稻田生態(tài)系統(tǒng)對外源氮、磷的消納.pdf

1、在點源污染逐漸得到控制以后，面源污染成為危害水環(huán)境的重要污染源。農(nóng)業(yè)面源污染尤其是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的氮、磷流失已經(jīng)給三峽水庫帶來了極大的環(huán)境壓力。這種氮、磷流失具有分散性、隱蔽性、隨機性、潛伏性、累積性和模糊性等特點，因此不易監(jiān)測、難以量化，研究和防控的難度較大。目前庫區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中缺乏對此類污染的有效應對措施，雖然人工構(gòu)造濕地能夠有效地去除生活污水、河道污水、灌溉排水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，但是人工濕地的構(gòu)造成本較高，需要占用較多的土地面積

2、且沒有糧食生產(chǎn)力，在人多地少的中國其現(xiàn)實價值需要進一步研究。灌溉水田是具有獨特生物多樣性的人工濕地系統(tǒng)。這個系統(tǒng)既有吸納雨水、灌溉水或污水中所含的氮、磷素等養(yǎng)分的作用，又有沉降進入水體中固體懸浮物和消解有毒物質(zhì)等生態(tài)功能。因此，本文試圖以廣泛分布于三峽庫區(qū)的水田來消納農(nóng)田徑流中的氮、磷等面源污染物質(zhì)，研究這一獨特的人工濕地系統(tǒng)對外源氮、磷的消納效果，減少由農(nóng)業(yè)面源污染給三峽水庫帶來的氮、磷負荷。
　　 1)通過模擬實驗，研究了壟

3、作、平作以及在不同施肥水平下，稻田生態(tài)系統(tǒng)對外源污水中氮、磷的消納效果。結(jié)果表明：全氮(total nitrogen，TN)濃度為15 mg L-1(其中NH4+-N13.5mg L-1，NO3--N1.5 mg L-1)、總水溶性磷(total dissolved phosphorus，TDP)濃度為2.0 mg L-1的污水加入3 d后，稻田田面水中NH4+-N濃度平均降低了93％，壟作和平作沒有顯著差異。各處理NO3--N濃度在灌

4、水后均迅速上升，3 d后達到峰值，平均為9.1 mg L-1；7 d后壟作NO3--N濃度平均降至6.8 mg L-1，平作為3.5 mg L-1；14 d后平均降至1.4 mg L-1，不同耕作處理與施肥處理間差異均不顯著。田面水中有機氮(organic nitrogen，ON)含量均在污水加入1 d后達到峰值，完全施肥處理下田面水中有機氮(ON)含量為11.6 mg L-1，顯著高于減量施肥處理的濃度(4.3 mg L-1)，說明稻

5、田田面水中的氮主要來自施肥。完全施肥處理下田面水中氮含量在淹水后的初期高于減量施肥的處理。但2周后肥料處理的差異不顯著。污水加入1 d后，稻田田面水中溶解態(tài)活性磷(dissolved reactive phosphorus，DRP)和TDP濃度分別降低了22％～36％和6％～27％；3 d后，DRP和TDP濃度分別降低了73％～89％和53％～66％。各處理田面水中溶解態(tài)有機磷(dissolved organic phosphorus，

6、DOP)濃度在污水加入后均迅速上升，3d后達到峰值0.21～0.30 mg L-1:7 d后DOP濃度平均降至0.11 mg L-1。田面水中磷素的形態(tài)特征，在水稻生長發(fā)育前期，田面水中TDP主要以DRP形式存在，在水稻生長發(fā)育中期DRP和DOP的含量基本相同；在水稻生長發(fā)育后期DRP的百分含量又有升高的趨勢。研究表明因此污水進入稻田前1周是控制氮、磷素流失的關鍵時期。
　　 2)外源污水加入后對土壤中氮、磷動態(tài)也產(chǎn)生了影響。外

7、源污水加入后3 d土壤中NH4+-N、NO3--N、pH均達到峰值，其中NH4+-N29.4～46.5 mg kg-1，NO3--N12.3～21.4 mg kg-1，pH7.9～9.1，完全施肥處理顯著高于減量施肥處理，壟作與平作之間差異不顯著。7 d后NH4+-N、NO3--N、pH顯著降低，處理之間差異不顯著。外源污水加入后3 d，土壤中NH4+-N增加了5.76～9.70 gm-2，顯著高于田面水中NH4+-N的損失量1.15～

8、1.34 gm-2，田面水和土壤中NO3--N分別上升了0.64～0.91 gm-2和2.02～4.12 gm-2。表明田面水中NH4+-N的減少可能對土壤中NH4+-N的升高有一定的貢獻，而田面水中NO3--N的增加量可能來自土壤。土壤中堿解氮和Olson-P濃度均在污水加入后1d達到峰值，完全施肥處理顯著高于減量施肥處理，壟作與平作之間差異不顯著。土壤中TN和TP在試驗期間有下降的趨勢，但是差異不顯著。相同施肥條件下，壟作較平作能夠

9、獲得更高的生物產(chǎn)量，意味著能夠帶走更多的氮、磷。
　　 3)作為庫區(qū)主要坡地土壤資源的紫色土，其質(zhì)地松軟，易于風化，抗蝕性較差，加之庫區(qū)山高坡陡、降雨集中且強度大，水力沖蝕作用強烈，極易形成水土流失，這為面源污染物遷移轉(zhuǎn)化提供有效載體。庫區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥過量且肥料利用率低，導致大量氮、磷極易隨徑流進入水體，對三峽水庫水環(huán)境造成不利影響。本文通過徑流場試驗分析了2010年5月1日至7月10日間6次降雨過程中紫色土坡耕地的氮、磷流失

10、特征。結(jié)果表明：大雨時產(chǎn)生的徑流量分別為中雨和小雨時的2.34和7.59倍，同時大雨產(chǎn)生的徑流中TN、TP含量高于小雨和中雨時，導致大雨導致的氮、磷流失遠遠超過中雨與小雨。大雨時產(chǎn)生的累積泥沙量分別是中雨和小雨的8.34和111.38倍。紫色土坡耕地徑流中TN、TP的主要形式是有泥沙攜帶的顆粒態(tài)氮、磷，降雨量越大，顆粒態(tài)氮、磷的比例越高。中雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)氮占TN的74.9％～75.9％，大雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)氮占TN的比例更高，達

11、到85.0％～92.6％。顆粒態(tài)磷是徑流中磷的主要形態(tài)，大雨、中雨、小雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)磷占TP的比例分別為96.6％～97.7％、93.9％～96.2％、90.5～94.4％。紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙為載體，這在降雨量較大時表現(xiàn)得尤為明顯?？刂破赂氐?、磷流失應著重考慮控制降雨量較大時的氮、磷流失。
　　 4)通過田間試驗測定了坡面徑流進入稻田生態(tài)系統(tǒng)后，面積約200 m2的壟作稻田對徑流中氮、磷的消納效果。徑流灌

12、入水田后24 h，徑流中TN和顆粒態(tài)氮濃度分別下降了60.1％～88.0％和91.2％～98.7％，且各處理之間沒有顯著差異。大雨產(chǎn)生的徑流中TN濃度顯著高于中雨和小雨，徑流進入水田后田面水中TN濃度高于小雨和中雨徑流進入水田后田面水中TN濃度，但是這種差異僅僅體現(xiàn)在前3 h。徑流樣品剛剛加入后，水田田面水中顆粒態(tài)氮占較高的比例，顆粒態(tài)氮占TN的43.5％～87.7％。隨著時間的推移，顆粒態(tài)氮占TN的比例逐漸下降，其他形態(tài)的氮素所占的比

13、例逐漸上升，徑流樣品加入后24 h，顆粒態(tài)氮占TN的比例下降至10.2％～22.7％，其他形態(tài)的氮素所占的比例升至77.3％～89.8％；可溶態(tài)的無機氮和有機氮成為TN主要組成部分。水田生態(tài)系統(tǒng)對坡面徑流中磷的控制方面同樣表現(xiàn)出較高的效率，徑流灌入水田后24 h，6次降雨過程產(chǎn)生的徑流中TP和顆粒態(tài)磷濃度分別下降了60.6％～86.0％和82.9％～93.0％，且各處理之間沒有顯著差異。徑流樣品剛剛加入水田后，水田田面水中顆粒態(tài)磷占較高

14、的比例，顆粒態(tài)磷占TP的89.7％～97.7％。隨著時間的推移，顆粒態(tài)磷占TP的比例逐漸下降，徑流加入后24 h，顆粒態(tài)磷占TP的比例下降至37.4％～45.7％。水田生態(tài)系統(tǒng)對坡面徑流中氮、磷消納體現(xiàn)出較高的效率，主要得益于其能夠較快地消納顆粒態(tài)的氮、磷。
　　 5)農(nóng)田氮的流失不僅僅帶來土壤肥力損失，同時造成水體富營養(yǎng)化以及飲用水的質(zhì)量問題，因此科學評價土壤的供NH4+狀況對制定農(nóng)田施肥策略更加重要。運用容量強度關系(qua

15、ntity-intensity relationships，Q/I)有別于一般的確定土壤NH4+有效性的方法，它能夠描述土壤溶液和陽離子交換位點間的均衡狀態(tài)，從而可以用來科學地評價土壤的供NH4+狀況。研究了4種土地利用方式下(水田、旱地、林地、菜地)紫色土(紫色濕潤雛形土)和紫色水稻土(紫色水耕人為土)NH4+的容量和強度(Q/I)關系。結(jié)果表明：紫色土和紫色水稻土NH4+Q/I曲線的曲線部分均出現(xiàn)在NH4+的活度比(ARNH4)較低

16、時，表明土壤存在非交換性NH4+(或?qū)Ｐ晕降腘H4+)的釋放。紫色土和紫色水稻土NH4+的潛在緩沖容量(PBC)為71.47～203.7 cmol kg-1(mol L-1)-1/2；土壤活性NH4+(-△NH40)為0.0295～0.0897 cmol kg-1，NH4+的平衡活度比(AR0NH4)為0.187×10-3～1.255×10-3(mol L-1)1/2；土壤專性吸附位點(NH4-sas)為0.0106～0.1185 c

17、mol kg-1。相關分析和通徑分析表明，土壤小于0.002 mm黏粒含量與NH4+PBC及NH4-sas均呈極顯著正相關(p<0.01)，小于0.002 mm黏粒對PBC的影響主要是間接作用(間接通徑系數(shù)為0.585)，但對NH4-sas則有強烈的直接作用；有機碳與-△NH40和AR0NH4均呈極顯著正相關(p<0.01)，但是有機碳對-△NH40有較大的直接效應(直接通徑系數(shù)為0.966)，而對AR0NH4的影響主要以間接效應為主。