（环境科学专业论文）模拟水分对秸秆释放主要面源污染物的影响.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 还田时，水旱交替秸秆释放的n 、p 高于水田与早地环境；翻埋还田时，单位秸秆n 释放能 力则表现为水旱交替 旱地环境 水田，单位秸秆p 释放旱地 水旱交替 水田。 以上结论为实际农作物秸秆的循环使用提供一定的科学理论支持，但模拟试验由于自身 条件限制，与农田条件存在差距，且试验仅使用了自然风干麦秆，与实际农业生产存在一定 的差异，这些问题都是将来研究中待改进的地方。 关键词：秸秆，氮，磷，c o d ，水分 西南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，n o n - p o i r l tp 0 1 l u t i o ni s as e r i o 惦e l _ i v i r o m t 圮n t a lp f o b l e n l ，肌db e c m 塔es om 柚y c h m c t 硎s t i c so f “sp o l l u t i o ns u c h 淞佗g i o m ld i s p e r s i b i l i 劬u n c e n a i n 吼h y s t e r e s i s ，f i l z z i i l e s s 锄dl a t e n tn a t u 把o nt i i l l c ，i t sh a r dt 0p 他d i c tt l l en u t r i e n te l e m e n tl o s t m e a n w h i l ei i lp r a c t i c a l w o d d n g ，n sd i 伍c u l tt oo b t a i l le n o u g l li i 面肌a t i o n 锄d 圯他s u l to fp o l l u t i o ni so n aw i d e ns c a l e s ， i n o 托o v e r t l l e 聆e x i s ts o m et o u g ht i n g ss u c h 蠲c o n 心o l l i n g 锄dm 锄a g e m e n t ，s oa1 0 to fa n e n t i o n w 私p a i do nt l l em o d u l ef o rc a l c u l a h g 删t r i 饥te l e 脒m t1 0 s ta n dt l l ee s t i i l l a t i o no fp o l l u t i o n i i l 也e f i e l do ff 撕n gp r o d u c t i o n ，n u t r i 锄te l e m e n tl o s tc a u s e d l ed e c r c 硒i n go ff i e n i l i z e 璐u t i l i z a t i e 伍c i e n c y m e 锄w h i l en l r o u g ht 1 1 em i i l f a l l 锄di r r i g a t i o n ，n u t r i e n te l e m e i l tw e n ti 1 1 t 0t l l e s o u r c eo f s u r f a c ew a t e r0 ri n f i l 缸a t e di n t od 印1o f w a t e rb o d y w l l i c hc a u s e dw a t e rp o l l u t i o n ，卸dm a d et l l e q u a l i t ) ，o fw a t e rg o i n gw o r s e o n m eo t h e rh a i l d ，i nc h i n at l l e r ee 如s ta b o u t18h u n d r e d si i l i l l i o nt o 璐s t r a w st 0b ed i s p o s e d 1 k a p p l i c a t i o no fs t r a w sf o rf e n i l i z 盯i sad o u b l e - e d g es w o r d n 伽g l lt 1 1 ea p p l i c a t i o no fs 仃a w sc 觚 p r o m o t ef e n i l i t y i tb e c 锄ead i s o r d e rp o l l u t i o ns o u r c et 0l e to u tn u r n b e r so fn u 砸e n te l 锄e n t s s u c h 笛n ，p a n dc o db e c 卸o fl a c k m gn o ts t 锄d a r d i z c du t i l i z a t i o n ，w h i c h 、孙ap a r to f n o n p o i n tp o l l u t i o n 锄dd a m a g e dt l l ee c o _ e n v i r o n m t a lq u a l i 哆c 蛐r e n t l y s o m ei 叩o n sh a dd i d m er e s e a r c ha b o u tm ea p p l i c a t i o no fs 劬s s 1 0 p i n gf i e l dt 0i l l u s 的t et h ei i n p a c t n u t r i e i l t s i o s t ，b u ti nf a c tt l l er e m m i n gs 臼随w sb a c kt 0f i e l dm a d ef e w e ri m p a c to ns o i l 锄dw a t e rl o s t ，w h i c h c 锄c r e a t e dt l l ep o l l u t i o no fs u r f - a c ew a t e r 锄d 孕d u n d w a t e r m o r e o v e rt h e 陀i s a n y c o m p r e h e n s i v es t u d i e so np o i l u t i o n1 0 a dc a u s e db ym i sa p p l i c a t i o n 1 nt l l i sp 印e r o nt 1 1 eb a c k g r 0 洫do fs 嘶v s1 1 e c y c l eu t i l i 盟t i o n ，i td i s c u s s e dt l l ed y i l 锄i c c h 啪c t e r i s t i c so fn ，p 锄dc o d 陀l e 弱i i l ga n e rc o v e r i i l g 孤db u 咖n gf o rr e t u m i n gb a c kt 0f i e l d ， t i l r o u g hm r e em a n a g e m e n tm o d u l e s t 0s t i m u l a t ep a d d yf i e l d ，d r y6 e l da n dm t a t i o nf i e l dt oc o n 仃o l w a t e r m e 锄w h i l ei tq u a i i f i e dt i l ep o l l u t i o nl o a dt 0o 脏re n o u g i la n de 腩c t i v cf 0 吼d a t i o 璐t o c o n 仃o lm es o u r c eo fn o n - p o i n tp o l l u t i o ni i lf 砌n g 1 1 1t 1 1 es i m u l a t e dp a d d yf i e l d ，t l 他c o 眦e i 删i o 璐o ft n ，t pi 1 10 v e r i y i n gw a t 盯o fc o v e r i n g 孕o u p w 弱h i g h e rt h 觚b u 叫n gg r o u p ，m en 戳c c e n n 龇i o n sa r e rb u 咖n gw 雒l 嘟t l l 锄l 2 c o n c e n 妇t i o na r c rc o v e r i n g t h e0 c c u 册l c et i i l 地o fm 酞v a l u ew i a t e r3 dt l l 锄c o v e r i n g f u n l l c 加o r e ，t h et o t a lr e j e 笛i n g 猢u mo fb u r y i i l gg r o u pw 舔l o w e rt l l a nc o 删n g c a d d i t i o n a l l y ；t h ec h a n g en n do fc o d w a se n t i r e l y 他v e r s e d 1 i ln l es i m u l a t e dd 巧f i e l d ，t l l ew a t e ri sn e c e s s a r ym e d i 啪t o 咖s p o r tn ，pt l l u g hb u r y i n g h e a n l l e n t ，m ec o n c e n n a t i o 眦o ft n ；t pi i lo v 盯l y i i l gw a t 盯o fb u 咖r l gg r o u pw 笛h i g h e rt l l a n c o v 嘶n gg r o u p t h e s ko fw a t e rp o l l u t i c a 雌e db yb i i 晌gh a 协1 e n tw 舔n 帕咒d a l l g e r o u s 1 i lt l l es i m u i a t e dr o t a “o n 行e l d m e 加t r i e n te l e m e n tl o s tm a i n i y0 c c 崃dp r i 舛t 0f i r s t4w e e l c s t h e i 西南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e ) 【仃e m ev a l u eo f t n ，t pmc o v e 血gg r o u po c c 砒r e dt h et l l j 帕w e e k t h ec o n c e i i t i 锄i o no fn u t r i 伽峪 i i lb u d r i i l gg r o u ps h o w e daf e e b l e 鹊c e n d i l l g 仃e n d f m t l l e m l 0 他，t h e 粤o 鹞q u a n t i t yo fr c l e 蠲i i l g 五吣mc o v e r i n gg r o u pw 豁l l i g h e rt l l 锄t l l eb u 巧i i l go i 坞m e 缸1 w 恤l et 1 1 e 咖do fc o dw 私心v e 巧e d ( e x c 印tg r o s sq u a j l t i t ) ，o fr e l e a s i l l g ) s o ，t 1 1 et o t a li i n p a c to fp a d d yf i e l d ，d r yf i e l d 狮dr o t a t i o nf i e l d 蚰m en ，p c o d l e 私i n gf 如m s 咖sw e r e a nc o n c l u d e d 笛f o l l o w s ：c o v e 血gb a c kf i e l d ，t l l ew a yo fr o t a t i o nc 锄e n h a n c et 1 1 en ， pr e l e a s i n gh i g h e rt h a np a d d yf i e l da n dd r yf i e l d b u d ，i i 玛b a c kf i e l d ，t h ew a yo fr o t a t i o nc a n e n h a i l c et t l en ；pr e l e 笛i n g1 1 i g h e rd r yc o n d i t i o n ，m er e l e 笛i n gw 船l o w e s ti i lt l l ec o n d i t i o no f p a d d yf i e l d 1 h ep 托l e 舔i n g 舶mu n i ts t r a w sw 勰k g l l e r 姗r o t a t i o n ；恤他1 e 笛i n gpc a p a b i l i t y 丘0 mp a d d yf i e l dw 硒w e a l 【e s t i i lt h es a m ew a yo f w a t c rm 锄a g e n l a 呲，t l l em 缸佗l e a s i n gq u 锄t i t y o f n 卸dpw 笛c o 璐i s t e n tw i t l lt h en n do f n ，pr e l e 笛i i l g6 广o mu 1 1 i ts 臼陋w s a l la b o v ec o n c l u s i o l l sc 锄跚p p o r tm e 代c y c l eu t i l 汤t i o no fa 鲥c u l t i l m lb y p r o d u c t sf o ras c i e n t i f i c b 勰e h o w e v e r ，1 el i r i l i t a t i o no fs i m u l a t e de x p e r i m e n t ，m em i m i cc o n d i t i o nw 雏d i f f e r e n tf r o mt l l e p r a c t i c a lf 姗i n gc o n d i t i o n ，肌do n l yn a 咖la i r 叫d 巧s 们w sw e r cu s e di 1 1 t l l ee x p e m e n t ，t 1 1 e r e s u l t so f r e s e a r c hw e 咒n o ta l lp e r f e c t ，缸曲e rs t u d i e sw i l lb ed o n et op r o m o t eo u rr e s e a r c h k e yw o r d s ：s 臼麓w s ；n i 仃o g e n ；p h o s p h o m s ；c o d ；m o i s t u 他 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已 加了标注。 学位论文作者：翕龟登签字日期：翊年么月乃，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名：磊乏- 缕导师签名：趣薹蚕 签字日期：彩年石月，口日签字日期：加留年莎月，o 日 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间撰写 的论文知识产权保护的规定。本人撰写的论文是在导师具体指导下， 并得到相关研究经费支持下完成的。具体数据和研究成果归属于导师 和作者本人，知识产权单位属西南大学。本人保证毕业后，以本论文 数据和资料发表论文或使用论文工作成果时，署名第一单位仍然为西 南大学。 、 论文作者签名：泵锬 西南大学硕士学位论文文献综述 第1 章文献综述 众所周知，非点源污染在水污染中占有相当大的比例，如美国1 9 7 0 s ( k e ，1 9 7 9 ) ，9 2 的s s ，7 9 的t n 、5 3 的t p 来自于非点源污染：1 9 8 0 s ( m a r t h a ，1 9 8 7 ) 5 7 的b o d 5 、 8 7 的t n 、5 8 的t p 、总悬浮固体的9 8 ；1 9 9 0 s ( d e n m s ，e ta l ，1 9 9 7 ) ：全球3 0 一5 0 的陆面受到非点源污染的影响。丹麦2 7 0 条河流9 4 氮负荷，5 2 磷负荷都是由非点源污染 引起的( 黼锄g ，1 9 9 6 ) 。荷兰农业非点源污染提供的t n 、四分别占水环境污染总量的 6 0 和4 0 一5 0 ( b o e 巧，1 9 9 6 ) 。 虽然氮素流失造成的污染问题最初是在发达国家出现的，但当前最严重的主要分布在我 国部分地区，印度以及其他一些发展中国家( z l l 锄g ，1 9 9 6 ) 。中国水体富营养化的面积在 逐年增加，水流域的非点源污染也很严重，北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云南 洱海、上海淀山湖、太湖等水域，非点源污染比例超过点源污染。据已有研究表明：密云水 库污染年总负荷量中，6 6 的t n 、8 6 的1 1 p 来自非点源污染( 鲍全盛，等，1 9 9 7 ) ；每年 进入云南洱海的t n 约9 8 9 1 t ，t p 约1 0 8 1 t ，其中非点源污染分别占总量的9 7 1 和9 2 5 ， 点源污染仅占3 和7 5 ( 屠清瑛，等，1 9 0 0 ) ；非点源污染在巢湖总体污染负荷中也占很 大比例，其中t n 占7 4 ，t p 占6 8 ( 杨苏树，1 9 9 9 ) ；滇池和太湖富营养化严重，其中非 点源污染的t n 和t p 所占污染负荷比例分别为5 2 7 、7 7 和“、3 3 4 ( 熊丽君，2 0 0 4 ) 。 以上表明，非点源污染由于自身的地域分散性，时间上的不确定性、滞后性、模糊性、潜伏 性，信息获取难度大，危害规模广，研究控制与管理难度大等特点，使得营养元素流失模型 和污染负荷估算成为研究热点。 1 1 非点源污染的来源 1 1 1 非农业输入 大气中的有毒物质直接降落在十壤或者水体，或随同降雨、降雪聚集在土壤或水表面。 在降雨过程中，尤其是持续性强降雨和暴雨季节，雨水以及所形成的径流，流经城镇地面， 城镇工商业发展所形成的特定商业环境、人居环境，城镇地面所聚集的一系列污染物，如原 油、盐份、氮、磷、有毒物质会随着雨水形成人量径流，进入河流、湖泊污染地下水和地表 水。 土壤侵蚀是规模最大、危害程度最严重的一种非点源污染过程，土壤侵蚀使土壤表层的 有机质层流失，导致水土流失。水十流失与非点源污染是密不可分的，水土流失带来的泥沙 本来就是污染物，而且泥沙是有机质、金属、磷酸盐等污染物质的主要载体。尤其降雨过程 中所发生的地表侵蚀，使地表的植物残枝落叶及其所形成的腐殖物随地表径流进入水，在一 定程度上也可以形成非点源污染。由于林区人为活动强度低地表植被覆盖率高，与其他非 点源污染相比，林区地表径流形成的非点源污染负荷一般较低。但在森林采伐区，由于对地 西南大学硕士学位论文 文献综述 表植被的破坏可以增加地表径流，因而增加了区域的非点源污染。 1 1 2 农业输入 农药和化肥的不合理施用是造成水污染和富营养化最直接也最主要的来源。畜禽养殖， 未经处理和利用的粪便直接污染了土地，又随降雨进入水体形成大面积污染。 由于农村的基础设施比较落后，随着农村经济的快速发展，农村生活所产生的废水和垃 圾量日益增多，与此同时，随着农村生活水平的提高，传统的农业生产中固体废物的再利用 方式在逐步弱化，大量蔬菜、秸秆等生产废物与生活垃圾一起四处堆放。在暴雨的冲刷下使 大量的渗滤液排入水体。另外，由于中国农村和村镇有沿河沿湖岸堆放垃圾的习惯，这些垃 圾在暴雨时会直接冲入河道，从而形成更直接，危害更大的非点源污染。农村生活废水和固 体废弃物成为了中国农业非点源污染中一个特有问题。 污水灌溉部分营养元素可以作为农作物吸收，但如果施用量过大或时间不恰当，许多污 水未经过农作物和土壤的自然净化而直接进入水体，同样导致土壤和地表水以及地下水污 染。 1 2 氮磷污染途径 氮和磷通常是水中植物生长的制约因子，国际上一般认为总磷浓度为0 0 2 m g l ，总氮 浓度为o 2 m g l 是湖泊富营养化的发生浓度。磷是水产生富营养化的限制因素( k e ，1 9 9 8 ； 鲁如坤，2 0 0 0 ) ，如果磷素未达到一定含量，仅有氮、碳元素是不会引起水富营养化的。因 此，从水富营养化的发生角度出发，考察总氮、总磷动态变化有一定的重要意义。许多学者 从动态过程的角度对农业非点源污染进行了深入研究，作为一个连续的动态过程，农业非点 源污染的形成主要经历以下几个过程：降雨径流过程，土壤侵蚀过程，地表溶质溶出过程和 土壤溶质渗漏过程，这四个过程相互联系相互影响。 1 2 1 降水径流 降雨径流过程研究，大多以水文学为基础，重点研究非点源污染动力的径流的产流汇流 特征。据我国许多湖泊水的调查研究，输入湖体的污染物人约有一半以上来自于非点源污染， 它们主要通过径流进入水体( 金相灿，2 0 0 1 ) 。氮磷流失的过程主要是随降雨径流、水土流 失、污染物迁移这个三个环节组成( 王晓燕1 9 9 6 ) 。 降雨径流过程是造成农田氮磷污染物输出的主要动力，水土流失是污染物的迁移载体， 地表和土壤的污染物含量及污染物在迁移过程中发生的降雨、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。傅涛等( 1 9 9 9 ：2 0 0 3 ) 在对三峡库区紫色土和黄色石 灰土养分流失研究时候得出结论：径流养分含量与产流过程一致，雨强和养分流失量呈正相 关，泥沙养分含量与雨强无关，但随坡度增加而降低。 2 西南大学硕士学位论文文献综述 1 2 2 淋溶流失 氮还可以通过土壤的渗透作用进入水体，彭琳等所作的研究表明土壤中硝态氮每年随水 而下渗的深度为1 0 1 5 m ( 彭琳，1 9 8 1 ) 。据英国洛桑试验站资料显示，磷在土壤剖面中向 下移动的速度每年不超过0 1 o 2 m m ，在沙质土壤中，磷每年可下移的速度达到1 5 2 c m ( s h a 叩l y ，1 9 8 5 ) 。相对于n 0 3 n ，土壤对磷有强烈的固定作用，所以也不容易被雨水、灌 溉水淋溶损失，若在刚施用大量磷肥后紧接着一场大雨或者灌水，还是有相当数量的磷随水 流失，据估计全世界有2 0 0 万3 0 0 万讹磷流失至水中( h e c k r a m ，1 9 9 5 ) 。 1 2 3 土地利用方式污染潜势 k v 姗n 研究了不同土地利用方式控制的流域养分流失比较，结果显示农田的氮、磷流 失量远大于草地和林地( l a 毗n c e ，1 9 9 3 ) 。国内相关研究指出杭州流域不同土地利用方式 的化肥流失预测表明，农田控制流失总氮几乎高达草地的2 倍，林地的5 倍，其总磷流失量 是草地和林地的6 倍( 谷丰，2 0 0 5 ) 。孟庆华( 1 9 9 9 ) 对三峡库区几种代表性土地利用方式 对养分流失年输出总量影响做了比较，结果显示坡地农田 梯田农田 梯田果园 坡地果 园。由此看出，土地不同利用方式是氮磷营养元素流失的一个重要影响因素。 农村非点源污染主要来源于农业生产活动，化肥农药的施用，畜禽养殖的污物排放和农 村废弃物等( l e e ，1 9 7 9 ) 。我国农业用水量占国民经济用水量的7 0 左右，由于水资源总 量有限，城市和工业用水日益增加，农业用水量在相对减少。在这种发展背景下，如何保障 农业稳产、高产成为水利专家等学者关注的问题。在灌溉对环境影响方面，由过去单纯研究 灌溉条件卜的水盐运动，逐步转向各种农业化学物质在作物土壤地下水系统中运移规律的 研究，探讨化肥、农药、污染物、细菌、病毒在土壤中吸附、解吸、传输的过程和机理，区 域地卜水、十壤水和溶质运移的空间变异性和随机理论的研究是目前研究的热点。在地面灌 溉中的水肥淋失规律及数值模拟、污水灌溉对土壤污染等方面的研究取得大量成果。 1 3 秸秆还田对农业环境的影响 1 3 1 改良土壤 有研究表明：有机物料添加入土壤后在干湿交替，冻融交替或者生物作用等外部因素的 促进作用_ 卜，不仅可以减少c 0 2 的释放，还可能增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，恢 复和重建良好的土壤结构( h o m ，1 9 9 0 ：b y ，1 9 9 4 ) 。 目前多数土壤学者普遍认为秸秆还田是缓解土壤有机质损失的较好的管理方法，澳大 利亚一项研究表明，秸秆还田处理比秸秆焚烧处理土壤颗粒有机质碳增加3 0 ( g u p t a ， 1 9 9 4 ) 。秸秆还田后，在其腐熟过程中，促进了土壤微粒的团聚作用，改善了土壤结构，以 及水、肥、气、热的状况王洪英等( 2 0 0 4 ) 也证实，秸秆还田后，土壤中氮、磷、钾养分 有所增加，尤其是速效钾的增加最为明显。稻草富含纤维素、木质素等富碳物质，是形成水 3 西南大学硕士学位论文 文献综述 田有机质的主要来源，平均增产5 一1 2 。 李香兰( 1 9 9 6 ) 通过田间定位试验得出，新修黄绵土农地增加有机肥施用量是提高陕北 丘陵沟壑土壤有机质的主要途径。许峰( 2 0 0 0 ) 针对三峡库区紫色坡地代表性生态功能区提 出施用有机肥和配有、无机肥一麦秆覆盖两种处理效果可明显控制坡面养分流失。通过对铁 岭市七个县区的农田耕层土壤样品分析( 郑剑英，等，1 9 9 6 ) ，提出增施有机肥( 秸秆还田 和施用农家肥) 以及增加配方有机无机复合肥的投入等方法进行补钾和增加有机质、全氮含 量，可以达到土壤养分平衡，保证农作物高产稳产优质。 1 3 2 减少水土流失 秸秆有很强的吸持水分能力( 李红，等，2 0 0 2 ) ，均匀翻入表土可有效地防止雨滴击溅， 又增加地表糙率，阻延流速，降低水流能量，减少了径流冲刷，具有明显的防蚀效应( 王晓 燕，等，2 0 0 0 ) ，所以能显著减少土壤侵蚀。秸秆覆盖还田免耕还可以减少地表径流量( j o n e s ， 1 9 9 4 ：o w e n s ，1 9 9 3 ；b a 、砌h a r d t ，1 9 9 3 ：d i c k ，1 9 8 9 ) ，与传统耕作相比，地表径流可以减 少5 0 左右( 李小刚，等，2 0 0 2 ) 。土壤侵蚀也会在覆盖免耕的作用下，有显著的改善。b l e v i i l s ( 1 9 8 3 ；e d w a 溅，1 9 9 3 ) 长期实验结果表明，与传统耕作的土壤侵蚀量相比，免耕相对减 少9 4 5 ，e d w 郜d s ( 1 9 9 3 ：m c g 陀g o r ，1 9 7 5 ) 6 年的研究表明，免耕的平均土壤侵蚀量不足 传统耕作的1 0 ，m c 骶g o r ( 1 9 7 5 ；秭p l e t t ，1 9 7 7 ) 发现在高度侵蚀的土壤上，采用免耕， 他发现采用免耕，土壤侵蚀量可以从1 7 5 m t 1 1 m 2 减少到1 8 m t 1 1 m 2 ，v a n b o r 0 1 1 ( 1 9 7 7 ) 研究 发现免耕可减少5 0 的土壤侵蚀。吴伯志( 1 9 9 7 ) 报道土壤流失量，地膜覆盖( 5 9 2 t h m z ) 传统耕作( 5 7 4 1 2 ) 免耕( 1 7 2 仉蚰2 ) 。 1 3 3 影响土壤结构 土壤结构是由矿物质和有机物等土壤成分参与下，在干湿冻融交替等自然物理过程作用 下形成的不同尺度大小的多孔单元( d e x t 盯，1 9 8 8 ) 。外源有机物的添加一直以来都是提高 土壤有机质含量、恢复重建退化土壤的重要措施之一( 姚贤良，1 9 8 6 ；蔡晓布，等，2 0 0 3 ) 。 有机物添加入十壤后，随着微生物对其的分解被矿物颗粒吸附并被其包被成为团聚体内核， 是团聚体形成利稳定的一个主要机制，也是土壤结构稳定性的一个重要方面( g o i c h i n ，e ta l ， 1 9 9 4 ) 。有许多研究已经证实了这一点：t i s d a u 等强调粘粒吸附在有机物表面而不是有机物 吸附在粘粒表面( t i s d a l l ，e ta l ，1 9 8 2 ) ，o a d e s 等( 1 9 8 8 ) 也证实l o o 2 0 0 岬团聚体核心 是有机物残体。另，t i s d a l l 等( 1 9 9 7 ) 对不同类型的真菌培养，发现菌丝绑住粘粒矿物和颗 粒有机物形成较大的团聚体。j 淞仃0 、( 1 9 9 6 ) 研究表明，添加的植物残体，主要通过真菌 菌丝体生长和其他微生物产生胞外多糖的分解活动，在使土壤颗粒或者胶体和矿物质结合中 起核心作用，菌丝体和其他根际微生物产生的有机化合物可使微团聚体进一步胶结成大团聚 体。 吴崇海( 1 9 9 6 ) 等进行小麦不同留茬实验中，发现与空白对照相比各留茬处理的土壤容 4 西南大学硕士学位论文文献综述 重降低0 1 5 加2 9 c i n 3 ，总空隙度增加5 6 一7 4 。杜守宇( 1 9 9 4 ) 认为秸秆覆盖田面可减 轻雨水对土壤拍打冲击淋洗，保持表土不被压实而下沉，并可消除阳光暴晒而引起的表土硬 结龟裂，使土壤保持良好的结果。但是也有些研究结果表明秸秆覆盖还田对土壤容重、空隙 度等土壤结构改善并不明显，甚至还有破坏结构的趋势。王玉坤所进行秸秆覆盖3 年试验结 果表明，耕层土壤眦0 锄土壤容重下降率为1 5 。据袁家富( 1 9 9 6 ) 研究表明麦田覆盖 3 0 0 0 k g l l m 2 稻草对土壤有机质、容重、总空隙度的影响在试验前后并无明显差异：稻草覆 盖收麦后土壤有机质含量较裸地和试验前后分别平均上升了6 6 5 和6 3 9 ，容重下降了 7 7 5 和7 7 3 ，总空隙度增加了6 4 4 和6 6 0 。本来土壤容重和空隙度的变更受外界人 为耕作活动影响较大，所以不同的结论可能由不同具体的耕作措施所导致。 1 3 4 影响作物生长 现在，发展中国家秸秆还田可能存在一些误区，一方面：秸秆中的虫卵、带菌体一些病 虫害，在秸秆直接粉粹过程中无法杀死，还田后留在土壤中，易感染病虫害，造成作物减产， 且作物秸秆本身的c n 比值都比较高，一般玉米秸秆为5 3 ，小麦秸秆为8 7 ，过高的碳氮比 在秸秆腐烂过程中会出现反硝化作用，微生物吸收土壤中的速效氮素，把农作物生长所需的 速效氦夺走，使幼苗发黄，生长缓慢。另外一方面，秸秆采用不同的还田方式时候，例如覆 盖还田，可能会给灌溉带来不便，造成水资源浪费，还严重影响播种。 1 3 5 导致养分损失 秸秆还田方式目前集中表现为：翻压还田，碎秆还田，易地还田，堆腐还田和秸秆机械 化还田。有研究表明，虽然秸秆还田能减少地面增发但增加水分下渗，对淋失的影响甚至比 施氮因素的影响更大( e p h e r d ，e t a l ，1 9 9 6 ) 。国内外许多研究者试图通过改变肥料自身的 形态结构，实现氮素的缓释( 樊小林，1 9 9 8 ) ，或通过抑制土壤微生物的活性，降低氮素分 解的速率( 张夫道，1 9 9 8 ) ，达到减少氮素损失的目的。目前秸秆应用于坡地以验证对养分 流失影响的研究国内已有报道( 张兴吕，等，2 0 0 l ；袁东海，等，2 0 0 3 ) ，但是秸秆还田对 于农田水土流失的影响比较少( 李红，等，2 0 0 2 ：王晓燕，等，2 0 0 0 ) ，在降雨和灌溉作用 下可能造成地表水和地下水污染，且关于这方面造成的污染负荷尚未见具体的量化报道。 1 4 选题出发点和切入点 我国是一个农业大国，但受经济和科学技术的发展限制，农业生产方式还基本处于人工 劳作状态，相对应的农业管理手段比较落后，对农业污染应急处理措施也较模糊。就农田而 言，营养元素流失情况日益严重，不仅造成了肥料利用率降低，而且未被作物利用的营养元 素在降雨和灌溉作用下直接流入地表水源或者渗透至地表下层，造成水污染，使水质恶化。 研究表明( c 0 0 k e ，1 9 9 4 ) ，当化肥施用量超过一定水平以后，其养分流失量显著增加，但 减少化肥施用量或者不施用化肥，其养分流失量差别不大，而作物产量却急剧下降，这主要 5 西南大学硕士学位论文文献综述 是由于土壤养分大量积累，而土地保肥能力有限造成的结果。但是在一些贫困偏远山区，甚 至无化肥可用，依然处于天生天养的原始状态。我国化肥施用情况更值得关注的是其利用率 很低，据统计，氮肥平均利用率为3 0 。3 5 ，磷肥为l 缸2 0 ，钾肥为3 5 一5 0 。据鲁 如坤等人( 2 0 0 0 ) 对我国南方六省农田养分平衡现状评价结果表明，6 省农田氮磷、钾素平 衡均处于盈余状态，一般当农田氮素盈余超过2 0 、磷素超过1 5 0 、钾素超过5 0 ，即分 别可能引起氮素、磷素和钾素对环境的潜在威胁。由此可见，施用化肥的农田在降水和灌溉 共同作用下，随地表径流和渗透作用进入水体，会造成一些严峻的环境问题。 我国每年约有1 8 亿t 秸秆和农副产品加工的废弃物排放，其中含有7 0 0 万t 氮素、5 0 0 万t 磷素，相当于我国目前施用化学n 肥的l 3 化学p 肥的两倍( 牛灵安，等，1 9 9 8 ) ， 尤其是在南方红壤区水稻秸秆产量最大，约占总秸秆产量的3 0 ( 韩鲁佳，等，2 0 0 2 ) 。基 于发展中国家化肥使用经济成本高和施用不科学可导致的环境问题，在新农村建设的大力提 倡下，农业生产中出现了越来越多农副产品替代化肥施用还田现象。尽管如此，我国由于地 域原因，秸秆利用总体状况并不尽人意，特别是不同地区之间、不同季节之间的利用差异非 常大，相当部分的作物秸秆仍残留田间。有资料表明，我国主要农作物秸秆总量在5 7 5 2 0 万6 8 4 7 0 万t ，约l 3 直接浪费，平均利用率不到7 0 。以山东省为例，其中秸秆直接还田 6 9 、过腹还田1 4 9 、沤肥还田1 3 3 、农村生活用能1 1 9 、工副业生产原料7 8 ，秸 秆的综合利用率为5 4 8 ( 董佑福，等，2 0 0 7 ) 。大量残留于田间的秸秆对农业生态环境起 着双重作用，一方面是为作物归还养分，增加土壤肥力，相应地减少化肥的施用水平，同时 秸秆覆盖还田还可以减少农田径流，总之，其保护农田生态环境的作用明显。另一方面，由 于利用技术的不规范，使得秸秆在自然分解过程中向水环境无序排放n 、p 、c o d ( 有机质) 等物质，不自觉地构成了农业面源污染的重要组成部分，即损害生态环境质量。由于农业生 产的特殊性，无法对农业排污进行集中处理，普遍存在田面水在稻田之间串流，田面水外漏， 水资源利用系数低等现实问题( 马龙华，2 0 0 4 ) ，适宜的秸秆处理和利用方式，可以改善土 壤肥力、保持水土和养分、增加产量，促进农业的良性循环，所以建立以秸秆还田为代表的 资源节约型施肥制度十分重要( 徐泰平，等，2 0 0 6 ) 。 总之，我国作物秸秆利用还处在起步阶段，火量秸秆得不到妥善的处理，且从技术层面 上来看我国作物秸秆利用技术仍是一些原始的、单项的、低效的初始技术。所以从满足经 济效益和环境效益共同发展的需求出发，急迫地需要寻找到综合的高效的成套技术( 安成立， 2 0 0 3 ) 。h d e ( 2 0 0 4 ) 等认为控制农业非点源污染最有效和最经济的方法是采取适当的生 态农业技术，如合理的农业耕作方式、施肥方式和灌溉方式等。 目前对于秸秆还田方式、还田量、灌溉方式的安全范围，对水环境造成潜在危害问题缺 乏实在的研究数据。长期以来，对秸秆的正负效应缺乏量化数据这样更加剧了秸秆的无序 利用，为此有必要正确界定秸秆对农业生态环境的两种正负效应，为合理利用秸秆提供理论 依据。 6 西南大学硕士学位论文引言 第2 章引言 2 1 研究目的和意义 我国作物秸秆利用还处在起步阶段，大量秸秆得不到妥善的处理，且从技术层面上来看， 我国作物秸秆利用技术仍是一些原始的、单项的、低效的初始技术。从满足经济效益和环境 效益共同发展的需求出发，急迫地需要寻找到综合的高效的成套技术。h e n d e 等认为控制农 业非点源污染最有效和最经济的方法是采取适当的生态农业技术，如合理的农业耕作方式、 施肥方式和灌溉方式等。 由于农业生产的特殊性，无法对农业排污进行集中处理，普遍存在田面水在稻田之间串 流，田面水外漏，水资源利用系数低等现实问题，适宜的秸秆处理和利用方式，可以改善土 壤肥力、保持水土和养分、增加产量，促进农业的良性循环，所以建立以秸秆还田为代表的 资源节约型施肥制度十分重要。 本文在农作物秸秆循环利用的背景下，通过模拟水田、旱地、水旱交替等3 种水分管理 模式，探讨秸秆覆盖还田与翻埋还田后释放n 、p 、c o d 等污染物的动态特征，以及由此可 能引发水污染的负面流失量化，为农业面源污染的源头控制提供决策性参考依据。 2 2 研究内容 2 2 1 模拟水田秸秆养份释放主要面源污染物的影响研究 在模拟水田环境的条件下，研究秸秆还田量、还田方式对污染物释放速率的影响及其对 水污染的负荷。 2 2 2 模拟旱地秸秆养份释放主要面源污染物的影响研究 在模拟早地环境的条件下，研究秸秆还田量、还田方式对污染物释放速率的影响及其对 水污染的负荷。 2 2 3 模拟水旱交替秸秆养份释放主要面源污染物的影响研究 在模拟水旱交替环境的条件下，研究秸秆还田量、还田方式对污染物释放速率的影响及 其对水污染的负荷。 7 2 3 技术路线 试验采用的技术路线见图2 一l 。 图2 1 研究技术路线 f i g 2 lr e a s 他hm u t i n ea n dt e c h n i q u e 8 西南大学硕士学位论文 材料与方法 3 1 试验材料 3 1 1 供试秸秆 第3 章材料与方法 小麦秸秆取自于西南大学农场。麦秆经自然风干，切碎至大致5 c m 长短供用。测定小 麦秸秆t c 、t n 、t p 含量分别4 5 1 、5 4 6 、o 3 3 9 l ( g 。 3 1 2 供试土壤 土壤采自西南大学校园，为弱碱性紫色土壤。基本理化性质见表3 1 。自然风干后，过 5 m m 筛后混匀，备用。 表3 1 供试土壤基本理化性质 1 a b l e3 - 1p h y s j c a ia n dc h e m i c a lp r o p e r i t i e so fs o 订u s e d 3 2 试验设计 依据秸秆的全碳、氮、磷含量，换算得出施加秸秆所含全氮全磷含量，按照尿素( c o ( n h 2 ) 2 ) 中含纯氮4 5 ，过磷酸钙( c a ( h 2 p 0 4 ) 2 h 2 0 + c a s 0 4 2 h 2 0 ) 含磷1 2 ，氯化 钾( k c l ) 含钾5 0 可计算得出2 秸秆和6 秸秆还田量，分别等于施入尿素o 5 0 l g l ( g 、 过磷酸钙0 1 1 0 9 l 【g 、氯化钾1 6 5 6 9 l ( g ；尿素1 5 0 4 9 l ( g 、过磷酸钙o 3 3 0 9 l ( g 、氯化钾4 9 6 8 9 l ( g 。 3 2 1 模拟水田对秸秆释放主要污染物的影响 本试验目的是监测模拟水田环境秸秆释放污染物的动态变化。试验因子及水平分别为秸 秆还田量( 相对土重) ( o 、2 、6 ) ，还田方式为覆盖、翻埋。处理代码分别为c k 、c p 2 、 c p 6 、m p 2 、m p 6 ：试验响应指标为上覆水t n 、t p 、c o d 浓度等。 3 2 2 模拟旱地对秸秆释放主要污染物的影响 本试验目的是监测模拟早地环境秸秆释放污染物的动态变化。试验因子及水平分别为秸 秆还田量( 相对土重) ( o 、2 、6 ) ，还田方式为覆盖、翻埋。处理代码分别为c k 、c d 2 、 c d 6 、m d 2 、m d 6 ：试验响应指标为下渗水t n 、t p 、c o d 浓度等。 3 2 3 模拟水旱交替对秸秆释放主要污染物的影响 本试验目的是监测模拟水早交替环境秸秆释放污染物的动态变化。试验因子及水平分别 为秸秆还田量( 相对土重) ( 0 、2 、6 ) ，还田方式为覆盖、翻埋。处理代码分别为c k 、 c a 2 、c a 6 、m a 2 、m a 6 ；试验响应指标为上覆水t n 、t p 、c o d 浓度等。 9 西南大学硕士学位论文 材料与方法 3 3 试验方法 3 3 1 模拟水田试验 2 0 0 7 年6 月1 5 日，在底部直径1 5 c m 、口径2 0 c m 、高3 0 c m 的带盖桶内装土2 5 k g ，按 “3 2 试验设计”分别进行处理。各加入5 0 0 0 m l 蒸馏水( 相当于水土比2 ：1 ) ，静置淹水。 桶面覆盖塑料胶纸，由盖压实，以减少水分蒸发，给予秸秆缺氧发酵环境。分别在6 月1 8 、 2 1 、2 7 日、7 月3 、9 、1 2 、1 6 、2 3 日间歇从上层清液抽取水样，监测污染物变化情况 3 3 2 模拟旱地试验 选用直径为l o c m 、高5 2 c m 的圆柱型p v 塑料