紫色丘陵区农业小流域氮迁移的动态特征及其环境影响研究

摘要

地处长江上游的紫色土丘陵区是西南农业的主体区域,同时也是生态环境的敏感区域。长期以来突出的人地矛盾使得该地区土地垦殖率高,水土流失严重,肥料利用率低,面源污染加剧。本研究本着保护长江水资源,有效控制面源氮污染的目的,从不同的时间尺度(暴雨事件,季节变换,年际变化)描述紫色土丘陵区农业小流域内氮迁移的过程特征及机理,同时调查氮素迁移对地下水环境的影响。
　　 对紫色丘陵区盐亭截流村小流域2007年3次暴雨径流的全过程进行了连续监测,测定了径流量及降雨-径流过程中N形态、浓度与通量变化。结果表明,N各形态浓度曲线与流量曲线趋势大致相同,总氮(TN)浓度迅速达到峰值后缓慢下降,而径流后期又呈上升趋势,硝态氮(NN)浓度线总体呈上升趋势,颗粒态氮(PN)浓度在径流过程中迅速达到峰值后陡然下降,氨态氮(AN))含量较低且波动较小。暴雨径流氮素迁移前期以PN为主,主要来源于地表径流,受降雨强度控制。后期以NN为主,可能来源于土壤硝酸盐随壤中流淋失。暴雨径流导致的N流失负荷巨大,TN平均负荷4.8 g·m-3。PN负荷偏向径流初期分布,表明初期冲刷效应明显,NN负荷集中分布于径流后期,表明壤中流汇流贡献突出。
　　 为研究紫色丘陵区非点源氮素迁移变化特征,于2005-2007年对盐亭截流村小流域的典型沟道进行研究,分析了氮素浓度与负荷的时空动态变化。沟道自上游到出口氮素浓度下降显著(P＜0.01),TN、NN、PN、AN与NO2--N浓度分别由12.58,5.3,2.77,1.79和0.54mg·L-1降为2.28,1.29,0.15,0.37和0.11mg·L-1。上游NN和PN分别占TN的52%和30%,是氮素的主要存在形态。NN是中下游及出口的主要存在形态。沟道对氮素有一定的持留作用,TN在沟道中的持留量为239.65kg·a-1,NN和PN为氮素的主要持留形态(分别占TN持留量的52%和28%)。沟道上游是氮素迁移主要的“汇”,持留量占总量的81%。TN释放量为117.18kg·a-1,释放形态以NN为主(占TN释放量的56%),NN是沟道氮素污染的“内源”污染物。沟道是氮素迁移的渠道,NN是主要的迁移形态。沟道氮素存在明显的季节特征与年际差异,雨季浓度较大,干旱年份氮素浓度与输出负荷均较小,但沟道NN迁移负荷较大。
　　 为进一步了解氮素迁移对周围环境的影响,本研究对流域地下水进行了监测,着重调查了浅层地下水中硝酸盐的动态变化及其影响因素。结果表明,该地区地下水硝酸盐平均浓度为7.67 mg/L,变化范围2.44-31.16 mg/L。19%的井水中硝酸盐含量超过10mg NO3--N/L,不适合作为饮用水;46%的地下水处于轻度污染(NO3-N:≥5 and＜10mg/L)。地下水硝酸盐的时间变化受降雨,施肥因素控制;而空间变化则受到土地利用,地形条件的影响。土壤中大量盈余的氮,以及不合理的农业管理措施,耦合该地区雨量丰沛的气候特征,是该地区地下水硝酸盐含量较高的根本原因,而丰富的壤中流是氮素从土壤迁移至地下水的主要渠道。