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密级 : 论文编号 : 中国农业科学院 学位论文 模拟降雨研究 水网地区农田氮磷的流失 N 中文摘要 农田氮磷养分流失是农业面源污染的重要原因之一,通常认为农田地表径流引起的氮磷流失是地表水水体富营养化的主要原因。 针对我国水网地区 农田处于淹水或滞水状态的周期长,农田渗漏过程对农田氮磷流失的影响可能也很大的水文特征, 为了解地表径流与渗漏两种不同方式对农田氮磷流失的影响,进行了模拟降雨 试验,研究不同农田土壤有效氮磷养分含量水平下,降水形成的地表径流和渗漏对农田氮磷养分流失的作用机制和过程。与此同时,还对我国太湖流域农田土壤有效氮磷养分含量状况变化进行了分析, 主要结论如下: 地表径流方式下,产流时间短,排水速率快, 在降 水量为 180条件下,渗漏排水量是径流排水量的 90%,渗漏时间为 863 分钟,是径流出水时间( 153 分钟)的 。渗 漏 方式下,产流时间长,排水速率慢,与表层之下的土壤有更充分的接触,这为渗 漏 方式下水溶性氮磷养分的流失提供了潜在的流失途径。在地表径流方式下,土体剖面土壤含 水量由表层至下层,呈现由高变低的趋势;渗漏方式下,由表层至下层,土壤含水量呈现由低变高的趋势。 对农田氮素流失而言,在降水量为 180壤硝态氮含量水平为 55 mg/条件下,渗漏方式下氮素的流失量远高于地表径流方式下的氮素流失量,两者相差可达十倍到数十倍以上( 13 49 倍)。在渗漏流失方式下,硝态氮是氮素流失的主体,硝态氮、水溶性铵态氮和颗粒态氮平均为全氮流失量的 在三种不同的土壤硝态氮含量水平下( 55、109、 206 N mg/渗漏方式中渗漏液 中的硝态氮浓度分别为 44、 71 和 119 /L,全氮浓度分别为 57、 80 和 162 /L;渗漏液中硝态氮和全氮浓度分别为地表径流方式下径流液中硝态氮和全氮浓度的数百倍和数十倍,硝态氮为 238,全氮为 14。在渗漏过程初期流失液中的硝态氮浓度较高,后期逐步降低。地表径流方式下,氮的流失以颗粒态氮为主,硝态氮、水溶性铵态氮和颗粒态氮平均为全氮流失量的 对农田磷素流失而言, 在较低的土壤速效磷含量水平条件下( 理:土壤 0 和 97 /流失的总 磷 在地表径流方式中为 ,高于渗漏流失方式( 34.6 );在较高的土壤速效磷含量水平条件下( 理:土壤 156 /渗漏流失方式下总 磷 的流失量为 102.0 , 超过地表径流方式 (87.3 )。三种不同的土壤 量水平条件下,就 流失的 水溶性 P 在总 磷所 占比例而言,渗漏流失方式下为45地表径流方式下为 3两种流失方式下,随着土壤速效磷含量水平的提高, 流失的 水溶性 P 在 总 磷中 占的比重增加。 对 2000以来太湖、滇池、珠江流域等南方水网地区 2677 个水稻、小麦等大田作物和 490 个菜地农田耕层采样分析结果显示:目前在这些地区,大田作物农田土壤 均为 13.9 /化范围为 /地农田上,耕层土壤 均为 73.9 /量最高的可达 400 /壤硝态氮平均为 85.9 /量最高的可达 682 /着 农田土壤 有效氮磷养分含量的大幅度提高, 通过农田渗漏方式导致的农田水溶性氮磷养分流失有可能是这些水域水体富营养化极为重要的原因。 关键词 :水网地区 模拟降雨 农田氮磷流失 地表径流 渗漏 as of by of In of of of in to of on of at of of of is in as of is is 800% of 63 .6 of 53 is is of of a of in it is of 80mm 5 mg/3of is of In of N 5, 109 06 , in 4、 71 19 /L N in 7、 80 62 /L N in to in N in 384in of in at In of is N As 2.9 in .6 4.6 in in 1 (40 /2 (97 /of in 3 (156 /of P 02.0 in is 7.3 in 5%of P in in of of of P 677 90 in 000of 3.9 /kg /in 3.9 /kg of be 00 /in 5.9 /kg of be 82 /of be to in 目 录 中文摘要 . I . 录 . I 第一章 绪论 . 1 . 1 国南方水网地区水体富营养化问题日益严重 . 1 湖流域水体富营养化状况 . 3 国典型的水网地区 文、气候特征 . 3 湖流域氮磷发生量与农田氮磷肥料用量变化 . 6 田氮磷的流失过程 . 7 湖流域农田土壤氮磷流失的主要研究方法及存在问题 . 8 究思路与内容 . 9 第二章 材料与方法 . 11 网地区农田土壤氮磷养分数据整理 . 11 拟降雨试验设计 . 11 验设备与环境条件 . 11 壤条件及氮磷养分处理 . 12 模拟降雨试验中农田渗漏、地表径流处理 . 14 品采集与分析 . 14 第三章 我国水网地区农田土壤氮磷养分状况 . 16 粮田土壤的氮磷养分状况 . 16 菜地土壤的氮磷养分 状况 . 18 结 . 19 第四章 模拟降雨条件下地表径流与渗漏水流失特征 . 20 漏与地表径流过程及流失量 . 20 漏与地表径流流失过程变化特征 . 23 漏与地表径流对土壤剖面中水分含量的影响 . 24 结 . 25 第五章 渗漏与地表径流氮素流失特征 . 27 漏液与地表径流液氮素浓度变化特征 . 27 态氮浓度两种测定方法的比较 . 27 态氮浓度及浓度变化特征 . 29 态氮浓度及铵态氮浓度变化特征 . 31 氮浓度及全氮浓度变化特征 . 33 漏与地表径流氮素流失量变化特征 . 35 态氮流失量及硝态氮流失量变化特征 . 35 态氮流失量与铵态氮流失量变化特征 . 38 氮流失量及全氮流失量变化特征 . 40 漏与地表径流对土壤剖面氮素含量的影响 . 42 漏与地表径流对土壤剖面硝态氮的影响 . 42 . 43 结 . 43 第六章 渗漏与地表径流磷素的流失特征 . 47 漏液与地表径流液中磷素浓度变化特征 . 47 漏液与地表径流液水溶性磷浓度变化特征 . 47 漏液与地表径流全磷浓度变化特征 . 49 漏与地表径流磷素流失量 . 51 漏液与地表径流液水溶性磷流失量 . 51 漏液与地表径流全磷流失量变化特征 . 53 漏与地表径流对土壤剖面磷素的影响 . 56 结 . 57 第七章 结论与展望 . 59 要结论 . 59 望 . 60 参考文献 . 61 致谢 . 65 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 农业面源污染的重要原因之一是农田氮磷养分在降水或灌溉作用下,随径流、侧渗和淋溶从农田进入水体,造成地表水的富营养化和地下水的硝酸盐污染,而通常认为农田地表径流引起的氮磷流失是地表水富营养化的主要原因。在我国南方水网地区,雨量充沛、地势低平、地下水位浅,水的流动性差,水田长期处于淹水状态,旱作栽培时降雨引起的农田滞水持续时间长,此外由于降雨频繁、雨量较为均衡,农田处于淹水或滞水状态的周期长,农田渗漏过程对农田氮磷流失的影响可能性也很大。为了解地表径流与渗漏两种不同方式对农田氮磷流失的影响,进行了模拟降雨试验,研究了不同农田土壤有效氮磷养分含量水平下,降水形成的地表径流和渗漏对农田氮磷养分流失的作用机制和过程。 究背景 国南方水网地区水体富营养化问题日益严重 早在 50代,国际上许多大型湖泊、水库已呈现出富营养化的征兆。许多发达国家的湖泊、海洋,由于工业、农业、牧业与人类活动造成营养物的增加,使水体急剧富营养化。 上世纪60 年代,我国水体污染问题尚不突出。 70 年代以来各大湖泊、重要水域的水体污 染,特别是水体的氮、磷富营养化问题急剧恶化。重要的湖泊水质持续下降,五大湖泊中太湖、巢湖已进入富营养化状态,水质总氮、磷指标等级已达劣类。洪泽、洞庭、鄱阳湖和一些主要的河流水域如淮河、汉江、珠江、葛洲坝水库、三峡库区也同样面临着富营养化的威胁(详见表 张维理等, 2004)。 表 国重要水域的水质等级变化 1 of in 水域 0 年代 1960 s 70 年代 1970 s 80 年代 1980 s 90 年代 1990 s 现在 要污染物 池 (草海 ) 劣 劣 总氮、磷 池 (外海 ) V V 劣 总氮、磷 湖 I 总氮、磷 湖 水质尚好 V V 劣 总氮、磷 泽湖 水质尚好 中富营养 总氮、总磷浓度已达富营养化水平 TN P 氮、磷 庭湖 水质尚好 贫中营养 总氮、磷 阳湖 水质尚好 中营养 总氮、磷 峡库区 水质尚好 总氮、磷 国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 2 1依据国家环保局制订的水质标准 (I: 一级; 级; 级; 级;:五级 ) 1 of AP I: :这些水网地区是我国人口最为密集,经济最为发达的区域,而水质下降造成的水质性缺水,已经对这些地区人民生活用水构成威胁,生产和经济发展造成巨大损失,对南水北调和三峡水库等国家重大工程的作用构成影响。根据世界银行和我国有关专家的研究,水污染在我国造成的经济损失约占 近年来,尽管国家和地方每年都投入巨资,“十五”期间用于包括水污染治理的环境整治的投资规划为 7000 亿元,已达到我国 1%,但到目前为止水体富营养化的程度仍然有增无减。 我国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化。如太湖、巢湖水质按 数可达到地面水类标准,全国其它主要湖泊、水系,制约水体水质的主要污染物基本上也是总氮、总磷浓度高。根据国家环保局在 太湖、巢湖、滇池 、三峡库区等流域的调查, 工业废水对 总氮、总磷 的贡献率仅占 10而 生活污水和农田的氮、磷流失 是 水体富营养化的 主要 污染源。 表 60 年代以来我国重要水域氮、磷发生量变化 2 - to in 960s 2) 来源 0 年代 1960 s 80 年代 1980 s 目前 At kg/2kg/ kg/2kg/ kg/2kg/肥 1 135 22 368 154 畜禽粪便 9 11 101 56 128 74 农村生活排污 9 8 49 13 56 15 总养分量 3 20 285 91 552 243 各组分比例:化肥 :畜禽排放 :农村生活排污 :4:5 1:5:4 5:4:2 2:6:2 7:2:1 6:3:1 2:为对滇池、五大湖泊 (太湖 , 巢湖 , 鄱阳湖 , 洪泽湖 ,洞庭湖 )、河北白洋淀、山东南四湖、 云南异龙湖和三峡库区流域状况的汇总结果,流域农田耕地面积总计为流域总面积的 (各流域变化范围为 6,农村人口为流域总人口的 86%( 80。 氮、磷发生量指分别来自化肥、畜禽和农村生活排污三个方面的氮磷养分量。 在我国水体污染严重的流域, 随着点源污染治理力度的逐步加大,面源问题对于水体污染显得尤为重要。 农田、农村畜禽养殖和城乡结合部地带的生活排污是造成流域水体氮磷富营养化的主要原因,其贡献大大超过来自城市生活的点源污染和工业点源污染。对我国重要流域如滇池、五大湖泊、三峡库区的分析结果 显示:自 20 世纪 60 年代以来,随着这些水域农田氮、磷肥料用量和畜禽养殖业的大幅度增加,氮、磷富营养化程度的逐步升级。自 60 年代以来,由于化肥用量的增长和畜禽养殖业的发展,称之为水体污染元凶的磷素发生量在这些流域平均增加了 12 倍,折合为每公顷耕地平均发生量达 243 构成磷素发生总量的主要三组分:农田化肥、畜禽排放和农村人口排污比例由 60年代的 1:5:4演变为目前的 6:3:1。中国农科院土壤肥料研究所在太湖流域、滇池流域的多点长期定位试验,在江苏、浙江、云南、山东、北京、上海等十多个省市上百个县 的实地考察和 5000 余个田间的采样调查显示:在我国流域面积大的水域,如滇中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 3 池、 五大湖泊、三峡库区等,造成水体富营养化最主要的驱动因素有以下三个:高氮、磷肥料用量的菜果花(蔬菜、水果、花卉)农田面积的大幅度增长;流域农村地区畜禽养殖业的密集发展;基础设施差的城乡结合部地带城镇建设的快速扩展(张维理等, 2004)。 湖流域水体富营养化状况 太湖位于太湖流域的中心,具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功能,同时也是无锡、苏州两市的主要饮用水源及上海与浙东地区主要水源补给地。近年来不合理开发 与大量污染物排放入湖,使得太湖水质污染日益严重,尤其是富营养化程度加剧,湿地生态环境恶化,影响人民日常生活,制约流域经济发展。 太湖自 20世纪 90年代中期,大部分水体已达中富营养富营养水平,近 10年水体富营养化程度已上升 2个等级。水质监测显示,近年藻类数量比 10年前增加了 5倍,总磷、总氮比 1960年增加 6 7倍,而且藻类出现时间趋早,历时趋长,范围趋广。 1990年夏,太湖蓝藻爆发,北部沿岸水域形成 使无锡市水厂和 116家工厂停产,直接经济损失 1994年夏,蓝藻再度 爆发,无锡梅园、马山水厂取水口被大片蓝藻包围,水质腥臭,造成市民生活困难。水体富营养化已危及人们正常生产和生活秩序,对沿湖旅游业发展造成巨大威胁(胡明等,1998)。 太湖流域降水丰富 ,水网发达 ,但太湖众多的出入湖河道已受到严重污染 ,如 1995 年太湖西岸宜兴市的 27 个地面水质监测断面中 ,只有一个符合类水国家标准 ,其余以、类水质为主 ,其中类水占 ,类水占 。超标项目主要是总磷、总氮、 重金属 ,其中总磷最高为类水标准的 3 倍 ,总氮最高为类水标准的 8 倍。 入湖河 道高浓度营养盐的不断输入使太湖富营养化程度不断增加 ,20 世纪 80年代以来 ,太湖水体营养状态上升了二个等级 ,由 80 年代初期以中营养 中富营养为主 ,上升到 90 年代中期以富营养为主。 1981的 10 年间 ,太湖的总氮 ( 总磷 ( 含量增加了 2。 20 世纪 80 年代末以来 ,太湖主要水质指标 叶绿素 a 等总体上仍以较快的速度上升 ,尤其是总磷浓度 ,在短短的七八年时间里提高了 4 倍多 (表 1995年太湖全湖的 分别达到了富营养化发生浓度的 ,具备了全湖发生重富营养化的营养盐条件。 表 湖主要水质指标 (全湖平均值 )的演变 ) 年份 N 981 1987 991 995 我国典型的水网地区 文、气候特征 太湖流域 包括江苏省苏南地区,浙江省的嘉兴、湖州二市及杭州市的一部分,上海市的大部分。其中江苏省占 53%,浙江省占 上海市占 安徽省占 太湖流域以平原为中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 4 主,占总面积的 4/6,水面占 1/6,其余为丘陵和山地。三面临江滨海,西部自北而南分别以茅山山脉、界岭和天目湖与秦淮河、水阳江、钱塘江流域为界。地形特点为周边高、中间低。中间为平原、洼地,包括太湖及湖东中小湖群、湖西洮鬲湖及南 部杭嘉湖平原,西部为天目山、茅山及山麓丘陵。北、东、南三边受长江口及杭州湾泥沙淤积的影响,形成沿江及沿海高地,整个地形成碟状。 流域内太湖及主要湖泊湖底高程一般为 东部洼地包括阳澄淀泖、青松、嘉北等区地面高程一般为 ,最低处仅 它平原区地面高程为 5部山丘区丘陵高程约 10丘高程一般 200高峰天目山主峰高程约 1500米。 太湖流域的地貌特征 太湖流域位于长江三角洲,包括太湖、太湖平原及其西部的丘陵山地,流域总面积达36500我国经济 最发达地区之一。以太湖为中心的地面,地势低洼,排水不畅,湖荡众多,河网密布面形成大面积的太湖平原。西部山丘前缘则形成地势较高的丘陵山地组成。 太湖位于太湖平原中部,为我国第三大淡水湖泊,平均深度约为 有饮水供应、洪水调蓄、水上运输、水产养殖和生态旅游等功能,在我国东部地区的经济发展中举足轻重。面积2338吞吐量约 53亿 入湖流域 224 条,其中入湖河流 70 多条,以苕溪、南溪及分散的港渎为主出湖河流 159余条,以东太湖的太浦河与吴淞江为主。 太湖平原是典型的南方水网地貌特征,海拔 4 7米,呈龟背状,开垦历史悠久,除少数残丘外,均为农田,且以水稻田为主。 由于气候地带性变化的影响,太湖流域丘陵山区的地带性土壤相应为亚热带的黄棕壤与中亚热带的红壤。非地带性土壤有三类,其中滨海平原盐土分布于杭州湾北岸与上海东部平原,冲积平原草甸土分布于沿江广大的冲积平原;沼泽土分布于太湖平原湖群的沿湖低地。耕作土壤主要为水稻土。 由于受微地形的影响,造成土壤水分状况与耕作培肥上的差异,从而形成了 5 种类型的水稻土:漏水型水稻土;侧渗型水稻土;滞水型水稻土;爽水型水稻土和囊水性水稻土。 漏水型水稻土主要分布于冲积平原 沿长江与钱塘江呈带状延伸,因钱塘江夹带泥沙量少,堆积作用慢,主要受长江回流沉积影响。土壤粉沙含量高,长期稻麦棉水旱轮作,剖面中沙粘层明显,多漏水漏肥,形成漏水型水稻田。 侧渗 型 水稻土是由 山丘间的谷底修筑梯田,引水种稻,因受地表水、下渗水与侧渗水影响而形成的,特点淋溶作用加强,肥力较低。海拔 6 7米的高平田地区都为滞水 型 水稻土,肥力水平低,易淀浆板结,剖面中有障碍层(白土层),通透性差,易滞水,三麦等旱作物易受渍害。太湖平原地区近村田与低平田都为爽水 型水稻土,质地剖面均一,无障碍层,通透性好,肥力高。太湖平原的 圩田海拔一般低于 4米,最低约 2米左右。因地势低洼,经受受洪涝威胁,在长期的防洪排涝斗争中,逐年疏浚河道,筑埂围田,形成囊水 型 水稻土。 西部的丘陵山地多为数十米至数百米,部分达 700米以上,最高峰为西部的天目山的龙王峰1587米。丘陵山地的面积较小,只占太湖流域的很小一部分。 太湖流域的气候特征 太湖流域位于中纬度地区,属湿润的北亚热带气候区。气候具有明显的季风特征,四季分明。冬季有冷空气入侵,多偏北风,寒冷干燥;春夏之交,暖湿气流北上,冷暖气流遭遇形成持续阴雨,称为“梅雨”,易引起洪涝灾害;盛夏受副热带高压 控制,天气晴热,此时常受热带风暴和台风影响,形成暴雨狂风的灾害天气。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 5 图 太湖流域常熟与吴县 1970降水年度分布特征 970 示了太湖流域全年以夏季( 6 8 月)降水量最多,为 340 450占年总量的35 40%,东部少,西部多。冬 季( 12 2 月)降水量最少,约 110 210占年总量的 11 14%,只及夏季降水量的 1/3 1/2;但因气温较低,作物生长缓慢,所以仍能满足越冬作物对水份的要求。春季( 3 5 月)降水量 260 424占年总量的 26 30%。其分布时北部少、南部多。秋季( 9 11 月)降水量为 190 315占年总量的 18 23%。由此可见,降水量季节变化明显,雨量分配不均。 全年降水日数 122 159 天,北部少,南部多。太湖流域全年有 3 个明显的雨季,即: 4、 5月的春雨,特点是雨日多, 3 5 月的雨日约占全年 雨日的 30%左右;夏季 6 7 月的梅雨,一般说来,梅雨雨量较大,如上海市 1954 1980 年平均梅雨日数 23 天,平均雨量 210占年总量的 但梅雨变化较大,如 1958 年空梅,上海市梅雨日 3 天,雨量仅 1954年大水,梅雨期长达 59 天,雨量为 1958 年的 ;秋季的台风雨,降水强度较大,大多出现
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