（环境工程专业论文）紫色土不同土地利用方式下非点源磷素迁移及其环境效应.pdf

西南农业大学硕士学位论文摘要 i 摘要 磷是陆地生态系统重要的生命元素之一，也是农作物生长的主要限制因子。近年来由丁 磷肥施用量的不断增加，再加上磷肥的当季利用率不高，土壤中的磷素不断积累。积累的磷 素随着地表径流与土壤侵蚀进入附近水体，形成农业非点源污染。 地处长江上游核心地带的紫色土丘陵区，是四川农业的主体，严重的水土流失、不合理 的农业耕作和肥料管理造成非点源污染日益严重以过量施用非点源磷的污染尤为突出，不 仅造成当地土地退化、水环境质量下降，而且对长江流域生态系统的可持续发展带来较大压 力。本文对j | l 中丘陵区不同土地利用方式下磷素的迁移进行定位观测研究磷素迁移形态、 迁移通量，查明磷素的非点源污染特征，探讨农业非点源磷素迁移的环境效应，为预防和控 制紫色土丘陵区磷素非点源污染提供科学的依据。 研究小流域选择中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站集水区。从2 0 0 3 年1 0 月到2 0 0 4 年1 0 月对小流域内不同土地利用方式( 坡耕地、水田、林地和草地) 磷素的迁移进行定位观 测，分析本区磷的非点源污染状况以及对环境的影响。结果表明： 1 通过对紫色士不同土地利用方式下磷素迁移的观测。得出坡耕地径流水中总磷浓度 o 4 2 m g l ，水田田面水总磷浓度为0 1 9 m g l ，林地径流水总磷0 0 8m g l ，草地为0 1 0m 虮。 2 坡耕地与林地磷素的迁移以颗粒态磷为主，颗粒态磷占总磷的比例分别为：为7 4 5 和 7 1 5 。而水田田面水与草地磷素的迁移则以水溶态磷为主水溶态磷占总磷的比例分别为： 5 5 。和7 9 8 。小流域中磷素的迁移也是以水溶态磷为主，为6 3 而颗粒态磷的含量相 对较低。 3 小流域下游地表水、地下水已经受到污染，总磷浓度均超过了水体富营养化的界限。小流域 地表水中以堰塘和沟道水中水溶态污染较为严重，苏容塘中水溶性磷浓度的最大值为02 7 m g l 沟道水中水溶性磷的浓度高达0 6 1m g f l 。 4 坡耕地、水田、林地、草地等不同土地利用方式下地表径流水中磷素迁移的通量分别为： o 3 1 k g h m 2 - a 、o 1 6 k 9 2 h m 2 - a 、o 0 1k g h m a 与0 0 1 8k g h m 2 - a ，对小流域磷素污染的贡献率分 别为6 1 、8 3 、1 7 与0 1 3 。 5 通过进行土地利用类型的优化配置合理采用水土保持耕作法，充分利用小流域低洼地带的 水田、池塘、沟道对径流、泥沙的拦蓄作用，建立小流域非点源磷污染的控制体系，减少 农业非点源物质对环境的压力，保护农业生态环境。 关键词：紫色土；土地利用方式；非点源磷污染；迁移；环境效应 西南农业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t p h o s p h o r u si s o d eo ft h ei m p o r t a n te l e m e n t so fl a n de c o s y s t e m ，a n di sa l s ot h el i m i tf a c t o ro f p l a n t s w i t ht h ei n c r e a s eu s eo f p h o s p h o r u sf e r t i l i z e r sa n df a r mm a n u r e ，a n d b e c a u s et h eu s er a t i oo f f e r t i l i z e ri sn o th i g h ，t h es o i lp h o s p h o r u sa c c u m u l a t e sy e a rb yy e a r t h ep h o s p h o r u si ns o i lc o m e s i n t ot h ew a t e rt h r o u g hr u n o f fa n ds o i le r o s i o n , t h e r e f o r el e a d st oa g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n p u r p l es o i ld i s t r i b u t e sw i d e l y i nh i l l yr e g i o n so f t h e u p p e r r e a c h e so f y a n g t z er i v e r , e s p e c i a l l yi n t h es i c h u a nb a s i n ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n ta g r i c u l t u r a la r e ai ns i c h u a np r o v i n c e h o w e v e r , h e a v yr u n o f fa n d s o i le r o s i o no fp u r p l es o i ln o to n l yl e a dt os o i ld e g r a d a t i o na n dd e c r e a s eo fw a t e r e n v i r o n m e n tq u a l i t yl o c a l l y , b u ta l s ob r i n gh e a v yp r e s s u r et os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fy a n g t z e r i v e r i nt h i sr e s e a r c hat y p i c a la g r i c u l t u r a lc a t c h m e n te c o s y s t e mi nt h eh i l l ya r e aw a sc h o s e na sa e a s ef o rs t u d i e so nf o r m a t i o ns i t u a t i o n ，m e c h a n i s ma n de f f e c t so fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no f p h o s p h o r o ss oa st op r o v i d es c i e n t i f i cb a s e sf o rc o n t r o lo nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h eh i l l y a r e ao f p u r p l es o i l n o n p o i n t s o u r c e sp h o s p h o r u sp o l l u t i o nr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u ti ny a n t i n ga g r o - e c o l o g i c a l s t a t i o n ( c a s ) w a t e r s h e dp h o s p h o r u st r a n s p o r tw a so b s e r v e di n d i f f e r e n tl a n du s ep a t t e r n s ( s l o p e f a r m l a n d s ，p a d d yf i e l d s ，f o r e s t l a n da n dg r a s sl a n d ) f r o mo c t ，2 0 0 2t oo c t ，2 0 0 3 i m p a c to f n o n p o i n t s o u r c ep h o s p h o r u sp o l l u t i o no nt h ee n v i r o n m e n tw a sd i s c u s s e d i nt h i s p a p e r r e s u l t s s h o w e d ， t h r o u g h t h e g e n e r a lo b s e r v a t i o n o f p h o s p h o r u s t r a n s p o r t u n d e r d i f f e r e n t l a n du s e o f p u r p l es o i l ， w ec a l c u l a t et h a tt h et o t a lpi ns u r f a c ew a t e ro fu p l a n d ，p a d d yf i e l d s ，f o r e s tl a n da n dg r a s sl a n di s o 4 2 m g l 。0 1 9 m g l ，0 0 8m g l ，o 1 0m g lr e s p e c t i v e l y w ef i n dt h a tt h et r a n s p o r to fp h o s p h o r u si nu p l a n da n df o r e s tl a n di sm a i n l yo fp p ( p a r t i c u l a t e p ) ，t h ep r o p o r t i o no fp p t ot o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) i s7 4 5 a n d7 1 5 r e s p e c t i v e l y ；h o w e v e r , t h e t r a n s p o r to f pi np a d d yf i e l d sa n dg r a s sl a n di sm a i n l yo f d i s s o l v e dp ( d p ) ，w h i c hc o n t r i b u t e s5 5 a n d7 9 8 t ot o t a lpt h et r a n s p o r to fp i nt h es m a l lw a t e r s h e di sm a i n l yo fd p , t o o ；t h ep e r c e n ti s 6 3 t h es u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e ri sp o l l u t e db ypi nt h ew a t e r s h e d ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft p i sa b o v et h el i m i to f e u t r o p h i c a t i o n t h ep o n dw a t e ra n d c h a n n e lw a t e ri ss e r i o u s l yp o l l u t e db yd p t h em a x i m u mo fd pc o n c e n t r a t i o ni ns u t o n gp o n di so 2 7m g l t h ec o n c e n t r a t i o no fd p i nt h e c h a n n e lw a t e ri s0 6 1m g l t h et r a n s p o r tf l u x e so fpi nl a n du s ao fu p l a n d ，p a d d yf i e l d s ，f o r e s tl a n da n dg l a s sl a n d i s 0 3 l k g h m l a 0 1 6 k g h m 2 a 0 0 1k g h m 2 a a n d 0 0 1 8k g h m 2 a ，r e s p e c t i v e l y 西南农业大学硕士学位论文摘要 i i nc o n c l u s i o n ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no fpi ns u r f a c e - g r o u n dw a t e ri sv e r ys e r i o u s s o m e m e a s u r e ss h o u l db et a k e nt oc o n t r o lt h eq u a n t i t i e sa n dm a n a g e m e n to f p h o s p h o r u sf e r t i l i z e r si no r d e r t oe o n t r o lpc o n t e n t si ns u r f a c er u n o f f k e yw o r d s ：p u r p l es o i l ；l a n du s e ；n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n o fp h o s p h o r u s ；t r a n s p o r t ； e n v i r o n m e n t a le f f e c t s 论文依托中国科学院知识创新工程重大 项目中国主要农田生态系统氮磷钾的迁 移、转化规律与优化管理课题：农田生态系 统氮磷界面迁移的环境效应( k z c x 2 4 1 3 5 ) 西南农业大学硕士学位论文 文献综述 1 1 农业非点源污染 第1 章文献综述 污染物的发生源大致可以分为点源和非点源两大类。点源污染是指工业生产过程中产生的 废水和城市生活污水，一般都是集中从排污口排入水体【l 】。非点源污染，是相对点源污染而言 一般理解为它是由一种分散污染源造成的，其污染物来自大范围或大面积 i i 。随着对点源污染 控制能力的提高非点源污染对水环境的影响而逐渐表现出来；当点源污染控制水平达到一 定程度后，非点源污染势必成为水环境污染的主要来源1 2 1 。 农业非点源污染则主要是指农业生产活动中，农田土粒、氮索、磷素、农药及其它有机或 无机污染物质在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏等进入水体 造成的污染【l j 。王少平等9 j 认为农业非点源污染是由农业生产活动引起的各种污染物( 沉淀物、 营养物、农药、盐份等) 以低浓度、大范围的形式缓慢地在土壤内运动，从十壤圈向水圈扩 散的过程。与点源污染相比，非点源污染的特征为：污染发生的随机性、机理过程的复杂性、 排放途径及排放污染物的不确定性、污染负荷的时空差异性1 4 “。 在美国、日本等发达国家，有报道p 1 指出即使点源污染源全面控制后，但如果非点源污染 控制不好水体仍无法达标。另据报道，美国的非点源污染占污染总量的2 1 3 ，其中农业贡献 率为7 5 左右。在美国v i r g i n 岛调查发现”l ，由于过去4 0 a 农村经济迅速发展，大量乡村未铺 石土路造成了严重的水土流失；过量放牧造成土壤的践踏和地表植被的减少。加剧了地表径 流、土壤流失，致使大量营养物质进入受纳水体。近年来，我国农业非点源污染的现象也日 益严重，譬如由非点源污染而引起的太湖水体富营养化现象。因而，国内外对农业非点源污 染的研究及控制日益受到重视。 1 1 1 农非点源污染的迁移转化机理 对农业非点源机理的研究包括两个方面，一是污染物在土壤圈中的行为；二是污染物在 外界条件下( 降水、灌溉等) 从土壤向水体扩散的过程。前者是研究的基础，后者是研究的重点 和关键。对农业化学物质在土壤中的行为及作用机理，土壤学家似乎更为重视，并取得了不 少成果 9 - 。而农业化学物质经十壤通过不同途径进入受纳水体并对其造成污染则为环境学家 昕重视，他们的工作大大推动了农业非点源污染的研究1 1 2 - 1 4 1 。 作为一个连续的动态过程，农业非点源污染的形成，主要由以下几个过程组成，即降雨 陉流过程、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、 帽互作用。对降雨径流过程的研究，大多是以水文学为基础，重点研究作为非点源污染动力 j 勺径流产流、汇流特性，代表性的有美国水土保持局5 0 年代提出的s c s 法，由于考虑了下垫 面( 土壤、植被、人类活动等) 性质对产流的影响，被j 泛用于非点源污染的研究 i5 - 1 t 1 。我国学 西南农业大学硕士学位论文丈献综述 者提出的蓄满产流、超渗产流及综合产流等理论。由于适合于我国的国情。也被用于区域农 业非点源污染计算“。土壤侵蚀过程是农业非点源研究的重要内容，人们已经认识到永土 流失不仅使土壤环境和质量得到损害而且给受纳水体带来危害，因为流失的水土是污染物 的重要载体。水土流失的研究历史很久，取得的成果也比较多。美国在6 0 年代通过大量实验 提出的u s l e 方程以及后来的r u s l e ，对某地区一年内土壤流失有了较精确的预报。近年来 又提出了w e p 模型w e p p 更注重过程和机理方面的研究【2 l j 。我国在这方面作了大量t 作， 代表性的有黄土高原的水土保持研究工作1 2 2 j ”。对地表土壤溶质随径流流失过程的研究，国内 外学者均作了有益的探讨，提出了相应的概念和理论，如e d i 通过实验验证，使得这一过程 的机理在某种程度上得到了解释【2 4 2 ”。土壤溶质的渗漏过程研究，是目前农业非点源污染研究 中的又一热点。土壤溶质的运移过程是一个复杂的过程，受土壤特性，作物、微生物等多种 因素的影响【”刀】。对溶质运移过程的深入研究有助于我们了解地下水污染的机理。 1 1 2 非点源污染的影响因素 影响非点源污染因素是多方面的总的来说，可以归纳为自然因素与人为因素。 2 1 自然因素 气候因水土流失和农田排水引起的地表径流是非点源污染产生的主要条件。气候因素中， 降水与非点源的关系最为密切。一般是年降水量越大。水土流失就越严重，污染程度越高， 是因为非点源污染物主要靠地表径流运输和转移，降雨强度、时空分布对地表径流的影响很 大。水土流失起到决定性作片i ，也影响对污染物的输出，傅涛口”采用室内模拟降雨装置对三 峡库区黄色石灰士养分流失进行研究表明，雨强能影响其峰值出现时间。并与流失量成正比。 地形地形主要是通过改变降雨和地表径流的下垫面影响非点源污染。地形有坡长、坡度 两方面的因素。土壤流失量随坡度的增加而增犬。当地面有一定的坡度时，坡长越长，汇流 的流量越大，流速也将增加，从而水土流失也越严重。携带的污染物质就越多。当雨量不人。 坡度较缓，土壤吸水力较强时，随坡度的增长就会产生径流退化现象，径流和流失量减少 “， 如表l 。 表l 坡度与水土流的美系 t a b l ei t h ec o r r e l a t i o l lo f s l o p ea n dg o i la n dw a t c rl o s e 坡度径流损失童( t h m 2 ) 5 。1 4 6 1 io d1 4 8 5 1 5 。1 6 3 9 2 舻2 0 5 2 2 y2 7 4 3 植被植被对降水有一定的截持作用，但只作用丁降水的初期 2 泥沙流失量( t h m 2 ) 1 30 5 1 92 0 3 9 9 0 5 7 9 0 1 77 0 主要是改变降水的性质、 西南农业大学硕士学位论文文献综述 土壤表层结构，减小雨水对土壤的冲击力有效降低径流中的悬浮物质。 1 1 2 2 人为因素 土地利用方式非点源染的成因有水土流失、城市膨胀、废弃物堆放等，十地利用方式不 合理是关键p “。不适当的土地利用方式和农田管理模式会导致土壤侵蚀和过量的氮、磷随地 表径流流失，从而形成对大面积水体的非点源污染i ”j 。李俊然等在野外布点采样及分析的 基础上，利用地理信息系统( g i s ) 研究了蓟运河上游于桥水库流域内不同土地利用结构与地 表水水质的关系，指出在以单一土地利用类型为主控制的流域中。林地和草地控制的小流域 的地表水水质明显好于以耕地为主的小流域：在不同土地利用类型( 林地、草地和耕地等) 的组合结构中，各项污染物浓度往往介于林地、草地、耕地等单一方式为主控制的小流域之 间，随流域内林地和草地面积增加，非点源污染降低，相反，随着耕地比例升高，非点源污 染有逐渐增大的趋势。阎伍玖等p ”对巢湖流域不同土地利用类型地表径流污染的研究结果表 明，大豆地、小麦地、水稻地、菜地、山坡地等十一神土地类型中，地表径流污染物氮、磷 的污染水平相差不大有机污染物、c o d 的污染水平差别突出，其中街道地表径流中最高， 湖滩苇地地表径流中也明显高于其他土地类型。黄丽等p 4 的研究结果表明土壤养分流失多少 与土地利用的关系为：免耕橙区 农区，梯地 坡耕地。孟庆华等p ”通过两年的定位研究，不 同土地利用方式的养分输出总量有较大变异。变化趋势为坡地农田 梯田农田，梯田果同 坡地 果园，径流当中养分输出占系统养分总输出的比例明显不同，对n 、p 、k 的径流输出影响显 著，还指出坡地果园是较理想的土地利用方式。许峰p ”对三峡库区紫色土陡坡地径流小区大 雨强模拟降雨实验表明，以高等植物篱为代表的坡地利用方式能有效的减少坡面侵蚀量、径 流量和坡面氮、磷养分损失量。 农事活动化肥和农药是保证农业生产和提高农作物产量在短期内所无法替代的农用化 学品但其使用规模却直接决定了总氮、总磷、有毒有机物和无机物的产生量，对环境产生 污染。其中，对水环境非点源污染贡献较大的化肥为氮肥和磷肥。我国五大淡水湖水体的营 养盐均超过氮、磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度高达l o 以上。巢湖和太湖已进入富营养 化状态，部分水体己达到严重富营养化水平。这与湖泊周围农田施肥量不断增加、土壤积累 的化学肥料随地表径流进入湖泊密切相关。 耕作方式与非点源污染有着紧密的关系。翻土耕作容易造成土壤结构破坏、表层土质疏 松，地表径流过程中水土流失现象严重；保土耕作，通过减少地表径流对土壤的冲击与侵蚀 来影响水土和农用化学物的流失，能有效的控制水土流失，减少泥沙结合态磷的流失p 水肥 管理的科学程度同样影响非点源污染，如污水灌溉、农田漫灌都可能在农田径流的过程中把 污染物质转移汇入水体”“。 社会经济因素所有污染影响因素都与经济有关。经济水平决定人的生产生活方式，主要 通过社会经济活动，影响士地利用方式、农业生产方式及管理水平、农村庭院养殖集中程度 和规模、居民环境保护意识等i ”l 。农村人口现状及增长速度直接影响耕地利用方式及利用拌 西南农业大学硕士学位论文 文献综述 度、农业非源污染物的产生总量l “。焦锋”用偏相关分析方法探讨了影响水环境的社会经济 因子，c o d 排放主要受到农业与人口影响，总磷受人口与工业影响，总氯受人口与耕地的影 响。 1 1 3 非点源污染模型研究 国外开展非点源污染模型研究工作始于1 9 3 0 年1 4 “”，当时主要是提出非点源污染与洪水 密切相关，只是从立法上控制美国、加拿大的非点源污染物输入大湖的可能性。此阶段还发 展了一些水土保持数学模型，包括h o r t o n 入渗方程( 经验式) 以及g r e e n - - - a m p t 入渗方程( 物 理式) ，5 0 年代则出现了s c s 曲线代码和u s l e ，这些模型在径流计算和_ i ! ! = 壤侵蚀预报方面发 挥了重要作用也为以后非点源污染模式研究提供了方法i ”】。 6 0 年代开始出现计算机模型开发了较为成功的模型时s t a n f o r d 流域模型。日本、英国 等一些发达国家从2 0 世纪6 0 年代开始研究非点源污染。主要是研究污染的分类特征。 7 0 年代初期进行的非点源污染研究仅是在污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污 染负荷输出方面的初步研究。7 0 年代中期非点源污染问题受到各国普遍关注和重视，7 0 年代 后期非点源污染研究发展很快，影响因素和宏观特征研究由相关因素分析和时空差异分析转 向非点源污染控制主要因子分析，污染物的迁移转化研究也有发展。非点源污染的基础研究 进入降雨径漉污染物迁移转化过程的研究，对于截留、填洼、下渗的迁移过程进入数学模 型研究1 4 ”，提出了不透水地区剩余净雨量的计算方法1 4 ”。这阶段还逐步形成并投入使用的 著名最佳管理措施b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ) ，提供了大量的实用非点源模型，介绍了 应用模型分析评价和预警管理措施的实施效果。 随着研究方法和科技水平的不断提高，8 0 年代出现了新一代的污染模型，如区域性非点 源集水面环境响应的模拟模型( a n s w e r s ) 、农药化肥迁移模型( a c t m o ) 、农业管理系统 中农药径流与侵蚀模型( c r e a m s ) 等，还把传统的土壤流失方程( u s l e ) 改进为r u s l e “i 。 加上p c 平台的不断扩大，模型逐渐与g i s 相结合演变为模型综合体1 4 ”，并且模型研究进一步 由纯数学问题转向一种系统决策工具，以帮助预测非点源污染的程度对各种水域管理措施进 行评价，开发了非点源模型系统平台，为非点源污染研究与控制提供有利工具。同时，以陆 地卫星数据库、航空摄影、g i s 和陆地资源信息系统为代表的3 s 技术与非点源污染模型相结 合广泛应用于非点源污染预测、管理措施改变对农业非点源污染的影响评价，此时g i s 专业 软件开发广泛应用下非点源污染的三维图形输出研究当中。 9 0 年代以来，因为由非点源污染引发的问题在经济发展的同时表现得越来越突出，非点 源污染的研究成为环境科学领域研究的热点问题。非点源污染控制措施因子、致病微生物的 迁移转化、地下水资源的1 f 点源污染等方面研究不断发展。此时期又产生城市地表径流大肠 杆菌数学模型、杀虫剂模型、融雪径流侵蚀指数等非点源污染数学分析方法，与污染负荷相 戈的流域开发、非点源污染的风险评价成为热点。随着研究方法和工具的多样化，非点源污 4 西南农业大学硕士学位论文 文献综述 染的研究领域不断在拓宽。 我国真正意义上的菲点源污染研究始于北京市径流污染研究印i 。之后相继在上海，杭州、 长沙、南京、成都、苏州、涪陵等城市开展城市非点源污染研究，为这一研究的深入开展奠 定了基础。 我国从一开始对数学模型在非点源研究上的应用和开发就比较重视，但由于条件限制， 所做的非点源模型研究多属于应用研究，多为对国外各模型的改进和应用。开发估算污染物 负荷量的模型一直是我国非点源研究的重点。从地表水的动态方程数学描述地表径流、污染 物传输等得出城市一次典型径流污染负荷而后推断污染负荷总量。李怀恩等【5 。i 建立了一个 完整的流域非点源污染模型系统，提出流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线 模型及流域产污过程模型，在一定程度上解决了模型机理与实用性之间的矛盾，并创造性地 提出估算非点源污染负荷的平均浓度法模型p “。随着研究工作的不断深入，遥感技术、地理 信息系统技术及人工模拟实验技术等引入菲点源污染研究领域，促进了研究手段的发展。 1 2 农业非点源磷污染 1 2 1 土壤磷素流失对水体富蕾养化的影响 在影响初级生产力的众多营养物质中，磷是淡水生态系统中晟重要的限制因素1 5 3 “”l 。 七十年代以来，国内外的火量研究成果证明，当发生磷富集时，水体中的藻类能够利用火气 中的碳和氨而使其初级生产力显著地提高而在缺磷的状态下添加碳、氮等营养元素，水体 的初级生产力却没有明显的变化唧i 。即使对于一些氮是限制因素的富营养化水体，如果采取 措施削减磷的输入，使磷成为限制因素也可以起到改善水质的作用p “。因此，要防治水体 富营养化，最关键的是要对磷的来源加以控制。 进入水体的磷素根据其来源可分为点源和非点源两种。点源污染主要是集中从排污口排 入水体的工业废水和生活污水；非点源污染则是由大范围分散污染造成的，主要包括农业非 点源污染、林地和草地的养分流失、城市径流和固体废弃物的淋溶污染等。近年来尽管人们 对点源污染的识别和治理能力越来越强而农田养分的投入和农田土壤养分的积累却在不断 增加，非点源污染所占的负荷越来越大，非点源磷对富营养化的贡献也愈显突出，这在发达 国家表现得更为明显。在欧美等发达国家由于基本实现了对工业和城镇生活污水等点源污 染的有效治理非点源的营养物质已成为水环境的最大污染源”，而来自农田的氮、磷在非 点源污染中占有最大份额1 瑚，水体中的总磷与流域内农业用地的比例呈正相关芙系i ”。t o n e r 等在爱尔兰进行的调查表明，太多数富营养湖泊的流域内不存在明显的点源污染岬j ；丹麦内 陆湖泊的总磷含量在8 0 年代有所降低，但这并没有使水质明显改善，因为其它来源的磷( 主要 是农田排磷) 仍足以使许多湖泊中磷浓度超过1 0 0 鸠，i 这一危险浓度1 6 “，其中农业非点源磷 河 流中磷来源的一半以上，农业用地为主的流域内非点源磷年发生量( o 2 9 k g h m 2 ) 相当于自然流 西南农业人学硕士学位论文文献综述 域( 0 0 7 k 跏m 2 ) 的4 倍嘲据估计，在欧i i l i 一些国家的地表水体中，农业排磷所占的污染负荷比 约为2 4 _ 7 1 0 d 6 3 1 。美国环保署在提交给国会的报告中指出，大量的农田养分流失是造成内陆 湖泊富营养化的主要原因1 9 9 0 年的调查显示，5 7 的湖泊受到农田养分流失的严重影响。 目前我国对工业和生活污水的治理尚处于起步阶段，非点源污染的贡献仍然占有较大的 比重，农业非点源磷的负荷主要决定于流域内的气候、水文、土地利用和人口密度等因素。 如在滇池的入湖总磷中，农业非点源磷占2 8 ，丽在南四湖这一比例高达6 8 m j 。 1 2 2 农田土壤磷素的积累 由于普遍存在磷素投入量大r 犬高于其带出量，农田生态系统中的磷素盈余使得士壤中的 总磷和有效磷水平不断上升。据分析，每年2 0 - - 4 5 k g h m 2 的磷素盈余量。使得过去4 0 年间欧 洲农田土壤中磷素的积累量一般都达到了8 0 0 - - - 1 5 0 0 k g h m 2 【6 5 i 。爱尔兰耕作土壤中的总磷平均 含量在过去的4 0 年间增加了5 倍速效磷增加了8 倍i “。在英格兰和威尔士的1 2 8 个湖泊中 6 9 的水中磷素含量超过o o i m g l 扣”。美国威斯康星州土壤速效磷的水平2 0 年问提高了 4 0 1 6 8 1 。1 9 9 5 年美国4 9 个州地表水和地下水非点源污染调查表明，已有2 7 个州的湖泊受到 面源污染的严重压力。 根据中国科学院生态系统研究网络“八五”期间对我国农业土壤磷素平衡状况的研究，我国 农田土壤的磷素水平于7 0 年代中期开始由赤字转为盈余，分布于全国各地的典型地区农田土 壤的磷索收入均超过支出的1 倍以上。据计算，从1 9 4 9 年至1 9 9 2 年，我国累计旌入农田的 磷肥有7 8 8 0 ，9 1 0 4 t ( n 0 5 ) 其中大约有6 0 0 0 x t o t ( p 2 0 5 ) 积累在土壤中i 。北京地区农田土 壤磷素在8 0 年代积累明显，近年来速效磷平均含量以每年i m g k g 的速度增长f 7 。 1 2 _ 3 农田土壤磷素流失 土壤中积累的磷素伴随着地表径流与土壤侵蚀发生迁移。进入附近的水体。据英格兰和 威尔士1 3 个侵蚀敏感的耕种集水区域的土壤侵蚀和磷素流失状况1 9 8 9 - - - 1 9 9 4 年的监测表明 【7 ”，大约3 8 5 个监测点的3 8 发生侵蚀，这些侵蚀区域磷素经细流和沟渠等流失的量是整个 农田磷素流失的1 8 。 我国土壤肥力下降、养分流失等现象日益严重；土壤养分的流失不仅造成土壤肥力退化， 而且对人类生存的自然环境造成危害( 7 2 1 。据联合国粮农组织1 9 9 3 年统计，我国农田磷素进入 水体的通量为1 9 5 k g h m 2 ，比美国高8 倍，晏维金 ”】的野外试验结果显示，水稻田施磷处理 的磷流失量是不施磷处理的l o 3 0 倍。土壤磷通过沉积物的吸附以颗粒态形式流失是磷素主要 的迁移方式。晏维金l 州等的模拟试验结果表明。在特定的土壤和降雨径流条件下，流失的磷 中8 0 以上是颗粒态形式的磷丽颗粒态磷中6 0 - 9 0 以上的磷随0 1 m m 以f 的颗粒物流失。 磷的径流流失量与士壤的物理结构、植被覆盖度、田间持水量、施肥量、降雨量、灌溉方式 等有密切的关系，地表径流中的磷迁移是壤中流的3 4 倍，磷的迁移以悬浮态总磷为主 6 西南农业大学硕士学位论文文献综述 ( 7 8 5 o 9 4 9 ) ，溶解性磷和磷酸盐所占比例很低。 1 2 4 控制农业非点源磷污染的措施 农业面源污染无法采取集中治理的方法加以解决但可根据特点采取针对性的措施减轻 其危害。减小农田非点源磷污染的措施可归纳为两个方面，即控制磷索向农田生态系统的投 入和减少磷索从农田生态系统的输出。此外，还必须对流域进行全面规划、科学管理、综台 治理，从而达到控制农业非点源污染的目的。 1 2 4 i 经济合理施肥控制磷素向农田生态系统的过量投入 施肥前测试土壤中磷养分的背景值并从农学上考虑所种植物需要磷养分的量，由此选择 磷肥的施用量和施用方法。施于土壤中的磷按照土壤的生物化学特征，将经历一系列动态变 化，水溶性磷部分会慢慢转化为非溶性磷，经过一段时间，不同形态的磷与可溶性磷会达到 一种平衡状态。一般农作物只能吸收溶解态的磷，因此旖于土壤中的磷肥如果不能及时被植 物吸收，就会转化为其他形态的磷并在土壤内沉积下来，对环境造成潜在威胁。因此施入磷 肥的量。原则上不应超过作物所带走的磷的数量。 施于土壤中的磷肥的利用率受施用时间、旅用方法影响。因此必须优化肥料施用方法， 根据作物生长发育需要确定合适的施用量和施用时间。采用埋施办法，集中施于农作物根系 分布层，并与有机肥混合施用，减少土壤固定，提高磷的利用率。 1 2 4 2 加强土地管理防止磷肥的流失 减少田面水的排出是降低农田磷流失的关键，通过加强田间管理、采用浅水勤灌、干温 交替，可有效降低农田磷排出负荷。 为了减少由侵蚀和径流产生的磷素流失目前采取的主要水土保持耕作法包括保护性耕 作、作物残茬管理、设置缓冲带和边缘区、修筑梯田、等高耕作、覆盖种植等。 1 2 4 3 对土地资源实行优化配置 不同十地利用结构对农田土壤养分的分布有显著影响对土地资源进行优化配置，可提 高水土保持能力和减少磷流失。目前在国外已经广泛采用的一些方法如在河岸和湖滨建立绿 化区、缓冲带如人工湿地等，可使经过的径流降低流速，导致悬浮的污染物发生沉淀，并增 加溶解态污染物被壤吸附或被植物吸收的机会，不仅可以除去营养物质。还可为野生动植 物提供良好的生境。 我国人多地少，为保障粮食供给，农业生态系统的磷素投入在相当长的时间内还要呈上 升趋势。农田土壤中的磷索还将进一步积累，通过合理配置十地资源来提高十壤养分的能力， 减轻土壤中的磷素流火，具有实用、高效和投资少的特点，有着广阔的应用前景，发达国家 目前采用的各种行政、法律和经济的手段，鼓励和刺激农民运用更加有利丁环境的耕作方法、 施肥方法和十地利用方式，取得了显著成效值得我们借鉴。 7 西南农业大学硕士学位论文绪论 第2 章绪论 肥料为农作物生长提供必需的营养元素，但其本身又是环境污染的潜在因素，可能对环 境造成压力。事实表明，随着我国化肥投入量的逐年增加，农业在自身发展中产生的农业非 点源污染已经同其它环境污染一起加剧了我国水环境的恶化如对于我国大多数湖泊而言， 非点源污染负荷己占5 0 9 上1 7 5 1 ，丰水期河流中污染物的增加主要来自于非点源污染。由此 可见，农业非点源污染已日益突出，危害日益广泛、严重。对农业非点源污染的研究与控制 日益受到人们的关注，美国从2 0 世纪7 0 年代开始对非点源污染的调查研究，在1 9 8 7 年首次 声明了非点源污染问题转变为行动计划的意愿，并提出b m p 等措施。我国的非点源污染研究 是从8 0 年代的北京城市径流污染开始的，由于起步较晚我国对由非点源污染引起的水体富 营养化、酸化等问题的研究还比较薄弱。 长江上游紫色土面积约1 8 万k m 2 ，集中分布在四川盆地。四川盆地紫色卜与亚热带气 候的组合使紫色土丘陵区成为四川i 、重庆乃至长江上游最重要的农业区域，也是全国重要的 商品粮基地。由于地处噩热带，降雨量大、集中，地形以山地、丘陵为主，加之人地矛盾突 出【7 6 i ，土地垦殖率高水土流失异常严重。据报道。每年约2 亿多吨泥沙进入长江，侵蚀泥 沙不仅抬升河道，而且带走大量养分。每年约有2 0 万吨磷由泥沙带入江河、湖泊、水库不 但造成大量养分流火，土壤肥力下降，而且导致地表水、地下水的严重污染：不仅使土壤退 化、水体质量下降，而且对长江中下游乃至未来北方供水带来负面影响，从水体保持的角度 对该区域养分、土壤流失已有大量的研究，但是大多数研究主要是通过模拟降雨试验进行的， 由于受模拟降雨的控制面积与降雨时问的限制，坡地磷的迁移过程与机制还不清楚，有关k 江上游坡地磷索迁移及其环境效应的研究还未见报道，其研究现状不仅不利于当地的土壤质 量保护与长江上游生态屏障建设，而且难以满足国家对长江上游水资源保护的需求。加强农 业非点源污染的研究和控制已成为保护我国水资源的一项紧迫任务。 磷是植物生长的必需营养元素之一，为农作物及水生生物不可缺少，但水体中过量的磷 义会导致水体富营养化。国内虽然对磷在土壤中的迁移、转化和循环方面进行了比较多的研 究但大多数研究集中在平地生态系统，坡地磷素土一水界面的迁移途径、过程与通量尚不清 楚对环境效应的研究仍然比较薄弱。分析研究磷随径流、泥沙的迁移过程及其环境效应， 对r 揭示非点源磷污染规律与调控提高磷肥利用率与农产品质量，保护人类赖以生存的十 地与淡水资源具有重要的理论意义和现实价值。因此，本文研究了紫色土不同十地利用方式 r 磷素的迁移过程、迁移通量及其环境效麻对于揭示磷循环规律与非点源污染的调控保 护人类赖以生存的土地与淡水资源具有重要的理论意义和现实价值。 8 西南农业大学硕士学位论文材料与方法 3 1 试验区概况 3 1l 地形及水文条件 第3 章研究内容与方法 试验设在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站进行，位于1 0 5 0 2 7 e ，3 1 0 1 6 n 。地处嘉 陵江一级支流涪江的支流一猕江、湍江的分水岭上。地质构造处于八角场背斜北翼，梓潼向 斜的东南翼岩层倾向北东5 5 0 和北西3 5 0 4 左右，倾角3 。6 6 。裂隙发育，砂岩裂隙频度较高， 泥岩次之。本区出露地层中侏罗纪上统蓬莱镇组上部和自垩纪下统城墙岩群下部，两组地层 呈假整合接触为砂泥岩互层，层间尚存有地下水岩相变化较大，主要为耪砂质、细沙质、 长石石英砂岩、长石砂岩、耢砂钙质泥岩和泥质钙质粉砂岩等1 7 “。 地形为中深丘。海拔4 0 0 m 6 0 0 m ，由于水平砂泥岩互层形成多级梯她。山顶为园匠、 长岗状。沟谷切割较深，冲沟发育相对高差1 0 m - 2 0 0 m ，谷底宽5 0 m 1 5 0 m ，比降l 门5 0 ， 两侧山坡较陡，平均坡比1 ：3 1 ：1 0 。盐亭站的位置如图l 所示。 3 1 2 气候 固l 盐事县地理位置示意田 v i 9 1 t h ei o c a l i a no f y a a t i n g s t a t i o n 实验区为亚热带湿润季风气嫉区。根据站气象站2 0 年来的气象统计资料。该地区年均气 温1 7 3 0 c ，人于m o c 的积温s o o o o c 6 0 0 0 0 c ，平均降雨8 3 6 m m ，无霜3 i i2 9 7 天。年内水量 分配不均，春季占5 9 ，夏季j 1 i6 5 5 ，秋季占1 9 7 ，冬季占8 9 。 3 1 3 壤与挺拔 本区土壤为水稻土和钙质紫色士质地为中壤至重壤。粘粒含麓 2 0 ，粉粒为3 3 1 9 西南农业大学硕士学位论文材料与方法 4 3 8 ：土壤含氮磷量偏低，碳酸钙含量为3 1 3 ；粘土矿物以水云母、蒙脱石为主；早地 土壤容重1 3 0 9 c m 3 1 6 0 c m 3 ，总孔隙度为3 8 5 1 7 ，田问持水量为2 8 1 3 7 8 ，凋萎 湿度为5 4 7 7 。适应于该地区的地理条件，该区分布植被以森林和农作物为主前者以桤 末( a l d e r c r e m a s t o g y n e ) 和柏木( c y p r e s s e sf i n e r i e s ) 混交林为主，丛生黄荆、马桑等灌木 林下草被多为禾本科、莎草科、豆科等：后者主要有水稻、玉米、小麦、油菜、甘薯、棉花等。 本流域的面积为3 8 h m 2 ，土地利用类型以旱地和林她为主。本试验所研究的四种土地利用类型 所占小流域的面积及比例如表2 所示。 表2 盐事站集水区土地利用现状 ! 些! ! ! ! 坠! 垫垒旦兰堡堡! 曼墼! ! ! ! 塑2 11 鲤虫量兰堡i 2 1 面积、比例坡耕地 水田林地草地 3 2 研究内容 紫色_ 十坡耕地、水田、林地、草地磷素迁移形态 紫色土坡耕地、水田、林地、草地磷素迁移通量 紫色土坡耕地、水田、林地、草地磷素迁移的环境效应 3 3 技术路线 图2 技术路线 f i g2t e c h n i q u er o u t e 1 0 西南农业大学硕士学位论文 材抖与方法 3 4 试验观测与分析方法 3 4 1 样品的采集 3 4 1 l 农田磷素定位观测 根据集水区地形状况在北坡、南坡和东坡农地大体上可分为高、中和低三个台位。低 台位位于集水区底部，