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《西南大学》 2011年
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稻田生态系统对外源氮、磷的消纳

袁俊吉  
【摘要】:在点源污染逐渐得到控制以后,面源污染成为危害水环境的重要污染源。农业面源污染尤其是由农业生产带来的氮、磷流失已经给三峡水库带来了极大的环境压力。这种氮、磷流失具有分散性、隐蔽性、随机性、潜伏性、累积性和模糊性等特点,因此不易监测、难以量化,研究和防控的难度较大。目前库区农业生产中缺乏对此类污染的有效应对措施,虽然人工构造湿地能够有效地去除生活污水、河道污水、灌溉排水中的氮、磷等营养物质,但是人工湿地的构造成本较高,需要占用较多的土地面积且没有粮食生产力,在人多地少的中国其现实价值需要进一步研究。灌溉水田是具有独特生物多样性的人工湿地系统。这个系统既有吸纳雨水、灌溉水或污水中所含的氮、磷素等养分的作用,又有沉降进入水体中固体悬浮物和消解有毒物质等生态功能。因此,本文试图以广泛分布于三峡库区的水田来消纳农田径流中的氮、磷等面源污染物质,研究这一独特的人工湿地系统对外源氮、磷的消纳效果,减少由农业面源污染给三峡水库带来的氮、磷负荷。 1)通过模拟实验,研究了垄作、平作以及在不同施肥水平下,稻田生态系统对外源污水中氮、磷的消纳效果。结果表明:全氮(total nitrogen, TN)浓度为15 mgL-1(其中NH4--N 13.5mg L-,N03--N 1.5 mg L-1)、总水溶性磷(total dissolved phosphorus, TDP)浓度为2.0 mgL-1的污水加入3 d后,稻田田面水中NH4+-N浓度平均降低了93%,垄作和平作没有显著差异。各处理N03-N浓度在灌水后均迅速上升,3 d后达到峰值,平均为9.1 mgL-1;7 d后垄作N03--N浓度平均降至6.8 mg L-1,平作为3.5 mgL-1;14 d后平均降至1.4 mg L-1,不同耕作处理与施肥处理间差异均不显著。田面水中有机氮(organic nitrogen, ON)含量均在污水加入1 d后达到峰值,完全施肥处理下田面水中有机氮(ON)含量为11.6 mgL-1,显著高于减量施肥处理的浓度(4.3 mgL-1),说明稻田田面水中的氮主要来自施肥。完全施肥处理下田面水中氮含量在淹水后的初期高于减量施肥的处理。但2周后肥料处理的差异不显著。污水加入1 d后,稻田田面水中溶解态活性磷(dissolved reactive phosphorus, DRP)和TDP浓度分别降低了22%-36%和6%~27%:3 d后,DRP和TDP浓度分别降低了73%-89%和53%-66%。各处理田面水中溶解态有机磷(dissolved organic phosphorus, DOP)浓度在污水加入后均迅速上升,3d后达到峰值0.21-0.30 mgL-1;7 d后DOP浓度平均降至0.11 mg L-1。田面水中磷素的形态特征,在水稻生长发育前期,田面水中TDP主要以DRP形式存在,在水稻生长发育中期DRP和DOP的含量基本相同;在水稻生长发育后期DRP的百分含量又有升高的趋势。研究表明因此污水进入稻田前1周是控制氮、磷素流失的关键时期。 2)外源污水加入后对土壤中氮、磷动态也产生了影响。外源污水加入后3 d土壤中NH4+-N、NO3--N、pH均达到峰值,其中NH4+-N 29.4~46.5 mg kg-1, NO3--N 12.3~21.4 mg kg-1, pH 7.9-9.1,完全施肥处理显著高于减量施肥处理,垄作与平作之间差异不显著。7 d后NH4+-N、NO3--N、pH显著降低,处理之间差异不显著。外源污水加入后3 d,土壤中NH4--N增加了5.76~9.70 gm-2,显著高于田面水中NH4+-N的损失量1.15~1.34 g m-2,田面水和土壤中N03--N分别上升了0.64~0.91 g m-2和2.02~4.12 g m-2。表明田面水中NH4+-N的减少可能对土壤中NH4--N的升高有一定的贡献,而田面水中NO3--N的增加量可能来自土壤。土壤中碱解氮和Olson-P浓度均在污水加入后1d达到峰值,完全施肥处理显著高于减量施肥处理,垄作与平作之间差异不显著。土壤中TN和TP在试验期间有下降的趋势,但是差异不显著。相同施肥条件下,垄作较平作能够获得更高的生物产量,意味着能够带走更多的氮、磷。 3)作为库区主要坡地土壤资源的紫色土,其质地松软,易于风化,抗蚀性较差,加之库区山高坡陡、降雨集中且强度大,水力冲蚀作用强烈,极易形成水土流失,这为面源污染物迁移转化提供有效载体。库区农业生产中施肥过量且肥料利用率低,导致大量氮、磷极易随径流进入水体,对三峡水库水环境造成不利影响。本文通过径流场试验分析了2010年5月1日至7月10日间6次降雨过程中紫色土坡耕地的氮、磷流失特征。结果表明:大雨时产生的径流量分别为中雨和小雨时的2.34和7.59倍,同时大雨产生的径流中TN、TP含量高于小雨和中雨时,导致大雨导致的氮、磷流失远远超过中雨与小雨。大雨时产生的累积泥沙量分别是中雨和小雨的8.34和111.38倍。紫色土坡耕地径流中TN、TP的主要形式是有泥沙携带的颗粒态氮、磷,降雨量越大,颗粒态氮、磷的比例越高。中雨产生的径流中颗粒态氮占TN的74.90%~75.9%,大雨产生的径流中颗粒态氮占TN的比例更高,达到85.0%~92.6%。颗粒态磷是径流中磷的主要形态,大雨、中雨、小雨产生的径流中颗粒态磷占TP的比例分别为96.6%~97.7%、93.9%~96.2%、90.5%~94.4%。紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙为载体,这在降雨量较大时表现得尤为明显。控制坡耕地氮、磷流失应着重考虑控制降雨量较大时的氮、磷流失。 4)通过田间试验测定了坡面径流进入稻田生态系统后,面积约200 m2的垄作稻田对径流中氮、磷的消纳效果。径流灌入水田后24 h,径流中TN和颗粒态氮浓度分别下降了60.1%-88.0%和91.2%-98.7%,且各处理之间没有显著差异。大雨产生的径流中TN浓度显著高于中雨和小雨,径流进入水田后田面水中TN浓度高于小雨和中雨径流进入水田后田面水中TN浓度,但是这种差异仅仅体现在前3 h。径流样品刚刚加入后,水田田面水中颗粒态氮占较高的比例,颗粒态氮占TN的43.5%-87.7%。随着时间的推移,颗粒态氮占TN的比例逐渐下降,其他形态的氮素所占的比例逐渐上升,径流样品加入后24 h,颗粒态氮占TN的比例下降至10.2%~22.7%,其他形态的氮素所占的比例升至77.3%-89.8%;可溶态的无机氮和有机氮成为TN主要组成部分。水田生态系统对坡面径流中磷的控制方面同样表现出较高的效率,径流灌入水田后24 h,6次降雨过程产生的径流中TP和颗粒态磷浓度分别下降了60.6%-86.0%和82.9%-93.0%,且各处理之间没有显著差异。径流样品刚刚加入水田后,水田田面水中颗粒态磷占较高的比例,颗粒态磷占TP的89.7%-97.7%。随着时间的推移,颗粒态磷占TP的比例逐渐下降,径流加入后24 h,颗粒态磷占TP的比例下降至37.4%-45.7%。水田生态系统对坡面径流中氮、磷消纳体现出较高的效率,主要得益于其能够较快地消纳颗粒态的氮、磷。 5)农田氮的流失不仅仅带来土壤肥力损失,同时造成水体富营养化以及饮用水的质量问题,因此科学评价土壤的供NH4+状况对制定农田施肥策略更加重要。运用容量强度关系(quantity-intensity relationships. Q/I)有别于一般的确定土壤NH4+有效性的方法,它能够描述土壤溶液和阳离子交换位点间的均衡状态,从而可以用来科学地评价土壤的供NH4-状况。研究了4种土地利用方式下(水田、旱地、林地、菜地)紫色土(紫色湿润雏形土)和紫色水稻土(紫色水耕人为土)NH4+的容量和强度(Q/I)关系。结果表明:紫色土和紫色水稻土NH4+Q/I曲线的曲线部分均出现在NH4+的活度比(ARNH4)较低时,表明土壤存在非交换性NH4+(或专性吸附的NH4+)的释放。紫色土和紫色水稻土NH4+的潜在缓冲容量(PBC)为71.47~203.7 cmol kg-1(mol L-1)-1/2;土壤活性NH4+(-ANH40)为0.0295~0.089 7 cmol kg-1,NH4+的平衡活度比(AR0NH4)为0.187×10-3~1.255×10-3(mol L-1)1/2;土壤专性吸附位点(NH4-sas)为0.0106~0.118 5 cmol kg-1。相关分析和通径分析表明,土壤小于0.002 mm黏粒含量与NH4+PBC及NH4-sas均呈极显著正相关(p0.01),小于0.002 mm黏粒对PBC的影响主要是间接作用(间接通径系数为0.585),但对NH4-sas则有强烈的直接作用;有机碳与-△NH40和AR0NH44均呈极显著正相关(p0.01),但是有机碳对-△NH40有较大的直接效应(直接通径系数为0.966),而对AR0NH4的影响主要以间接效应为主。土壤-△NH40与可交换性NH4+数值接近且呈极显著相关(i=0.8764,n=8,p0.01),而AR0NH4与可交换性NH4+亦呈极显著相关(r=0.9837,n=8,p0.01)。土壤小于0.002 mm黏粒和有机碳的差异是导致不同土地利用方式下紫色土可交换性NH4+以及Q/J参数的差异的主要原因,可交换性NH4+标志的NH4+有效性指标与由Q/I关系得到的NH4+有效性指标类似。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S181;X52

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