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气候变化对黑土区流域尺度土壤水氮运移的长期影响与适应对策

黑土区，SWAT模型，冻融循环，气候变化，水土流失，面源污染

主题3 技术、台站、交叉 > 专题3.3 气候服务、农业减灾与粮食安全

黑土是地球上宝贵的自然资源，其土壤有机质含量高、土质疏松、土壤肥沃，是非常适合耕作的优质土地。我国东北黑土区是北半球上仅有的三大黑土区之一，其粮食产量约占全国总产量的25%，为国家的粮食安全做出了突出贡献。然而近些年来的高强度利用导致黑土退化严重。同时东北黑土区也是我国气候变化的敏感区和影响显著区之一，以CO₂浓度增加和温度升高为主的气候变化将对其造成严重影响，进而加剧水土流失与面源污染。研究团队基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型框架开发了CO₂动态投入与响应模块，该模型改进了作物气孔导度（g_s）和叶面积指数（LAI）对CO₂的响应，明确了CO₂浓度增加对流域土壤水文过程和氮素流失的作用机理，大幅度减小了流域过程机理模型未来气候变化研究的不确定性。借助SWAT-CO₂模型系统评估了气候变化背景下CO₂浓度升高对作物生长和水文循环的影响。研究进一步发现未来气候变化下有机氮流失风险较小，但硝态氮流失严重，尤其是硝酸盐淋溶。研究团队进一步开发了冻融循环模块，基于热传导原理来估算土壤温度分布，考虑了雪层的保温和保护作用，使用水相冻融转化的三维冻融循环模块来表征水相变化，大幅度减小了流域过程机理模型对冻融循环变化模拟的不确定性。研究发现耦合了冻融循环模块的SWAT-FT模型对土壤水热动态的模拟更具代表性。结果进一步表明全球变暖明显影响了冻融后的春季水土流失，同时在未来气候变化条件下，通过研究冻融循环在黑土区0-2米土壤中对土壤水热动态以及硝酸盐垂直迁移的影响进一步揭示了硝酸盐流失存在“双重风险”，即施肥后的瞬时流失风险和土壤遗留氮的长期淋溶风险，研究强调了黑土区冻融循环对水氮流失的重要影响和制定分区分类的管理措施的必要性。