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1、沈阳农业大学 硕士学位论文 太湖平原地区模拟降雨条件下麦田径流氮磷流失研究 姓名：肖强 申请学位级别：硕士 专业：土壤学 指导教师：王秋兵;张维理 20040601 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 人类活动导致的水体富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，并已 成为全球最重要的环境问题之一。据对我国2 5 个湖泊的调查，水体全氮无一 例外超过了富营养化指标，全磷只有2 个湖泊( 大理洱海和新疆博斯腾湖) 低于 O 0 2m g L 的临界指标，其余9 2 的湖泊皆超过这个标准。农业面源污染与湖 泊水体富营养化有密切的联系，尤其施入农田的氮磷肥逐年增加，随降雨径 流进入到河流、湖泊，造成水体的富
2、营养化的现象日趋严重。农田径流不仅 降低了土壤肥力和化肥利用效率，并已成为氮磷养分迁出农田系统，进入水 体导致水体富营养化的主要途径之一，但是目前对农田径流氮磷养分流失机 理还不清楚，流失量的研究甚少。因此，本文以太湖平原稻麦轮作区为研究 区，通过整理基础资料，结合对农户的实地调奄，选择典型农田，以田间模 拟降雨为手段，研究不同氮磷施用量、不同雨强及不同降雨时期对径流氮磷 流失的影响，并初步判断施肥量、旌肥时期、降雨、植被覆盖度等因素对农 田径流氮磷流失的影响程度，为建模估算年内及年际氮磷流失量提供基础数 据。主要结果如下： 1 在相同雨强下，氮、磷累积流失量与施肥量呈显著正相关；其平均浓 度
3、也与旋肥量呈显著正相关。在降雨产流过程中，氮、磷累积流失量随产流 时间的变化里现先缓后陡再缓的规律。 2 在相同施肥量下，降雨产流过程中径流氮、磷浓度与雨强相关关系不 明显。 3 从小麦整个生育期来看，在种子萌发期、分蘖期与抽穗期降雨，径流 中磷浓度及其变化速率逐渐降低；对于分蘖期与抽穗期降雨，径流中氮的浓 度及其变化速率也逐渐降低。 4 土壤有效磷含量与径流磷浓度具有显著正相关：土壤硝态氮与铵态氮 含量也与径流氮浓度具有显著正相关。 5 降雨与施肥间隔时间越长，径流中硝态氮占总氮比重越大，铵态氮所 占比重越小。在抽穗期降雨( 分蘖期追肥5 0d 后) ，径流中硝态氮己占总氮 的7 2 以上。
4、铵态氮降至4 以下。 6 在降雨产流过程中，径流氮、磷浓度随产流时间的延续，总体趋势下 降。 7 氮、磷流失速率与径流速率呈显著线性正相关。 8 大于0 1l f f l l n 土粒所带走的氮、磷量占总的径流氮、磷流失量的比例很 小( 。 据尜薅据磁巍( t 9 9 4 ) ，隧繇窳较浚帮渗漏播穗农爱静氮素孛有2 0 2 5 一、文靛缀述 是当季施用的氮素化肥。就地表水硝态氮的污染而论，氮素化肥占了5 0 以 上。 从水文学角度来看，馨径流过程可以分为地表校流过程和地下径流过 援，嚣 鑫滚澎染主要跫凌逮表经渡零| 怒夔( 李悔懋，2 0 0 0 ) 。农秘氮臻滚 必是弓f 起永体留营养化的蕊
5、要原因( D a gO H e s s e n 等，1 9 9 7 ) 。 3 _ 农田径流氰磷流失的影响因素 土壤质地。土壤质地影响土壤肥力，保肥性能强的土壤能够较多地固定 纯照串鹣铵，鼹恧可以减少纯驱径流流失量。壤耕鼷有效磷含爨澎璃径流 审镶素含量 翊方等，2 0 0 1 ) 。 施肥，包括肥料的种淡、数量、施用方式及时间( 陈利顶等，2 0 0 0 ) 。 一般认为通过径流流失的弊分在较大獠度上取决于迁移过程和物质来源 ( S h a r p l y A ，1 9 9 5 ) 。 簿恧强废酾獐瑟量。逶 霆蔫承怼壤瓣侵镀程度，及澎霞经浚豹翠浚影 响农田氮磷养分的流失( 朱铁群，2 0 0
6、0 ) 。 农田灌溉。灌溉方式与养分、农药流必密切相关( T r o i a n oJe ta l , 1 9 9 3 ) 。 一般以下列顺净递增：喷灌淹灌 沟灌。 撞援覆蕊发。怼农田生淼系统恧言，撞被覆盖度羧大，会对永主粒葬分 流失有一定懿逐正作用。 耕作方法。M y e r s 等( 1 9 9 5 ) 认为免耕和少耕农田产生了较多土呶表径流， 同时导致农药莘口养分的地袋流失较多，而传统耕作农田中，养分随地下径流 流失较多。C h i e h e s t e r 等( 1 9 9 2 ) 发现农闲径流产生豢与农田耕馋方式无明 嚣瓣穗关关系，毽农田嚣沙帮莠分滚失程传统耩终农疆孛裙显离予盏耪农
7、 嘲。 4 国外研究方涪 国外农业躐源污染研巍起步于2 0 世纪6 0 年代，髓先美、英、网等一些 发迭国家率先拜震，7 0 年代以器在整癸务逡逐滚受到黧筏。戈跌美黧疆突历 受较长，7 0 年代裙主要是在菲点源污染特征、降雨因豢、单场暴雨茅赫长期平 均污染负荷输出方面的研究：8 0 年代非点源污染基础研究地域范围广、类型 多样，因素分析和污染物避移机理研究熙加深入；进入9 0 年代，微生物的 迓穆成为非点源污染物迁移、转化疆究豹裁增长点。美国在1 9 8 7 颦豹国会 上蓥次声黉了簿赢源污染阏藤转变兔行麓谛麓的意愿，僵是这令诗弼浅未放 缀好执行。在欧共体，第一个明确提出非点源污染的宙方文件是1
8、 9 8 9 年欧 骧委员会提出的一个直接建议，提出水质问题是由农田与城市硝酸赫的释放 号J 起的。 星癸菲基潆污染臻究瓣掰交基寿二卡多年，探索了 点源污染貔在遮表 她下水中的稷魔和影响，开发了一些模溅。近年来趋向子控制方法等管理政 策的研究，基本内容有滨岸流域管理、农田管理、畜禽废物管理、化肥农药 镣理等，涉及环境经济、农业经济学、水文学、环境化学、土壤学、农学、 抟学、生物学簿多学辩，嚣点潺污染磅究成巍强际上垮凌润题磅究筑活跃颈 鎏里查些奎兰堡主兰垡堡苎 域。 国外关于农田径流氮磷流失的研究主要建立在利用参数建立模型的基 础上，进行直接连续农田监测来得到流失结果的很少见。大部分模型是建立
9、在土壤侵蚀的基础之上，而对于平原侵蚀不明显的区域，并不适用。 绝大多数模型的关于径流量的计算利用2 0 世纪5 0 年代美国水土保持局 首先提出的S C S 降雨径流曲线，它是在分析各种土壤植被等条件的大量降雨 计算得到的。通过该种方法，在掌握各种参数的基础上可以快速获得计算结 果。但由于各种条件的差异性，此计算结果必定与实地连续的农田监测结果 存在着差异。而且，不同的研究人员在利用该曲线时，要结合实地条件进行 修正，其修正的合理与否也必将影响着最终的结果。由于我国进行相关研究 起步晚，在一个流域获得所需的连续、完整、系统的参数的难度很大，因此， 在我国，尽管该类模型介绍的较早，但并没有得到好
10、的利用效果。 下面结合几个模型将国外的研究方法作以简单的介绍。 A G N P S ( A g r i c u l t t t r eN o n - - p o i n tS o u r c eP o l l u t i o nM o d e l ) 是一种基于场次 的分散型流域模型，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失量以及流失的 营养元素量。模型的最大优点是采用了分散参数模拟方法，进行模拟时，把 流域栅格化为多个小单元，对于任一单元，所模拟的过程的参数分布是相同 的。由美国明尼苏达P o l l u t i o n C o n t r o l A g e n c y 和U S D A 。S
11、 A g i l e u l t u r e R e s e a r c h S e r v i c e 共同开发研制出的计算模型，该模型适用于对面积为1 - 5 0 0 0 0 h m 2 的 小流域生态系统进行农业非点源污染的发生进行评价和流域内土壤侵蚀及 氮、磷元素的流失进行预测( 陈欣等，2 0 0 0 ) 。 A N S 吧R S r A r e a lN o n - - p o i n tS o u r c eW a t e r s h e dE n v i r o n m e n t a lR e s p o n s e S i m u l a t i o n ) 是基于场次的分
12、散型物理模型，主要用于模拟流域管理措施或 B M P s ( B e s tM a n a g e m e n tP r a c t i c e s ) 对径流和泥沙产生的影响。最初的模型只研 究地表水文过程，后来B e a s l e y 等人又把侵蚀和泥沙运动等过程加入模型中。 随着人们对流域中农田营养元素的流失对水质的不利影响的重视，一些研究 人员又把流域中氮、磷等营养元素的运移过程模拟也加入到模型中，其中尤 以B o u r a o u i 研究的最为深入。 W E P P ( W a t e rE r o s i o n p r e d i c t i o np r o j e c
13、t ) 是新一代土壤侵蚀预测模型， 于1 9 9 5 年公布。它属于一种连续的物理模型，可模拟的流域物理过程有日 土壤水分平衡、不同植被条件下( 农作物、林地和草地等1 的日蒸发量、年作 物产量、畜牧产量预测、径流、灌溉时的侵蚀、林地侵蚀、细沟和沟间侵蚀、 农业管理措施对侵蚀及水文过程的影响等。W E P P 具有很多优点：可模拟 土壤侵蚀过程及流域的某些自然过程；可模拟非规则坡形的陡坡、土壤、 耕作、作物及管理措施对侵蚀的影响等；可模拟土壤侵蚀的时空变化规律： 可预测泥沙在坡地以及流域中的运移状态。缺点是该模型只能模拟片蚀、 细沟侵蚀和临时性沟道中的水力侵蚀过程，而对较大规模的沟蚀和流水沟道
14、 侵蚀则无法进行模拟。 C R E A M S ( C h e m i c a l sR u n o f fa n dE r o s i o nf r o mA g r i c u l t u r eM a n a g e m e n t 7 二：塞整整鎏 S y d u e m s ) 模溅属于集总式物理模型，主骚用于估算农田对地表径流和耕作层 以下土壤水的污染。模型邋用的流域范围为4 0 4 0 0 h m 2 。在进行径流计算 时，C R E A M S 即采用S C S 曲线法和G r e e n 。A m p t 入渗方程两种方法， 在非 点滚污染磷究孛，C R E A M S 广泛
15、应矮予诗冀农困污絷戆夔嚣失，囊薅萁中 的水文模块也可以单独应用于暴雨过程中径流计算，如可利用地上水流序列 计算片蚀和绷沟侵蚀，利用沟道水流序剁计算沟蚀和沟口沉积等。但由于参 数比较单一，且没有考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差异憔，所以它 只能用于粗臻躲诗舅和预测预掇。 菲点源浮漆模型瓣发袋动态： 与G I S 多层次、多通道结合是一种非常有效的定间数据分析和统计系 统，具有极强的空间信息处理能力。近年来，有许多G I S 系统在环境和资源 黪理等领域褥到了广泛应煺，与模型技术鲍结会也越来越紧密和蛰遮。可以 谖，涟羞G I S 按寒熬不薮发震骧及模受本身臻蕤魏麓强，二者之阂缝合瓣层 次会继续
16、多样化，而且在G I S 功能拓膜的同时实现模型功能的拓展，如与 R S 以及G P S 的结合等( 牛志明，2 0 0 1 ) 。 在治理方面，各国尽艘其能。丹麦出台了一系列的法规，在农田领域的 蠢镑对遮秘霾钵凌弃秘黪凌弃貔2 螃，赞对纯学赫耪农药豹谟絮赞残 公约( P I C ) 。墨本琵琶潮治理过程中，1 9 7 9 滋贺墓颁布了日本象一个琵 琶湖富营养化防治条例凝体规定了备颁措施，包括制订氮磷的排放浓度， 农田使用成分适宜的肥料，加强灌溉水的管理，畜禽养殖粪便处理设施的完 藩和还墨等。农美国、热零大和欧洲星家蜚遍接芎亍鲍鼹佳管理措施( B M P s ) ， 敬褥了一定效莱。德重联邦食品农秫部农1 9 9 6 年懿漆颁布了藏嚣薪法窥， 对农田的施肥种类、量、使用时间等都作了详细的规定。 虽然各l 鞫都采取了积极的态度对其进行研究和治理，但是，包括农田氮 磷面源污染强内的农业非点源污染仍是阂感各国的环境问题之一。 5 。莺痰蘩究臻麸 目前，阕内在农田径流方面的研究结果还很少
