源矛盾冲突中出现的产物,是重要的农业生产资源,其养分随水土流失进入河流及湖泊,使得水体富营养化。到20 世纪70 年代初坡耕地养分流失问题才引起人们的重视。湖泊的严重污染和肥料投入的增加都是养分迁移造成的,据统计,农业非点源污染已占中国全部污染的1/3,并有继续恶化的趋势[1],研究发现造成水体污染的真正根源是土壤养分的流失[2]。前人对养分随地表径流流失做了大量的研究工作,而对土壤养分随地下径流流失研究则较少,对优先流、壤中流等水分运动过程影响养分流失的研究还处于探索阶段。因此全面认识水分运动对养分流失的影响,能够有效减少土壤养分流失,防止面源污染。

2 坡耕地养分流失特征、途径及影响因素研究

降雨作用于表土,从而引起坡耕地养分流失,其与区域降雨过程密切相关而具有随机性,养分流失随径流进入水体且遍及广大地区而具有广泛性,养分流失在某个固定点无法监测到而具不确定性,随时间空间变化幅度大而具时空性,因养分流失达到一定数量,才反映土壤的贫瘠和退化而具滞后性与潜在威胁性,养分伴随径流产生分布于径流和泥沙中,使得监测、控制和处理的难度增加而具复杂性[3,4]。

土壤养分流失是受降雨特征及下垫面因素综合影响的物理化学过程,土壤养分淋失,土壤养分流失及通过气态挥发或粉尘进入大气是其3个主要途径。李俊波认为土壤养分流失途径为径流泥沙携带和径流水携带[5]。前人从不同角度认识养分流失途径,得到大量研究成果。近年来氮素淋失的研究受到众研究者广泛关注,国外采用同位素示踪等技术研究氮素淋失很多,氮素流失较少,二者相结合的研究更少。我国北方主要集中在降水条件和灌溉水对土壤氮磷淋失影响的研究,南方地区主要集中在红壤养分淋失规律及水稻土氮素流失的研究。

养分流失的特征及途径决定了其影响因素的多面性。降水是产流和产沙的原动力,径流又是携带养分的介质,所以降雨强度是坡耕地养分流失的主要影响因素之一[3,6],而降雨时间、地面坡度、坡长、土壤的理化性质、作物覆盖度、土地利用方式、整地方式等下垫面因素直接影响到坡面径流,故也是影响养分流失的主要因素。前人在人工降雨法或自然降雨条件下就不同影响因素展开地表径流造成的养分淋失、流失规律的研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],但通常把淋失与流失分开研究,使全面评估农田养分流失对面源污染的影响受到局限。

3 土壤水分运动对坡耕地养分流失影响研究

3.1 优先流对坡耕地养分流失的影响研究

优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,是一种较为常见的快速非平衡的土壤水分运动形式[28,29],作为快速到达深层土壤甚至地下的非均匀流,极大地影响了地表径流、地下径流的形成和运动过程与养分流失过程,诱发泥石流、滑坡及崩塌等灾害事件形成,其所运移的溶质会造成严重的地下水质恶化[29]。优先流现象作为土壤水分一种特殊运动形式成为当今世界水文学研究的重点和难点问题之一[30]。

目前优先流对坡耕地养分流失的影响的研究在国内报道较少,众学者从优先流的特征及影响因素进行研究[29,30,31,32],认为由于入渗水没有充分时间与土壤基质缓慢运移的其他部分保持平衡,使优先流在流动路径具有非平衡性。影响优先流的静态因素主要是土壤理化性质、生物因素和土壤初始含水量,动态因素为降雨强度、灌溉方法、耕作方式及干湿和冻融交替4个方面。一般呈聚集状分布的土壤大孔隙作为土壤中优先路径,一定区域内其数量、联通状况及分布特征影响优先流现象的发生[30];土壤初始含水量反映层状土壤上层物理特征,对优先流产生具有重要作用;Edwards和Essington研究表明土壤初始含水量较高时,施加农药,短时间的降雨使得农药的迁移路径很深[33,34]。降雨强度和灌溉方法影响优先流运动过程,耕作方式、冻融和干湿交替过程改变土壤的结构和孔隙度,从而导致优先流的形成。Gish认为免耕方式在增加土壤渗透性的同时,使得流向地下水中的污染物增加[35],牛健植也认为免耕地中的大型脊髓动物能够极大地驱动优先流产生[31]。区自清采用环割PVC土柱研究表明冻融和干湿交替过程造成土壤大孔隙及由此形成优先流[36]。秦耀东对关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展做了详细论述[37]。何凡认为优先流流量主要决定于产流次雨量及前期影响雨量,当优先流与地表径流流量过程线为单峰时,二者线性关系随着产流次雨量及前期影响雨量的不同而有所差异[38]。牛健植研究表明土壤松散、多孔、孔隙度较大,低强度、低雨量级和长历时降雨,并具有较厚的地被物层和丰富的根系层这些诱发因素的存在,是优先流形成的条件[39]。王伟使用亮蓝染色法划分林地优先流发生区域,结果表明随土壤深度增加,大孔隙呈现出聚集态的分布且数量逐渐减少,“漏斗”状的孔隙有利于水分优先运移[40]。掌握优先流产生的影响因素,结合养分流失的特征,从而研究优先流对养分流失的影响对全面认识坡耕地养分流失有重要意义。

3.2 壤中流对坡耕地养分流失的影响研究

壤中流的形成源于土壤水在土壤内的流动,其与地表径流、地下径流一起构成流域的径流过程[41],也坡地径流的重要组成部分,对径流产生与养分流失等都有重要影响[42]。对壤中流的研究,国外集中于壤中流模型的研究,国内侧重于紫壤、红壤这两类土质坡耕地壤中流的形成、影响因素、产流特征及养分输出特征。

3.2.1 紫壤区坡耕地壤中流养分流失特征

壤中流的存在使得地表侵蚀状况发生变化,对养分输出特征产生影响。徐佩利用模拟降雨对紫色土坡耕地壤中产流特征进行研究,表明壤中流增大的主导因素在于土层较浅,耕作改善了土壤结构,增加水分入渗,以及缓坡条件,同时壤中流峰值流量随雨强增大而显著增加[43]。丁文峰,贾海燕采用人工降雨法研究三峡库区紫壤坡耕地壤中流形成,表明壤中流活跃,且土质越松散壤中流越大。在重力侵蚀中活跃的壤中流起到相当重要的促发作用,甚至由此促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式[44,45],这与以往研究的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。郑侃应用坡面流-壤中流的耦合产流模型表明坡度对壤中流流量的影响也不明显[46],这与丁文峰等的研究有所不同。丁文峰采用4个不同坡度与5个不同雨强的组合实验来研究,表明虽总径流量中壤中流总量比例不高,但其携带养分含量却为地表径流养分含量的4.32~63倍[47],这与贾海燕研究结果不一致。壤中流携带而流失的养分还不成熟,仍需进一步的研究。

3.2.2 红壤区坡耕地壤中流养分流失特征

尹忠东在红壤缓坡面以地表植被覆盖、死地被物敷盖、裸地三类坡面和雨强的交互作用为研究对象,表明裸地壤中流量远小于采取保水措施后的地块,敷盖地各层壤中流量及总量均大于覆盖;覆盖小区底层壤中流量小于表层,而其它两小区则相反[48,49]。王峰以不同土地利用类型为基点,结合不同的降雨类型表明红壤区壤中流的形成因降雨类型不同而异[50]。褚利平研究表明烤烟坡耕地不同坡位各层壤中流总氮和总磷浓度变化趋势基本一致,但不同坡位壤中流中总磷浓度随深度的变化呈波动递减规律,随深度的增加变异系数变小[51]。

前人对壤中流的形成对养分流失研究的范围较小,且涉及到具体的养分流失量时,大多都与地表径流相结合研究,对氮、磷养分的研究较多,但欠缺对钾的研究。因此,在实践生产中,不仅要控制地表径流,更重要的是要提高土壤的持水能力,减少壤中流,从而能够控制养分流失。

3.3 地下径流对坡耕地养分流失的影响研究

地下径流是指渗入地下成为地下水,并以泉水或渗透水的形式泄入河道的那部分降水。国内对地下径流的研究集中在数字模拟法预报地下径流过程[52],其与地表径流的关系[53],地表-地下径流耦合模型在流域中的应用[54],以及对地下径流退水过程规律[55]等方面,而对地下径流影响土壤养分流失的研究则很少。李新虎采用大型土壤渗漏装置对百喜草覆盖、百喜草敷盖、裸露3种生态措施的地下径流养分流失问题进行了研究[56],表明3种生态措施下敷盖养分流失量最大,其次为覆盖,裸露最小;地下径流的养分主要来自上部土体养分的淋溶,淋溶作用越强则地下径流越大,养分流失也越多。目前对地下径流养分流失问题的研究很少且还处于探索阶段,要掌握地下径流对土壤养分流失影响需对养分随地下径流流失进行进一步的研究。

4 结语

从目前的研究来看,对坡耕地养分流失的体系研究不够完善,地表径流影响养分流失的研究趋于成熟,而忽视了优先流、壤中流和地下径流对养分流失影响的过程研究。优先流影响土壤养分流失还未定量化;对壤中流影响养分流失的研究较少,通常结合地表径流来研究,而缺乏与地下径流等其他过程的结合;对地下径流影响养分流失的研究甚少,还存在较大研究空间。

研究中注重坡耕地养分流失的机理,开展多重因素影响研究,能使目前定性的研究逐渐定量化,逐一解决尚未研究的方面,能有效掌握坡耕地养分流失的体系,减少水土流失,提高土壤质量,控制面源污染,实现坡耕地可持续发展。

土壤养分流失 篇2

不同林龄(5、10、15及生)湿地松人工林土壤养分(铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3-N)、有效磷(P)、有机质及pH变化规律的`研究结果表明:随林龄增长,土壤速效N(NH-4-N+NO-3-N)含量呈增加趋势;有效P及有机质含量则随林龄增加而降低,但后者在后期略有增加;土壤pH值则随林龄增长先上升后降,几种土壤养分的层次差异均较为明显(上层含量高于下层),有必要施入磷肥和石灰进行土壤改良.

作 者:张秀娟 黄成 作者单位:张秀娟(北京林业大学林学院,北京100083;长江大学园艺园林学院,湖北,荆州,434023)

黄成(长江大学园艺园林学院,湖北,荆州,434023)

海南文昌胡椒园土壤养分现状分析 篇3

关键词 胡椒 ;土壤 ;养分 ;现状

中图分类号 S153.6 文献标识码 A Doi:10.12008/j.issn.1009-2196.2016.05.003

Abstract This paper analysis the 0~30 cm soil samples from 66 pepper gardens in Wenchang city of Hainan province. The results showed that the pH value of soil is obviously lower, the content of organic matter and available N are abundant. The content of available P and K, exchangeable Ca and Mg are deficient.

Keywords pepper ; soil ; nutrient ; present situation

胡椒(Piper nigrum L.)属胡椒科胡椒属多年生常绿藤本植物,原产于印度,是世界重要的热带香辛料作物及人们喜爱的调味品,在医学工业和食品工业都有广泛用途[1]。海南文昌是中国胡椒主产区和种植优势区,但当地胡椒种植以分散式小农户种植模式为主,土壤养分管理比较粗放,长期种植会使土壤地力水平下降。研究土壤养分丰缺状况可了解土壤的供肥能力,通过合理施肥提高胡椒产量,保持土壤地力水平。2009年中国热带农业科学院香料饮料研究所对海南30个典型胡椒园土壤化肥肥力进行研究,得出一半的土壤样品pH偏低,13.33%土壤样品有机质含量偏低,碱解氮丰富,23.33%的土壤样品缺少有效磷,30%的土壤样品缺少速效钾,交换性钙、镁严重缺乏,并根据土壤地力水平提出合理的施肥建议[2]。祖超等[3]采集海南省胡椒主要种植区共计46个土壤样品,分析其理化性质,得出海南胡椒优势区土壤pH值、有机质、有效磷、速效钾、交换性钙、镁含量偏低,碱解氮含量适宜。前人的研究结果都是以海南省全省的胡椒园土壤为研究对象,本研究以海南胡椒主要种植区文昌胡椒园的土壤为研究对象,于2012~2013年连续2 a采集海南文昌胡椒种植区0~30 cm土层的土壤,检测其pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量,旨在了解海南文昌胡椒园土壤养分的丰缺状况,探明土壤的供肥能力,此结果对提高当地胡椒园土壤养分利用率,指导合理施肥和改良胡椒园土壤质量具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

2012年在海南省文昌市农垦橡胶研究所1队、2队、3队、13队、17队各采集16、5、17、1、2个土壤样品,共41个;2013年采集1队和3队分别13、12个土壤样品,共25个。采样方法为每个采样点用“S”形布点,随机取8~10个点采集0~30 cm土壤,充分混匀后用四分法取1 kg左右装入样品袋,写好标签,带回实验室风干磨细,过筛后供化学分析使用。

1.2 方法

1.2.1 项目测定

pH值的测定采用电位法;有机质含量的测定采用重铬酸钾-硫酸溶液-钼锑抗比色法;有效磷含量的测定采用氟化铵-盐酸提取-钼锑抗比色法;速效钾含量的测定采用乙酸铵提取火焰光度法;交换性钙和镁含量的测定采用乙酸铵-原子吸收光谱法[4]。

土壤pH值分级标准见表1[5],土壤养分分级标准见表2[5-7]。

1.2.2 数据分析

试验所得数据采用Excel进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH和有机质含量

从表3可见,2012年和2013年海南文昌胡椒园土壤pH值变幅分别为4~5.3和4~6.4,能达到适宜的pH值范围的土壤样品所占比例极低,2012年的土壤样品中没有达到适宜值的样品,2013年的土壤样品中只有8%达到适宜值;而偏酸性和强酸性占的比例较大,2012年和2013年分别为100%和92%,说明海南文昌胡椒园土壤pH值过低,因此,在当地胡椒生产过程中,应注意适当施用石灰或其他能改善土壤酸性的物质,以改良土壤酸碱度。

从表4可见,2012年和2013年海南文昌胡椒园土壤有机质变幅分别为10.2~36.1和21.3~51.6 g/kg,平均值分别为27.8和29.6 g/kg,2012和2013年分别有97.6%和100%的土壤有机质含量达到丰富水平,有机质含量较丰富,所采集的土壤样品中未发现有机质缺乏的现象。

2.2 土壤大量元素含量

从表5可见,2012年和2013年海南文昌胡椒园碱解氮含量变幅分别为71~246和56~248 mg/kg,其中2012和2013年达到适宜和丰富的样品数量分别为100%和96%,只有2013年的土壤样品中4%处于缺乏状况,说明海南文昌胡椒园土壤碱解氮含量较高。

从表6可见,海南文昌胡椒园土壤有效磷含量变幅较大,2012年和2013年分别为0.6~41和2.5~78.2 mg/kg,有82.5%和54.6%的土壤样品有效磷含量处于缺乏状态。说明当地土壤淋溶作用强烈,土壤磷素含量较低。

从表7可见,海南文昌胡椒园土壤速效钾含量较低,2012年和2013年变幅分别为16~82和36.5~150 mg/kg,有95%和40%的土壤样品速效钾含量处于缺乏状态。

2.3 土壤中量元素含量

从表8可见,2012年和2013年海南文昌胡椒园土壤交换性钙含量变幅为33.1~486.2和140.2~135 9 mg/kg,其中低于临界值的样品数量分别占97.6%和36%,说明海南文昌胡椒园土壤交换性钙含量较低;交换性镁含量变幅分别为15.8~66和35.9~118.3 mg/kg,低于临界值的样品数百分率为100%,说明海南文昌胡椒园土壤交换性镁含量严重缺乏。

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3 讨论与结论

3.1 讨论

中国热带农业科学院热带香料饮料作物研究所在1984~1994年期间由张华昌等[8]研究了胡椒矿质营养诊断指导施肥技术,经过对该项施肥技术生产验证试验的十多年研究,结果表明,诊断施肥的椒园产量显著高于同类未经诊断施肥的椒园产量,因此有必要对胡椒园现有的供肥情况进行分析与评价。

适宜胡椒生长发育的土壤pH值范围是5.5~7.0[9],而本研究中土壤pH值平均为4.46和4.74,明显偏低,只有2013年采集的2个样品pH值高于5.5,可能是由于海南文昌属高温多雨地区,矿物质和有机质化学风化、分解及淋溶作用均很强烈,因此,绝大部分自然土壤均属酸性和强酸性,另外,不合理施肥等人为因素的影响也会引起土壤酸化[10-11]。土壤有机质平均值分别为27.8和29.6 g/kg,处于较高的水平,土壤有机质含量受众多因素的影响[12-14]。在大区域尺度上,可能包含了诸如地形、海拔、种植制度、土地利用方式等各种微因素[15]。本地区有机质含量较丰富的主要原因可能有:一是随着测土配方施肥技术的推广,农民更加注重有机肥的施用;二是本地处热带气候区,常年高温高湿,地表湿度高,加之胡椒叶的遮光,有利于土壤地表有机质的积累[16]。

土壤大量元素中碱解氮含量较丰富,有效磷、速效钾含量较缺乏,中量元素交换性钙、交换性镁含量也严重缺乏,原因可能是农户习惯偏施氮肥,少施磷钾肥,不注重中微量元素肥造成的。但是自20世纪80年代以来,中国农田生态系统中氮素总体上处于盈余状态,而且呈现持续增长趋势[17]。累积在土壤中的残留氮素绝大部分以硝态氮的形式存在[18-20],这部分硝态氮在夏季持续降雨或大量灌溉条件下,容易向土壤深层移动逐渐淋出根区,造成土壤深层硝态氮累积量增加,并威胁到浅层地下水的安全[15,21-23]。据张昌华[24]的研究,胡椒N、P、K、Ca、Mg的需要量与产量呈极显著相关,由于营养比例失调,导致某种营养元素缺乏或过剩,产生不同程度的缺素症状或肥害,使胡椒生长发育受到抑制,开花结果少。胡椒作为多年生藤本作物,年年生长和开花结果,养分消耗大,需补充足够的肥料,并注意养分比例平衡,才能保证植株长势良好[25]。本研究中交换性镁极其缺乏,100%的土壤样品低于临界值,针对目前在中国南方地区钾肥的施用已受到普遍重视,但忽略了镁肥,关于钾、镁在植物吸收上的拮抗作用早期研究已得到证实[26-28],这是值得注意的一个问题,在缺镁土壤上,应重视相应配合施用镁肥,做到平衡施肥,以保持养分的协调关系。

3.2 结论

文昌胡椒园土壤pH值明显偏低,应加强和重视对土壤酸性调节的措施,根据当地情况采取生石灰或者其他有效的方法调节土壤酸碱度。土壤有机质含量总体较为丰富,应继续保持,注意培肥土壤,提高有机质含量水平,对胡椒的生长极为有利。土壤碱解氮含量较为丰富,但是有下降趋势,有效磷和速效钾处于严重缺乏状况,应加强磷肥和钾肥的施用,做好平衡施肥。土壤中交换性Ca和交换性Mg处于严重缺乏状态,这些元素对于胡椒的生长有不可缺少的作用,应加强对应中微量元素的肥料的施用,从而培肥地力,提高胡椒产量。

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土壤养分流失 篇4

土壤养分流失与土壤侵蚀发生过程及面源污染的产生息息相关。伴随着土壤侵蚀, 附着在土壤颗粒表面上的各种养分随之流失。土壤养分流失途径主要表现为两种形式, 径流泥沙携带和径流水携带, 氮磷流失的60%以上是通过泥沙带走的, 部分氮、磷以液态形式随地表径流迁移[1]。

土壤氮磷流失受地理、气候、土壤和人为活动等多种因素影响, 使得对土壤氮磷流失的控制和治理有很大难度。同时土壤氮磷的流失已经对生态环境造成了很大的压力[2]。随着化肥用量的不断增加, 土壤侵蚀导致养分流失所引起的环境问题将越来越严重。因此, 深入研究养分流失机理和影响因素, 建立高效的肥料综合管理措施, 从而实现提高农业产量和减轻环境污染的目的, 已成为迫在眉睫的课题。本试验旨在研究影响不同耕作方式和植被覆盖条件下水土流失及土壤养分流失的规律, 以促进我国在农业非点源污染的研究。

二、研究区概况

研究区位于辽河铁岭段一级支流寇河上游的泉河沟流域。该区域全流域面积18km2, 流域地势东高西低, 河道长8.5公里, 有较大支沟22条, 小侵蚀沟378条。该流域为低山丘陵区, 坡度在5°~40°之间, 在铁岭市东部山区具有较好的代表性。根据西丰县气象资料统计在多年平均降雨量为750毫米, 分布极不平衡。6、7、8月或7、8、9月三个月的降雨量可占全年降雨量的70%以上, 多年平均气温为5.1℃, 相对湿度为68%, 年蒸发量为1385毫米, 无霜期137天。该流域为石质山区, 土层厚度30~60厘米, 多为轻壤土。农作物以玉米为主。

三、试验方法

1. 径流小区设计

试验在辽宁泉河水土保持试验站进行, 试验标准小区位于铁岭市西丰县泉河村北山南坡的坡面上。坡耕地试验区, 设有20米×5米的试验小区20个, 由上向下依次为15°、10°和6°三种坡度, 对不同坡度、不同耕作方式的径流小区分别设置3~4个重复, 小区内种植玉米。自然坡地试验标准小区2个, 20米×5米, 坡度为30°。试验小区两侧各设3米宽的隔离区, 用砌石做埂, 水泥砂浆抹面, 坡面上侧设置排水沟, 防止上方来水造成试验误差, 下部直接与浆砌石的集水池相接。各径流小区坡度及耕作方式见表1。

2. 试验设计

本试验在2008年观测记录全年出现的侵蚀性降雨, 选取典型降雨记录产流量和产沙量;同时对接取的坡面径流量进行检测分析, 检测p H、COD、TP、TN、NH3-N、高锰酸盐指数和悬浮物, 计算土壤养分的流失量, 以分析不同耕作方式下土壤养分流失量及其规律。

3. 试验区土壤性质

试验区土壤性质见表2。

四、结果与分析

1. 降雨特征分析

从上图可看出, 6月29日降雨强度开始逐渐增大, 至0:00雨强度达到最大时段, 坡面开始产流。随后雨强度减小, 直至降雨结束。7月11日降雨开始雨强度迅速升高, 坡面开始产流, 以后坡面产流逐渐趋于停止;22:00雨强度达到第二个峰值, 随后产流停止, 直至降雨结束。7月15日降雨和7月31日两次暴雨过程的规律相似:降雨历时长, 降雨量相差不大, 雨强度波动频率大。两次暴雨过程中坡面产流随降雨的变化表现多次中止现象, 产流历时长, 流量相对稳定。

2. 不同耕作方式及植被覆盖对水土流失量的影响

很多学者对顺垄耕作、横垄耕作条件下, 坡面土壤侵蚀的规律做了研究, 表明在相同的降雨条件下, 横垄耕作可有效降低坡耕地的土壤侵蚀量, 而顺垄耕作的保水、保土和保肥效果低。

本研究选取玉米顺垄、玉米横垄及天然植被三种不同坡面处理方式, 通过四次降雨过程中坡面侵蚀产沙量的对比, 分析不同耕作方式及植被覆盖对水土流失量的影响。见下图。

从上图可以看出, 相同降雨条件下, 玉米顺垄耕作和横垄耕作对坡面侵蚀产流的影响较大, 二者的侵蚀产沙量有明显差别。

6月29日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°) 坡面上, 土壤侵蚀产沙量为3.15千克、10.11千克和26.09千克, 玉米横垄耕作 (6°、10°和15°) 产沙量为2.76千克、5.9千克和24.93千克, 顺垄产沙量分别是横垄的1.14、1.71和1.05倍。

7月11日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°) 坡面上, 土壤平均侵蚀产沙量为6.43千克、15.36千克和28.35千克, 玉米横垄 (6°、10°和15°) 三个坡面上产沙量为3.39千克、2.78千克和15.50千克, 顺垄产沙量分别是横垄的1.90倍、5.52倍和1.83倍。

7月15日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°坡面上, 土壤平均侵蚀产沙量分别是横垄的2.17倍、1.60倍和1.38倍。7月31日降雨中, 玉米顺垄耕作三个坡面平均侵蚀产沙量分别是横垄的1.23倍、1.06倍和1.44倍。

综上, 玉米横垄处理可有效减少降雨对坡面的侵蚀。在小于强降雨及降雨初期, 玉米横垄对坡面产流的拦截蓄水作用最为明显。由于降落到坡面的雨滴, 经土埂拦截后, 蓄积在土埂内, 避免了坡面地表径流的产生, 延长了径流的入渗时间, 增大了径流入渗量。当土埂内水流蓄满后, 坡面径流开始向下坡流动, 受土埂的扰动阻滞, 径流流速同顺垄相比显著降低。

玉米顺垄小区由于土埂顺坡面修建, 利于降雨径流顺坡面下泄, 同时径流向土埂间的沟地汇集顺坡下泄, 水流流速在重力作用下逐渐增大, 径流的剥蚀能力和挟沙能力逐渐增强, 坡面侵蚀产沙升高。

对于30°自然坡面, 尽管坡度相对较大, 但由于坡面的天然植被及枯枝落叶层及地下根系的截留、蓄水和保土, 使该小区的侵蚀产沙量较低。因此对于大于25°的坡耕地实行退耕还田或封山育林, 对于防治水土流失, 降低坡耕地的面源污染是十分必要的。

3. 不同耕作方式及植被覆盖对水土流失中养分流失的影响

在相同降雨条件下, 平作的地表径流量最大, 土壤侵蚀也最剧烈。横坡垄作在中小雨强条件下控制地表径流和侵蚀的效果非常明显, 但在大雨强条件下, 控制径流和泥沙的效果减弱。雨强及耕作方式对地表、地下径流的养分浓度影响不大, 总氮的流失在中小雨强时以速效水溶态为主, 并主要通过地下径流流失, 而通过地表径流损失的氮相对较小。磷的流失以颗粒态 (难溶性形态或紧密吸附于土壤) 为主, 载体是泥沙, 因而磷在地表及地下径流中的浓度都很低, 且差异不大, 表明磷在土壤中移动性很小, 不易被淋失。坡面不同耕作方式及植被覆盖下土壤平均养分流失量见表3。

从表3中可以看出, 雨强越大, 土壤侵蚀量越大, 流失泥沙带走的养分也越多。不同耕作方式中, 玉米顺垄平作造成的养分流失量最大, 横坡垄作能有效控制土壤侵蚀, 减少土壤养分流失, 特别是在中小雨强条件下效果非常显著。

雨强越大, 土壤总氮、总磷的损失量也越大, 总磷比总氮更易受雨强的影响。因为磷的流失途径主要是泥沙, 雨强增加, 泥沙量增加, 流失量随之增加。氮的流失在雨强较小时主要通过径流, 径流中又以地下径流为主;当雨强较大时, 通过泥沙流失的氮的数量也很大。要控制氮流失, 首先必须控制地下径流。要控制磷流失, 控制土壤流失即可。横坡垄作在中小雨强下可以很好的控制地表径流和土壤侵蚀, 也能控制磷的流失, 但增加了地下径流量, 加剧了氮的流失, 特别是施入土壤的可溶性氮肥的流失, 将造成氮的面源污染。

对于30°自然坡面, 由于天然植被的覆盖和枯枝落叶层的作用有效地起到了保水、保土和保肥的“三保”作用, 其土壤养分流失量低于其它三个坡度。

五、小结

通过在野外标准小区不同耕作方式及植被覆盖下降雨径流进行采集和检测, 计算出次降雨过程中水土流失中的养分流失量。结论如下: (1) 在相同降雨条件下, 顺垄耕作的坡面侵蚀产沙量大于横垄耕作。对于30°天然坡面, 其次降雨过程平均侵蚀产沙量远小于 (6°、10°、15°) 径流小区的平均侵蚀产沙量。 (2) 在次降雨过程中, 玉米顺垄耕作土壤养分的流失量大于横垄耕作, 对于30°自然坡面, 由于天然植被的覆盖和枯枝落叶层的作用有效地起到了保水、保土和保肥的“三保”作用, 其土壤养分流失量低于其它三个坡度。

参考文献

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[2]刘青泉, 陈力, 李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析.应用数学和力学, 2001, (5) :449-456.

土壤养分流失 篇5

1 研究地点及方法

1.1 研究地点概况

试验区位于定西市安家沟流域内, 地理坐标104°37′10″E , 35°35′10″N, 气候属中温带半干旱区, 平均气温6.3℃, ≥10℃的年积温2239.1℃, 极端最高温 34.3℃, 极端最低温-27.1℃, 多年平均降水量427mm, 年最大降水量719.10mm, 最大雨强1.78mm/min, 空气相对湿度65.8 %, 日照时间2408.62 h, 无霜期141d, 年蒸发量1510mm。试验区1984-1998 年15年间总降水量6495.4mm, 总降水时间1478d, 日降水10mm以下的时间1274d, 占总降水时间的86.2%, 累计降水量占总降水量的45.42 %。表1为2004年退耕后试验区土壤基本性质。

1.2 供试材料

供试材料为1~3 年生沙打旺 (Astragelus adsurgens Pall) , 紫花苜蓿 (Medicago sativa L.) , 为使试验具有可比较性, 试验地选择上坡位退耕地, 二者在黄土丘陵地区均为典型牧草当家品种[3]。

1.3 试验方法

试验开始于2004年5月, 在径流小区中完成。小区四周用水泥挡板分隔, 坡度13°, 共有7个径流小区, 小区投影长20m, 宽7m。2004年5月20日在其中两个小区分别播种沙打旺和紫花苜蓿;2005年5月和2006年5月又分别在其余的四个小区撒播沙打旺和紫花苜蓿, , 当年以保苗为主;在2007年5月初开始每月定期观测土壤水分, 测量株高, 并且钻取0~30cm、30~60cm、60~100cm的土壤样品, 进行室内化学分析。整个试验过程人那个不施用任何肥料, 适时取出杂草。

径流泥沙测定方法 每个小区的径流泥沙通过集流槽收集到日记式水位计中, 通过水位流量关系计算每次降雨的径流量, 取样分析径流中泥沙含量计算泥沙量, 合计每次降雨的径流泥沙量即得年径流深和土壤流失量[7]。小区在初建时坡面平整, 坡度均匀为20° (如果有差异, 通过人工整理后达到试验要求) 。

土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮, 钼兰比色, UV -2300 speetro photometer测定;土壤全氮用 H2SO4+ (Cu- Se) 催化剂消煮, 2300 Kjeltec Analyzer Unit 定氮仪测定;土壤有机质测定采用H2SO4-K2Cr7O4外加热容量法[3]。

数据用SAS统计分析软件和 Excel 2000进行分析处理。

2 研究结果

2.1 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地水土流失的影响

表2是不同豆科牧草退耕地2007年径流深及土壤侵蚀量。从表2可以看出, 种植牧草可以显著减少径流量和土壤流失量。在栽种牧草的第2年, 径流减少 26.9%~33.3%, 泥沙减少 67.3%~71.3%, 在牧草种植3年后, 径流减少61.9%~70.6%, 泥沙减少85.1%~89.2%, 说明退耕地种植牧草控制水土流失的效果不仅好, 而且见效快。紫花苜蓿草地控制水土流失的效果比沙打旺的效果好, 紫花苜蓿牧草地小区的径流和泥沙分别比沙打旺小区减少了22.9%和26.7%。因为牧草的能拦截径流, 减缓径流速度, 使径流有更长时间入渗。且紫花苜蓿丛生形成的根系比沙打旺的更密集一些, 拦截效果更好。

2.2 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤有机质空间分布的影响

所有处理3个密度下土壤有机质剖面分布与对照裸地相同, 在2m深度范围内均呈典型的“s”形分布 (图1) 。这与该地区土壤形成条件及多年土地利用方式有关。试验开始前作物种植以冬小麦一夏玉米轮作为主, 连续多年很少施用有机肥, 土壤有机质的来源主要为归还的植物根茬和枯落物。30cm以上由于根茬输入较多, 土壤有机质处于向上相对积累状态;30~60cm根系相对上层较少, 土壤有机养分的物质循环在这一深度范围内处于相对稳定平衡状态;60cm以下随着根生物量补充的减少, 土壤有机质基本上处于不断消耗状态, 这与彭令发等的长期定位试验结果[8]相符。

在牧草种植前两年, 0~100cm土层有机质和对照基本接近。种植三年以后, 上层0~30cm 土壤有机质均高于对照, 沙打旺草地有机质含量最高 (14.26g/kg-1) , 比对照高7.6%;而30~100cm草地土壤有机质含量和对照相差不多。这些结果表明, 两种豆科牧草在0~30cm由于枯落物和根茬的输入对土壤有机质的积累作用较明显, 并且沙打旺对土壤有机质的累计贡献作用高于紫花苜蓿。从土壤有机质累积角度看, 本研究中沙打旺无论播种密度大小均能显著提高土壤有机质的积累, 生长3年可以使土壤有机质平均净增3.51%;苜蓿较差, 播种三年后土壤有机质平均净增2.61%, 而据李丽霞[9]在河西走廊的研究结果显示, 7年生苜蓿可使土壤有机碳含量增加25%, 在黄土丘陵地区是否如此有待我们进一步研究证实。

2.3 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤N空间分布的影响

土壤全氮剖面分布与有机质相似, 呈典型的“s”变化 (图2 ) 。土壤有机质和氮素的消长主要取决于生物积累和分解作用的强弱、气候、植被、耕作制度等, 尤其是水热条件。试验所在的黄土塬区属干旱半湿润气候, 蒸发大于降水, 淋溶作用不强, 土层深厚, 地下水不参与土壤水分循环, 这样的自然条件加上多年农业利用, 使得1m深度范围内土壤有机质和全氮的“s”形剖面变化较为典型。

试验期间没有施肥, 土壤氮素变化主要受植物生长和利用的影响。豆科植物均有固氮作用, 对土壤氮素的影响与其生长需求和固氮能力的相对强弱有关。在两种牧草中, 沙打旺和苜蓿60cm以下土壤氮含量均极显著低于对照和其他处理, 60cm以上含量明显偏高 (图2) , 说明这两种牧草上层根系固氮能力强于下层, 原因可能是下层根系多为当年的新生根, 根瘤菌形成较少, 固氮能力较弱, 主要起吸收水分和养分的作用。

2.4 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤P空间分布的影响

图3为两种豆科牧草在不同种植年限土壤全磷剖面分布情况。所有处理变化趋势相同, 上层0~30cm全磷含量最高, 平均0.70~0.72g·kg-1;最低含量出现在1m深度上, 平均0.52g·kg-1 (图3) 。沿剖面土壤全磷含量的整体变化呈抛物线形。总体来说, 各处理土壤剖面全磷含量均略低于对照, 但不显著, 且三年生比一年生明显。在无外加磷情况下, 土壤磷素循环主要在土壤、植物和微生物间进行[10], 其过程为植物吸收土壤有效磷, 动植物残体磷返回土壤再循环以及土壤有机磷和各种形态无机磷之间的转换。由于测定指标为全磷, 无法反映系统内发生的活跃循环过程, 但可以很好地反映循环结果。全磷剖面分布结果表明各处理上层土壤磷库变化微小, 中下层库存均有不同程度减少, 说明牧草在无外加磷源情况下吸收了下层土壤磷素, 并对土壤磷有表聚作用。杨玉海等也曾报道, 连续4年种植苜蓿且没有任何施肥情况下0~30cm耕层土壤全磷含量比每年施肥的传统耕作土壤高。这可能是深根性豆科牧草的又一优势, 即在不施肥情况下可以吸收利用深层土壤养分并通过生物表聚改善耕层土壤养分条件;而在传统耕作模式小麦一玉米轮作中, 尤其是长期施肥情况下, 作物吸磷量90%来自0~20cm土壤[11]。

3 结论

在黄土丘陵坡耕地栽种牧草可以显著减少径流量和泥沙流失量, 且见效快, 并且豆科牧草可提高土壤有机质, 培肥土壤。

两种牧草在不同生长年限土壤剖面有机质、全氮和全磷含量均呈典型的“s”形分布。各处理土壤有机质在上层均不同程度的累积;土壤全氮含量受不同处理种群生长对氮素的需求和本身固氮能力双重影响, 土壤上层含氮量偏高;沙打旺和苜蓿在60cm以上土壤固氮能力最强, 底层较弱。各处理土壤全磷含量全剖面均比对照略低, 多年生比一年生草地突出。

土壤有机质的累积与牧草生长年限呈正相关, 不同牧草对其贡献不同, 沙打旺表现最好, 两种牧草均能显著提高土壤有机质的累积量, 苜蓿和沙打旺低密度种植对土壤有机质的积累作用不明显。随着豆科牧草生长年限的增加, 不仅能够降低对土壤氮素的消耗, 还能显著提高群体固氮能力, 并且紫花苜蓿的固氮能力强于沙打旺。提高种植密度可降低土壤磷输出比率, 有利于土壤磷素的活化和有效利用。

摘要:利用长期定位小区试验, 研究了紫花苜蓿和沙打旺对黄土丘陵地区退耕地水土流失及土壤肥力的影响规律, 旨在弄清豆科牧草在黄土丘陵沟壑区退耕地上提高土壤肥力的作用与效果, 对不同比重年限的沙打旺和紫花苜蓿对土壤有机质、全氮、全磷剖面分布的影响进行了定量分析。研究发现, 退耕地种植豆科牧草3年后, 径流减少61.9%70.6%, 泥沙减少85.1%89.2%, 说明退耕地种植牧草控制水土流失的效果不仅好, 而且见效快。所有处理土壤全氮、全磷和有机质含量在土壤剖面1m深度范围内均呈典型的“s”形分布。两种豆科牧草均可显著提高土壤有机质累积, 紫花苜蓿的固氮能力强于沙打旺。提高种植密度可降低土壤磷输出比率, 有利于土壤磷素的活化和有效利用。

关键词:豆科牧草,土壤侵蚀,土壤养分,退耕地,黄土丘陵沟壑区

参考文献

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湿地土壤养分剖面分析 篇6

湿地是被间歇的或永久的浅水层所覆盖的土地, 湿地土壤中养分的含量、分布规律、循环特点等促使了湿地生态系统具备了其他陆地生态系统所不具备的独特功能。湿地土壤中两大重要的组成部分分别为土壤有机质和总氮, 湿地的生态因子是湿地生态系统生产力的极大影响因素。土壤有机质是显示气候变化的一个重要指标。土壤有机碳含量和组成不仅表明营养元素氮、磷等的可利用状态, 而且还能够说明土壤有机质的水平, 同时还作用着土壤的物理特性[1], 是显示土壤质量或土壤健康的一个重要指标[2]。湿地的特殊性质使其与其它生态系统有所不同因此, 研究湿地土壤有机碳含量的垂直分布特征, 能够让我们更加了解湿地的生态功能[3]。硫是湿地土壤中第四位重要营养元素, 它对维持生态系统的健康发展有着重要意义, 在植物生长发育过程中它参与光合作用、呼吸作用和蛋白质、氨基酸的合成等。植物系统中, 如果缺少硫就会导致代谢紊乱、生长发育受阻甚至死亡[4]。因此研究湿地土壤中的营养元素具有非常重要的意义。

2 材料及研究方法

2.1 样品的采集

样品的采集按照“典型性、代表性、一致性”的原则, 选择泥炭沼泽土作为研究对象。按土壤发生层分 (草根层、泥炭层、腐泥层和潜育层) 分别采集样品, 草根层采用采样刀直接割取, 每层样品大约采集2.5kg。按照10cm的间距现场切割后装入提前准备好的干净自封袋中。样品烘干后, 用研钵磨碎然后过80目筛。样品用塑料袋盛装, 再套上布袋, 用标签注明土壤层位、采样地点、采样时间和编号等。

该土壤的剖面特征为:草根层:0 cm~10 cm, 土壤为黑色, 土壤表层约有25 cm积水, 其中有大量植物活根和凋落物, 其分解能力差;泥炭层:10 cm~40 cm, 土壤为棕褐色, 水的含量较高, 分解能力较好。

2.2 湿地土壤养分的方法分析

1) 土壤全磷测定的待测液制备, 一般分为碱熔法和酸熔法两种。在碱熔法中有碳酸钠熔融或氢氧化钠熔融两种:碳酸钠熔融分解最为完全, 准确度比较高, 可以作为仲裁方法, 但熔融时需要铂金坩埚, 因此, 不适宜用于常规分析。氢氧化钠熔融法可用银坩埚代替铂金坩埚, 分解也比较完全, 待测定液中可同时测定全硫, 操作较为方便, 适用于一般实验室采用。酸熔法中以硫酸-高氯酸法较好, 此法对钙质土壤分解率较高, 但对酸性土壤分解不易十分完全, 结果往往偏低;

2) 土壤中的总氮通常采用凯氏消煮法, 由于原有的凯氏消煮时间长, 百多年来, 科学工作者对此进行了很多改进, 有加入重铬酸钾等强氧化剂来缩短消煮时间的, 但重铬酸钾一次不能加入太多, 需等稍冷后再次或多次加入, 反而费时麻烦, 且强氧化剂在高温条件下易引起铵的氧化损失, 使测定结果不稳定。采用硫酸钾-硫酸铜为加速剂的消煮法, 消煮时间仍较长, 但只要控制好加速剂用量, 不易导致氮素流失, 消化程度容易掌握, 测定结果稳定, 准确度较高。本方法测得的氮不包括硝态氮。亚硝态氮, 一般土壤中硝态氮含量不超过全氮的1%, 故可以忽略不计;

3) 土壤硝态氮的测定, 要求制备得澄清无色, 不含或少含干扰物质的待测液, 酚二磺酸比色法, 操作手续虽然较长, 但具有较高的灵敏度, 土壤中的亚硝态氮在1mg/kg和氨离子在15mg/kg一下, 对测定结果没有影响。测定结果重现性好, 准确性高, 待测液中硝态氮的测定范围为0.1mg/kg~2.0mg/kg。注:样品经风干或烘干后易引起硝态氮变化, 故只能用新鲜土壤测定;

4) 土壤有机质测定的方法有很多, 有重量法、容量法和比色法等。重量法又可分为干烧法和湿烧法两种, 重量法的测定虽然比较准确, 但手续繁长, 并却还要有较高的分析技术和特殊的仪器设备, 也不适用于含有碳酸盐的土壤。碱溶比色法测定土壤有机质的依据是因为土壤有机质的分子结构中含有生色基团, 这个方法的准确度较低。本标准采用的是容量分析法, 所用的氧化剂为重铬酸钾, 重铬酸钾法的优点是:可以获得相当准确的分析结果又不需要特殊的仪器设备, 操作过程比较简便, 并却不受土样中碳酸盐的干扰。

3 结果分析

3.1 土壤养分剖面特征及分析

营养物质的垂直分布规律

从图1可以看出, 剖面全磷的含量随深度向下逐渐降低。

1) 碳、氮、硫、磷的含量均随着土壤深度的增加而下降;

2) 土壤碳、氮含量的变化与土壤深度的变化具有一致性;

3) 碳、氮的含量明显高于硫、磷的含量。

3.2 泥炭中氮、磷含量与有机质含量的关系

碳、氮、磷均是植物生长所必需的大量营养元素, 在生态系统中, 这三者的含量、形态及其相互关系对于植物的生长发育起着决定性的作用。三江平原泥炭中氮、磷含量与有机质的关系见表2。

分析结果表明:这两个类型泥炭地的TN含量与有机质含量具有正相关性, 相关系数分别为0.953和0.944, 说明在泥炭中氮主要是以有机氮的形态存在的。这主要是因为植物残体在分解过程中, 所产生的铵态氮和硝态氮容易被植物吸收, 另外, 泥炭中有机质的含量越高, 植物对无机氮的吸附能力越强。

这两个类型泥炭地中全磷的含量与有机质含量的关系不是很明显, 磷在泥炭中主要是以无机形态存在, 这主要是因为泥炭中的磷大部分都来源于外部环境。磷的活性比较差, 因此磷主要是以无机形态保留在泥炭中。

4 结论

1) 在不同沉积层中, 草根层中的总磷含量最高, 泥炭上层中的总氮和有机质含量最高, 随着深度的增加其他营养物质含量逐渐降低;

2) 在三江平原泥炭地中, 在0cm~18cm层中全磷的含量比较高, 在18cm~50 cm层中全氮和有机质的含量最高;

3) 泥炭地中全氮的含量与有机质含量呈正比, 全磷含量与有机质含量的关系不是很明显;

4) 碳、氮的含量明显高于硫、磷的含量。

湿地土壤中营养元素的空间分异, 直接影响湿地的生态过程, 同时湿地的生态过程也决定着湿地土壤营养元素的空间分异。通过对湿地土壤养分剖面分析, 了解湿地的营养状况, 为今后合理利用, 保护和开发湿地提供坚实的理论指导。

参考文献

[1]王艳芬, 陈佐忠, T ieszen L T.人类活动对锡林郭勒地区主要草原土壤有机碳分布的影响[J].植物生态学报, 1998, 22 (6) :545-551.

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[3]吕宪国.湿地科学研究进展及研究方向[J].中国科学院院刊, 2002 (3) :170-172.

土壤养分测试方法及其优劣评价 篇7

一、常规分析法

在我国, 传统土壤碱解氮一般是用NaOH 水解、康威皿扩散测定, 硝态氮是用硫酸钾作为提取剂, 按水土比5:1浸提, 振荡15min过滤, 滤液用硝酸银电极法测定;土壤有效磷常用Olsen法 (0.5 mol/L NaCO3) 、Bray-1法 (0.03 mol/L NH4F–0.025 mol/L HCl) 和Mehlich-3法 (0.2 mol/L CH3COOH + 0.25 mol/L NH4NO3+ 0.015mol/L NH4F+0.013mol/L HNO3 + 0.001 mol/L EDTA) 作为提取剂, 钼锑抗比色法测定;有效钾的测定一般用 1 mol/ L 中性醋酸铵提取, 火焰分光光度计测定;土壤有效Mn采用DTPA提取剂 (0.005mol/L DTPA+ 0.01mol/L CaCl2 + 0.1mol/L TEA, pH =7.30) ;土壤有效Zn、Cu, pH <7.3时用0.1mol/L HCl作提取剂, pH >7.3 时用上述提取有效Mn的DTPA提取剂同时浸提Zn、Cu、K、Mn皆用原子吸收分光光度计测定。

这些方法各有其优点和缺点, 如氮的测定, 这些方法快速简便, 但由于对易矿化氮的了解不够, 浸提剂的选择往往缺乏理论依据, 测出来的结果与作物生长的相关性较差。Olsen法测定土壤有效磷, 这种方法主要用于测定钙质土壤有效磷的常规方法, 但该法也适用于酸性到中性土壤, 但浸提Fe-P、Al-P 的能力不高, Bray-1 和Mehlich-3 法都适用于中度到高度风化的酸性到中性土壤, Mehlich-3 且被作为通用提取剂从土壤中同时提取多种养分元素, 在酸性到中性土壤上的应用有越来越广泛的趋势。1mol/L中性NH4OAC 法测钾可将交换性钾和非交换性钾截然分开, 其结果准确度和重现性好, 与作物吸收钾量相关性好, 利于火焰光度计测钾, 但其一次只能提取K、Na 和交换性Mn等。

总的来说, 这些常规化学分析法对每一种养分元素分别采用不同的提取剂, 每一提取剂较能适合待测成分的释放, 相对准确度高, 在田间施肥中有一定的指导意义。但这些方法同时存在以下不足:化学浸提剂提取的元素单一、操作手续和分析过程繁琐、不能实现系列化操作, 因而分析速度慢, 分析结果难于及时应用, 常常使测土推荐施肥不能真正实行。

二、速测法

土壤养分速测是多年来国内外应用得较为广泛的一种分析方法, 也是当前科教兴农进行群众性科学种田的一种手段, 土壤养分速测是一种相对于常规分析, 速度更快捷, 成本更低廉, 测试设备更简便, 而测试精度能满足测土施肥要求的土壤养分测试技术与装备。所谓速测法, 是把有效养分常规的分析方法加以简化, 如减少浸提液体积、缩短浸提时间、简化浸提和测定步骤、改用目测比色等, 使操作快速简便, 测定结果有一定的精度, 容易被群众掌握, 因速测采用比较简捷的浸提方法, 使某些养分不能完全提取出来, 测得的养分数量一般低于常规分析。而土壤分析最大的工作量在于前处理, 要提高测定速度, 必须实现多种养分的同时快速浸提。可以说联合浸提技术是速测法的基础。近年来, 国内研究用得比较多的是Mehlich-3 联合提取剂、氯化钙提取剂及ASI联合浸提剂。

(一) Mehlich-3。

Mehlich-3 (0.2 mol/L CH3COOH + 0.25 mol/L NH4NO3 + 0.015 mol/L NH4F + 0.013 mol/L HNO3 + 0.001 mol/L EDTA) 可能是目前应用最广泛的多元素联合提取剂。适合各类酸性和中性土壤, 在一定范围内也可以用于碱性和石灰性土壤中多种有效大量和微量元素的浸提;测定值与植物生长反应有很好的相关性;性质很稳定, 便于配置和长期储存;浸提时间短, 在室温振荡5分钟即可完成;容易取得清亮的浸出液;可用于现代仪器的分析等。但此浸提液用于石灰性土壤时, 浸出液的pH 会上升。

(二) 氯化钙提取剂。

氯化钙提取剂即浓度为0.01 mol/L CaCl2 水溶液。可测定多种土壤成分 (总溶解有机C、总溶解N、硝酸根、铵、正磷酸盐、总溶解P、K、Na、S、重金属等) 的含量;适用于水溶性磷含量高且固磷能力弱的各种土壤;用0.01mol/ L CaCl2 作为测定土壤pH、Na 、K、Mg、Mn、P 以及不同氮素形态取得了满意的结果。对于氮素, 0.01mol/ L CaCl2 除了提取无机NO-32N 和NH+42N 外, 还能同时提取活性有机态N 用0.01mol/ L CaCl2作浸提剂在规定平衡时间内可以获得足够的清亮溶液。总的来说, 0.01mol/L CaCl2 提取剂是一种提取能力较弱的提取剂, 适用于养分含量较高的土壤, 土壤提取液适合于检出限较低的仪器分析, 而不适合手动分析。

(三) ASI法联合浸提剂。

ASI法对土壤有效P、K、Zn、Cu、Mn的测定:采用联合浸提剂, 即0.25mol/LNaHCO3-0.01mol/L EDTA-0.01mol/L NH4F溶液。P用钼锑抗比色法测定, 通过稀释分样器和带抽吸泵的比色计实现高效快速的系列化操作。测P的溶液在比色前用原子吸收分光光度计测K、Cu、Mn、Zn用原子吸收分光光度计测定。

研究表明ASI联合浸提剂对土壤有效P、K、Zn、Cu、Mn 的提取, 与我国常规化学方法之间具有良好的相关性, 并适合酸性、中性及石灰性等各类土壤, 且分析效率高、速度快。测定土壤磷、钾与作物对这两种营养元素的反应有着良好的相关性。同时, ASI法还能提取土壤有效Cu、Zn、Mn 、Fe等微量元素, 是一种有效的联合浸提剂。

三、离子汇集法

离子汇集法具有一个吸附待测离子的表面, 这种方法能从土壤中吸附并收集待测离子。主要可分为离子交换树脂和氧化铁试纸法, 其中离子交换树脂又可分为离子交换树脂小珠、离子交换树脂袋及离子交换树脂膜等方法。

(一) 离子交换树脂小珠。

离子交换树脂首次应用于土壤研究时, 采用的是这种型式:将树脂小珠与土壤悬液一起振荡一定时间, 树脂小珠吸附土壤中的待测离子, 然后将树脂小珠过滤出来, 在稀的介质溶液 (如0.5 mol/L HCl) 中将被吸附的待测离子解吸出来后进行测定。

采用树脂小珠振荡法有一个局限性, 就是要将树脂小珠从土壤悬液中分离出来进行被吸附离子的解吸比较费时。因此, 有人建议将树脂缝在多孔尼龙小袋中与土壤悬液共同振荡, 或配制一定浓度的溶液使其密度介于土壤与树脂之间, 用离心法分离。也有人提出将土壤研磨得十分细, 使之在提取后用筛子过筛以分离树脂。总之, 将树脂小珠从土壤悬液中分离出来是比较繁琐和费时的。

(二) 离子交换树脂袋。

鉴于用分散的离子交换树脂小珠提取土壤养分的缺点, Sibbesen于1977年成功地把树脂小珠缝合在多孔尼龙小袋中做成树脂袋提取土壤磷。这种方法是用多孔尼龙小袋、筛网或半透膜把离子交换树脂颗粒包起来, 做成离子交换树脂袋, 浸提时把离子交换树脂袋埋在土壤中或和土壤一起振荡或放入盛有水样的容器中, 一定时间后取出树脂, 把吸附在树脂袋中的养分离子交换或洗脱下来即可测定。

此后, 这方面的研究报道逐渐增多。Aarnio等用树脂袋研究了芬兰酸性森林土施用缓释和快释磷、钾和镁肥对养分移动及有效性的影响, 发现快速释放肥料 (过磷酸钙、氯化钾、硫酸镁) 可立即提高有机土和矿质土中的可溶性磷、交换性钾、交换性镁含量和树脂袋对这些养分的吸附量。利用这种方法综合测定了土壤钾素状况以及控制钾素转化和扩散速率的因素, 它可以灵敏地反映过去的施肥历史, 即钾库的积累或耗竭, 比静态土壤测试方法更好地预测NP和NPK处理中K的总吸收量 (R2=0.82 ) 。传统的土壤测试方法只提供了特定养分库瞬间的养分状况, 而对库间转化的动力学和养分向成长中的根表面的潜在养分供应速率没有考虑。但此法存在树脂袋易磨损 (影响使用寿命) 、树脂袋表面常粘附一些不易分离的根毛影响测定结果的准确程度、吸附过程慢提取时间长等缺点。

(三) 氧化铁试纸法。

氧化铁试纸法是20世纪80年代出现的土壤有效磷测定方法, 该法从土壤中提取磷的原理与阴离子交换树脂法相同, 适用于各种土壤, 但比阴离子交换树脂法简单和方便, 对磷酸根离子的专性吸附也比树脂强。与各种化学提取剂法相比, 该法更接近于植物或藻类从土壤或水体中吸收磷的真实情况, 也更能说明土壤或水体磷的有效性。此法的商业利用价值低, 一张氧化铁试纸只能利用一次且在振荡时容易受到微小土粒的污染, 与常规提取法相比, 该法仍较费时和复杂, 目前主要应用于环境方面的研究。

(四) 离子交换树脂膜。

离子交换树脂膜是离子交换树脂经与粘合剂 (如聚乙烯) 、润滑剂 (如硬脂酸钙) 反复混炼均匀, 进行铺压拉片而成的一种膜。

离子交换树脂膜有三种类型:阳离子交换树脂膜、阴离子交换树脂膜和阴阳离子混合膜 (也称双极膜) 。1964 年Saunder 首次用离子交换树脂膜研究土壤中的有效磷, 结果表明其与树脂颗粒一样能用来提取土壤中的有效养分, 而且膜法省时省工。树脂膜的应用也经历了与土壤悬浮液一起振荡和埋置两个阶段, 最近的研究大多采用埋置法。Schoeunau 和Huang (1991) 首次报道了用阴离子交换树脂膜测定土壤中的有效磷, 结果表明树脂膜法测定值与常规化学方法测定值间具有极显著的相关性。树脂膜法克服了树脂小珠及树脂袋法的缺点, 不许称土、过滤, 具有简单、快速、准确和成本低的特点。而且不易磨损, 可以反复使用。有关资料显示, 阴离子交换树脂膜可用50~500次直到丧失提取能力或结构受到损害为止。

四、土壤养分系统研究法

土壤养分状况系统研究法是多年来国际上土壤测试和推荐施肥研究的基础上逐步发展形成的。美国佛罗里达的国际农化服务中心 (Agro Services International Inc) 的Hunter在总结了前人土壤测试工作的基础上, 于1980年提出了一套用于土壤养分状况评价的实验室分析和盆栽实验方法, 并于1984年正式出版。1988年, 加拿大钾磷研究所的Portch对此方法稍加修改, 后开始应用在与中国的合作项目中。

土壤养分系统研究法是一套技术的集成, 包括五个部分:土壤样品的采集和处理;实验室化验分析;土壤对养分的吸附试验;温室或网室盆栽试验;田间试验。

土壤养分状况系统研究法的特点:一是全面考虑土壤中大、中、微量元素状况及平衡。通过对土壤中11种营养元素有效含量及p H、有机质、活性酸的测定, 可以全面评价土壤肥力状况, 找出土壤养分限制因子, 从而提出合理的推荐施肥建议。二是采用联合浸提剂, 提高了工作效率。土壤养分状况系统研究法养分化学分析利用的联合浸提剂主要包括:A S I溶液 (0.25 mol/L Na HCO3-0.01mol/L EDTA-0.01mol/L NH4F) 同时浸提P、K、Cu、Fe、Mn、Zn 6种营养元素、0.08 mol/L Ca (H2PO4) 2溶液同时浸提S、B两种营养元素、1mol/L KCl溶液—NH4-N、活性酸 (AA) 、Ca、M g、Na联合浸提。用该方法测定的土壤有效养分在多数土壤上与作物生长反应具有良好的相关性。三是高效、快速的分析测试过程, 使测土推荐施肥能真正实施。采用实验室系列测试设备, 使土壤样品的前处理及测定过程如取样、加液、浸提、稀释、洗涤、比色等实现系列化操作。同时采用美国、加拿大等国测土施肥中已广泛流行的体积计量法, 以容量为基础进行土壤养分的测定, 既快捷又简便, 大大提高了工作效率。四是在全面考虑土壤中大、中、微量元素状况及平衡的同时, 考虑主要营养元素如P、K、S、B、Cu、Mn、Zn在土壤中的吸附固定特点。五是通过室内分析和盆栽试验我们基本能够了解土壤的养分状况, 以及肥料施入土壤后的某些反应。这可使我们在设计试验时避免盲目性, 节省人力、物力。在田间研究中, 能够达到最高产量目标, 并制订出合理的平衡施肥计划, 实现真正意义上的平衡施肥。

该方法仍存在着不足:一是该方法环节多, 比较复杂。二是土壤基础肥力分析和吸附试验要求的仪器设备较高, 手段也较特殊, 盆钵试验要求的设备也较特殊, 在基层农业部门较难推广。

摘要:土壤养分测试方法很多, 主要可分为常规分析法、速测法、离子汇集法及土壤养分系统研究法。常规分析准确度高, 但分析速度慢;速测法速度快, 主要运用联合浸提剂技术, 但测出来的量要比常规法的要低;离子汇集法能模拟根系吸收土壤的养分, 准确测定土壤的有效养分, 但也存在操作速度慢, 标准不统一等缺点;养分系统研究法测出来的有效养分与作物生长相关性很好, 但难于基层的推广。

金江土壤养分现状及对策分析 篇8

1 金江的基本情况

金江地处金沙江中上游, 位于香格里拉县南部, 距县城香格里拉188km, 介于北纬26º52'至27º21', 东经99º39'至100º01'之间, 海拔1 900m。金江地处金沙江河谷地区, 地形狭长, 北高南低, 人口沿金沙江东岸分布而居。年平均气温14.3℃, 极端最高气温34.6℃, 最低气温-6.6℃, 年降雨量609.3mm, 无霜期247天, 全年日照1 766.3h。全镇国土面积627km2。辖区内最高海拔2 700m, 最低海拔1 820m, 相对高差820m。

2 金江耕地土壤养分现状及对策分析

耕地土壤养分是土壤肥力的重要组成部分之一, 其含量的丰缺状况是指导作物平衡施肥的重要依据。为了更好的了解金江的耕地土壤养分现状, 对其进行了地力调查与质量平衡工作, 通过对采集样本进行分析, 全面了解当地耕地土壤的养分状况, 以便能够做出有针对性的改进。

2.1 金江的土壤类型

金江的耕地主要有冲积土、红壤以及沙壤等三个类型, 其中冲积土最大的特点就是土质疏松、耕地良好, 但是耐旱性较差、肥水流失较为严重;而山地红壤是金江分布山地旱作土壤;沙壤是金沙江沿线的主要土壤类型, 沙壤保水保肥能力最差, 耕种前需施用大量农家肥。

2.2 金江耕地地力等级介绍

金江的高产面积约为30.74%;中产田面积大约占44.46%;低产田面积比例大约24.80%。从上面的数字中, 我们不难看出, 中低产田所占耕地面积比例达69.26%, 表明该地区的耕地质量建设的任务还较艰巨。

2.3 金江耕地土壤养分现状介绍

通过对耕地土壤取样化验结果耕地土壤有机质、有效磷、碱解氮、速效钾和缓效钾平均含量分别为32.1g/kg、19.92mg/kg、130.54mg/kg、113.3mg/kg、326.28mg/kg, 相对较丰富。

具体来说, 高产田有机质平均含量是37.17g/kg、碱解氮146.19mg/kg、有效磷24.23mg/kg、速效钾123.53mg/kg、缓效钾为410.93mg/kg。中产田有机质平均含量是34.54g/kg、碱解氮126.89mg/kg、有效磷20.69mg/kg、速效钾102.66mg/kg、缓效钾为328.36mg/kg。低产田有机质平均含量是22.58g/kg、碱解氮98.52mg/kg、有效磷15.82mg/kg、速效钾93.7mg/kg、缓效钾为239.55mg/kg。由此可见, 耕地土壤养分含量的高低与均衡状况与耕地地力水平密切相关。

2.4 金江肥料施用状况介绍

由于近年来外出打工人员较多, 农村劳动力日趋减少, 造成农民冬种绿肥和积土杂肥的积极性锐减, 农业生产中的化肥成本投入逐年增大, 每亩施用化肥量不断增加。主要表现为施肥品种单一, 以尿素施用为主, 复合肥用量较少, 钾肥几乎不用, 配方施肥发展缓慢, 老百姓对配方施肥的认识不够强。从而造成了农作物产量上不去, 肥料浪费严重, 生产成本增加, 同时还造成土壤环境的污染。

2.5 金江肥料施用存在问题分析

第一, 有机肥用量锐减。近年来, 由于绿肥种植面积和产量大幅度下降、有机肥的积造和使用明显减少, 有机肥源开发利用呈下滑趋势, 普遍存在着重用地、轻养地、重化肥、轻有机肥的思想, 大家都在种卫生田, 农作物秸秆大量焚烧。忽视了有机质资源的开发利用和有机肥料的使用, 忽视了地力的培肥。

第二, 化肥用量过大。由于农户片面相信化肥的增产能力, 导致化肥用量越来越大, 而施肥效益越来越低, 不仅造成化肥资源的巨大浪费, 而且导致日益严重的农业生态污染。

第三, 重氮肥轻磷钾。氮肥使用表观效果明显, 农户往往不注意对磷钾肥的配合使用。

第四, 重追肥轻基肥。农民仍然习惯于凭眼睛看苗施肥, 大量的化肥施于土表, 跑、漏、挥发等造成肥料利用率低。

第五, 忽视微量元素肥料的施用。按照作物营养施肥原理, 应在这些微量元素相对缺乏的土壤上施用一定量的微量元素肥料, 而微量元素肥料施用仅仅局限于某几种农作物种植上, 且施用面积不大。

2.6 金江平衡施肥的对策

首先, 注意有机肥与无机肥的平衡施用。在施肥环节上一定要加大有机肥料施用比重, 扭转重无机肥轻有机肥的施肥习惯。有机肥养分齐全、肥效持久;化学肥料养分单-, 但含量高, 贝效快。两者配合使用能取长补短, 提高肥效。

其次, 调整化肥施用结构。要改变目前“重氮、轻磷钾肥”的传统施肥习惯, 必须调整化肥施用结构, 按照“少氮, 增磷、钾, 分次施用;有机肥当家, 配方施用”的施肥思路, 提高配方肥施用比重, 降低碳铵、过磷酸钙、氯化钾等单质化肥的施用量。

再次, 重视微量元素肥料的施用。在作物施肥的过程中要增加锌肥、硼肥等中微量元素肥料的施用, 做到大量元素肥料与微量元素肥料平衡施用。

3 结语

从上文的论述中, 我们可以看到土壤的养分状况对农作物种植是有着极为重要的影响的, 为了能够获取农作物种植既定的经济效益, 一定要在立足于当地土壤实际条件的基础上, 去做好平衡施肥的工作, 以此达成有效改善土壤状况的目的, 为全面提升农作物种植的产量和质量奠定坚实、有力的基础。

参考文献

[1]田昆, 贝荣塔, 莫剑锋, 等.香格里拉大峡谷土壤资源现状分析[J].西南林学院学报, 2012, (33) :22.

[2]田昆, 贝荣塔, 常凤来, 等.香格里拉大峡谷土壤特性及其人为活动影响研究[J].土壤, 2012, (19) :29.

土壤养分遥感监测研究进展 篇9

土壤养分含量准确快速地估算不仅是精确的测土配方施肥顺利进行的保障,也是对农田面源污染进行准确评价和有效控制的重要依据[1,2,3,4,5,6,7]。

传统的土壤养分测定一般采用的是化学测定的方法 [2,8],该方法相对准确,但是费时费力,不能实时反映土壤养分状况[1,2,3,4,9]。遥感技术具有实时、快速获取信息的能力,为高效快速地监测土壤养分提供了新的技术手段 [1,7,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。

现有的土壤养分遥感监测方法都集中在从获取的遥感数据中提取有用的信息,对土壤养分进行反演[1,13,15,18]。一个模型反演是否成功,不仅取决于观测数据对反演参数的敏感程度,还取决于反演策略与方法以及模型的适用性。土壤养分监测中所用到的观测数据,都是从土壤光谱和作物冠层光谱中提取与土壤养分高度相关的光谱特征指标[1,5,14,15]。为此,本文从光谱特征指标的选择、反演方法、反演模型3个方面介绍土壤养分遥感监测的应用进展。

1 光谱特征指标

原始反射光谱常常受到干扰,往往不能直接反映出光谱与土壤养分含量的关系[19]。因此,实际中往往采用原始光谱的变换形式作为反映土壤养分变化的光谱特征指标。

1.1 光谱形状特征及反射率的代数运算形式

光谱的形状特征参数经常作为与土壤养分预测的光谱特征指标[1,5,6,14]。研究指出,黑土土壤全氮含量与黑土在1100nm的反射峰高度、560nm的反射面积具有最好的相关性[1],但波段深度与土壤全氮含量之间具有较低的回归精度[6]。而归一化反射高度建立的土壤全氮含量估测模型在棉花的4个生育期都具有通用性,并在花期中取得了最高的估测精度[14]。

除此之外,很多学者采用了原始光谱的代数运算形式作为光谱特征指标[19]。其中,反射率倒数的对数(吸光度)是经常采用的一种代数变换形式,它与土壤养分高度相关[2,3,4,6,14,20,21] 。反射率的对数与土壤全氮含量的相关性也比较高[14],但反射率的倒数与土壤全氮之间的关系并不够稳定[6]。

1.2 植被指数

植被指数是从作物冠层光谱中提取的主要光谱特征指标。最优土壤调节植被指数OSAVI、土壤亮度指数MSBI、生理反射植被指数PRI都与土壤全氮含量达到显著相关水平,利用这些指标监测土壤的养分,往往都能取得较满意的效果[14]。归一化植被指数NDVI、转换型调节植被指数TSAVI及比值植被指数RVIij与土壤速效氮含量也具有很好的相关性[15]。由于受到土壤背景、环境条件、大气状况等多种因素的影响,植被指数往往具有明显的地域性和时效性[23]。因此,在不同地区,用于土壤养分遥感监测的植被指数指标往往是不同的[14,15]。

1.3 光谱反射率的微分形式

不同的微分形式对土壤养分的响应往往是不同的,也可能产生不同的校正或者验证精度[16]。

与原始光谱反射率、反射率倒数的一阶导、反射率平方根的一阶导、反射率的一阶导相比,反射率对数的一阶导与土壤全氮含量的相关性最好[1]。反射率的一阶导数与土壤养分也具有很好的相关性[6,8,9,13,24],但该指标参数不适用于河北沧州的滨海盐潮土表层土土壤全氮含量反演[25]。吸光度的导数与北方潮土的全氮具有较高的相关系数,但是与东北黑土的全氮含量之间的相关系数较低[26]。除此之外,光谱反射率的二阶微分也是土壤养分监测中经常使用的指标[13,27]。

目前的研究多集中于土壤氮含量反演中光谱指标的选取,用这些指标来反演土壤养分取得了令人满意的效果[30]。但由于所选择的光谱特征不能较好地反映磷、钾等其他营养元素的变化,所以用这些指标构建的反演模型,往往精度并不是很高[4,28,29,35] 。因此,选择与所研究的土壤养分具有高度相关的光谱特征指标是学者们普遍关注的研究内容。

2 建模方法

构建反演模型的方法多数使用的是统计方法。除了传统的多元线性回归、逐步多元回归分析以外,人工神经网络、最小二乘支持向量机、主成分分析、 偏最小二乘等其他高级统计方法及机器学习方法也被广泛用于土壤养分的反演[1,2,3,4,5,9,10,21,28,29,30]。从目前看,比较研究各种建模方法,寻求具有较高精度的反演模型是很多学者努力研究的工作内容之一。

偏最小二乘和主成分分析是土壤养分反演中常用的方法,其预测能力也是比较稳健的,但当用于建模的数据集中存在定标的数据集中,不包含干扰效应时,必须进行场址特性校正[12]。在土壤全氮含量的预测中,偏最小二乘方法预测结果好于最小二乘支撑向量机[2];而在土壤全磷含量的预测中,最小二乘支撑向量机的预测精度却高于最小二乘方法。有研究表明,神经网络方法对土壤养分预测的精度不仅高于偏最小二乘方法[3,31],还具有较好的鲁棒性[31]。很多时候,综合两种或两种以上的统计方法对土壤养分预测,往往比单独的方法具有更高的精度[8,14,26]。

3 反演模型适用性研究

从模型的通用表达形式可看出,输入变量和建模方法是影响函数模型的主要因素[1,3,14,26]。但即使是相同的输入、相同的建模方法,也有可能得到不同的反演模型[19]。这主要是由于复杂的土壤环境造成的。

不同地区具有不同的土壤类型和环境条件,植被生长状况也不同,很难找到一种适用于不同地区的、不同土壤类型的通用土壤养分遥感监测反演模型[25]。有时土壤水分对反射光谱的影响,可能超过了土壤类型对反射光谱的影响[32]。与使用原土样或进行田间直接检测结果的模型相比,使用经过干燥处理土样的模型往往具有很高的精度[19,20,33] 。除此之外,土壤的质地和耕作措施也是影响土壤养分反演模型精度的重要因素[9,20,21,24]。

相同土壤类型不同深度上的土壤养分反演模型也不完全相同。研究显示,Mg在土壤的不同层次都表现出较高的预测精度,但交换性Na在两个土壤层的预测精度具有明显的差异[34]。土壤全氮模型适用于山西广灵黄土类型不同层次的土壤,但不适用于河北沧州滨海盐潮土的不同层次;表层土壤(0~10cm)的土壤全氮反演模型的精度低于深层土壤(10~30cm,30~60cm) [25]。这说明,某地区土壤的养分模型可以用于该地区的表层土壤和深层土壤[30],但可能并不适用于其他地区,这还需要进一步的验证。

4 结语

土壤养分的遥感反演虽然取得了一定的研究进展,但是总体上都注重于某个时间点的研究,是静态的,目前还没有发现土壤养分遥感监测模型;另外,空间信息技术的发展,多源数据的共享和集成也将为土壤养分遥感监测提供新的技术手段。为此,今后可从以下几个方面开展进一步的研究。

1)进一步深入研究和探讨与土壤养分,尤其是磷、钾等元素具有高度相关的光谱特征指标,提高模型预测的精度。

2) 针对不同的土壤类型、土壤剖面、耕作条件、气候的环境等进一步研究遥感数据用于预测土壤养分的可能性。

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