农田非点源氮污染研究进展

1、农田非点源氮污染研究进展谢红梅，朱波中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041摘要：论述农田生态系统中氮素非点源污染的特征、排放途径和污染方式，两种重要氮素形态（nhf-n、no3-n ）在土水 界面的扩散过程及迁移机理，农田非点源氮迁移过程及其影响因素，由农田氮素造成的非点源污染的污染负荷定量计算方法 及评价指标，并指出国内外污染负荷定量模型的优缺点和发展趋势；提出了农田非点源氮污染的控制对策。关键词：农田氮素；非点源污染；污染负荷中图分类号：x501文献标识码：a文章编号：1672-2175 （ 2003 ） 03-0349-04非点源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作 用下

2、，大气、地面和土壤中的污染物进入江河、湖 泊水库等水体而造成的水环境污染山。农业非点源 污染则主要是指农业生产活动中，农田土粒、氮素、 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所造成的污染。王 少平等认为农业非点源污染是由农业生产活动引 起的各种污染物（沉淀物、营养物、农药、盐份等） 以低浓度、大范围的形式缓慢地在土壤内运动，从 土壤圈向水圈扩散的过程。其基本特征为：污染发 生的随机性、机理过程的复杂性、排放的途径及排 放污染物的不确定性、污染负荷的时空差异性而导 致对其监测、模拟与控制的困难性。氮素是农田生产力的主

3、要限制因素之一，在大 多数情况下施用氮肥都可以获得明显的增产效果， 但是重要的是环境污染因子，农田氮素流失引起的 水体富营养化、地表水环境恶化、地下水硝酸盐含 量超标等环境问题日益严重。由农田氮素造成的 非点源污染对当今世界水质恶化构成了最大的威 胁，但其运移规律和形成机理等都不太清楚，因此 由农田氮素造成的非点源污染的产污机理、影响因 素及其污染负荷的定量计算和调控对策研究已引 起国内外学者的高度重视。1农田非点源氮的迁移1.1非点源氮素的迁移机理农业非点源污染的迁移转化机制是模拟、评 价、监测、治理的基础，其迁移过程包括降雨径流 过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和地表溶 质渗漏过程。这

4、四个过程相互联系相互作用。造 成农田氮素非点源污染的两种重要形态nh/n和 no3-n在土水界面的扩散过程及迁移转化机理的 研究则引起了当今土壤学、农业生态学及生物地球 化学循环研究的学者的高度重视。多数学者认为土 水界面迁移是物质在外界条件下（如降水、灌溉） 从土壤向水体的扩散迁移过程。尹澄清等认为其 迁移方式按形态划分主要有以下两种:（1）悬浮态 流失，即污染物结合在悬浮颗粒上，随土壤流失进 入水体；（2）淋溶流失，即水溶性较强的污染物被 淋溶而进入径流。许峰等同认为迁移途径主要包括 氮素随水在坡面土壤的养分流失、土壤剖面淋溶和 壤中溶质运移等过程在量和形态上的变化。nhf的迁移主要机理是

5、扩散。朱兆良等对不 同扩散时间、不同距离的nh浓度变化的数据进行 处理，结果表明nh4hco3粒肥施入土体中，其离 子呈球形扩散。而no”n主要以质流方式迁移。 最典型的描述土壤硝态氮淋洗过程的确定性模型 是对流扩散模型。因土壤带负电荷，对ncv-n 的吸附甚微，故no3易遭受雨水或灌溉水淋洗而进 入地下水或通过径流、侵蚀等汇入地表水中，造成 水体污染。而土壤颗粒和土壤胶体对nh具有很强 的吸附作用，使得大部分可交换态鞍得以保存在土 壤中，但在特定的条件下，也可能存在质流或在土 壤剖面中随水下渗而迁移。1.2农田非点源氮迁移过程及其影响因素1.2.1农田氮素径流损失氮的流失是溶解于径流的矿质氮

6、，或吸附于泥 沙颗粒表面以无机和有机态氮的形式随径流而损 失i。关于氮的径流损失影响因子多集中于流失形 态（包括径流携带、侵蚀泥沙降雨、肥料种类、 植被覆盖度以及不同的土地利用方式等研究。降雨 和径流是土壤氮素流失的主要驱动力，当降雨强度 超过土壤下渗速度时产生径流并汇集，形成地表径 流冲刷与土壤侵蚀。侵蚀泥沙有富集氮养分的特 点，减少地表径流和土壤侵蚀、降低表土中速效氮 养分含量是减少农田地表径流流失的关键。张兴昌 等g的研究表明植被覆盖度增加了径流中矿质氮 的浓度，其原因为nh&n主要存在于土壤颗粒表 面，而no3'-n主要存在于土壤溶液中，其流失量 主要取决于径流量大小，

7、以及径流与表层土壤颗粒 相互作用的强度和时间；植被覆盖度增加了径流与 表土作用的时间。彭琳等i在陕西安塞径流区的观 测表明，每公顷每年因水土流失而损失的氮(n) 质量为919 kg/(hm2-a),其中以土壤颗粒的形式而 流失的氮占流失的氮总量的95%以上。黄丽等z 研究认为三峡库区紫色土坡地也是如此，因此控制 养分流失的关键在于控制土壤颗粒的流失。黄满湘 等冋在室内模拟降雨下研究农田径流中的氮流失， 结果表明在大暴雨和裸地试验条件下颗粒态氮是 流失的主要形态。而唐以剑的研究显示，在模拟降 雨的试验中，施氮肥后如遇暴雨，以水溶态随水流 失的氮可占总流失氮的50%60%。smith等何将有 机肥

8、施于耕地以研究氮素的径流，发现施牛粪浆增 加了土壤固体颗粒与nh/n在地表水中的流失， 而对noj-n的流失几乎无影响。袁东海等i对红 壤坡耕地不同农作利用方式下氮素流失的研究表 明，等高耕种、休闲地等控制土壤氮素流失优于水 平沟和水平草带，坡耕地土壤氮素流失主要途径为 径流流失，其中径流流失的氮素又以水溶态为主。 1.2.2 土壤氮素淋溶迁移氮淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系 活动层以下，从而不能被作物根系吸收所造成的氮 素损失，它是一种累进过程"i。土壤中发生硝态氮 淋洗必须满足两个基本的条件:(1 ) 土壤中大量残 留硝酸盐；(2)存在水分运动，促进或阻碍这两个 条件之一的

9、任何因素都影响氮素淋溶的发生与否 及程度。硝酸盐淋失量和周期降雨量呈显著的线 性相关|咏20 ;土层硝态氮的淋失程度在一定范围内 与灌水量呈正相关i。吕殿青等在陕西米脂沙质 土壤上进行了相同施氮量不同灌水量的试验，在春 玉米收获后测定020 cm 土层中残留的硝态氮含 量，发现土层残留硝态氮含量与灌水量成正相关关 系。彭琳等却的研究表明旱作土壤中硝态氮每年随 水而下渗的深度为1.01.5m。土壤质地和结构主要 决定土壤的透水性质，土壤剖面中大孔隙越多则淋 蹑点亮心灯5/(溶损失越大。大量研究表明在粗质土壤上硝态氮的 淋溶比细质土壤严重。gaines等约认为土壤中的 粘粒、粉粒和有机质越多，硝态

10、氮就越不易淋失。 氮肥的种类和施肥水平也将影响其淋失j" , 土壤 中硝态氮含量随施肥量增加而增加，但并不是线形 増加。有机肥的施用増加土壤粒径及团聚体含量， 提高cec代换量，增加对no3n的固持，阻碍了 nos'-n向下迁移27' 281o耕作增加硝态氮淋失绚。 农田系统中，轮作明显减少淋失，连种作物则硝态 氮淋失很大，间作系统比单作系统可减少淋失量的 一半，套种也会减少淋失。此外，氮素淋失取决于 土壤含水量、土壤持水力、土壤水传性和土壤溶液 浓度差的影响1期。2农田非点源氮污染负荷的定量化与评价 目前，单次暴雨非点源污染负荷定量化方法主 要有两种”32: 种是通

11、过对非点源污染物输出的 3个环节，即降雨径流、水土流失和污染物迁移的 模拟，估算污染物的输出量；二是立足于受纳水体 水质分析，计算汇水区域污染物的输岀量的经验统 计模型。要定量估计一定时段内非点源污染发生负 荷量，必须了解该时段每场降雨径流所带来的污染 负荷，然而要监测所有降水过程径流水质是不现实 的，一般采用流域水文模型与次暴雨径流污染负荷 估算模型接口厲|。王晓燕|珂根据非点源污染特征及 负荷定量化归纳其研究方法为:(1)按照污染物的 性质分为颗粒物、营养物;(2 )选择小区试验;(3) 研究受纳水体的水质变化；(4 )人工降雨模拟； (5 )应用数学模型。非点源污染负荷评价内容包括： (

12、1 )非点源污染负荷与点源污染负荷之比；(2)非 点源污染负荷与地域分异特征；(3)非点源污染负 荷的季节变化】。农业非点源污染模型定量化研究经历了从其 统计模型阶段到机理模型为基础的定量化阶段，再 到实用性阶段。初期的统计模型是根据长期的大量 实测数据，建立污染物流失量与自然界中影响因素 的统计规律，这种统计模型不能反映实际的污染物 迁移转化过程，而推理性模型通过对自然变化过程 的分析，根据机理建立方程连续模拟污染的迁移变 化，能够反映出时空上的变化i珂。我国近年建立了 土壤一作物水平衡模型、土壤养分模型，其中李怀 恩等提出流域汇流与非点源污染物逆高斯分布瞬 时单位线形模型及流域产污过程模型

13、，该模型考虑 了水动力学和污染物迁移机理，且便于求解应用。八j照亮人生礙国外在这方面的研究报道较多。creams1361 是农业管理系统中化学污染物径流负荷和流失模 型，是一个连续模拟模型，包括水文、侵蚀、化学 品3个部分，可估计农田单元的泥沙、水和污染物 损失；模型不需现场数据校正，运行费用低。 agnps1371是降雨事件模型，模拟农业流域降雨径 流、泥沙和营养物(n、p )的产生和迁移；基本模 型包括水文、侵蚀、沉积和化学物质迁移三大模块； 与creams相比，其主要改进是充分考虑并控制 空间变异对水分、泥沙、养分迁移及输岀的影响， 这一点对农业非点源污染的评价和控制非常重要； 该模型将

14、污染物迁移分为溶解态和固态吸附阶段， 营养物吸附量用单元的泥沙产量计算。遥感为模型提供了新的数据源，加上gis具有 强大的空间数据处理分析能力，将之与weep、 agnps等结合，为非点源污染研究、污染削减和 控制提供了极大的方便。综观国内外污染负荷定最 模型，由于模拟中存在多种误差和不确定性，因此， 模糊理论、不确定性分析以及风险评价将成为今后 的研究方向。3非点源氮污染调控对策3.1控制非点源污染的污染来源要注重化肥、有机肥和灌溉水的施用和耕作制 度。根据农田土壤特征、农作物生长状况、农作物 对养分的吸收特性，安排施肥量、施肥方式和时间。 重视有机肥的投入。农业废弃物如畜禽粪便、作物 秸杆

15、等，含有丰富的有机质和养分，直接弃入环境 或焚烧引起的养分污染不可忽视。应用生物废弃物 管理的思想，采取集中管理牲畜，减少农田地表水 中的氮素流失。此外，作物残茬覆盖、秸杆还田对 控制土壤侵蚀和养分流失，预防非点源污染的发生 都具有现实的生态意义e。有机肥中腐殖质可以提 高土壤保肥能力，利用微生物将其同化固定并缓慢 释放，可减少氮肥流失厲】。通过加强田间水肥管理， 应用节水灌溉、浅水勤灌、干湿交替的方法，使氮 素被充分吸收利用|。研究a发现，当水田灌溉用 水量减少31%36%时 地表排水量减少78%90% , 氮素负荷量减少76%80% ,渗漏水氮素负荷量减 少34%40%。“以水带氮法”这种

16、技术有助于降低 施肥后存留于稻田表面水中的肥料氮量，从而降低 氨挥发和径流损失。在河南封丘进行的,5n微区试 验削表明，这种改进方法使氮肥损失率减少 29%35%。大量研究表明免耕、少耕可以降低径流 中悬浮物含量，减少土壤中的养分流失。此外，横 坡耕作和聚土覆盖垄作也可控制坡耕地径流和养 分流失。3.2控制非点源污染的扩散途径通过设计农田景观控制方法，在污染物的运移 途径中通过滞留径流、增加入渗来减少径流及其携 带的泥沙。湿地等缓冲带的建立，免耕少耕法，生 态施肥，水土保持技术等421 ,都有助于控制非点 源污染的扩散。许多国家都在试验开发缓冲带来控 制非点源污染，如美国的植被过滤带，英国的缓

17、冲 区。我国尹澄清等学者通过6年的试验研究，发 现多塘法能截留来自村庄和农田n、p污染负荷量 达94%以上。修建沉沙池、渗滤池、集水设施和水 处理设施，将工程措施、生物措施和蓄水保土相结 合，可有效控制农田非点源氮污染。参考文献：iu 李怀恩，沈晋，刘玉尔.流域非点源污染模型的建立与应用实例j|. 环境科学学报,1997 , 17(2 )： 141-147.21张水龙，庄季屏.农业非点源污染研究现状与发展趋势卩1.生态学 杂志，1998 , 17 ( 6 ): 51-55.3 王少平，陈满荣，俞立中，等.gis在农业非点源污染中的应用j. 农业环境保护.2000 , 19 ( 5 )： 289

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