（环境工程专业论文）都市农业村域非点源氮污染研究——以上海南汇新场镇果园村为例.pdf

i l i i | l l i | l i i i l 刚i i l ! i l i i | l 洲l i | | | 哪 y 18 817 13 独创性声明t 一 l 学位论文题目：垫吏盛些拉拯韭惠透氢透鎏受究= = 丛生盗直堑堑扬 黛墨国挝羞倒 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，文中己加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作声：爹，芗匀帮乏签字日期：。r 年石月7 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院( 筹) 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：杯保密， l 1 保密期限至年月止) 学位论文作者签名：餐汤稷 导师签名：歇址易 签字日期：of 年彳月7 日 签y - 日期： 弘l f 年6 月 本论文受上海市科委重大攻关项目 ，“农药化肥减量化关键技术研究与应用示 范项目资助( 项目编号：0 8 d z l 9 0 0 4 0 4 ) 目录 111一 i n 皇量曼鼍曼量曼皇皇皇邑鼍曹葛 摘要 目录 a b s t r a c t i i i i 第1 章文献综述l 1 1 农业非点源污染及其引发的环境问题1 1 2 农业非点源污染的研究进展l 1 2 1 农业非点源污染的机理2 1 2 2 农业非点源污染模型研究。3 1 3 农业非点源污染管理控制研究3 1 4 非点源氮理论研究4 1 5 展望5 第2 章绪论7 2 1 研究目的与意义7 2 2 研究内容7 2 3 技术路线9 第3 章材料与方法1 1 3 1 研究区域概况1 1 3 2 采样点的布置与样品采集1 1 3 2 1 水样采样点的布置1 1 3 2 2 土壤样品采样点的布置1 2 3 2 3 降雨径流观测点的设置和径流样的采集1 3 3 2 4 农田渗漏液采集点的设置及采集1 3 3 3 测定方法1 4 3 3 1 常规水样和降雨水样、渗漏水样中氮素的测定方法1 4 3 3 2 土样中氮素的测定方法1 4 3 3 3 产沙速率的测定1 5 3 4 数据处理与分析方法15 3 4 1 地下水氮污染风险评价方法1 5 3 4 2 地统计学方法简介。1 5 3 4 3 累积污染物总量累积流量变化曲线1 6 3 4 4 单场降雨果园土壤氮素流失负荷按下式计算1 6 第4 章结果与讨论。 1 9 4 1 地下水地表水氮素污染特征1 9 4 1 1 氮素污染物在地下水中的主要存在形态1 9 4 1 2 地下水氮素浓度的空间分布特征2 0 西南大学硕十学位论文 4 1 3 地下水氮素浓度的时间变化特征2 0 4 1 4 地下水氮素污染风险评价2 1 4 1 5 氮素污染物在地表水中的主要存在形态及时空变化特征2 3 4 1 6 讨论2 4 4 2 果园土壤氮素的空间分布特征2 6 4 2 1 土壤氮素的变化特征2 6 4 2 2 土壤氮素的空间变异特征2 7 4 2 3 土壤氮素的空间分布格局2 8 4 2 4j 时论2 8 4 3 典型降雨条件下果园土壤氮素和泥沙的流失特征2 9 4 3 1 暴雨和大雨的降雨过程特征和径流过程分析3 0 4 3 2 暴雨和大雨条件下径流的氮素浓度特征和变化过程31 4 3 3 暴雨和大雨条件下地表径流的输沙速率和泥沙对氮素的吸附3 2 4 3 4 典型降雨条件下排放负荷在径流过程中的分布特征3 3 4 3 5 典型降雨条件下氮素的流失负荷3 4 4 ：；6 讨论：；4 4 4 果园十壤氮素的渗漏流失特征3 5 4 4 1 氮素渗漏流失的主要形态3 5 4 4 2 常规施肥组氮素渗漏流失特征3 5 4 4 3 对照组氮素渗漏流失特征3 7 4 4 4 讨论3 8 第5 章结论与建议。 4 1 5 1 结论4 1 5 2 建议4 1 参考文献 4 3 4 9 致谢。 在学期间发表论文和参加科研项目 摘要 都市农业村域非点源氮污染研究 以上海南汇新场镇果园村为例 环境工程专业硕士研究生：黄海波 指导教师：张进忠教授 周培教授 摘要 都市农业是上海郊区农业发展的主导方向。在其发展过程中，农民为了提高产品产量， 盲目施用大量的化肥，不仅造成资源浪费、土壤氮素利用率低和大量流失，还使得地表水和 地下水都受到氮素污染。研究都市农业村域非点源氮素的污染特征，可为都市农业的可持续 发展、非点源氮素污染的预防与控制和水环境保护提供理论依据。 本文以都市农业典型村域一e 海南汇新场镇果园村为研究对象，通过监测不同土地利 用类型下的土壤、地表水和地下水中的氦素含量，研究土壤和水环境中氮素的空间分布特征， 分析了氮素在典型降雨事件中的迁移输出特征，并运用单场降雨流量加权平均浓度水文子模 型( e m c ) 和水文子模型( s c s ) ，估算了典型降雨条件下果园土壤氮素的输出负荷，取得了 如下的主要研究成果： 1 氮素污染物在地表水和地下水中的主要存在形态为硝态氮；总氮( t n ) 、硝态氮 ( n 0 3 n ) 和铵态氮( n h 4 + - n ) 在地下水中的平均含量呈明显的空间分布格局。具体表现为 河道旁地下水中t n 的平均浓度最高，氮素污染最严重，而居民区地下水中t n 的平均浓度 最低，氮素污染最轻；n 0 3 。- n 的空间分布特征与t n 一致；居民区地下水中的n i - h + - n 平均 含量显著高于河道旁和果园旁地下水；亚硝态氮( n 0 2 - n ) 的平均浓度在空间分布上具有随 机性，无显著空间分布特征；地下水中t n 、n 0 3 - n 和n i = 1 4 + - n 、n 0 2 - n 的平均含量随时间 变化明显。总体来说，在降雨较多的季节，氮素在地下水中的平均浓度相对较高，而在降雨 极少时期相对较低。果园内沟道、环沟道和河流中t n 、n 0 3 - n 和n h 4 + - n 的平均含量存在 差异，而地表水中t n 、n 0 3 。- n 和n h 4 + n 的平均含量随时间变化明显。 2 运用传统统计学和地统计学方法，研究了该村主要土地利用类型果园耕作层土壤 氮素的空间变异特征。结果表明果园土壤中t n 和n 0 3 - n 的变异程度较大，属强变异性； n i - h + = n 的变异程度较小，属中等变异性。t n 、n 0 3 。n 和n l o n 的变异函数的最佳拟合模 型均为线性模型，都具有很弱的空间相关性。n 0 3 - n 和n h 4 + - n 含量的空间分布呈斑块状； t n 含量的空间分布呈斑点状。 3 颗粒态氮是暴雨事件引起氮素流失的主要形态，而可溶性氮是大雨事件引起氮素流失 的主要形态。n 0 3 = n 是这两次降雨事件引起土壤可溶性氮素流失的主要形态；氮素形态和降 西南大学硕士学位论文 雨强度、降雨量均会影响氮素浓度过程线的变化。在两次降雨事件中，n h 。+ - n 的浓度过程线 变化幅度较小，而其它形态氮素浓度过程线变化明显，响应流量过程线；在暴雨事件中颗粒 态氦控制土壤氮素的流失负荷，在大雨事件中可溶性氮控制土壤氮素的流失负荷。 4 在常规施肥组中n 0 3 - n 是土壤氮素渗漏流失的主要形态。对照组中在2 0c m 和6 0c m 土层氮素渗漏流失的主要形态基本上是n 0 3 - n ，而在4 0c m 土层处氮素渗漏流失的主要形态 为有机氮：常规施肥渗漏液中t n 、n 0 3 。- n 、n i - 1 4 + - n 和亚硝态氮( n 0 2 0 ) 的浓度要显著高 于对照组相应土层渗漏液中的浓度；施肥、降雨和土壤氮素累积量均影响土壤氮素渗漏流失 浓度。 关键词：都市农业；非点源污染；氮素；水环境保护 a b s t r a c t n o n p o i n tn i t r o g e np o l l u t i o ni nu r b a na g r i c u l t u r a lr e g i o n ： ac a s es t u d yi no r c h a r d v i l l a g e ，n a n h u i ，s h a n g h a i c a n d i d a t eo fm a s t e rd e g r e e ：h u a n gh a i b o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n z h o n g p r o f z h o up e i a b s t r a c t t h eu r b a na g r i c u l t u r ei st h el e a d i n gd i r e c t i o no ft h ea g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n ti n s h 姐g h a is u b u r b i nt h ep r o c e s so fi t sd e v e l o p m e n t , m a n yf a r m e r su s em a s s i v e c h e m i c a lf e r t i l i z e r st or a i s et h ev o l u m eo fo u t p u t , w h i c hm a yn o to n l yb r i n ga b o u tt h e r e s o u r c e sw a s t e ，m a k eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h es o i ln i t r o g e nl o wa n di n d u c et h em a s s i v e o u t f l o w s ，b u ta l s oc a u s en i t r o g e np o l l u t i o ni nt h es u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e r s t u d y o nt h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn o n - p o i n tn i t r o g e ni nu r b a na g r i c u l t u r a lr e g i o n c a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fu r b a na g r i c u l t u r e , p r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fn o n - p o i n tn i t r o g e np o l l u t i o n , a n dw a t e re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i nt h i st h e s i s ，at y p i c a l v i l l a g ew i t hu r b a na g r i c u l t u r e ，o r c h a r dv i l l a g ei n x i n e h a n gt o w n , n a n h u i ，s h a n g h i ，w a sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t t h ec o n t e n t so f n i t r o g e ni ns o i l ，s u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e rw e r ec o n t i n u o u s l ym o n i t o r e du n d e r t h ed i f f e r e n tl a n du s et y p e s ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e ni n s o i l a n dw a t e re n v i r o n m e n tw e r es t u d i e d , a n dt h et r a n s f e ra n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f n i t r o g e nd u r i n gt h et y p i c a lr a i n f a l le v e n t sw e r ea n a l y z e d m o r e o v e r , t h eo u t p u t1 0 a do f n i t r o g e nf r o mt h ep e a c hg a r d e ns o i lw a se v a l u a t e db yu s i n ge m c ( h y d r o l o g y s u b m o d e l ) a n ds c s ( h y d r o l o g ys u b - m o d e l ) w i ms i n g l ef i e l dr a i n f a l lf l u xw e i g h t e d a v e r a g ec o n c e n t r a t i o n t h em a i na c h i e v e m e n t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s i t h em a i nf o r mo ft h en i t r o g e np o l l u t a n ti n t h es u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e ri s n i t r a t e ，a n dt h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so ft o t a l ( 叫，n i t r a t e ( n 0 3 。- n ) a n dn h 4 + - n s h o wt h eo b v i o u ss p a t i a ld i s t r i b u t i o np a r e r ni nt h eg r o u n d w a t e r t h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no ft ni nt h eg r o u n dw a t e rw a st h eh i g h e s tn e a r b yt h er i v e r , w h i l et h e l o w e s ti n t h e r e s i d e n ta r e a t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fn 0 3 - nw a s c o n s i s t e n tw i t ht h a to ft n t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f 阻+ - ni nt h eg r o u n dw a t e r i i i 西南大学硕士学位论文 i nt h er e s i d e n ta r e aw a so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a tn e a r b yt h er i v e ra n dt h ep e a c h g a r d e n t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fn 0 2 - nw a sr a n d o m ， a n dn o ts h o w e dar e m a r k a b l ev a r i a t i o n 、) i ，i t l ls p a c e r n l ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no ft n ， n 0 3 na n dn i - 1 4 + - n ，n 0 2 。- ni nt h eg r o u n dw a t e rv a r i e do b v i o u s l yw i t ht h et i m e o v e r a l l ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no ft h en i t r o g e ni nt h eg r o u n dw a t e ri sh i g h e ri nt h e 豫i n ys e a s o n , w h i l el o w e ri nt h ed r ys e a s o n 1 1 1 ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so ft n ，n 0 3 - n a n dn h 4 + - na r ed i f f e r e n ti na n da r o u n dt h eo r c h a r da n df i v e r , a n dv a r ys i g n i f i c a n t l y w i t ht i m ei nt h es u r f a c ew a t e r 2 n l es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e ni nc u l t i v a t e ds o i li nt h ep e a c h g a r d e nw e r es t u d i e db yu s i n gt h et r a d i t i o n a ls t a t i s t i c sa n dg e o s t a t i s t i c sm e t h o d s n l e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n t so ft na n dn 0 3 。- ni nt h es o i lv a r i e dg r e a t e rt h a nt h a t o fn m + s ，a n dt h ev a r i a t i o nd e g r e e so ft na n dn 0 3 。- nw e r eh i g h e rt h a nt h a to f n h 4 + - n 1 1 1 el i n e a rv a r i o g r a r nm o d e l sc a nb eu s e dt od e s c r i b et h ev a r i a t i o no ft n ， n 0 3 。o na n dn i - 1 4 + - nc o n t e n t s 1 1 l es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f n 0 3 - na n dn h 4 + - ni sp a t c h y , w h i l et h a to ft ni sp u n c t a t e 3 1 1 1 ep a r t i c u l a t ea n ds o l u b l en i t r o g e na r et h em a i no u t f l o wf o r m so f n i t r o g e n d u r i n gt h er a i n s t o r me v e n ta n dh e a v yr a i ne v e n t , r e s p e c t i v e l y n i t r a t ew a st h em a i n o u t f l o wf o r mo fn i t r o g e ni n s o i ld u r i n gt h et w or a i n f a l le v e n t s t h ep r o c e s sl i n eo f n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni sa f f e c t e db yt h en i t r o g e ns p e c i e s ，t h er a i n f a l li n t e n s i t y ，a n dt h e r a i n f a l la m o u n t d u r i n gt h et w or a i n f a l le v e n t s ，t h ev a r i a t i o na m p l i t u d eo fn h 4 + - n c o n c e n t r a t i o nw a ss m a l l e r ，w h i l et h a to ft na n dn 0 3 。- nw e r ew i d e r n l ep a r t i c u l a t e a n ds o l u b l en i t r o g e nc o n t r o l t h eo u t f l o wl o a do fs o i ln i t r o g e nd u r i n gt h er a i n s t o r m e v e n ta n dh e a v yr a i ne v e n t ，r e s p e c t i v e l y 4 n i t r a t ei st h em a i no u t f l o wf o r mo fn i t r o g e nb ys o i ll e a k a g ei nt h ec o n v e n t i o n a l f e r t i l i z a t i o ng r o u p ，w h i l en 0 3 。- ni n2 0 - c ma n d6 0 - c ms o i ll a y e r sa n dd e p t ho r g a n i c n i t r o g e ni n4 0 - c ms o i ll a y e ri nt h ec o n t r o lg r o u p 1 1 1 ec o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e n s p e c i e si nt h el e a k a g ef l u i di nt h ec o n v e n t i o n a lf e r t i l i z a t i o ng r o u pw e r eh i g h e rt h a nt h a t i nt h ec o n t r o lg r o u p n l eo u t f l o wc o n c e n t r a t i o no f n i t r o g e nb ys o i ll e a k a g ei sa f f e c t e d b yf e r t i l i z a t i o n , r a i n f a l l ，a n dt h ea c c u m u l a t i o nc o n t e n t o fn i t r o g e ni ns o i l k e y w o r d s ：u r b a na g r i c u l t u r e ；n o n - p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n ；n i t r o g e n ；w a t e r e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i v 文献综述 第1 章文献综述 1 1 农业非点源污染及其引发的环境问题 农业非点源污染是指农村生产和生活活动中产生的氮、磷等营养物质( 化肥、农药、作 物秸秆、农村生活废水和生活垃圾、集约化养殖饵料等) ，通过农田地表径流和农田渗漏形 成的水环境污染【1 2 1 。其特点表现为排放时间、排放途径和排放量的不确定性 3 1 。其来源主要 有地表径流、土壤侵蚀和流失、农药和化肥的施用、农田污水灌溉、农村生活污水、畜禽粪 便和水体人工养殖等。农业非点源污染已经给水体、土壤和大气环境带来了严重危害。 ( 1 ) 对水体的污染 目前，农业非点源污染已经成为造成我国水体富营养化的主要原因。据统计，2 0 0 5 年大 理洱海流域非点源氮、磷分别占流域污染负荷的9 7 1 和9 2 5 ；滇池外海流域的污染负荷 中，来自农业非点源的总氮、总磷和化学需氧量分别占污染负荷总量的6 0 0 , - 7 0 、5 0 巧o 和3 0 - ：4 0 1 3 引。同时，我国许多地区的地下水也受到了农业非点源氮素的污染。张维理等 1 4 5 1 监测了我国北方1 4 个县市浅层地下水中的硝酸盐含量，发现6 9 个调查点中超过半数点位 的硝酸盐含量高于饮用水中的最大允许量( 5 0m g l ) ，最高甚至达到3 0 0m g l 。马立珊等 6 1 调查了江苏吴县7 6 眼井的氮污染，发现硝态氮含量超标率为3 8 。被含氮化合物污染的地 下水会导致水质恶化，威胁人体健康。如亚硝酸盐( n 0 2 - - n ) 进入人体后可引起高铁血红蛋 白症或婴儿蓝雪症，它还是合成强致癌物亚硝胺的前体物。 。 ( 2 ) 对土壤的污染 农业非点源污染对土壤的污染主要表现为土壤硝酸盐积累和土壤理化性质的改变。 土壤硝酸盐积累：化学氮肥主要有硝酸盐、铵盐和尿素等，这些不同形式的氮肥施用后， 非铵盐和非硝态氮都必须转化为铵态氮和硝态氮才能被植物吸收。氮肥施用后，其利用率一 般不超过6 0 。铵态氮在土壤通气的情况下，经微生物作用能转化为亚硝酸盐，迸一步氧化 为硝酸盐。如果施用氮肥过量，会明显增加土壤中的硝酸盐含量，造成硝酸盐在土壤中的积 累。 土壤理化性质的改变：土壤酸度受施用氮肥的影响。氯化铵和硫酸铵等为生理酸性肥料， 在植物吸收养分离子后，土壤氢离子浓度增加，使得许多耕地出现土壤酸化板结的现象。 ( 3 ) 对大气的污染 氮肥分解成氨气与反硝化过程中生成的氧化亚氮，排入大气，对大气造成污染。氮氧化 物进入大气能直接影响大气的物质平衡，增加氧化亚氮的释放，有利于酸雨的形成，对臭氧 层造成破坏，使大气质量恶化。 1 2 农业非点源污染的研究进展 两南大学硕士学位论文 农业非点源污染的全面认识和研究始于2 0 世纪6 0 年代。由于农药特别是d d t 对河流 水质的影响引起了人们的广泛关注，开始意识到农业非点源污染的潜在危害，对其开展了一 系列的分析和研究，研究涉及农业非点源污染的机理、模型和控制管理措施等方面。 1 2 1 农业非点源污染的机理 农业非点源污染是一个连续的动态过程，主要由降雨径流、土壤侵蚀、地表溶质溶出和 土壤溶质渗漏四个过程组成。 ( 1 ) 降雨径流 农业面源污染主要是由暴雨径流的冲刷作用产生。对降雨径流过程的研究，大多以水文 学为基础，重点研究作为非点源污染动力的径流的产流汇流特性。在非点源污染研究中，重 点考虑产流条件的空间差异，以便能深入揭示农业非点源污染的形成机制。代表性研究有美 国水土保持局1 9 5 0 年提出的水文子模型法( s c s ) 1 7 8 1 ，该法综合考虑了影响径流形成的下 垫面的空间差异性，包括土壤前期含水量、土地利用类型、土壤渗透性和降雨量，被广泛用 于非点源污染研究。李怀恩1 9 根据我国国情提出了蓄满产流、超渗产流和综合产流理论，并 用于区域农业非点源污染产流的计算。 ( 2 ) 土壤侵蚀 土壤侵蚀包括土壤颗粒在土体中的分散过程、在陆地表面的传输和沉积过程，是农业非 点源污染的重要来源。我国对土壤侵蚀的研究做了大量的研究，代表性工作包括黄土高原的 水土保持，提出了较为实用的经验型区域性土壤侵蚀模型【1 0 1 1 】。美国在2 0 世纪6 0 年代通过 大量实验研究，提出了通用土壤流失方程( 简称u s l e ) 和后来的修正通用土壤流失方程( 简 称r u s l e ) ，对年内土壤流失有了较精确的预报【1 2 1 。随着研究的深入，近年又提出以水蚀预 报项目( 简称w e p p ) 替代过去的u s l e 。与u s l e 相比，w e p p 更注重过程，更重视机理【”】。 ( 3 ) 地表溶质溶出 国外早期研究主要关注氮、磷在农田中的径流流失量和对水体的影响，随后基于减少污 染输出的目的，研究逐渐转向氮、磷从农田中的径流流失机理和规律等方面。影响氦流失的 主要因素是气候，强降雨形成的地表径流成为氮流失的主要途径，因而降雨类型、降雨强度、 降雨时间等因素对氮素流失具有重要的影响【1 4 】。此外，氮流失也与农田的土壤特性( - t - _ 壤质 地和含水量等) 、施肥类型、施肥量、施肥时间、农业土地利用方式、植被覆盖度、田间管理 方式特别是耕作时间和耕作方式等有关。影响磷素流失的主要因素有土地利用方式、土壤类 型、耕作方式和肥料使用情况等【1 5 】。 ( 4 ) 土壤溶质渗漏 非点源污染物如硝酸盐以溶解态形式通过渗漏过程迁移至地下水，污染地下水环境。非 点源污染物的迁移过程非常复杂，受土壤理化性质、土壤微生物活动等多种因素的影响。非 点源污染物在土壤中的运移和分布规律已经成为土壤环境化学的重要研究领域，研究的基础 2 文献综述 是土壤溶质运移理论。从研究对象来看，农田中的氮素渗漏一直是国内外学者关注的热点问 题，主要表现在氮素的渗漏过程、渗漏模型、污染地下水的风险评估、氮素淋失的影响因素 ( 包括降雨和灌溉、土壤质地、耕作方式、肥料品种与用量、作物种类、种植方式、作物覆 盖度、土壤的理化和生化性质等) 1 1 6 ，1 7 1 。 1 2 2 农业非点源污染模型研究 研究农业非点源污染需要同步监测降雨、径流和水质变化过程，费用昂贵，且短期监测 资料不能满足水质控制和管理工作的需要，所以数学模型是研究农业非点源污染的最常用方 法。 ( 1 ) 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，美国加州h y d r o c o m p 公司为美国环保署研制了农药输移和径流模型 ( p r t ) 和最初的城市暴雨水管理模型( a w m m ) i r a , m 。7 0 年代中期是非点源模型大发展的 时期，很多模型相继问世，如h y 出o c o m p 公司的非点源污染系列模型( p t r - n s p - a r m n p s ) 2 0 i ，其它研究者开发的s t o r m 、a c t m o 、u t m 和l a n d r u m 模型等。8 0 年代以来，开 发的代表模型有农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型( c r e a m ) 【2 1 1 、农业非 点源管理和政策制定的农业非点源污染模型( a g n p s ) 2 2 1 、农田尺度的水侵蚀预测预报模型 ( w e p p ) 2 3 1 和流域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) 等 2 4 1 ，这些模型都得到了不同程度 的应用。进入9 0 年代，非点源污染管理模型和非点源污染风险评价成为这一时期应用模型研 究的最新突破点，新技术地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 的应用推进了 农业非点源污染的定量化研究。 ( 2 ) 国内研究现状 我国在2 0 世纪8 0 年代后才逐渐认识到非点源污染问题的严重性。1 9 8 0 - - 1 9 9 0 年我国的 非点源污染研究仅是农业非点源的宏观特征与污染负荷定量计算模型的初步研究。9 0 年代以 来，我国学者相继开发出了一些适用于我国地域特征的农业非点源污染模型，如机理型流域 暴雨径流响应模型【2 5 】，一维饱和、非饱和土壤水作物系统中氮素转化、运移与吸收的综合 数学模型【2 6 1 ，作物产量与施肥等影响因子的经验关系模型等【2 7 】。 模型与“3 s 技术”结合用于流域水质管理成为农业非点源污染研究新的生长点，如于苏 俊等【2 8 】将g i s 和a g n p s 结合，研究了绵阳官司河流域的农业非点源污染。王宁用a r c i n f o 和 u s l e 方程定量描述了吉林松花湖流域土壤和非点源污染物的流失量，估计了污染物流失的危 险发生区、各地理要素的空间分布，并分析了它们的相互关系1 2 9 1 。 1 3 农业非点源污染管理控制研究 由于农业非点源污染危害大，很多研究者对其管理控制开展了研究，以美国在2 0 世纪 7 0 年代中期提出的最佳管理措施( b m p s ) 最具代表性。美国环保署将b m p s 定义为“任何 3 西南大学硕士学位论文 能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护 程序”0 0 ! 。 非工程性b m p s 以源头控制为基本策略，强调政府部门和公众的作用。政府根据法律规 定制定各种行政法规与管理制度，通过污染源管理、农业用地管理和城市土地规划管理等措 施控制或减少污染源【3 1 1 。其中预防农业非点源污染的具体措施包括：减少农药和化肥的使用； 建立畜禽养殖管理制度，防止畜禽排放物对环境造成的污染；提高农民的环保意识；发展无 公害农业；改进传统的耕作方式；采用科学灌溉技术等。 工程性b m p s 以径流过程中的污染控制为主要途径，通过延长径流停留时间、减缓流速、 向地下渗透、物理沉淀过滤和生物净化等技术去除污染物。其中预防农业非点源污染的具体 措施有：建造人工湿地、防护林、植被过滤带、缓冲带、暴雨蓄积池、沉淀塘、渗透沟和水 土保持工程等。据研究，湿地对氮的去除率可达到6 0 ，对硝态氮的去除更强，对磷的去除 率为5 0 3 2 】。 1 4 非点源氮理论研究 氮是农业生态系统最重要的营养元素之一，也是最重要的环境污染因子。当水体中总氮 浓度为o 1 2 - - 0 1 5m g l ，即视为富营养化水体。由农田氮素引起的非点源污染对水环境质量 构成了最大的威胁，其运移规律和形成机理引起了国内外学者的高度重视。 非点源氮的迁移转化过程包括降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和溶质 渗漏过程，这4 个过程相互联系和相互作用。其迁移转化主要通过淋溶、土壤侵蚀、氨的挥 发、硝化和反硝化作用等，并通过地表径流、农田排水和淋溶途径进入水体形成非点源污染。 ( 1 ) 地表径流 农业非点源污染主要通过地表径流作用形成的，它将作物未利用的氮带出农田，并造成 周边环境污染。当降雨和灌溉强度超过农田土壤下渗速度时就形成地表径流。地表径流中损 失的氮包括颗粒态氮和溶解态氮。在某一特定年份，农田氮素流失量与土壤矿化物氮浓度之 间存在明显的正相关关系【3 3 1 。地表径流的非点源过程由降雨径流、水土流失、污染物迁移三 个环节组成。降雨径流过程是造成面源污染输出的主要动力，水土流失是污染物迁移的载体， 而地表和土壤的污染物含量及其在迁移过程中发生的截留、溶解、吸附解吸和化学反应等过 程，又直接影响污染物的输出。 c 2 ) 农田排水 农田排水也是造成农业非点源污染的一个重要途径。研究主要关注农田排水造成的氮肥 流失，如在马铃薯与玉米轮作的农田中各施氮肥9 3 4 和6 2 8k g h m 2 ，连续监测两季作物的生 长情况，发现因农田排水而流失的氮分别为2 4 4 和9 2k g l m 2 3 4 1 ；研究印度海岸带的水田氮 肥流失，发现农田排水可以造成施用氮肥的3 - 。2 0 发生了流失【3 5 1 。 ( 3 ) 淋溶 4 文献综述 氮素淋溶损失是土壤中的氮随水移至根系活动层以下，从而不能被作物根系吸收所造成 的氮素损失。农田中氮淋溶以硝态氮为主，亚硝态氮次之，铵态氮只占很小的比例。由于土 壤颗粒吸附铵态氮，几乎不吸附硝态氮，因此铵态氮基本上滞留在剖面上、中层，而硝态氮 在中层中大量存在。亚硝态氮作为硝化和反硝化过程的中间产物，存在时间短，其淋溶过程 不重要。氮素淋溶过程受进入土壤的水量和水流强度、土壤特性、轮作制度、施肥制度、氮 肥种类等因素影响。氮总是与水分同步下渗，其淋溶是个累进过程，当季未被淋溶的氮，以 后可以继续下移而损失；已溶的氮在此后的旱季中又可随水分的向上移动而重新进入根系活 动，供作物吸收利用1 3 6 】。硝酸盐的淋溶受两大因素控制：一是淋溶时土壤中硝酸盐的浓度， 二是流出作物根系的水分。氮的淋溶几乎全是以硝态氮形式发生的【3 7 ，3 s 】。全球硝态氮淋溶在 春夏时期平均为9 7k g h m 2 ，而秋冬时期平均为1 9 9 7k g h m 2 ，其差异主要是由于农田灌溉水 平不一致【3 观。连续3 年的监测结果显示，在传统耕作和免耕两种方式下，美国马里兰州农田 硝态氮的淋溶浓度分别为1 3 7 和1 4 4m g l t 4 0 l 。 相关研究结果表明，氮素的迁移转化受降雨状况【4 、土壤特性【4 2 4 3 1 施肥状况即】、【农用 地】【土地覆盖】【4 5 4 6 1 和田间管理方式【耜1 等因素影响。 1 5 展望 非点源氮污染关系到水体富营养化、饮用水安全和全球变暖等环境问题，逐渐引起人们 的广泛关注，有关农田氮素非点源污染的产污机理、影响因素、污染负荷的定量计算和调控 对策研究也引起了国内外学者的重视。我国的农业非点源氮素污染主要来自于化肥的过量施 用，由于没有遵循农业面源污染控制的基本原则，须多地区高氮、磷养分用量的菜地果园农 田面积目前仍在大幅度增长，给今后流域治污造成了很大的困难1 4 7 1 。 非点源氮素污染的机理研究主要集中在：( 1 ) 农田生态系统非点源氮流失机理和渗漏淋 失机理，包括不同施肥、灌溉方式下的流失淋失机理，对象包括小麦 4 8 1 、水稻【4 9 1 和蔬菜【5 0 l 等：( 2 ) 小流域非点源氮素输出特征和负荷估算，包括流域非点源氮迁移的季节特础5 1 】、不 同土地利用类型对氮素径流输出的影响p 2 1 、暴雨条件下氮素的迁移过程和通量等；( 3 ) 基于 g i s 的非点源氮素污染模型研究，包括非点源污染负荷计算和污染风险评估等；( 4 ) 非点源 污染的控制与管理措施。 尽管研究取得了一些进展，但是有关非点源氮污染的机理还不够深入，我国目前还缺乏 非点源污染负荷的定量计算研究，自主开发非点源污染模型软件的研究仍处于起步阶段，缺 乏针对某一特定污染物的高效控制措施。从研究对象来看，农业氮素面源污染的研究多以农 田为对象，区域多为模拟小区和流域尺度【”】；尽管已有研究涉及不同土地利用类型对氮素迁 移输出的影响【州7 l ，农业和其它利用方式用地交错的村镇是面源污染的主要监控区域，但研 究区域主要集中于丘陵地区，如紫色土农村集镇【堋，缺乏针对平原地区高集约化的典型都市 农