（环境工程专业论文）农业氮素流失规律及河网污染控制研究.pdf

摘要 摘要 有效控制农田氮素污染是保护农业生态环境尤其是水环境的重要措施。本论文通过测 坑定位及大田试验，对上海郊区水稻田及早作农田的氮素流失特性进行了研究，并从污染 源头控制、污染径流控制、污染末端治理这三个污染控制环节进行了河网氮素污染控制对 镶的研究。 在水稻、小麦轮作，塔菜、生菜轮作试验中发现，水稻坑面水中氮素形态以n h + 一n 为 主，占田面水总氮( t n ) 9 0 以上；水稻、小麦、蔬菜渗漏水中则以n 0 3 - n 为主，占渗漏 水t n 的8 5 9 0 以上。水稻田、旱地人工降雨试验表明，如施肥后遇暴雨，则可能导 致氮素的大量流失。水稻基肥期施肥后( 纯氮1 8 7 5 k g h a ) 当天降8 0 m m 暴雨引起的t n 流 失系数可达1 8 3 3 2 6 3 2 k g h a ，旱地施肥后( 纯氮7 5k g h a ) 第2 天遇4 1 t a m 雨量，引 起t n 流失系数达9 4 9 k g h a 。水稻、小麦轮作t n 渗漏淋失系数为3 6 5 9 4 5 1 2 k g h a ， 蔬菜轮作t n 渗漏淋失系数为8 8 1 2 8 3 5 k g h a 。通过s c s 法，修正了测坑渗漏水量，使 其更接近大田实际结果。 施用有机肥可以在很大程度上减少农团氮素的径流流失和渗漏游失。水稻田在增旌有 机肥而减少2 0 3 0 化肥用量的情况下，包括降雨径流、播期和烤田排水的t n 流失量可以 减少3 0 以上，t n 渗漏淋失可以减少1 9 4 3 2 5 9 1 ；麦田在增施有机肥而减少2 0 化肥 用量的情况下施用精制有机肥可以减少t n 淋失2 5 9 k g h a ，施用发酵的猪粪则增加t n 淋失2 2 2 k g h a ；蔬菜轮作试验表明，相同施肥量下，适当使用精制有机肥可以减少t n 淋 失1 2 8 0 k g h a 。经测产，减少化肥用量对各作物产量没有显著影响。因此，适当增旌有机 肥而减少2 0 3 0 9 吡肥用量，可以很大程度地减少水环境的污染负荷。使用有机肥是防治 化肥污染的重要措施，但需要采取一些非技术性措施保证其大面积推广使用。 研究表明，河岸带植被体系对降低农业氮素污染具有明显的效果，对n 0 ，。，n 的去除 效果最好，达到6 2 以上，对n h 3 - n 的消除率为4 4 3 9 4 2 3 4 ，其中高羊矛属、白花 三叶草对n i - 1 3 - n 的去除率最高。不同深度试验结果表明，l m 深处水样总氮的消除率为 4 0 8 1 7 3 3 0 ，平均为5 6 9 8 0 ，要高于0 7 m 深处的1 6 5 4 6 8 8 5 ，平均为4 4 8 1 ， 而不同深度对硝氮和铵态氦的去除率差别不大。 摘要 此外，以青浦城区西北片河网为例，研究了引清调水对河道污染的治理效果，构建了 能模拟青浦城区西北片河网内污染物浓度变化的数学模型，并通过实际的调水过程对所建 模型进行了验证。结果表明，在边界条件充分的情况下，该模型能对不同工况下河道污染 物迁移状况进行较好的模拟。模拟结果对如何充分利用现有水利工程设施，制定河网水系 优化调度方案具有重要作用；同时，根据模拟结果，分析得出青浦城区西北片河网在现有 的水利设施条件下不具备流动自净功能，应进行新的水利工程设施建设才能实现河网的流 动和恢复自净功能，这为水利工程建设决策具有重要参考作用。 关键词：河网，氮素污染，控制措施，河岸带，引清调水 m 河海大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o l l i n go ff a r m l a n dn i t r o g e np o l l u t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a s u r et op r o t e c t a g r i c u l t u r a le c o e n v i r o n m e n t s ，e s p e c i a l l y t h ew a t e re n v i r o n m e n t 。t h r o u 【g hl e a c h i n g - p o n d o r i e n t a t i o na n df a r m l a n d - s c a l ee x p e r i m e n t , t h i st h e s i sh a v eag d o ds t u d yo nt h el o s sr u l eo f f e r t i l i z i n g - ni nt h ef i e l d so fs h a n g h a is u b u r b a nw h a t sm o r e , t h i s t h e s i ss t i l lh a v eag o o ds t u d y o nt h em e a s u r e m e n t st oc o n t r o ln i t r o g e np o l l u t i o ni nt h ef i v e rn e t w o r kf r o mt h ef o l l o w i n g3 a s p e c t s ：s o u r c e c o n t r o l l i n g ，p r o c e s s - c o n t r o l l i n ga n dt e r m i n a l - c o n t r o l l i n g r i c e w h e a tr o t a t i o na n dv e g e t a b l er o t a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tn h 4 + - nw a sm a i n n i t r o g e nf o r mi n r i c ef i e l ds u r f a c ew a t e ra n di t sp r o p o r t i o ni nt nr e a c h e dm o r et h a n9 0 n 0 3 一nw a sm a i nn i t r o g e nf o r mi nr i c e , w h e a t ，v e g e t a b l ef i e l dl e a c h i n gw a t e ra n di t sp r o p o r t i o n w a sa b o u t8 5 一9 0 a r t i f i c i a lr a i n f a l le x p e r i m e n ti nr i c e , w h e a ta n dv e g e t a b l ef i e l di n d i c a t e d t h a ti tw o u l dl e a dt og r e a tn i t r o g e nl o s si ft h e r ew e r er a i n s t o r ma f t e rf e r t i l i z a t i o n f o re x a m p l e ， l o s sc o e f f i c i e n to ft ni nr i c ef i e l dr u n o f fw a s1 8 3 3 2 63 2 k g h ai ft h e r ew a s8 0 m mr a i n s t o r m a f t e rb a s a lf e r t i l i z a t i o n ( 1 8 7 5 k g h a ) ；i f t h e r ew a s4 1 m mr a i n s t o r m , l o s sc o e f f i c i e n to f t ni nd r y l a n dr u n o f f c o u l dr e a c h9 4 9 k g h a1d a ya f t e rf e r t i l i z a t i o n ( 7 5 k g h a ) 1 艘c h i n gl o s sc o e f f i c i e n to f t ni nr i c e - w h e a tr o t a t i o na n dv e g e t a b l er o t a t i o nw a s3 6 5 9 - 4 5 1 2 k g h aa n d8 。8 1 - 2 8 3 8 k g h a , r e s p e c t i v e l y t h el e a c h i n gw a t e rq u a n t i t yh a v eb e e nr e v i s e da n di tw a sm a d et ob ec l o s et or e a l v a l u ei nf a r m l a n db yu s i n gs c sm e t h o d o r g a n i cf e r t i l i z e r sa p p l i c a t i o nc o u l dm a r k e d l yd e c r e a s er u n o f fl o s sa n dl e a c h i n gl o s so f n i t r o g e ni n r i c ef i e l d u s i n go r g a n i cf e r t i l i z e r st or e p l a c e2 0 - - 3 0 0 , 5c h e m i c a lf e r t i l i z e r sc o u l d r e d u c em o r et h a n3 0 0 , 6t nl o s si nr a i n f a l lr u n o i f , s e e d i n g - p e r i o da n df i e l d b a k i n g - p o r i o d d r a i n a g e ，a n dc o u l dd e c r e a s e1 9 4 3 - 2 5 9 1 l e a c h i n gl o s so ft n i nw h e a tf i e l d ，u s i n go r g a n i c f e r t i l i z e r st or e d u c e2 0 c h e m i c a lf e r t i l i z e r s , i nw h i c hr e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e r sc o u l dr e d u c e 2 5 9 k g h al e a c h i n gl o s sc o e f f i c i e n t o ft n z y m o l y t i cp i go r d u r ec o u l di n c r e a s e2 2 2 k g h a l e a c h i n gl o s sc o e f f i c i e n to f t n v e g e t a b l er o t a t i o ne x p e r i m e n th a v eb e e np r o v e dt h a ta p p r o p r i a t e r e f i n e do r g a n i cf e r t i l i z e r sc o u l dc o td o w n1 2 s k g h al e a c h i n gl o s so f t nw h e nt h es a m ef e r t i l i z e r q u a n t i t yw a su s e d t h ep r o d u c t i v i t yt e s t i n gs h o w e dt h a tt h e r ew a sn oa p p a r e n te f f e c t o nr i c e , w h e a ta n dv e g e t a b l ep r o d u c t i v i t yi ft h eu s a g e q u a n t i t yo fo r g a n i cf e r t i l i z e r sw a si n c r e a s e da n d c h e m i c a lf e r t i l i z e r sw a sr e d u c e d t h e r e f o r e ，u s i n go r g a n i cf e r t i l i z e r si nr i c e ，w h e a ta n dv e g e t a b l e a b s t r a c t f i e l da n d r e d u c i n g2 0 3 0 c h e m i c a lf e r t i l i z e r s ，c o u l d a l l e v i a t e n i t r o g e n l o s st ow a t e r e n v i r o n m e n t t h eu s eo fo r g a n i cf e r t i l i z e r si sr e a l l yas t r o n ga n de f f e c t u a lm e t h o dt op r e v e n tt h e c h e m i c a lf e r t i l i z e r sp o l l u t i o nt ot h ew a t e re n v i r o n m e n t ，b u ts o m en o n t e c h n o l o g i c a lm e a s u r e s m u s tb et a k e nt oe n s u r ei t sc o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o n t h es t u d ys h o w e dt h a tt h er i p a r i a np l a n t ss y s t e mh a so b v i o u se f f i c i e n c yf o rt h ec o n t r o lo f a g r i c u l t u r a lnp o l l u t i o n ，w h i c hh a s6 2 r e d u c er a t i of o rn 0 3 。- n ，a n d4 4 3 9 0 o 4 23 4 t on h 3 - - n a n di nw h i c ht r i f o l i u m r e p e f l sa n df e s t u c aa g u n d i n a c e aa r et h em o s te f f e c ti v eo n e s f o rt h er e c o n d a m i n a t i o no fn i - 1 3 - nd i f f e r e n td e p t he x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h er e d u c er a t i o f o rt ni n1m p o s i t i o ni s4 0 8 1 7 33 0 ，w i t ht h ea v e r a g eo f5 69 8 ，w h i c hi sh i g h e rt h a n o 7mp o s i t i o n , w h i c hr e a d 1 6 ，5 4 6 88 5 ，w i t ht h ea v e r a g eo f4 4 8 1 w h a t sm o r e ， d i f f e r e n td e e pp o s i t i o nh a sn oe v i d e n td i f f e r e n c ef o rt h er e d u c er a t i of o rn 0 3 。- na n dn h 3 - n ， w h a t sm o r e ，t a k i n gt h ew e s t - n o r t hr i v e rn e t w o r ko fq i n g p ud i s t r i c tf o re x a m p l e ，t h r o u g h c o n s t r u c t i n gam a t h e m a t i c a lm o d e l a n dv a l i d a t i n g ，t h i st h e s i ss t i l lh a v ea g o o ds t u d yo nt h ee f f e c t o fw a t e r - e x c h a n g et ot h et r e a t m e n to fr i v e rp o l l u t i o nt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm o d e lc a n h a v eag o o ds i m u l a t i n gf o rt h ew a t e r - t r a n s l a t i n gp r o c e s si ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o ni se n o u g h e x i s t i n gi r r i g a t i n gw o r k sc a n tr e a l i z et h es e t f - d e p u r a t i n go f w e s t n o r t hr i v e rn e t w o r ko f q i n g p u k e yw o r d s ：r i v e rn e t w o r k ，n i t r o g e np o l l u t i o n ，c o n t r o lm e a s u r e m e n t s ，r i v e r s i d eb e l t ， w a t e r - e x c h a n g e v 前言 前言 由于城市人口的大量聚集，使农产品的需求量急剧上升，直接导致了郊区农业生产 的高度集约化。为了提高产量，超量使用化肥的现象已非常普遍，使目前城镇郊区河网 水质严重污染，成为了制约农村社会、经济可持续发展的主要问题，城郊河网水环境的 保护己显得非常迫切。 相关研究表明，农业生产、农村生活对农村河道水环境污染贡献率极高，最高可达 4 0 左右，而农业生产污染又以化肥、农药流失为主，为农村河道的主要污染来源。有 效控制农田氮素污染是保护农业生态环境尤其是水环境的重要措施。本论文通过测坑定 位及大田试验，对上海郊区水稻田及早作农田的氮索流失特性进行了系统研究，分析了 上海郊区典型河流氮素污染形成机理及其污染特征，并研究了污染源头控制、污染径流 控制和污染末端治理的方法。 本研究论文的创新和特色之处主要表现为以下几方面： ( 1 ) 以河流氮素污染源头控制为核心，系统全面地研究了上海郊区河网地区农田 氮素污染流失系数、流失规律和流失特征。 在相关研究的基础上。本论文针对上海特点系统地研究了稻田、麦地、蔬菜地等的 氮素污染流失特征、流失规律和流失系数，获得了符合上海种植业结构和耕作制度的较 为全面的农业氮素污染负荷。 ( 2 ) 首次从较大尺度上对农业氮素污染源控制技术进行了示范研究。 本研究选取了上海郊区典型的大田农业作物与耕作制度作为面源污染控制技术研 究与示范的对象，通过较大面积的试验示范和示范中的完善总结，获得了大田农业面源 氮素污染源控制的技术，制定了一套可推广的操作管理规程，弥补了过去研究缺乏针对 性和可操作性的缺陷。 ( 3 ) 首次将相关的数学模型引入到郊区河网氮素污染控制引清调水方法评估上， 并获得了很好的模拟效果。 本论文构建了能模拟青浦城区西北片河网内污染物浓度变化的数学模型，并通过实 际的调水过程对所建模型进行了验证。同时，恢复河流健康的生态环境是河流治理的最 终目标，因此应开展引清调水与生物修复相结合的进一步研究。 河海大学博士学位论文 插图和附表清单 1 插图 图1 1 研究技术路线图1 1 图2 1 水利技术推广站测坑试验区示意图1 4 图2 2 基肥期各处理坑面水t n 浓度变化趋势“2 9 图2 3 第一次追肥各处理坑面水1 n 浓度变化趋势2 9 图2 - 4 第二次追肥各处理坑面水t n 浓度变化趋势“3 l 图2 5 第三次追肥各处理坑面水t n 浓度变化趋势”3l 图2 - 6 稻作期渗漏水中n 0 3 - n 的浓度变化趋势3 2 图2 7 不同肥期后渗漏水中总氮平均值变化4 4 图2 - 8 各处理渗漏水中总氮的浓度变化4 5 图2 - 9 渗漏水量与各处理总氮淋失系数关系图4 8 图2 - 1 0 不同处理塌菜渗漏水中硝酸盐浓度变化趋势”5 2 图2 1 1不同处理渗漏水量与硝酸盐渗漏淋失系数关系5 5 图2 1 2 不同处理生菜渗漏水中硝酸盐浓度变化趋势5 7 图2 1 3渗漏水量与不同处理生菜硝酸盐渗漏淋失系数关系6 0 图3 - 1河岸带实验平面布置示意图7 1 图3 - 2 不同深度水样的铵氮浓度分布- 7 3 图3 - 3 不同深度水样的硝氮浓度分布7 4 图3 - 4 不同深度水样的总氮浓度分布7 5 图3 5l m 深处不同植被对铵氮的去除效果7 6 图3 - 60 7 m 深处不同植被对铵氮的去除效果7 7 图3 7l m 深处不同植被对硝氮的去除效果7 8 图3 - 80 7 m 深处不同植被对硝氮的去除效果7 8 图3 - 90 7 m 深处不同植被对总氮的去除效果7 9 图3 1 0l m 深处不同植被对总氮的去除效果“8 0 图4 1青浦城区西北片河网计算区域8 8 图4 2 局部计算区域的三角形网格8 8 图4 3 库容曲线图9 0 图4 - 4 水流场计算结果9 5 x 插图和附表清单 图4 5a 2 调水工况下的水流计算速度场9 8 图4 - 6a 3 调水工况下的水流计算速度场9 9 图4 7a 4 调水工况下的水流计算速度场9 9 图4 8a 5 调水工况下的水流计算速度场1 0 0 图4 9a 6 调水工况下的水流计算速度场1 0 0 图4 1 0 水位为2 1 米条件下的边引边排工况水流速度场1 1 0 附图a 上海市河网水质控制标准示意图1 3 8 附图b 上海市青浦区西北片平面图1 3 9 2 表格 表2 12 0 0 1 年香花桥水稻肥料使用情况( 农业园区) ”1 3 表2 2 测坑渗漏水、河水及灌溉水氮素背景含量( 单位：m g f l ) 一1 5 表2 ，3 背景土壤样品中氮、磷、钾及有机质含量1 5 表2 - 4 氮素流失特性研究施肥设计( k g h a ) 1 7 表2 5 麦田氮素流失测坑试验方案1 8 表2 - 6 测坑施肥时间和肥料种类1 8 表2 7 塌菜氮索渗漏淋失研究测坑施肥方案，1 9 表2 - 8 生菜氮素渗漏淋失测坑试验研究方案2 0 表2 - 9 测坑施肥时间和肥料种类2 0 表2 1 0 基肥期测坑坑面水、渗漏水氮素浓度( r a g l ) 2 4 表2 一1 1 第一次追肥坑面水、渗漏水中氮素浓度( r a g l ) 2 5 表2 1 2 第二次追肥坑面水、渗漏水中氦素浓度( n 增皿) ，2 6 表2 1 3 第三次追肥坑面水、渗漏水中氮素浓度( m e , l ) 2 7 表2 1 4 对基肥期和第一次追肥期坑面水氮素浓度的拟合模式3 0 表2 1 5 稻作期氮素渗漏淋失系数( k l l a ) 3 4 表2 1 6 测坑人工降雨试验结果( m g l ) 3 5 表2 1 7 暴雨径流的氮素流失( 基肥期) 3 6 表2 1 8 测坑试验的t n 排水流失系数3 7 表2 1 9 稻田排水量与降雨量的关系( r a m ) 表2 2 0 三种稻田排水的氮索浓度( m 妒，) 表2 2 l 稻田降雨径流中氮素浓度( m g l ) 3 8 3 8 3 9 河海大学博士学位论文 表2 2 2 两类稻田的氮素排水流失系数4 0 表2 2 3 不同处理麦田渗漏水中氮素平均浓度及占t n 的比例( m g l ) ”4 2 表2 2 4 不同处理麦田渗漏水中氮素浓度( m g l ) 4 3 表2 2 5 不同施肥时段后不同处理渗漏水中n 0 3 - n 在t n 中的比例4 5 表2 2 6 麦季测坑渗漏水量( r a m ) ”4 7 表2 2 7 各处理氮素的渗漏淋失系数( k g h a ) 4 9 表2 2 8 各处理氮素的渗漏淋失总量( k g h a ) 5 0 表2 2 9 水稻、小麦测坑渗漏试验结果总计( k g h a ) 5 1 表2 3 0 不同处理塌菜田渗漏水中氮素浓度( m s l ) 5 4 表2 3 l 不同处理塌菜田渗漏水中氮素淋失系数( k g ，h a ) 5 6 表2 3 2 不同处理生菜田渗漏水中氮素浓度( m g l ) 5 8 表2 3 3 、不同处理生菜田渗漏水中氮素淋失系数( k g h a ) 5 9 表2 3 4 塌菜、生菜田渗漏水中氮素淋失系数与施氮量的关系”6 l 表2 3 5 蔬菜测坑渗漏试验结果总计( k g h a ) 6 2 表2 3 6 上海郊区大田农业氮素流失系数- 6 3 表2 3 7 上海郊区大田农业年总氮流失量估算6 4 表3 1 样地植被分布7 0 表3 2 不同深度水样的铵氮浓度变化7 2 表3 3 不同深度水样的硝氮浓度变化7 3 表3 - 4 不同深度水样的总氮浓度变化7 5 表4 1 库容曲线数据计算点8 9 表4 2 张家塘盈湖三岛区域河道横截面积一水位关系“9 0 表4 3 庵浜河河道横截面积一水位关系9 l 表4 - 4 张倪家浜河道横截面积一水位关系9 1 表4 5 张家塘河河道横截面积一水位关系9 l 表4 - 6 老西大盈河道横截面积一水位关系9 2 表4 7 南杨泾江河道横截面积一水位关系9 2 表4 - 82 0 0 4 年l o 月2 1 日2 2 ：3 4 分污染物浓度计算值与实测值的比较9 3 表4 - 9 将内河水位抬升为2 5 2 米时各控制点的污染物浓度9 4 表4 1 02 0 0 5 年6 月9 日1 7 ：0 0 污染物浓度计算值与实测值的比较9 5 表4 1 1初始时刻各控制点的污染物浓度1 0 1 x 插图和附表清单 表4 1 2 表4 1 3 表4 1 4 表4 1 5 表4 1 6 表4 1 7 表4 1 8 表4 1 9 表4 2 0 表4 2 1 表4 2 2 表4 2 3 表4 2 4 a 1 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 1 a 2 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 2 a 3 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 2 a 4 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 3 a 5 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 3 a 6 调水工况结束时刻各控制点的污染物浓度1 0 4 将a 5 工况的调水时间分别延长到2 4 小时和3 6 小时的调水效果1 0 4 调水初始时刻各控制点的污染物浓度1 0 5 不同调水工况结束时河网内各控制点的污染物浓度”1 0 6 将b 2 工况中的排水时间分别延长到2 4 小时和3 6 小时的调水效果1 0 6 2 月3 日一5 日各采样点的溶解氧指标1 0 7 6 月7 日9 日各采样点的溶解氧指标，1 0 8 9 月2 2 日一2 4 日各采样点的溶解氧指标1 0 9 学位论文独创性声明： 本人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与我一同工作的同事对本研 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。如不实， 本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 0 7 年6 月1 9 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月1 9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 2 0 世纪7 0 年代以来，对于氮素污染问题的研究，己在国际上引起广泛重视。氮素 是作物的主要营养元素之一，氮素是人类提高粮食产量的主要土壤肥力要素，由于世界 绝大部分土壤都缺氮，各地施用氮肥都有明显的增产效果，氮肥已经成为世界上生产和 施用量最大的化肥1 1 9 】，【1 2 2 】 【1 矧自6 0 年代“绿色革命”以来，大量的化肥进入农田，加 上不合理的农业管理措施，导致作物氮素利用率下降，损失加剧。据报道1 1 9 7 l ，我国每 年的农用氮肥有7 0 左右进入环境。我国每年施纯氮量为1 6 0 0 x1 0 4 t ，相当人民币2 0 0 多亿元按上述损失计算，每年有1 1 2 0 xl o t 氮素进入环境，并造成约1 4 0 亿元的经济 损失。因此，氮素己成为日益增长的环境污染物质之一。 长江三角洲地区历来是我国农业最发达的地区之一，上海郊区的农业生产无论从农 田化肥施用量、复种指数，还是从农产品的产出水平、产出价值等方面分析都处于高强 度开发状态，化肥的大量使用成为本区农业的基本特征。据2 0 0 2 年11 - 海郊区统计年 鉴资料，上海的化肥使用量约为1 7 6 8 万吨( 纯养分量) ，化肥的用量为6 8 0 k g h a , 远高 于2 0 0 0 年全国2 9 1k e , h a 的平均用量水平，也远远超过1 2 6 k g h a 的欧美发达国家水平。 在化肥结构中氮肥用量始终占8 0 * , 4 以上，大量氮素通过降雨径流和渗滤淋溶作用进入水 环境中，仅农田径流的总氮污染负荷就达1 0 9 万妇，单位面积年流失量达4 0 ，9 2k e , h a 1 2 3 8 1 ，农田氮流失不仅大大减少了施肥的有效性，同时成为水环境污染的重要来源，导 致上海郊区河网水体严重富营养化，郊区河流水质普遍在级以上( 见附图a ) 。 上海地处长江三角洲，地势平缓，域内河网密布，大小河流纵横交错，在郊区的大 部分地区，中小河流密如蛛网，平均每间隔1 0 0 3 0 0 m 就有一条河道，境内累积各种河 道2 3 7 8 7 条1 2 0 8 1 ，每平方千米平均3 7 5 条河道，河网密度达4 5k m h a ，是全国水面积 比重较大，河网密度较密的地区。 上海郊区河流属于平原感潮型河流，区域地势过于平坦，受潮汐顶托作用，河道淤 积、堵塞严重，断头河、死河常见。大量环绕农田的河道流速小，泄水能力低，造成排 水困难，水体交换能力弱，水体自净能力和环境容量小，上海郊区河网污染十分严重。 农田施用化肥对郊区河网水体的氮素污染属农业面源污染研究领域，农业面源污染 具有随机性大、涉及范围广、机理模糊和滞后性、潜伏周期长、排放点不固定、污染符 合的时间空间变化幅度大、控制难度大等特点，污染一旦发生，其控制与治理将非常困 难，且代价高昂，目前己成为影响水体环境质量的重要污染源。 河海大学博士学位论文 国内外对农田氮素的流失及其对郊区河网水体的污染规律研究相对比较薄弱，尤其 是关于污染源头控制、污染径流控制及其管理方法的系统研究比较少。针对上海市当前 农业生产中化肥的不合理施用造成的上海市郊区河网氮素污染状况，开展上海郊区氮素 流失成因、途径、流失率和污染特征的研究显得十分迫切。深入研究在农田高强度使用 化肥地区农田化肥氮素的淋溶、迁移规律，研究如何提高氮素化肥利用率的有效措施， 减少氮肥施用引起的农田氮素流失，减轻或避免氮素对郊区河网水质的影询，这对防治郊 区河网水体污染和上海农业生产可持续发展有着重大的理论和实践意义。 1 2 研究进展 1 2 1 我国河流氮素污染研究概况 我国有关河流氮素污染研究9 0 年代才开始起步，在对黄河、长江等河流监测数据 分析基础上，研究河流的氮污染情况与污染趋势，己取得了一定的成果1 1 9 4 l - 1 2 4 4 1 - 【2 2 7 1 。 在对黄河水系干、支流1 9 8 0 1 9 9 0 1 9 9 7 1 9 9 9 河水氮污染水质检测数据进行分析基 础上，研究了黄河氮污染的发展趋势及氮污染的主要污染源。对黄河水系1 9 6 0 年至2 0 0 0 年期间氮污染监测数据的分析表明，近4 0 年来黄河水系氮污染程度不断上升，9 0 年代 以后的上升趋势更为显著，干流河水氮污染的程度自上游至下游有升高的趋势，不少支 流氮污染的程度大大高于干流。在工业不发达的农业地，河水总氮与氨氮的最高浓度 大多出现在丰水期，在工业相对发达的地区，河水氨氮与总氮的最高浓度大多出现在枯水 期。 1 2 2 氮素损失及污染机理研究 人类开始全面认识和研究污染物在土壤及地下水中辽移转化规律的历史开始于7 0 年代。前人根据污染物在土壤及地下水系统中的迁移途径，分别从表土层、含水层及非 饱和带二个方面进行了研究，并取得了一系列成果1 2 刚。研究者普遍认为氮素的作物利 用率为2 0 3 5 ，有5 扣1 0 挥发到大气中，地下渗漏损失1 0 0 , 4 ，随降水径流和渗漏 排出农田的氮素中有2 0 0 o 一- 2 5 是当季施用的氮素化肥，大部分被土壤吸附p 1 国际上有关土壤氮素的淋溶研究认为，根据作物、旌肥量、土壤质地、降水和灌溉 方式的不同，由淋溶引起的氮素损失可占施氮量的5 1 5 1 1 14 】，1 5 射。据报道1 9 】，1 锕，土壤 中的硝态氮淋失与其浓度有密切关系，其下移通常大于舅：它方向的迁移。y a d a v ( 1 9 9 7 ) 的研究表明1 1 0 s 1 ，每年有1 5 的氮肥、土壤非根层中6 8 的残留硝态氮、以及根层中2 0 的残留硝态氮可淋滤到地下水中。 我国对于农田降雨径流氮流失研究始于2 0 世纪7 0 年代，早期的研究集中在农田径 2 第一章绪论 流氮的流失量及其对水体的影响，8 0 年代以来主要是从减少污染输出的角度研究氮元素 从农田径流流失的机理和规律。近2 0 年来，我国在农田氮向水体迁移对主要河、湖水 体富营养化的影响方面也积累了一些数据，对田间条件下土壤一作物系统中氮的损失途 径进行了许多定量的评价和研究，特别是对氨挥发、硝化、反硝化及其影响因素有了更 多的了解。但是，整体而言，对于氮在内的农用化合物随地表径流流失的研究还刚开始。 已有的关于农田氮的地表径流流失研究多集中在南方水田，北方农田径流氮流失的研究 是从黄土高原结合水土流失开始，其后在白洋淀地区也进行过一些尝试，但都只限于总 量的分析，对旱田氮随季节性暴雨径流流失的特征和机制了解很少。 我国南方6 省农业生产的氮素平衡帐中，收入大于支出，造成氮素盈余，有相当的 部分进入环境，对环境造成威胁。从山东四湖、云南洱海以及上海淀山湖等湖泊的调查 资料来看，通过农田径流输入湖泊的氮占湖泊氮负荷的7 0 - - 2 5 2 【”，在湖泊富营养 化中，肥料( 包括有机肥) 通过地表径流进入湖水中的氮占入湖总氮量的1 0 0 , 4 左右。就地 表水( 湖泊等) 硝态氮的污染而论，氮素化肥占5 0 p a 上i 埔”。浙江杭州湾的无机氮污染中， 氮肥污染排在首位1 1 2 0 1 。吕耀【m 1 【l 科1 报道，太湖流域等农业集约化程度较高的地区出现 了过量施用氮肥以及肥料结构不合理的现象，农业面源氮素对地表水的污染负荷量高达 2 5 5x1 0 4 t a ，占氮素化肥施用量的1 6 8 ，加剧了太湖水体富营养化 我国有机氮源的氮素损失在人口稠密和养殖业发达的区域已经成为非点源污染的 重要来源。研究表明，有机来源的氮素以及可溶性有机氮是氮素向水体迁移的重要形态 0 0 6 1 。在流域氮素输出中可溶性有机氮是一个重要组成，目前需要加强农田有机氮迁移 过程及其影响机制的研究，需要确定有机源的硝态氮以及可溶性有机氮的迁移量，建立 稻田生态系统和水旱轮作系统的氮素迁移定量评价模型，提出减少非点源污染的区域氮 素迁移调控措施【1 9 6 l 。 王超等 2 0 0 l 借助于室内土柱装置的先进量测系统，并结合野外监测及数值计算等手 段对氮类污染物在土壤及地下水中迁移转化规律进行了深入研究，探讨了n i - h + - 1 4 和 n 0 3 - n 在土柱内非饱和土壤中的时空变化过程，建立了符合氮的迁移转化的数学模型， 并根据物理模型试验的实测资料和数学模型的数值解，运用最优化技术率定了模型参 数，为研究和解决氮类污染物对地下水环境的影响提供了科学依据，并为污水回灌、污 水灌溉、垃圾场填埋设计及化肥施用标准的制定提供了科学依据。 阮晓红等【1 9 2 1 通过室内土柱实验，研究了氮在包气带不同土质层中饱水条件下迁移 转化的特征，建立了一维饱和土壤层中氮迁移的预测模型。研究结果表明：氮对地下水的 污染因子是硝酸根，土质是影响土壤氮迁移的重要因素之一。在迁移转化环境条件相同 3 河海大学博士学位论文 的情况下，随着土壤中粘粒含量的增加，土壤对n h 4 + 的吸附性增加，减少了氮的淋溶、 迁移损失，有利于氮肥的有效使用；随着土壤中粘粒含量的增加，土层的净化容量增加， 水一土系统的的厌氧程度提高有利于反硝化作用的进行。提出了土层的反硝化反应速 率的增加是硝酸根去除的决定性因素，防止地下水n 0 3 - 污染的有效方法是保持一定厚度 的厌氧层，增加反硝化作用过程，去除n 0 3 对地下水的污染。 国内外对坡地营养物质随地表径流及壤中流迁移过程的研究取得了许多成果，但仍 存在不少有待解决的问题：( 1 ) 坡地表土的氮磷等营养物质如何迁移到水体中，以及在迁 移过程中的相互转化等方面的研究尚需深入，机理机制尚未清楚，无法有效地预测和控 制土壤营养物质的流失以及面源污染引起地表水体的富营养化等问题：( 2 ) 当前坡面表土 层中营养物质在降雨时的损失主要侧重于坡面径流，而对壤中流研究甚少，壤中流是一 种多因素综合效应结果，其中营养物质的迁移应该引起关注【1 1 1 f