（植物营养学专业论文）太湖流域典型旱地氮磷向水体迁移特征研究.pdf

摘要 太湖水体污染已经进入富营养化阶段，造成生物多样性减少，经济损失和生态破 坏严重。近年来随着我国环保事业的发展，流域内点源污染源得到了有效治理，但湖 泊水质并没有得到根本改善，其主要原因在于农业面源污染，暴雨径流是农业面源污 染入湖的主要途径之一，因此有效地控制太湖流域早地暴雨径流对缓解太湖水体污染 具有重要的意义。 本课题为国家科技部“十五”重大科技攻关专项“河网区面源污染控制成套技术” ( 项目编号：2 0 0 2 a a 6 0 1 2 ) 中的子专题“农田节氮、控磷技术与示范工程”。主要研 究太湖流域内典型旱地地表径流的特点及其组成，通过现场中试试验和模拟降雨试 验，研究了不同覆盖方式、不同施肥方式节氮、控磷的效果。结果表明： 太湖流域典型旱地氮磷向水体迁移的负荷分别为1 2 6 6 k g h m 2 、4 0 5 k g h m 2 ，分 别约占年施肥量的5 6 和4 1 。示范区内早地氮磷一年向水体迁移的总量为3 8 6 t 和1 2 4 t 。氮磷向水体迁移具有明显的季节特征，夏季和秋季为氮磷高负荷季节，6 1 i 月占全年氮磷输出总量的8 3 4 和7 9 8 。 降雨过程中氮磷浓度变化幅度较大，可达5 6 倍。降雨中氮损失以n 吼_ _ n 为主， 占总氮的4 8 7 。随着降雨的进行，n 0 3 - - n 浓度逐渐增大，而n h 4 + - n 浓度逐渐降低。 颗粒态磷是磷流失的主要形式，占总磷的7 6 o 。固体悬浮物对颗粒态磷有较好的富 集效果，两者有明显的相关性。 降雨径流不同时间的累积氮流失量和累积径流量之间存在幂指数关系：t n = a q “： 而径流不同时间的累积磷流失量和累积径流量之间存在线性关系：t p = a q + b 。降雨历 时与地表累积径流量满足对数回归模型：l = al n ( t ) 一b 。 地表覆盖和肥料深施均可有效地降低氮磷向水体迁移的风险，其中地表覆膜可降 氮5 9 8 ，降磷9 0 5 ；秸秆覆盖可降氮5 9 8 、降磷8 6 5 ：肥料条施可降氮5 0 1 ， 降磷8 0 2 ；穴施可降氮5 2 4 ，降磷8 0 3 。各处理节氮控磷效果均较好。作为 一种低成本、高效率地处理方法，这些技术适合我国国情，在流域面源污染防治方面 具有广阔的应用前景。 关键词：太湖流域面源污染地表径流旱地 a b s t r a c t t a i h ui sa i le u t r o p h i c a t i o nl a k e t h ee u t r o p h i c a t i o nh a sl e a dt ot h ed e c r e a s i n go ft h e b i o l o g ys p e c i e sa n ds e r i o u s l yd e s t r o y i n ge c o l o g ye n v i r o n m e n t i tp r o d u c e dg r e a tt h r e a tt o t h eh e a l t ho fp e o p l ea n dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s a f t e rt h ep o i n tp o l l u t i o ns o u r c e s a r o u n dt h et a i h uc a t c h m e n t sh a v eb e e nc o n t r o l l e de f f e c t i v e l yi nr e c e n ty e a r s ，w a t e rq u a l i t y d o e s n tb e c o m eb e a e r , b e c a u s en o n p o i n tp o l l u t i o no fa g r i c u l t u r eh a sb e c o m et h em a i n p o l l u t i o ns o u r c e s ，a n da tt h es a m et i m es t o r mw a t e rr u n o f fi st h em o s tp a t h w a yo f n o n - p o i n tp o l l u t i o ne n t e r i n gt a i h ul a k e ，s oc o n t r o lt h es u r f a c er u n o f fo fu p l a n dg r o u n di n t a i h uc a t c h m e n t sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nt or e l i e v et h ee u t r o p h i c a t i o n t h i sp r o j e c t t h et e c h n o l o g yo fl o w e rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nf a r m l a n d i sa s u b p r o j e c to ft h ep r o j e c t n o n - p o i n tp o l l u t i o nc o n t r o li nt h et a i h uc a t c h m e n t s ，w h i c hi sa p r o j e c t i nt h e k e yt e c h n o l o g i e s r & dp r o g r a m m ei nt h et e n t hf i v e y e a rp l a n ( n o 2 0 0 2 a a 6 0 1 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o m p o s i n go f s u r f a c er u n o f f f r o mu p l a n d g r o u n di nt h et a i h uc a t c h m e n t sw e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d b yb u i l tu pap i l o t p l a n t a n dt h ee x p e r i m e n to fa r t i f i c i a lr a i n f a l l ，w er e s e a r c h e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o v e rp a t t e r n s a n df e r t i l i z a t i o np a t t e r n si nc o n t r o lt h ep o l l u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o ms u r f a c e r u n o f t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h el o a d so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st r a n s p o r tb ) ，s u r f a c er u n o f ff r o mu p l a n dg r o u n d i nt a i h ul a k ec a t c h m e n t sa r e1 2 6 6 k g h m 2a n d4 0 5 k g h m 2 a c c o u n t i n gf o r5 6 3 a n d 4 1 3 o f a n n u a lf e r t i l i z a t i o n r e s p e c t i v e l y a b u t3 8 6 to f t o t a ln i t r o g e na n d1 2 4 to f t o t a l p h o s p h o r u sd i s c h a r g e d i n t ow a t e rb o d yo fe x p e r i m e n ta r e af r o mu p l a n d ，a n di th a s o b v i o u s l ys e a s o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s u r n l n e ra n da u t u m ni sh i g hl o a d ss e a s o n ，j u n - n o v a c c o u n t i n gf o r8 3 3 5 a n d7 9 7 9 o f t o t a ll o a d s t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc h a n g e dg r e a t l y , a b o u t5 - 6t i m e s n i t r a t e ni st h em a i nf o r mo fn i t r o g e nl o s s e s ，a n di sa c c o u n tf o r4 8 7 4 o ft o t a ln i t r o g e n w i mt h er a i n f a l lp r o c e s s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e - nr o s eg r a d u a l l y ，b u ta m m o n i u m - n d e c l i n e d p a r t i c l ep h o s p h o r u si st h em a i nf o r mo fp h o s p h o r u sl o s s e s ，a n di sa c c o u n tf o r 7 6 o ft o t a lp h o s p h o r u s i ti se n r i c h e di ns s ，a n dt h ep a r t i c l ep h o s p h o r u sh a sd i r e c t l y c o r r e l a t i o nw i t hs s t h ea c c u m u l a t e dn i t r o g e n1 0 a d i n ga n dr u n o f fv o l u m eh a sp o w e rc o r r e l a t i o n ： t n = ：a q o ：t h ea c c u m u l a t e dp h o s p h o r u sl o a d i n ga n dr u n o f f v o l u m eh a sl i n e a r i t yc o r r e l a t i o n ： t p 2 a q + b ；a n dt h et i m eo fr a i n f a l la n dt h ea c c u m u l a t e dr u n o f fv o l u m eh a sl o g a r i t h m c o r r e l a t i o n ：l = al n ( t ) 一b 。 s u r f a c eo v e r l a ya n dd e e pp l a c e m e n tc a nl o w e rt h er i s ko fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s d i s c h a r g e di n t ow a t e rb o d ye f f e c t i v e l y f i l mc o v e r a g ec a r ll o w e r5 9 7 6 o fn i t r o g e na n d 9 0 4 9 o fp h o s p h o r u s ；s t r a wc o v e r a g ec a nl o w e r5 9 8 3 o fn i t r o g e na n d8 6 5 2 o f p h o s p h o r u s ；s u b s u r f a c el a y e rc a nl o w e r5 0 0 7 o fn i t r o g e na n d8 0 2 0 o fp h o s p h o r u s ； d e e pl a y e rc a l ll o w e r5 2 4 1 o fn i t r o g e na n d8 0 2 5 o fp h o s p h o r u s ，r e s p e c t i v e l y e v e r y t r e a t m e n th a st h ea d v a n t a g eo fl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y t h i st e c h n o l o g yi ss u i t a b l ef o r t h ec o n d i t i o n so f c h i n a ，a n dh a sg o o dp r o s p e c ti nt h ea r e ao f n o n p o i n tp o l l u t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：t a i h ul a k ec a t c h m e n t s ；n o n p o i n tp o l l u t i o n ；s u r f a c er u n o f f ；u p l a n dg r o u n d ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 时间：2 “年三月叼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 第一导师签名 丝 f 杰 、 !翌兰兰 时f 可：厶，4年p 月l 7f = | 时间：z 喊年2 - j l 莎7 同 第一章文献综述 1 1非点源污染与水体富营养化 1 1 1 非点源污染的定义 非点源( n o n p o i n ts o u r c e ) 是指时空上无法定点监测的、与大气、水文、土壤、 植被、地质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直 接对大气、土壤、水构成污染的污染物来源“。它包括大气环境的非点源、土壤环 境的非点源和水环境的非点源三类。 水环境的非点源包括大气干湿沉降、暴雨径流、底泥二次污染和生物污染等诸多 方面。暴雨径流，即通常意义( 狭义) 的非点源污染，是与降水过程伴随进行的地表径 流污染。 水体的污染源主要要有两大类，即点源污染( p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 和非点源污染 ( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，n p s p ) 或称面源污染( d i f f u s es o u r c ep o l l u t i o n ) ， 点源污染是指废水通过排水管道等途径直接进入受纳水体引起的污染。与点源污染相 对，美国清洁水法修正案( 1 9 7 7 ) 定义非点源污染为“污染物以广域的、分散的、微 量的形式进入到地表水及地下水体”1 。 狭义的地表水非点源污染是指在降雨一径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和 地下的污染物进入江河、湖泊和海洋等水体而造成的水体污染。非点源已经成为水环 境的重要污染源，是危害全球生态环境的一个重要因素。据美国、日本等国家报道矧， 即使点源污染全面控制之后，由于非点源的存在，江河的水质达标率也仅为6 5 ， 湖泊的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 。 非点源污染控制是个完全不同于点源污染治理的问题，在许多方面，前者难度 更大。首先，非点源污染无处不在，而且都是以低浓度的形式出现，难以进行集中治 理。其次，非点源污染受土壤、地形、气候、水文和土地利用方式等众多因素的影响， 时空差异非常显著，不同地区单位面积的污染物发生量可相差两三个数量级“。 与点源污染相比，非点源污染具有以下特点“3 ： ( 1 ) 时间上具有随机性和间歇性； ( 2 ) 空间分布上具有广泛性： ( 3 ) 污染物组成和负荷具有不确定性： ( 4 ) 控制和管理比较困难。 1 1 2 农田氯、磷流失对水体寓营养化的影响 水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某些 滞留( 流速 硫酸铵 氯化铵 碳酸铵 硝酸铵，相应的土 壤径流中t n 含量为尿素 硫酸铵 氯化铵 碳酸铵 硝酸铵”。水稻田施碳铵后1 周， 水中铵的浓度可以降到最低值，这就为化肥在降雨前的施用时间提供了一个参考值。 段永惠研究表明，径流氮磷的流失量与施肥量存在显著的正相关关系。n 肥和p 肥 施用强度与农田径流中t n 和t p 负荷具有一定的相关性，r = o 8 7 ( n = 1 6 ) ，即n 、p 肥 的施用强度大，径流中的t n 、t p 负荷也较大。但是这种相关性在不同的研究之间存 在一定的差异，这主要与各地的土地利用方式、水肥管理方式及种植制度有关。 b e g h b a l l 的研究发现，旌用有机肥要比施用化学肥料更能导致径流中可溶性磷、 有效磷含量的提高。 s m i t h 研究发现咖1 ，径流中硝态氮浓度偏高与施肥方式和时期有关，施肥对径流 氮的流失量的影响同施肥对径流中各形态氮浓度的影响相似，表施易溶性的碳酸氢铵 肥料后，显著增加了总氮和溶解态氮的流失量，但对颗粒态氮的流失量没有显著影响。 另外，有研究表明“”3 ，氮磷配合施用可对氮磷的径流流失产生影响，当氮和磷 肥用量中等时，土壤铵态氮和硝态氮流失最小，过高过低都会加剧土壤矿质氮的流失。 ( 3 ) 降雨强度和降雨量 降雨通过雨水对土壤的侵蚀程度，以及形成径流的早晚影响农田中化肥的流失。降 雨是径流产生的先决条件，降雨的大小、强度直接决定了径流的产生和大小。一般情 况下，雨强越大，降雨时间越长，则氮磷流失负荷越大：雨强大小对养分浓度出现峰 值的时间也有一定影响，当雨强增大时，各养分浓度出现峰值的时间提前“。 雨强大小与径流过程中土壤流失量及泥沙养分流失量表现出显著的正相关。雨强 较大时，养分流失主要以泥沙流失为主，泥沙有养分富集的特征，全磷的富集率能达 到l - 0 6 一1 2 6 ：雨强较小时养分流失以水溶态和泥沙结合态为主，水溶态养分占流失 养分比例较大”“1 0 6 o 康玲玲等“州在黄土性土壤上的研究也表明土壤养分主要是以不 溶态的形式随泥沙迁移，随径流迁移的可溶态养分很少；土壤养分流失与雨强呈正比。 降雨量对农田径流中养分负荷的影响也较大，一般来说，年降雨量越大，从农田 径流的水土就越多，导致土壤中的养分损失也越多。马立珊等人“采用”n 同位素示 踪技术，研究了苏南太湖水系农田氮素径流情况后得出，农业面源氮素污染负荷量随 年降水量和灌溉量的增加而增大，稻田氮素污染负荷量显著地高于旱地。 ( 4 ) 耕作方法 太湖流域的水稻田耕作，多数是先施肥，然后带水耕地。这种方法使部分氮素溶 入田面水层，一旦降雨，大量氮素便随径流流失。 1 0 1 2 3 氮、磷向水体迁移的主要防治技术 ( 1 ) 养分管理 养分管理的目的是控制土壤养分投入的数量，改善养分投入的方法，使土壤中的 养分水平保持在既能满足作物生长的需求，又不致于对环境产生显著的危害“唧。实 现养分的收支平衡和优化肥料施用方法是养分管理的两个关键方面“。 实现养分收支平衡的目的在于减少氮磷赢余，避免土壤氮磷的过量积累。为此， 必须掌握农田生态系统的氮磷收支状况，以此为确定氮磷肥施用量的依据。对于已存 在严重水体富营养化问题的流域，施入的肥料量原则上不应超过作物所带走的数量。 在确定有机肥施用量时，则需要同时考虑作物对氮磷的需求。 控制氮肥的施用量，平衡氮、磷、钾的比例“。氮肥超量施用的问题在我国许多 地区普遍存在。氮肥超量施用以及氮、磷、钾比例失衡会降低作物对化肥的利用率， 增大淋溶和径流损失。根据土壤条件、作物种类使用限氮公式，将施氮量控制在合适 的范围之内，同时增大磷肥、钾肥的投入，平衡施肥，这些是控制化肥污染的首要措 施。 ( 2 ) 有机肥还田 有机肥中的腐殖质可以提高土壤的保肥性能，还可以增强土壤微生物的数量和活 力，利用土壤微生物先将化肥氮同化，然后再缓慢释放，提高氮肥的利用率，减少氮 肥流失“3 。农作物秸秆具有广泛的农业和工业价值，通过采用各种农业工程技术， 综合利用作物秸秆，可以应用过腹还田和秸秆直接粉碎后还田技术，增加土壤有机质， 改善土壤物理形状，发挥秸秆的肥料作用。 ( 3 ) 节水灌溉 研究发现“”1 ，当水田灌溉用水量减少3 1 3 6 时，地表排水量减少7 8 9 0 ， 氮素负荷量减少7 6 8 0 ，渗漏水氮素负荷量减少3 4 4 0 ，而作物减产仅 6 7 8 1 。节水灌溉若能再与耐旱品种结合起来应用，污染防治效果会更好。 ( 4 ) 处理农田径流 农田径流中有大量的n 、p 营养物质，直接排入湖中造成湖泊的富营养化，需加 以处理再排放，如可收集用作农田回灌，使养分最大限度在农田系统内循环。目前国 内外已经广泛采用的一些方法如在河岸和湖滨建立的绿化区、缓冲带等，可使经过的 径流减低流速，导致悬浮的污染物发生沉淀，并增加溶解态的污染物被土壤吸附或被 植物吸收的机会“1 。陈金林”等在太湖地区应用农田和沟渠间的缓冲林带技术截 留和净化地表径流中的氮磷，结果表明，当农田与林带的宽度比例为1 0 0 ：4 0 时，对 流失氮、磷的净化效果最好，对油菜一水稻轮作下流失n 、p 的净化效果分别为5 0 和2 9 ；对小麦一水稻轮作流失n 、p 的净化效果分别为3 1 和8 7 。另外，在一些 重点保护的水体设置前置库，让含有污染物质的入湖水预先经过一个或若干个前置库 “”，“”，污水在其中停留，可延长滞留时间，充分利用一定气温和光照下的生物净化 作用和水力滞留的物化作用，削减进入水体中的污染负荷。据资料介绍“”3 ，国内外 已经运行的前置库、砾石床人工湿地对污染物净化的效果中，沉降带、浅水生态净化 区、深水强化净化区的t n 、t p 、泥沙的去除率分别为5 - 4 0 、1 0 - 6 0 、2 0 7 0 。经 强化净化前置库处理后，预计t n 、t p 、泥沙的去除率可分别达到7 0 、8 0 和9 0 。 也有研究结果表明“，植物碎石床人工湿地系统对生活及畜禽养殖污水中c o d 、t n 和t p 的去除率分别为8 3 9 7 、5 0 8 7 、7 8 9 4 。湖滨湿地对农灌排水和降雨径流 中s s 、n h 4 + ，n 和t p 去除率分别为8 0 8 2 、6 0 6 9 、7 7 8 5 。尹澄清等“”“发现， 我国南方地区农村广泛分布的多塘系统，除具备灌溉、饮用和发展水产养殖等多种功 能外，还对减轻n 、p 等农业非点源污染有非常显著的功效，一般可去除9 0 以上的 过境营养物质。 1 3 课题概况及主要研究内容 1 3 1 课题来源 太湖地区是我国经济较发达的地区，改革开放以来，乡镇工业和农业得到了飞速 发展，一方面加速了地方经济的发展，同时在生产过程中也向环境排放了大量的污染 物。随着人们生活水平的提高，生活污水和生活垃圾引起的面源污染问题也日益严重。 根据有关资料表明“。”3 ，在太湖水体污染中，面源污染占相当重要的份额，从全流域 总氮排放负荷来看，工业废水占1 5 7 ，生活污水占2 5 1 ，农业面源污染( 含畜禽养 殖) 占3 7 5 ，水产养殖污染占1 6 5 ：从总磷排放负荷来看，工业废水占1 0 4 ，生 活污水占6 0 o ，农业面源污染占1 5 1 ，水产养殖污染占9 4 。生活垃圾和农业生 产废弃物中的营养物质尤其是n 、p 在雨水作用下对太湖水体的贡献率也较高。随着 2 0 0 0 年太湖流域点源污染逐渐得到控制，农村与农业面源污染问题更显突出。由此 可见，从源头控制面源污染应该是解决太湖水质富营养化问题的最主要、最根本的措 施之一。 根据国家环保总局提出的“十五”期间“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 治理要求， 2 0 0 2 年，中国科学院南京土壤研究所主持了“太湖河网区面源污染控制成套技术” 课题( 科技部“十五”重大科技攻关专项) ，以期解决太湖日益严重的富营养化问题。 本课题为其中的子专题“农田节氮、控磷技术与示范工程”。 造成太湖面源污染主要有以下5 种污染源：1 太湖流域农田不合理的耕作和过 量的施肥：2 农村生活污水转化为面源污染；3 土壤流失造成面源污染；4 各种生 活垃圾和农业废弃物腐败后的渗滤液：5 小型水产养殖构成特殊的面源。这些面源 污染源入湖的主要途径为：1 通过现有河沟直接入湖，2 通过暴雨径流冲刷作用进 入现有河沟和小型沟渠系统或环湖散流进入太湖。其中大部分污染物是随暴雨径流进 入太湖。因此，解决暴雨径流污染问题是控制太湖流域面源污染问题的关键技术之一。 1 32 研究目的及意义 研究开发成本低廉、操作简便有效的农村面源污染和暴雨径流污染控制技术是太 湖流域面源污染控制的关键之一，同时对于我国减少面源污染、控制湖泊富营养化具 有重要的借鉴意义。 近年来，我国在农田氮磷向水体迁移对河、湖水体富营养化的影响方面也积累了 一些数据，对田问条件下土壤一作物系统中氮磷肥损失途径进行了许多定量的评价和 研究。但是，已有的关于农田地表径流流失研究多集中于水田，且大都只限于总量的 分析，对旱地氮磷地表径流流失的特征和机制研究较少。为了有效控制农田径流流失， 为防止地表水体富营养化提供科学的依据，有必要对旱地径流氮磷的形态和浓度，以 及降雨强度、地表覆盖、施肥方式等因子的影响作深入地探讨。 在全面调查示范区土壤肥力水平和当地不同作物施肥水平与产量水平的基础上， 根据平衡施肥原理，确定基肥用量和品种；采用肥料深施、秸秆还田和覆膜旱作等技 术实现水肥一体化管理，既节约了早地耗水量，又减少了暴雨造成的农田径流营养损 失，从而减少农田氮磷对河网水体的污染。总之，本课题的核心思想是使养分最大限 度地在农田系统内循环利用，进而减少向农田系统外的排放。其总体目标是重点开展 农田内部节n 控p 示范工程，农田化肥减量化技术研究。以达到农田径流中总氮总磷 下降4 0 的目标。 1 3 3 研究特点与创新 本论文通过对太湖流域典型早地氮磷向水体迁移通量及总量的研究，研究了不同 覆盖方式、不同施肥方式在减少旱地氮磷向水体迁移风险中的作用，整体研究具有以 下创新性： l 、氮、磷向水体迁移过程分析：不仅对氮磷向水体迁移总量进行研究，而且对 旱地径流氮磷的形态和浓度随降雨时间的动态变化进行分析。分析旱地在不同的降雨 时间其径流变化过程线和浓度的变化过程。 2 、旱地氮磷向水体迁移模型的建立：通过研究流域典型降雨过程的降雨、径流、 水质的同步观测资料，忽略非点源污染随地表径流迁移过程，把地表径流看成一个系 统，以此系统的输入( 径流量) 、输出( 污染物输出量) 为依据，建立污染物输入输 出响应关系的统计模型，进而建立径流一水质相关方程，找出污染物流失和降雨径流 量之间的关系。 3 、模拟降雨研究：通过模拟降雨，探讨模拟降雨下氮磷向水体迁移的特征，以 及模拟降雨和自然降雨在氮磷迁移通量和总量上的耦合情况。 第二章引言 太湖是我国五大淡水湖之，位于长江三角洲南缘，湖水面积2 3 3 8 k m 2 ，流域 面积3 6 5 0 0k m 2 。是我国经济发展最具活力的地区之一，也是农业最发达的地区之一， 农业集约化程度较高，是高投入、高产出区，全区面积仅占全国的0 4 ，而化肥消 费量占全国的1 3 。过量施肥、施肥结构不合理、农田排水直接进入河流等一系列 因素，加剧了水体富营养化的发生。近二十年来，太湖富营养化问题日趋严重，由水 体富营养化引起的水质恶化、水源紧缺、生态环境破坏，严重的制约着国民经济的健 康持续发展。 太湖流域水环境问题引起了各级政府的高度重视，因之采取了一系列措施，如企 业达标排放、引江济太等，1 9 9 9 岁末年初的太湖“零点行动”更是宣告了向太湖任 意排放工业污水的历史已经结束，所有这些从一定程度上缓解了污染的进一步加剧。 然而，一方面，由于该流域范围广阔，水网纵横交错，水域底泥深厚，系统缓冲性较 强：其次，流域内非点源污染却呈现不断加剧的趋势，从一定程度上不断增加了水域 的污染程度。据最新研究表明“”“，太湖流域的污染状况仍然不容乐观，事实已经 显示了这一问题的严峻性和迫切性。 随着点源污染的有效控制，农业非点源污染物的大量输出已成为导致水体富营养 化的主要原因“”+ 1 2 5 o 据我国对许多湖泊水体的调查，输入湖体的污染物中约有一半 以上来自非点源污染“，它们主要通过降雨径流进入水体。根据发达国家经验，随着 对工业和城镇等点源污染的治理能力不断提高，非点源污染的相对负荷量随之相应增 加，已成为水环境的最大污染源。根据有关资料表明“”，在太湖水体污染中，面源污 染占相当重要的份额，从全流域总氮排放负荷来看，工业废水占1 5 7 ，生活污水占 2 5 1 ，农业面源污染( 含畜禽养殖) 占3 7 5 ，水产养殖污染占1 6 5 ：从总磷排放负 荷来看，工业废水占l o 4 ，生活污水占6 0 o ，农业面源污染占1 5 1 ，水产养殖 污染占9 4 。生活垃圾和农业生产废弃物中的营养物质尤其是n 、p 在雨水作用下对 太湖水体的贡献率也较高。太湖全湖总磷平均浓度已经达到0 1 3 m g 1 ，超过0 0 2 m g 1 的水体富营养化阈值的6 倍以上“。而且由于目前农田生态系统中普遍存在着氮磷 养分的盈余现象，因而其流失的风险也在不断增加，以农业非点源氮磷为主的营养盐 的绝对量也呈快速上升趋势。因此，充分重视对非点源污染的治理才能从根本上实现 使太湖水变清的目标。 目前较常用的面源污染治理为“减源、截留、修复”三级控制系统。减源即从源 头减少污染物向河流的排放；截留即通过生物和生态工程的技术对河流中的污染物控 制或对养分元素进行生物截留；修复即采取生态学原理和生态工程技术恢复该地区的 生态功能。 1 4 肥料深施及加强地表覆盖是公认的从源头减少农田氮磷向水体迁移的措施。研究 不同覆盖方式及不同施肥方式下氮磷向水体迁移的特征具有重要意义。然而，由于降 雨一径流过程十分复杂，氮磷随降雨向水体迁移通量及总量取决于降雨条件、流域土 地利用方式以及下垫面的特征，其具体变化过程与降雨历史、采样时间及土地利用类 型有很大的关系。上述特征和条件有所不同，径流量及非点源污染负荷就不同。因此， 即使是相同的地区在不同的降雨时间其径流变化过程线和浓度变化过程线也不同。为 了有效控制和治理太湖非点源污染，必须对太湖流域内非点源污染的发生，迁移有比 较系统的研究。尤其是对氮磷随降雨向水体迁移的总量及通量的研究。在已有的太湖 流域农田氮磷地表径流流失研究多集中在水稻田哪。”，对旱地氮磷随季节性暴雨径流 流失的特征和机制研究甚少。因此有必要对旱地径流氮磷的形态和浓度，以及降雨强 度、地表覆盖、旌肥方式等因子的影响做深入的研究，从而为有效控制氮磷流失及防 止水体富营养化提供依据。 本试验通过在宜兴市杜鹃花基地的一年多的现场试验，通过收集一年中绝大部分 降雨全过程的降雨、径流、水质的同步观测资料，分析污染物浓度随降雨过程的动态 变化规律。建立污染物输出模型，径流一水质相关方程，找出污染物流失和降雨径流 量之间的关系。采用统计分析方法，计算太湖旱地氮磷向水体迁移的年负荷，不同覆 盖方式、施肥方式下的截氮控磷量。以期将基于试验区域的研究成果推广到太湖流域 的其他相似地区，希望能够对我国太湖流域旱地非点源污染的防治提供一些参考，从 而最终对太湖流域水污染的综合治理起到推进作用。 3 1 示范区概况 第三章材料与方法 圈3 1 示范区航片囤 f i g3 - 1a e r i a lp h o t o g r a p ho f t h ep l a c eo f e x p c r i m c r i t 如图3 1 所示，示范区位于西太湖流域河网区，即江苏省无锡市宜兴大浦镇， 地理坐标为东经1 1 9 。l l 2 0 ，_ 1 1 9 。4 0 o p 、北纬3 1 0 1 0 3 8 ”- 3 1 0 2 0 0 5 ”。距离宜兴市约1 5 公里。该示范区面积共2 4 k m 2 ，其中水田面积2 2 3 5 h m 2 ，早地面积3 0 5 h m 2 ，养殖面积 5 1 2 h m 2 。区内河道共4 2 条，入湖河道2 条，平均总氮浓度为2 3 m g l ，总磷浓度为 0 2 1 m g l 。该区域河网密布，人多地少，围湖造田历史较长，近年来中、小化工企业 兴起，在乡镇经济发展的同时，也给当地生态及人民生活环境带来巨大压力。洙渎河 流经大浦镇渭渎村境内，该村人口密度大，一些化工企业沿河而建，大量生活污水及 工业污水排入河中；另外，区域内鱼塘众多，农田交错，渔业废水、饲料残渣及农业 肥水均流入河道内，河道内河水污染严重。农田施氮量2 0 0 - - 4 0 0k gn h m 2 a 。农 田土壤磷素的超量积累也非常迅速，在1 9 9 7 年，农田土壤磷素盈余已经达到2 3 7k g p h m 2 。地表径流试验选择位于太湖上中下游且能代表本区类型江苏省宜兴市杜鹃花 基地进行。 31 1 气候 研究区平均日照时数为1 9 4 1 9 小时，8 月是全年日照时数最多的月份，平均2 3 2 8 小时。二月最少，平均1 1 9 4 小时。夏季最多，平均6 1 1 5 小时。冬季最少，平均 4 0 2 1 小时。春夏日平均4 7 8 3 小时。5 至1 0 月喜温作物生长季节目照总时数1 1 0 8 2 小时，占全年总日照时数的5 7 。 宜兴年平均气温1 5 6 度，1 9 6 1 年最高，达1 6 5 度，1 9 8 0 年最低，为1 4 8 度。 在正常天气下，天中最低气温多如现在凌晨日出前后，最高气温多出现在1 3 1 4 时，春、秋白天升温快，夜间降温也快，4 月和1 0 月份为全年日较差最大，夏季日 较差最小。 3 1 2 降雨 至1 9 8 2 年宜兴4 4 年年平均降水量1 1 9 8 4 毫米，至1 9 9 7 年5 7 年年平均降水量 1 2 2 1 7 毫米。8 9 的年份年降水量在1 0 0 0 毫米以上，最多的1 9 5 7 年达1 7 3 8 4 毫米， 最少的1 9 7 8 年6 7 9 1 毫米，年际之差1 0 5 9 3 毫米。全年约4 8 5 的雨量集中在汛期 的6 9 月间，为5 8 1 4 毫米。宜兴有五个相对多雨期：4 月下旬至5 月上旬的春雨， 俗称“桃花雨”：6 月中旬至7 月上旬的“莳梅雨”：8 月下旬至9 月上旬的“台风 雨”；9 月下旬前后的“白露雨”；1 0 月下旬至2 月上旬的“腊雪雨”。 全年6 月份为降水最多月，占全年的总降水量的1 4 ；1 2 月为全年降水量最少 月，占全年总降水量的3 9 。一年的四个季节中，春季降水量平均为3 1 2 9 毫米； 夏季降水年平均为4 2 9 9 毫米：秋季降水量平均2 6 8 5 毫米：冬季平均降水量1 4 7 9 毫米；汛期( 6 9 月) 平均降水量5 9 5 毫米( 图3 2 ) 。宜兴市降水量由南向北递减， 据1 9 7 1 2 0 0 4 年同步资料分析，南部丘陵山区比北部和中部平原区年降水量多1 0 0 - - 2 0 0 毫米。 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 翥e 0 0 萋伽 2 0 0 0 春季夏季秋季 季节 冬季汛期( 6 - - 9 ) 图3 - - 2 宜兴市降雨量随季节分配图 f i g 3 - 2t h ep r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t ew i t hs c a s o a si ny i x i n gc i t y 3 1 3 土壤 本区自成型土壤主要有黄棕壤和潮土。多年引水种稻后，8 0 的耕作土壤是水稻 土，其中爽水型、漏水型、侧渗型、滞水型和囊水型水稻土的面积为1 8 9 1 0 4 h m 2 、 9 5 1 0 4 h m 2 、7 9 x1 0 4 h m 2 、8 1x1 0 4 h m 2 ，黄棕壤和潮土为1 0 4 x1 0 4 h m 2 和8 5 1 0 4 h m 2 。本区土地利用集约，年均施氮、磷量分别为2 2 5 k g h m 2 、9 8 k g h m 2 。地表径流试 验区土壤主要理化性质见表3 一l 。 表3 - - 1 试验土壤主要理化性质 t a b3 1b a s i cp r o p e r t i e so f t h e i s t c ds o i l s 3 2 试验设计 3 2 1 试验小区设置 地表径流试验选择位于太湖中下游且能代表本区类型宜兴市大浦镇漳渎村，设置 两个试验区，每个实验区设置3 个处理。每块小区面积约为4 5 0 m 2 。一块实验区为不 同覆盖方式，即地膜覆膜，秸杆覆盖和不覆盖，另一块为不同旅肥方式，即条施，穴 施和撒施( 图3 3 ) 。试验地形成网络，均有排灌分流且能调控的水利系统，在进 出水口处分别铺设排灌沟渠，既可对进出试验区的灌溉、径流和雨水的水量测量，也 可定期( 次旬) 和不定期( 在降水产生径流时) 采集上述水样。 试验地建有完整的喷灌系统，可做自然条件下模拟降雨试验，包括不同雨型，不 同降雨历时条件下降雨特征。从而和自然降雨进行对比。 a 区为微滴灌施肥，b 、c 区均为撤施，d 区为条施，而e 区为穴施。a 区施肥为滴 灌专用肥，b 、c 、d 、e 均施复合肥( n ：p 2 0 ；：k 。o = 1 5 ：1 5 ：1 5 ) 。a 、b 、c 施氮、磷量均 分别为2 2 5 k g h m 2 、9 8 k g h m 2 ，而d 、e 施肥量为1 6 5 k g h m 2 、7 3 k g h m 2 。肥料分三次施， 分别为2 月、8 月及1 1 月左右，各处理施肥时间一致。 f 为空白对照区，不施肥料，其地表径流中氮、磷浓度很低，故该区仅进行一次 试验。 一 i , 3 m 地膜覆盖秸杆覆盖 无覆盖 膜下滴灌 当地撤施 区 b 区c 区 lll 径流 营养 径流径流 收集 液池 收集 收集 池池池 图3 3 地裹径流试验设计围 f i g 3 - 3t h ed e s i g ng r a p ho f r u n o f f e x p e r i m e n t 3 2 2 主要研究内容及方法 l 、不同覆盖方式下太湖流域旱地氮磷向水体迁移特征研究： 通过一年多的现场降雨径流水质水量同步监测，研究不同覆盖方式下旱地暴雨径 流水质水量特征，不同覆盖方式下降雨径流过程中氮磷形态、浓度的动态变化规律。 不同覆盖对产流及径流量的影响。通过覆膜旱作技术实现水肥一体化管理，通过作物 秸秆还田探讨秸秆与农田氮、磷养分管理的耦合，秸秆保水，保肥及减少农田径流营 养损失的作用。 2 、不同施肥方式下太湖流域早地氮磷向水体迁移特征研究： 同样通过一年多的现场降雨径流水质水量同步监测，研究不同施肥方式下早地暴 雨径流水质水量特征，氮磷随降雨向水体迁移的总量及通量，以及不同施肥方式下降 雨径流过程中氮磷形态、浓度的动态变化规律。条施及穴施对减少氮磷流失负荷所起 的作用。 3 、施肥对氮磷向水体迁移影响试验： 通过雨前施肥与不施肥的对比，计算施肥后发生降雨所引起的农田氮磷的损失 量。为改正当地错误的旌肥习惯提供依据。 4 、模拟降雨试验： 通过模拟降雨，探讨模拟降雨下氮磷向水体迁移的特征，模拟降雨和自然降雨在 1 9 萃if咖ifi主 氮磷迁移通量和总量上的耦合情况。由于有些降雨在夜间进行，故没有及时进行收集， 这部分径流负荷可通过模拟降雨对此进行补足。 5 、旱地氮磷向水体迁移模型的建立： 通过研究流域典型降雨过程的降雨、径流、水质的同步观测资料，忽略非点源污 染随地表径流迁移过程，把地表径流看成一个系统，以此系统的输入( 径流量) 、输 出( 污染物输出量) 为依据，建立污染物输入输出响应关系的统计模型，进而建立径 流一水质相关方程，找出污染物流失和降雨径流量之间的关系。 6 、旱地氮磷向水体迁移年负荷的确定： 通过已有的试验资料，及模拟降雨的补充资料，计算旱地氮磷向水体迁移年负荷 及不同覆盖方式下、不同施肥方式下的截氮控磷量。以及湿沉降对氮磷向水体迁移的 影响。 3 3 样品采集 3 3 1 地表径流样品采集 因为降雨产流是一个极为复杂的过程，水网平原地区的降雨产流过程一般包括5 个阶段“：降雨过程、蓄渗过程、漫流过程、河网汇流过程和地下径流过程。其中 前4 个过程是地表径流的形成过程，地表径流总量受到降雨