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南四湖区农田氮磷流失特征及面源污染评价

付伟章  
【摘要】:南四湖是我国华北地区最大的淡水湖泊,也是南水北调东线工程的必经之地,其水质直接影响东线调水工程的成败。南四湖属富营养湖类型,富营养化主要是氮、磷、悬浮物和其他有机物大量入湖引发的。随着南水北调工程的进展,关停了一大批污染企业,点源污染治理取得显著成效。近年来,由于沿南四湖区规模化禽畜养殖业的迅速发展,畜禽粪便的产生量迅猛增加,农田施用成为消纳畜禽粪便的主要方式,导致农业面源污染问题。有效地控制有机肥料的氮磷流失,对于控制农田面源污染、保障南水北调东线工程水质安全具有重要意义。本文选取南四湖沿岸的典型区域,采用田间径流试验、小流域监测、模拟降雨试验及化学分析相结合的方法,研究了小麦-玉米、玉米-大蒜两种种植模式下有机肥料的肥效及盈亏,探讨了不同有机肥种类、施肥方式对氮磷流失的影响,明确了作物对有机肥中的养分利用率与农田氮磷流失的主要特征;并通过对典型闭合小流域的水质监测,对面源污染进行了初步评价;主要结论如下: 1.有机肥的当季利用率较低,随着施肥量的增加而降低,并受栽培季节的影响。小麦-玉米种植模式下小麦季鸭粪处理的N、P表观利用率平均分别为14.10%、6.03%,牛粪处理的N、P表观利用率平均分别为9.25%、4.97%;大蒜-玉米模式下大蒜季腐熟鸡粪处理的N、P表观利用率平均分别为9.17%、4.03%。小麦-玉米模式下玉米季鸭粪处理的N、P表观利用率平均分别为27.29%、15.99%,牛粪处理的N、P农学利用率平均分别为17.58%、13.20%,大蒜-玉米模式下玉米季腐熟鸡粪处理的N、P表观利用率平均分别为26.40%、13.92%。 2.农田消纳有机肥增加土壤中养分的积累,有机肥中N、P在土壤中的表观积累量及其占施肥量的比例随有机肥用量的增加而增加,N、P表观积累量占施肥量的比例受有机肥种类、施用方法的影响。在小麦-玉米种植模式下,牛粪处理N、P积累量占施肥量的比例平均分别为39.06%、63.59%,鸭粪处理N、P积累量占施肥量的比例平均分别为26.37%、60.49%,在大蒜-玉米种植模式下腐熟鸡粪土壤N、P表观积累量占施肥量比例平均分别为33.52%、60.70%;牛粪沟施N、P表观积累量占施肥量的比例大于表施,有机肥沟施可增加养分在土壤的积累。 3.农田消纳有机肥造成部分养分的损失,有机肥中N、P的表观损失量及其占施肥量的比例随有机肥用量的增加而增加,N、P表观积累量占施肥量的比例受有机肥种类、施用方法的影响。在小麦-玉米种植模式下牛粪N、P表观损失量占施肥量的比例平均分别为15.35%、13.84%,鸭粪N、P表观损失量占施肥量的比例平均分别为19.29%、18.07%,在大蒜-玉米种植模式下腐熟鸡粪N、P表观损失量占施肥量的比例平均分别为16.32%、14.96%;牛粪沟施土壤N、P表观损失量占施肥量的比例要小于表施,有机肥沟施可减少养分的损失。 4.施肥量显著影响地表径流液和侵蚀泥沙中总氮浓度,施肥量增加,浓度增高;表层追施有机肥后短期内降雨会明显增加地表径流液和侵蚀泥沙中总氮浓度,但对渗漏液总氮浓度影响不大。施肥量明显影响地表径流液和侵蚀泥沙中总磷浓度,施肥量增加,浓度升高;表层追施有机肥后短期内降雨会明显增加地表径流液和侵蚀泥沙中总磷浓度,但对渗漏液总磷浓度影响不大。一定降雨条件下,追施相同量的有机肥,条施处理比表施处理径流总氮、侵蚀泥沙总氮、径流总磷、侵蚀泥沙总磷降低,但渗漏液总氮升高、渗漏液总磷浓度差异不大。相同施肥方式等量施肥的条件下,施用牛粪处理的地表径流液、渗漏液和侵蚀泥沙中TN、TP浓度均比施用鸭粪处理的偏低,但差异并不显著。 5.径流总氮流失是总氮流失的主要途径,平均径流总氮流失占总氮流失量的50.83%,其次为渗漏氮流失,占35.37%,土壤侵蚀造成的总氮流失量相对较低,占13.8%。侵蚀泥沙磷流失是总磷流失的主要途径,平均侵蚀泥沙磷流失占总磷流失量的49.90%,其次为径流磷流失,占33.35%,渗漏造成的总磷流失量相对较低,占16.75%。 6.在不同降雨强度和相同施肥水平条件下,不同施用方式中混施能够显著降低不同氮素形态的流失浓度,且降雨强度越大,其降低幅度越大,总氮、硝态氮、铵态氮、颗粒态氮和水溶性有机氮的降幅均为120mm/h降雨强度最大,分别为31.66%、24.94%、22.43%、24.49%、24.17%。在不同降雨强度和相同施用方式条件下,随施肥水平的提高,地表径流汇中不同形态氮素流失浓度均增大,其增幅均随降雨强度的增强而增大,均在120mm/h降雨强度时最大,分别为47.21%、61.93%、35.17%、56.93%、33.01%。在不同降雨强度之间,地表径流各形态氮素所占总氮百分比变异不显著。在相同施肥水平条件下,混施施用方式不同形态氮素占总氮流失百分比的总变化量均是在低施肥水平时低于表施施用方式,在高施肥水平时高于表施施用方式,最高变化量分别为-3.13%和2.58%,其中在不同降雨强度条件下,均增加铵态氮占总氮流失浓度百分比变化量,最高达4.29%;在相同施用方式,地表径流不同形态氮素占总氮百分比的变化量均随施肥水平的提高而变化各异,其中在不同降雨强度条件下均增加硝态氮占总氮百分比变化量,最高达10.00%。 7.在相同施肥水平条件下,混施施用方式比表施施用方式能够降低总磷、水溶性无机磷、水溶性有机磷、水溶性总磷和颗粒态磷流失浓度平均分别降低35.79%、27.01%、33.95%、27.96%、39.08%;在相同施用方式条件下,施肥水平提高一倍时,总磷、水溶性无机磷、水溶性有机磷、水溶性总磷和颗粒态磷流失浓度分别平均提高了106.00%、47.87%、57.15%、48.82%、150.55%。相同施肥水平条件下,混施施用方式不同形态磷素占总磷百分比的总变化量基本上高于表施施用方式,平均总变化量增加25.91%;在不同施肥水平条件下,混施施用方式与表施施用方式各种形态磷素占总磷百分比的变化量在不同降雨强度条件下各不相同,但均有一定程度的变化。在相同施用方式条件下,除了颗粒态磷外,各形态磷素占总磷百分比变化量均随着施肥水平的升高而降低,各形态磷的总变化量平均为降低56.87%,其中颗粒态磷占总磷百分比变化量随施肥水平的提高而增加,平均增加21.06%。 8.水质指标与下垫面要素相关性较大。土地利用结构对流域面源污染方面,不同土地利用类型的影响强度有所不同。其中,农村居民点用地对水质的影响最大,耕地次之,林地和湖泊自然水面影响最小。南四湖地区闭合小流域氮磷输出主要源自种植业与居民生活两个方面,流失总氮、总磷量分别为1494.26kg、55.63kg,降雨产生的径流水质达到中—富营养或富营养化水平。


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