（环境科学专业论文）上海市典型都市农业区域非点源磷素污染特征研究.pdf

l i i i i iii ii i i iiitlti tiil i y 18 8 1 7 5 0 独创性声明 学位论文题目 土连立基型垫吏盛些匿邀韭惠塑盛塞透墓赞堑珏窒 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 文中已加了特别标注 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 学位论文作者 彼移 签字日期 易孵么月2 日 学位论文版权使用授权书 籼文作鬟鹛狲名 甜良萄 签字日期 沙 年否月力日 签字日期 讨7 年 1 月z 保护知识产权声明 本人完全了解西南大学关于对研究生在本校攻读学位期间撰写论文知 识产权保护的规定 本人撰写的论文是在导师具体指导下 并得到相关研 究经费支持下完成的 具体数据和研究成果归属于导师和作者本人 知识 产权单位属西南大学 本人保证毕业后 以本论文数据和资料发表论文或 使用论文工作成果时 需征得导师同意 并署名第一单位仍然为西南大学 论文作者签名 日 j p 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 寰i 一一j j 量舅鼍皇曼曼曼量曼鼍皇曼曼曼曼皇皇皇曼曼皇鼍 目录 摘要 j i a b s t r a c t 第1 章文献综述1 1 1 农业非点源污染简介 1 1 2 非点源污染的主要研究内容 2 1 2 1 农业非点源污染的机理研究 2 1 2 2 农业非点源磷的理论研究 3 1 3 非点源污染的来源及分类 3 1 4 非点源污染的特点 危害及引发的环境问题 5 1 4 1 非点源污染的特点 5 1 4 2 非点源污染的危害 6 1 4 3 农业非点源污染引发的环境问题 6 1 5 农业非点源污染的研究方法 7 1 5 1 野外实地监测 7 1 5 2 人工模拟 8 1 5 3 数学模型计算机模拟 8 1 5 4 综合监测法 8 第2 章引言1 l 2 1 立题背景及依据 1 1 2 2 研究内容 1 1 2 3 技术路线 1 1 第3 章桃园土壤磷素的空间分布及渗漏特征 3 1 试验设计 1 3 3 1 1 研究区域概况 1 3 3 1 2 土壤t p 的样品采集与测定 1 3 3 1 3 渗漏水的采集和水样的分析 1 3 3 1 4 地统计学方法 1 4 3 2 研究结果与讨论 15 3 2 1 土壤t p 的描述性统计 1 5 3 2 2 土壤t p 的空间变异特征 1 6 3 2 3 土壤t p 的空间分布格局 1 7 3 2 4 常规施肥组磷素渗漏流失特征 1 8 西南大学硕士学位论文 3 2 5 对照组磷素渗漏流失特征 19 3 3 小结 2 0 第4 章地下水与地表水磷素污染特征 2 1 4 1 试验设计 2 1 4 1 1 采样点的布置与样品采集 2 1 4 1 2 测定方法参见第3 章 2 l 4 2 研究结果与讨论 2 1 4 2 1 地下水磷素含量及比例 2 1 4 2 2 地下水磷素随月份的变化特征 2 2 4 2 3 村域地表水磷素污染 2 3 4 3 小结 2 7 第5 章典型降雨条件下桃园土壤磷素和泥沙的流失特征 2 9 5 1 实验设计 2 9 5 1 1 采样点的设置和径流样采集 2 9 5 1 2 水样分析方法和产沙速率的测定 2 9 5 1 3 数据分析方法 2 9 5 2 结果与分析 3 0 5 2 1 暴雨和大雨的降雨过程特征和径流过程分析 3 0 5 2 2 暴雨和大雨条件下径流的磷素浓度大小特征和变化过程 3 2 5 2 3 暴雨和大雨条件下地表径流输沙速率和泥沙对磷素吸附量的变化过程 3 2 5 2 4 典型降雨条件下排放负荷在径流过程中分布特征 3 3 5 2 5 典型降雨条件下磷素的流失负荷 3 4 5 3 讨论 3 4 5 4d 结 3 5 第6 章结论与建议 3 7 6 1 结j 沧 3 7 6 2 论文存在的不足及建议 3 7 参考文献 致谢 3 9 发表论文及参加课题一览表 4 7 摘要 上海市典型都市农业区域非点源磷素 污染特征研究 环境科学专业硕士研究生张旭 指导教师郝庆菊副教授魏世强研究员周培教授 摘要 在当前的农业生产中 磷肥的大量投入是造成农田土壤磷流失的一个重要来源 因此也 成为了控制流域非点源污染的重点目标 通常情况下 磷素产出和迁移的过程与流域的水文 过程是密切相关的 磷主要是通过地表径流和壤中流两种途径进入地表和地下水体 农业面 源的磷污染对水环境的恶化起着非常显著的作用 富营养化现象的发生与农田土壤中磷的流 失存在着密切的关联 鉴于此 对农田土壤磷素流失进入水体的过程 机理以及控制措施的 研究 已日益受到国内外学者的高度关注 近年来 都市型农业产的安全问题备受人们关注 新场镇果园村位于上海市南汇区 其 磷素的迁移转换具有平原都市型农业的典型特征 本文通过地统计学和地理信息系统等方法 对新场镇果园村域范围农田土壤 地表水以及地下水中各形态磷素的时间和空间分布规律进 行了研究 并对面源污染高发期的典型降雨事件进行了观测 分析磷素随降雨的迁移规律 为上海平原都市农业面源污染治理提供科学依据 研究主要结论如下 1 果园农田土壤总磷 t p 分布特征 土壤t p 的空间分布不均衡 含量相对较低的 土壤分布范围最广 约占桃园面积的2 3 主要分布在桃园的中部和西部 含量较高的土壤分 布面积最小 呈点状和带状分布在桃园的西南角 土壤t p 含量的变异系数是1 1 4 变异系数 和空间分布表明 由于施肥种类 施肥量 施肥习惯和果园管理方式不一致 研究区域不同 位置的表土 磷素含量也存在显著差异性 2 农田土壤渗漏特征 可溶性磷酸盐的渗漏主要发生在表层 受灌溉或降雨的影响 渗漏强度随土层深度增加而降低 未施磷肥的表层土壤降雨后可溶性总磷浓度逐渐降低 而 施磷肥的表层土壤降雨后可溶性总磷显著升高 中层和底层则逐渐降低 研究区土壤可溶性 磷含量均较高 超过了富营养化水体磷含量指标 o 0 2m g l 1 其中施肥组表层更加明显 达到了o 7r a g l 1 由于附近地下水位较高 丰水期通常在1 m 左右 故农田的大量施肥对地 下水的富营养化具有较大的潜在威胁 3 村域地下水磷素的时空变化特征 居民区地下水中t p 含量最高 果园旁和河道旁 次之 1 8 口取样井中t p 含量均高于0 4m g l 1 低于地面水v 类标准 不宣饮用 同时 地 下水中可溶性有机磷占总磷的百分比高于5 0 居民区地下水中总磷与磷酸盐的季节变化特 西南大学硕士学位论文 征明显 且趋势相似 1 至3 月份含量较低 在4 月出现峰值 4 至5 月期间含量又开始降低 6 月至8 月期间磷酸盐含量保持平稳而轻微地上升 4 村域地表水磷素的时空变化特征 研究区域地表水t p 含量超过v 类水标准 富营 养化比较严重 果园区和居民区磷素全年平均含量并无显著差异 但除去磷素流失严重的5 月 其余各月的平均含量差异性显著 表明土地利用方式对果园村地表水磷素的分布有所影 响 果园村地表水磷素的季节变化表现为冬季较为稳定 春季逐渐升高 夏秋季节逐渐降低 地表水可溶性磷酸盐占可溶性总磷的比例较小 随径流迁移进入地表水的磷素的主要形态是 溶解性的有机磷 5 典型降雨事件下磷素输出特征 大雨和暴雨两次降雨事件中磷素输出呈现不同的变 化规律 暴雨事件磷素流失以可溶性磷为主 大雨事件磷素流失以颗粒态磷为主 磷酸盐是 这两次降雨事件引起土壤可溶性磷素流失的主要形态 在两次降雨事件中 磷素浓度过程线 变化幅度明显 响应了流量过程线 大雨情况下 地表径流的输沙速率与地表径流量的变化 趋势大体一致 而在暴雨时 它们的变化趋势不一致 关键词 非点源污染 磷素 都市农业 典型降雨事件 h t a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c so fn o n p o i n ts o u r c ep h o s p h o r u sp o l l u t i o n f r o ma t y p i c a lu r b a na g r i c u l t u r a lr e g i o ni ns 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 z h a n gx u s u p e r v i s o r a p r o f h a oq i n gj u p r o f w e is h iq i a n g p r o f z h o up e i a b s t r a c t t h eu s eo fal a r g ea m o u n to fp h o s p h o r u sf e r t i l i z e rh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tl o s ss o u r c ef r o m f a r m l a n da tt h ep r e s e n ta g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n s oc o n t r o l l i n gp h o s p h o r u sf e r t i l i z e ri sas i g n i f i c a n t t a r g e tf o rn o n p o i n tp o l l u t i o nm a n a g e m e n t g e n e r a l l y t h ep r o c e s so fp h o s p h o r u st r a n s f e ri sc l o s e l y r e l a t e dw i t ht h eh y d r o l o g i cp r o c e s so f d r a i n a g e 卸槐t h el o s so f s o i lp h o s p h o rt ow a t e rb o d i e so f t h e g r o u n d w a t e ra n ds u r f a c ew a t e rm a i n l yi n c l u d e st w ow a y s r u n o f fa n ds u b s u r f a c ef l o w t h en o n p o i n t p h o s p h o r u sp o l l u t i o nc o u l dr e s u l ti nw a t e re n v i r o n m e n t sd e t e r i o r i s m t h ep h e n o m e n o no fw a t e r e u t r o p h i c a t i o ns i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dw i t ht h el o s so fs o i lp h o s p h o r t h e r e f o r e t h es t u d i e so ft h e p r o c e s s m e c h a n i c sa n dc o n t r o l l i n gm e a s u r eo nt h el o s so ff a r m l a n ds o i lp h o s p h o rt ow a t e rb o d i e s h a v e b e e nh i g h l yi n c r e a s e da t t e n t i o n sf r o ms c i e n t i s t so v e rt h ew o r l d i nr e c e n ty e a t s u r b a na g r i c u l t u r a lp r o d u c i n ga r e as a f e t yp r o b l e m sc a u s em o r ea t t e n t i o n x i n c h a n gt o w nl o c a t e di nn a n h u id i s t r i c t s h a n g h a ic i t y i t sp h o s p h o r u sm i g r a t et r a n s f o r m sh a s u r b a na g r i c u l t u r e st y p i c a lf e a t u r e s t h i sp a p e rr e s e a r c hn a n h u io r c h a r dv i l l a g ed o m a i nr a n g e f a r m l a n ds o i l s u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e ri nd i f f e r e n tf o r m spt i m ea n ds p a c ed i s t r i b u t i o nl a w b yt h es t a t i s t i c sa n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n do t h e rm e t h o d s o b s e r v e dr a i n f a l le v e n t so f t h et y p i c a lo fn o n p o i n tp o l l u t i o nd e m o n s t r a t i o n s a n a l y s i st h em i g r a t i o np a t t e r n sw i t hr a i n f a l l p h o s p h o r u s i t sp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rs h a n g h a ip l a i nu r b a na g r i c u l t u r ea g r i c h e m i c a l s c o n t e n tr e d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea g r i c u l t u r a lp r o d u c ts a f e t yw a r n i n gd a t a s m d yt h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 o r c h a r df a r m l a n ds o i lp h o s p h o r u sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n t e n to ft o t a l p h o s p h o r u si ns o i ld i s t r i b u t e du n e v e n l y l o wr e l a t i v e l yc o n t e n ti ns o i ld i s t r i b u t e di nt h em o s ta r e a a c c o u n tf o ra b o u tt w o t h i r d so fa r e a i ti sm a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ec e n t r a la n dt h ew e s t e r no ft h e o r c h a r dv i l l a g e t h ev a r i a b l ec o e f f i c i e n ta n ds p a c ed i s t r i b u t i o ns h o wt h a tt h es t u d ya 陀ao ft o p s o i l d i f f e r e n tp o s i t i o n se x i s td i f f e r e n c e b e c a u s eo ff e r t i l i z a t i o nt y p e f e r t i l i z e ru s e f e r t i l i z a t i o nh a b i t s m 西南大学硕士学位论文 a n do r c h a r dm a n a g e m e mi sn o tu n i f o r m 2 f a r m l a n ds o i ls e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c s d i s s o l v a b l ep h o s p h a t eh a p p e n i n gm a i n l yi ns u r f a c e l e a k a g e b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fi r r i g a t i o no rr a i n f a l l f o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo ft h es o i ld e p t h l e a k a g ei n t e n s i t yd e c r e a s e a f t e rh e a v yr a i n f a l l t o t a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no fs u r f a c es o i lw i t l i l o w e rp h o s p h o r u sg r a d u a l l yr e d u c e d b u tp h o s p h a t ep h o s p h o r u sd i s s o l v e ds i g n i f i c 锄t l yi n c r e a s e d a f t e rf e r t i l i z e d t h em i d d l ea n db o t t o mi sg r a d u a l l yr e d u c e d t h ec o n t e n to fd i s s o l v e dp h o s p h a t e w e r eh i g h e ri nr e s e a r c hs o i la r e a m o r et h a nt h ee u t r o p h i c a t i o np h o s p h o r u si n d e x 0 0 2m g l 1 t h e f e r t i l i z e rg r o u pi sm o r ea p p a r e n t r e a c h e d0 7m g l 1 b u tt h en e a r e s tu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e li s h i g h e r u s u a l l yi ng e n e r a la b o u tl m s ol o t so ff e r t i l i z a t i o ni sal a r g ep o t e n t i a lt h r e a tt ot h e e u t r o p h i c a t i o no fg r o u n dw a t e r 3 v i l l a g ed o m a i ns p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e rp t h eh i g h e s t t pc o n t e n ti si l lt h er e s i d e n t i a la r e ag r o u n d w a t e r t h es e c o n di sb e s i d et h eo r c h a r dv i l l a g ea n dr i v e r 1 n18s a m p l i n gw e l l p h o s p h o r u sa r ch i g h e rt h a n0 4m g l 一 g r o u n dw a t e ri sb e l o wvc l a s s s t a n d a r d i t su n f i tf o rd r i n k i n g m e a n w h i l et h e r ea r eal o to ft o t a lp h o s p h o r u ss o l u b l eo r g a n i c p h o s p h o r u si nt h eg r o u n d w a t e r m o r et h a n5 0 i nt h er e s i d e n t i a la r e ag r o u n dw a t e r t h es e a s o n a l v a r i a t i o no ft h et o t a lp h o s p h o r u sa n dp h o s p h a t ea r el i k e l y f r o mj a n u a r yt om a r c ht h ec o c u ti s l o w t h ep e a l a p p e a ri i la p r i l a n dt h ec o n t e n tb e g a nt od r o pi i la p r i lt om a y d u r i n gj u n et o a u g u s tp h o s p h a t ec o u t e u tr e m a i ns t a b l ea n ds l i g h t l yar i s i n g 仃e n d t h ec h a n g e so fp h o s p h o r u s p o l l u t i o nw a sc o n s i s t e n tw i t hs e a s o n a lc h a n g e s 4 v i l l a g ed o m a i ns p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ew a t e rp h o s p h o r u s i ns t u d ya r e a t o t a lp h o s p h o r u sc o n t e n ti sh i g h i t sm o r et h a nv c l a s sw a t e rp h o s p h o r u ss t a n d a r d s i t ss e v e r ee u t r o p h i c a t i o n t h e r ei sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h eo r c h a r dv i l l a g ea n d r e s i d e n t i a la r e a s b u te x c e p tm a y p h o s p h o r b sl o s ss e r i o u s l y t h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e smt h e a v e r a g ec o n t e n t s i tm e a n st h em e t h o d so fl a n du s eh a v es o m ei n f l u e n c et ot h ed i s t r i b u t i o no f g r o u n dw a t e rp h o s p h o r u s w i n t e ri s m o r es t a b l ep e r f o r m a n c ei no r c h a r dv i l l a g ep h o s p h o r u s s e a s o n a lc h a n g eo ft h eg r o u n dw a t e r s p r i n gg r a d u a l l yi si n c r e a s i n g i ns u m m e ra n da u t u m na r e g r a d u a l l yr e d u c e d i s s o l v e dp h o s p h a t ei i lg r o u n dw a t e ra c c o u n t e df o rt h el o wp r o p o r t i o no ft h e d i s s o l v e dt o t a lp h o s p h o r u s t h em a i nf o r mi st h ed i s s o l v e do r g a n i cp h o s p h o r u s 5 t y p i c a lr a i n f a l le v e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o r u so u t p u t h e a v yr a i na n dh e a v yr a i n f a l l e v e n tt w i c ep h o s p h o r u so u t p u tp r e s e n td i f f e r e n tc h a n g er u l e p h o s p h o r u sl o s si sp r i m a r i l yd i s s o l v e d p h o s p h a t ei i lr a i n s t o r me v e n t s i nh e a v yr a i ne v e n t p h o s p h o r u sl o s si sp r i m a r i l yp a r t i c l es t a t e p h o s p h o r u s p h o s p h a t ei s m a i nf o r m so fp h o s p h o r u sl o s s p h o s p h o re l e m e n t sf o r ma n dr a i n f a l l i n t e n s i t y r a i n f a l lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o np r o c e s sl i n e si n f l u e n c et h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i n t w or a i n f a l le v e n t p h o s p h o n 塔c o n c e n t r a t i o np r o c e s sl i n ev a r i a t i o na m p l i t u d eo b v i o u s l y l e a dt of l o w i v a b s t r a c t 置i i i 皇曼曼量量喜量曼曼皇舅曼皇曼量曼量曼量曼皇皇曼皇曼鼍皇量量置皇舅 p r o c e s sl i n e i nh e a v yr a i nc a s e s s u r f a c er u n o f fs e d i m e n tt r a n s p o r tr a t ea n dt h et r e n do ft h es u r f a c e r u n o f fi sc a r d i n a l l yi d e n t i c a l b u tw h e ni tc o m e st oh e a v yr a i n f a l l t h e i rc h a n g e st r e n da l eb a s i c d i s a g r e e d 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 p h o s p h o r u s u r b a na g r i c u l t u r e t y p i c a lr a i n f a l le v e n t s v v i 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 曼喜曼曼量皇葛i i i i i 皇曼皇曼曼量曼量量鼍罾皇鲁舅量鼍曼皇曼曼曼曼量曼量量量墨 第1 章文献综述 1 1 农业非点源污染简介 环境污染问题通常分为点源和非点源 也称为面源 污染两种不同类型 其中 点源污 染主要是工业废水和城市生活污水通过固定的排污口集中排放而引发 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 与点源污染相对应 是指溶解的或固体污染物从非特定的地点 在降水和径 流冲刷作用下 通过径流过程而汇入受纳水体 如河流 湖泊 水库 海湾等 引起的水体污 剿1 1 根据1 9 9 7 年的美国联邦水污染控制法所作的解释 凡向环境排放污染物是一个不连续的 分散过程 而且又不能用一般的常规处理方法获得改善的排放源 即称之为非点源污染或散 在污染 其中 包括农业生产中的施肥和大量农药的施用及大气沉降和野生动物的排泄物 林场和牧场等 非点源污染就是相对于点源污染而言的 由于非点源污染具有受自然条件突 发性 污染排放的偶然性和随机性和间歇性制约的特点 使它具有以下三个不确定性 第一 是不确定的时间内 第二是通过不能确定的途径 第三是排放有不确定数量的污染物质 因 此 可以定义农业非点源污染是指较大范围的农业生产活动中溶解的或固体的污染物 主要 包括农田中的氮素 磷素 农药 土粒和重金属以及由农村农禽粪便和生活垃圾等带来的有 机或无机污染物质 在非特定的地域通过降水和径流的冲刷作用 经过农田地表径流 淋溶 农田排水和土壤侧漏从而使大量的污染物进入受纳水体 如湖泊 河流 水库和海湾等 所引起 的水体污染 2 6 1 农业非点源污染是当今世界普遍存在的环境问题 直接制约着各国社会和经济的可持续 发展 在我国 尤其是在经济迅速发展的东南沿海地区 农业非点源污染的问题极为突出 7 1 通过世界银行在 2 0 2 0 年的中国 的研究报告可以看出 在过去的2 0 年中 中国经历了快速 经济的增长 城市化的进程和工业化的加速 从而使中国在迅速发展经济的同时也逐渐发展 成为世界上水质污染最严重的国家 环境污染给人和经济带来的影响非常大 总的来说 我 国每年由污染而带来的经济损失大约能够占到国内生产总值 g d p 的3 8 之多 s 1 0 l 在最新的世界银行报告中明确的指出了中国环境恶化的三项直接动因即 快速的经济增长 飞速的城市化进程以及工业化的加速 很明显的是这三种动因都在很大程度上与农村的发展 紧密相连 而这种关联性从某种程度上讲甚至超过了城市 理由如下 首先 我国的目前情 况是农村人口占了全国总人口数量的绝大比例 农村生态环境的好坏相比城市能够对我国人 民生活质量的改善起到更加重要的作用 其次 在我国农村土地占据着国土面积的很大份额 由此可见我国环境的好坏很大程度上是由农村环境决定的 再次 从环境改善的潜力来看 相比城市农村毫无疑问地具有更大的可塑性 1 i 1 4 从1 2 0 0 6 年中国环境状况公报 可见我国 对农村环境的改善越来越重视 而在2 0 0 7 年的环境状况公报中更是将其单独列了一章 土 地与农村环境 这也是历来没有的 从一定程度上说明我国已经充分认识到了农村环境的重 要性 本世纪以来 在有效地控制了点源污染之后 面源污染尤其是农业面源污染逐步成为当 前我国最亟待解决的环境问题 随着农业面源污染破坏性的日益增大 其已经发展成为当前 主要的水体和土壤污染源 不仅使农业生态系统退化 同时对农业安全具有危害性 而且通 两南大学硕十学位论文 过食品和水的污染也能够损害到居民的健康 最为重要的是 目前我国小农户的生产形态促 使农业面源污染的管理和控制变得更加困难 伴随我国经济的快速发展 农业面源污染问题 也将进一步凸型 j 1 2 非点源污染的主要研究内容 1 2 1 农业非点源污染的机理研究 1 降雨径流的研究 农业面源污染主要由暴雨径流冲刷作用产生的 对降雨径流过程的研究的基础是水文学 重点研究对象是作为非点源污染动力的降雨径流 其产流汇流的特性 对非点源污染的研究 应重点考虑产流条件的空间差异 这样将有助于揭示农业非点源污染是怎样形成的 代表性 研究有早期美国水土保持局1 9 5 0 年提出的s c s 法 蛤1 8 l 它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 因此被广泛用 于非点源污染研究 李怀恩提出了蓄满产流 超渗产流1 1 9 和综合产流理论 并应用于区域农 业非点源污染产流的计算 2 0 2 土壤侵蚀的研究 土壤侵蚀包括土壤颗粒在土体中的分散过程和在陆地表面的传输和沉积过程 它是农业 非点源污染的重要来源1 2 l 我国对土壤侵蚀的研究做了大量的工作 具有代表性的是对黄土 高原的水土保持研究之后提出了较为实用的经验型区域性土壤侵蚀模型 2 2 2 3 1 美国在2 0 世纪 6 0 年代通过大量实验 提出了u s l e 方程及后来的r u s l e 方程 从而对年内土壤流失有了较 为精确的预报 2 4 1 今年来随着研究的深入又提出了以w e p p 替代过去的u s l e 相比之下 e p p 比u s l e 更注重过程 更重视机理 巧 3 地表溶质溶出研究 国外的早期研究主要是关于农业非点源污染物的氮 磷元素在农田中的径流流失量和对 水体的影响 2 6 1 后期则侧重于从减少污染输出的角度出发来研究氮 磷从农田中的径流流失 机理及规律 土地利用方式 土壤类型 耕作方式和肥料使用等是影响磷素流失的主要因素 2 7 2 s 4 土壤溶质渗漏研究 非点源污染物如硝酸盐以溶解态的形式通过渗漏过程迁移至地下水 污染地下水环境 其迁移过程很复杂 受土壤理化性质 土壤微生物活动等诸多因素的影响 土壤中的溶质在 土壤中的运移和分布己成为土壤溶质运移理论中应用较多 同时也是比较活跃的研究领域 从研究对象来看 对农田中氮素渗漏的研究一直是国内外专家和学者共同关注的课题 也是 当前农业非点源污染研究中的热点问题 主要表现在对氮素淋失总量的估算 2 9 影响氮素淋 失的各种因素其中包括对降雨和灌溉 土壤质地 耕作方式 肥料品种与用量 作物种类 种植方式和作物覆盖 土壤理化 生化性质等的研究 3 0 2 第1 章文献综述 1 2 2 农业非点源磷的理论研究 大量的研究表明 造成水体富营养化的主要原因是农田中氮 磷元素的流失1 3 1 3 4 j 由于 引起富营养化的蓝绿藻本身具有固氮能力 因此磷就自然成为水体富营养化的主要限制因素 瞰l 自然界中的磷素属于地质沉积型循环 农田生态系统中磷素的输入有 大气沉降 化学 磷肥和植物的残留及动物的碎屑 农田生态系统中磷素的输出主要包括 作物的收获 随径 流或泥沙的迁移 渗漏和淋失 农田磷素流失的主要形式是d p 溶解态磷 和p p 颗粒结合 态磷 而溶解态磷与颗粒态磷之间的比值能够决定可利用磷的数量及富营养化的潜划3 6 3 7 d p 溶解态磷 易被植物特别是藻类物质吸收利用 其主要存在形式是正磷酸盐 但是也有 部分以有机磷的形式存在 p p 颗粒结合态磷 中仅有一部分可以吸收利用 是藻类物质能 持续生长的潜在p 源 包括含p 的矿物 含p 的有机物以及吸持在土壤颗粒上的p i 翊 在颗粒态 磷中 可利用磷的比例通常取决于土壤的类型 磷的饱和度 土壤颗粒的大小 耕作措施以 及土壤氧化还原的条件 这个比例在l o 至9 0 之间 一般为2 0 0 6 溶解态磷的有效直径小于 0 4 5 p m 而颗粒态磷的有效直径大于0 4 5 9 m 也有小于0 4 5 p x n 的 但是它能够与固体或胶体 聚合在一起 所以它也不属于溶解态磷 3 9 随地表径流流失的土壤磷中8 0 以上的是颗粒结合 态磷 这部分磷能够被水流运输到较远的地区而输出农田 在垂直方向上溶解态磷有渗漏 和积累的现象 其中渗漏的溶解态p 有9 7 1 4 通过对澳大利亚西南部地区农田池塘沉积物中 磷素形态的研究可以得出颗粒结合态磷是磷素吸收 迁移和积累的最活跃形式 而磷素在沉 积物中的积累则归因子粘粒和有机颗粒的吸收1 4 2 1 鉴于此 通过控制颗粒物进入水体能够有效地控制磷素流失 而溶解态磷可以通过控制 含水量得到解决 因为在含水量低时溶解态磷则相对多多 从而造成流失量的增加 所以施 用磷肥的最佳季节应该在晚秋 初冬 晚春和初夏 此外亚表层灌溉可以减少磷素流失 4 3 1 但需要注意的是颗粒结合态磷可以在水力作用下优先移动 主要是优势流现象 水中磷素的 含量和形态受土壤质地 耕作强度和频率 种植制度等因素影响 并随季节而变化1 4 4 1 由此 可见 对磷素流失的控制不仅要有大的基础工程如林草截留带等 还要在农田土壤管理上寻 找解决方案一j 磷作为非点源污染物产生的过程十分复杂 它受降雨过程 降雨类型 强度及持续时间 和 下垫面因素 地形 地貌和土壤的理化性质 植被或作物特征 以及农业实践措施等 的综合影 响 4 6 4 8 1 有相关研究指出磷的产生以及输出主要是集中在土壤表层的0 5c m 这一范围 4 9 1 这是 由于磷素的流失形式主要通过地表径流 因此 大量的研究基本上都是对在磷的表面径流迁 移动态的研究 而壤中流动 迁移过程的研究在国内尚未见报道 国外相关研究也仅为少数 磷在土壤浅表层 耕作层 内迁移变化过程直接影响着表层径流的变化 农田中p 素的损失主要 以淋失为主网 而由于大部分土壤均具有较高的固p 能力 故p 在土壤剖面上的垂直迁移非常 微弱 孔l 即使在施肥条件下p 迁移也仅仅局限于施肥点附近1 5 2 1 坡面p 的损失主要以随地表径 流流失为主 1 3 非点源污染的来源及分类 对于非点源污染 究其来源主要是水土流失 农药与化肥的施用和农村家畜粪便与垃圾 3 两南大学硕士学位论文 农田灌溉产生的污染 城镇和林区降水的地表径流 废弃的矿山 大气的沉降以及众多可能 产生污染的生产活动 例如 森林砍伐 水利建设 土地开发等污染源1 5 3 在具体的研究中通常是按照区域或污染源来进行细分 根据产生污染物的非点源污染体 的不同以及不同的区域 非点源污染可以大致分为以下几种类型 1 土壤侵蚀土壤侵蚀是所有非点源污染中规模最大 危害程度最严重的一种 同时它 也是非点源污染的主要发生形式 它介于大气干湿沉降和暴雨径流之间 既包括风蚀 又包 括水蚀 是二者的有机结合 虽然表面上看土壤侵蚀损失了土壤表层的有机质层 但随着土 壤侵蚀的不断发生 会有许多污染物和毒性物质进入水体 最终形成非点源污染 据统计 自人类开展农业生产活动以来 全球约有4 3 亿h m 2 的土地因遭受严重的土壤侵蚀而遗弃 现 在全世界每年因遭受土壤侵蚀而弃耕的土地仍可达到5 0 0 万b a n 2 之多 美国大陆每年因土壤 侵蚀进入河流的泥沙量超过1 0 亿t 由此造成的直接经济损失高达6 0 亿美元 5 4 1 2 城镇非点源污染主要是指降雨过程中的雨水及降水所形成的地表径流流经城镇 如 商业区 街道 停车场等 聚集了一系列的污染物 例如原油 盐分 氮 磷 有毒物质及杂 物 随之进入河流或湖泊从而对地表水或地下水体造成了污染 u se p a 把城镇地表径流列为 导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源 5 5 l 3 农业非点源污染通常包括农业生产活动中农田化肥的使用 农药的施用 农村家畜 粪便与垃圾的堆放 造成农田中含有大量的土粒 氮素 磷素 农药和其它有机或无机污染 物质 随着降水的进行 通过地表径流 农田排水和地下渗漏 进而引起严重的水体污染和 富营养化 在美国 每年生产的大约5 亿吨的农药7 0 用于农业生产 由此引发的地下水和 地表水污染的事例不胜枚举 u se p a 把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源酬 而 农村家畜粪便和垃圾的随意堆放 尤其是在降雨季节 随地表径流也会进入水体形成大面积 的非点源污染 此外 农业污水灌溉也同样会引起水体的非点源污染 农业污水灌溉是指用 能够被植物二次利用以及吸附的生活等污水进行灌溉 这样可以节省水源 同时利用土壤对 污染物的自然净化作用和农作物对营养元素的吸收作用可以净化污水 虽然 农作物可以吸 收污水中的营养元素 但如果出现施用过量或者时间不恰当 许多未经过农作物和土壤自然净 化的污水会直接进入水体 因此同样会导致土壤和地表水及地下水体的污染 目前 在美国 有1 5 的地表水污染起源于农田污水的灌溉 5 6 4 矿区的非点源污染主要是由于人类活动引起的 一方面由于人类不合理的社会经济 活动的干扰和破坏 破坏了原来的土壤结构和植被面貌 从而是土壤表层大面积裸露 造成 了土壤的严重侵蚀 从而进一步加剧了水土流失 另外 散落于矿区地表的泥沙 盐类 酸 类物质和残留矿渣等污染物在降雨条件下也会随着地表径流而进入水体形成非点源污染 5 林区的非点源污染主要是由于发生在降雨过程中的地表侵蚀 随之发生的地表植物 残枝 落叶及腐殖物随降雨径流进入到水体从而在某种程度上也能够形成非点源污染 因为 林区大多数都位于人口密度相对较低的地区 因此人为活动的强度也非常低 但地表的植被 覆盖率却比较高 林区降水地表径流形成的非点源污染负荷比起其他的非点源污染一般会比 较低 但是 多年以来不加限制的森林砍伐 使地表植被遭到了严重破坏 森林抵抗土壤侵 蚀的能力也同时被破坏 从而使地表径流和土壤侵蚀的可能性增大 最终促使区域的非点源 污染进一步加剧p 7 4 第1 章文献综述 6 大气干沉降与湿沉降大气中的大量有毒物质会直接降落在土壤或水体的表面 或随 降水降落在土壤或水