（农业水土工程专业论文）控制排水对稻田面源污染的减排影响.pdf

摘要 摘要 近年来，由农业所造成的面源污染己不容忽视。在施肥水平一定的情况下， 减少农业面源污染的关键在于合理控制农田排水。本文围绕因控制排水而诱发的 水质变化开展了比较系统的试验研究，力图通过研究提出具有一定理论基础和实 用价值的新的农田控制排水方式，为确定新的排水标准提供理论依据。 本文以水稻为供试作物，于2 0 0 7 5 2 0 0 7 1 0 在河海大学节水园区的蒸渗测坑 内进行了水稻控制排水试验。通过控制稻f 日的蓄水深度、蓄水时间、受旱深度和 受旱时间，对稻田水质和土壤理化性质的变化进行了分析，并对稻田排水产生的 污染和水稻产量进行了投影寻踪评价。 分析表明，不同的控制排水方式可诱发稻阳水质产生不同的变化趋势，蓄水 条件下，水稻各生育期稻田地表水t p 浓度随蓄水深度的增加而减小，随蓄水历 时的延长而增加；稻田地表水氨氮浓度均随蓄水历时的增加而减小；在水稻的分 蘖期和乳熟期，稻田地表水硝态氮浓度随蓄水历时的延长而增加，而在水稻的拔 节孕穗期和抽穗开花期则相反；根据耕作前后土壤理化性质的变化，得出控制排 水并没有造成稻f f i 土壤的氮、磷富集现象；通过对测坑控制排水方案中蓄水条件 下稻田排水产生的污染负荷和水稻产量两个因素的评价和优选，确定了稻f f i 蓄水 条件下水稻各生育期和水稻全生育期的最优控制排水方式，评价结果对整体考虑 水稻产量和稻田排水产生的水环境污染具有很好的指导意义；根据试验地的特 点，初步提出和分析了水稻各生育期的控制排水方案及其适用性和潜力。 关键词：稻田；控制排水；面源污染：水质；产量： 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nr e s u l t i n gf r o mt h ea g r i c u l t u r ec a n n o tb ei g n o r e d w h e nt h el e v e lo ff e r t i l i z i n gi sd e c i d e d ，t h ek e yt oc o n t r o lf a r m l a n d d r a i n a g ei sr e d u c i n ga g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nr e a s o n a b l y e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e sw e r ec a r d e do u t t h e s er e s e a r c h e sw e r ea b o u tt h ep r o b l e mo f w a t e r q u a l i t y c h a n g eu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n t r o l l e dd r a i n a g e t h r o u g ht h es t u d yt h ep a p e rt r yt o p u tf o r w a r dp a t t e mw i t ht h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a lv a l u e w h i c hw i l lp r o v i d e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rn e w d r a i n a g es t a n d a r d s i nt h es t u d y , c o n t r o l l e dd r a i n a g ee x p e r i m e n to fp a d d yf i e l dw e r ec o n d u c t e di n w a t e r - s a v i n gp a r ko fh o h a iu n i v e r s i t yi n2 0 0 7 5 - 2 0 0 7 1 0 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h el a wo fp a d d yw a t e rq u a l i t ya n ds o i lp h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e sc h a n g e su n d e r t h ec o n d i t i o no fw a t e rs t o r a g et i m e ，w a t e rs t o r a g ed e p t h , d r o u g h tt i m ea n dd r o u g h t d e p t h ap r o j e c t i o np u r s u i te v a l u a t i o nm o d e l ( p p e le v a l u a t i o nw a sc a r r i e do u to nt h e p a d d yn o n p o i n tp o l l u t i o na n dr i c ep r o d u c t i o n t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a td i f f e r e n tc h a n g et e n d e n c yo fp a d d yw a t e rq u a l i t yw a s i n d u c e db yd i f f e r e n tc o n t r o l l e dd r a i n a g es y s t e r m ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fw a t e r s t o r a g e t pc o n c e n t r a t i o no fs u r f a c ew a t e rd e c r e a s e dw i t ht h e i n e r e a s eo fw a t e r s t o r a g ed e p t h ，b u ti ti n c r e a s e da st i m ew e n to n a m m o n i a - n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no f s u r f a c ew a t e rd e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s eo fw a t e r - s t o r a g et i m e n i t r i cn i t r o g e n c o n c e n t r a t i o nc h a n g ei st h es a n l ea sa m m o n i a - n i t r o g e n sa tt i l l i n gs t a g ea n dm i l k s t a g eo fr i c e ，b u tt h en i t r i cn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nc h a n g ea te l o n g a t i n gt ob o o t i n ga n d h e a d i n gt i m es t a g eo fr i c ew a so p p o s i t e t h e r ew a sn oe n r i c h m e n to fs o i l sn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u su n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n t r o l l e dd r a i n a g e t h es y s t e r ms u c c e e d si n p a d d yn o n - p o i n tp o l l u t i o na n dr i c ep r o d u c t i o nf r o mt h er e s u l t so fw a t e rs t o r a g e e x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tr i c eg r o w np e r i o da n dw h o l er i c eg r o w np e r i o d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h es c h e m ew a sg r e a ts i g n i f i c a n tt ot h ew a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o n c o n s i d e r e da saw h o l eo ft h ec o n t r o l l e dd r a i n a g ea n dt h ep a d d yp r o d u c t i o n c o m b i n e d w i t ht h ec h a r a c t e ro fe x p e r i m e n ts i t e ，t h es c h e m eo fc o n t r o l l e dd r a i n a g ei nd i f f e r e n t r i c e s t a g ea n di t sa p p l i c a b i l i t ya n dp o t e n t i a l i t yw e r ep r e l i m i n a r i l yp u tf o r t ha n d a n a l y z e d k e y w o r d s ：p a d d yf i e l d ；c o n t r o l l e dd r a i n a g e ；n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ；w a t e r q u a l i t y ；y i e l d ； u 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 至塾堑似彤苫年弓月孑日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 至墨堂硎年3 月万 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 水稻是我国最主要的粮食作物，播种面积大，化肥施用水平高。同时水稻也 是农业灌溉用水大户，其灌溉用水量占总灌溉用水量的6 0 以上。传统的淹灌稻 田中，水稻长期处于蓄水条件，由于田间地下排水的作用，缩短了渗流路径，增 大了田间水的渗漏速度，因此增加了地下水排水量和化肥的流失量，由农田排水 造成的氮磷损失已经成为南方地区农业面源污染的主要来源i l l 。 传统农田排水主要是为了满足农作物生长对土壤湿度和通气的需要，很少考 虑排水对环境的影响和雨水资源的有效利用。如果不对农e 开排水进行适度控制， 排水强度按照除涝、排渍工程设计标准实施，可能会出现过度排水问题。表现在： ( a ) 过量排出对作物生长有用的水分和养分；( b ) 大量的氮、磷等农阳养分随排水 流失，污染了周围水体和地下水；( c ) 土壤中有机质氧化加快；( d ) 没有根据氮、 磷流失的浓度、形态的变化，选择浓度低的时间排水2 1 。因此合理控制农f 日排水， 不仅有助于提高降雨及灌溉水利用效率，还可以减少稻田氮磷损失，改善南方水 田区的水环境。 本论文采用试验手段，分析控制排水条件下稻田水质变化规律以及对农业面 源污染的减排影响，探讨采取什么样的水位调控措施和如何控制排水时机，既可 保障降雨和灌溉水的高效利用，又可有效的提高肥料利用率，减少农业面源污染， 寻找水资源和肥料高效利用与环境保护双赢的水稻控制排水措施。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外农业面源污染概况 农业面源污染是指在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其 它有机或无机污染物质通过农田的地表径流和农田渗漏形成的水环境的污染。主 要包括化肥污染、农药污染、集约化养殖场污染等，其主要特征为：发生区域的 随机性、排放途径及排放污染物的不确定性及污染负荷空间分布的差异性f 3 】。其 污染的主要表现形式为：以氮磷等富营养形式污染水体，它主要来自农用化肥、 畜禽鱼粪尿和生活污水；以有机磷、有机氯、重金属等毒害形式污染水体，它主 要来自农药、除草剂和部分肥料1 4 1 。 河海大学硕士学位论文 对面源污染的认识及重视始于2 0 世纪7 0 年代的美国。国外的研究资料表明， 面源污染业已成为世界范围内地表水和地下水污染的主要来源，而农业是主要的 面源污染来源。全球范围来看，3 0 5 0 的地球表面已受面源污染的影响，并 且在全世界不同程度退化的1 2 亿h m 2 耕地中，约1 2 d a 农业面源污染引起f 5 1 。美 国环保局2 0 0 3 年的调查结果显示，农业面源污染是美国河流和湖泊污染的第一大 污染源，导致约4 0 的河流和湖泊水体水质不合格，是造成地下水污染和湿地退 化的主要因素嘲。在欧洲国家，农业面源污染同样是造成水体、特别是地下水硝 酸盐污染的首要来源，也是造成地表水中磷富集的最主要原因，由农业面源排放 的磷为地表水污染总负荷的2 4 7 1 1 7 , 8 1 。例如在瑞典，来自农业的氮占流域总 输入量的6 0 - 8 7 1 9 1 。芬兰2 0 的湖泊水质恶化，而农业面源排放的磷素和氮素 在各种污染源中所占比重最大，占总排放量的5 0 以上，各流域内高投入农业比 例大的湖区更容易导致氮、磷等营养物质的富剿1 0 , 1 1 , 1 2 1 。荷兰农业面源污染提供 的总氮、总磷分别占环境污染的6 0 、4 0 - - 5 0 1 3 】。德国一些流域也因过量施 用化肥导致河流中磷的浓度超过0 2 m g l 。同本稻田是b i s w a w 1 的最大污染源l j 4 1 。 我国农业面源污染现状也不容乐观，目前农业面源污染业已为我国水体水质 恶化的主要污染源。自2 0 世纪7 0 年代以来，中国各大湖泊、重要水域的水体污染， 特别是水体的氮、磷富营养化问题急剧恶化。重要的湖泊水质持续下降，五大湖 泊中太湖、巢湖己进入富营养化状态，水质总氮、磷指标等级己达劣五类【l5 1 。洪 泽、洞庭、鄱阳湖和一些主要的河流水域如淮河、汉江、珠江、葛洲坝水库、三 峡库区也同样面临着富营养化的威胁【1 6 1 。根据中国国家环保局在太湖、巢湖、滇 池、三峡库区等流域的调查，工业废水对总氮、总磷的贡献率仅占l o 1 6 ， 而生活污水和农田的氮、磷流失是水体富营养化的主要原因l 1 。农业面源污染 也日益成为我国地下水硝酸盐污染的主要来源。据中国农业科学院土壤肥料研究 所在北京、山东、陕西、河北、天津等地2 0 个县6 0 0 多个点位的抽样调查显示， 在北方集约化的高肥用量地区2 0 地下水硝酸盐含量超j 立8 9 m gn 0 3 l ( 中国饮用 水硝酸熊含量限量标准) ，4 5 地下水硝酸赫含量超过5 0 m gn 0 3 l ( 主要发达国 家饮用水硝酸盐含量限量标准) ，个别地点硝酸盐含量超过5 0 0 m gn 0 3 l t i s , 1 9 1 。 江苏、云南、山西等地也报道在高化肥用量农区地下水硝态氮含量超标 2 0 2 1 1 。有 研究显示，农业面源污染是地下水的硝酸盐污染的首要原因僻l 。 第一章绪论 纵观国内外农业面源污染的现状，我们不难得出：目前影响全世界范围内地 表水和地下水水质的首要因素是农业面源污染。然而农业面源污染问题是所有水 污染控制与管理挑战中最难以解决的问题之一，世界上几乎没有哪个l 虱家能够宣 称已经完全控制了这一问题的各个方面。农业面源污染问题已经严重地威胁了人 类生产、生活用水的安全，成为全世界共同面临的环境难题和实现水质控制 目标的难点和关键。 1 2 2 控制排水对减少农业面源污染的影响及其机理 控制排水技术不同于传统的自由排水，它通过在排水出口( 明沟或暗管) 加 设控制设施，按照作物生长要求和农田的水分状况对农田排水的水位实行有效地 管理。控制排水可以减少不必要的水量流失，可以同时减少肥料的流失，也可以 减轻农用化学物质对水体的污染。 控制排水研究始于2 0 世纪9 0 年代中后期，集中在欧美一些国家，主要研究 旱作物种植区的暗管控制排水【2 3 6 1 ，较少涉及稻田。研究表明，控制排水减少 农田氮磷损失的途径主要有两条：一是减少农田排水量，二是降低排水中氮磷浓 度。控制排水条件下排水中氮磷浓度降低的主要途径是作物吸收1 2 6 0 7 1 以及硝化、 反硝化作用【2 8 q 0 1 和泥沙沉淀 3 1 - 3 4 】。对于暗管排水而言，反硝化作用是氮损失减 少的最主要因素。因为控制排水条件下，地下水位抬高，土壤湿度增加，土壤的 厌氧条件加强，更利于微生物的反硝化作用【2 0 1 。通过控制排水可对土壤湿度进行 合理调控，旱作物能更有效地利用地下水，起到类似地下灌溉的作用，使得作物 生长和产量显著提高相应提高了氮磷的吸收利用率【2 6 1 。另外，控制排水抬高了 出水口的水位，降低了径流的水力梯度，排水流速减小，氮磷对流运移和水动力 弥散作用减弱，水流携带氮磷的能力降低。i n g d d 等 2 4 1 试验研究表明，暗管排水 中氮的最大浓度与排水流量最大出现的时间同步，在透水性较强的沙壤土( 种植 作物为土豆和秋大麦) 控制用间排水，暗管排水量可减少7 9 9 4 ，氮磷损失 减少6 0 7 0 和5 8 8 5 ，环境效益十分显著。t a n 等f 2 5 l 在质地粘重的玉米和大 豆田试验也得到了类似的结果。n g 等【2 6 】在沙壤土的试验发现，暗管控制排水虽 然没有减少排水量，但排水中氮的浓度却显著降低，单位面积氮负荷可减少3 6 以上。在节水灌溉条件，尤其是干、湿交替灌溉和控制灌溉时，稻田有相当一部 分时间处于受旱状态，具有与旱田类似的特征，因此国外上述旱地研究成果对于 河海大学硕士学位论文 稻田控制排水仍具有指导意义。 受经济条件限制，我国稻田主要采用地面排水系统，暗排所占比例很小，随 地表径流损失的氮磷是农业面源污染的主要途径，对于我国南方多雨地区尤其如 此。研究表明1 3 5 j 2 】，由于降雨击溅侵蚀和土壤颗粒对氮磷的富集作用，即使在 坡度很缓，甚至是零坡度条件下，i ；开问地表水中氮磷损失的主要形式是颗粒念的 氮磷，溶解态的氮磷比例很小，而且地面排水中氮磷的浓度也远高于地下排水。 水稻格田向阳问排水沟( 通常为墒沟、腰沟、毛沟等三级，下同) 排水时，由于 田问排水沟的长度较短，尽管地势平坦，但径流的水力坡度和流速仍然很高，由 于水力侵蚀和化学侵蚀( 淋洗) 造成的氮磷损失也远较地下排水为大。殷国玺等 【3 1 】在覆盖良好，坡度为零的油菜f 日进行试验，发现在阳间墒沟( 沟深1 0c m ，上口 宽1 5 e m ) 水平上控制地表排水，通过延长雨后涝水在墒沟和农田的滞留时间， 氮损失可减少5 3 r 2 ，效果十分明显，研究表明1 3 6 】，地表控制排水措施有效地降 低了排水中氮的浓度，减少了排水量，从而减少了氮的流失量，对比非控制排水， 3 种控制排水措施分别减少了5 3 2 、4 4 和3 9 1 的农田氮流失。张瑜芳等【3 5 】研 究表明，通过控制排水沟水位与田面水层自j 的水位差，稻田渗漏量和氮肥流失量 减少。w e s s t r o m p7 1 在瑞典南部进行的农f f i 控制排水试验表明，控制地下排水强度。 能够减少农田氮的排放量，可以减少排水量，通过操纵地下控制排水出口闸门的 高度，实施地下水位管理，根据作物生长需要控制排水量。s k a g g s 等1 3 8 j 91 研究 表明，控制排水还可以降低排水中硝念氮的浓度，在农田休耕期和作物生长早期， 通过减少排水量使地下水位升高，增加土壤含水量，在土壤中产生嫌气环境，还 原作用使反硝化增强，降低了排水中硝态氮的浓度。王少丽等【柏4 1 塘过排水氮 运移试验研究了农田排水氮的运移律。 地表径流中氮浓度与排水时间具有良好的相关关系。随排水历时的延长，无 论溶解念还是颗粒念的氮，其浓度均迅速降低【3 1 , 3 2 1 。因此控制降雨初期的排水 时间，降低径流中土壤颗粒含量，对于减少氮磷损失最为有利。这主要是初期e 开 面含水量较低或水深较浅，雨滴击溅侵蚀强烈所致。当地表水深达到定深度， 雨滴击溅引起的水流紊动减弱，水流中土壤颗粒的浓度和颗粒氮磷浓度均减小。 上述结果也表明，即使在地势平坦的农阳，土壤侵蚀量虽很小，但由此引起的氮 磷损失却是农田面源污染的主要来源。农田氮、磷主要通过农沟向环境水体排放， 4 第一章绪论 因此稻田对氮磷的贡献包括了格田( 最末一级固定沟渠之间的田块) 、田间排水 沟系统和农沟。田间排水沟，在很多地区属于临时工程，甚至是雨后临时开挖的 排水沟，规模小而密度大。由于表土疏松，沟坡和沟底容易受到水流侵蚀，造成 土壤颗粒和氮磷的损失；农沟虽属于固定排水沟，但由于边坡较陡( 一般在l ：1 l ：3 之间) ，即使在有自然植被覆盖的条件下，仍然容易产生水力和重力侵蚀， 造成表土流失，从而加剧了氮、磷损失。据调查【4 2 】，在江苏省洪泽县、海门等地 势坡度平缓的地区，毛沟深度一般在3 0 4 0c m 之自j ，农沟每年的淤积深度一般 在1 0 2 0 c m 之间。考虑到表层土壤的氮磷富集作用，可以推断排水沟系也是氮 磷损失的重要来源之一。但排水沟坡面侵蚀在农田面源污染中的作用究竟如何， 该方面的资料很少，需要进一步研究。 1 2 3 减少稻田面源污染的控制排水措施 一是控制降雨期间和雨后格田向排水沟的排水时白j 【4 2 l 。包括格田向田间最末 一级排水沟的排水时间和田问排水沟向上级沟道的排水时间。对于次降雨量较 大，且持续时白j 较长的暴雨，通过控制格田排水口，推迟降雨期间格田向墒沟的 排水时间，可增加阳面水深，减轻由于雨滴击溅引起的水流紊动，降低由于降雨 击溅侵蚀和化学侵蚀进入地表水中颗粒和可溶性氮磷的数量1 4 3 埘】，这对于施肥 不久的农田尤为重要。同时，增加涝水在格田的停留时间，也可以沉淀涝水中的 部分土壤颗粒减少颗粒氮磷的损失。延长排水时间还可增加入渗水量，利用土 壤的过滤和吸附作用( 主要是对n r 4 的吸附) ，减少排水中氮磷浓度。对于次 降雨量不大的情况，可在降雨期间不排明水，利用土壤入渗排水，并增加作物对 氮磷的吸收。但必须使农田涝水的滞留时l - 自j 和深度，控制在作物允许耐淹深度和 耐淹历时范围内。因为在节水灌溉条件下，水稻根系的吸收性能会发生改变，对 干旱的适应性提高，而其耐淹深度和耐淹历时与常规蓄水灌溉相比可能有所降 低。 二是控制雨后涝水在排水沟中的滞留时间【4 2 1 。增加雨水在田间沟系和农沟中 的滞留时间，有利于充分发挥排水沟的湿地功能，减少氮磷排放。其主要途径是 土壤颗粒沉淀、土壤吸附、植物吸收和反硝化作用。田问涝水进入沟系中，在滞 留期间流速接近零，水中悬移质和颗粒态的氮磷得以部分沉淀，可大大降低氮磷 的排放浓度。试验表n t 3 1 l ，在产流后墒沟排水延迟2 h ，氮浓度显著降低，氮损失 河海大学硕士学位论文 量可减少5 0 以上。张荣社等【2 8 i 中水力停留时间分别为0 5 、1 、2 和3d 时 由于硝化和反硝化反应，总氮去除率分别为1 8 3 、3 8 9 、8 4 9 和8 5 ，6 ， 效果十分明显。对于水网地区，农沟具有储蓄降雨的功能，并可作为灌溉水源重 新进入农用，使得进入农沟的氮磷得到循环利用，减少进入环境的氮磷负荷 4 3 , 4 4 1 。 三是控制田间排水沟出口的流速和溢流口高度 4 2 1 。水稻格用和各级排水沟中 的径流中，土壤颗粒主要以悬移质形式运动，土壤颗粒中不可溶的氮磷是氮磷损 失的主要形式【船1 。泥沙在水中具有明显的垂直分布规律，即下部泥沙粒径大、含 量高，上层水流中相反。若抬高格硐向排水沟、下级排水沟向上级排水沟的溢流 口高度，可阻止底部泥沙进入沟道。同时可减小沟道水力坡度，降低水流流速和 挟沙能力，减少进入农沟和斗沟的泥沙数量，使水流中颗粒氮磷的浓度降低。这 己为晏维金等【3 3 】的试验所证明，说明控制排水口溢流堰高度具有良好的氮磷控 制效果。 1 2 4 氮、磷流失模型的建立 由于农业氮、磷的流失不断的造成周围环境和水体的污染，为了更好的了解 氮、磷的流失规律，减少面源污染，国内外许多学者建立了相关的模型。 d a v i d s o n 等【4 6 j 根据硝念氮在土壤中淋溶轨迹，利用活塞移动理论简单描述硝 态氮的淋溶行为。英国科学家w a r r i n g t o n 曾采用渗漏池法、土壤养分采样法和多 孔陶瓷吸管法进行了大量硝念氮淋失的研究【4 7 1 。w h i t e 应用j u r y 等提出的传递函 数模型( t r a n s f e rf u n c t i o nm o d e l ，t f m ) 针对所施的肥料c n h 4 n 0 3 ) ，模拟了氮 素的淋失。关于n 0 3 - n 淋失定量化采用的模拟模型还有：淋失模型( l e a c h m ) 、 n l e a p 、资源与环境的作物综合评价模型( c e r e s ) 、侵蚀产物运算影响模型 ( e p i c ) 、氮素耕作释放管理模型( n t r m ) 、根区水分定量化模型( r z w q m ) 以及 大平原框架的农业资源管理模型fg p f a r m ) 4 引。s h a f f e r 等提出了有关国际模拟 氮素动态和迁移的模型信息【4 9 l 。土壤氮素释放模型多半是经验模型，b r u c e 等 ( 1 9 7 5 ) 提出土壤氮素传输模型；b a u l e y 等( 1 9 7 4 ) 提出养分传输概念模型；f r e r e 等提出a c t m o 及1 9 8 0 年建立的改进型c r e a m s 模型；h a i t h 等( 1 9 8 4 ) 提出c n s 模型；a h u j a 等( 1 9 8 2 ) 建立土壤养分在径流中扩散和传输模型【4 7 】；r o n y w a l l a c h 等 ( 1 9 8 8 ) 提出了土壤溶液养分向地表径流传输扩散模型。在土壤氮素在坡面流失行 为模型方面，在n p s 模型的基础上，d o n i g i a n 建立了适合农业土壤养分径流流失 6 第一章绪论 模型( a r m ) ，该模型不仅能从侵蚀角度模拟降雨侵蚀过程，而且能模拟养分在径 流作用下迁移、扩散和释放过程。美国农业部农业研究组织根据流域侵蚀和养分 流失特征，建立了农业化学物质迁移模型( a c t m o ) 。y o u n g ( 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ) 以流 域为研究单元建立a g n p s 模型，该模型主要用于研究和预测降雨过程中径流量、 侵蚀和传递的泥沙、径流液中有效n 和p 的浓度、泥沙中的n 、p 。此外，还有s p n m 模型、e p 2 a r r b 模型、s w m m 模型、p l i e r s 模型、p r m 模型、c p m 模型、n o n p t 模型和s w a m 模型等，这些模型从土壤侵蚀、土壤养分流失和土壤水分平衡等方 面，系统地研究坡面或流域单元内养分的流失过程及机理1 4 7 1 。应用最广泛的模型 是g r a w f o r d 和l i n s l e y 提出的s t a n f o r d 流域模型【5 0 l 。 蒋定生等【5 11 建立了土纸坊沟流域土壤氮素流失模型，用于定量预测土壤氮 素的流失律。在此研究基础上，张兴昌等4 7 】又从土壤与降雨、径流相互作用入手， 分析了土壤氮素与降雨、径流相互作用过程及机理，并对相互作用模型进行了探 讨。同时，陈国军等【5 2 l 还通过测坑试验，研究了稻田水中氮素的变化动态，渗漏 流失规律。徐向阳等【5 3 l 建立了一个模拟随农业排水和产沙的氨氮流失数学模型。 张志剑等1 5 4 l 研究了控水条件下，水田排水磷素流失百分数( y ) 与排水的发生次 数( t ) 存在着y = a e 小递减规律，遵循一d y d t = k t 的动力学一级速率定律。王少丽等 5 5 1 建立了d r a i n m o d n ( 简称d m n 模型，即排水2 氮运移模型) 用于研究农阳 排水土壤中硝念氮的运动和去向。模型考虑了氮肥的溶解、降雨沉淀、径流损失、 根系吸收、矿化、反硝化和排水损失。表明了水位控制处理可以明显的减少地下 排水中n 0 3 - n 的损失，并且不会增大地表径流中n 0 3 - n 的损失。殷国玺等【5 6 】 建立了多目标控制排水目标函数，提出了求解排水控制时白j 非劣解和均衡解的方 法。 1 3 论文研究的主要内容 1 3 1 主要研究内容 本论文以南京市江宁节水园区为研究区域，以前期工作为基础，对基于作物 的农f 开控制排水产生的水质变化和土壤理化指标变化问题进行深入研究，主要研 究内容如下： ( 1 ) 蓄水稻田水质变化，主要研究了水稻各生育阶段不同蓄水时间和蓄水深度 稻田地表水及地下水t p 、氨氮和硝态氮浓度的变化及其机理。 7 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 受早稻田复水后水质变化，主要研究了水稻各生育阶段不同受早历时和受 旱深度复水后稻阐地表水t p 、氨氮和硝态氮浓度的变化及其机理。 ( 3 ) 控制排水条件下稻f 日耕作前后土壤理化指标变化，分析了变化的原因。 ( 4 ) 运用投影寻踪模型，进行了蓄水条件下考虑稻田排水产生的污染负荷与产 量因素的方案优选。 1 3 2 技术路线及方法 掌握控制排水和 面源污染的有关 文献、试验资料 了解控制排水对稻田 水质和土壤理化指标 变化的影响 运用投影寻踪模型确定最优 控制排水方案 设 计 试 验 处 开展控制排 水对稻田水 质和耕作前 后土壤理化 指标变化的 研究 试验结果分析，综合考虑控制 排水条件下稻田排水水质指 标和水稻产量两个因素 1 3 3 拟解决的关键闯题 ( 1 ) 各种控制排水方案中稻田水质的变化规律及其机理 ( 2 ) 进行控制排水后，土壤理化指标的变化 ( 3 ) 综合考虑稻田排水产生的面源污染和水稻产量因素，寻求较好的控制排水 方案，达到环境效益、生态效益和经济效益的统一 8 第二章试验材料与方法 2 1 试验区概况 第二章试验材料与方法 农闹控制排水试验主要是结合涝渍灾害防治标准试验于2 0 0 7 5 - 2 0 0 7 1 0 分 别在河海大学节水园区测坑和土柱内进行，包括蓄水稻田控制性排水处理和受早 稻田控制性排水处理两部分。河海大学节水园区位于北纬3 l 。8 6 ，东经1 1 8 0 6 0 ， 属于亚热带湿润气候，冬冷夏热、四季分明。年均降雨量在1 0 2 1 3 m m ，多年均 蒸发量为9 0 0 m m 左右，绝对最高温度4 3 ，年均气温1 5 7 9 c ，绝对最低温度一 1 4 ，最热月平均温度2 8 1 ，最冷月平均温度一2 1 ，最大平均湿度8 1 ， 无霜期2 3 7 天，年均日照量2 2 1 2 8h ，日照时数百分率约为5 0 。 节水与农业生态试验场共有3 2 个固定式蒸渗仪( 测坑) ，有底2 8 个，无底 4 个，分两组布置，每组1 6 个( 每个蒸渗仪的规格为长x 宽深- - - - 2 5 m 2 m 2 m ) ， 中间设地下廊道及地下设备间，地面设移动式雨棚。蒸渗仪内土壤为回填土， 0 3 0 r a m 土壤饱和含水率为3 0 4 4 ( 重量，下同) ，田问持水率为2 6 4 7 ，总 孔隙度为4 5 7 7 ，土壤容重为1 4 6 9 ，c m 3 ，p h 值为7 7 8 ，土壤有机质含量2 4 0 、 土壤全磷含量o 0 3 2 ，全氮含量0 0 6 6 8 、土壤速效磷含量为1 2 5 m g k g 、速效 氮含量5 3 6 3 m g k g 。 小型称重式蒸渗仪( 土柱) 采用p v c 材料，总共4 0 个，高为1 5 m ，内径 为3 0 c m ，有5 个内径3 2 r a m 的预留管( 距管口分别为2 0 e m ，4 0 c m ，6 0 c m ，9 0 c m ， 1 3 0 e r a ) ，用于分层控水。p v c 管外有一根地下水位观测管，底部设有水管开关。 蒸渗仪内从下到上依次装2 0 c m 石子、l o o m 砂及1 1 0 c m 熟土，管口预留1 0 c m 。 o - 3 0 m m 土壤饱和含水率为2 7 7 7 ( 重量，下同) ，阳问持水率为2 3 5 9 ，总 孔隙度为4 5 7 7 ，土壤容重为1 4 6 9 c m 3 ，p h 值为7 9 7 ，土壤有机质含量2 ，4 0 、 土壤全磷含量0 0 3 7 ，全氮含量0 0 4 7 3 、土壤速效磷含量为2 2 8 3 m g k g 、速 效氮含量5 1 1 4 m g k g 。 2 2 试验设计 2 2 1 试验处理 ( 1 ) 水稻试验阶段的划分 9 河海大学硕士学位论文 根据水稻生育阶段的特点，将水稻分蘖期、拨节孕穗期、抽穗开花期和乳熟 期作为试验的4 个主要试验阶段( 见表2 1 ) 。由于水稻在返青期时是一个恢复生 长的过程，生理指标不易测量，黄熟期涝渍反应不明显，所以这两个生育阶段不 作为试验观测时段。 表2 - 1 水稻生育阶段划分 ( 2 ) 试验处理设计 水稻于5 月8 日播种，6 月1 4 日移栽，1 0 月8 日收割，试验期间共施肥2 次，基肥为复合肥，n ：p 2 0 5 ：k 2 0 所占的比例分别为1 5 ：1 5 ：1 0 ，施肥时间为 6 月2 5 号，测坑施肥量为4 0 0 k g h a ，土柱施肥量为1 0 6 2 k g h a 。追肥为尿素，施 肥时问为8 月5 号，测坑施肥量为1 3 0 k g h a ，土柱施肥量为1 0 6 k g h a 。除灌水 外，各处理农技措施保持一致。试验共设计3 2 种处理，每个处理2 次重复。1 6 种蓄水处理在测坑内进行，试验处理见表2 2 。1 6 种受旱处理在土柱内进行，试 验处理见表2 3 。 表2 - 2 测坑控制排水试验方案巾佗：m m 处理分蘩期拔节孕穗期抽穗开花期乳熟期 l1 0 0 ( 5 d )一2 0 3 02 0 3 0一2 0 3 0 21 0 0 ( 7 d )一2 0 3 0一2 0 3 0一2 0 3 0 35 0 ( 5 d )一2 0 3 02 0 3 02 0 3 0 45 0 ( 7 d )一2 0 3 0一2 0 3 0一2 0 3 0 52 0 2 02 5 0 ( 5 d )一2 0 3 0一2 0 3 0 62 0 2 02 5 0 ( 7 d )一2 0 3 0一2 0 3 0 72 0 2 0 1 5 0 ( s d ) 一2 0 3 02 0 3 0 82 0 2 01 5 0 ( 7 d )一2 0 3 0 一2 0 3 0 92 0 2 0一2 0 3 02 5 0 ( 5 d )一2 0 3 0 1 02 0 2 02 0 3 02 5 0 ( 7 d )一2 0 3 0 l i一2 0 2 0一2 0 3 01 5 0 ( 5 d )一2 0 3 0 1 22 0 2 0 - - 2 0 3 0 1 5 0 ( 7 d )一2 0 3 0 1 32 0 2 02 0 3 0一2 0 3 02 5 0 ( 5 d ) 1 42 0 2 02 0 3 02 0 3 02 5 0 ( 7 d ) 1 52 0 2 0一2 0 3 02 0 3 01 5 0 ( 5 d ) 1 6 2 0 2 0一2 0 3 0- - 2 0 3 0 1 5 0 ( 7 d ) 1 0 第二章试验材料与方法 表2 - 3 士柱控制排水试验方案单位：i n m 处理分蘖期拔节孕穗期抽穗开花期乳熟期 l 一3 0 0 ( 3 d )一2 0 3 0一2 0 3 0 一2 0 3 0 2 一3 0 0 ( 5 d ) 一2 0 3 0一2 0 3 0一2 0 3 0 3 一6 0 0 ( 3 d )一2 0 3 02 0 3 0一2 0 3 0 4 一6 0 0 ( 5 d )一2 0 3 0一2 0 3 0一2 0 3 0 5 一2 0 2 03 0 0 ( 3 d )一2 0 3 02 0 3 0 6 一2 0 2 03 0 0 ( 5 d )一2 0 3 0 - - 2 0 3 0 7 7 2 0 2 0一6 0 0 ( 3 d )一2 0 3 02 0 3 0 8 一2 0 2 06 0 0 ( 5 d )一2 0 3 02 0 3 0 9 一2 0 2 0一2 0 3 0一3 0 0 ( 3 d )一2 0 3 0 1 0 一2 0 2 0一2 0 3 0一3 0 0 ( 5 d ) 一2 0 3 0 1 1 一2 0 2 0一2 0 3 06 0 0 ( 3 d ) 一2 0 3 0 1 2 一2 0 2 0 2 0 3 0一6 0 0 ( 5 d )一2 0 3 0 1 3 一2 0 2 02 0 3 0一2 0 3 03 0 0 ( 3 d ) 1 4 一2 0 2 0一2 0 3 02 0 3 03 0 0 ( 5 d ) 1 5 一2 0 2 02 0 3 0一2 0 3 0一6 0 0 ( 3 d ) 1 6 一2 0 2 02 0 3 02 0 3 0 一6 0 0 ( 5 d ) 2 2 2 观测内容与方法 ( 一) 环境指标观测 ( 1 ) 田表水水样的采集 用聚乙烯瓶采集测坑中用表水，每次处理开始至处理结束，每天上午8 点， 分别采集蓄水处理的测坑阳表水样。灌溉用水为试验地的地下水库水。取样时， 用5 0 r a l 医用注射器，不扰动土层，随机小心地抽取测坑内6 处中上层用面水， 注入聚乙烯瓶。 ( 2 ) 地下水水样的采集 由于地下水位观测管的管口只有4 c m 左右大小，而且取样深度从o 3 m 1 7 m 不等，从地下水位观测管中取出水样没有特制的取样器是不行的，所以选 择合适的取水样的器具是非常重要的。采用真空泵套装( 手动真空泵+ 带2 m 软 管的密封玻璃瓶) 。水样采取前，首先用塑料软管把地下水位观测管内的陈水提 出，然后再用采取水样对采样瓶清洗3 4 次，再正式采集水样。 ( 3 ) 水样的保存 水样采集后，保存在事先标有标签的水样瓶中，在实验内做到对每个水样瓶 都能清晰识别水样的来源，采样断面、断面位置、样品编号、采样方法、采样时 河海人学硕士学位论文 间等，并能对这种标识加以记录，之后立即进行分析。 ( 4 ) 土壤样品采集及预处理 耕作前采集原状土，选取0 - - 3 0 z m 土样，先在采土处用铁锨铲平，平行取3 处，将环刀垂直压入土内，然后用铁锨挖掘周围土壤，取出环刀，将黏附于环刀 外面的土除去，用宽而锋利的削土刀切去环刀两端多余的土，使环刀内的土壤体 积与环刀容积相等，最后环刀两端用盖子盖上，带回室内，立即称重，测定土壤 的饱和含水率，用铝盒取土测定田闯持水率。耕作前后后用土钻取0 - - 3 0 m m 士 迸行土壤理化性质分析。 把采集回来的土样及时进行风干，以免发霉而引起性质的改变。其方法是将 土壤样品弄成碎块平铺在干净的纸上，摊成薄层放于室内阴凉通风处风干，经常 加以翻动，加速干燥。切忌阳光直接暴晒，风干后的土样再进行磨细过筛处理。 进行物理分析时，取风干土样10 0 2 0 0 9 ，放在木板上用圆木棍碾碎，然后 通过l m m 筛，留在筛上的土块再倒在木板上重新碾碎，如此反复进行，使全部 土壤过筛。然后将土样混匀后盛于广口瓶内，作为土壤颗粒分析及其物理性质测 定之用。 化学分析时，取风干土样一份，仔细挑去石块，根茎及各种新生体和入侵体， 再用圆木棍将土样碾碎，使之全部通过l m m 筛。可以测定土壤的速效养分及p h 值等项日。分析有机质时，可取一部分已通过l m m 筛的土样进一步碾磨，使其 全部通过o 2 5 m m 筛为止。研磨过筛后的土样混匀即可装袋，贴上标签，写上号 码，尽量避免同光，高温、潮湿，和酸碱气体等影响，否则会影响分析结果的准 确性。 ( 二) 农艺措旌 表2 4农艺措施表 品种镇稻9 9 前茬太湖糯 测坑l 自：积2 5 2 m 2 j l 牲面积 万0 3 2 m 2 播种日期 5 月1 0 日 移栽日期6 月1 5 目 g - ：章试验材料与方法 秧龄3 8 日 测坑株行距2 5 c m x 2 0 c m ，每穴3 株 上柱每桶2 穴，每穴3 株 日期6 月2 5 日8 月5 日 品种复合肥尿素 施肥 每个测坑用最 o 2 k g0 0 6 5 k g 每个：牲用量 3 90 3 9 方式 撒丁水叶1撒丁水巾 起始日