（环境科学专业论文）福州第二水源—山仔水库非点源氮污染研究.pdf

褊处师范人学硕i 。：- “r - 位论文 摘要 作为福州第二水源地的山仔水库，其水质状况的优劣直接影响到福州市民的饮 用水安全。据监测数据显示，建库十余年，山仔水库水质富营养状况日趋严重，非 点源污染正日益成为山仔水库的主要污染之一。 为研究山仔水库非点源氮污染物流失特征，根据土壤调查资料，本论文选取涵 盖库区主要土地利用类型( 杉竹林、水田、早地) 的典型小流域为研究对象，对2 0 0 7 年夏季、秋季中4 次天然降雨的全过程进行了野外监测和实验室分析，并对s w a t 模型应用于山仔水库非点源氮污染负荷估算进行了初步探索。得出以下结论： 1 、由于土壤前期含水量的关系，径流量峰值一般滞后于降雨量峰值；受坡度的影响， 本研究选取的典型小流域径流量变化为：杉竹林 水田 旱地。 2 、天然降雨条件下山仔水库径流中氮的流失量为：水田 旱地 杉竹林；另一方面， 氮的流失形态中，以硝态氮为主，占总氮的比例为4 9 5 3 。通过回归分析发现， 山仔水库杉竹林、水田、旱地氮排放负荷与径流量之间存在着多项式关系，且相 关性较高( 杉竹林：r 2 = 0 9 6 0 7 ；水田：r 2 = o 9 7 5 5 ：早地：r 2 = o 9 8 3 4 ) 。 3 、山仔库区的土壤中，5 c m - - l o c m 土壤深度的氮含量较大。土壤硝态氮随着渗漏 作用主要在5 c m l o c m 土层积累；山仔库区典型土地利用类型铵态氮吸附能力： 杉竹林( 2 5 0 0m g k g ) 早j ：l 邑( 1 2 5 0m g k g ) 水1 壬1 ( 8 3 3m g k g ) ，硝态氮吸附能力：杉竹 林( 1 4 7 6m g k g ) 早地( 1 0 7 8m g k g ) 水i - 1 - t ( 9 7 3m g k g ) ，土壤氮素污染物以硝态氮为 主要形式。 4 、在野外采样和实验室分析的基础上，应用s w a t 模型模拟估算了山仔水库库区降 雨量较大的2 0 0 7 年5 月至2 0 0 7 年1 0 月期间氮输出负荷量，这一时期流失的总 氮为1 1 0 2t ，非点源污染的产生是造成山仔水库水质恶化的主要原因之一：8 月 和9 月分别占模拟时期氮输出负荷的2 3 5 和2 5 1 4 ，是非点源污染发生的主 要时期。 关键词非点源污染；山仔水库；地褒径流；氮：土地利用类型；s w a t 模型 祸建师范人学硕：i ：学位论文 a b s t r a c t f u z h o us h a n z ir e s e r v o i ri st h es e c o n dw a t e rr e s o u r c ei nf u z h o u t h er e s e r v o i r d i r e c t l yi m p a c to nt h ew a t e rq u a l i t yo fp u b l i cd r i n k i n gw a t e rs a f e t yi nf u z h o u t h e d e t e c t i v er e s u l t so ft h e s er e c e n ty e a r ss h o w e d ：t h ee u t r o p h i c a t i o no fs h a n z ir e s e r v o i r b e c o m es e r i o u sd a yb yd a y t h ei n v e s t i g a t i o nd a t es h o w s ：t h ea g r i c u l t u r a ln o n - p o m t p o l l u t i o nh a sb e e no n eo ft h em a i np o l l u t i o nt of u z h o us h a n z ir e s e r v o i r i no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so nn i t r o g e nl o s s e si ns m a l lw a t e r s h e da r e ai n s h a n z ir e s e r v o i r , w em o n i t o r e df o u rr a i n f a l lr u n o f fa n dt h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nf r o m a u g u s t2 0 0 7t os e p t e m b e r2 0 0 7 o nt h eb a s i so fs a m p l i n gm o n i t o r i n gi nt h ef i e l d ，w e u s e dt h es w a tm o d e lt oe s t i m a t et h en i t r o g e nl o a da b o u ts h a n z ir e s e r v o i r a tl a s t ，w eg o t t h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 t h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n si ne a r l i e rr a i n f a l lw e r eh i g h e rt h a nt h o s ei nt h el a t e r r a i n f a l l t h ec h a n g e so fs e l e c t e dt y p i c a ls m a l lw a t e r s h e df r o mm a x i m u mt om i n i m u m i sp i n eb a m b o o 、p a d d yf i e l d s 、s w e e tp o t a t o e s 2 t h el a n du s ep a t t e r nh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nn i t r o g e nl o s s ，t h es e q u e n c eo fp o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o nf r o mm a x i m u mt om i n i m u mi sp a d d yf i e l d s 、s w e e tp o t a t o e s 、p i n e b a m b o o t h em a j o rp a r to fl o s s e si si nt h ef o r mo fn 0 3 - - n t h er e g r e s s i o na n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tp o l y n o m i a lr e l a t i o ne x i s t e db e t w e e nr u n o f fa n dn i t r o g e nl o a d s ， a n dt h er 上v a l u e so fp i n eb a m b o o 、p a d d yf i e l d sa n ds w e e tp o t a t o e sw e r e0 9 6 0 7 、 0 9 7 5 5a n d0 9 8 3 4 3 b e t w e e nt h r e et y p e so fl a n du s e d ，t h eh i l g h e s tn i t r o g e nc o n t e n ti sf r o m5c mt o1 0 c r n t h e r ei sal a r g ea m o u n to fc h a n g eb e f o r er a i na n da f t e rr a i n t h es o i ln 0 3 - - n a c c u m u l a t ei n5c mt o1 0 c m t h en h 4 + - na b s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h et y p i c a ll a n d u s e t y p e si ns h a n z ir e s e r v o i rf r o mm a x i m u mt om i n i m u mi sp i n eb a m b o o ( 2 5 0 0m g k g ) ， s w e e tp o t a t o e s ( 1 2 5 0m e , k g ) ，p a d d yf i e l d ( 8 3 3m g k g ) ；a n dt h en 0 3 。- na b s o r p t i o n c a p a c i t yf r o mm a x i m u mt om i n i m u mi sp i n eb a m b o o ( 1 4 7 6m g k g ) ，s w e e tp o t a t o e s ( 1 0 7 8m g k g ) ，p a d d yf i e l d ( 9 7 3m g k g ) 4 t h el e c t u r ea l s ou s et h es w a tm o d e lt os i m u l a t et h en i t r o g e no u t p u tl o a df r o mm a y 2 0 0 7t oo c t o b e r2 0 0 7i ns h a n z ir e s e r v o i r d u r i n gt h i sp e r i o dt h el o s so fn i t r o g e nt o 福建师范大学硕士学位论文 11 0 2 t ；a u g u s ta n ds e p t e m b e rr e s p e c t i v e l yo u t p u to ft h es i m u l a t i o np e r i o dn i t r o g e nl o a d o f2 3 5 a n d2 5 1 4 t h er e s u l ts h o w st h a tt h i s p e r i o di st h em a i ne v e n t so ft h e n o n p o i n ts o u r c e k e y w o r d sn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，s h a n z ir e s e r v o i r , s u r f a c er u n o f f , n i t r o g e n ， l a n d u s e dt y p e s ，s w a tm o d e l i i i 祸建师范大学硕士学位论文 中文文捅 水资源危机已成为十分尖锐的社会问题。从世界范围来看，随着点源污染得到 有效控制和治理，非点源已成为水质恶化的一大污染源或亦已成为首要污染源。我 国非点源污染问题也日益严重，如何科学认识并有效控制非点源污染已成为一个紧 迫的研究课题。 福州第二水源山仔水库位于福州市连江县敖江干流中游，该水库的水质状 况直接影响到福州市民的饮用水安全。据监测数据显示，建库十余年，山仔水库水 质富营养状况日趋严重，农业非点源污染正日益成为福州市第二水源水体主要污染 之一。 山仔水库流域农业非点源污染特别是氮元素的污染，对水环境质量的影响早已 引起各方面的关注，对农业非点源污染的调查、监测和评价工作已陆续展开。福建 师范大学环境科学研究所的王珊珊等利用多目标决策理想点模型，并结合熵权，评 价了山仔水库1 9 9 8 2 0 0 2 年富营养化程度；陈文花等通过对山仔水库底泥中磷的释放 规律研究结果表明：影响山仔水库底泥磷释放的主要因素是上覆水中的磷浓度、温 度和溶解氧，并通过对底泥样品中各种磷形态含量与上覆水中磷浓度进行线性相关 分析，均具有良好的相关性。 尽管福建省内的专家学者及科研人员对山仔水库流域的污染开展了一系列的工 作，但几乎所有的研究都只针对库区湖水水质及库底营养元素的研究，忽略了对直 接影响水库污染负荷量的地表径流及渗流的研究。本课题重点研究山仔库区非点源 污染中的氮元素污染，通过小范围试验样地的详细研究，调查分析与实测研究相结 合、野外监测与室内实验分析相结合，对非点源污染物从流失机理及定量两个方面 进行全面、深入、系统的研究，掌握山仔库区不同土地利用类型降雨径流氮元素污 染流失特征及污染物输出规律，并对于s w a t 模型估算整个库区的氮污染负荷量作 了初步探索。主要结论如下： 1 降雨特征参数与径流量的关系：降雨量和径流量均出现了2 个明显的峰值，径流 量峰值一般滞后于降雨量峰值。在相同的土地利用和下垫面条件下，土壤的前期 含水量是决定产流时间的关键因素。不同土地利用类型径流量差别较大：杉竹林 水田 旱地。杉竹林生长区位于坡地，地下水位较低，降雨过程主要形成超渗产流； 反观水田与旱地，径流量相近，降雨过程主要以蓄满产流为主，特别是水田，长 l v 福建师范大学硕士学位论文 期处于蓄满状态，对地面雨水的滞留作用较大。 2 山仔水库典型小流域各土地利用类型( 杉竹林、水田、旱地) 降雨径流中氮素浓度 的变化特征：a 、三种土地利用类型径流中总氮f i n ) 、硝态氮( n 0 3 - 、铵态氮 ( 。+ 浓度都呈波浪状变化，且浓度先于径流达到峰值。径流产生初期，降雨 的浸提作用占主导地位，从而浓度相对较高；到径流后期，降水的浸提作用和稀 释作用交互进行，稀释作用逐渐占主导地位，从而浓度降低。b 、不同土地利用类 型氮浓度大小：水田 旱地 杉竹林。由于杉竹林所处的位置坡度较大，降雨对地 面冲刷剧烈，氮的流失有相当一部分通过泥沙结合态流失，因此浓度较低；水田 与旱地浓度曲线保持在较高的水平，这与其施肥量较大，土壤表层氮含量较高有 关。另一方面，施用化肥( 尿素、碳酸氢铵、硫酸铵等) 的原因导致氮的流失形态 主要以硝态氮为主。c 、通过回归分析发现，山仔水库杉竹林、水田、旱地氮排放 负荷与径流量之间存在着多项式关系，且相关性较高( 杉竹林：r 2 = o 9 6 0 7 ；水田： r 2 = 0 9 7 5 5 ；旱地：r 2 - - - 0 9 8 3 4 ) ，研究结论对于山仔库区乃至整个敖江流域的非点 源污染负荷估算都具有一定的借鉴作用。 3 降雨前后典型土地利用类型土壤不同深度氮素分布特征：a 、降雨前与降雨后， 氮素污染物流失量：水田 旱地 杉竹林。b 、三种土地利用类型中，5 c m - - 一1 0 c m 土壤深度的氮含量较大，且降雨前与降雨后变化量较大。；土壤硝态氮随着渗漏作 用主要在5 c m - - - 1 0 c m 土层积累，且氮素污染物以硝态氮为主要形式，这说明养分 高、滞水层存在的情况下，硝态氮在近滞水层上的土壤累积。c 、山仔库区典型土 地利用类型铵态氮吸附能力：杉竹林( 2 5 0 0m g k g ) 旱地( 1 2 5 0m g k g ) 水1 王i ( 8 3 3 m g k g ) ；硝态氮吸附能力：杉竹林( 1 4 7 6m g k g ) 早地( 1 0 7 8m g k g ) 水田( 9 7 3 m g k g ) 。 4 应用s w a t 模型模拟了山仔水库流域2 0 0 7 年5 月至2 0 0 7 年1 0 月期间氮输出负 荷量，这一时期流失的总氮为1 1 0 2t ，在8 月和9 月，虽然氮的月平均浓度不是 很高，但由于降雨量和径流量较大，导致输出的氮负荷量较大，分别占模拟时期 氮输出负荷的2 3 5 和2 5 1 4 ，是非点源发生的主要时期。 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 非点源污染 1 1 1 研究背景 环境污染一般分为点源污染( p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 和非点源污染( n o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n ) 。非点源污染所涉及的范围较点源污染广，通常非点源污染指溶解 的或是固体污染物( 地面的各种污染物质如城市生活垃圾、农村家畜粪便、农药化肥、 重金属和其它有害有机物等1 ，从非特定的点随降水生成的径流进入受纳水体所造成 的污染【1 j 。美国清洁水法修正案( 1 9 7 7 ) 定义非点源污染为“污染物以广域的、分散的、 微量的形式进入地表水及地下水体”【2 1 。非点源污染的来源和形成过程复杂，对其进 行控制十分困难。 非点源污染引起的各种水环境问题中，不同地区不同类型起主导作用的污染源 类型不同。根据产生污染物的非点源污染的不同，可分为农业非点源污染、采矿引 起的非点源污染、城市非点源污染、建筑施工引起的非点源污染、林业活动引起的 非点源污染以及其它类型的非点源污剿引。 从世界范围来看，非点源污染已成为水环境污染的重要方式。在美国，6 0 的 水污染起源于非点源【4 j 。1 9 8 5 年，美国进行了大规模的非点源污染调查。结果表明， 大约有1 2 的河流和2 4 的湖泊、水库正受到非点源污染的威胁【5 1 。在欧洲，非点源 污染也相当严重。其中荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的 6 0 雨j 4 0 5 0 f 6 l 。 点源污染在我国一直是做为环境污染工作的重点来研究；随着我国对工业污染 治理力度的日益加强，水体点源污染加剧的趋势已基本得到抑制，重点流域的水污 染负荷结构已经或正在发生变化，表现在点源污染所占的比重趋于稳定甚至下降， 而来自非点源污染的比重却越来越大。从统计数据中可以看出，近些年来，水质污 染并没有得到有效地控制，水体污染事件屡次发生，特别是因氮、磷引起的水体富 营养化现象日益严重。资料分析，富营养化已成为我国大型淡水湖泊中最重要的水 环境问题。我国8 5 的湖泊富营养化问题严重，全国5 3 2 条主要河流中有8 2 受到不 同程度的氮污染。许多水体的非点源污染负荷比例接近或超过5 0 。( 见表1 1 ) 如由非点源产生的总氮、总磷占到进入 ! 1 1 池水q p 的5 9 和3 0 f 7 1 。2 0 0 7 年5 月底， 由于太湖水中总磷含量过高，使得太湖水暴发大规模蓝藻，使原本水量丰富的太湖 流域发生了水质性缺水危机，特别是江苏省尤锡市，发生了严重的居民饮用水短缺 福建师范人学硕j 二学位论文 危机。由此可见，对非点源污染的研究和治理刻不容缓。 表1 1 我国重要水体的非点源污染负荷比 t a b l e l - 1n o n p o i n ts o u r c ep o u u t i o nr a t i o no fm a i o rw a t e r _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i i _ _ _ _ 一 水体名称t n 总氮( ) t p 总磷( ) 太湖7 95 8 巢湖6 5 95 1 7 滇池 7 3 13 0 4 洱海9 7 59 2 杭嘉湖水网2 5 25 4 密云水库7 5 69 0 注：参考国家水质监测公报，2 0 0 5 1 1 2 非点源污染的成因及迁移过程 1 1 2 1 非点源污染产生的原因 非点源污染一般产生于生活垃圾和生活废水的随意排放，家禽家畜粪便、农作 物秸秆的不合理使用，城市中工厂、交通中产生的各种废气，以及农业上各种化肥 的过量使用。特别是农业非点源污染，由于生产方式的陈旧落后、农药化肥的过度 使用，土地利用规划不合理，再加上农田管理落后，使得农业非点源污染成为非点 源污染能否治理成功的一个关键性问题。 农业非点源污染( a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 是指由于农业生产活动 ( 包括土地利用、使用农用化学品、畜禽养殖、水产养殖等) 和农村生活，使得泥沙、 氮磷等营养物质、农药、病菌、重金属等有机和无机污染物，在降雨或灌溉过程中， 通过地表径流或渗漏等方式进入水体，从而对水环境造成的污染。具体说来，由客 观和主观两个方面的原因。 ( 1 ) 客观因素影响 a 、地质、土壤条件 非点源污染严重的区域一般以矮坡、低山丘陵为主，其中一部分为山前平地， 地表土壤多为松散堆积物，由壤土、砂地、沙砾等组成；另一部分深山区分布较多 为沙页岩、花岗岩等易风化破碎的水融地貌类型。由于经过开垦，土壤表面较为疏 松，自然植被稀疏，多为灌丛或荒草，环境承载力差，较易出现水土流失。 b 、气象条件 非点源污染发生严重的区域一般为亚热带、温带季风气候区，受季风影响较为 明显，年降水量变化较大，降水强度及季节分布极不均匀，大多数地区全年降水量 2 第1 章绪论 的7 5 - 9 0 集中在6 , - - , 9 月，并多以短时间、突发性暴雨为主。强降雨的出现为地 表径流的产生以及地表物质的冲刷侵蚀提供了物质和动力条件。一般是年降雨量越 大、水土流失越严重、养分流失量也越大。傅涛采用室内模拟降雨装置对三峡库区 黄色石灰石养分流失进行研究表明，雨强与流失量成正比，但与径流的养分浓度和 泥沙的养分浓度无关。 ( 2 ) 主观因素影响 影响非点源污染的主观因素为人类的活动，主要包括农间生产、土地利用方式、 畜禽养殖及农村居民生活这三个部分。 1 1 2 2 非点源污染的迁移过程 当降雨形成地表径流以及渗流时，就会加重水土流失，混杂在径流中的污染物 就会随着地表径流进入水体，给水体功能的正常发挥带来了负面影响( 见图1 - 1 ) 。 非点源污染形成是个动态过程，主要包括降雨径流过程、地表溶质溶出过程和 土壤溶质渗漏过程。这三个过程之间是紧密联系互相作用的： ( 1 ) 降雨径流过程 对于降雨径流过程的研究，大多数是以水文学为基础的，重点研究作为非点源 污染动力的径流的产流汇流特性。目前，美国水土保持局于2 0 世纪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，被广泛用于 非点源污染的研究【8 “9 1 。 ( 2 ) 地表溶质溶出过程 对于地表溶质溶出过程的研究，国内外学者均作了有益的探讨，提出了相应的 概念和理论，女i e d i ，并通过实验验证，使得这一过程的机理在某种程度上得到了 解释【1 0 1 。 ( 3 ) 土壤溶质流失过程 刈j 二土壤溶肤流火过脞的桫f 究，足i - qf ) i 非点源污染研究的又一热点和难点。土 壤溶质流火过程足一个复杂的过程，受土壤特性、作物、微生物等多种因素的影响 【1 1 】。对溶质流失过程的深入研究，有助于进一步了解地下水污染的机理【1 2 】。 3 福建师范大学硕士学位论文 雨( 或融雪) 大气干、湿沉降 上j 奎 地下 i 含水层l 一 地 表 径 流 交 流 地 下 水 流 地面挂蓄 部分 水 进水区 不进水区 图1 - 1 非点源污染物迁移过程示意图 f i g1 1s k e t c hm a po fn p s pt r a n s p o r t i n gp r o c e s s 1 1 3 非点源污染的特征与危害 不同于点源污染，非点源污染有着自身的独特性，其污染物质来自大范围或大 面积，不能用常规方法控制其污染源头。 1 1 3 1 非点源污染的特征 ( 1 ) f “泛悱 随竹人- e j 批生的备刷呻t 染物数直 的4 i 断增多，j = l 加上人类活动范幽的1 1 益扩大， 仗得污染物在地球表面的分斫，越米越j “泛，污染物1 9 f f 地表径流进入水体的现象随处 可见，其产生的生态环境影响是深远而广泛的。 ( 2 ) 临时性 从非点源污染的定义与范围出发，某区域的非点源污染与该区域的降水等一系 列随机发生的事件相关，并且非点源污染的形成与土壤结构、农作物类型、气候、 地址、地貌等关系密切【1 3 】。 4 璺一粒颗 第1 章绪论 ( 3 ) 不确定性 由于非点源污染的污染源范围较广，不易监测，污染物在某一地点的准确方位 无法确定，且排放为间歇排放。非点源污染具有三不确定：即不确定时间、不确定 方式、不确定数量。 ( 4 ) 变化性 非点源污染的污染物进入水体前已在地面上随着地表径流迁移，污染范围已经 扩散，且污染程度与气象、地理、地质关系密切，随着地区和时间的变化而变化。 ( 5 ) 潜在危险性 由于非点源污染量较少，且范围分散，在发生污染事件时并不能立即表现出其 危害性。经过一段时间的累积，聚集到一定程度后再暴发，其风险性较大。 1 1 3 2 非点源污染的危害 非点源对水体的污染主要包括营养型污染、毒害型污染和水体底泥淤积等三个 方面。 ( 1 ) 污染水体，引起水体富营养化 水体富营养化指的是由于农田大量的化肥流失，经过地表径流的输送作用，进 入水体，使得水体中的藻类( 蓝藻) 大量繁殖，破坏水生生物的环境。另一方面，氮、 磷等营养元素的输入【1 4 】，也会阻碍水生生物的呼吸和觅食，造成生态系统的不平衡。 ( 2 ) 有毒物质侵入水体 农药、除草剂等带有重金属、有毒有机物的药物的大量使用，不断进入水体。 且由于这类物质在水体中不易降解，大量沉积，对水生生物群落产生毒性，水体功 能下降，危及人类健康和安全【1 5 1 。 ( 3 ) 水体底泥淤积，河床上升 降雨后，非点源中大量的地表泥沙等固体物质通过地表径流冲刷至水体中，沉 积在水体底部，造成河床、湖泊的水面上升，水体体积减少。如遇到洪水，会对水 体周边居民造成极大的威胁。 1 1 4 非点源污染的控制措施 1 1 4 1 非点源污染研究的一般方法 农业非点源污染研究的初期一般采用径流试验场法收集数据( 径流试验场法主 要是在一定而积、具有典型代表f e 的半封闭或全封闭区域内同步进行监测降雨径流 水质、流量，确定单位负荷量，通过单位负荷量乘以流域总面积来估算整个流域非 5 福建师范火学硕士学位论文 点源污染产生量) 。近些年来采用大区域调查分析与小区实测研究相结合的方法，在 区域宏观调查的基础上根据土地利用状况将研究区域划分为不同的非点源污染发生 类型区域，在每个类型内设立典型研究小区测定径流水质、水量，确定每种类型区 域非点源污染发生负荷量，分析其发生特征。 1 1 4 2 非点源污染模型研究 在非点源污染研究中，对定量控制和过程的要求较为严格，从客观上促进了非 点源污染模型的发展。随着人们对非点源污染研究的深入、理论的成熟、监测的完 善，农业非点源污染模型的发展经历了以下几个阶段：早期的研究工作主要是对农 业非点源污染的简单经验统计模型的研究，如美国水土保持局在2 0 世纪7 0 年代提出 的s c s 法，该模型只考虑下垫面性质对产流的影响。同期的还有土壤流失方程u s l e ， 因其具有逻辑结构的适用性，被广泛应用于非点源污染模型中【1 6 1 7 】。2 0 世纪7 0 年代 中期出现了建立在复杂作用机理基础上的非点源污染模型，如n s p 、s w m m 等【l s l 。 2 0 世纪8 0 年代以后，非点源污染模型向实用方向发展，并与非点源污染管理措施密 切联系在一起，并注重效益分析，发展了大量实用的非点源污染定量模型，如 n s w e r s 19 1 、c r e a m s l 2 0 】和a g n p s l 2 1j 等。n 2 0 世纪9 0 年代，新技术的引入和监测 手段的进一步健全，这都有力地推动了农业非点源污染模型的研究工作，如g i s 方法 的引进，遥感技术的应用，使农业非点源污染模型化工作更加方便，结果更加精确 2 2 2 3 】。当前应用较为广泛的非点源模型主要有a n s w e r s 、c r e a m s 、a g n p s 、 s w a t 、h s p f 和b a s i n s 等( 见表1 2 ) 。 表1 2 常见的非点源污染模型比较 t a b l e i 2c o n t r a s tw i t hs e v e r a lm o d e l so fn p s p 第1 章绪论 1 2 氮元素在非点源污染中的影响 非点源污染中的土地利用类型覆被变化( l u c c ) 对元素( 尤其是营养元素) 输移 影响占有主要地位。l u c c 对营养元素输移的影响也就是在暴雨和径流冲刷作用下， 污染物通过径流过程汇入受纳水体，从而引起水体污染【2 4 】。氮作为最重要的营养盐 之一，其流失既可造成土壤生产力衰退，又可引起水体富营养化，为此关于氮的非 点源污染特征及定量化表征的研究十分活跃【2 5 1 。研究方法通常是考察氮在地表随径 流的迁移过程，通过对氮输出的3 个主要环节一降雨径流、水土流失、污染物迁移 的模拟，估算区域尺度上氮的输移过程和输出通量。 氮素是作物生长所必需的大量营养元素之一，土壤中氮元素的丰缺及供给状况 直接影响着农作物的生长水平。农作物的主要氮源是土壤中的n o 和n h ，也可吸收 少量的尿素、氨基酸。 自然土壤中的氮素只要来源于固氮微生物所固定的氮素【2 6 】；其次是自然降水带 入的铵盐和硝酸盐，以及地下水上升带到上层土壤的氮素。耕作土壤中，氮素主要 来源于人工施入的氮肥与有机肥料，此外，灌溉水中也含有一定量的硝态氮。 1 2 1 土壤氮素的形态 氮元素主要以有机态氮和无机态氮的形式存在的。无机态氮主要是氨氮、亚硝 酸盐氮和硝酸盐氮；有机态氮在微生物作用下转换成氨氮，在有氧条件下，经亚硝 酸细菌作用转化为亚硝酸态氮，再经硝酸菌作用进一步转化为硝酸态氮。氮元素是 植物的主要营养元素之一，在土壤中的存在形态很多，相互间转化较为复杂。 1 2 2 土壤氮素的迁移转化 土壤氮元素迁移转化过程包括土壤氮元素的转化、运移以及作物根系的吸收等。 1 2 2 1 土壤有机氮和矿质氮的平衡 土壤有机质可分两类，一是相对难以分解的腐殖质，二是一些易分解的有机物 质，包括作物残体及其分解反应链中不同稳定的有机物质。 土壤i - 片养性微生物分解柏机质时；肘婴柴利t 形态的氮和一定含碳水甲，含碳的 雨分家与含氮的亓分牢之比称为碳氮比。这反映了新鲜有机物质、腐殖质或整个士 体中这两种元素的相对量。稳定的土壤有机质的碳氮比约为1 0 ：i 。 1 2 2 2 硝化作用 i i i | j 化作用联系着矿化、生物固持等作厂仃及氮元素损失，因而是土壤氮元素转化 中的一个币要环：宵。 7 福建师范大学硕士学位论文 硝化作用是指氨或铵盐在土壤硝化细菌作用下氧化成硝态氮的过程。未被作物 吸收作用的硝态氮易通过淋洗或径流损失，既减少了可供作物的氮量，又导致水体 污染。硝化作用由两个连续而又不同的阶段所构成。第一阶段是亚硝酸将铵氧化为 n 0 2 ，第二阶段是由硝化细菌将n 0 2 氧化成n 0 3 。，参与两个阶段的微生物大都属于 硝化细菌科，均系化能自养菌。除自养消化菌外，有些异养微生物也能进行硝化作 用。与铵态氮一样，硝化作用形成的硝态氮也是植物容易吸收利用的氮元素。但是 n 0 3 比n h 4 + 较易从土壤淋湿进入地下水。 影响硝化作用的凶索除了有土壤空气的氧浓度、土壤p h 值、含水率、温度、 氧化还原电位及根分泌物外，施肥对硝化作用也有明显的作用。其中，有机肥与化 肥相比，作用更加明显，有利于硝化作用。f l o w e r s 等及李良汉等比较了猪粪和 硫酸铵对土壤中硝化活性的影响。在等量条件下，加猪粪的处理，土壤的消化率大 于用量低的。就化肥而言，不同化肥品种，不同的施用量及施在不同的土壤上，对 硝化作用有不同的影响。在相同的土壤上，一些铵态和产铵肥料，经硝化后释放出 的n 2 0 量可占加入氮量的7 【2 丌。 1 2 2 3 反硝化作用 土壤的反硝化作用是指硝酸离子被还原成亚硝酸，进一步还原成氮氧化物( n o x ) 和氮气而挥发损失的过程。反硝化作用发生的基本条件是存在具有代谢能力的细菌、 合适的电子供体、嫌气的土壤环境和作为末端电子受体的氮氧化物等。因此，影响 土壤中反硝化作用的主要因素是土壤中有机氮的供应、氧的含量、硝态氮的浓度和 温度等。土壤有机质含量越高，反硝化潜势越高。反硝化作用包括生物和化学的反 硝化作用。在农田土壤中，由化学反硝化引起的肥料氮元素损失的意义不大。生物 反硝化作用是在厌氧条件下，由兼性好氧的异养微生物利用同一呼吸电子传递系统， 以n 0 3 - 作为电子受体，将其逐步还原成n 2 的硝酸赫异化过程。土壤中为数众多的 各种反硝化细菌，姓引起生物反硝化作用的动力。这些细菌在土壤中的繁殖及活动， 受到环境条件的影响，人为活动如耕地措施、施肥种类和数量等，无不影响土壤环 境条件，从而影响反硝化细菌的活性，导致土壤中氮元素不同的反硝化损失量。 1 2 2 4 吸附、解吸 土壤颗粒和土壤胶体对铵离子都具有很强的吸附作用。土壤颗粒对铵离子的吸 附特性取决于土壤颗粒比表面和粘土矿物质组成，j ：壤胶体对铵离子的吸附作用决 定于胶体的组成和表而性质。土壤对铵离二f 的吸附作用在氮元素运移与转化过程中 8 第1 章绪论 具有重要的意义：一方面，由于土壤对铵离子的吸附，使得大部分的可交换性铵得 以保存在土壤中；另一方面，从氮元素对地下水的污染方面来看，由于土壤对铵离 子具有保持作用，阻滞了铵离子向深层土壤的淋失，减轻了氮元素对地下水的污染。 但是，当土壤对铵离子的吸附达到一个饱和时，在水分继续入渗的作用下铵离子还 可能进入地下水，从而加重地下水的氮污染。 1 2 2 5 生物矿化、固持 有机氮的矿化是指有机氮在土壤微生物的参与下转化成可溶性氮的过程，它对 土壤圈氮循环具有重要意思。土壤氮元素的矿化常用矿化率来表示，即矿化量占土 壤全氮量的百分率，它是影响土壤供氮量及作物施肥量的重要原因。在影响矿化量 的众多因素中，除了土壤全氮量、土壤水热条件等重要因素外，氮肥使用及作物生 长对土壤有机氮矿化也有某些影响。 加入氮肥后土壤矿化氮量表现有所增加，这种现象常称之为“激发效应”。据研 究，在大多数情况下，氮肥的激发效应( 尤指正激发效应) 只是一种表现现象。肥料 氮替代一部分土壤矿物氮而转入有机态，使土壤来源的矿物氮的生物因持量比不加 时有所减少，从而表现为土壤矿化氮的增加。在某些情况下，氮肥的激发效应也可 以是“真实的”。如在贫瘠土壤上，由于氮肥促进了作物根系的伸展，增大了根系利 厂仃二i 二壤的体积，从而吸收了更多的氮冗素。 枇物乍 7 j ( 阳 3 2 2 0 8 ( x i 0 5 m 3 s ) 早地2 9 1 8 4 ( x 1 0 m 3 s ) ：秋季1 、秋季2 降雨过程平均径流量：杉 。 o是j刍一心出， ，o锚i：刁埘础。o 5 j l j 3 5 2 5 l 5 o ? f 挈 乱 第3 章天然降雨过程径流氮元素污染流失特征 竹林3 2 4 6 1 ( x 1 0 5 m 3 s ) i 水田3 1 4 7 7 ( x 1 0 。5 m 3 s ) 旱地2 5 5 2 3 ( x 1 0 。5 m 3 s ) 。对照图3 - 5 ( a ) 及图3 5 ( b ) ，两次降雨过程变化趋势一致，杉竹林平均径流量最大，其次水田，平 均径流量最小的是旱地。这是由于本试验小区竹林样地坡度约为2 5 0 ，径流量与坡 度成正比；反观水田、旱地，均位于平地，地表径流产生依赖于自身土壤中的性质。 水田相比旱地，常年处于蓄水状态，流动性较好，因此水田平均径流量大于旱地。 另外本试验观测周期内不同土地利用类型的径流系数( 径流系数= 径流量降雨量) 变 化范围为1 3 4 5 4 7 5 1 ，平均为2 3 5 。 3 4 2 天然降雨地表径流中氮浓度变化情况 3 4 2 1 夏季1 降雨过程径流 + n 置+ 舶蠢置- 1 - 经t l t * 莉e 量 + e i + 蔚杏i + 眭$ i 牛髓i l ( a ) 水田 ( a ) r i c + ( c ) 杉竹林 ( c ) b a m b o o 图3 - 6 夏季1 降雨过程各土地利用类型氮素流失特征 f i 9 3 - 6t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e nl o s s e si nt h r e ed i f f e r e n tl a n du s e di ns u m m e r1 一i-e_。：_培州 7 5 3 2 l 他 ， 一1-三魁艇 一l一e，o：一删 7 5 4 3 2 i 3 5 2 5 ， 5 o 2 1i目世璐 n 地 栅 早 亡吣妯，、巾 ll一t。ij_魂喇 2 j 启 j 2 o ， j1口勤斟 n 福建师范大学硕= i ：学位论文 3 2 5 ：2 ： 0 1 5 量 爱i o 5 o + 水田- 卜早地+ 杉竹# j l j l 。j 一一j 一。j 。一l j 一j 6 ：0 05 ：1 56 ：3 06 ：7 ：7 ：加7 ：柏8 ：1 5 时问 o 8 0 7 o 6 0 5 凹 3 0 4 鼽3 o 2 o 1 o ( a ) 总氮 ( a ) t n 1 1 一1 ：i ! 世n 餐0 o 0 + 水田+ 旱地+ 杉竹# 6 ：0 06 ：1 56 ：3 06 ：4 0 7 ：7 ：7 ：8 ：1 5 时问 + 水田一i - 早地+ 杉竹林 ( b ) 硝态氮 6 ： 6 ：1 56 ：3 06 ：4 07 ：0 07 ：2 07 ：柏8 ：1 5 时问 ( c ) 铵态氮 ( c ) n h 4 + - n 图3 7 夏季1 降雨过程三种氮素流失特征 f i 9 3 - 7t h er u n o f fc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so fn i t r o g e ni ns u m m e r1 水田 d 总氮圈硝态氮囵铵态氮 早地 杉竹林 图3 8 夏季1 降雨过程中不同土地利用方式对氮浓度的影响 f i 9 3 - 8t h ei m p a c to fd i f f e r e n tl a n du s e di nr a i n f a l li ns u m m e r1 ：“”们眦0 l j l i j 蛰嵌 2 8 6 4 2 i 8 6 4 2 o 第3 章天然降雨过程径流氮元素污染流失特征 由图3 - 6 至图3 8 可以看出： 1 、夏季1 降雨过程，其三种土地利用类型( 水田、旱地、杉竹林) 的地表径流中 总氮、硝态氮及铵态氮浓度均呈现出下降趋势。随着地表径流量的增加，三种土地 利用类型的氮浓度也随之变化，变化趋势与地表径流的趋势相似，这说明地表径流 量的大小与流失的氮元素污染物浓度的高低有直接的关系。 2 、水田径流水中总氮浓度变化平稳，变化范围为2 0 0 1 6 m g l 2 7 4 1 3 m g l ，铵 态氮浓度先降后升，变化范围为1 0 4 1 m g l 1 8 0 2 m g l ，硝态氮浓度变化范围为 1 4 5 1 3 m g l - 1 8 1 1 6 m g l ；其浓度总氮与铵态氮的变化量接近，分别为0 7 3 9 7 m g l 和0 7 6 0 5 m g l ，大于硝态氮的变化量( 0 3 6 0 3 r a g l ) ：这说明在该降雨过程中，水田 表层土壤硝态氮相比总氮与铵态氮，其流失量较小。 3 、旱地径流水中总氮浓度变化范围为0 9 6 7 m g l - - - 1 2 4 1 3 m g l ，铵态氮浓度先 升后降，变化范围为0 3 2 1 9 m g l - - o 7 0 1 2 m g l ，硝态氮变化范围为0 4 5 5 l m g l - 0 9 9 0 5 m g l ；与杉竹林相反，其硝念氮浓度变化量大于其余两项，为0 5 3 4 5 m g l 。 4 、杉竹林径流水中氮元素污染物浓度均先升后降，其中总氮浓度变化范围为 0 5 4 8 3 m g l - - 1 1 0 8 8 m g l ，铵态氮浓度变化范围为0 3 7 1 3 m g l - 0 6 7 1 5 m g l ，硝态 氮浓度变化范围为0 4 5 6 1 m g l - 0 7 8 8 1 m g l ：其浓度变化量为总氮( 0 5 6 0 5 r a g l ) 硝 态氮( o 3 3 2 m g l ) 铵态氮( o 3 0 0 2 m g l ) 。 5 、图3 9 显示，三种土地利用类型( 杉竹林、水田、旱地) 地表径流中铵态氮与 硝态氮变化趋势相近，且浓度接近；其中，旱地、杉竹林的铵态氮与硝态氮浓度具 有一定的线巾e 棚关性( 见罔3 8 ) 。 - - j - - - j _ 一一l 一“一i 一一一i 一一l 一j i t5n 6i t70 80 9l 1 11 2 铵杏氲“g l ) n 呻n l ln 1 3o 1 5 铵占氟( i g