太湖地区主要类型稻田氮磷面源污染通量的研究

摘要

本文选择了太湖地区主要水稻土类型(白土、黄泥土和乌栅土)作为研究对象，通过田问试验和室内分析研究了氮、磷养分在土壤中的迁移规律和稻季的径流养分损失及缓冲带对氮磷养分的拦截效果，并利用水田渗漏仪方法测定了不同土壤中稻田养分的渗漏通量，为研究区的农田生态环境保护和农业生产的宏观决策提供基本参数和科学依据。 本文主要的研究结果如下： (1)通过Lysimeter模拟试验得出黄泥土类型水稻田渗漏水中氮磷养分的迁移规律。渗漏水中氮磷养分浓度与施肥量呈线性正相关，不同处理下的氮磷养分浓度在施肥初期差异显著；NO<'-><,3>-N浓度在土壤剖面中呈现上低下高的分布特点，最大值出现在低层。NO<'-><,3>-N是稻田氮素淋失的主要形态，其淋洗量占施氮总量的1.04％～1.93％；NH<'+><,4>-N集中分布在稻田土壤表层，易被土壤胶体所吸附，稻季淋洗量极少，对环境影响不大；磷肥施入土壤后，易被固定，迁移能力很小，但配施猪粪，可以延长磷素释放时间，促进磷的迁移。 (2)通过田间试验和室内分析得出水稻生长期间表层水中养分变化规律。表面水中NH<'+><,4>-N、NO<'-><,3>-N浓度与施氮量呈线性正相关；NO<'-><,3>-N浓度最大值的出现时间滞后于NH<'+><,4>-N，因此表层水中NH<'+><,4>-N(NO<'-><,3>-N)/T-N可以反映氮素转化与流失潜能的相对水平；NH<'+><,4>-N/T-N的比值在施肥后1～2天内达到最大值，约97.79％，随后此比值随着时间呈下降的趋势，NO<'-><,3>-N/T-N变化趋势相反，表明施肥初期以NH<'+><,4>-N为氮素流失的重点监测对象，施肥后期则以NO<'-><,3>-N为主要监测项目。 (3)利用中国科学院常熟野外生态站的径流场进行了水稻田径流养分中氮磷损失的研究，结果表明，径流中氮磷的损失除与施肥量和施肥时期相关外，主要受降水量及降水强度的影响；稻季常熟试验田NH<'+><,4>-N的径流流失通量为0.223 kg hm<'-2>，NO<'-><,3>-N流失通量为0.145 kg hm<'2>，NH<'+><,4>-N流失通量高于NO<'-><,3>-N，NH<'+><,4>-N为氮肥径流损失的主要形式，应该加强对NH<'+><,4>-N的流失的监控；磷肥的施用增加了磷素流失的潜能，稻季常熟实验田的溶解性总磷(DTP)径流流失通量为0.030 kg hm<'2>，具有诱发附近水体富营养化的风险，DTP是监测稻田径流养分流失的一个重要项目。 (4)通过对比不同施肥水平对水稻产量及生态系统中水环境的影响，可以发现优化施肥与常规施肥水稻产量相当，但优化施肥比常规施肥减少氮肥用量22％，减少氮素径流损失30％～40％，氮素渗漏损失32.3％；常规施肥水稻田表层水中氮素浓度高于优化施肥，渗漏水中氮浓度变化也有相似的规律，但远低于表层水；施肥后表层水中保持较高的磷浓度，可达15.7 mg L<'-1>，存在诱发附近水体富营养化的风险。改进施肥方法，适当减少化肥用量，加强水肥管理，可有效地降低农田氮、磷排出量，是控制农田面源污染的重要措施。 (5)利用缓冲带控制水稻田面源污染的研究表明：缓冲带与施肥大田当年的水稻产量没有显著差异，缓冲带不会造成水稻减产；渗漏水中的氮、磷在土壤剖面中呈现上高下低的趋势，稻田生态系统具有吸附固定氮、磷养分的功能，可有效减少氮、磷的淋失；缓冲带能显著地拦截径流养分，稻季拦截的DTN和DTP分别为20.6～51.8 kg hm<'-2>和4.7～5.1 kg hm<'-2>，而且对渗漏水中N、P养分的水平迁移具有明显的拦截效果，是一种有效地减少农田面源污染的措施。 (6)利用水田渗漏仪对太湖地区三种主要水稻土的稻田渗漏量进行了研究，研究结果表明：稻田水渗漏量随时间呈逐渐降低的趋势，并呈显著的线性负相关性，在整个稻季白土稻田水渗漏量最大值为3 067 m<'3> hm<'-2>，高于乌栅土的渗漏量1 564 m<'3>hm<'-2>，而黄泥土稻田基本没有渗漏量；对同一类型的水稻土，水稻田中部的渗漏量明显高于水稻田进水头和上水头区域；白土类型水稻田的稻季养分渗漏通量为NO<'-><,3>-N8.73 kg hm<'-2>，NH<'+><,4>-N 1.57 kg hm<'-2>，NO<'-><,3>-N渗漏通量高于NH<'+><,4>-N，为稻田氮肥渗漏损失的主要形式， DTP的稻季渗漏通量0.90 kg hm<'-2>。乌栅土类型稻田的稻季养分渗漏通量低于白土上发生的养分渗漏量，白土稻季上发生的NO<'-><,3>-N、NH<'+><,4>-N、DTP渗漏通量分别是乌栅土渗漏量的3.32倍、1.38倍和1.70倍。

目录

声明

摘要

引言

第一章文献综述

1.1农业面源污染的研究进展

1.2化学肥料在农业生产中的施用及养分流失

1.2.1农田生态系统的养分投入

1.2.2农田生态系统的氮磷流失

1.3农田养分流失的环境效应

1.3.1水体富营养化

1.3.2硝酸盐的累积

1.4控制农田氮磷流失的生态工程研究进展

1.4.1缓冲带技术

1.4.2人工湿地

1.4.3植物浮床技术

1.4.4其它生态工程方法

1.5稻田渗漏量的研究进展

1.5.1水田渗漏仪测定法

1.5.2平衡模型和动力学模型测定法

1.5.3其它常用测定方法

1.6研究目的及意义

第二章研究区概况

2.1研究区自然条件

2.2研究区经济条件与环境问题

2.3研究区的农田氮磷流失

第三章太湖地区稻田养分迁移规律研究

3.1研究方法

3.1.1试验设计

3.1.2水样采集与测定

3.2结果与讨论

3.2.1渗漏水中NH4+-N浓度的动态变化

3.2.2渗漏水中NO3--N浓度的动态变化

3.2.3渗漏水中DTP浓度的动态变化

3.3本章小结

第四章太湖地区稻田径流养分损失研究

4.1研究方法

4.1.1试验设计

4.1.2水样采集与测定

4.2结果与讨论

4.2.1水稻田表层水中NH4+-N、NO3--N含量的动态变化特征

4.2.2水稻田表层水中NH4+-N/T-N、NO3--N/T-N的动态变化特征

4.2.3水稻田表层水中DTP含量的动态变化特征

4.2.4径流池中养分变化

4.2.5施肥与降雨对水稻田径流养分流失的影响

4.3本章小结

第五章太湖地区稻田化肥减量化研究

5.1研究方法

5.1.1试验设计

5.1.2水样采集与测定

5.1.3田间管理与产量测定

5.2结果与讨论

5.2.1水稻产量比较

5.2.2表层水中氮素的动态变化

5.2.3渗漏水中氮素的动态变化

5.2.4表层水中磷素的动态变化

5.2.5渗漏水中磷素的动态变化

5.3本章小结

第六章太湖地区稻田缓冲带在减少养分流失中的作用

6.1研究方法

6.1.1试验设计

6.1.2样品采集与分析

6.1.3产量测定

6.2结果与讨论

6.2.1缓冲带与施肥大田的产量比较

6.2.2缓冲带与施肥大田表层水中氮素含量比较

6.2.3渗漏水中氮素含量的动态变化

6.2.4表层水中磷素含量的动态变化

6.2.5土壤渗漏水中磷素浓度变化

6.3本章小结

第七章太湖地区稻田渗漏量和养分渗透通量研究

7.1研究方法

7.1.1试验设计

7.1.2稻田水渗漏量的测定

7.1.3渗漏水样采集与测定

7.2结果与分析

7.2.1宜兴白土稻田渗漏量

7.2.2.常熟乌栅土稻田渗漏量

7.2.3常熟黄泥土稻田渗漏量

7.2.4宜兴白土稻田渗漏水中养分浓度

7.2.5常熟乌栅土稻田渗漏水中养分浓度

7.2.6稻田养分渗漏通量

7.3本章小结

第八章结论

8.1全文结论

8.2本研究的创新点

8.3研究中的不足之处

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文