（土壤学专业论文）丹江库区黑沟河流域农业非点源污染研究.pdf

华中农业大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 摘要 随着对水体点源污染的有效控制，水体负荷结构发生了明显的变化。目自i 在许 多地区非点源污染已经成为影响水环境恶化和湖泊富营养化的主要因素，其中农业 非点源污染占有相当大的比例。丹江水库作为南水北调中线工程的水源地，其总体 水质良好，满足调水的要求，但研究发现其上游的一些支流存在着严重的水质污染 现象，这些河流的污染除少数点源污染外，绝大部分是由农业非点源污染引起的。 因此研究丹江库区的农业非点源污染，对于保护丹江水库的水质有着重要的意义。 本论文首先以丹江库区黑沟河流域为研究对象，在对流域农业非点源污染的影 响因素广泛调查的基础上，采用农业非点源污染模型a m n a g n p s 模型对流域2 0 0 4 年非点源污染负荷进行了模拟，验证了该模型在丹江库区低山丘陵型流域应用的可 行性，得到以下主要结论： ( 1 ) 流域累计泥沙污染物为1 6 7 1 4 8 1 吨，以 荒地 林地 居民用地 园地；从单位面积产生 的污染负荷来看，泥沙负荷大小依次为耕地 园地 荒地 居民用地 林地，总氮 和总磷负荷大小依次为：居民用地 耕地 园地 荒地 林地。居民用地、坡耕地 和荒地是主要的非点源污染源区。 其次以湖北省丹江库区典型土壤为供试材料，通过室内土柱试验对磷的淋溶特 征进行了研究，结果表明： ( 1 ) 淋溶液中的磷与施肥量密切相关。随着施肥量的增加，淋溶液中钼酸盐反 应磷( m r p ) 的累计淋溶量和浓度都相应的增加。 ( 2 ) 在连续淋溶3 - 4 次后，淋溶液中钼酸盐反应磷( m r p ) 的浓度达到峰值， 然后随着淋溶的持续进行，其浓度逐渐下降，但下降趋势较平缓；淋溶液中钼酸盐 反应磷( m r p ) 的浓度与土壤的粘粒含量有关 ，淋溶液中钼 黄棕壤，由 ，本论文从控 ；磷；淋溶 华中农业大学2 0 0 6 届硕十研究生毕业论文 a b s t r a c t t h el o a dc o m p o s i t i o no fw a t e rp o l l u t i o nh a sb e e nc h a n g e do b v i o u s l yw i t ht h e e f f e c t i v e l yc o n t r o lo np o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nr e c e n ty e a r s n o n - p o i n ts o u r c e ( n p s ) p o l l u t i o nh a sb e c o m et h ec h i e fc a u s eo fw a t e rc o n t a m i n a t i o na n dl a k ee u t r o p h i c a t i o n e s p e c i a l l ya g r i c u l t u r en p sp o l l u t i o n a st h ew a t e rs o u r c eo fm i d d l er o u t el i n eo f s o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t , t h ew a t e rq u a l i t yo f d a n j i a n gr e s e r v o i ri sa tg o o d s i t u a t i o na n di ss u i t a b l ef o rw a t e rt r a n s f e ri ng e n e r a l b u ti ti sr e p o r t e dt h a ts o m eb r a n c h e s o ft h eu p r i v e ra r ei nb a ds i t u a t i o n , w h i c ha r em a i n l yc a u s e db ya g r i c u l t u r en p s p o l l u t i o n t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ea g r i c u l t u r en p sp o l l u t i o nf o rp r o t e c t i n g t h ew a t e rq u a l i t yo f d a n j i a n gr e s e r v o i r f i r s t l y , h e i g o uw a t e r s h e di nd a n j i a n gr e s e r v o i ra r e aw a sc h o s e na st h es t u d yo b j e c t t h ea c t u a l i t yo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nt h i sa r e aw a ss t u d i e db a s e do n c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n a na g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o nm o d e l ：a n n a g n p sw a s i n t r o d u c e dt os i m u l a t et h el o a do fs e d i m e n t ，n i t r o g e n , p h o s p h o r u se t ei n2 0 0 4 t h e f e a s i b i l i t yt ou s et h i sm o d e li nn a n j i a n gr e s e r v o i ra r e a , t y p i c a lf o o t h i l l ，w a sp r o v e d t h e r e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) t h e r ew e r e1 6 7 1 4 8 1t o n ss e d i m e n t ，9 1 8 2t o n st o t a ln i t r o g e na n d4 4 9t o n s t o t a lp h o s p h o r u sd i s c h a r g e df r o mt h eh e i g o uw a t e r s h e d t h ec l a yp a r t i c l e s ( w a s t e l a n d w o o d l a n d r e s i d e n t o r c h a r d t h ep o l l u t a n tl o a d i n gp e ra r e aw a sd i f f e r e n t ，a n dt h es e d i m e n tw a si nt h e f o l l o w i n go r d e r ：c r o p l a n d o r c h a r d w a s t e l a n d r e s i d e n t w o o d l a n d w h e r e a s 丹江库区黑沟河流域农业非点源污染研究 f o rt na n dt p ：r e s i d e n t c r o p l a n d o r c h a r d w a s t e l a n d w o o d l a n d r e s i d e n t ， s l o p l a n da n dw a s t e l a n dw e r et h et y p i c a ls o u r c e so f t h el o s so f a g r i c u l t u r en p sp o l l u t i o n s e c o n d l y , as i m u l a t e de x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o u tw i t l ls o i lc o l u m n s t h e p h o s p h o r u sl e a c h i n gw a so b s e r v e di nt y p i c a ls o i l sw h i c hw e r ef r o md a n j i a n gr e s e r v o i r a r e ai nh u b e ip r o v i n c e t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d ： ( 1 ) t h ep h o s p h o r u si nl e a c h a t e sw a si n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yb yf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n b o t ha c c u m u l a t i v ea m o u n t sa n dc o n c e n t r a t i o no fm r p ( m o l y b d a t er e a c t i v ep h o s p h o r u s ) i nl e a c h a t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o no f m r p i nl e a c h a t e sc a m et ot h em a x i m u ma t3o r4t i m e sa n d d e c l i n e dg r a d u a l l ya st h et i m e sp a s s e d t h ea m o u n to fc l a yi nt h es o i li n f l u e n c e dt h e c o n c e n t r a t i o no f m r p ( 3 ) l i m e s t o n es o i l ，p u r p l es o i la n dy e l l o wb r o w ns o i la l et h em a i ns o i lt y p e so f d a n j i a n gr e s e r v o i ra r e ai nh u b e ip r o v i n c e i ng e n e r a l ，t h ea c c u m u l a t i v ea m o u n t sa n dt h e c o n c e n 扛a d o no f m r pi nl e a c h a t e sw e r ea sf o l l o w s ：l i m e s t o n es o i l p u r p l es o i l y e l l o w b r o w ns o i l t h e r e f o r el i m e s t o n es o i lh a dh i g hp o t e n t i a lo fpl e a c h i n g , b u tl o wp o t e n t i a l f o ry e l l o wb r o w ns o i l i nt h ee n d ，a i m i n ga tt h ef e a t u r eo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o ni n h e i g o u w a t e r s h e d ，s o m ep r o p o s a l si nm a n a g i n ga n dc o n t r o l l i n gn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a v e b e e np u tf o r w a r d k e yw o r d s ：n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；h e i g o uw a t e r s h e d ；a r m a g n p sm o d e l ； p o l l m i o nl o a d i n g ；p h o s p h o r u s ；l e a c h i n g i v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位级别硕士 学位论文题目：丹江库区黑沟河流域农业非点 源污染研究 所在学院 资环学院 ( 系) 学科专业土壤学导师姓名丁树文学生姓名王静 学位论文 否如需保密，解密时间年 月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：工青争时问：2 0 0 6 年6 月5 日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存，汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表传播学位论 文的全部或部分内容 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文储张工静孙张似、 签名日期：一2 加f 年石月5 日 签名日期：二奄口多年多月，f 日 华中农业大学2 0 0 6 届硕士研究生l # 业论文 1 引言 我国是世界水资源大国，年平均水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，占全球径流资源的 6 左右，居第六位。但人均水资源量很少，仅相当于世界人均水平的l ，4 。同时， 水资源的分布在时间和地区上极不平衡。一方面水资源季节性变化很大，季风性气 候使得年降雨多集中在夏季和秋季；年际间降水变化也很大，有时出现丰枯交替的 现象。另一方面南部地区拥有丰富的水资源，占全国总量的8 0 以上，而北方地区 属于干旱、半干旱地区，水资源贫乏。这种南多北少，南方多洪涝灾害，北方多干 旱缺水的水资源分布格局不仅制约了我国北方地区的社会经济发展，而且也影响了 全国的可持续发展。 国家从五十年代就对南水北调进行了长期勘察调查与可行性研究，目前东线、 中线工程已经开工。南水北调工程的实施，对缓解北方地区水资源严重短缺局面， 实现长江、淮河、黄河、海河四大流域水资源的合理配置，促进经济、社会和生态 的协调发展，具有重大意义。南水北调中线工程从汉江的丹江口水库引水，经河南 省穿过黄河，沿京广线经河北省至北京、天津，一期工程调水8 0 至1 3 0 亿i n 3 。朱 镕基总理在国务院召开的南水北调工程座谈会上强调：南水北调工程务必做到先节 水后调水、先治污后通水、先环保后用水。如何做到三先三后”原则，有效地保护 流域水资源环境、防止水质恶化是南水北调中线工程的头等大事。 丹江口水库涵养区属于我国第二阶梯的东缘，新华夏构造体系第三隆起地带， 是一个以变质岩和石灰岩组成的岭谷相间的山地区域。加之该区域8 0 0 m m - l o o o m m 的降雨的8 5 集中在4 1 0 月，尤其是7 8 月多暴阿，极易产生水土流失。伴随水土 流失而携带的泥沙、氮磷、有机质等污染物对水源区水质产生严重影响。不到l o 年 汉江先后3 次出现大面积“水华”现象。随着工程的开始，库区内2 2 万移民使这一环 境问题更加突出因此丹江库区的农业非点源污染问题日益突出。 根据长江流域水资源保护局多年监测报告，丹江水库水质总体保持优良，为i 、 类水，满足调水水源地要求。然而检测数据显示库区及上游有些河流的入河排污 量已接近水体纳污能力的上限，几条支流存在着严重的水质污染现象，如神定河和 老灌河入库水质污染严重，为v 类水；汉中市汉江河段出现v 类水，商州市丹江河 段出现超v 类，水质重度污染。随着对点源污染控制的重视。这些地区的点源污染 已经得到较好的控制和治理，而非点源污染尤其是农业非点源污染，由于涉及范围 广、控制难度大，目前已成为影响该地区水质的主要污染源。 为了保护水库的饮用水源功能最终实现丹江口水库以长期稳定达到南水北调中 线工程水源地水质要求，确保“一江清水送北京”，必须要控制丹江库区流域的农业 非点源污染 丹江库区黑沟河流域农业非卢源污染研究 2 文献综述 2 1 非点源污染的概念、特征及分类 水环境污染问题通常分为点源污染和非点源污染( 有时也称面源污染) 。点源污 染主要包括工业废水和城市生活污水污染，通常有固定的排污口集中排放；非点源 污染正是相对点源污染而言，是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水 ( 或融雪) 冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体( 包括河流、湖泊，水库和 海湾等) 并引起水体的富营养化或其它形式的污染( n o v o t n y ，1 9 8 1 ) 。鉴于非点源 中包含许多小的点源，美国环保局于1 9 9 7 年在清洁水法修正案中对非点源污染 的进一步定义为：污染物以广域的、分散的，微量的形式进入地表及地下水体。现 在普遍认同非点源污染是指溶解的或固体污染物( 地面的各种污染物质如城市垃圾、 农村家畜粪便、农田中的化肥，农药、重金属等) ，从非特定的地点随着降雨产生的 地面径流，进入受纳水体造成的污染。 与点源污染相比较，非点源污染具有许多显著不同的特征，非点源污染的主要 特点如下( n o v o t n y ，1 9 8 1 ，1 9 9 4 ；李怀恩，1 9 9 6 ) ： ( 1 ) 发生具有随机性。非点源污染主要受水文循环过程( 主要为降雨以及降雨 形成径流的过程) 的影响和支配，而降雨径流具有随机性，所以由此产生的非点源 污染必然具有随机性。 ( 2 ) 排放途径及所排放的污染物具有不确定性。影响非点源污染的因子复杂多 样，从而使其排放途径及排放的污染物具有不确定性。以农业非点源污染为例，农 药和化肥的施用是非点源污染的主要来源，但不同的施用量，在生长季节、农作物 类型、使用方式、土壤性质和降雨条件不同时，所导致的排放途径及排放污染物具 有很大的不确定性。 ( 3 ) 发生机理具有复杂性。非点源污染的发生与传输机理涉及了多个学科的研 究领域，其中包括气象学、水文学、水力学、土壤学、土壤侵蚀学、土壤化学等等， 其复杂性远远超过了点源污染。非点源污染机理的复杂性给非点源污染的监测、非 点源模型的建立和非点源污染的控制提出了巨大的挑战。 ( 4 ) 污染负荷具有时空差异性，污染负荷的时间变化( 次降雨径流过程、年内 不同季节及年际间) 和空口j 变化幅度大。 ( 5 ) 监测、模拟与控制的复杂性，这是由以上几个特点决定的。 在非点源污染引起的各种水环境问题中，不同地区起主导作用的污染源类型各 不相同。根据产生污染物的非点源污染体的不同，非点源污染可分为以下几种类型 ( 贺缠生等，1 9 9 8 ) ： 华中农业大学2 0 0 6 届硕十研究生毕业论文 ( 1 ) 农业非点源污染主要是指农业生产活动中，农田中的土粒、氮、磷、农 药及其它有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排 水和地下渗漏，使大量污染物质进入水体，造成的污染。由于农业生产活动的多样 性，农业非点源污染包括土壤侵蚀，农田化肥农药的施用、农村家畜粪便与垃圾、 农田污水灌溉等，农业非点源污染是最普遍的非点源污染。 ( 2 ) 城市非点源污染主要是指在降雨过程中，阿水及所形成的径流，流经 城镇地面，如商业区、街道，停车场等，聚集一系列污染物，如原油、盐分、氮、 磷、有毒物质及杂物，随之进入河流或湖泊，污染地表水或地下水。此外还包括非 集中排放的生活污水。 ( 3 ) 矿山非点源污染主要是由于人类活动引起的，大面积的露天采石，破坏 了原来的土壤结构和植被，导致严重的水土流失。此外，在降雨条件下，散落在矿 区地表的泥沙、盐类、酸类物质和残留矿渣等污染物，都随地表径流进入水体，形 成非点源污染。 ( 4 ) 大气沉降引起的非点源污染主要足指大气中的营养物质和有毒物质直接 或随同阿水落在地表，引起的非点源污染。酸雨引起的植被破坏或水体污染就是典 型的一类。 美国国家环境保护署( e p a ) 根据污染物的组成及主要来源将非点源污染物主要 分为4 种类型：泥沙( 沉积物) 、营养物质、有毒物质、病菌。泥沙物质是指随降雨 径流进入河流、湖泊、海湾等水体的土壤颗粒。从数量上来看，泥沙物质是所有非 点源污染物最为主要的一种，主要由土壤侵蚀产生。营养物质是植物与动物生长所 必需的，其中氮、磷元素是最主要的两类营养物质，化肥和动物粪便是这些物质的 主要来源。有毒物质指对人和动物健康产生危害的化学物质，包括有机或无机化合 物、重金属、杀虫剂等。病菌是指人体或动物排泄物中一些致病的微生物。 2 2 农业非点源污染的发生过程 农业非点源污染物来自于土壤圈中的农业化学物质，因而，农业非点源污染的 产生迁移转化过程实质上是污染物从土壤圈向其它圈层尤其是水圈扩散的过程。农 业非点源污染本质上是一种扩散污染，对其机理的研究包括两个方面：一是污染物 在土壤圈中的行为；二是污染物在外界条件下( 降水，灌溉等) 从土壤向水体扩散 的过程。前者是研究的基础，后者是研究的重点和关键。近年来，许多学者从动态 过程的角度对农业非点源污染进行了深入研究。作为一个连续的动态过程，农业非 点源污染的形成，主要由以下几个过程组成，即降雨径流、土壤侵蚀，地表溶质溶 出和土壤溶质渗漏，这四个过程相互联系相互作用，成为农业非点源污染的核心内 容( 张玉珍，2 0 0 4 ) 。 3 丹江库区黑沟河流域农业非点源污染研究 2 2 1 降雨径流过程 降雨径流过程是造成非点源污染物输出的主要动力。对降雨径流过程的研究， 大多足以水文学为基础，重点研究作为非点源污染动力的径流的产汇流特性。在径 流的形成过程中，下渗是一个非常重要的因素，因此国外很早就开始对次降雨中的 水分下渗进行了研究比较著名的是h o r t o n 入渗方程以及p h i l l i p 入渗方程和 g r e e n a m p t 入渗方程( h o r t o n ，1 9 4 0 ；g r e e n ，1 9 1 1 ；张玉珍，2 0 0 4 ) 。 并不是每一次降雨都会形成径流，因此许多学者从水文学、水动力学的角度出 发，研究作为暴雨事件响应的径流动力形成的产汇流特性。重点是对其产流条件的 空间差异性进行研究，有助于深刻揭示农业污染的形成。代表性的有早期美国水土 保持局5 0 年代提出的s c s 法( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，1 9 5 6 ) ，由于综合考虑影响 径流形成的下蛰面的空间差异性( 土壤前期含水量，土地利用类型、土壤渗透性和 降雨量大小) ，而广泛的用于非点源污染研究。c r e a m 、a g n p s 和s w 叮等模型 都采用了s c s 法( k n i s e l ， 1 9 8 0 ；y o u n g ， 1 9 8 9 ；a r n o l d ， 1 9 9 3 ) 。l u t z ( 1 9 8 4 ) 对s c s 法进行了修正，考虑了包括基流因子的前期土壤水分状况，比原s c s 法能较 好的模拟水文参数。后来一些学者在模型使用中将s c s 法改为l u t z 法( s g r u n w a l d ， 2 0 0 0 ) 。从6 0 年代初期以来，我国学者还从我国的具体情况出发，提出了许多有特 色的产流计算方法。其中代表性的模型有蓄满产流模型，流域平均下渗率流域分配 曲线相结合的蓄满产流、超渗产流以及综合产流等理论。由于适合我国国情，因而 也被用于区域农业非点源污染计算( 李怀恩，1 9 8 7 ；陈西平，1 9 9 2 ) 。 流域水文模型是上世纪5 0 年代以后逐步发展起来的新的水文技术，它是计算机 技术和系统理论发展中的产物。其主要特点足把流域降雨径流形成过程作为一个系 统，降雨足输入，流域出流过程、实际蒸散发过程及土壤含水量过程是输出。这类 模型在人类活动对水文影响等研究中，已逐步成为一个重要的工具。已涌现出了大 量的流域水文模型。如著名的美国的s t a n f o r d 模型( c r a w f o r d ，1 9 9 6 ) ，它是1 9 6 6 年由s t a n f o r d 大学丌发的一种机理模型。该模型可模拟降雨、融雪、植物截流、入 渗、蒸散发、坡面漫流、壤中流、地下径流、土壤蓄积、河槽流等一系列自然过程， 这是水文界广泛采用的一个流域模型。它可以用来模拟降雨后流域出口断面的径流 形成过程，对产流部分的模拟是该模型的核心部分。由于模型运算所需的数据量较 大，应用上还不是很广泛。s h e ( s y s t e mh y d r o l o g i q u ee u r o p e a n ) ( a b b o t t ，1 9 8 6 ) 模型属于连续的分散机理模型，它可用于模拟融雪过程、蒸散发、地下水流和沟道 水流、饱和及非饱和产流的地表径流。s h e 模型在欧洲应用相当广泛。 2 2 2 土壤侵蚀过程 土壤侵蚀( s o i le r o s i o n ) 是指在水力、风力、冻融、霞力等外营力作用下， 土壤、土壤母质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全部过程( 王 l 先等，2 0 0 5 ) 。土壤侵 华中农业大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 蚀过程是农业非点源研究的重要内容，因为泥沙本身不仅是一种重要的非点源污染 物，而且泥沙是有机物、金属、营养元素等污染物的主要载体。 在土壤侵蚀这一方面，应用较广的是通用土壤流失方程u s l e ( u n i v e r s a ls o i l l o s se q u a t i o n ) 模型，u s l e 模型综合考虑影响土壤侵蚀的五大因素：降雨因子，土 壤因子，地形因子，作物因子和管理因子，并被不断的修正和扩展。修正的通用土 壤流失方程r u s l e ( r e v i s e du n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) 方程与u s l e 相比，模拟 的精度和范围有了大幅度提高。8 0 年代后期，从机理上对土壤侵蚀、沉降过程的研 究得到了较大的发展，开发出w e p p ( w a t e r e r o s i o n p r e d i c t i o n p r o j e c t ) 模型，w e p p 是一种基于物理过程的模型( f o s t e r , 1 9 9 5 ；a s c o u g h , 1 9 9 7 ) ，被称为“新一代土壤侵 蚀预报模型”。 我国对土壤侵蚀的研究做了大量的工作，主要成果有周伏建( 1 9 9 5 ) 对福建省 土壤流失方程的应用研究；江忠善( 1 9 9 6 ) 、蔡强国( 1 9 9 8 ) 对黄土高原次降雨侵蚀 产沙模型的研究；蔡崇法( 2 0 0 0 ) 对长江上游中小流域产沙模型的研究等。我国学 者所做的这些工作，深化了土壤侵蚀规律的研究，是对国际土壤侵蚀研究的重要发 展。 2 2 3 地表溶质溶出过程 国内外学者均对地表土壤溶质随径流流失过程作了有益的探讨和研究，提出了 一系列的概念和理论。最早提出的概念是有效混合深度( e d i ) ，随后出现了等效迁 移深度概念( 王全九，1 9 9 8 ) ，并建立了其确定方法。国外早期主要是关于农业非点 源污染物氮磷元素在农田中的径流流失量及对水体的影响。后期的研究主要是以减 少污染输出的角度研究氮磷元素从农田中的径流流失机理和规律。 化肥和农药是保证农业生产和提高农作物产量的短期内无法替代的物质，使用 规模直接决定总氮、总磷、有毒有机物和无机物的产生量。对水环境非点源污染贡 献较大的是氮肥和磷肥耕作方式通过干扰水文系统对非点源污染产生作用。翻土 耕作容易造成土壤结构破坏，表层土质疏松，从而使得水土流失现象严重。保土耕 作，通过降低地表径流及能量来影响水土和农用化学物的流失，能有效的控制水土 流失，减少泥沙结合态磷的流失，但有可能增加生物有效磷和可溶性磷的流失( 王 珂，1 9 9 6 ) 。水肥管理的科学程度同样影响非点源污染，如污水灌溉、农田漫灌都可 能在农田径流的过程中把污染物质转移汇入水体( 易秀，2 0 0 1 ) 。g a y n o r ( 1 9 9 5 ) 等 人研究农田耕作方式对磷和土壤流失的影响，表明休闲耕作的农田，其磷的流失小 于不休耕作的农田，但土壤的流失量要大得多。g a y n o r 等人( g a y n o r , 1 9 9 5 ；s h a r p l y , 1 9 8 9 ) 通过对翻耕地的麦田研究表明，在免耕的麦田，总磷的流失量为2 3 k g ( h n l 2 a ) ， 且4 9 的总磷通过沉积物流失；而在翻耕的农田，总磷的流失量达6 8 k g ( h r n 2 a ) ， 且9 8 的总磷通过沉积物流失。 丹江库区黑沟河流域农业非点源污染研究 氮磷的流失受降雨的影响较大。很多研究显示，氮磷的大部分流失发生在少数 几次大暴阿中，施用化肥到出现暴雨的时间问隔越短，流失量越大，其中氮的流失 量可高达施用量的1 5 。邬伦( 1 9 9 6 ) 在于桥水库流域内，通过人工降雨试验发现， 氮磷输出随降水强度的增大而增大，反映出强度大的降水侵蚀作用强烈，随水土流 失的氮磷量也大，但氮磷的输出浓度随降雨径流过程减小。 氮磷流失的形态与地表径流的关系。大部分氮( 8 8 0 ) ，磷( 7 - 3 0 ) 是以 溶解态形式随地表径流流失，如b e n o i tj a c k s o n ( 1 9 7 3 ) 等人早期的研究表明，磷基 本上通过地表径流流失。s h a r n y 等( 1 9 9 4 ) 研究结果显示径流中7 5 一9 5 的总磷处 于非溶解状态下。c u l l e y 等人对连续种植玉米的田地的研究表明，每年沉积物和总 磷的流失分别达4 0 7 k g h m 2 和o 8 8 k g h r a 2 ，作物覆盖率和化肥施用量大大增加溶解 态磷的流失。n g 等人( 1 9 9 3 ) 研究发现，磷的流失形式与径流量无关，但在径流初 期，颗粒态磷的流失比倒高于溶解态。s h a r p l e y 和s m i t h ( 1 9 8 9 ) 研究了地表径流量 与径流中p 浓度两者之问的相互关系，显示出二者之问具有较好的相关关系。地表 径流也是影响土壤养分p 流失的重要因子。 土地利用方式不合理是非点源污染关键成因( 郑一，2 0 0 2 ) 。氮磷的流失与土地 利用方式、化肥的投入集约程度等有关。z a m p e l l a ( 1 9 9 4 ) 的研究表明，流域内土 地利用的集约度越高，氮和磷输出水平也相应地越高。单保庆等( 2 0 0 0 ) 以人工模 拟降雨的试验方法，对巢湖六叉河小流域非点源污染磷的输出动态进行了研究，结 果表明，阿强同为0 7 9 m m m i n 下，产流量顺序为：森林坡地 水稻田 村庄场院 油 菜地，村庄是各种磷污染物的最大输入者，菜地次之。黄丽等( 1 9 9 8 ) 选择5 个小 区，说明三峡库区土壤养分流失多少与土地利用的关系为：免耕橙区 农区，梯地 坡耕地。土地利用类型深刻地影响着总氮和总磷的输出特征。有研究表明，氮和磷 输出量耕地最高，林地最少，荒坡草地中等( 邬伦，1 9 9 6 ；李佩武，1 9 9 8 ) 。 2 2 4 土壤中溶质渗漏过程 对土壤中溶质的下层渗漏过程的研究，足目前农业非点源污染研究中的又一热 点。研究的对象主要是施入农田中的氮和磷，对氮的研究主要表现在对硝态氮淋失 量的估算，影响其淋失的各种因素包括施肥量、生物固氮、氮肥形态、土壤种类、 降水量和施肥技术等的研究。对磷素的研究主要集中在淋失的形态、影响因素、可 能机理等 影响硝态氮淋失的土壤性质主要足土壤的物理性质，如质地、孔性、结构性以 及水分状况等。过量的氮很容易在砂质土壤上淋失，并且砂质土壤的通气性好，易 发生氮素的矿化与硝化，而不易发生反硝化，积累的硝态氮以气态的形式损失较少。 a n v i m e l e c h 等对灌溉果园的研究表明，在沙壤土中大约5 0 的肥料氮被淋失，而粘 壤上上淋沈只占1 2 。p a r t t 等认为，沙壤土和粘壤土硝态氮的淋失比例大约为5 ：1 。 华中农业大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 降水影响可溶态氮素的向下迁移，只有饱和水流才能引起显著淋失。通常情况 下氮淋失和降雨量呈正相关( 范丙全，1 9 9 8 ；b e r g s t r o m ，1 9 8 6 ) 。b a u d e r ( 1 9 7 9 ) 土 柱模拟试验表明，尿素在一次使用和过度灌溉时淋失最大，而分次使用和适度灌溉 时淋失最小，灌溉量对氮素淋失的影响甚至比施肥量更明显。 氮肥施用量和土壤中硝酸盐的积累与淋失量密切相关，土壤中的硝酸盐累积量 随着施氮量的增加而增加，秋季土壤中硝态氮积累和施氮量呈线性或非线性相关。 但在正常合理的施肥水平下一般不会造成硝酸盐大量的积累。过量的或不当的施肥 才导致硝酸盐在土壤中大量的积累进而淋失的现象( h a n s e n ，1 9 9 6 ；b e c k w i t h ，1 9 9 8 ； 支春增，1 9 9 6 ：樊军，2 0 0 0 ) 。积累是潜在的淋溶氮库，在土壤水分不受限制因子的 地区，过量施肥能明显导致硝酸盐淋失( h a l l b e r g ，1 9 8 7 ： 黄元仿，1 9 9 7 ) 。许多研 究显示施肥量与氮素淋失率呈正相关关系( 中国农业科学院土壤肥料研究所，1 9 9 4 ) 。 耕作通过影响土壤矿化和水分运动而影响硝态氮的淋失。耕作增加硝态氮淋失 的量达到2 1 ( w a n g ，1 9 9 5 ) 。免耕和传统耕作相比。0 - 1 2 0 c m 内硝态氮的累积量减 少一半( d o u 1 9 9 5 ) 。就淋失量来说，耕地休整 豆科作物 非豆科作物( f r a n c i s , 1 9 9 4 ) 。在大田条件下，很难区分单个因子的作用，而是多个因子共同作用的结果。 不同施肥时期和耕作时期对硝态氮的影响是：秋施 夏施 春施，秋耕 春耕( d j u r h u u s ， 1 9 9 7 ： m o i l e r , 1 9 9 7 ) 。 h e c k r a t h 和b r o o k e s 等( 1 9 9 5 ) 认为。研究随土壤淋溶的磷素可以从总磷( t p ) 、 总颗粒附着磷( t p p ) 和总溶解态磷( t d p ) ，总溶解态磷( t d p ) ( 又分为反应性 无机磷( m r p ) 和溶解性有机磷( d o p ) ) 等形态进行研究。他们研究得出。长期( 1 5 0 多年) 不同施肥土壤排水中t d p 和t p p 占总磷含量( t p ) 比例的顺序为：t d p ( 6 6 0 - 7 1 ) t p p ( 2 3 0 0 - 3 5 ) 。在t d p 中，m r p 占绝大多数( 约为总磷含量的 6 6 8 6 ) 。该结论与c u l l e y 等( 1 9 9 8 ) 的结果一致( m r p 、t p p 和d o p 分别为 6 2 一6 8 、1 7 2 5 和1 1 1 7 ) 。而h o w s e 等报道英国牛津地区一粘壤土的排水 中磷以颗粒附着态为主。t o o r 等( 2 0 0 1 ) 用原状土渗漏计方法研究土壤中不同施肥 处理渗漏水中磷素含量得出，渗漏液中总磷( t p ) 浓度多数在9 5 0 1 3 8 5p g ，l 之间； 颗粒附着态磷( t p p ) 和可溶性磷( t d p ) 的数量相当，分别占总磷的5 1 和4 9 。 影响农田土壤磷素淋溶的因素很多，也很复杂。c o x 等( 2 0 0 1 ) 对澳大利亚南 部牧草地磷素淋溶研究表明，磷素淋溶损失量与降水量有极强的相关性，而且，淋 溶高峰与降水强度关系密切。h e c k r a t h 等( 1 9 9 5 ) 也得出磷素淋溶量与降水量的良 好相关性的结论h a r t i k a i n e n ( 1 9 8 2 ) 认为磷在土壤中移动与土壤质地有关，质地 细难淋移。一般在细质地土壤上，磷吸附能力强，施用矿质肥料只有很小的磷移动 发生。a d d i s c o t t 等( 2 0 0 0 ) 认为，耕作可以增加土壤表面粗糙度，使土壤饱和导水率 增大，从而增加磷素的淋溶损失量；但是，耕作能减小土壤容重，减少淋溶量当然， 耕作时农机轮子可以使土壤形成裂缝，容易形成优先流而促进淋溶。另外耕作还可 以压实亚表层土壤而促进土壤磷素的亚表层径流( 淋溶) 等。h e c k r a t h 等证明对土 丹江库区黑沟河流域农业非点源污染研究 壤的扰动，会增加颗粒附着态磷( t p p ) 的比例而减小可溶态反应性无机磷( m r p ) 的比例。 磷淋失最基本的条件是磷源、水分运动和运输途径。地表径流长期以来被认为 是磷从土壤到水体的主要途径，而亚表层径流可以是某些地区磷运移的重要途径。 h e c h r a t l l 等( 1 9 9 5 ) 研究认为，土壤o l s e n - p 浓度超过一定值时( 约6 0 m g k g ) ，磷 就会通过亚地表径流损失，机理可能足优先流或磷以不易吸附的形态快速移动而最 终以钼酸盐反应磷( m r p ) 的形态被测出。磷向地表水的损失由于引进了人工排水 体系而更容易了，它在亚表土大孔隙与地表水之问提供了横向的通道。k l e i n m a i n ( 2 0 0 3 ) 研究了土壤粘土膜样品的磷含量，许多粘粒膜样品磷的饱和度高于相对应 的本体样品。为磷从优先流途径淋失提供了进一步的证据。 2 3 农业非点源污染研究方法 剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系是国内外非点源污染研究的基本 出发点。目前对农业非点源污染的研究主要有野外实地监澳0 、人工模拟降雨和数学 模型计算机模拟等方法。 2 3 1 野外实测 非点源污染研究的关键是能否获取必要的基本数据( 包括背景资料和降雨径流 监测数据) 。早期的研究工作中，几乎所有资料全部依赖于野外实地监测。但足，由 于非点源污染是一种间歇发生的，随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程。所 以，基础数据收集工作的劳动强度大、效率低、周期长、费用高，而且往往由于数 据资料缺乏或可靠性差等原因，影响污染负荷的估算精度。当前，野外实地监测仍 是非点源污染研究中不可缺少的一种手段，但它在多数情况下仅是作为一种辅助手 段，主要用于各类模型的验证和模型参数的校正。在野外实测中，多采用综合试验 场法和源类型划分法。 ( i ) 综合试验场法具体方法是，先在研究区域内选择一块面积不大，又有代 表性的典型径流小区，在径流小区内同步监测降雨径流的水量和水质。最后，以小 区的单位污染负荷量估算整个研究区域的非点源污染负荷量。采用这种方法，工作 量不大，花费也较少，因而在我国得到广泛应用。但工作中典型小区较难确定，而 且非点源污染是一种时空差异性很强的现象，仅以小区研究代替大区域，显然污染 负荷的计算精度不高，也不利于了解污染的地域差异 ( 2 ) 源类型划分法方法源类型划分法方法与综合试验场法基本相同。不同点 在于，先对研究区域进行详细调查，根据土地利用状况划分为不同的非点源类型区。 然后在每个源类型区内选择一块典型小区作为径流试验场，同步监测水量和水质， 建立各源类型的污染负荷估算模型。这种方法考虑了不同土地利用方式对非点源污 染总负荷量的贡献，对优先控制区的确定及防治对策的制定起到了积极的作用( 鲍 全盛，1 9 9 6 ；董维红，2 0 0 2 ) ，但是工作量和费用也相应增加了很多。 8 华中农业大学2 0 0 6 届硕士研究生毕惶论文 2 3 2 人工模拟 随着对降雨机理的深入研究，人工降雨器能够模拟出各种类型的自然降雨。因 而可以在人为控制条件下模拟各种自然条件下的非点源污染。人工模拟试验的优点 是可以获取大量在野外工作中无法得到的数据，解决了传统方法研究周期长、耗资 高等缺陷。目前，人工模拟试验主要用于非点源污染机理和模型的研究( 单保庆等， 2 0 0 0 ) 国外的应用较多，如r h e a 等( 1 9 9 6 ) 在美国内华达州的采用人工降雨方法 研究了土壤中胶体结合态氮和磷的迁移b a r r o s 等( 1 9 9 9 ) 用人工降雨技术研究了 砂壤土和粉质粘壤上的降雨径流的产流特征。 2 3 3 数学模型计算机模拟 在进行非点源污染的量化研究以及影响评价和污染治理时，最为直接和有效的 研究方法是建立模拟模型，进行时间和空间序列上的模拟。在非点源污染研究中， 对定量控制和过程的要求较为严格，从客观上促进了非点源污染模型的发展。随着 人们对非点源污染研究的深入，理论的成熟。监测的完善，农业非点源污染模型取 得了长足的进步，定量计算方法日趋完善。 2 4 农业非点源污染模型的研究 2 4 1 模型的发展阶段 1 9 7 2 年美国水污染控制法修正案的制定标志着非点源污染研究的重大转折。 这项法律明确规定，在制定水污染防治规划时，必须同时包括点源和非点源防治规 划。这项法律极大地