（环境工程专业论文）农业集约化种植区土壤硝态氮垂向迁移特征及模拟.pdf

摘要 农业集约化种植区土壤硝态氮 垂向迁移特征及模拟 研究生：崔锐导师：高海鹰 东南大学土木工程学院市政工程系 摘要 选取江阴市典型集约化种植区为研究对象，通过室内土柱实验和野外试验相结合的方法，分析三种 不同种植类型下土壤中n 0 3 - n 垂直迁移规律和影响因素，并且利用l e a c h m 模型，率定出符合该地 区水分和溶质运移的参数，开展土壤中n o ，n 的迁移模拟研究，研究结果为制定区域最佳管理措施、 预测预报地下水污染程度提供科学依据。 降雨灌溉和施肥是影响土壤中n 0 3 - n 迁移的主要因素。集约化种植区灌溉和施肥规范化，统计累 积频率呈正态分布；常规种植区灌溉施肥随意无序，反映在累积频率统计上呈离散分布。在降雨或者灌 溉后，n 0 3 。- n 浓度都呈现增大态势，增大时间滞后于降雨或灌溉时间。在施肥方面，施肥量越大，n 0 3 。n 淋失浓度越大，两者呈现正相关关系。不同施肥品种下，n o ，n 淋失量为：硫酸铵 尿素 有机肥。n 0 3 - n 浓度和土壤含水率、土壤n h 4 + n 含量以及地下水n 0 3 n 含量有密切的联系。在集约化种植区高施肥 量的前提下，n 0 3 - n 浓度随含水率的增大而增大：而在常规种植区，两者表现为负相关关系。n h 4 + - n 在施加量较大的情况下，较易转化为n 0 3 - - n ，两者表现为正相关关系，在常规种植区，两者并无显著 关系。种植区氮肥的施用导致了地下水n 0 3 一- n 浓度的升高，当氮肥施氮量大于4 0 0 k g h m 之时，易造成 地下水n 0 3 。n 含量超标。 通过对种植区土壤基本理化性质的测定和模拟，可以得出：土壤粘粒含量的不同，决定了土壤的持 水能力的异同，进而影响了土壤中n 0 3 - n 的迁移规律和分布特征。用r e t c 软件模拟土壤水分特征曲 线是合理的，水分特征曲线显示了不同土层的持水能力和土壤特性。在实验室模拟饱和条件下，土壤 n o ，+ - n 运移的主要推动力是重力势，在非饱和条件下，主要是溶质势的作用。在野外观测中，集约化 种植区土壤n 0 3 n 的淋溶浓度远远大于常规种植区，总体表现为：当作物吸收氮量大于施氮量时，土 壤n 0 3 一- n 浓度呈下降趋势，反之呈相反趋势。由于集约化种植区施氮量大，土壤深度l o o c m 处n 0 3 一- n 的含量远远大于标准值，为地下水的污染埋下了隐患。 运用l e a c h m 模型对江阴市典型农业集约化种植区土壤中n 0 3 。- n 垂直运移的过程进行模拟，从模 拟值和实测值的结果比较来看，l e a c h m 模型在此区域的模拟是可行的。率定好的模型对以后预测预 报该地区地下水污染状况提供了理论基础和科学依据。 关键词：集约化种植区；n 0 3 - n ；降雨；施肥；l e a c h m 模型； 东南大学硕士学位论文 s t u d yo nv e r t i c a lm i g r a t e c h a r a c t e i u s t i c sa n ds i m u l 姐i o no f n i t r a t en i t r o g e ni ns o i lu n d e r i n t e n s i v ec r o p p i n ga r e a s g r a d u a t es t u d e n tc u i r u i s u p e r v i s o ra s s o c i a t ep r 0 g a o h a i y i n g d e p a n m e n to fm u n i c i p a le n g i n e e r i n g c o l l e g eo fc 础e n 西n e 州n 岛s o u t h e a s tu 1 1 i v e f s 时 a b s t i 矾c t b a s e do nt h ec o m b i n e dm e t h o d so fs o i lc 0 1 u m ne x p e r i m e n t sa 1 1 df i e l de x p e r i m e n t s ，t h et y p i c a li n t e n s i v e c r o p p i n ga r e 雏o fj i a i l 眄i nc i t yw a sc h o s e n 嬲t h es t u d ya r e a v | e n i c a lm i 对a t e dc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lf a c t o r s o fn i t r a t en i n 0 9 e ni ns o i lu n d e rt h r e ed i n e r e n ti n t e n s i v ec r o p p i n 2 付p e sw e r ea n a l y z e d m e a s u r e de x p e r i m e n t s d a t aw e r eu s e dt oc a l i b r a t et h el e a c h mm o d e lp a r a m e t e r ss ot h a ti tc a nb e6 t t e dt ot h es t u d ya r e a f u r t h e m o r e ， b o t hm i 盯a t e dc h 甜a c t e r i s t i c sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fn i t r a t en i t r o g e ni ns o i lw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r e h e l p m lt op r o v i d et t l es c i e n t i f i ca d v i c e st ot h eb e s tm a i l a g e m e n tp r a c t i c e sa n dt of o r e c a s t 汀o u n d w a t e r c o n t a m i n a l i o nt r e n d t h em a i o rf - a c t o r sw h i c hc o n t r o lt h ev e r t i c a lm i 灯a t i o no fn i 仃 l t en i 廿o g e ni ns o i la r ep r e c i p i t a t i o n ，i 州g a t i o n ， a n df e r t i l i z a t i o n i 币g a t i o na n df e r t i l i z a t i o ni ni n t e n s i v ec r o p p i n ga r e a sa r es t a n d a r d i z e da n da c c u m u l a t i v e f k q u e n c ys h o w e dn o 丌1 1 a ld i s 埘b u t i o ni ns t a t i s t i c s 1 1 1 r i g a t i o na n df e r t i l i z a “o ni nr e g u l a rp l a n t i n ga r e 签a r e d i s o r d e r e dw i t hd i s c r e t ed i s t r i b u t i o n o fa c c u m u l a t i v e 能q u e n c yi ns t a t i s t i c s a r e rr a i n f a l lo ri 玎i g a t i o n t h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i 仃o g e ni n c r e a s e d i n c r e a s e dt i m el a g g e dt h er a i n f a l l 鲫di r r i g a t i o nt i m e a st h ef a c t o ro f f - e r t i l i z a t i o n 。t h ec o n c e n 仃a t i o no f1 e a c h i n 2l o s s e sw 嬲i n c r e a s i n gw i t hm ei n c r e a s eo ff - e n i l i z a t i o n u n d e rd i 疗：e r e n t f e r t 1 i z e rv 撕e t i e s ，t h ec o n c e n t r a r t i o no fl e a c h i n gl o s sw i t h 锄m o n i u ms u l f - a t ei sh i g h e r ，t h es e c o n df a c t o ri su r e 如 a i l dt h ee a e c to fo 艰a n i cf e n i l i z e ri sm em i n o r t h e r ew e r ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o no fn i 仃a t e n i m ) g e ni nt h es o i la n dm o i s t u r ec o n t e n to fs o mt h ec o n t e n to f 锄m o n i u mn i 仃o g e n ，c o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e n i t r 0 2 e ni ng r o u n d w a t e r t h ec o n c e n t r a t i o n0 fn i t r a t en i t r o g e ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e0 fs o i lm o i s t u r ec o n t e n t u n d e rt h e i n t e n s i v ec r o p p i n ga r e a st h a th a dh i g h e rf e r t i l i z a t i o n ，b u ti nm er e g u l a ra r e a st h e yw e r en e g a t i v e c o r r e l a t i o n a m m o n i u mn i 订0 2 e nw a se a s vt ot r a n s f b mt on i t r a t en i t r o g e nw h e nal a r g e 锄o u mo fi tw a sa p p l i e d ； t h e r ew a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m t h e r ew a l s n ta n yc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e mi ng e n e m la r e a s a l a 艰e 锄o u n to ff e n m z a t i o no b v i o u s l yr e s u l t e di nt h ei n c r e a s eo fn i t r a t en i t r 0 2 e ni ns o i l i tc a nb ei n c l u d e dt h a t 协ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e no fg r o u n d w a t e rw o u l do v e rs t a n d a r dw h e nt h e 锄o u 】呲o ff e n i l i z a t i o nw a s l 鹕e r t h a n4 0 0 k g 1 1 i i l 。 ；a s e do nt h em e a s u r e da i l ds i m u la t i o no fb a s i cp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e n i e s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a l lb e h i g h l i g h t e d ：t h ed i 髓r e n c eb e t 、e e ng r a d i n go fs o i l h a di n f l u e n c e dw a t e rh o l d i n gc a p a c i 戗a n dt h e ni n f l u e n c e d u l t e r i o r l yt h em i g r a t eo fn i 仃a t en i t r o g e ni nt h es o i l t h es i m u l a t i o no fs o i lw a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v eu s i n gi 也t c i sr e 雒o n a b l e s o i lw a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v es h o w e dt h ew a t e rh o l d i n gc a p a c i t ya n ds o i lc h a r a c t e r i s t i c s0 f d i 疏r e n ts o i ll a y e r s i nt h el a b ，t h ed r i v i n gf o r c ei nm i g r a t i o no fn i ”a ：t en i t i 0 贴nu n d e rs a t u r a t i o nc o n d i t i o nw a s g r a v 耐p o t e n t i a l ，a n do nt h ec o n t r a r yt h ed r i v i n gf o r c ew 笛s o l u t ep o t e n t i a l i i lt h eo p e no b s e n ，a t i o mt h e c o n c e n t r a t i o no fl e a c h i n gl o s si ni n t e n s i v ea r e a sw a sl a r g e rt h a ni ti i lt h eg e n e r a la r e 雏f i n a l l y w h e nt h e a b s o r p t i o no fn i t r o g e nw a sl a g e rt h a r im ef e n i i i z a t i o n ，m ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o 贴nh a dd e c l i n i n gt r e n d ， o t h e n v i s e ，i ts h o w e dt h eo p p o s i t et e n d e n c y d u et 0t h e1 a r g ea m o u n to ff e r t i l i z a t i o ni nt h e i n t e n s i v ea r e a s ，t h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e nm10 0 c md e e pw a sm u c hh i g h e rm a nt h e 北m d a r dv a l u e ，w h i c hc a u s e dp o t e n t i a l g r o u n d 、a t e rp o l l u t i o n l e a c h mm o d e lw 嬲a p p l i e dt os i m u l a t et h em i g r a t i o no fn i 仃a t en i t r o g e ni nj i a n 2 ：y i nt y p i c a 】i n t e n s i v e c r o p p i n ga r e 嬲t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i tw a sf e a l s i b l et os i m u l a t et h ev e r t i c a lm i 对a t e dc h a r a c t e r i s t i c sb y l e a c h mm o d e l i nt h i sa r e a t h er e s u l t sa r eh e l p f u lt 0p r o v i d et h es c i e n t i f i ca d v i c e st ot h eb e s tm a u l a 鼯m e n t p r a c t i c e sa n dt of o r e c 醛tg r o u n d w a t e rc o n t 锄i n a t i o n 臼e n d k e ) 唧o r d s ：i n t e n s i v ec r o p p i n ga r e 雒；n i t r a t en i 们g e n ；r a i n f a l l ；f e n i l i z a t i o n ；l e a c h mm o d e l ； i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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： 拯日期：耻 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 缩印或其他复制手段保存论文。本人电 除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：粗导师签名： 妒 蓖雄日期：籼 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 农业集约化种植和土地利用植被覆盖变化在2 0 世纪全球变化中影响极为显廿【1 。农业集约化种植， 简单地说就是在单位面积土地上投入大量的资本和劳动力并最大限度地加以利用以便增加单位面积的 收益。在过去的五十年，以美国为代表的许多国家的农业均由粗放型经营逐渐转变为集约化经营，一些 发展中国家如中国、印度的农业也正朝着集约化迈进，这种转变以应用高产作物品种、化肥、农药、灌 溉设施以及农业机械化在较短时间内提高农作物单产为特征1 2 j 。据估计，人类目前消耗陆地生态系统产 出的l 3 以上和淡水利用的1 2 以上，使系统氮素供应和磷素活化增加了一倍，化肥氮和耕地豆科固氮 占人活动增加氮的6 0 和2 5 嘣引。农业集约化种植的兴起，仅仅暂时解决了人类的粮食产量问题，它所 带来的环境污染等负面问题也越来越多的受到关注。 农业集约化和人类活动常导致养分特别是氮、磷养分循环失衡，造成环境危害。欧美等发达国家在 8 0 年代农业环境污染己达到相当严重的地步，氮素养分的大量累积与淋洗，从而对环境产生危害。发 达资本主义国家通过农业生产新技术来减少氮素等养分的淋失。其中关键技术包括全球定位系统 ( g p s ) 、地理信息系统( g l s ) 、遥感技术( r s ) 、变量投入技术( 玎) 、耕地产量图( v m ) 等1 4 | 。发 达资本主义国家通过推广使用这些技术，使本国的农业集约化由资本密集型逐渐转变为技术密集型。控 制农业集约化种植污染问题的关键在于掌握氮素的利用与淋失规律，关于定量化农业不同构成库间氮素 的流向问题，近二十年来日益受到欧盟成员国的关注1 5 j 。 就中国来说，过量施用氮肥在中国东部地区己成为相当普遍的问题，特别是一些集约化种植体系， 对环境污染的压力日趋严重。自2 0 世纪8 0 年代以来，中国的化肥用量一直在持续上升，至2 0 0 2 年单 位播种面积化肥用量达2 8 l k g h m 五，总用量达4 3 3 9 万吨，其中氮肥用量达2 1 5 7 万n 屯，占化肥总用量的 4 9 7 ，占全世界氮肥使用量的近3 0 1 6 j 。2 0 0 4 年我国化肥施用量为4 1 2 4 万吨，比1 9 7 8 年增加了5 1 6 倍，占当年全球化肥施用量的l 3 。但我国化肥利用率很低，不能按作物品种、生产季节、土壤成分等 实行科学配方施肥，同时施肥方法粗放，化肥的当季利用率仅为3 0 左右，大部分氮素累积在土壤中 或者随着水分运移淋失。因此，在集约化种植区开展氮素垂直运移的研究，已成为当前非常迫切的任务。 1 2 概述 1 2 1 农田土壤氮素淋失危害 地下水历来为人类重要的供水水源，在人类生产、生活中起着无可替代的作用。长期以来，由于人 类耕作或者砍伐造成土壤扰动，使土地利用和植物覆盖发生变化，这往往会影响水文循环的所有环节。 在降雨径流的冲刷和淋溶作用下，施用的肥料和农药经地表径流、农田排水、地下渗漏等途径进入地下 水体，这一方面降低了土壤肥力和化肥利用效率；另一方面氮、磷养分的淋失，造成了地下水体的富营 养化，形成非点源污染。 近年来，非点源污染己引起国内外的广泛重视，尤其是集约化农业生态系统中过量施用化肥导致肥 料利用率下降和造成的环境危害已成为肥料使用中被广泛关注的问题。随着经济的发展，农业集约化种 植的程度越来越高，规模越来越大，土地利用效率得到了充分的发挥，但这种农业耕作方式的改变以及 化肥施用量的大量增加所带来的地下水硝酸盐污染问题也日益凸显。在集约化种植蔬菜、花卉、水果的 地区，化肥、农药常常过量施用，造成大量n o ，n 、农药等物质随水流失，形成面源污染。大量氮素 淋失进入地下水体汇入地表水体，水生生物特别是藻类将大量繁殖，使生物量的种群种类数量发生改变， 破化了水体的生态平衡。大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，同时消耗了大量溶解氧，大 大加速了水体的富营养化，水的透明度降低，阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用和氧气 释放，大量鱼类由于缺氧死亡。这种恶性循环造成了水体的严重恶化。 人们饮用n 0 3 n 污染的地下水后，在肠胃道里的细菌和硝酸还原酶的作用下，把硝酸盐还原为亚 硝酸盐，所形成的亚硝酸盐又与血液中的血红蛋白分子作用，将血红蛋白分子中的二价铁氧化成三价铁， 使血红蛋白转化转变为正( 高) 铁血红蛋白或者婴儿皮肤青紫症。正血红蛋白症对婴儿的威胁特别大， 死亡率可达8 一5 2 ，对人们的生命建康造成很大的威胁。同时，人们饮用含有过量n 0 3 - n 的水会 东南大学硕士学位论文 有致癌的危险，有关研究发现，胃癌同环境中硝酸盐水平，以及饮用水和蔬菜中硝酸盐的摄入量成正相 关。因此，非点源污染的控制已经越来越受到关注，国外对硝酸盐的污染地污染制定了严格的标准，世 界卫生组织及美国环保局制定的饮用水中硝酸盐含量标准为1 0 m g l 1 。 农田氮素的淋失给我们的生存环境和生命安全埋下了严重的隐患。随着农业集约化程度日益提高， 水资源的污染必将供需矛盾推向高潮，水资源状况和利用水平已成为评价一个国家一个地区能否持续发 展的重要指标。减少农业面源污染，提出合理管理控制措施，已成为人类密切关注和亟待解决的热点问 题。 1 2 2 农田土壤氮素损失途径 农田生态系统中化肥氮的去向，是在作物与环境条件的影响下，土壤中氮素的转化和移动各过程 的综合表现【l l 。我国自六十年代以来，掀起了“绿色革命”，大量化肥无计划性施入农田，在创粮食产 量的同时，忽略了环境效益，导致氮肥损失加剧，水源地受到n 0 3 。n 污染。氮肥的损失主要有以下几 种途径： ( 1 ) 淋洗损失 氮素的淋洗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1 2 j 。大量化肥施入农田时，由于作物不能完全吸收利用，大部分肥料最终以可溶性n 0 3 。- n 和n h 4 + - n 的形式淋失到土壤下层，土壤胶体带负电荷，可以吸附大量n h 4 + - n ，因而，在降水和灌溉 的过程中，n 0 3 - n 成为氮淋失的主要形态淋失进入地下水源。一般来说，施氮量、降雨灌溉量过大会 提高淋洗数量和增加深度，土壤质地越重淋洗深度就越小【7 】。 ( 2 ) 反硝化损失 反硝化损失是土壤中氮素损失的一条重要途径，它是由微生物在特定条件下进行的。土壤中有多种 微生物在缺氧时能推动反硝化作用，从这一过程取得氧，以供自身的呼吸作用，干湿交替的环境比较有 利于反硝化作用的进行。反硝化作用不仅会造成肥料损失，形成的含氮氧化物也会污染大气环境弘j 。 ( 3 ) 氨挥发损失 氨挥发损失也是氮素损失的重要途径之一。有研究表明肥料氮的地表挥发损失为施入总氮量的1 一1 3 1 9 j ，不耕种时普遍偏低。施入的尿素如果不与土壤混合，肥料氮的氨挥发损失会超过4 0 【10 1 ，并且 会随温度、土壤p h 值、地表残留氮量的增加而增加。通过大田试验和田问小区试验表明：每次施肥后l 一3 h 内氨挥发损失达到最大值，氨挥发损失受到当地气候条件( 如光照、温度、湿度、风速、降雨量) 、 施肥时间、田面水的n h + 4 - n 浓度以及p h 值等因素的影响1 1 1 1 。 1 2 3 农田土壤氮素淋失影响因素 土壤中的氮素发生淋溶损失必须满足两个基本条件：土壤中有易移动性氮素累积( 主要是 n 0 3 _ n ) 。该条件即受土壤中氮源和氮汇的控制，又受土壤中各种形态氮素转化过程的控制。存在 土壤水分运动。也就是说，“水随盐走，水去盐存”，大量的土壤水分运动始终是土壤氮素淋溶运移的 媒介和驱动力。农田氮素淋溶损失是在土壤中以n o ，。n 为主的易溶性氮素含量较高和水分迁移状况良 好的条件下发生的，任何促进或阻碍这两个条件之一的因素都会影响氮素淋失的发生与否及其程度i l 引。 ( 1 ) 降雨和灌溉 降雨和灌溉是影响土壤水分运动的主要因素，土壤中的水分运动状况能影响农田氮素淋失速度和深 度。大量的降雨和灌溉，一方面促进了溶质运移，给植物生长带来了必须的养分；另一方面，多余的营 养盐会随水分运移淋溶到地下水体中造成污染。 罗时石【l3 】等研究表明：土壤中n o ，。- n 很容易随灌水而下渗，灌水量越多，下层土壤中n o ，。- n 的浓 度就越高；王辉等【1 4 】采用人工模拟降雨和天然降雨观测方法研究坡地氦素淋溶过程，发现降雨量与 n 0 3 。一n 淋溶深度和淋失量均呈正相关，大约每4 m m 降雨量可使n 0 3 。- n 下渗l c m ；贾树龙f 1 5 】在壤质潮士上 研究不同灌溉定额对小麦氮肥利用率及损失率的结果表明：大水漫灌明显降低肥效，在适量灌水量的基 础上，每公顷农田多灌水4 5 0 m 3 ，损失率增加5 5 4 ；在美国明尼苏达州，w a d d e l l i l6 j 用砂壤土栽培马铃 薯的试验表明：在施氮量2 2 5 k g h m 之的条件下，增加灌溉量1 7 3 m m 时，土壤氮素的淋失量增加 4 7 6 k g h m ；m a g d o 拼1 7 j 认为硝酸盐淋失是由于水的移动引起的，作物生长季节淋失不明显，而秋季水 分凝结量超过蒸发量，淋洗易发生。 ( 2 ) 肥料用量与种类 氮素淋失量的大小取决于施肥量的多少。在国内，范丙全【l8 】通过调查得出结论氮肥用量是n o ，- n 淋溶损失的决定因素，氮肥的施用量大大超过植物的吸收量，势必会造成n o ，。- n 在土壤中的大量积 累，这为n 0 3 。n 的淋失提供了前提条件。庄舜尧等f l9 】利用1 5 n 标记示踪试验研究蔬菜地中的氮肥去向， 2 第一章绪论 发现随氮肥用量的增加，农田氮素淋溶损失的可能性明显增加。在国外，集约化程度高的国家，有研究 者调杏：表明氮肥用量的增加和硝酸盐淋洗量存在明显的正相关关系【2 0 1 。o l s o n 【2 1 】调杏显示，大量氮肥 施用使谷物产量显著上升，同时硝酸盐淋失量也大量增加；p r i n s l 2 2 l 等也报道了肥料氮对淋洗硝酸盐的 影响，发现若施肥量在最适数值以下，硝酸盐数量不受或者很少受施氮量的影响，如果施肥量超过最适 量，就会有硝酸盐大量累积的危险。 施肥种类也同样影响氮素淋失量。一般来说，硝铵的淋失量 碳铵的淋失量 尿素的淋失量【2 3 2 4 j ， 目前，控释性化肥的使用在农业生产中越来越受重视1 2 踞州，它是我国未来肥料发展的重点领域之一。所 谓控释或缓释性化肥( c o n 仃o l l e 弘l o wr e l e a s ef e n i l i z e r ) 是指那些本身溶解度低或经人工包膜而肥效减缓 的化肥品种。肥料氮淋失的数量和形式决定肥料的溶解度，因此控释化肥较普通型化肥的淋失大为降低。 随着对控释肥的研究的深入，缓释肥的品种也越来越多。钟雪梅【27 】等报道了普通化肥、竹碳包膜肥( 自 制) ，矿物包膜肥对氮淋失和有效性的影响，研究发现，竹碳包膜肥、矿物包膜肥比普通化肥的肥效要 高，氮的淋失量也相对小。 ( 3 ) 耕作方式 耕作制度引起氮素在作物、土体和地下水各室的新的耦合分配，也是制约n 素淋失量的原因之一。 耕作方式影响土壤扰动程度和残留物的存在，进而影响土壤水分运动。一项连续试验表明，耕作方式对 氮素( 2 0 2 埏h m 。2 ) 淋失的影响程度为( k g h m ) ：垄耕( 9 5 ) 铧式犁( 1 0 2 ) 03 m 4 培( 1 857 7 0 0 62 5 平均( m k 一) n l l 20 1 0 30 1 2 9o 女变幅( m k 一) o0 l l _ 04 “n 毗2 m1 9 700 9 3 m1 6 6n 0 2 】m 2 9 03 m ek f ( 嘲 9 9 1 2i o o1 0 09 37 5 03 m k 叠1 ( )08 80062 5 平均( m o k 一) 89 6 4 89 4 31 28 9 51 n 9 3 砰 变幅( 眦k 一) 32 8 - 1 49 864 一l 】9 59 6 l 1 6 1 2z 6 l 一1 52 6 l5 m ek f l ( 11 0 01 0 0伸o1 0 0 1 5 m ek go ( ) oo0o 2 3 2 种植区水环境污染现状分析 江阴境内河网密布，水道纵横，属长江流域太湖水系种植吲区灌溉水和排污的主要河道有：反修 河、利港河、新淘河、西横河、申港河、新夏港河、东横河、白届河、锡澄运河、青祝运河、应天河、 7 马泾河、张家港河、长泾河、华士河、长寿河、蔡港河、富贝河等。各河道具体污染状况如下表所示， 将环境质最综合污染指标分为安全、警戒线、轻污染、中污染和重污染5 级。 对上述河道运用多因子综合评价法评价，综台污染指数计算方法如下： 尸埭= p 镕：水综合污染指数；p 哪：水异单项污染指数中最大值；pr 目：水各项污染指数平均值 东南大学硕士学位论文 表2 3 ：江阴市主要河道水污染状况列表 l 璜土反修河7 8 l o 9 0 1 4 0 8o 5 0 90 0 1 2 9o o o o l0 0 0 0 2o 0 1 60 3 9 8 52 2 利港。利港河 7 8 5o 7 02 7 0 40 6 9 20 0 2 2 l 。o o o o lo 0 0 0 20 0 1 40 4 1 6 72 3 申港新沟河 7 8 1o 6 07 0 4o 6 4 4o 0 1 8 20 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 1 60 3 9 4 02 4 申港港河7 8 9o 6 l7 0 4 00 6 1 9o 0 0 9 3o 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 1 6o 4 4 1 92 5 夏港夏港河 8 0 80 6 l2 8 l0 4 9 5o 0 0 8 l0 0 0 0 l0 o 0 0 2o 0 1 60 5 2 0 93 6 澄江 西横河 7 5 4 o 6 07 0 4 0 8 2 l 0 0 0 9 4 o o o o l0 o 0 0 2 o 0 1 6 o 2 6 7 l 2 7 山观东横河 7 7 60 6 l2 8 lo 5 3 4o 0 l2 9o o o o lo 0 0 0 2o 0 l oo 3 7 0 62 8 马镇白屈港 7 4 30 “8 4 4o 7 6 6o o 1 0 90 o o o l0 0 0 0 20 o l o0 2 3 7 42 9 南闸锡澄河7 6 l o 6 0 5 6 3 2o 8 8 5 0 0 1 2 4 o 0 0 0 l o o 0 0 20 0 l o0 3 0 7 62 1 0 云亭应天河 7 8 90 6 27 0 4 0 0 5 5 7o 0 1l oo 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 0 8o 4 3 9 92 1 1 南闸冯泾河 7 6 00 5 67 0 4o 5 4 3o o l o oo 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 0 2o 2 9 1 32 1 2 周庄张家港 7 4 8o 6 67 0 4o 4 4 2o 0 0 9 0o 0 0 0 l0 0 0 0 2o 0 0 20 2 4 2 7 2 1 3 周庄长寿河 6 4 5o 6 32 8 l6 2 8 0o 0 0 9 9o 0 0 0 lo o 0 0 2o 0 0 6o 2 7 1 72 1 4 华士华士河 6 9 5o 8 l2 1 1 20 7 8 3 0 0 0 9 3 0 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 0 6o 2 9 2 72 l5 新桥蔡港河7 0 6o 9 87 0 4o 6 9 40 0 0 9 7o o o o lo o 0 0 2o 0 0 8o 3 5 2 0 2 1 6 长泾长泾河 7 4 50 8 07 0 4o 6 4 lo 0 1 5 3o 0 0 0 lo 0 0 0 2o 0 0 6o 2 9 2 82 1 7 长泾 富贝河 4 0 7 o 6 4 8 4 4 8o 4 1 3o 0 1 1 50 0 0 0 lo 0 0 0 2 0 0 5 2 1 4 1 3 5 2 从上表中我们可以看到，在种植区的河道已经受到不同程度的污染，夏港镇的p h 值达剑8 0 8 ，达 到警戒线，长泾县的富贝河p h 值也超标达到4 0 7 ，明显偏酸性，且c o d 值已经达到了8 4 4 8 m g l ， 污染状况十分严重，利港河、港河、锡澄河、应天河、富贝河等c o d 都严重超标，污染现象不容乐观。 各主要河道虽然综合指标没有达到重度污染指标，但各分项指标存在着潜在污染威胁。 2 0 0 4 年，河海大学与江阴市环境监测站，对江阴市水环境容量进行系统研究，根据2 0 0 4 年江阴统 计年鉴中人口资料、耕地面积，按环保总局排污系统法计算出生活污染源及农田污染物c o d 入河量， 同时参考江阴市环保局提供的畜牧禽养殖资料计算得出农业面源污染的c o d 入河量，并与工业污染源 作为比较。如图2 3 所示，农业面源污染量已经接近于工业废水和生活污水排放量，成为水环境污染的 第三大“元凶”。农业面源污染已经给地表和地下水体带来严重污染，成为人们不得不关注的热点问题。 2 4 小结 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 墨l 0 0 0 0 5 0 0 0 0f 痢。囊，曩! 。 工业废水排放量生活污水排放量农业面源排放量 排放类型 图2 3 ：江阴市不同排放类型污染物c o d 入河流量示意图 本章介绍了江阴的地质地貌、气候气象、水文水系、成土母质和土壤类型等基础情况，并着重介绍 了江阴种植区的农业发展概况，对集约化种植区土壤污染和水环境污染状况进行了分析，可以得出江阴 的主要污染源为农业及农村面源污染。因此开展农业面源污染治理是防治江阴地区环境污染的关键。 第三$ 羹约化种植区壤中硝卷氯垂向迁移规律 3 1 引言 第三章：集约化种植区土壤硝态氨垂向迁移规律 江阴市一直在全国百强县市排名中名列莉茅，经济发迭交通便利。江阴市农业生产中年化肥使用 总量达5 6 0 0 0 多吨，农药使用总蕈达1 0 0 0 多吨，每亩耕地平均年投入鼙分别比五十年代增加8 倍和2 0 倍 而且随着农业现代化水平的提高和农村经济的发展，农业集约化种植的程度正在不断提高，化肥、农药 的使用量早递增趋势。加上使用技术欠佳，当季有效利用率偏低火量残留物积累予土壤，流失到河流 中导致农业生态环境质量逐年恶化，造成农产品多级污染，品质日益下醉严重威胁着 们的身体健 康。江阴沿江地区属苏南特色农业带，农业生产集约化程度高。近年来由于人类活动的干扰如大最无 公害蔬菜基地、花卉基地和水果基地的建设农业耕作方式的改变，化肥使用量的增加等使得地下水硝 酸盐的污染问题日益凸显，地下水硝酸盐污染不仅直接导致部分农田土壤环境质量f 降而土壤质量的 恶化又直接影响到农产品质量，最终影响人们的健康和生活质量。 时间对江阴市水环境质量的监测结果表明：江阴集约化种植区的地表水及浅层地下水都存在着不 同程度的污染。但士壤中n n _ n 迁移转化过程中随时间和土壤空间变异的研究鲜见报道。本论文选取 江阴市沿江地区典型农业集约化种植匿的三种代表性土地利用方式：蔬菜基地，葡萄种植基地及常规农 业种植区为研究对霉。就三种典型种植区中七壤和地下水的硝酸盐含量开展定点监测。就所获得的土壤 和地f 水中硝酸盐的监测数据进行归纳与分析得出集约化种植区土壤n 0 3 ：n 垂向迁移规律井开展模 拟研究研究结果有助于进一步评估集约化种植对地下水硝酸盐污染的影响程度和范围，为防治水污染、 制定流域堆佳管理措施提供科学依据。 3 2 试验方案与设计 3 2 1 研究区域概况 本研究选取三种不同种植情况为研究对象如图3 一l 所示，分别为璜土镇葡萄种植同、东支蔬菜基地、 璜土常规种植区。 ( 1 ) 葡萄种植园位于江阴市连片规模最大、设施比较完善的璜十镇葡萄园基地内，属于集约化种植横 式。该基地离市区中心两南5 ，水陆交通十分便捷。项目区土地平整、雨量充沛、日照充足、四季分 明，属丁北亚热带季风性湿润气候，平均日照2 0 7 9 4 h ，年均气温1 5 2 ，年均降水量1 0 5 68 m m ，年 均无霜期2 2 5 山且空气清新，土壤肥沃，灌排体系齐全，是江阴市大型葡萄出口基地。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 东支蔬菜基地位于利港镇南首，锡澄常公路旁，主要以种植油菜为主，油菜成熟后，依次种植黄 瓜和白菜，属于大规模集约化种植模式。项目区土地平整、雨量充沛、日照充足、四季分明，属于北亚 热带季风性湿润气候，平均日照2 1 5 9 4 h ，年均气温1 6 2 ，年均降水量1 0 5 6 8 m m ，年均无霜期2 2 5 d ， 年平均风速3 1 m s 。蔬菜年产1 8 0 万公斤，总创收益净值1 3 4 万元。 ( 3 ) 农家菜园位于西石桥镇一户农民家中，属于常规种植模式，位于东支蔬菜基地的东南方向，交通 便利。所选项目区农田土壤肥沃，日照充足，雨量充沛，区内种植油菜，油菜成熟后种植大豆。采用农 家日常灌溉施肥，是典型的农村自产自销种植区。 3 2 2 采样点布置 在研究区域3 种不同种植方式采样点，分布着3 种不同的水稻土。综合考虑土壤质地和种植作物， 划分5 个土壤剖面，布置3 个地下水观测井，分别位于璜土镇葡萄园种植区、东支蔬菜基地、常规种植 区如图3 1 所示。依次编号为：1 号、2 号、3 号。3 种土样的分层按照平均分层法：分为0 2 0 c m 、2 0 4 0 c m 、 4 0 6 0 c m 、6 0 一8 0 c m 、8 0 1 0 0 c m 总共为5 层。葡萄园和蔬菜种植园采用集约化统一管理，常规种植区按 当地农事习惯施肥和灌溉。各观测区土壤质地和农作物类型见表3 1 所示。 表3 1 各观测区土壤质地和农作物类型 常规种植基地：西石桥农家菜园 3 2 3 土壤基本性质的测定 ( 1 ) 测试项目 土壤容重用环刀法测定；土壤质地用吸管法测定；有机质用重铬酸钾外加热法进行测定；结构系数 和团聚度用土壤理化分析一书中的测定方法进行测定；实验室中各个土层含水量用时域反射仪( t d r ) 测定；土壤基本性质测定和室内实验在河海大