（模式识别与智能系统专业论文）通辽污灌土壤氮素含量分析及迁移转化实验研究.pdf

1j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：b 卜年7 月j ，日 导师签名： 易 签字日期州。年7 月岁日 、 ， 中图分类号：x 8 2 5 u d c ：6 3 1 4 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 通辽污灌土壤氮素含量分析及迁移转化实验研究 t h e a n a l y s e st o w a r d st h ec o n t e n to fn i t r o g e ni nt h ep o l l u t e ds o i li n t o n gl i a oa n d t h es t u d yo nt h em o v ea sw e l la st h et r a n s f o r m a t i o n 作者姓名：李桐 导师姓名：姚宏 学位类别：工学 学科专业：市政工程 学号：0 8 1 2 1 6 0 5 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：水处理 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 t 致谢 本论文的撰写工作是在我的导师姚宏副教授的悉心指导下完成的，姚宏老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。两年来，导师指导 我完成了大量的实验室科研工作，在研究方向和研究方法上给予了具体的指导， 同时在学习和生活上也给予了我很大的关心和帮助，使我学到了很多做人做事的 道理，在此特向姚宏老师表示衷心的感谢。 于晓华、周岩梅、田秀君、胡克林、祝贵兵等老师对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵静、袁鑫、翟羽佳、沈燕、水远敏、倪帆、 杨杰、王辉、卜丽丽、云安萍、黄雪、丁彦、常瑞英、冯晓娟、王亮、郅二铨、 王佳、闫旌、柴峰、于珊珊、胡倩倩、姚晓飞、于宁等同学对我论文的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 对两年来所有给过我帮助的人再次致以我最诚挚的谢意! 中文摘要 摘要： 污水灌溉在我国干旱和半干旱地区应用非常普遍，污水中含有大量作物生长 所需的营养元素，其中，氮是作物生长和发育所需的营养元素之一，因此研究污 水灌溉条件下农田土壤氮素的含量具有重要意义。 本文主要进行了两方面的研究：一、选取通辽市污水干渠两侧和具有长期污 灌历史的孔家乡地区的农田作为研究区域，对土壤氮素及土壤常规指标进行测定 分析，研究了土壤氮素及其形态组成的空间分布，并对土壤常规指标与氮素的相 关性进行了研究。二、进行室内土柱模拟实验，分析在不同含氮浓度供试溶液的 灌溉条件下土壤氮素的迁移转化规律。主要结论如下： 1 、污水干渠两侧农田的表层土壤中：全氮含量属中等水平，均值为1 1 9 9g k g ； 硝态氮、铵态氮、有效氮、碱解氮均值分别为4 4 6 5m g k g ，3 9 9 5m g k g ，8 4 6 0 m g k g ，11 3 7 3m g k g 。剖面土壤中：全氮、硝态氮、有效氮在o - 2 0 c m 土层含量 最高；铵态氮主要分布在o 4 0 c m 土层；碱解氮在o 一- l o o c m 随土层深度加深显著 降低。在孔家乡研究区，土壤的铵态氮空间分布无明显规律；全氮、硝态氮、有 效氮在污灌区的含量显著高于清灌区。 2 、室内土柱实验研究表明，剖面土壤全氮、铵态氮、硝态氮的含量均随供试 溶液浓度增大而增大，全氮含量最大值出现在o - - 1 5 c m 土层，在7 5 c m 深度处出现 极大值，灌溉对土壤硝态氮的淋洗作用明显，铵态氮主要集中在o - 4 0 c m 土层。 3 、使用污水灌溉农田，孔家乡研究区年节水量1 0 5 0 万t ，节约肥量5 6 4 8 t ， 直接经济效益约5 0 0 万元。每亩地平均年节水量为3 0 0 m 3 ，节约肥量1 6 k g ，直接经 济效益约1 4 5 元。 关键词：污灌；土壤；全氮；铵态氮；硝态氮。 a bs t r a c t a b s t r a c t ： i na r i da n ds e m i a r i da r e a so f c h i n a ，s e w a g ei r r i g a t i o na r ev e r yc o n l m o n s e w a g e c o n t a i n sl a r g ea m o u n t so f n u t r i e n t sf o rt h ec r o p ， n i t r o g e ni so n eo f t h en u t r i e n t sw h i c h t h ep l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n tr e q u i r e df o r f o rt h a tr e a s o n ，t h er e s e a r c h i n go ft h e c o n t e n to fn i t r o g e ni nt h es o i lu n d e rs e w a g ei r r i g a t i o nc o n d i t i o n si sv e r yi m p o r t a n t t k s p a p e ri sb a s e do nr e s e a r c hc o n d u c t e di n2p o i n t s ：f i r s t ， s e l e c tb o t hs i d e so f t h et r u n ks e w e r sa n dt h ef a r m l a n do fk o n gv i l l a g ew h i c hh a sal o n gh i s t o r yo fs e w a g e i r r i g a t i o na ss a m p l ea r e a s ， m e a s u r e da n da n a l y z e dt h ec o n t e n to fn i t r o g e n i n v e s i g a t e d t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dm o r p h o l o g i c a lc o m p o s i t i o no ft h en i t r o g e ni ns o i l ，a n dt h e n m a d eo u tt h ec o r r e l a t i o na n a l y s i so fc o n v e n t i o n a li n d i c a t o r s s e c o n d ，c o n d u c t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so fs o i lc o l u m n ， a n a l y z e dt h en i t r o g e nm i g r a t i o na n d t r a n s f o r r l l a t i o no fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n si ns o i l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： l 、s u r f a c es o i lo ff a r m l a n do nb o t hs i d e so ft h et r u n ks e w e r s ：t o t a ln i t r o g e ni si nt h e m e d i u ml e v e l ，t h ea v e r a g ew a s1 19 9g k g ；n i t r a t en i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e n ， a v m l a b l en i t r o g e n ，a l k a l i h y d r o l y z a b l en i t r o g e nw e r e4 4 6 5m g k g ，3 9 9 5m g k g ， 8 4 6 0m g k g ，113 7 3m g k g s e c t i o ns o i l ：t o t a ln i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e n ，a v m l a b l e n i t r o g e na t0 2 0 c ms o i ll a y e rw a sh i g h e s t ；a m m o n i u mn i t r o g e nm a i n l yc o n t e n t si nt h e o 4 0 c ms o i ll a y e r ；a l k a l i - h y d r o l y z a b l en i t r o g e ni nt h e0 10 0 c mw i t hd e e p e rs o i l d e p t hd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i nt h es a m p l ea r e ao fk o n gv i l l a g e ，t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fa m m o n i u mn i t r o g e nh a sn od i s c i p l i n e ；t o t a ln i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e n ， a v m l a b l en i t r o g e ni ns e w a g ei r r i g a t i o na r e aw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo r d i n a r y w a t e ri r r i g a t i o nd i s t r i c t 2 、l a b o r a t o r ye x p e r i m e n to fs o i lc o l u m ns h o w st h a ti nt h es e c t i o ns o i l c o n t e n to f t h et o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e ni n c r e a s e d 、析t ht h e c o n c e n t r a t i o n 1 1 l cp e a ko ft o t a ln i t r o g e ni si n0 15 c ms o i ll a y e r ，a n dt h em a x i m u mi s i n7 5 c ms o i ll a y e r ，m e a n st h ee f f e c to fi r r i g a t i o no nn i t r a t en i t r o g e nl e a c h i n g s i g n i f i c a n t l y ， a m m o n i u m n i t r o g e nm a i n l yc o n t e n t si nt h e 0 4 0 c ms o i ll a y e r 3 、b yu s i n gt h es e w a g ei r r i g a t i o n ，k o n gv i l l a g es a v ew a t e r10 5m i l l i o nte v e r y y e a r ，s a v ef e r t i l i z e r5 6 4 8 t ，d i r e c te c o n o m i cb e n e f i ti sa b o u tf i v em i l l i o ny u a n e v e r y y e a r ，t h r i f tw a t e ro na v e r a g e3 0 0 m sp e rm u ，t h r i f tf e r t i l i z e r16k g ，t h ed i r e c t e c o n o m i cb e n e f i t si sa b o u t14 5y u a n k e y w o r d s ：s e w a g ei r r i g a t i o n ；s o i l ；t o t a ln i t r o g e n ； a m m o n i u m n i t r o g e n ；n i t r a t en i t r o g e n 目录 中文摘要v a b s t r a c t 、，i 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义一1 1 3 研究内容：j 1 1 4技术路线2 第二章 文献综述。一：3 2 1 污水灌溉3 2 1 1 污水灌溉的提出3 2 1 2 污水灌溉的发展历程3 2 1 3 污水灌溉的意义4 2 1 4 污水灌溉的不利影响4 2 2土壤中氮的迁移转化5 2 2 1 氮的迁移转化机理研究5 2 2 2 土壤常规指标与氮相互关系的研究8 第三章区域调研与水质概况1 l 3 1区域概况1 1 3 2通辽市水资源现状。1 1 3 2 1 地表水11 3 2 2 地下水1 2 3 2 3 污水处理现状1 2 3 3通辽市污水灌溉历史与现状1 3 3 4污水厂及污水干渠水质分析1 4 3 4 1 污水厂进出口水质分析1 4 3 4 2 污水干渠水质分析一1 5 第四章通辽市污灌农田土壤氮素含量分析17 4 1污水干渠两侧土壤氮素的含量分析1 7 4 1 1 土壤样品采集1 7 4 1 2 实验方法及数据处理19 4 1 3 土壤全氮含量分析一19 5 2 3 剖面土壤铵态氮含量变化分析6 4 5 3同一剖面深度下土壤氮素含量变化分析6 6 5 3 1 剖面土壤全氮含量变化分析一6 6 5 3 2 剖面土壤硝态氮含量变化分析6 9 5 3 3 剖面土壤铵态氮含量变化分析7 1 5 4小结7 4 第六章污水灌溉经济效益分析7 5 6 1节水效益7 5 6 2节肥效益7 6 6 3直接经济效益7 6 第七章结论与建议7 7 7 1 结论7 7 7 2 建议7 8 参考文献7 9 作者简历8 6 独创性声明：8 7 学位论文数据集8 8 一| - j 匕京銮道 盔堂亟堂僮迨塞曼i直 第一章引言 1 1 研究背景 我国北方地区严重缺水，因而污水灌溉在我国干旱和半干旱地区应用非常普 遍，这种情况下，污水便成为了农田的主要灌溉资源，这是除了实施节水措施之 外解决水资源短缺问题的必然手段。 内蒙地区具有悠久的污灌历史，属于缺水地区，内蒙古高原东部和南部边缘 由于年平均降雨量仅为3 5 0 m m 左右，地表水严重缺乏，常年干旱，致使当地的一 些村镇将城市排放的污水作为一种稳定的水源用于农业生产灌溉，并且已有1 0 年 以上的历史，有些地区甚至多达2 0 年以上。可以预见，在未来相当长一段时间内， 污水灌溉面积将有增无减。 1 2 研究目的及意义 污水灌溉可以增加土壤的肥力犯1 ，因为污水中含有丰富的f e ，m n ，z n 等微量 元素及有机质，同时含有大量n ，p ，k 等作物生长所需的营养元素。因此，使用 污水灌溉农田利于作物生长，它既可使农民减少地下水的使用，从而减少灌溉费 用，同时又可以减少化肥的使用量，提高经济效益。然而氮素在土壤中存在多种 形态，并不是所有形态都能直接被作物吸收利用，并且存在着一定的空间分布规 律，因此研究土壤中氮素的组成含量及空间变异性特征具有重要意义。 本文对通辽市具有污水灌溉历史的农田土壤进行采样分析，研究该区域土壤 氮素及土壤常规指标的空间分布特征；采集当地污灌土壤进行室内土柱模拟实验， 调查研究氮素进入土壤后的迁移转化规律；评价污水灌溉的可行性，并对由污水 灌溉产生的直接经济效益进行预测分析。 1 3 研究内容 本文主要进行了两部分研究内容：一、选取通辽市污水干渠两侧和具有长期 污灌历史的孔家乡地区农田作为研究区域，研究土壤氮素组成及常规指标的空间 变异特征。二、进行室内土柱模拟实验，分析在不同含氮浓度的灌溉条件下土壤 氮素的迁移转化规律。 北京交通大学硕士学位论文 引 言 1 4 技术路线 提出问题 lo 1r 收集资料，设计实验 一 1r 、r、r 通辽市污灌农田土壤氮素及常规指标现状调查室内土柱模拟实验 1r 1r 1r 1r r、厂、 不同灌溉条件下同一剖面深度 污灌农田土壤氮素污灌农田土壤常规指标 上上j上上上上上 下土 太钶 f r 硝太钶 ”j 【”j j ，、 变异特征 规律 第二章文献综述 2 1污水灌溉 2 1 1 污水灌溉的提出 污水灌溉是人们有意识有目的的利用土壤环境自净功能，使污水资源化的工 程措施口1 。具体地说就是利用工业污水和生活污水进行农田灌溉h 1 ，以资源合理利 用与环境保护相结合、短期利用与长期防污治理相结合、直接经济效益与生态系 统经济效益并重为原则，利用经过适当处理的工业和生活污水灌溉农田。 在我国这样水资源比较缺乏的国家，从我国国情出发，采用污水灌溉以及污 水处理与利用系统，对缓解我国日益紧张的水资源供需矛盾、减少污水处理费用、 保护生态环境等具有极其重要的意义拍1 。 2 1 2 污水灌溉的发展历程 我国污水灌溉的发展历程大体可划分为3 个阶段嘲：第一阶段是1 9 4 0 , - , - - 1 9 5 7 年以前，此时期为自发灌溉时期。长久以来，我国农民就有利用废水自发进行灌 溉的习惯和传统，自2 0 世纪4 0 年代起，在北京附近就出现了利用工业与生活废 污水进行农田灌溉的先例；第二阶段是1 9 5 7 - - - 1 9 7 2 年，此时期称为初步发展时期。 1 9 5 7 年，当时建工部联合农业部、卫生部把污水灌溉列入国家科研计划，从此国 家开始从战略角度兴建污水灌溉工程，我国的污水灌溉工程事业也在此时期内得 到了初步发展；第三阶段为1 9 7 2 年至今，此时期称为迅速发展时期。自2 0 世纪 8 0 年代中后期，随着我国北方地区水资源短缺情况的加剧和我国南方地区乡镇企 业的迅猛发展，对于用水量的强烈需求导致我国污水灌溉面积得到迅速扩大。据 统计，我国1 9 9 9 年污水排放量达4 0 1 亿m 3 ，污水灌溉面积从1 9 6 3 年的4 2 万m 3 发展到1 9 9 8 年的3 6 1 8 万m 3 【7 】，占全国灌溉总面积的7 3 ，特别是2 0 世纪7 0 年 代末至9 0 年代中期，污水灌溉面积由3 3 3 3 万h m 2 猛增到3 3 3 3 3 万h m 2 。从地域 分布上来看，我国污水灌溉的农田主要集中在北方水资源严重短缺的海、辽、黄、 淮四大流域，约占全国污水灌溉面积的8 5 0 5 ，大区域大面积的污水灌溉主要分布在 我国北方大中城市的近郊区。 3 2 1 4 污水灌溉的不利影响 随着污水灌溉面积的扩大，污灌所带来的问题也日渐突出，其对环境的影响 除了上述的益处以外嘲，也引起了严重的水土环境恶化，这主要是由于将大量未经 处理、水质超标的污水直接用于农田灌溉，同时盲目扩大污灌面积而引起的，并 由此进一步造成了土壤、作物及地下水的严重污染。目前，污水灌溉已成为我国 农村水环境恶化的主要原因之一，影响着污灌区的饮水及食物的质量h 1 ，危害着人 类的生存安全。污水灌溉带来的不利影响主要分为以下几种。 4 2 1 4 1 水质严重超标，污染土壤和地下水 我国污水灌溉中存在的首要问题是灌溉水质严重超标n 引。目前污灌水源可分 为城市混合污水、石化废水和工矿废水三类，灌溉可利用的污水应仅指经过处理 后的城市污水或水质相近的工业废水。但在实际利用污水进行灌溉的过程中，普 遍对污水种类不加区分或大部分污水未经处理直接排放的现象导致大量污染物长 期积累，尤其是重金属的积累，而这种积累往往会超过土壤本身所具有的自净能 力，使得土壤无法在一定时期内将污水中有机物造成的污染完全降解。国外，a b d e l s a b o u rm f n 3 1 的研究认为，污水灌溉导致了埃及尼罗河平原表层土壤中c o 元素累积； 张乃明u 钔等认为污灌水中重金属h g ，c d ，p b 含量的高低与相对应的灌区土壤中重 金属累积量的多少基本一致，对土壤中c d 累积影响最大的是污水灌溉，同时土壤 被污染后又会进一步导致地下水被污染；江云珠等n 卅认为污水灌溉造成稻区水栖 无脊椎动物的生物多样性降低，生态平衡被破坏。除此以外，污水的矿化度很高， 容易造成土壤盐渍化。 2 1 4 2 影响作物质量，降低产量 污水中含有大量有机物，后者在分解时释放热量并消耗大量氧气，这会导致 沤根或因作物根部缺氧而使作物死亡，造成减产；此外，污水中的有害物质被作 物吸收后会残留在作物体内，造成作物品质下降。目前污水灌溉的作物大都为食 用的粮食和蔬菜，由于我国目前对农产品残留尚无检查制度，由于污灌而引发的 食品安全问题已经引起了社会各界的关注和担忧。 2 1 4 3 危害人体健康 污水灌溉会从以下三个途径影响人体健康：一、污染后的土壤进而污染农作 物，最终通过食物链进入人体；二、污水灌溉导致地下水或河水污染，通过生活 饮用水或水产品进入人体；三、污水本身携带着病菌和寄生虫等，灌溉时还会产 生硫化氢等有害气体，这些因素对周围环境产生直接影响，进而影响到人，如很 多污灌区周围的生活区都有流行病的发生眦7 1 6 1 。 2 2 土壤中氦的迁移转化 2 2 1 氮的迁移转化机理研究 氮是各种作物生长和发育所需的大量营养元素之一n7 墙1 。土壤含氮量是评价 土壤肥力和土壤质量的重要指标，是全球碳循环的重要源，目前已成为土壤科学、 环境科学研究热点之一n 9 1 ，国内外相关研究主要侧重于分析氮在土壤中迁移转化 的过程附2 羽。阮晓红乜3 3 等研究氮在包气带不同土质层中饱水条件下迁移转化的特 态氮含量随施肥量增加而增加，但并不是线形增加。有机肥的施用会增加土壤粒 径及团聚体含量，提高c e c 代换量，增加对n 0 3 - - n 的固持，阻碍了n 0 3 一一n 向下 迁移弱1 。耕作会增加硝态氮的淋失口刀。t h o m p s o n 等在美国亚利桑那州的花椰菜 研究中发现，采用滴灌施肥时，灌水量高于一定程度，硝态氮在土壤剖面的淋失 量汇增加，氮肥利用率下降了近1 0 个百分点1 。b r e l ( 1 9 9 4 ) 侧在研究土壤内微生 物呼吸作用基础上提出一种温度效应函数。k i r s c h b ( 1 9 9 5 ) h 们则在分析和汇总大量 已报道的实验结果的基础上，推导出有机氮矿化的温度效应函数。s i e r r a ( 2 0 0 0 ) h 给出了基于二组分土壤矿化模型的温度效应。 然而目前的研究对于作物生长条件下污水灌溉的土壤，尤其是污水灌溉加施 肥共同作用下氮在土壤中的迁移与转化特征的研究并不多见，是值得深入研究的 课题。 2 2 1 1 铵态氮在土壤中迁移转化机理研究 污水中氮元素的主要存在形式有两种：n h 4 + 一n ( 铵态氮) 和n 0 3 - - n ( 硝态氮) 。 一般来说，n 0 3 - - n 相对比较稳定，而n h 4 + _ n 在土壤中的迁移转化过程相当复杂。根 据土壤层理的划分( 表土层、犁底层、下包气带及含水层) ，n h 4 + _ n 进入表土层( 耕 作层) 后，部分被作物吸取、部分被土壤吸附、部分在硝化作用下转化为n 0 3 - 一n 、 部分在下渗水体的作用下，向下发生迁移和弥散，穿越犁底层土壤进入下包气带。 在此单元内除了继续进行吸附作用之外，还要进行硝化和反硝化作用，形成n 0 3 - n 和n 0 2 及n 2 气体，除n 0 2 及n 2 可挥发到大气之外，极少量的n 也+ - n 和大量的 6 n 0 3 乙n 可迁移进入土壤含水层。n 0 3 - - n 是对人体极为有害的污染物，进入地下水 之后发生迁移和弥散，极少量转化成n 0 。及n ：而挥发，大部分随地下水资源的开 发利用进入到人类的饮用水或其他水源中，危害人体健康。要减少地下水中的 n 0 3 - 一n ，就必须掌握n h 4 + 一n 在表土层、下包气带中的迁移转化情况，由于其复杂 性，迁移转化的参数必须借助于物理模型试验来确定嘲。 2 2 1 2 硝态氮在土壤中迁移转化机理研究 多数学者认为土水界面迁移是物质在外界条件下( 如降水、灌溉) 从土壤向水 体的扩散迁移过程。一般来说，氮的迁移可以分为径流迁移和淋溶迁移。氮的径 流迁移是指溶解于径流的矿质氮，或吸附于泥沙颗：( 1 ) 悬浮态流失，即污染物结 合在悬浮颗粒上，随土壤流失进入水体；( 2 ) 淋洗态流失，即水溶性较强的污染物 被淋洗而进入径流。迁移途径主要包括氮素随水在坡面土壤的养分流失、土壤剖 面淋溶和壤中溶质运移等过程中在量和形态上的变化。氮淋溶迁移是指土壤中的 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。 它是一种累积过程，土壤中发生硝态氮淋洗必须满足两个基本的条件：( 1 ) 土壤中 大量残留硝酸盐；( 2 ) 存在水分运动，促进或阻碍这两个条件之一的任何因素都影 响氮素淋溶的发生与否及程度。 饮用水中硝酸盐含量过高会对人类的身体健康造成直接危害，因而土壤硝态 氮( n 0 3 - n ) 淋溶问题越来越受到关注，大量研究表明，农业生产地区浅层地下水中 硝酸盐浓度提高与大量施用氮肥及灌溉有直接的关系，施肥导致农田土壤n 0 3 - _ n 累积，在灌溉的作用下向下淋溶。施肥主要受施肥方式和种植作物类型的影响， 不同的作物对肥料的吸收利用不同，导致n o 。- _ n 在土壤剖面内积累和分布存在差 异“1 。 依据现有农业土壤学的研究成果，土壤中存在大量的硝化菌和反硝化菌，它 们为硝化和反硝化作用的发生提供了有利条件。氮素硝化过程主要发生在土壤上 层的2 0 0 , - 一3 0 0 m m 内，在这部分土层内大部分的n i - h + - n 通过硝化菌的氧化作用转化 成n 0 3 。_ n ，在下层厌氧状态下发生反硝化作用，将n 0 。一_ n 转化成n ：或n ：0 而从系 统中脱除。士壤中含有丰富的微生物，理论上存在着能分解各种天然有机化合物 的一切生物酶系。n 孵离子带负电荷，无法被土壤胶体吸附，而在土壤中的移动性 很大，最易被淋洗嘶1 。硝化作用是在通气良好的条件下土壤中的氨( 或铵) 被硝化 细菌氧化成硝酸的过程。污水中氨氮( n h 4 + _ n ) 在土壤中转化成硝态氮( n o 。- - n ) 的过 程仍然遵循两阶段的过程原理：首先由亚硝酸菌将氨氮转变成亚硝氮( n 0 ：一一n ) ，再 由硝酸菌将亚硝态氮( n 0 2 - - n ) 转变成硝态氮( n 0 3 - n ) 。其过程可描述为：n h 4 + 一n n 0 2 - _ n _ - n 0 。- n 。土壤是微生物的天然富载体，经过预处理的污水进入土壤后氨氮 很快被氧化，有试验表明m 1 ：污水进入稻田5 7 d ，氨氮降低8 5 以上。有人对低 7 2 2 2 1 土壤含水量与氮相互关系的研究 土壤中9 0 以上的氮素以有机态存在，而作物主要吸收土壤中的矿质态氮。作 物吸收的氮素5 0 以上源于作物生长期间土壤矿化的有机氮( 存在于土壤有机质中 的氮称为土壤有机氮。土壤有机氮是土壤肥力和农业生产可持续发展必须考虑的 重要因素h 钔) 。土壤氮素矿化与水分、温度和有机物特性密切相关( 矿质氮是作物 吸收利用的主要氮素形态，含量多少直接影响土壤的供氮能力侧) ，国内外在这方 面已开展了很多研究喳。此外，污水灌溉大体上带来两个危害：其一是污水中的 污染物( 如有机质、n h 4 + 和n 0 。一离子) 经灌溉进入土壤，再随径流和下渗进入地表 水和地下水，引起水体恶化；其二则是导致土壤的理化性质发生变化，如引起土 壤含水量和氧气含量的变化，从而引起土壤中有机质、n 、p 等化合物迁移转化速 度的变化。和第一个因素相比，第二个因素更为重要，因为土壤中积累的有机质、 氮和磷的量通常比污水带来的营养物质的量更加丰富。 土壤含水量直接影响有机质和氮化合物的浓度，影响n 0 3 一离子的淋溶，并通过 改变土壤空隙中0 2 的含量，影响了硝化和反硝化作用的速度。k o s t 等瞄幻的研究表 明，土壤水分条件越好，植物水分利用效率就越低，而氮素的利用效率就越高。 还有研究表明，土壤维持较高的含水量( 5 0 - - 6 0 ) 对有机质的矿化作用、n 0 3 一 离子的淋溶和反硝化作用等都是有利的嘲。目前，在分析n h 4 + - n 和n o , - - n 迁移 转化的很多模型中，土壤含水量或水通量都被当作模拟的主要参数阻1 。已有研究 表明，当土壤含水量达到田间最大持水量的7 0 时，便可发生反硝化作用；当土壤 8 含水量为田间持水量的8 0 时，反硝化速率会聚增。黄国宏、于克伟、郑循华等嘶】 研究表明，农田土壤高含水量对n ：o 产生速率具有促进作用。对暗栗钙土壤的研 究也表明，当土壤含水量调节到田间持水量的8 0 时，n ：0 产生速率聚增1 0 多倍。 m c d o w e l l 等( 2 0 0 2 ) 嘲通过室内和田间模拟降雨试验，研究了含水量对土壤流失和 磷素随径流迁移的影响，结果表明，前期含水量的波动极大地影响了土壤侵蚀和 磷素流失的潜力。硝态氮是水体环境污染的重要污染源。硝态氮具有不易被土壤 吸附、随水分极易迁移的特性，硝态氮流失途径主要是淋溶形式，含水量是土壤 硝态氮流失的重要因素。 2 2 2 2 土壤c n 与氮相互关系的研究 在一定的程度上，比如土壤的c n 比值达到平衡状态时，土壤氮素含量大体上 决定了有机质的含量，土壤碳的保持在很大程度上决定于土壤氮素水平口们。同理， 土壤有机质的积累与分解直接影响着氮素在土壤中的存贮和转化，对土壤氮素含 量起着主导作用啼7 1 。m a g e s a n 等侧进行了污水灌溉不同c n 对水力传导度的影响试 验，结果表明水力传导度随c n 的增加而降低，与e g c o o k 所得结论一致，且矿质 氮及可溶性氮减少，而p h 值、土壤湿度、土壤碳水化合物含量、土壤微生物c 和n 量随之增加，另有研究表明，土壤生理类群直接参与土壤中碳、氮等营养元素的 循环和能量流动，影响土壤c n 嘲。 2 2 2 3 土壤盐分与氮相互关系的研究 土壤或灌溉水中的盐分影响作物对养分( n 素) 的吸收和利用，从盐分组成来 看，土壤水溶性盐中的离子主要包括c a 2 + 、m 9 2 + ，k + ，n a + 、c 1 一，s 魄2 。，n 0 3 一，h c 0 3 - 等 离子删。作物不同盐分对于它们的影响也不相同。盐分抑止作物生长和对氮的吸 收主要是因为盐分改变了土壤溶液的渗透势，造成作物吸水吸氮的胁迫。盐分离 子对土壤特性的影响( 如n a + 离子造成土壤导水性能的降低) 以及特殊盐分离子对作 物的直接伤害，造成对作物吸氮的影响。但作物吸氮量随着盐分的增加而不改变 或者增加的机理目前尚不十分清楚。大多数研究表明，在土壤或灌溉水中过量的 盐分将会造成作物对氮吸收的减少，如对红肾豆、水稻、小麦、大豆、棉花和茄 子m 1 等的研究都表明，作物吸氮量随着土壤溶液中盐分浓度的增加而减少。盐分 对于玉米的生长和吸氮也具有一定的抑止作用。当n a c l 水平较低( 0 4 0m m o l l ) 时，夏玉米的茎叶和根系的生长及干物质累积基本不受影响或者影响很小。当n a c l 水平增) j h 至l j 6 0m m o l l 时，夏玉米在出苗后1 - - - 2 5 d 也基本不受影响，但是在出苗后 2 5 一- - 1 0 1 d 都显著地受到了抑制，夏玉米的总氮累积量明显低于盐分浓度较低时的 总氮累积量哺钔。 2 2 2 4 土壤p h 值与氮相互关系的研究 土壤酸碱性是土壤的一个重要属性，也是影响土壤肥力的个重要因素，可 9 影响土壤的化学反应，是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素 综合作用所产生的重要属性。土壤的酸碱度不同，其供肥和植物的生长发育状 况会有差异；土壤p h 值还严重影响土壤养分的有效性嘲1 ；土壤的酸化本来是个速 度非常缓慢的自然过程，但是近几十年来，由于人为活动的影响，土壤酸化进程 大大加快。我国土壤酸碱性的分布规律是南酸北碱，酸性土壤主要分布在长江以 南，总面积约为2 亿h m 2 啮1 。了解了土壤的酸碱性有助于对土壤的供肥能力和宜种性 作出较为准确的判断。土壤酸碱性不仅直接影响作物的生长，而且与土壤中的微 生物活动，有机质的合成与分解，n 、p 元素的转化和释放，微量元素的有效性等 都有密切关系脚3 。碱解氮是衡量土壤肥力的一个重要指标，研究p h 值与碱解氮之 间的关系，对玉米生产中土壤的改良，合理施肥提高肥料利用率，具有重要意义。 孙志梅等m 3 ( 2 0 0 8 ) 研究发现种植芹菜的果园中，土壤p h 与土壤n h 。t - n 含量成极 显著正相关( r = o 9 2 # ) ，而与土壤n 0 3 - - n 含量成极显著负相关关系( r = o 8 7 ”) 。 1 2 2 5 土壤有机质与氮相互关系的研究 土壤全氮含量和有机质含量是土壤养分诸因素中重要的两个因素阳7 1 。土壤有 机质是土壤氮素的重要来源，也是土壤微生物必不可少的碳源和能源，有机质的 积累与矿化分解作为土壤中营养元素的生物化学循环的重要环节，与土壤的可持 续利用能力密切相关。o r y z as a t i v a 嘲1 研究表明，水稻土耕层有机质量乘以换算 系数0 0 6 5 接近全氮量，而一般旱田土壤耕层的换算系数为0 0 5 0 0 6 ，耕层 土壤有机质与全氮含量呈线性关系。由此可以看出，土壤中有机质含量的高低影 响土壤氮素供应水平。因此，土壤有机质含量的多少可作为土壤肥力高低的重要 指标之一咖。 1 0 第三章区域调研与水质概况 3 1区域概况 通辽市位于内蒙古自治区东部，地处北纬4 2 。1 5 一4 5 。4 1 、东经1 1 9 。1 5 一1 2 3 。4 37 之间，总面积5 9 5 3 5 k m 2 ，南北长约4 1 8 k i n ，东西宽约3 7 0 k i n 。 属温带大陆性气候。春季干旱多风；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽；冬季干冷。 大部分地区无霜期为9 0 d 至1 5 0 d ，年降雨量3 5 0 - - - 4 5 0 m m 。 通辽市境内南北长3 9 6 k m 东西宽2 7 0 k m ，土地总面积近6 万k m 2 ，地貌以平 原为主，根据成因、形态特征共分为北部大兴安岭山地、中部平原、南部黄土丘 陵3 个地貌类型。北部大兴安岭山地是大兴安岭南段山地的一部分，土壤类型以 黑钙土、栗钙土为主，总面积1 6 0 万h m 2 ，占全市总面积的2 5 ，中部平原位于西 辽河流域，整体上以楔形向西南延伸，土壤类型以石灰性灰色草甸土、盐碱化灰 色草甸土、风沙土为主，面积4 0 0 万h m 2 ，约占全市总面积的6 7 。南部黄土丘陵 区地形起伏较大，由东西向低山丘陵、黄土台地、浅平低地、侵蚀沟谷构成景观， 土壤类型以栗褐土为主，面积4 9 7 3 万h m 2 ，约占全市总面积的8 。总体上看， 通辽市山地丘陵与平原区面积比为1 ：2 盯训。 全市水资源总量常年平均为4 3 亿m 3 ，全市地表水入境量及自产水量之和的 利用率为1 7 ，南北山区地表水资源的6 0 - - - 7 0 流出境外，地表水开发利用程度较 低( 万元g d p 用水量是全国平均水平的2 倍，用水效益低) 。全市供水量的9 5 7 为地下水，用水量的9 5 5 为农业用水，农业用水的利用率在4 0 - - 5 0 ，仅为发达 国家的一半左右，每立方米的粮食生产能力仅为0 8 5 k g 左右，远低于发达国家2 k g 以上的水平。在地下水超采的情况下，现有受旱农田面积5 0 0 万亩。在农业水资 源匮乏，且城市污水排放日益增多的情况下，当地农户采取了用污水灌溉农田， 来缓解农业缺水的现象。 3 2 通辽市水资源现状 3 2 1 地表水 通辽市有大小河流4 3 条( 见表3 - 1 ) ，主要有西辽河、新开河、西拉木伦河、 教来河、老哈河等。大型水库5 座、中型水库1 0 座、小型水库1 0 座、塘坝8 0 座， 柳河 扣河子河 养畜牧河 库伦旗 库伦旗 库伦旗 1 5 4 1 2 1 1 0 3 0 4 l o 2 4 o 0 8 3 2 4 1 7 7 1 3 9 3 2 2 地下水 通辽市地下水整体上从东向西水平分布，依河流走向从上游到下游含水层逐 渐变薄。通辽市浅层地下水可开采量约1 7 6 6 亿m 3 ，其中平原地区为1 6 7 1 亿m 3 。 地下水平均埋深0 5 4 o m ，年平均变化幅度为0 5 - 1 5 m 。通辽市区由于过度 开采地下水，地下水位大幅度降低，已经在东部工业区形成了下降漏斗。 3 2 3 污水处理现状 目前，通辽地区总共有1 1 个污水处理厂，总设计处理能力为3 7 5 万m 3 d ，处 理厂具体情况见表3 - 2 ： 1 2 表3 2 通辽市城镇污水处理厂情况统计表( 2 0 0 7 年统计) t a b l e3 - 2m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ts t a t i s t i c si nt o n g l i a o ( 2 0 0 7s t a t i s t i c s ) 据统计，2 0 0 7 年的通辽地区污水排放总量4 4 9 3 3 1 万t 。其中，工业污水1 7 2 0 万t ，废水排放达标率为7 3 0 ；生活污水2 7 7 3 3 1 万t ，处理率为5 9 ，呈逐年 递增趋势，总污水量年平均增长率为11 6 5 ，这为通辽市开展污水灌溉农田提供 了充足的水源。 3 - 3 通辽市污水灌溉历史与现状 通辽市有三个污水处理厂，分别是：通辽市污水处理厂7 万m 3 d ，主要来源 为生活污水；木里图污水处理厂5 万m 3 d ，主要来源为工业废水；通辽市技术开 发区污水处理厂5 万m 3 d ，主要来源为工业废水；处理能力总共为1 7 万m 3 d 。在 这三座污水处理厂排污渠流经的农田区域，均有不同年限的灌溉历史，特别是通 辽市污水处理厂，其排污渠流经的农田早在2 0 年前就开始采用污水灌溉。本研究 选取该排污渠两侧的农田土壤作为研究区域。 通过调查了解，该研究区域污水灌溉主要分布在城郊的张家乡、孔家乡、钱 家乡和角干乡。春季日灌溉量1 5 万t ，夏、秋季日灌溉量0 6 万t ，供水时间从 每年3 月初到1 0 月，冬、春季节基本用污水灌溉，夏季和干旱季节用机