（土壤学专业论文）基于GIS的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究.pdf

华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 摘要 南水北调是2 1 世纪初我国实现水资源合理配置，解决北方水资源短缺的重大战 略性工程，其成败的关键在于水源区的水质。丹江水库作为南水北调中线工程的水 源地，总体水质良好，满足调水的要求，但上游的一些支流存在着严重的水质污染 现象，这些污染除少数点源污染外，主要是由农业非点源污染引起的。根据国务院 “先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水”的“三先三后”原则，开展库区 农业非点源污染调查研究，探求一种合理、适用的方法预测整个丹江库区低山丘陵 型农业非点源污染负荷，进而提出有效的控污措施，以保护流域水资源环境，防止 水质恶化。 本文以丹江库区黑庙沟流域为研究对象，在对流域农业非点源污染的影响因素 广泛调查的基础上，划分流域基本坡面单元，采用美国通用流失方程u s l e 预测流 域土壤侵蚀量：同时结合人工降雨试验模拟1 2 种不同处理下侵蚀泥沙与养分流失的 关系，确定养分富集比，对2 0 0 5 年黑庙沟流域养分流失进行了模拟，其主要结论如 下： ( 1 ) 黑庙沟流域的2 0 0 5 年由施化肥输入流域的总氮( t n ) 。总磷( 1 | p ) 分别 为5 1 1 8 t 、1 3 8 8 t ：畜禽粪便输入的t n ，t p 分别为3 5 8 t 、0 7 5 t ；农药年使用量约为 1 3 5 t 由生活污染物输入的t n , t p 总量分别为1 6 3 0 3 k g 、3 0 7 7 k g 。 ( 2 ) 2 0 0 5 年黑庙沟流域土壤侵蚀量为6 9 2 7 8 6 t ，土壤侵蚀模数为3 6 1 0 6 7 t k m 2 ， 为中度侵蚀。 ( 3 ) 模拟降雨结果表明，1 2 个实验处理的降雨前后表土因土壤侵蚀发生养分 含量呈下降的趋势，并且在各处理下，速效养分流失的比例要高于全量养分流失的 比例，特别是有效氮达到6 4 5 ，这说明坡面径流对速效养分的影响要大于全量养分。 各处理下泥沙养分富集度都在1 0 以上，其中有机质为1 4 3 、全氮1 7 2 、全磷 1 4 6 、全钾1 3 8 ；而有效养分的富集度大于全量养分，其中有效氮为2 2 1 、有效磷 2 “、有效钾1 5 2 。各养分的富集度随着坡度的增大而减小。除了总磷外，施氮磷 肥一定程度增大了各处理中氮磷养分的富集，同时施肥处理后，土壤中氮磷养分浓 度增大，从而增大了泥沙的氮磷养分携带量。而施氮磷肥对有机质，钾养分流失影 响不是很大。 ( 4 ) 2 0 0 5 年黑庙沟流域养分流失量为有机质3 6 0 6 t 、全氮3 3 4 t 、全磷1 8 4 t 、 全钾5 6 0 9 t ，有效氮o 4 6 、有效磷0 0 5 t 、速效钾o 6 1 t 。养分流失量与泥沙侵蚀量趋 势基本保持一致，陡坡地 缓坡地 平地 ，农田 林地。 针对黑庙沟流域农业非点源污染的实际情况，本论文从“控源节流转化”三 方面提出了一些方法和建议。 关键词：非点源污染；黑庙沟流域；u s l e ；土壤侵蚀；养分流失 基于g i s 的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究 a b s t r a c t “s o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f c f i st h em a j o rs t r a t e g i cp r o j e c ti nt h eb e g i n n i n go ft h e 2 1 s tc e n t u r yf o rc h i n at oa c h i e v ear e a s o n a b l ea l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n ds o l v et h e w a t e rs h o r t a g ep r o b l e mi nt h en o r t h i t sk e yf a c t o rl i e si nt h ew a t e rq u a l i t y a st h ew a t e r s o u r c eo fm i d d l er o u t el i n eo fs o u t h _ t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，t h ew a t e r q u a l i t yo f d a n j i a n gr e s e r v o i ri s a tg o o ds i t u a t i o na n di ss u i t a b l ef o rw a t e rt r a n s f e ri ng e n e r a l h o w e v e r , b ys t u d yw ef o u n ds e r i o u sw a t e rp o l l u t i o np r o b l e m se x i s t e di ns o m eb r a n c h e s o ft h eu p r i v e ra r e a m o s to ft h ep o l l u t i o no ft h e s er i v e r si sc a u s e db ya g r i c u l t u r a l n o n - p o i n t - s o u r c e sp o l l u t i o ne x c e p tal i t t l ep o i n t - s o u r c ep o l l u t i o n i no r d e rt oi m p l e m e n t t h et h r e e “f i r s t t h e n ”p r i n c i p l e s ”i s s u e db ys t a t ec o u n c i l w h i c hi s “s a v ef i r s t , t h e na d j u s t ； c o n t r o lf i r s t , t h e nc o n n e c t ；p r o t e c tf h s t ，t h e nu s e ”，i si m p o r t a n tf o ru st ol a u n c ht h e n o n p o i n ts o u r c ea 鲥c u l t u r a lr e s e a r c hi nt h er e s e r v o i ra r e a , t oe x p l o r ear e a s o n a b l ea n d a p p l i c a b l ew a y t op r e d i c tt h eh i l l b a s e da g d 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 nl o a do ft h e w h o l ed a n j i a n gr e s e r v o i ra n dt ob r i n gf o r w a r de f f e c t i v ep o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e s e n s u r i n gt h ee f f e c t i v ep r o t e c t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n dp r e v e n t i n gt h ed e t e r i o r a t i o no f w a t e rq u a l i t y h e i m i a o g o uw a t e r s h e di nd a n j i a n gr e s e r v o i ra r e aw a sc h o s e na st h es t u d yo b j e c t t h ea c t u a l i t yo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h i sa r e aw a ss t u d i e db a s e do n c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n ，w e c l a s s i f i e dw a t e r s h e d s l o p eu n i ta n da d o p t e dt h e u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ( u s l e ) t op r e d i c tt h es o i le r o s i o n ；m e a n w h i l ec o m b i n i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e d i m e n ta n dn u t r i e n tl o s si nt h ea r t i f i c i a lr a i n f a l ls i m u l a t i o ni n l a b o r a t o r yw i t h1 2d i f f e r e n tt r e a t m e n t s ，t h ei o a do fn u t r i e n tl o s sw a ss i m u l a t e db yu si n h e i n l i a o g o uw a t e r s h e di n2 0 0 5 t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da sf e l l o w s ： ( 1 ) t h ea v e r a g ea n n u a li n p u to ft o t a ln u t r i e n t ( r l , qa n dt o t a lp h o s p h o r u sf r p ) b y f e r t i l i z ej nh e i m i a o g o uw a t e r s h e da r e5 1 1 8t o n sa n d1 3 8 8t o n sr e s p e c t i v e l y ；t h et o t a lt n a n dt pw h i c ha r ei n p u tb yl i v e s t o c kf e r t i l i z i n ga r e3 5 8t o n sa n d0 7 5t o n sr e s p e c t i v e l y ； t h ea n n u a la m o u n to fp e s t i c i d e si sa b o u t1 3 5t o n s ；t h et o t a la v e r a g ea m o u n ti n p u to ft n a n dt i b yl i f ep o l l u t a n t sa r e1 6 3 0 3k i l o g r a m sa n d3 0 7 7k i l o g r a m sr e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h e s o i le r o s i o no fh e i m i a o g o uw a t e r s h e di s6 9 2 7 8 6t o n si n2 0 0 5 ；t h ea v e r a g e a n n u a ls o i le r o s i o nm o d u l u si s3 6 1 0 6 7 t k i n 2w h i c hb e l o n g st om o d e r a t ee r o s i o n ( 3 ) r a i n f a i ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en u t r i e n tc o n t e n ti nt o p s o i lc a u s e db ys o i l e r o s i o nh a dd e c r e a s e db e f o r ea n da f t e rt h er a i n f a l li nt h e1 2e x p e r i m e n t sa n dt h ea v a i l a b l e n u t r i e n tl o s sr a t i oi sh i g h e rt h a nt h a to ft o t a ln u t r i e n tl o s sr a t i oi ne v e r yp r o c e s s ，e s p e c i a l l y a v a i l a b l en i t r o g e ni s8 6 9 t h i si n d i c a t e st h ei m p a c tt oa v a i l a b l en u t r i e n t sc a s e db yr u n o f f 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 i sg r e a t e rt h a nt h a to ft ot h et o t a ln u t r i e n t s he v e r ye x p e r i m e n t ，e n r i c h m e n tr a t i oo fn u t r i e n ti sa l la b o v e1 0 ，o r g a n i cm a t t e r 1 4 3 ，t o t a ln i t r o g e n1 7 2 ，t o t a lp h o s p h o r u s1 4 6 ，t o t a lp o t a s s i u m1 3 8 t h ec o n c e n t r a t i o n o ft h ea v a i l a b l en u t r i e n ti sg r e a t e rt h a nt h et o t a ln u t r i e n t ，a n da v a i l a b l en i t r o g e n2 2 1 ， a v a i l a b l ep h o s p h o r u s2 6 4 a v a i l a b l ep o t a s s i u m1 5 2 t h en u t r i e n te n r i c h m e n tr a t i o d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es l o p ea n dr a i n f a l li n t e n s i t y n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s f e r t i l i z e rc a u s e st h ei n c r e a s eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so ft h et r e a t m e n t s ，e x c e p tt h et o t a l p h o s p h o r u s a f t e rf e r t i l i z a t i o n , t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t h e s u r f a c ei n c r e a s e s , t h u st h es e d i m e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t sc a r r i e db y s e d i m e n ti n c r e a s e s ，b u tt h i sh a sl i t t l ei m p a c to nt h el o s so fo r g a n i cp o t a s s i u mn u t r i e n t ( 4 ) t h el o s so fn u t r i e n ti nh e i m i a o g o uw a t e r s h e di n2 0 0 5i sa sb e l l o w s ：o r g a n i c m a t t e r3 6 0 6 t , t o t a ln i t r o g e n3 3 4 t o n s ，t o t a lp h o s p h o r u s1 8 4 t o n s ，p o t a s s i u m5 6 0 9 t o n s ， a v a f l a b l cn i t r o g e no 4 6 t o n s ，a v a i l a b l e p h o s p h o r u so 0 5 t o n s ，a n da v a i l a b l ep o t a s s i u m 0 6 1 t o n s t h ef e n d si sc o n s i s t e n tb e t w e e nt h es e d i m e n te r o s i o na n dn u t r i e n tl o s s ，s t e e p s l o p el a n d r a m pl a n d f l a tl a n o , f a r m l a n d w o o d l a n d i nt h ee n d a i m i n ga tt h ef e a t u r eo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o ni nh e i m i a o g o u w a t e r s h e d ，s o m ep r o p o s a l si nm a n a g i n ga n dc o n t r o l l i n gn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a v e b e e np u tf o r w a r df r o m “s o u r c ec o n t r 0 1 i n t e r c e p t i o n - t r a n s f o r m ”t h r e ef a c t o r s k e yw o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；h e i m i a o g o uw a t e r s h e d ；u s l e ；s o i l e r o s i o n ；n u t r i e n tl o s s 1 1 1 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 么 如需保密，解密时间年月 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究t 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，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同2 1 2 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名： 予磊 慨肋7 r 年歹月舯 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定。，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表，传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文储张栌磊导师豁1 枞 签名日期：3 ，年多月侈日签名日期：易9 年多月f 彦日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 1引言 我国是一个水资源严重短缺的国家，人均水资源量只有世界人均水资源量的四 分之一，而且水资源的分布在时间和地区上极不平衡。南部地区拥有丰富的水资源， 占全国总量的8 0 9 6 以上，而北方地区属干旱、半干旱地区，水资源贫乏。长期以来， 水资源的短缺和时空分布不均，使北方地区社会经济发展受到严重制约，城市用水 不得不以挤占农业用水、生态用水或大量超采地下水来维持，导致生态环境日趋恶 化。有些城市用水告急，企业关停，农业减产，并直接危及人民身体健康。而且也 影响了全国的可持续发展，成为严重阻碍生产要素合理流动和资源潜力发挥的重要 因素，是制约资源配置效率提高的关键约束条件之一。 为改善水资源时空分配状况，促进要素合理流动和提高资源配置效率，发挥华 北地区的资源优势，增加其潜力，促进这一地区在更广范围、更深层次、更多领域 内与全国其他地区和世界各国的经济交流与合作，达到全面建设小康社会，构建和 谐社会的奋斗目标。1 9 5 2 年，毛泽东同志就提出了：“南方水多，北方水少，如有 可能，借点水来也是可以的”的伟大构想，并由此揭开了中国历史上南水北调的序 幕。经过半个世纪的前期工作和反复研究论证，目前东线、中线工程已经开工。南 水北调中线工程从汉江的丹江水库引水，经河南省穿过黄河，沿京广线经河北省至 北京，天津，一期工程调水8 0 至1 3 0 亿3 。为实现丹江库区及上游地区的经济和环 境保护的可持续发展，确保丹江库区的长治久安，达到南水北调中线工程水源地的 水质要求，温家宝总理做了关于“汉丹江流域水污染防治和水土保持工作应及早规 划，纳入南水北调中线总体方案”的批示，目前有效地保护流域水资源环境、防止 水质恶化是南水北调中线工程的头等大事。 丹江水库涵养区属于我国第二阶梯的东缘，新华夏构造体系第三隆起地带，是 一个以变质岩和石灰岩组成的中由为主体、蛉谷相问的山地区域。加之该区域 8 0 0 9 0 0 m m 的降雨8 5 集中在4 - 1 0 月，尤其是7 8 月多暴雨，极易产生水土流失。 伴随水土流失而携带的泥沙、氮磷、有机质等对汉江水质产生的严重影响，不到1 0 年内汉江先后出现3 次大面积“水华”现象。根据长江流域水资源保护局多年监测结 果表明，当前丹江水库区神定河、老灌河、堵河、浪河等入库河流污染严重，河口 及局部库湾水质超标，成为调水隐患。研究显示，丹江水库水源区河流污染除少数 点源污染外，绝大部分由流域水土流失和农业非点源污染造成的。为响应党的号召， 把丹江库区建成环境优美的“水都”，成为保护南水北调水源的生态屏障，确保“一 江清水向北流”，必须要控制丹江库区流域的农业非点源污染，减少水土流失，控制 氮、磷进入水体。 基于( 3 i s 的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究 2 文献综述 2 1 农业非点源污染研究进展 2 1 1 非点源污染的概念及分类 水环境污染按发生源可分为点源污染( p o i n ts o u r c ep o l u f i o n ) 和非点源污染 ( n o n p o i n ts o u r c ep o l u t i o n ) ( 也称面源污染) 两种。点源污染主要包括工业废水、污 水处理厂的出水和城市生活污水，通常在排污叠或排污管道直接向河流、海洋或湖 泊( 水库，坑塘) 等集中排放，它是水体污染早期最主要的表现形式。非点源是相对 于点源而言的，它一般理解为一种大范围分散污染造成的，即降雨动能的冲击作用 及地表径流冲刷而产生，通过径流汇入受纳水体( 如河流、湖泊，水库、海湾等) ，从 而引起水体的富营养化或其它形式的污染( n o v o m y , 1 9 8 1 ，1 9 9 4 ；李怀恩，1 9 9 6 ；陈利 顶，2 0 0 0 ) 。 在非点源污染引起的各种水环境问题中，不同的地区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体的不同，可分为农业非点源污染( a g r i c u i t u r a l n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) ，采矿引起的非点源污染，城市非点源污染，施工引起的 非点源污染，林业活动引起的非点源污染及其它类型的非点源污染( 张水龙，1 9 9 8 ； 王学军，2 0 0 2 ) 。 ( 1 ) 农业非点源污染主要是指农业生产活动中，农田中的土粒、氮、磷、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，使大量污染物质进入水体，造成的污染。由于农业生产活动的多样 性，农业非点源污染包括土壤侵蚀、农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与垃圾、 农田污水灌溉等，农业非点源污染是最普遍的非点源污染。 ( 2 ) 城市非点源污染主要是指在降雨过程中，雨水及所形成的径流，流经 城镇地面，如商业区、街道、停车场等，聚集一系列污染物，如原油、盐分、氮、 磷、有毒物质及杂物，随之进入河流或湖泊，污染地表水或地下水。此外还包括非 集中排放的生活污水。 ( 3 ) 矿山非点源污染主要是由于人类活动引起的，大面积的露天采石，破坏 了原来的土壤结构和植被，导致严重的水土流失。此外，在降雨条件下，散落在矿 区地表的泥沙、盐类、酸类物质和残留矿渣等污染物，都随地表径流进入水体，形 成非点源污染。 ( 4 ) 林地非点源污染一般来说树叶、她表覆盖物、壤有机物及粗糙地形有 很高的地表蓄水能力，但是在低洼森林地带由于土壤淋滤而使河流中的有机质和营 养物的含量升高。此外不加限制的森林砍伐会破坏森林防止土壤侵蚀的作用，根据 观察和记录的资料，几乎所有流入水道的森林地的泥沙都来自修造伐木道和砍伐作 业的林区，同时堆积在运木路面上的碎屑，也会随森林地表径流进入水体。 ( 5 ) 大气沉降引起的非点源污染主要是指大气中的营养物质和有毒物质直接 2 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 或随同雨水落在地表，引起的非点源污染。酸雨引起的植被破坏或水体污染就是典 型的一类。 2 1 2 农业非点源污染现状 农业非点源污染也称农业面源污染被定义为在农业生产活动中，氮素和磷素等 营养物质、农药和其它有机无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏，形成 的水环境污染，主要包括化肥污染、农药污染和集约化养殖场污染等( 张水龙等， 1 9 9 8 ；朱铁群，2 0 0 0 ；陈利顶等，2 0 0 0 ) 。在综合整治水体污染的实践中，人们逐渐 地在改变“工业造成了环境污染，而农业是环境污染的受害者”的传统观点。欧美 发达国家通过多年研究证实，农业非点源污染是导致水体污染的最主要原因之一， 它对水体污染所占的比重随着对点源污染的大力治理而呈不断上升趋势。由于农业 非点源污染的普遍性、严重性，世界各国纷纷开展了对农业非点源污染的研究和控 制工作。 据美国、日本等国家的报道，即使点源污染全面控制之后，江河的水质达标率 仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 ( u se p a ，1 9 9 5 ) 。 非点源污染控制不好，水体无法达标，美国的非点源污染量占污染总量的2 3 ，其 中农业的贡献率为7 5 左右( 胡宏祥，2 0 0 5 ) 。丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起( k u i p e r s ，1 9 9 9 ) 。荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别 占水环境污染的6 0 、4 0 - 5 0 ( o e n e m a , 1 9 9 8 ) 。欧洲因农业活动输入到北海河口 的总氮、总磷平均占入海通量的6 0 ，2 5 ( e d w i n ，1 9 9 5 ) 。c h e s a p e a k e 海湾就是一 个由于菲点源污染，丽使水体产生明显退化的典型例子，进a 。c h e s a p e a kb a y 海湾商 达6 9 的氮和3 0 的磷来源于非点源。数据显示农业非点源污染影响了全世界陆地 面积的3 0 一5 0 ，并且在全世界不同程度退化的1 2 亿a m 2 的耕地中，约1 2 由农业非 点源污染引起0 x n n = i s 1 9 9 7 ) 。 在我国，农业非点源污染也很严重，云南洱海、山东南四湖的农业非点源负荷 占总负荷的6 0 8 0 ；太湖非点源污染负荷占总负荷的4 0 6 0 ( 金相灿， 2 0 0 1 ) ，农业非点源污染产生的n h 3 n ，t p 和c o d 分别占流域内这三类污染物产生总 量的5 7 ，3 8 和1 6 ( 吴天马，2 0 0 1 ) ；在滇池的氮、磷污染中，来自农田地表径流 的氮磷分别占总量的5 3 和4 2 ( 张从，2 0 0 1 ) 。同时在安徽巢湖、上海淀山湖等水域， 农业非源污染比例超过点源污染。尽管工业污染排放率不断降低，可流域水质却不 断下降，说明非点源污染的贡献率己超过点源污染。 在众多农业非点源污染中，化肥的过量使用是造成非点源污染的最主要因素。 化肥对农业的贡献是有目共睹的，现代农业的一个重要特征是大量使用化肥。据国 外测算，现代农业产量至少有1 4 是靠化肥获取的。世界平均施肥1 t 可增产粮食 6 4 4 t 。正是由于化肥在作物增产中的重要作用，才使化肥的生产和使用有惊人的增 长。以我国来说，1 9 9 9 年使用化肥4 1 2 4 万t ( 折纯) ，比1 9 7 8 年增长3 6 2 3 ，按当 基于g i s 的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究 年农作物播种面积计算，耕地的平均化肥施用量为2 6 2 4 k g h m 2 ，是世界化肥平均用 量的2 5 倍。淮河流域平均用量4 1 5k g h m 2 ，太湖流域为6 0 0k g h m 2f 张从，2 0 0 1 ) 。 但实际上，化肥的利用率并不高，唐连等综合各地实验结果得出，我国每年农田养 分被植物利用的部分很少，氮肥的利用率仅为3 0 一3 5 ，磷肥为1 0 - 2 0 ，钾肥 3 5 - 5 0 。剩余的养分通过各种途径，如径流、淋溶、反硝化、吸附和侵蚀等进入 环境。 农业非点源污染已经成为全世界共同关注的话题。而水土流失与农业非点源污 染是密不可分的，不但由于水土流失带来的泥沙本生就是一种污染物，而且泥沙和 地表径流是有机物、金属、营养元素等污染物的主要携带者。在过去的1 0 0 年里，全 世界平均每年约有3 5 亿t 沉积物进入河道，其中有7 5 来自农田和林地，损失氮、磷、 钾分别为2 6 0 万t ，1 7 0 万t ，3 2 5 0 n l r 李怀恩，1 9 9 6 ) 。据统计每年我国流失表土至少 5 0 亿t ，南方许多农田也有数百万吨的氮、磷、钾通过各种途径进入湖泊、水库、河流 和滨海，造成极大的浪费和严重的污染。因此，研究农业非点源污染问题，特别是 农田化肥的过量施用，导致大量氮磷等营养元素随着降雨径流和土壤侵蚀进入水体 而造成水体富营养化；弄清农田养分的流失过程，机理；合理准确预测农田养分流 失量，已经成为广大学者研究的热点。 2 2 养分流失研究 2 2 1 养分流失过程 由于坡面是土壤侵蚀和养分流失的策源地，土壤养分流失体现了坡地养分过程 的最大特点，对土壤肥力及农业非点源污染影响最直接，观测和实验易于实现，是 目前养分过程研究的核心，所以研究坡面养分流失机理、过程是研究养分流失的关 键。坡面土壤养分流失可分为坡面流失和地下流失，按流失方式又可分为侵蚀泥沙 和径流携带的两个部分。国内外多数研究集中在各种形态的氮，磷养分流失，不过 在控制养分流失方面多限于水沙效应。如黄丽等( 1 9 9 9 ) 认为三峡库区紫色土坡地 土壤养分流失的主要途径是通过流失的土壤细粒带走，因此控制养分流失关键在控 制颗粒 豆科作物) 非豆科作物( f r a n c i s , 1 9 9 4 ) 。 硝态氮淋失量还与作物根系分布的深浅有关( 谢经荣等，1 9 9 7 ；易秀，1 9 9 2 ) 。浅根 作物由于利用土体中硝态氮的深度有限，硝态氮一旦迁移至有效根深以下，便不能 阻止硝酸盐进一步向下淋失，相比之下，深根作物利用土体中的硝态氮的深度要深， 对减少土壤中硝酸盐的淋失更加有效。不同施肥时期和耕作时期对硝态氮的影响是： 5 基于g i s 的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究 秋施 夏施 春施，秋耕 春耕( d j u r h u u s ，1 9 9 7 ；m o i l e r , 1 9 9 7 ) 。 磷肥旌入土壤后，只有极小部分在土壤中呈离子态的磷酸盐才能被作物吸收， 其余极大部分很快与土壤组分作用。依据土壤的性质和组成不同，有的被吸附在土 壤中带正电荷的铁、铝氧化物胶体表面；有的被土壤粘粒局部带正电荷的边缘吸附； 有的与铁、铝或钙盐发生化学作用形成不溶性磷酸盐化合物；有的与土壤中有机质 结合成有机结合态磷，降低了磷在土壤中的移动性。据英国洛桑试验站的资料，磷 在土壤剖面中向下移动的速度每年不超过0 1 0 2m m ，而在沙性土壤中，磷每年下 移的速度可达到1 5 - 2 c m ( s h a r p l ya n ，e ta l ，1 9 8 5 ) 。由于土壤对磷有强烈的吸附固定 作用，它对作物的有效性就很低，磷也因而不易被雨水、灌溉水淋溶损失，但当施 用大量磷肥后，紧接着一场大雨或者随即灌水，还是有相当数量的磷随水流失，据 估计全世界每年有2 0 0 3 0 0 万t 磷流失至水体中c k r a t i ig e ta l ，1 9 9 5 ) 。更值得注 意的是在水土流失、土壤侵蚀严重的地区，大暴雨就会引起农田耕层土壤的大量流 失。这种地表径流，侵蚀冲刷带走的耕层土壤中含有丰富的磷酸盐化合物，其最终 归宿往往是湖泊、水库和河流，构成磷素的非点源污染的主要来源。据w a d d e l l 和 b o w e r 估计，施用的磷肥约5 扩散到大气中，土壤吸附固定5 5 7 5 。植物吸收 7 - 1 5 ，被径流带入地表水5 1 0 ，沥滤到根区以下的土壤或地下水中的 总颗粒吸附着磷( 2 3 3 5 ) ，在总溶解态磷中，反应性无机磷占绝大多数( 约为 总磷含量的6 6 8 6 ) 。而h o w s e 等报道英国牛津地区一粘壤土的排水中磷以颗粒 附着态为主。t o o r 等( 2 0 0 1 ) 用原状土渗漏计方法研究土壤中不同施肥处理渗漏水 中磷素含量得出，渗漏液中总磷浓度多数在9 5 0 1 3 8 5u g l 之间；颗粒附着态磷和可 溶性磷的数量相当，分别占总磷的5 1 和4 9 。同时，与无机磷相比，有机磷移动 性大得多，这是土壤发生过程中磷损失的重要因素( 晏维金，2 0 0 0 ) 。 影响农田土壤磷素淋溶的因素很多，也很复杂，如土壤质地、土壤性质、降水 量、磷素形态、磷肥施用量及施用方式等。c o x 等( 2 0 0 1 ) 对澳大利亚南部牧草地 磷素淋溶研究表明，磷素淋溶损失量与降水量有极强的相关性，而且淋溶高峰与降 水强度关系密切。h e c h a t h 等( 1 9 9 5 ) 也得出磷素淋溶量与降水量的良好相关性的 结论。有学者研究得出长期施用磷肥磷素向下淋洗量增加，高量施用磷肥4 0 年，表 层有效磷( b r a y - p ) 高达3 5 0 m g k g ，而不施肥的处理则只有1 3 m g k g ，施磷处理 4 5 6 0 r a m 的土层b r a y p 显著高于不施磷处理，施磷处理各层土壤h 2 p 0 4 1 的浓度明 显增加，表明了表层土壤磷有向下淋失的现象( 李庆召，2 0 0 3 ) 。h a r t i k a i n e n ( 1 9 8 2 ) 认为磷在土壤中移动与土壤质地有关，质地细难淋移。一般在细质地土壤上，磷吸 附能力强，施用矿质肥料只有很小的磷移动发生。李庆召( 2 0 0 3 ) 在沙壤土施用过 6 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 磷酸钙1 6 8 0 - 3 3 6 0 k g h m 2 ，施肥4 6 6 2 年，土壤磷素渗漏深度大于9 0 c m 。a d d i s c o t t 等( 2 0 0 0 ) 认为，耕作可以增加土壤表面粗糙度，使土壤饱和导水率增大，从而增加 磷素的淋溶损失量；但是，耕作能减小土壤容重，减少淋溶量。当然，耕作时农机轮 子可以使土壤形成裂缝，容易形成优先流而促进淋溶。另外耕作还可以压实亚表层 土壤而促进土壤磷素的亚表层径流( 淋溶) 等。h e c h a t h 等证明对土壤的扰动，会 增加颗粒附着态磷( t p p ) 的比例而减小可溶态反应性无机磷( 婶) 的比例。 磷淋失最基本的条件是磷源、水分运动和运输途径。地表径流长期以来被认为 是磷从土壤到水体的主要途径，而亚表层径流可以是某些地区磷运移的重要途径。 h e c h r a t h 等( 1 9 9 5 ) 研究认为，土壤速效p ( o l s e n - p ) 浓度超过一定值时( 约6 0 m g k g ) ， 磷就会通过亚地表径流损失，机理可能是优先流或磷以不易吸附的形态快速移动而 最终以钼酸盐反应磷( m r p ) 的形态被测出。磷在地表水的损失由于引进了人工排 水体系而更容易了。它在亚表土大孔隙与地表水之间提供了横向的通道。k l e i n m a i n ( 2 0 0 3 ) 研究了土壤粘土膜样品的磷含量，许多粘粒膜样品磷的饱和度高于相对应 的本体样品，为磷从优先流途径淋失提供了进一步的证据。 2 2 2 养分流失影响因素 农田养分流失的过程、机理极其复杂，影响养分流失的因素很多，除地形，气 候、土地利用方式通过影响径流泥沙来影响养分流失外，农田耕作状况、施肥、作 物生长季节及地表径流等其他对养分流失影响也不容忽视。其研究结果总结归纳为 以下几个方面： 1 、土地利用对氮磷流失的影响 氮磷的流失与土地利用方式有关，z a m p e l l a ( 1 9 9 4 ) 的研究表明，流域内土地 利用集约越高，氮和磷输出水平也相应地越高。美国和加拿大联合开展土地利用与 五大湖水质污染关系的研究，建立了各种单一土地利用类型的单位面积污染负荷的 关系，探讨了多种因子对污染负荷的影响。其中土地利用方式是非点源污染关键成 因( 郑一，2 0 0 2 ) 黄丽等( 1 9 9 8 ) 选择5 个小区，说明三峡库区土壤养分流失多少 与土地利用的关系为：免耕橙区 农区，梯地 坡耕地。土地利用类型深刻地影响着 总氮和总磷的输出特征。单保庆等( 2 0 0 0 ) 以人工模拟降雨的试验方法，对巢湖六 叉河小流域非点源污染磷的输出动态进行了研究，结果表明，雨强为0 7 9 m m m i n 下，产流量顺序为；森林坡地 水稻田 村庄场院 油菜地，村庄是各种磷污染物的 最大输入者，菜地次之。对于耕地，水田和旱地的氮磷流失差异也较大，1 9 8 8 年至 1 9 8 9 年西湖流域非点源调查结果发现，对入湖口河流水质影响的非点源中，总氮、 总磷的单位面积负荷均以水田最高，旱田次之( 蕉荔，1 9 9 1 ) 。 2 、降雨对氮磷的流失的影响 氮磷的流失受降雨的影响较大。很多研究显示，氮磷的大部分流失发生在少数 几次大暴雨中，施用化肥到出现暴雨的时间间隔越短，流失量越大，其中氮的流失 7 基于g i s 的丹江库区黑庙沟流域养分流失量的研究 量可高达施用量的1 5 。张亚丽等( 2 0 0 4 ) 利用室内模拟降雨试验研究显示，土壤 矿质氮索流失是降雨、径流与表层土壤矿质氮素作用的结果，随径流流失量显著高 于随泥沙流失量，地表产流过程径流养分浓度呈现高低- 较高变化；降雨( 降雨强度) 和径流是土壤溶质迁移的动力，对土壤矿质氮素随径流流失和入渗有着重要影响。 雨强增大，土壤矿质氮素流失量、径流作用深度和土壤硝态氮人渗锋值深度均增加。 3 、农田耕作状况对氮磷流失的影响 耕作方式通过干扰水文系统对非点源污染产生作用。王晓燕等( 2 0 0 1 ) 通过人 工模拟降雨实验，研究了机械化保护性耕作以及秸秆覆盖、表土耕作及机具压实对 降雨入渗的影响，结果表明保护性耕作有延缓径流，增大降雨入渗的作用；秸秆覆 盖和机具压实是影响入渗的主要因素，表土耕作相对影响较小。相反，翻土耕作容 易造成土壤结构破坏，表层土质疏松，从而使得水土流失现象严重。保土耕作，通 过降低地表径流及能量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，但有可能增加生物有效磷和可溶性磷的流失( 王珂， 1 9 9 6 ) 。g a y n o r ( 1 9 9 5 ) 等人研究农田耕作方式对磷和土壤流失的影响，表明采用常 规休闲耕作的农田，其磷的流失小于不休耕作的农田，但土壤的流失量要大得多。 g a y n o r ( 1 9 9 5 ) ，f i n d l a y ( 1 9 9 5 ) ，s h a r p l y ( 1 9 8 9 ) 通过对翻耕地的麦田研究表明，在 免耕的麦田，总磷的流失量为2 3 k g ( h m 2 a ) ，且4 9 的总磷通过沉积物流失；而 在翻耕的农田，总磷的流失量达6 8 k g ( h m 2 a ) ，且9 8 的总磷通过沉积物流失。 4 、作物生长季节对氮磷流失的影响 h u b b a r d 等人( 1 9 9 5 ) 对两个大量拖肥的农业流域在作物生长和非生长季节氮 磷、沉积物的径流流失研究表明：6 4 8 6 的沉积物流失发生在作物非生长季节， 径流中7 0 9 5 的氮，9 0 9 8 的磷随沉积物通过地表径流流失。李东坡等( 2 0 0 4 ) 研究长期施用两种不同有机肥和化肥( n 、p