小清河流域農(nóng)業(yè)面源氮素污染模擬研究.pdf

1、氮肥的廣泛使用是近現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量起到了至關(guān)重要的作用；然而隨著氮肥投入量增加，土壤中過(guò)量的氮素以各種形式進(jìn)入周?chē)h(huán)境。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展也產(chǎn)生了大量氮素流失，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮流失是農(nóng)業(yè)面源氮素污染的主要原因。本文選擇包含徑流和畜禽養(yǎng)殖過(guò)程的最新版Manure-DNDC模型，在山東小清河流域典型農(nóng)田和畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證；借助遙感與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，利用多種來(lái)源數(shù)據(jù)建立以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的小清河流域數(shù)據(jù)庫(kù)；模

2、擬評(píng)價(jià)2008年小清河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡狀況，分析農(nóng)業(yè)面源氮素污染時(shí)空分布特征，并提出有效地優(yōu)化管理措施。主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)實(shí)地驗(yàn)證了改進(jìn)版農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)模型--Manure-DNDC。利用山東小清河流域典型輪作系統(tǒng)冬小麥/夏玉米、冬小麥/大蔥、設(shè)施蔬菜地田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Manure-DNDC進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明Manure-DNDC模型能夠較好地模擬農(nóng)田土壤氣候、作物生長(zhǎng)、氮淋溶等動(dòng)態(tài)過(guò)程。利用廣饒縣

3、肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，模型能夠較好地動(dòng)態(tài)模擬畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中排出的糞便和尿的氮素含量，以及圈舍氨揮發(fā)量。區(qū)域驗(yàn)證也取得了較好地效果，模型能夠合理預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量和徑流量，其中對(duì)冬小麥和夏玉米總產(chǎn)量模擬的R2值均在0.8以上。
　　 (2)建立了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的小清河流域農(nóng)業(yè)面源氮素污染評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了小清河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)。針對(duì)小清河流域地勢(shì)低平的特點(diǎn)，研究提出了遙感圖像識(shí)別與GIS空間分析相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)

4、建方法，首先利用高分辨率遙感圖像識(shí)別中下游主干河道，修改DEM后提取流域邊界以及主要河流網(wǎng)絡(luò)，再計(jì)算坡度、坡長(zhǎng)、最大水流長(zhǎng)度等地形因子。同時(shí)通過(guò)查表獲取主要土壤侵蝕因子，利用模型估算土壤水分常數(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量、作物播種面積和管理措施、氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、以及畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)構(gòu)建小清河流域以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的農(nóng)業(yè)面源氮素污染數(shù)據(jù)庫(kù)。將數(shù)據(jù)庫(kù)與經(jīng)驗(yàn)證后的Manure-DNDC模型結(jié)合，綜合考慮地表產(chǎn)匯流與土壤侵蝕規(guī)律，構(gòu)建了流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡

5、綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為定量評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。
　　 (3)小清河流域農(nóng)田種植與畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生大量氮素盈余，農(nóng)業(yè)面源氮素污染負(fù)荷很高。2008年農(nóng)田氮素投入總量為25.99萬(wàn)噸，其中化肥氮18.42萬(wàn)噸，有機(jī)肥氮6.66萬(wàn)噸，相當(dāng)于每公頃農(nóng)田施用化肥282.06 kg N、有機(jī)肥101.95 kg N。農(nóng)田淋溶和徑流損失氮素分別為2.38萬(wàn)噸、0.71萬(wàn)噸，平均淋溶和徑流損失分別為36.42 kg N/hm2、10.82kg N/hm

6、2。畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中通過(guò)徑流損失氮素4.66萬(wàn)噸，堆肥場(chǎng)所有3.50萬(wàn)噸氮素殘留。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素徑流損失總量是淋溶損失總量的2.26倍，其中86.83％發(fā)生在畜禽養(yǎng)殖以及糞便處理過(guò)程中。
　　 (4)農(nóng)田氮素淋溶具有明顯的區(qū)域差異，水肥管理是影響氮素淋溶強(qiáng)度的主要因素。濟(jì)南市南部、章丘市中北部、以及壽光市部分地區(qū)農(nóng)田氮素淋溶比較嚴(yán)重，其中有41個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過(guò)30kg/hm2。氮素淋溶與施肥量的關(guān)系非常密切，當(dāng)施肥量低于300 kg/

7、hm2時(shí)，70％以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)淋溶強(qiáng)度小于10 kg/hm2，當(dāng)施肥量大于400 kg/hm2時(shí)，約20％的氮肥受到淋溶。降水與灌溉是農(nóng)田氮素淋溶的主要驅(qū)動(dòng)力，流域內(nèi)約70％的氮素淋溶發(fā)生在六、七月份。從不同的輪作模式看，蔬菜三季輪作的氮素淋溶損失量最高，達(dá)到1.07萬(wàn)噸，單位面積氮素淋溶量為285.32 kg/hm2。小麥/玉米輪作模式的平均淋溶強(qiáng)度為18.72 kg/hm2，因?yàn)椴シN面積較大，淋溶總量也達(dá)到6192.25噸氮。集約化糧食

8、作物和設(shè)施蔬菜地是農(nóng)田氮素淋溶的主要來(lái)源。
　　 (5)氮素徑流損失強(qiáng)度主要受坡度、降水、土壤性質(zhì)以及畜禽養(yǎng)殖量的影響，徑流損失氮素以有機(jī)氮為主。農(nóng)田氮素徑流損失強(qiáng)度比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要位于流域上游的濟(jì)南市歷城區(qū)、章丘市、鄒平縣南部的，流域中部的廣大地區(qū)農(nóng)田徑流損失一般都低于5 kg/hm2。農(nóng)田氮素徑流損失總量最大的是小麥/玉米輪作，其次是棉花以及小麥、玉米單作。畜禽養(yǎng)殖以及糞便處理過(guò)程中的氮素徑流損失在整個(gè)流域內(nèi)都很?chē)?yán)重，有31

9、個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)損失強(qiáng)度超過(guò)100 kg/hm2，其中濟(jì)南市南部和章丘市最突出，主要原因是畜禽養(yǎng)殖規(guī)模大。牛排出的氮素中以氣體成分損失的比例最高，家禽排出的氮素施入農(nóng)田的比例最高。
　　 (6)農(nóng)田氮素投入過(guò)量、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與農(nóng)田面積不匹配、畜禽糞便處理方式不合理是造成本地區(qū)農(nóng)業(yè)面源氮素污染的主要原因。減輕小清河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮流失與農(nóng)業(yè)面源氮素污染負(fù)荷的有效措施主要有控制集約化糧食作物和設(shè)施蔬菜地的氮肥投入量，適當(dāng)減少蔬菜地灌溉量，限