（环境科学专业论文）农业非点源污染研究——以普兰店大沙河流域为例.pdf

a b s t r a c t c o n t e n t ：a l o n gg r a d u a lc o n t r o l l i n gt h ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h en o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nh a sb e c o m eam a j o r i t yo f w a t e rc o n t a m i n a t i o n a m o n gn o n 。p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n s ，t h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni st h eb i g g e s to n e t h e a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni sd e f i n e d t ob et h er u n o f ft r a n s p o r t so f c o n s t i t u e n t si n c l u d et h en u t r i e n t s ，t h ea g r i c u l t u r a lc h e m i c a l sa n d s o o nn i t r o g e na n d p h o s p h o r u se l e m e n ta n da l lt h a ta r eo r g a n i c o rt h ei n o r g a n i cp o l l u t i o nm a t t e rf r o m d i f f u s es o u r c e so nt h el a n dt os t r e a m s t h r o u g ht h ef a r m l a n ds u r f a c em n o i f , t h e a g r i c u l t u r a ld r a i n a g ea n dt h eu n d e r g r o u n dl e a k a g e ，c a u s et h ew a t e re n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n t h ed a s h ar i v e ri st h em a i nr i v e ri np u l a n d i a n t h ea r e ai s9 6 4s q u a r e k i l o m e t e r s , a n dt h el e n g t hi s9 6 5k i l o m e t e r s a v e r a g es l o p ei s1 3 4 d d i a m e t e r c u r r e n tc a p a c i t y2 6 0m i l l i o nc u b i cm e t e r s ，a n dt h ed e p t hi s2 6 9 7 m m i nt h eb a s i n p l a n t sc r o p si sm a i n l yt y p e t h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na l r e a d y b e 锄co n eo f m a i nr e a s o n sw h i c ht h ed a s h ar i v e rq u a l i t yw o r s e n e d t h e r e f o r e , c o n d u c t i n gt h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nr e s e a r c ht ot h i sb a s i ni s v a l u a b l e t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h es t a t eo ft h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，r e s e a r c ht h ep u i a n d i a nt h ed a s h ar i v e rb a s i na v i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ns i t u a t i o n m a i n l ys t u d i e sa r ea b o u t t h et o t a ln i t r o g e nf i n ) a n dt h et o t a lp h o s p h o r u s ) p o l l u t i o ns i t u a t i o n t h i sr e s e a r c hs e l e c t s5s a m p l i n gs p o t s ，f r o mu p s t r e a mt od o w t t r i v e rr e s p e c t i v e l y a f t e ry u a nt a i ，b aj i a z i ，h o nx i a n s h i ，h a i p ib r i d g e ，h o ud a y u a n t h ed r ys e a s o n a n dt h ea b u n d a n tw a t e rt i m et w oe x a m i n a t i o n s t h et no fy u a nt a ia c h i e v e s1 1w a t e r q u a l i t ys t a n d a r d ，t h et no fb aj i a z i ，h o n x i a n s h i ，h a i p ib r i d g ea c h i e v ei l lw a t e r - q u a l i t ys t a n d a r d ；t h et n o fh o u d a y u a n a c h i e v e si vw a t e r - q u a l i t ys t a n d a r d ，t h em a i nr e a s o ni st h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o no ft h ed a s h ar i v e rb a s i na n dt h ei n d u s t r yp o i n ts o u r c ep o l l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ed a l i a na g r i c u l t u r en o n - p o i n ls o u r c ep o l l u t i o nb a c k g r o u n dr e s e a r c h , t h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nt h em a i np o l l u t i o nr e a s o nw h i c hi n c r e a s e s t h et no ft h ed a s h ar i v e rb a s i n t h et ni n c r e a s e sf r o mt h eu p r i v e rt ot h ed o w n r i v e r b aj i a z ic r o s ss e c t i o n st n d e n s i t yi n c r e a s e st h es c o p et ob ec o m p a r a t i v e l yg r e a t l yp o s s i b l ew i t ht h i sc r o s s s e c t i o nw a t e rv o l u m et ob el e s s ；t h er i v e r sr e d u c ef r o mo n l yt h ea b i l i t yc o n c e r n t h e l a t t e ry a r dc r o s ss e c t i o nt n d e n s i t yi sh i g h e s t , s u r p a s s e st h es u r f a c ew a t e ri l l w a t e r - q u a l i t ys t a n d a r d t h ed r ys e a s o nt nv a l u es l i g h t l yi sh i g h a rt h a nt h ea b u n d a n tw a t e rt i m e ，m a i n l y i sb e c a u s ed r ys e a s o nr i v e rw a t e rc u r r e n tc a p a c i t ys m a l l ，s p e e do ff l o wi sl o w ，t h e w a t e rb o d yq u i t ei so n l yw e a kf r o mt h ea b i l i t y i ns p r i n gt h ea p p l yf e r t i l i z e ra f t e rr a i n c a u s e st h en i t r o g e nr u no f fa l o n gw i t ht h es u r f a c e ，a l s oc r e a t e st h et n h i g h e r k e yw o r d s ：a g r i c u l t u r a l ：n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ：n i t r o g e n ：p h o s p h o r ； t h ed a s h ar i v e r 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特 别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其 他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均己在论文中做了明确的声明并表示 学位论文作者签名 翮渤锵 日期：胴弓 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授援 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后使用本 学位论文作者签名：老呷 铲臌赠，三 日期： 。1 彳，z 农业非点源污染研究以普兰店大沙河漉域为例 第一章引言 水环境污染问题已经是影响人类社会可持续发展的主要制约因 素，正越来越受到人们的关注。水环境污染按照污染来源可分为点 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 e p 0 1 1 u t i o r l ，简称n s p ) ，或称面源污染。由于排放比较集中，点源污 染已经得到较好的控制和治理，与此同时，非点源污染对水环境污 染的贡献也逐渐显现出来。全球有3 0 5 0 的地表水体受到非点源 污染的影响n 1 。研究表明，非点源污染是导致地表水污染的主要原因， 其中又以农业非点源污染贡献率最大。在美国即使点源污染全面控 制之后，水体的质量也并未因此而有所改善。美国的非点源污染约 占污染总量的2 3 ，其中农业非点源污染占非点源污染总量的6 8 8 3 ，农业非点源污染已经成为全美河流污染的第一污染源”1 。荷兰 农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 。3 。在我国，非点源污染问题也日益严重，在太湖和滇池等重要 湖泊，非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一。因此，加强 农业菲点源污染研究对我国水污染防治具有重要意义。 1 1 农业非点源污染概述 1 ，1 1 农业非点源污染的概念 水环境污染按照污染来源可分为点源污染和非点源污染。点源 污染是指废水通过摔水管道等途径直接进入到受纳水体引起的污 染。与点源污染相对，非点源污染是指溶解的或固体污染物( 地面 的各种污染物质如城市垃圾，农村家畜粪便，农田中的化肥、农药、 重金属及其它有害有机物) 从非特定的地点，在降水和径流等的冲 刷作用下，通过径流过程汇入受纳水体( 包括河流、湖泊、水库和 海湾等) ，给水体功能带来负面影响，引起水体的富营养化或者其他 形式的污染。美国清洁水法修正案( 1 9 7 7 ) 将非点源污染物定义为： 污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体隅1 。由于 非点源污染起源于分散、多样的土地区，其地理边界和位置难以识 别和确定，与点源污染相比，非点源污染时空范围更广，不确定性 更大，成分过程更复杂，危害规模也更大。 农业非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的土粒、氮素 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 和磷素等营养物质，农药以及其他有机或无机污染物质，在降水或 灌溉过程中，通过农田的地表径流、农田捧水和地下渗漏，使大量 污染物质进入水体。造成的水环境污染，主要包括化肥污染、农药 污染、集约化养殖场污染。其主要污染物质有硝酸盐、n h 。+ 、有机磷、 重金属、c o d 、病原微生物和塑料增塑剂等。 1 1 2 农业非点源污染的特点 农业非点源污染的形成过程受地理、气候、土壤等多种因素影 响，因此，具有如下特点1 1 ： ( 1 ) 分散性和隐蔽性 与点源污染的集中性相反，农业非点源污染具有分散性的特征， 它受流域内土地利用状况、水文特征、地形地貌、气候、天气等因 素的影响，因而具有空间异质性和时间不均匀性。污染物排放的分 散性导致其污染地理边界和空间位置不易识别，因此也具有隐蔽性。 ( 2 ) 随机性和模糊性 与大多数非点源污染一样，农业非点源污染也涉及随机变量和 随机影响。由于农业非点源污染与区域的降水过程密切相关，并且 受多种因素影响，因而其污染发生具有较大的随机性。同时，由于 农业非点源污染的影响因素多，排放途径复杂，而各因素之间又相 互影响，从而使其形成机理具有较大的模糊性。 ( 3 ) 潜伏性和滞后性 农田中农药和化肥施用造成的污染，在很大程度上与降雨和径 流立即发生密切相关，同时也与农药和化肥的施用量有关当施用 农药、化肥之后，在无降水或灌溉时，形成的污染十分微弱，但在 降水时，随着径流进入水体则会形成严重的污染。大多数情况下， 农业非点源污染直接起因于降水和灌溉的时间。 ( 4 ) 污染负荷的时空差异性大 2 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 农业非点源污染过程与径流过程呈现大致相同的变化趋势，由 于不同时间和地点径流的变化很大，因此。降雨径流的污染负荷也 随之大幅度变化。 1 1 3 农业非点源污染的来源 与点源污染不同，非点源污染的来源广泛，并且是多方来源共 同作用。农业非点源污染与农业的生产活动和农村居民生活密不可 分，主要有以下几方面： ( 1 ) 土壤侵蚀 土壤侵蚀是农业非点源污染的一个重要来源。土壤颗粒等随降 水形成的地表径流进入水体，使水体的悬浮物含量增加，影响水体 质量，同时悬浮物在水中还会释放出一些溶解态污染物，导致水体 的进一步污染土壤侵蚀的强度取决于降水强度、地形地貌、土地 利用方式和植被覆盖率等 ( 2 ) 化肥、农药的施用 化肥施用到农田后，不能全部被植物吸收和利用。研究表明n ”， 氮肥的利用率为3 0 4 0 ；磷肥的幂j 用率为1 0 1 5 ；钾肥的利用 率为4 0 6 0 。除被作物吸收利用和土壤残留的之外，剩余的营养 元素在降水及灌溉的作用下，通过农田径流和渗漏淋洗流失到水环 境中，导致地表水体的富营养化和地下水污染。 农药也是农业非点源污染的一大来源。大多数农药以喷雾剂的 形式喷洒于农作物上，仅有约l o 2 0 的药剂附在作物体上，而 8 0 9 0 则流失在土壤、水体和空气中，在灌水与降水等淋溶作用下 污染地下水。 ( 3 ) 农田污水灌溉 污水灌溉由于施用技术上的原因，常常造成土壤和地表水体的 污染，即使发达国家美国，也有1 5 的地表水污染源于农田污水 灌溉1 。 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 ( 4 ) 农村生活污水 农村居民生活污水未经任何处理直接排放，有的直排入水体， 有的排入土地系统，经土地系统的渗出的污水约有1 0 进入水环境 【l 2 】。 ( 5 ) 畜禽粪便 养殖场所捧放的废水和粪便堆存期间因降雨而淋失出来的污染 物排入到周围的土壤环境，然后通过水土流失进入地表水 ( 6 ) 水体人工养殖 随着各地水产养殖业的发展，人工投放饵料给水体带来的n 、p 营养物质不断增加，成为水体富营养化的又一物质来源。 1 2 农业非点源污染国内外研究概况 1 2 1 国外农业非点源污染研究 美国最早在1 9 3 0 年提出非点源污染与洪水密切相关，并在之后 制订了一系列“防洪法”。但对农业非点源污染的全面认识和研究 始于2 0 世纪6 0 年代。由于农药，特别是滴滴涕对河流水质的影响 引起了广泛关注，人们开始逐渐意识到农业非点源污染的潜在危害， 并对其展开了分析和研究最初的研究是对污染的因( 降雨径流) 和果( 非点源污染物输出) 的观测资料进行分析，建立相关关系来 计算污染的负荷。6 0 年代以来，日、英等一些发达国家也开始了农 业非点源污染的研究，主要研究非点源污染的分类特征。到7 0 年代 初，美国、加拿大提出了基于土地利用一一非点源污染负荷关系的 早期的输出系数模型，其一般表达式为； 工。善易4 式中：l 一一各类土地某种污染物的总输出量 m 一一土地利用类型的总数： 4 农业非点源污染研究一以普兰店大沙河流域为例 e ；一一第i 种土地利用类型的该种污染物输出系数 ( k g ( h m 2 ) 一1 a 一1 ) ； a ；一一第i 种土地利用类型的面积( h m 2 ) 由于土地利用的数据较为容易获得，而选择典型小区，进行降 雨径流的水质、水量同步监测即可得到相应的输出系数，建模费用 较低，且具有一定的精度，因此，输出系数法是一种有效的估算非 点源污染负荷的方法，此种方法经许多学者从不同角度出发进行了 改进和发展，至今仍得到广泛应用。 进入7 0 年代中期，非点源污染问题受到各国普遍关注和重视。 非点源污染模型迅速发展，从简单的经验统计模型提高到复杂的机 理模型，从长期平均污染负荷输出或单场次暴雨分析上升到连续的 时间序列响应分析，并且针对非点源污染的管理开发研制了大量的 实用模型。例如，h y d r o c o m p 公司的非点源污染系列模型 p t r - h s p a r m - n p s 等模型对污染物理化学过程进行了深入的研究，加 大了对非点源污染过程的广泛监测。在管理方面，这个时期逐步形 成和使用b m p ( b e s tm a n a g e m e n tp r a e t i c e s ) 来控制和管理非点源 污染”。8 0 年代以来，研究的重点主要转向如何把已有模型应用到 非点源污染的管理中去，开发新的实用模型以及非点源污染的控制 与管理措施的研究与广泛实施等。代表模型有：农业管理系统中的 化学污染物径流负荷和流失模型( c r e a m ) ，在c r e a m 模型基础上的 农田小区e p i c 模型。农田尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) ，流 域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) n ”，大流域内非点源污染物负荷 量s w r r b 和s w a t 模型，用于农业非点源管理和政策制定的农业非点 源污染模型a g n p s “钉和用于模拟农业活动对地下水影响的g l e a m s 模 型等。 进入9 0 年代，开展了非点源污染扩散与管理的模型研究，提出 了农药化肥迁移模型( a c t m o ) 、农业径流管理模型( a r m ) 、农业 管理系统中农药、径流与侵蚀模型( c r e a m s ) 等。同时，地理信息 系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o i ls y s t e m ，简称g i s ) 的应用推进了 非点源污染的定量化研究。g i s 具有强大的空间数据提取、分析和管 理能力，模型可以直接对g i s 数据进行读取，大大提高了数据获取 和输入的效率；g i s 能将不同来源的空间信息进行转换和标准化，并 5 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 将它们之间的相互作用与关系表现出来，还能将空间数据与空间属 性数据集合起来，为分析地形的空间交异提供一致的框架，进而能 为反映不同目的和不同空间代表性的模型提供连接机制，实现数据 共享，使各个非点源污染子模型能够连接在统一的g i s 模拟框架内 运行。目前，国外在非点源污染模型研究中应用最多的是部分耦合 方式，如比较著名的非点源污染模型a g n p s 、s w a t 等与g i s 软件a r c v i e ! g 、a r ci n f o 、g r a s s 等进行的耦合。9 0 年代后期，随着计算机 技术的飞速发展和3 s 技术在流域研究中的广泛应用，一些功能强大 的超大型流域模型被开发出来这些模型已经不再是单纯的数学运 算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表 达等功能于一身的大型专业软件。其中比较著名的有美国国家环保 局开发的b a s i n s 和美国农业部农业研究所开发的a g n p s 等。 1 2 2 我国农业非点源污染研究 我国农业非点源污染研究起步较晚，真正意义上的研究始于2 0 世纪8 0 年代初的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划。我国先 后在于桥水库、滇池、太湖、巢湖、三峡库区等湖泊、水库展开了 农业非点源污染探索性的研究，主要研究方法就是分析土地利用方 式与非点源污染的关系，立足于受纳水体的水质，建立计算汇水区 域污染物输出量的经验统计模型。这一阶段的研究仅是农业非点源 污染的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。 进入9 0 年代之后，我国对农业非点源污染的产污机理与影响因 素进行了较为深入的探讨，农药、化肥污染的宏观特征、影响因素 研究和黑箱经验统计模型模式在农业非点源污染研究中占据了重要 地位由李怀恩等建立的流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布 瞬对单位线模型及流域产污过程模型“”1 ，考虑了水动力学和污染 物迁移机理，较好地模拟了于桥水库及宝象河流域洪水、泥沙和多 种污染物的产生和迁移，但该集总式模型不易解释非点源污染在流 域内的空间分布。李怀恩结合我国非点源污染资料少的实际，以非 点源污染的形成过程为基础，提出了一种流域非点源污染负荷估算 方法一一平均浓度法m 】。 近年来，计算机、空间信息技术的飞速发展为农业非点源污染 研究提供了新的技术手段，以g i s 、g p s 、r s 为主的3 s 技术在非点 6 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 源污染研究领域的应用开始受到重视。我国基于3 s 技术的非点源污 染研究逐步展开，在农业菲点源污染机理及污染敏感性的时空分布 评价等方面取得了丰硕成果。特别是具有快速、灵活、人机对话、 图形显示等优点的g i s 技术与农业非点源污染模型的结合，为研究 提供了有力的支持，也提高了非点源污染的负荷精度，有着广阔的 发展前景和巨大的应用潜力。彭盛华等人以汉水流域为例，以1 ：1 0 0 万数字化地图数据a r cc h i n a 为基础，开发了基于6 i s 技术的汉水 流域水文水环境信息系统n ”。 7 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 第二章非点源氮污染的理论研究 氮素是农业生态系统中最重要的营养元素之一，在大多数情况 下施用氮肥都可以获得明显的增产效果，但是氮素也是重要的环境 污染因子，当水体中总氮浓度达0 1 2 0 1 5 m g l 以上时，即被视为 富营养化水体。由农田氮素流失引起的水体富营养化、地表水环境 恶化、地下水硝酸盐含量超标等环境问题已日益严重心”。在土壤一 作物系统中，氮素的作物利用率仅为2 0 3 5 ，大部分被土壤吸 附、累积，部分逐渐供作物吸收利用，有5 l o 挥发到大气中。 随降水径流和渗漏排出农田的氮素中有2 0 3 5 是当季施用的氮 素化肥”“。由农田氮素造成的非点源污染对当今世界水质恶化构成 了最大的威胁，但其运移规律和形成机理等都不太清楚，因此由农 田氮素造成的非点源污染的产污机理，影响因素及其污染负荷的定 量计算和调控对策研究己引起国内外学者的高度重视。 2 1 非点源氮的迁移转化途径 非点源氮的迁移过程包括降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表 溶质溶出过程和地表溶质渗漏过程，这四个过程相互联系相互作用 n ”其迁移转化主要是通过淋溶、土壤侵蚀、氨的挥发、硝化和反 硝化作用等，并通过地表径流、农田排水和淋溶途径进入水体形成 非点源污染。 2 1 1 地表径流 农业非点源污染主要通过地表径流作用形成，它将作物未利用 的氮带出农田，并污染周边环境。当降雨和灌溉强度超过农田土壤 下渗速度时就形成了地表径流。地表径流中损失的氮包括颗粒态氮 和溶解态氮，颗粒态氮指结合于土壤颗粒中的氮；溶解态氮包括无 机氮和有机氮。在未施用肥料的情况下，地表径流造成的氮损失主 要是颗粒态氮，占径流中氮的9 6 以上；施用碳铵后，径流中溶解态 氮浓度占总氮浓度的3 5 以上乜”；在某一特定年份中，农田氮流失量 与土壤矿物氮浓度之间存在明显的正相关关系心”。地表径流的非点 源过程由降雨一径流、水土流失、污染物迁移三个环节组成。降雨 一径流过程是造成面源污染物输出的主要动力，水土流失是污染物 的迁移载体，而地表和土壤的污染物含量及污染物在迁移过程中发 8 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为饲 生的降雨、截留、溶解、化学反应和生物过程等，又直接影响污染 物的输出量，总之，农田径流污染既服从水文学的降雨、产汇流规 律，又有污染物本身的物理运动、化学反应和生化效应的演变，是 水文、地理、气象和水土保持等多种因素综合作用的结果。 2 1 2 农田排水 在农业生产中，农田捧水也是造成农业非点源污染的一个途径， 以前的研究主要关注农田排水所造成的氮肥流失量情况。在马铃薯 与玉米轮作的农田中各施氮肥9 3 4 k g h m 2 和6 2 8 k g h m 2 ，然后对作物 生长的两季进行连续监测，结果表明，因农田排水而流失的氮分别 为2 4 4 k g h m 2 和9 2 k g h m 2 ，农田排水中流失的硝态氮浓度分别是 1 4 m g l 和7 m g l 阻”。对印度海岸带的水田研究发现，农田排水可以 造成3 2 0 所施氮肥的流失，每年氮流失量至少有4 k g h m 2 让“。美 国对连续5 年的小麦田排水中氮的流失观察表明：每公顷施用 4 8 8 k g 、9 6 k g 和1 4 4 k g 氮，在生长旺季排水中的氮量分别是不施肥 的4 8 、9 6 和1 2 7 倍；而在冬季休闲时，也是不施肥的1 0 7 1 6 2 倍m 2 1 3 淋溶 氮素的淋溶损失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以 下，从而不能被作物根系吸收所造成的氮素损失。农田中氮淋溶以 n o s 一为主。n o 。一次之，n h 。+ 只占很小的比例。由于土壤颗粒吸附n 也+ ， 而几乎不吸附n 0 ，一，因此n h + 基本上滞留在剖面上、中层，而n o ，。在 下、中层大量存在。n 0 ：一作为硝化和反硝化过程的中间产物，存在时 间短，因而淋溶过程不重要。氮素淋溶受进入土壤的水量和水流强 度、土壤特性、轮作制度、藏肥制度、氮肥种类、氮肥用量和施用 方法等因素的影响，氮总是与水分同步下渗。淋溶作用是一种累进 的过程，在当季未被淋溶的氮，以后可继续下移而损失；已淋溶的 氮( 特别是硝态氮) 在此后的旱季中又可随水分的向上移动而重新进 入根系活动层供作物吸收比“硝酸盐的淋溶受两大因素控制：一是 淋溶时土壤中硝酸盐的浓度，二是流出作物根际的水分数量，氮素 的淋溶几乎全部以硝态氮的形式“圳。全球硝态氮淋溶在春夏时期 平均为9 7 k g h m 2 ，而秋冬时期平均为1 9 9k g h m 2 ，差异主要是农田 灌溉水平不一致所导致1 。3 年监测结果表明，在以传统耕作和免耕 9 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为铡 两种耕作方式下，马里兰农田硝态氮淋溶浓度分别为1 3 7 m g l 和 1 4 4 m g l 口“在西班牙的农田中，每年氮淋溶达到了2 0 2 k g h m 2 ，占 所施氮肥量的4 8 。在我国太湖地区稻夏轮作农田中，夏季施氮量在 2 7 0 3 1 5 k g h m 2 范围内时，地下水n 0 。一一n 的浓度在i 9 1 1 o m g l ”。 2 2 非点源氦迁移转化的影响因素 非点源氮迁移转化受降雨状况、土壤特性、施肥状况、 农业土 地利用 土地覆盖 和田间管理方式等因素影响。 影响非点源氮迁移转化的主要因素是天气，强降雨形成的地表 径流成为氮迁移转化的主要途径，因而，降雨类型、降雨强度，降 雨时间等对氮迁移转化有重要影响。地表径流氮流失量与径流量成 正相关，累积氮流失量与累积径流量之闯存在幂函数关系：t n - - - a r 6 。 。”硝态氮的淋溶也受降雨的影响，两者呈显著的相关( p 灌溉水 渗漏水。在降雨强度过大或人为排水的情况下， 磷流失的量也越大。田面水与田外水之间磷含量的相关系数为 0 8 0 6 ，达极显著水平h ”土壤扰动情况对磷素的径流流失起一定的 作用，传统耕作土壤生物有效磷的流失量是免耕土壤的3 倍h “。磷 的流失量还与植被、地形条件有很大关系，一般盆地 丘陵 山地， 丘陵山地中等坡度( 2 5 。左右) 磷的流失量最大。 3 2 影响磷素流失的因素 影响磷素流失的因素很多，如土壤质地、土壤性质、磷肥旄用 量及施用方式等，但农业输入给水体的磷几乎全部是和水土流失分 不开的，并且植被类型一土地利用类型在很大程度上左右了氮、磷 营养元素的流失量。 有学者通过人工降雨模拟试验与天然降雨径流过程监测，得出 磷随径流过程的输出特征：总磷、水溶态磷的输出浓度随降雨径流 过程减小，总磷输出浓度递减规律呈抛物线型，递减速度快，水溶 态磷输出浓度呈非线性分布，与总磷比较，其递减变化幅度小；磷 输出速率基本上随降雨径流过程呈递减变化，磷累积输出量呈线性 上升趋势。单保庆等“们也以人工降雨的方法，对巢湖边旱作表层土 壤在降雨后所产生的磷迁移过程进行了研究，结果表明：在两种雨 强值( 7 0 m m 和3 5 m m ) 9 0 m i n 内模拟的降雨过程中，供试的土壤产生表 面径流和土壤内部壤中流两种径流模式。降雨强度大，表面径流和 壤中流始流时间早，水流量和浓度相应商，累积输出也多。相同雨 强下，农田作物的覆盖作用能促进壤中流，减缓表面流，但对始流 1 4 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 时间的影响不大。裸露土壤的总磷浓度曲线呈波浪状递减，作物覆 盖土壤则呈均匀缓慢的递减趋势。在中到大雨条件下，土壤中累积 输出的径流量都低于表面流，差幅决定于土壤表层界面特征，表面 径流中的磷迁移量是壤中流的3 - 4 倍。磷污染物输出方式以悬浮态 总磷为主( 7 8 - 9 4 ) ，溶解性磷和正磷酸盐所占比例很低嵋“。 土壤有效磷含量受多种因素的影响，一般土壤全磷量愈多，有 效磷也增多，两者问成一定的相关性；质地粘重土较砂质土全磷量 高，有效磷以p h 6 7 范围最高，有机质多的土壤，因其分解过程释 放有机磷，又促进无机磷溶解，故使磷有效性增高：溶于土壤溶液 中的磷，借助于固相一液相、液相一液相间的平衡体系而扩散，但 由此作用可溶性磷移动的距离很小，扩散系数也仅为1 0 x 1 0 。1 。c m 2 s ；施氮肥。可促进磷的溶解和释放，使植株吸收磷提高。 施硫肥可增加含磷灰石类型土壤磷利用率：土壤渍水还原可致磷酸 铁、铝类化合物溶解而增加有效磷量哺”。这说明合理施肥可提高磷 肥利用率，减少磷素流失非点源污染负荷。 邬伦等“”以于桥水库流域为例，通过人工降雨模拟实验与天然 降雨径流过程监测，得出磷随径流过程的输出特征：总磷、水溶态 磷的输出浓度随降雨径流过程减小，总磷输出浓度递减规律呈抛物 线型，递减速度快，水溶态磷输出浓度里非线性分布，与总磷比较， 其递减变化幅度小；磷输出速率基本上随降雨径流过程呈递减变化， 磷累积输出量呈线性上升趋势。 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 第四章普兰店大沙河流域调查与研究 4 。1 大沙河流域概况 普兰店市位于辽东半岛中南部，千山山脉余脉贯穿全境，地理 坐标东经1 2 1 。5 0 3 0 ”1 2 2 。3 6 3 0 ”，北纬3 9 6 1 8 4 0 ” 3 9 。5 9 o o ”。全市总面积2 8 9 6 平方公里，其中陆地面积8 2 0 6 5 公 顷，海涂面积7 5 3 2 8 公顷。全市耕地为9 5 万亩，总人口8 2 万人， 其中农业人口6 4 万人。地势北高南低，西高东低。地形大体分为三 部分：北部低山区( 占全市总面积1 5 8 ) 、东北及中部丘陵区( 占全 市总面积3 0 5 ) 、南部沿海丘陵平原区( 占全市总面积5 3 7 ) 海岸线总长6 5 公里。 普兰店市属暖温带大陆性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四 季分明。一般六月份进入雨汛期，七、八月份为主汛期全年平均 气温8 4 9 4 ，年平均日照2 5 0 0 2 8 0 0 小时。日平均日照每天 7 小时。普兰店市以东属湿润半湿润区，年平均降雨量在6 0 0 m m 9 0 0 m m ，普兰店市以西为半干旱地区，年平均降水量在5 0 0 m m 6 0 0 m m 。 大沙河是普兰店境内一条主要河流，在其境内逶迤6 0 多公里后 由大刘家镇入海。大沙河流域面积9 6 4 平方千米，长9 6 5 千米，平 均坡降1 3 4 ，径流量2 6 0 亿立方米，径流深2 6 9 7 m m 大沙河流域主要以玉米种植为主，兼有菜地、大棚和少量水田。 4 2 研究方法 4 2 1 采样地点 分别在春季施加底肥后和夏季追肥后对大沙河水质进行采样分 析测定水质的总氮( t n ) 和总磷( t p ) 。 由上游向下游沿流程选取五个采样点，依次为：元台、八家子、 后线石、海皮大桥、后大院，如图1 。 农业非点源污染研究以普兰店大沙河流域为例 4 2 2 实验分析方法 4 2 2 1 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测水质中的总氮( g b 1 1 8 9 4 8 9 ) 在1 2 0 - 1 2 4 的碱性介质条件下，用过硫酸钾作氧化剂，不仅可 将水样中的氨氮和亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐，同时将水样中大部分 有机氮化合物氧化为硝酸盐。而后，用紫外分光光度法分别于波长 2 2 0 n m 与2 7 5 n m 处测定其吸光度，按a = a 。一2 a 。，；计算硝酸盐氮的吸光 度值，从而计算总氮的含量。 由于过硫酸钾在2 2 0 n m 处有强烈的吸光作用，因此过硫酸钾的 消煮完全与否对实验结果有很大的影响。一般消煮4 0 分钟以上比较 合适。 总氮含量c 。( m g