（环境工程专业论文）利用固氮植物减少no3污染初步研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 近年来，随着大环境污染的加剧，地下水也受到了严重的污染。农业上长为1 施川高量 氮肥足造成地下水、饮用水中n 0 3 污染的重要原因之一。目前地下水n 0 3 的治耻生要为 物理化学方法和生物方法，而关于利用固氮植物减少地下水n 0 3 的研究几乎趋于空白。我 国农业活动普遍，由于化肥的施用而造成的地下水n 0 3 含量高，因此探讨利用圃氮椭物减 少地下水n 0 3 的污染具有重要的意义。 选墩断利一作物( 周氮与非固氮作物：大豆和白菜) 进行对比，通过控制施肥量，研究 固氮植物对减少n 0 3 污染的作用，经过研究我们发现： ( 1 ) 土壤n 0 3 的迁移、转化是一个复杂的过程，与有机质、土壤p h 、有效磷含量等有关： ( 2 ) 在共生固氮的作用下，0 1 5 c m 和1 5 3 0 c m 土壤n 0 3 增加量要比棚同条件下白菜种植 土壤j | l 加的幅度小1 3 2 5 、2 5 8 8 、5 0 4 6 、1 2 8 2 、1 2 0 3 ，而3 0 6 0 c m t - 壤层中：尺 豆土壤的残科量要大。这既明利厂u 固氮植物减少n 0 3 - 的污染在土壤层较薄的山区可以适 用，但是对于土壤较厚的地区，由于n 0 3 出现了向土壤深层迁移的现象，造成了深部的 n 0 3 积累，容易造成地下水污染： ( 3 ) 施肥量过多会抑制豆科的共生固氮作用，而这又与土壤中的n 0 3 - 含量密切槲关，使 得礼n 3 0 0 土壤残留的n 0 3 是最少的，同时也不至于使得植株的n o r 含量过高，为最佳施 肥量；化肥使川过多，会使得白菜n 0 3 含量增加，降低白菜的品质，而且使得二f ：壤水巾的 n 0 3 含量增加，严重危害到地下水的安全； ( 4 ) 大豆等吲氮植物的种植增加了土壤养分含量，比白菜大2 8 7 、3 9 ，有可能在以后 n 勺作物种植l l l l 减少化肥的施用量而利用圃氮植物增j j n 的土壤氮进行，l i 命活动； ( 5 ) 白菜对n o ，、n h 4 + 均可以进行吸收，大豆对n 0 3 的吸收特性比较强，因而这样就使 得在瓮栽实验中出现了大豆土壤n 0 3 富集的现象；在实验进行的初期，土壤水中n 勺n 0 3 。 大量：的流失，n 0 3 - 在雨水的作用下迅速的向土壤深层移动而进入地下水，造成f 厄重的污染； ( 6 ) 随着化肥施用量的增加，作物植株内的n 0 3 含量呈递增的趋势，增长的i 幅度与化肥 增长量不呈比例，白菜植株内的n 0 3 含量明显的高于大豆内的含量。 关键词：农业污染土壤固氮化肥n 0 3 大豆白菜 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t l h c g r o u n dw a t e ri so n eo ft h ep r e c i o u sn a t u r a jr e s o u r c e sw h i c ha r el i m i t e d a sl h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h eu n d e r g r o u n dw a t e ri sp o l l u t e d h e a v i l y ，f i l ee x c e s su s eo fc h e m i c a lf e r t i l i z e ra n dp e s t i c i d ec a nt h r o u g ht h es o i la n de n t e rt h e u n d e r g r o u n dw a t e r , a n di ti sa n o t h e rs o u r c eo fu n d e rg r o u n d w a t e rp o l l u t i o n t h ec h e m i c a l f e r t i l i z e r sw i t hh i g hnc a l lc a u s e n 0 3 p o l l u t i o n a tp m s e n t ，w em a i n l yh s ec h e m i c a la n d p h y s i c a lm e t h o d st od e a lw i t ht h en 0 3 一p o l l u t i o n ，b u t t h eu s eo fn i t r o g e nf i x a t i o np l a n tt od e a lw i t ht h en o j p o l l u t i o ni sr a ! 。e l y t h en 0 3 一p o l l u t i o n m a i n l yc o m e sf r o mt h ee x c e s su s eo fc h e m i c a lf e r t i l i z e r ，s ow et h i n ko u taw a yt h a tu t i l i z et h e g l o wo fn i t r o g e nf i x a t i o np l a n t ，d i m i n i s ht h eu s eo f c h e m i c a lf e t t i l i z e r , a n dd e c r e a s et h en 0 3 i n t h es o i la n du n d e r g r o u n d w a t e r c h o o s et w ok i n d so fc r o p s ( o n ei sn i t r o g e nf i x a t i o np l a n t ，t h eo t h e ri su n n i t r o g e nf i x a t i o n p l a n t ) t oc o m p a r e d ，c o n t r o lt h eq u a n t i t yo fc h e m i c a lf e r t i l i z e r , a n a l y z e dt h er a t eo fw a t e l c o n t e n t 、p l l 、o r g a n i c 、n 、n 0 3 、n h 4 + 、p ，a n do t h e re l e m e n t si nt h es o i l ，w a t e r , a n dc r o p sd u r i n g t h cg r o w i n g p r o c c s s a tl a s t ，w ef i n dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： ( 1 ) t h em o v ea n dt r a n s f o r mo fn 0 3 一i ns o i li sac o m p l e xp r o c e s s ，a n di ti sc o n c e r n e dw i t hp h ， o ig a n i ca n da v a i l a b l ei i nt h es o i l ； ( 2 ) t h er u d i m e n t a ll b i mo f n i ns o i lm a i n l yi sn 0 3 。，a n dc o m p a r e dw i t ht h es e e d i n gp e r i o d ，t h e n 0 3 。i nt h es o i lc u m u l a t e di n6k i n d so fq u a d s o nt h eb a s eo fn i t r o g e nf i x a t i o n ，t h en 0 3 一i nt h e l a y e l o f0 15 c ma n d15 - 3 0 c mt h a tg r o wb e a n sw e r el e s st h a nt h es o i lg r o w i n gc a b b a g e s ， 1 3 2 5 、2 5 8 8 、5 0 4 6 、1 2 8 2 、1 2 0 3 r e s p e c t i v e l y i l lt h el a y e ro f 3 0 - 6 0 c m t h en 0 3 。w a s m u c hl n o r ei nb e a ns o i l i ti si n d i c a t e dt h a tw ec a nu s et h en i t r o g e nf i x a t i o nt od e c r e a s et i r en 0 3 i na r e a sw i t ht h i n n e rs o i ll a y e r s ，w h i l ei nt h em u c ht h i c k e rs o i ll a y e r s ，t h er e s u l ti sn o ts og o o d a n dt h ee x c e s sn 0 3 。c a l lt r a n s f e ri n t od e e p e rs o i ll a y e r s ，a n dp o l l u t et h eu n d e rg r o u n d w a t e r ； ( 3 ) u s i n ge x c e s sc h e m i c a lf e r t i l i z e rc a nr e s t r a i nt h en i t r o g e nf i x a t i o n ，a n di ti sa l s o1 e l a t e dw i t b n 0 3 。i ns o i l t h en 0 3 。i ns o i li st h el e a s tw h e nn 3 0 0 ，a tt h es a m et i m e ，t h en 0 3 。i nc r o p si sn o t t h eh i g h e s t ，s ow ec a nm a k es u r et h a tt h en 3 0 0i st h eo p t i m u mf e r t i l i z i n ga m o u n t t h ee x c e s s c h e m i c a lf e r t i l i z e rc a ni n c r e a s et h en 0 3 i nc a b b a g e sa n ds o i lw a t e r , d e c r e a s et h eq u a l i t yo f c a b b a g e sa n dd a m a g et h eu n d e rg r o u n d w a t e r ； ( 4 ) 1 ) u et ot h eg r o w i n go fn i t r o g e nf i x a t i o np l a n t ，t h ec o n t e n to fni ns o i li n c r e a s e dt h a nt h a ti n s o i lt h a tg r o w i n gc a b b a g e si nt h el a y e ro f0 1 5 c ma n d3 0 6 0 c m t h ea m o u n tw e r c2 8 7 a n d 3 9 r e s p e c t i v e l y i ti si n d i c a t e dt h a tt h eg r o w i n go fn i t r o g e nf i x a t i o np l a n tc a ni n c r e a s e dt h e l i 桂林工学院硕士学位论文 n u t r i e n to fs o i l ，s ot h et b l l o w i n gc r o p sc a nu s et h en u t r i e n ti n c r e a s e db yn i t r o g e nf i x a t i o np l a n t a n dw ec a nd e c r e a s et h eu s i n go fc h e m i c a lf e r t i l i z e r ； ( 5 ) b e c a u s eo t t h ed i f f e r e n tr o o ts y s t e m s ，t h en 0 3 i ns o i lg r o w i n gc a b b a g e si nt h el a y e l o f o 15 c mw a sl i t t l e ，w h i l et h en 0 3 。i nt h es o i lg r o w i n gb e a n st r a n s f e r r e di n t od c c p c rs o i ll a y e r s c a b b a g c sc a l la b s o r bn 0 3 、n i1 4 + i ns o i l ，w h i l et h eb e a n sc a na b s o r bn 0 3 o n l y ，s ot h en 0 3 a c c u m u l a t e di nt h ep o te x p e r i m e n t ；t h en 0 3 。i ns o i lw a t e rl o s sl a r g e l yi nt h ee a l l yp e r i o d ，a n d w h e nt h es o i li sm t i c ht h i n n e r ，t h en 0 3 c a ne n t e rt h ed e e ps o i lw h e ni ti sr a i n i n g ，s op o l l u t et h e u n d e rg r o u n dw a t c r ( 6 ) t i l em o r ec h e m i c a lf e r t i l i z e r ，t h em o r en 0 3 一i nb e a n sa n dc a b b a g e s ，b u tn o tp r o p o r t i o n a l r 1 1 l i en 0 3 i nc a b b a g e si sm u c hl a r g e rt h a ni nb e a n s k e yw o r d s ： a g r i c u l t u r e ，p o l l u t i o n ， s o i l ，n i t r o g e nf i x a t i o n ，c h e m i c a l f e r t i l i z e r ，n 0 3 ，b e a n s ， c a b b a g e s i l i 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明利版权使用授权说咧 独创 生声明 本人声f 盯j ：所呈交的论文是我个人在袁道先院士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跚的地方外，论文中不包含他人已经发表或 撰写过f 由研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或汪书而使川过的 材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了访i 意。 学位论文作者( 签字) ：垒垒萄 签字闩期：劲q 容! i ! ! 旺 版权使用授权说明 木人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的舰定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供日 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢刷为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 学位论文作者( 签字) ：堡叠 指导教师签字：咝 签字日期：至! ! ! 鱼：! 旦 桂林工学院硕士学位论文 第1 章研究现状及意义 水是人类和各种生命赖以生存的重要物质资源，随着工农业经济的发展，地球上的水 资源需求黾加大，水资源变得十分紧张，地下水资源尤其如此。随着社会经济的发展，地 一l ：t y , j l ：发利川胤模n 益增大，与地下水有关的环境问题同益突出。地下水环境质量的优劣 直接关系到城i l i l i ，j 经济建发、人民的生产生活和环境保护等一系列问题。 1 1 地下水的重要。性 地下水是一种有限的宝贵自然资源，同时又是战略性资源的重要部分1 1 1 。地下水因具 有水质好、分布广、调莆能力强等特点，在工农业生产和生活中被广泛的大量7 1 ：发利用。 地下水是全球y | - 多地区的唯一供水水源f 2 i ，也是许多国家和地区的主要饮用水源i _ 。在 美田，地f 水为1 2 以上的人口提供了饮用水鸭我国对2 1 个省市的2 7 个主要城市n 勺统 计结果表明，有l ，2 以上的城市以地下水为主要水源l 。尤其足我国北方干旱和半干旱地 区，地下水成为极为重要的甚至是唯一的水源。 1 2 地下水的污染现状 在自然条件下，地下水虽不像地表水那样容易被污染，但地下水系统是一个脆弱的生 态系统，一旦污染很难在短期内恢复。 近年来，随着大环境污染的办f i 剧，地下水也受到了严重的污染。由于k j y j 过量丌采， 改变了地下水的水动力条件，加速了污染河流、污水渗坑、不合理的污水灌溉等对地下水 的污染n 1 根据污染源及污染途径的不同，地下水污染可以分为点源污染、线源污染和而 源污染三种。在城镇地区主要以“点”状污染源为主；农村中越来越多的规模饲养场也矿 成为严重的“点”状污染源。“线状”污染是指由于河水污染所造成的沿河地区地下水的 污染。 据统计，我国大、中城市浅层地下水不同程度地遭受污染，其中约一半的城市市区地 下水污染较严重，全国多数城市地下水水质呈下降趋势，部分城市浅层地下水已不能直接 饮用，f - | _ f 此造成的缺水城市和地区日益增多。污染组分主要有三氮( n 0 3 。、n 0 2 、n h 4 + ) 、 酚、氰、重金属、总硬度及c o d 等门1 。 山东省的地表水严重污染，劣v 类水标准的河段占总评价河段的7 0 8 。污染的河水 渗入地下，对地下水造成了严重的污染1 8 1 。根据区域地下水水质调查分析结果：未受河流 污水入渗影川柚的区域，地下水水质较好( 其中c o d c r 浓度低于3 0 m j ，n i l 4 + - n 浓度低于 l 桂林工学院硕士学位论文 0 2 m g i ，n 0 3 - n 浓度低于2 0l n g l ，c i 浓度低于2 0m g 1 ) ，可以直接作为饮刚水水源，是当 地农村人畜j 4 水的主要水源，与受河流污水入渗影响区域有明显差别。 f ；j ( f 着经济的不断发展，地下水的污染类型也越来越多样化。田土资源部从19 9 9 年以 来，先后在京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等地区丌展了地下水有机污染调查研究一i 。 地下水污染调查、监测工作仞步显示：主要城市及近郊地区地下水中普遍检测出有毒微量 有机污染物，而且不同地区山于地质、水文等条件的差异，有机污染物在地下水中的分稚 也存在叫j 显不同。这些有机污染物主要是化工、石油工业等的产物，进一步的j j i i 剧了地下 水污染的态势，正在引起人们的高度重视。 1 2 1 城镇化对地下水的影响 城镇化的发展不仅列地下水补给产生影响，而且导致地下水超采，地下水资源衰竭， 影j 们地下水水质。 g r a d y i 川对美国c o n n e c t i c u t 的调查结果表明，居民区和商业区的地下水普遍受无机物 剐仃机物的污染；j c o n g i 研究证实，垃圾填埋场、废水排放及管道渗漏等都会影响地下水 水质；城市草坪施肥、喷洒农药以及地下空问施工产生的废水、废浆和施- e 木j t 械漏 l i j 等， 也埘地下水质安全构成威胁| l2 | 。 采川填堙的方式处理城市垃圾会使地下水受到垃圾渗滤液的污染。美固密_ ；! ) ：驰州、佐 治业州、印篼安纳州和西班牙等地的垃圾堆放在岩溶落水洞等地表低洼处，使其q j 的有害 污染物质进入地下水中，进一步造成污染t 1 3 1 4 l 。 1 2 2 工业对地下水的影响 工业三废的存在进一步1 m 居, f j 了地下水污染的严重性i ”j 。采矿过程中的疏干排水，人为 的破坏了地下水系统的平衡，造成大面积疏干漏斗，使良好的地下水富水区变为缺水区。 我刚的能源基地( 陕西、山西、河南等地) 由于历史、经济、技术诸方i “i 的原冈，环 保建设落后于经济发展，废弃物处理率很低，废水沿沟渠、河流自然排放，固体废弃物随 意堆放，废气任意排放，致使地表水、地下水遭到污染，被污染的地表水又加重了地下水 的污染1 1 6 i 。 徐州贾汪区因采煤疏干排水，使岩溶地下水水位降至地下8 0 多米，造成多眼水井出 水景减少，甚至吊泵停采，2 0 万居民吃水困难。南京云台山硫铁矿周旧地下水、徐州煤矿 区附近岩溶地下水中s 0 4 2 1 含量明显较高，严重影响了地下水水质t 1 7 1 。 石渊l 化工工艺排出的废水中含有大量的有机污染物质，这些物质不断沉积使底泥成为 不断释放污染物质的二次污染源，污染物的迁移会直接对地下水造成污染i3 1 。采用离子交 换法的低压锅炉出水中的n a + 、c i 、m 9 2 + 、c a 2 + 等离子含量高，直接排入地下水体巾使得 2 桂林工学院硕士学位论文 总硬度、含盐量等上5 1 ，问接的对人体造成了危害。咿i 。 f 乜子丁业的飞速发展带来了大量的电子垃圾，这些电子垃圾中包含大量的有害物质， 鼬像竹- l - 含：仃大量的铅和钡，印刷电路板上含有钳和镉，电池、移动电话i j 笙- r j - 令i - 1 壬j 、- 。i h 予 电子垃圾1 7 - l t l k 手段比较原始，主要通过焚烧、破碎、倾倒、浓酸提取等，废液直接排放， 造成了地下水严重的鼋金属污染和酸性污染。 1 2 3 农业活动对地下水的影晌 农业活动对地下水具有直接和间接影响。直接影响主要是指过量化肥和片日关物质的溶 解和运移；问接影响包括增加溶解氧化剂和主要离子引起土壤和含水层巾水一岩反应的变 化，导敏地下水中订：多无机离予( 特别是n 0 3 ) 、杀虫l l 牙- u 其它有机物质浓度的增j j 兀7 。位 于地。f ? j j 入口或补给区洼地的农田，过量使用化肥和农药后，随着降雨入渗，引起地下河 水- - n 、p 等元素超标1 2 2 j 。 i ：t 斌农业上过量使川的化肥、农药，首先污染土壤，然后经i - t j , i ；t 及淋溶下渗而进入 包气带、地下水体而产生大面积的面状污染。其主要污染物为氨氮、c o d 、硫化物、氰化 物及= t 机物等。如过量使用氮肥，可使水的n 0 3 含量、永久硬度和矿化度升高。山西省水 f 水t 1 氮氮、有机氯含量较大，就与化肥和农药的施用有直接关系i 孙j 。另外，不j l l 选抒的利 川未经处理的污水灌溉也使其中的污染物随水下渗进入地下含水层，从而对地下水形成 丽状污染。 另外，不适当的歼垦荒地和砍伐森林可以导致地下水的形成条件破坏川。森林可以调 ：竹气候、净化空气、涵养水源、保持水土。森林覆盖率下降可以导致大地的涵养水源功能 削弱，江河径流量和地下水补给量减少。 1 3 岩溶区地下水的污染现状 山予特殊的岩溶地质环境和生态环境，岩溶地区水环境特别脆弱，1 9 8 3 年5 月在底特 律召j r - v , j 美固科学促进会( a a a s ) 第1 4 9 届年会上，正式将岩溶环境和i 沙漠边缘地区一样 列为脆弱的环境。岩溶区土层很薄或没有土壤和覆盖层的存在，对地表水的过滤、净化作 用才h 当弱：岩溶区地下水主要以紊流状态的管流为主，流速较快，这个特点限制了地下水 本身| ，i 1 1 ) 4 1 1 1 7 j ，列微生物的生存十分有利；大量相互连接的裂隙使污染物极易进x l i l 下 水系统。因此，岩溶地下水的抗污染i g j j 十分脆弱1 2 5 l 。 云南的小江流域为典型的岩溶区，从1 9 8 2 年至2 0 0 3 年的2 0 年间，由于土地利用的变化 地下水的水质发7 i 三了明显的变化：1 9 8 2 年流域地下水以i 、i i 、1 1 i 级水质为主，而2 0 0 3 年 流域i f 】以i v 、v 级水质为主，地下水水质呈明显恶化趋势；流域地下水水质的变化与流域 森片术质量下降以及耕地扩张带来的化肥污染息息相关1 2 6 1 。 3 桂林工学院硕士学位论文 太原兰村泉域足岩溶地下水的重要补给区，其n 0 3 - - n 的污染范围多呈点、带：佚分仃， ：i ! 要集中住屑民区、工业区和菜l 形6 己作物区，如太原钢铁厂一带浓度- 箭达5 3 9 m g 1 ，污染 程度较高川。 广西岩溶区的工业比较落后，广西境内3 0 多条地下河2 0 年来的水质对比显示，虽然地 下河水质总体情况良好，但s o 。2 。、n 0 3 和总溶解固体质量浓度显著上升，i i c 0 3 一、c 一4 - m g 儿、k 4 、总硬度和永久硬度质量浓度有所升高，水质有恶化的趋势 n 剐。 1 4 硝酸盐的危害、污染现状及其来源 1 4 1 硝酸盐的危害 饮川水- | 硝酸盐浓度过高会在胃肠道及唾液里被微生物转化还原为亚硝酸盐，亚j 酸 击k 使j i l 液一j 的二价铁氧化为三价铁，能引起婴幼儿高铁血红蛋白血症，使皿液不能输送氧 气，刘人的身体健康造成危害例。饮用水中过量的硝酸盐也是人类致癌物质之一。硝酸盐 污染j ： 有隐蔽性和难以逆转性的特点，污染后难以恢复。 吐界卫生组织规定饮用水r i j 硝酸盐氮含量不能超过1 0 m g l ( 换算成7 i f | j 酸1 ：醍则为 4 5 m g 1 。) 1 。我幽地下水水质标准( g b t 1 4 8 4 8 9 3 ) 将地下水分为五类，其巾饮川水中i i i i j 酸盐 氮含量、 b 矗f 再生资源( 如石汕) 和电能。 f 4 ) 反应条件温和工业合成氨需要在高温高压下进行，生产工艺复杂。而生物吲氮在常 温常j 嘲，j 自然条件下即可进行i b 。 此外，生物固氮还具有肥效持续时间长等优点。 1 5 2 目前关于生物固氮的探索 f l 前，针对生物固氮的研究主要有以下几方面【f 。8 j ： 踊；, l q i 9 研究主要是：固氮资源的发掘和应用；生物固氮调控机理及植物与微生物 的帆f t 作用；固氮酶的g i 物化学特性及其化学模拟。我国生物固氮研究着重下列儿个方 m f ：】阪合( 内生) 同氮菌固氮基因调控及其在提供氮素中的作用；根瘤菌与豆科梢物共 生结瘸氮的信号传递和分子0 i 日互作用；氮、碳代i 身： 和同氮与光合作用的偶联；生 刚氮1 1 1 包括蛋白质组学在内的功能基囚组学研究。这些研究主要是侧重于固氮的机旦e 方面 的研究。 - i l 科院院士吴新涛提出了研究生物固氮的目的，一是要提高固氮效率，在理论 ：阐明 影响吲氮效率的原因，在生产实际上提出有效措施：二是化学模拟固氮酶作门j 啡i j ，发展化 学催化理论，改革r ：t 前合成氨工艺，提供廉价氮肥1 6 9 j 。 山西省农科院的史清亮等在山西石灰性土壤常规配比施肥条件下，研究了花，接种优 良根瘤菌的效果1 7 0 j 。研究结果显示，结瘤数增加5 倍，结瘤率 7 0 ， 衙栽和大的供氮 9 桂林工学院硕士学位论文 率分别达至j j 4 5 6 + 6 6 和3 0 2 + 3 3 ，增加固氮量6 9 0 1 0 1 o k h m 2 ，比自然结痛固氮 量提高3 4 6 9 倍。接种根瘤菌衙栽增产3 2 3 士1 1 8 ，大h | 增产1 7 2 + 4 7 ，籽仁柑蛋 白含最提高3 o 7 o 。 江木兰等针对我国大豆、花生生产中化学氮肥影i 啊共生固氮的问题，进行了大豆i 时硝 酸盐试验7 | t ，证明我国的一部分大豆栽培品种比美国的n t s ll1 6 超结瘤耐硝酸等诱变品种 具有更好的硝酸盐耐性。在5 m mn 0 3 - 水堵条件下，5 2 个供试i 口1 1 1 种中共5 个品利，可正常结 瘤、但不氮；2 个栽培品种清运大青豆、江东大粒黄可结瘤并固氮。结果税i 蚰，我田的一 部分栽培火豆在长j , t j l v , j 高施氮肥栽培条4 - i 二胁迫下已经形成了耐氮共生特性，但大多数w - 种 不能耐5 r a mn 0 3 - 而结痛和圃氮。 1 | 上述的综述可以看出，目前我们的研究主要集中的同氮及其影响因素的研究方而， 而关于利用造l 氮植物减少n 0 3 污染的研究却几乎空白。如何利用固氮植物的强大作用是我 们i f i m ；的力in 题。 陈文新院士在中国科学院院士建议上提出了“发挥豆科植物一根瘤菌共生固氮r i o t j ， 减少化学氮肥川量”的建议7 引。陈院士建议：为解决化学氮j i e v , j 过量使用带来的负而影响 及“氮阻j 墨2 ”的问题，在荒漠贫瘠地区加大豆科植物( 接种桐匹配的商效根瘤蔺) 种植面积； 而住具一定肥力水二的土壤中，进行禾本科作物与豆科作物问、套、轮作或豆、禾牧草混 橘，以解决“氮m 遏”问题，充分发挥生物固氮的作用，达到豆、禾互惠双高产，减少化 学氮肥川量、降低环境污染、改善生态环境，保障农、牧业的持续发展的目的。 1 6 项目来源及资金支持 本研究得到了中廷i 地质调查局地质调查项目( 1 2 1 2 0 1 0 6 3 4 8 0 6 ) ：岩溶地下水监测与环 境脆弱性评价资金方而的支持。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 2 1 研究目标 第2 章实验设计和研究方法 通过固氮植物和非固氮植物的大田实验和笳栽实验的相互补充，控制化 巴的施川量， 研究化肥施j f j 量的多少刘土壤、土壤水、植物品质等的影l | i 向，判断是否可以在保证农f 1 ：物 产量年l i 营养品质的i ，提下，通过减少化肥的施用量，减少由于化肥的施用而进入土壤捌地 下河硝酸根的含量，从而为合理施肥和减少地下河n 0 3 - 污染提供技术上的依据和支撑。 2 2 研究内容 实验分为大实验和笳栽实验两部分：选取生长期基本桐同n 勺两种作物，一种为同氮 午i ! i 物一黄豆，另一种为非固氮植物一白菜，对两种作物的整个生长周期进行对比研究。研 究的主要项f 1 为土壤n 0 3 、n h 4 + 、p h 、有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷在作物! 卜 长过秤l ，的变化；植物的生长过程中n 0 3 - 的变化；作物收获期其品质的主要指标；土壤水 r l ln 0 3 。、n i t 4 + 、p i i 等的变化。所用的肥料为尿素。 2 2 1 大田实验的设计 大实验位于桂林市东南部，距离约有3 0 公里的灵川县潮ir | 乡毛村，地理位置如下 图所示： 图2 一】研究区地理位置图 f i 9 2 1t h ep o s i t i o no f t h em o n i t o r i n gs i t e 桂林工学院硕士学位论文 研究区概况 研究区的气候条件： ( 1 ) 属皿热带季风气候区，气候四季分明，降雨量的年内分配，主要受季风活动影i 帼， 分斫j 刁i 均。夏季湿热多雨，秋季干旱少雨； ( 2 ) 一般阿季从每年的3 月份开始到8 月份，最大的降雨量连续出现在4 7 月份，9 月 到次年2 月一般为二i 二，f 占季节。降雨量的峰值多出现在5 月份至6 月份，两个月的降雨量可 达5 0 7 6 8 3 m m ，占全年降雨量的3 3 7 一- - - 3 6 7 ，雨量最少的月份出现在冬季的1 2 月份 至次年的1 月份，两个月的降雨量为9 9 2 1 1 4 6 r a m ，仅占全年降雨量的6 左右。 毛村地下河流域一i 二地利用类型 主要有水稻r t l 、林地、果园、灌丛、居民用地等 研究区的地层为 上泥搞统融县组( d 3 r ) 研究区的水文地质条件 图2 2 研究区岩溶水文地质图 f i g 2 2s c h e m a t i ck a r s th y d r o - g e o l o g i c a lm a p o ft h es t u d ya r e a 1 2 桂林工学院硕士学位论文 毛村地下河属于峰丛洼地裂隙溶洞水，具有完整的补、径、排条件，成为一个独立的 水文地质系统，含水介质具有非均质性，由巨大的岩溶洞穴、管道和细小岩溶裂隙组成， 具有明显的多重介质结构i i 。 研究区土壤基木概况 毛村地下河流域的土壤为由灰岩发育的土壤，厚度可达1 0 5 m ，分层叫显，其暴本的 性质如一卜表所示1 7 4 i ： 表2 - i 土壤的基本性质 ! 垦b ! 望z ：! 警q ! 12 q 2 呈j 玉i 量q l l 婪亟y l ：曼曼 深度p i l有机质全n全磷全钾c n ( m 0 ) ( ) ( )( )( )( ) 主要的实验过程为 根据当地农民的习惯，设计三种不同的施肥量：n o 、n 3 0 0 、n 6 0 0 ，作3 个处理。即： 根据以 f 研究的施肥多少进行计算，确定n 3 0 0 ( 3 0 0 k g h a ) 为适度施肥条件，n 6 0 0 ( 6 0 0 k g h a ) 为过最施肥的情况，同时设置空白样，即n o 。 对作1 步j f r , j 生长全过程进行监测，主要的监测数据为：土壤、土壤水、下雨的坡面流、 地下河水、植物样叶，的总氮、硝酸氮、氨氮。 ： 】_ 洲0 的依 l ：主要是： 种植条件下二i ：壤水向潜水的转化过程主要表现为降水和灌溉入渗补给地下水，潜水向 土壤水转化过程j ：要表现为潜水蒸发f 7 5 j 。潜水入渗补给和潜水蒸发的形成以及入渗补给和 潜水蒸发的速率，主要是山包气带的下界面( 潜水面) 以上土壤水分的能量和数啭的分佰 状态和水力传导能力等因素决定的。不论包气带土壤剖面的土壤水势分前i 状态多么复杂， ， l 要侄潜水而以上年h 邻区域的土壤水势梯度小于o u , j ，土壤水分就会向上运移，引起潜水 蒸发，形成潜水向土壤水的转化。当潜水面以上相邻区域的土壤水势梯度大于o l v t ，土壤 水分向下运移，潜水得到土壤水的下渗补给，即形成土壤水向潜水的转化。 作物，j i 长条件下，潜水蒸发过程发生在潜水浅埋情况下，地下水上渗补充囚地表棵m 蒸发硐i 作物根系吸水引起的土壤水损耗，而且绝大部分能被作物利川，成为作物需水量的 重要组成部分，这部分水可以称之为有效的潜水蒸发量。当潜水埋深大于潜水蒸发卡及限深 度时，潜水不再出现上渗损耗，而且潜水始终处于缓慢的入渗补给状态。因此实验对土壤 水进行j i f 钡0 。 ：j 二壤f | l 总氮、硝酸氮、氨氮的测定是确定化肥施用以后残留在土壤巾氮肥员； 土壤水中总氮、硝酸氮、氨氮的测定是确定化肥施用以后有多少通过土壤的渗透作用 进入深部土壤层； 1 3 桂林工学院硕士学位论文 坡而流总氮、硝酸氮、氨氮的测定是确定降雨过程中有多少化月巴通过地表径流进入地 下河； 地下河巾总氮、硝酸氮、氨氮的测定是确定化肥的施用对地下河带来的影响； 植物样总氮、硝酸氮、氨氮的测定是确定不同的化肥施用量对作物品质的影响 i f 义样时f , t j l l ，j 设计： 在作物种植之前和种植之后对土壤样品进行分析； 在降雨期间对土壤水，坡面流和地下河水进行墩样分析； 在植物的4 i 同生长阶段采集植物样进行分析； 2 ，2 2 盆栽实验的设计 j ；蔓栽实验足对大实验的补充和对照。 对上述选取的作物进行瓮栽实验，与大i = 兀实验一样，对选用的每科t 化肥作三个处理， 每个处理作三个平行。主要的监测项日是土壤、上壤水、植物样r 1 的总氮、硝酸氮、氨氮。 刈二采伐n 勺恤物进行定j j 浇水，每次的浇水量一定，设汁为1 升。可以根抛实际情况进行调 整浇水量。 取样寸问的设计： 土壤水每1 5 天取样一次，进行分析；在作物的不同尘k 期对植物样进行分析；在作 物的种械时和收获后分别对土壤进行分析。 2 3 技术措施 实验准备： 选取大1 1 l 实验刚地，准备篙栽实验花盐； 选取实验所川n 勺作物利t 子，以及选耳义土壤进行笳栽实验。 实验设计 按j ：i 设计的i 跌样时间定期进行取样，样品尽可能的迅速进行分析。 衙戚实验的填土量设计为每瓮1 0 公斤，具体的规格为：高4 5 c l n ，上口直径4 0 c n a ，下 口直径2 5 c m 。 种子埋在土壤层下2 3 c m 处，化肥位于种子之下约1 0 c m ，化肥和种子均采取穴橘法。 2 4 具体指标的分析方法 对土壤水、地下水、坡面流中总氮、硝酸氮、氨氮的测定分别采用过硫酸刽一紫外分 光光度法、紫外分光光度法、钠式试剂比色法1 7 6 7 1 。 1 4 桂林工学院硕士学位论文 对土壤巾总氮、硝酸氮、氨氮的测定分别采川焦硫酸钾一重铬酸剀氧化法、酚二磺酸 分光光度计法、扩散比色法。 此外为了检验不同的化肥刘。作物品质的影响，对作物中总氮、硝酸氮、氨氮以及表征 作物t i i 质( 固氮酶) 的指标进行测定。植物中总氮的测定采刑奈氏试剂比色法；植物i i l n 0 3 。 奈氏试剂比色法；大豆中蛋白质的测定采用奈氏试剂比色法；大豆中脂肪的测定采用索式 提墩法。 桂林工学院硕士学位论文 第3 章大田实验研究结果 大r t l 实验7 r 始于8 月8 号，1 1 月8 号收获。查阅相关的文献发现1 7 a - , 3 2 1 ，在化肥施川量 为3 0 0 k g h a 的条件下大豆的各种品质是最好的，在6 0 0 k g h a 时，化肥使用过量，对大豆的 生长刀：始产生j t l r , t | j 作用，因而选取n 3 0 0 、n 6 0 0 为两个施肥梯度。同时设置空白样。选j l j 尿素作为添加肥，化肥和种子均采用穴播的方式进行，化肥施用于种子下方约1 0 c m 。实验 j i ：始i ，j 一次性施肥，实验过程不进行追肥。 大实验共分为6 个样地，每个样地面积为1 7 m x 4 m ，对每种施肥方案不没平行。从 播种了j ：始每1 5 天进行一次采样，整个生长期共采样7 次。为了使实验具有可比性，所取 植物样均采集从顶部数的第3 片叶。h d 0 、h dl 、h d 2 、b c 0 、b c l 、b c 2 分别表示为n o 、 n 3 0 0 、n 6 0 0 施肥条件下大豆和白菜的相应变化。 实验过程q j 的降雨情况如下图所示，总降雨量为2 1 8 5 m m 。 图3 - l 实验期间降雨量分布图 f i g 3 - 1t h er a i n f a l ld u r i n gt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s 1 6 n 2 o 8 6 4 2 r 1 1 nriiafnar 桂林工学院硕士学位论文 3 1 土壤硝酸根的变化趋势 我们向土壤l | 施入的氮肥和有机氮矿化产物，除植物吸收、微生物固定、粘土矿物固 定、挥发损失和反硝化损失外，有相当一部分最终以n 0 3 形态残留在土壤中1 8 3 1o 影响土壤 剖晰n 0 3 残留累积和淋溶的主要因素包括化肥施用量、氮肥种类、施氮方式、降雨量、植 物吸氮量和作物收获后的植物残留物等冈素。 在化肥川量、氮素种类、施肥方式等条件一定的前提下，我们主要研究降雨量、梢物、 二l 壤其他的理化条件、收获作物的吸氮量、土壤残留量等对土壤n 0 3 - 运移的影响。 3 1 1 作物生长期土壤n 0 。一含量的变化 3 5 0 0 b 0 3 0 0 0 b n 粤2 5 o o o z2 0 o o 5 0 0 0 o o 9 2 2 n o 1 0 1 0l o 一2 31 1 8 厮1 l 囵b c o n旧旧嘲09-on m山oc-”一 舟目hm c | - o 嘏o0n瓜m出on-c_1 日h闹咐2-o nm川山o-0n 爵甾目目闱川惜oc-sl n哟2o 日m阑川埘。岭_0n 0州of-= 目秘嗣舅nh日融目h且cin 羽嘲mm山09on m咐o2 h 禽凼c1-o 日用出。口on； 几oc-n一 乞 几c1o ， n山oon 目闲坶of-s1 5 o 桂林工学院硕士学位论文 4 0 0 0 儡3 5 0 0 卫 、渤3 0 0 0 g 2 5 0 0 o z 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0