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1、四川大学硕士学位论文第一章绪论1 问题的提出及选题意义1 1 问题的提出石油农业的发展以及化学肥料的施用，保证了粮食生产的高产出以及农田生态系统的可持续发展，如果不施用化肥，就不可能满足不断增长的人口的基本生活需求，农田生态系统也会因粮食产出不断从系统中带出养分而出现养分的耗竭。然而，由于过分追求高产，使化肥的施用过于粗放，不但造成了资源的浪费，也极大的污染了环境。四川是我国的农业大省，以占全国6 的耕地养活了全国1 0 的人口，农业生产活动非常集中，为了协调人多地少的矛盾，加大化肥施用力度成为保障四J i I 省粮食产出的重要及有效手段之一，据年鉴统计2 0 0 1 年四川省化肥施用量2 1
2、 2 0 万吨，占全国化肥总施用量的4 ：9 8 ，单位面积化肥旌用量O 8 4 吨公顷，超出全国平均水平6 6 3 ( 表1 1 ) 。过量及不合理的施用化肥不但打破了农田生态系统的养分平衡，也使农田面源污日益加重。表1 1r mJ I I 省与全国化肥施用量及粮食产量等基本数据的比较资料来源：中国统计年鉴2 0 0 2川中紫色丘陵区是四川省农业活动较为集中的区域，由于该区土地垦殖指数高、坡耕地比例大、降雨强度大且分布不均( 主要集中在6 8 月) ，加之紫色土降雨入渗少，地表流失量大 2 等原因，该区也是全省及长江中上游生态环境最易遭受破坏、水土流失最严重的地区。严重的水土流失造成农田生态
3、系统养分亦大量流失，于是不得不采取增施化学肥料的途径来补充系统养分的损失，一塑型查兰塑主兰丝堡苎但由于化肥施用量过大、肥料结构不合理、农作物对肥料的吸收秘用率较低等原因，使农田生态系统的养分循环进入越增大旌用量，越增加流失量的恶性循环a 显然，不抓住问题的根源，盲目的采取增施化肥的方式，就无法解决紫色丘陵区农田生态系统出现的各种生态环境问题。1 2 选题的意义四川省作为我国农业大省和长江上游生态环境脆弱区之一，农业发展与生态环境安全具有同等重要的、全局性的意义。川中紫色丘陵区既是四川省农业生产的主要区域又是长江上游三峡工程重点防护区，同时由于属典型的紫色丘陵地辑该区水土流失严重。研究四川省农田
4、生态系统的养分平衡状况，可以从宏观上抓住四川省农田生态系统养分动态平衡的变化规律。通过对典型区域不同途径养分损失量计算的实证研究，有助于抓住农田生态系统养分流失的根源。由于农田生态系统各种问题之间存在的普遍关联性，掌握问题发展的趋势，抓住问题的根本，采取积极有效的措麓、蠢蹦瑟探讨实现农田生态系统养分和物质的良性循环以及农业的可持续发展。在建设西部经济强省、长江上游生态屏障的战略中具有举足轻重的地位。2 。农田生态系统及其生态环境问题概况2 1 农田生态系统概况农田生态系统是一种在人类经营管理之下的人工生态系统，是一种开放的动态平衡系统。在人为于预下，系统通过蓉境物质和能量的转化，打破原有的平衡
5、，获得更多的产出。自然生态系统中，由于生物起主导作用，土壤中养分的循环是一个表聚而又不断丰富的过程。而原始的自然系统经过开垦转化为人工的农田生态系统后，就改变了原先气候植被土壤系统的养分循环和平衡过程，主要表现在：耕作过程加速了土壤有机质的分解速率和养分释放的速率；作物收获带走了原本属于系统内部的大量养分、减少了作物归还土壤的有机质：而人工施肥则使系统获得了大重来自外部的养分输入。显然农田生态系统不同于自然生态系统的主要特征之一就是大量的养分输入与输出改变了原有养分及物质的封闭循环。四川大学硕士学位论文人类活动极大地影响着农田生态系统健康及其可持续发展。如果人类对耕地资源的开发利用处于系统动态
6、平衡的阈值之内，系统则可以通过自身的协调达到一种新的动态平衡，相反，如果超出了系统动态平衡的闺值，系统将最终走向逆向演替乃至崩溃。也就是说，如果加大从农田生态系统中物质与能量的摄取，而又不给予适量的投入作为补充即会造成农田生态系统养分的过度消耗；同理，过量的养分投入也会造成农田生态系统物质循环失去平衡或产生障碍。2 3 农田生态系统养分平衡农田生态系统的养分循环和平衡关系着人类社会最大的两个问题：粮食和环境。一方面，农田养分平衡状况从根本上决定着土壤肥力的发展方向，而土壤肥力又是农业持续发展的物质基础；另一方面，农田生态系统的养分循环不同于自然生态系统，其在每一个循环周期中或多或少的都有着营养
7、元素的损失，因此，农田生态系统中养分及某些化合物的循环去向，会造成大气、水体的污染。农田生态系统的养分循环是维持农田生态系统健康及可持续发展的物质基础，其养分平衡是一个作物土壤肥料三者相互作用，过程十分复杂的动态平衡，不仅对作物生长有重要作用，对环境保护也有现实意义。2 3 农田面源污染面源污染又称为非点源污染，是相对于工业、城市生活污水等点源污染而言的，美国联邦水污染控制法( 1 9 7 2 ) 对面源污染的界定为：在不确定的时间内，通过不确定的排放途径j 向水系排放不确定的污染物质。1 3 】由于这三个不确定性特征，面源污染的控制和治理难度较大。目前我国几乎没有比较连续的面源水质、水量同步
8、监测资料，对面源污染的研究还处在起步阶段。随着点源污染逐步得到控制，目前面源污染及其控制正在成为环境保护的主要课题。【4 J农田是最重要的面源污染之一，农田中的氮、磷素是水体的重要污染源。淋洗和径流损失的氮素污染地下水和地表水，使湖泊、水库发生富营养化，使水中的硝态氮和亚硝态氮浓度过高而降低饮用水的质量。磷在农田土壤中的活动虽然不及氮素活跃和复杂，但由于在大多数情况下，磷素是影响藻类生长的限制因子，从这个意义上来说，磷对富营养化往往起着关键的作用。化肥施用3翌删盔兰堡圭堂垡丝壅量的不断增加，使农田生态系统养分投入增加，与此同时，经由各个通道的养分循环量也不断增加，来自农田的径流及排水中的营养元
9、素对受纳永体的污染越来越严重。美国环保属经大量调查后确认，农业是地表水最大的“非点污染源”，美国6 0 以上的地表水环境问题是由农业活动引起的。3 本文研究的区域、内容及方法3 1 本文研究的区域3 1 1 紫色土的成因、分布及特点【5 J紫色土一般是指亚热带和热带气候条件下由紫色砂页岩形成的一种侵蚀型的高生产力的岩性土。集中分布于四川盆地丘陵区和海拔8 0 0 米以下的低山区，在滇、黔、苏、浙、闽、赣、湘、粤、桂等省区也有零星分布。四川省紫色土地面积约1 6 万平方公里，占全省总土地面积的2 8 ，紫色土耕地约7 0 0 0 万亩，占四川耕地的6 8 ，土地垦殖率高达4 5 ，是四川乃至全国
10、重要的粮食和经济作物产区。紫色土具有高生产力和易侵蚀性两个主要特征：首先，紫色土养分储量丰富，特别是磷( 0 0 7 0 ) 、钾( 2 3 0 ) S l 和部分微量元素，且养分循环速度快，是四川省乃至长江上游最重要的耕地资源之一，其分布的区域历来是四川省农业发展的主要区域。其次，紫色土大多土质浅薄，富含母质碎屑，有机质少，结构水稳性弱，易分散悬浮，抗蚀力和抗冲力均弱，因此紫色土易发生侵蚀。由于紫色土容蓄水量少，且渗漏率低下，下为透水性羞的基岩，故径流系数高，水土流失极为严重，是川中紫色丘陵区的主要生态环境问题。1 5 1 ) 1 1 盆地紫色土区耕地坡耕地多、坡度大。据四川省水土保持办公室
11、统计资料，四, I S 地紫色丘陵区的早地中小于1 0 。的坡耕地只占2 5 ，1 0 。2 0 。的占5 0 ，2 0 。2 5 。的占1 5 ，大于2 5 。的占1 0 。【6 1 由于大量表土流失，约4 0 的旱坡地土层厚度小于2 0 m m 、耕地生产力低下，据估计四川盆地紫色丘陵区因土壤侵蚀造成的中低产田土约占耕地的2 ，3 。长江上游( 宣昌站 的泥沙流失量每年为5 3 亿吨，其中大部分来自于川中丘陵区的早坡耕地a ”13 1 2 川中紫色丘陵区概况【8 】四川紫色土集中分布- 予) l l 中丘陵区，该区位于四川盆地中部，包括内江、4四川大学硕士学位论文遂宁、南充( 除华蓥市)
12、地区，绵阳市的梓潼、三台、盐亭，乐山市的仁寿、井研，德阳市的中江，达县地区的渠县等3 0 个县市，幅员面积4 8 6 万平方公里，占全省总面积的8 5 。图1 1 川I 中紫色丘陵医区内丘陵起伏，基岩单调。主要为侏罗、白垩系紫色沙泥页岩覆盖，经物理风化和人为熟化而形成紫色土。由于人口众多，土地稀少，该区历来为人口稠密地区。由于开发悠久，垦殖过甚，自然景观破坏严重，加之，紫色土质地四川大学硕士学位论文松软，易于风化、坡耕地多、降水集中且强度大等原因，造成该区水土流失严重，尤以遂宁、乐至、安岳、资中、资阳、南部、射洪、蓬溪、潼南、岳池、南充、中江、三台、盐亭等县市最为严重，属强度侵蚀区。其中，不少
13、地区已达到极强度和剧烈侵蚀标准，侵蚀模数高达每年6 2 0 0 1 0 0 0 0 吨平方公里。耕地是川I 中紫色丘陵区生态景观的主要组成部分，据四川省统计局1 9 9 0 年末统计，该区耕地面积，2 4 5 6 8 2 万亩，占全省耕地总面积的2 6 ，是四川省耕地的集中分布区。除此之外，该区垦殖率亦居于各大区之首，全区垦殖系数一般在4 0 左右，部分县市可达5 0 ，除丘陵顶部为疏林草地外，其余可垦为耕地的都已开垦。同时，该区坡耕地的面积比重很大，如遂宁市坡耕地面积占全市耕地面积的7 0 ，营山县坡度在2 5 。以上的耕地占全县旱地面积的5 0 9 ，其中2 5 。3 5 。的耕地占9 7
14、 ，其余为3 5 。以上的耕地。研究表明川中紫色丘陵区的水土流失主要发生在农耕地，水土流失与土地的垦殖系数及农业植被比例均具有较高的相关性。据1 9 8 5 年调查，南充地区农耕地侵蚀面积4 8 万公顷，占侵蚀总面积的6 3 ，侵蚀量2 8 3 2 万吨，占侵蚀总量的7 2 8 ，比非耕地多1 6 8倍。侵蚀强度5 8 9 7 吨，比非耕地侵蚀强度3 7 5 0 吨大5 7 。【5 1 耕地的水土流失引起养分的大量流失，如营山县全县水土流失面积达到9 8 6 3 5 k m z ，占幅员面积的6 0 3 5 。全县每年流失土壤7 8 3 万t ，土壤厚度减薄5 6 c m ，带走有机氮3 8
15、t ，全氮3 9 6 t ，全磷6 8 t 。p 13 2 本文研究的内容及方法本文研究四川农田生态系统养分循环引起的一系列的生态环境问题，包括农田生态系统内部养分循环问题以及由于养分流失造成的水环境面源污染。农田生态系统内部的生态环境问题主要研究养分的一般动态平衡，从而抓住四川省农田生态系统养分变化的规律和趋势。由于紫色土氮素含量较低，氮是四川省农业生产中的限制因子，四川省氮肥施用量较大，因此农田养分损失引起的其它生态环境问题，主要研究氮素损失造成的地表水和地面水的氮素污染。然后选取川中紫色丘陵区，以典型区域南充市为例，计算各种途径造成的农田生态系统的养分损失量，从而抓住四川盆地紫色丘陵区农
16、田生态系统养分损失和水环境污染的根源，以此作为最后讨论紫色丘陵区农田生态系统可持续发展的依据和基础。四川大学硕士学位论文本文在研究方法上注意具体实证研究与大量文献分析相结合、实地调查与理论分析相结合、定性研究与定量研究相结合。同时针对不同的内容，采用不同的研究方法。在第三章主要采用鲁如坤的有机养分循环法研究四川I 省农田生态系统的养分平衡。第四章对四川省水环境氮素污染的研究主要采用文献分析法。第五章主要结合实地调查与相关数据和资料的收集对典型紫色丘陵区南充市农田生态系统养分损失量进行估算。除此之外，整篇文章中大量采用相关性分析，对农田生态系统生态环境问题作出了有益的探索。第二章农田生态系统的养分损失与水环境面源污染1 农田生态系统中氮、磷元素的循环及转化1 1 土壤中氮索的转化及农田生态系统的氮循环1 1 1 土壤中氮素的主要形态氮素是农田生态系统最主要的营养元素之一。土壤氮素由有机态氮和无机态氮两大部份组
