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小清河流域农田非点源氮污染定量评价研究

李虎  
【摘要】: 随着农田氮肥施用量的不断增加,由氮素造成的农田非点源污染已成为水体污染的主要因素之一。当前世界各国都致力于研究提高农田氮肥利用率和减少非点源氮污染的方法与途径。本文采用田间试验与生物地球化学循环模型相结合的方法,研究了环渤海典型流域——山东小清河流域典型农田非点源氮素的运移机理、排放途径和转化规律。以田间定点观测资料为基础,验证并校正了基于氮循环机理的过程模型——DNDC模型,通过模型模拟提出了农田典型种植方式下的优化管理措施,并与流域GIS数据库相结合,从流域尺度上识别全流域氮流失的潜在负荷及关键源区,定量分析氮污染的主要分布和贡献,进而初步提出基于全流域的调控策略和优化管理措施。主要研究结果如下: (1)以小清河流域典型农作系统冬小麦/夏玉米轮作、冬小麦/大葱轮作、设施蔬菜为研究对象,采用田间原装渗漏计定位观测,研究农田土壤中氮流失特征。试验表明,历城冬小麦/夏玉米轮作地常规施肥处理下小麦生长季0~1 m土壤硝态氮积累量在90.13~426.97 kg N hm~(-2),玉米季为67.96~204.32 kg N hm~(-2)。整个轮作生长季常规施肥处理水分渗漏量为176.5mm,由此而带走的氮素淋失量为38.76 kg N hm~(-2),占氮素总输入量的6.5%,对照小区为3.54 kg N hm~(-2),施肥处理是不施肥处理的10倍以上。章丘冬小麦/大葱轮作地6个不同处理试验表明,大葱生长季硝态氮淋失量随氮肥投入量的增加而增加,常规施肥处理氮淋失量为20.35 kg N hm~(-2),占氮肥总输入量的5.2%;对照处理最小,为4.32 kg N hm~(-2),前者是后者的约5倍;优化施肥和减量施肥均能有效减少硝态氮淋溶量,分别为17.49和13.46 kg N hm~(-2)。此外,径流试验表明,该地区氮素径流流失较小,常规施肥处理为0.51 kg N hm~(-2),但仅占氮肥总输入量的0.01%,各施肥处理之间N素径流流失与氮肥施用量之间不存在明显的相关关系。寿光设施蔬菜一个生长季的研究表明,常规施肥处理氮肥投入总量为1465 kg N hm~(-2),氮淋失量为214.04 kg N hm~(-2),占氮肥总输入量的14.6%;对照处理为76.26 kg N hm~(-2),前者是后者的约3倍。 (2)利用田间实测数据验证和校正模型,结果表明,校正后的DNDC模型能更好地模拟冬小麦/夏玉米轮作系统、冬小麦/大葱轮作系统和设施蔬菜种植系统土壤水分以及氮素淋失的动态变化规律。同时,模型也很好的拟合了冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤中NO3--N和NH4+-N的残留量,模拟值和实测值相关性显著。敏感性分析表明土壤pH值、施肥量、土壤孔隙率对氮素的淋失影响较大,是模型需要仔细考虑的输入参数。 (3)利用模型提出了基于地块的最优化管理措施,即历城唐王小麦/玉米轮作系统施氮量减小到常规施肥量的60%,并提高玉米秸秆还田率到100%;章丘小麦/大葱轮作系统施氮量减小到常规施肥量的50%;寿光设施蔬菜系统为施氮量减小到常规施肥量的20%,并减小灌溉量为常规的80%。在保证作物产量在可接受范围的条件下,各点通过优化管理措施能显著减少氮素淋失量、N2O排放量以及NH3挥发损失。该评价结果可直接用于指导生产实践。 (4)建立了小清河流域分乡镇单元的作物类型、种植面积、农田管理等GIS数据库,利用DNDC模型对流域尺度上氮素淋失量进行了模拟。2006年全流域8个区县年均氮淋失负荷范围为10.44×10~3 t ~36.86×10~3 t,平均为23.65×10~3 t。以氮肥投入总量222.2×10~3 t计算,该流域平均氮素流失量占氮肥投入的10.6%。淋失量空间分布表明,大于80 kg N hm~(-2)的单元主要分布在章丘市和寿光市的部分乡镇;淋失量小于10 kg N hm~(-2)的单元主要集中在流域的上游济南市历城区,在桓台和广饶县也有零星分布;其他地区氮素淋失量大多为20~40 kg N hm~(-2)和40~80 kg N hm~(-2)。 (5)利用DNDC模型初步建立了区域冬小麦/夏玉米轮作体系下优化管理措施。运用该措施可将传统区域氮肥用量减小30%,而且对冬小麦/夏玉米产量没有影响,同时能产生较好的环境效应,氮素淋失量可降低35%,N2O排放降低28%,NH3挥发损失降低了34%。然而,氮肥施用量对作物产量和氮淋失量的影响区域差异极大,在制定区域优化管理措施时,不能全流域一个标准,而应根据当地更小范围农业发展状况和土壤营养元素平衡情况因地制宜地进行制定。


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