三峡紫色土坡耕地小流域氮磷收支及流失风险研究

摘要

三峡水库拥有393亿m3的库容，是世界上最大的人工湖泊，也是我国重要的战略淡水资源库。保护好库区水资源意义重大。随着三峡工程建成运行，农业非点源氮磷污染对于库区水环境的威胁变得更为显著，但目前对于库区农业非点源氮磷污染的研究仍然停留在污染途径的定性研究阶段，对于农业非点源氮磷污染源的定量研究尚不完善。污染源构成认识的不足严重影响了三峡库区农业非点源氮磷污染的治理进程。氮磷收支的定量研究成为识别和治理三峡库区农业非点源氮磷污染的关键环节。
　　 目前，建立在大流域尺度下的氮磷收支模型与研究方法可以在区域上评估其总量及宏观变化趋势。以土壤为研究对象的氮磷收支模型与研究方法可以比较清晰地了解收支发生的驱动机制与微观定量特征。然而上述两类模型均尚未能回答从微观产汇到宏观表现之间物质迁移平衡的过程特征；也尚未将土壤收支与大流域尺度收支模型之间的尺度匹配有效解决。因此，本研究提出以小流域为研究对象的氮磷收支研究方法，并以三峡库区典型的紫色土坡耕地小流域为研究对象，开展了相关研究工作：
　　 ①以土壤氮磷收支模型为基础，根据小流域的氮磷迁移过程，构建小流域氮磷收支模型。该模型由外源输入氮磷、再循环氮磷和向外输出氮磷三大模块构成，再循环氮磷模块是小流域氮磷收支模型与土壤氮磷收支模型的最大区别。氮磷收支计算中，不仅考虑了再循环氮磷对于小流域输入氮磷的影响，还考虑了再循环氮磷对于小流域输出氮磷的影响。氮磷再循环模块的加入为小流域氮磷迁移平衡的过程特征分析和非点源氮磷的产生机理研究奠定了基础。
　　 ②以土壤氮磷收支模型为基础，确定了外源输入模块和向外输出模块的氮磷收支途径：化肥氮磷、大气沉降氮磷、生物固氮、排泄物还田氮磷、秸秆还田氮磷、淋溶氮磷、径流氮磷、土壤侵蚀氮磷、氨挥发氮、反硝化氮。依据小流域特性和紫色土坡耕地特征，在外源输入模块和向外输出模块中新增外购食品氮磷、外购饲料氮磷、出售氮磷、母岩风化氮磷等途径。精细界定了小流域再循环氮磷模块的：自销食品氮磷、自销饲料氮磷、有机肥氮磷、种子氮磷、秸秆燃料氮磷、生活垃圾还田氮磷等途径。
　　 ③根据对小流域氮磷收支模型的逻辑分析，将模型参数划分为特征参数和基础数据两类。对小流域进行了原位监测，获取三峡库区紫色土坡耕地小流域大气沉降和径流的氮磷系数、氨挥发系数、土壤氮磷背景等特征参数，填补了三峡库区紫色土坡耕地小流域的研究空白；对小流域9块样地和6个农户的跟踪观测，获取化肥氮磷折纯系数、谷草比、秸秆用途及用量、种子还田率、生活垃圾产生量等特征参数；查阅三峡库区或紫色土区的相关研究，获取了生物固氮、母岩风化氮磷、秸秆和种子氮磷含量等特征参数；对小流域进行了2次入户普查，获取了化肥种类及用量，食品饲料种类及消耗量等基础数据。计算得出了小流域氮收支的21条途径的通量和磷收支的18条途径的通量。
　　 ④三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷流失风险已呈现，氮磷损失量分别为294.78 kg/(hm2·a)和12.81 kg/(hm2·a)。分析可知，66.20％的损失氮通过反硝化、氨挥发等气态挥发途径损失，气态氮损失是三峡库区紫色土坡耕地小流域氮损失的主要形式。在不考虑气态氮损失的情况下，53.08％的氮通过淋溶损失，淋溶是三峡紫色土坡耕地小流域主要的非气态氮损失形式。48.72％的损失磷通过土壤侵蚀损失，土壤侵蚀是三峡库区紫色土坡耕地小流域磷损失的主要形式。
　　 ⑤三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷盈余量分别为274.14kg/(hm2·a)和48.20kg/(hm2·a)。其中，氮盈余量是氮污染潜势临界值180 kg/(hm2·a)的1.52倍，高于全国均值154 kg/(hm2·a)；磷盈余量高于全国均值26.1 kg/(hm2·a)。三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷污染潜势呈现。
　　 ⑥三峡库区紫色土坡耕地小流域化肥氮磷量分别为516.80 kg/(hm2·a)和60.16kg/(hm2·a)，分别高于250kg/(hm2·a)和35kg/(hm2·a)的流失风险值。旱地排泄物氮磷还田量分别为400.10 kg/(hm2·a)和42.25kg/(hm2·a)，分别高于170kg/(hm2·a)和35kg/(hm2·a)的流失风险值。化肥和排泄物氮磷过量输入是导致三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷污染的主要原因。另外，三峡库区紫色土坡耕地小流域再循环氮磷利用率仅为42.34％和76.35％，再循环氮磷利用率低也是导致三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷污染的重要影响因素之一。
　　 ⑦三峡库区紫色土坡耕地小流域生物固氮量、母岩风化氮磷量分别为33.31kg/(hm2·a)、0.8kg/(hm2·a)和0.5kg/(hm2·a)。对于生物固氮、母岩风化氮磷等自然氮磷输入功能的发挥有助于三峡库区紫色土坡耕地小流域氮磷污染的防治。