（水文学及水资源专业论文）太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究.pdf

摘要 目前，对于太湖流域河网地区的非点源污染研究较多也较深入，但是对于山丘区的 农业非点源污染关注较少。本文从实际出发，结合国家自然科学基金项目“太湖流域富 营养化控制机理研究”的需要，通过实验室大型人工土槽试验和宜兴野外原位试验，研 究了坡面非点源污染的产污规律和主要影响因子，并建立了坡面非点源污染负荷模型和 山丘区小流域非点源污染模型，为山丘区农业非点源污染的估算和控制提供有利的科学 依据。主要的结论有以下几点： ( 1 )影响坡面非点源污染产生的主要因子有：径流量、坡度、植被覆盖情况和土壤表 层污染物含量。其中植被覆盖情况和径流量为较敏感的两个因子，对坡面非点源污染的 产生影响较大。 ( 2 )建立了径流中水相污染物迁移通量与土壤表层污染物含量、径流通量、坡度系数 和植被覆盖率4 个因子之间的定量关系。通过与土壤中非点源污染物氮素和磷素转化模 型的耦合，建立坡面非点源污染氮素和磷素负荷模型，可以很好的模拟次降雨条件下土 壤表层非点源污染物的损失量和表层非点源污染物的浓度变化，模拟误差在2 0 以内。 ( 3 )室内土槽试验中所建立的水文模型和泥沙侵蚀模型，经过土槽试验率定参数，并 在宜兴野外原位试验中得到了验证。水文模型和泥沙侵蚀模型精度较高，由于具有物理 意义较适合应用在缺乏长期观测资料的小流域上。 ( 4 )通过对小流域坡面非点源污染输出过程的研究，建立整个小流域非点源污染模 型。模型能较好的模拟小流域出口径流量和各水相非点源污染物浓度过程，为预测单次 降雨非点源污染输出过程和输出量提供了很好的计算工具。 ( 5 )农业非点源污染控制需要从源头控制，包括：改良化肥和农药；学习国外先进的 农业生产管理经验，推广农业生产的最佳管理模式；利用有效的地形与湿地，配合当地 优势植物、水生经济作物建立农业非点源污染缓冲带，吸收降解农业非点源污染。 关键词：太湖流域；坡面非点源污染；土地利用；山丘区；梅林小流域 a b s t r a c t f o rt h em o m e n t ，m o s ts t u d i e so fn o n - p o i n ts o u r t p o l l u t i o na r ec o n c e n t r a t e do nt h er i v e r n e t w o r ki nt a i h ul a k eb a s i n b u tt h e r eh a sb e e nl e s sc o n c e r nr e g a r d i n gt ot h ea g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nm o u n t a i n o u sr e g i o n so nt h eb a s i n i nt h i sp a p e r ，f r o m t h ea c t u a l s i t u a t i o n ，i no r d e rt om e e tt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t s ”t a i h ub a s i n e u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ms t u d y ”，l a r g es o i la r t i f i c i a lg r o o v el a b o r a t o r yt e s t sa n d y i x i n s i t uf i e l dt e s t sa r em a d et og a i nt h er u l e so fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni ns l o p ea n dt h ek e y f a c t o r sa f f e c t i n gt h em l e s ，a n dan o n - p o i ms o u r c ep o l l u t i o nl o a dm o d e l so ns l o p ea n da m o u n t a i n o u sr e g i o n ss m a l lw a t e r s h e dn o n - p o i n ts o u l v ep o l l u t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e dt o a c c o u n tt h ea 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 no fm o u n t a i n o u sr e g i o n si nb a s i n ，w h i c hc a n b eu s e dt oe s t i m a t et h ee x t e n to fp o l l u t i o na sab e n e f i c i a ls c i e n t i f i cb a s i s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a j o rf a c t o r sw h i c hi m p a c tn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no ns l o p ea r e ：r u n o f f ，s l o p e ， v e g e t a t i o nc o v e ra n ds o i ls u r f a c ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t s v e g e t a t i o nc o v e ra n dr u n o f fa r e m o r es e n s i t i v e ，w h i c hh a v eag r e a t e ri m p a c tt ot h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no ns l o p e ( 2 ) t eq u a n t i t a t i v ec o r r e l a t i v i t ya m o n gt h er u n o f fw a t e rc o n t a m i n a n tt r a n s p o r tf l u xa n dt h e c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t so ns o i ls u r f a c e ，r u n o f ft r a c kc i r c u l a t i o n ，f a c t o rs l o p ea n dv e g e t a t i o n c o v e ra r ee s t a b l i s h e d c o u p l e dw i t hs o i ln o n - p o 缸s o u r c ep o l l u t a n t sn i t r o g e na n dp h o s p h o m s m o d e l s ，n o n p o i n ts o u r c 宅p o l l u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o a dm o d e lo fs l o p ew e r e e s t a b l i s h e d ，w h i c hc a nb ew e l lu s e dt os i m u l a t en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t sl o s sa n d t r a n s f o r m a t i o no ns o i ls u r f a c ei no n c er a i n f a ui n c i d e n t ，a n dt h es i m u l a t i o ne r r o ri sw i t h i n2 0 ( 3 ) t h eh y d r o l o g i c a lm o d e la n ds e d i m e n te r o s i o nm o d e lw e r ee s t a b l i s h e db yi n d o o rs o i lg r o o v e t e s ta f t e rp a r a m e t e r sv a l i d a t i o n ，a n dh a v eb e e nv a l i d a t e di nt h ef i e l de x p e r i m e n t sa ty i x i n g t h e p r e c i s i o no fh y d r o l o g ya n ds e d i m e n te r o s i o nm o d e li sh i g h ，b e c a u s e i th a sap h y s i c a lb a s i sa n d c a nb e m o r es u i t a b l ef o rt h es m a l lw a t e r s h e dl a c k i n gl o n g - t e r mo b s e r v a t i o nd a t a ( 4 ) b yt h ea n a l y s i so ft h eo u t p u tp r o c e s so fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no ns m a l ls l o p e ，as m a l l b a s i nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h em o d e li sc a p a b l eo fs i m u l a t i n gt h e o u t f l o wa n dn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o np r o c e s so ft h es m a l lw a t e r s h e d ，w h i c h p r o v i d eag o o dw o r k i n gt o o lt of o r e c a s tn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o no u t p u tp r o c e s sa n do u t f l o w i no n c er a i n f a l li n c i d e n t ( 5 ) t h ea 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 ns h o u l db ec o n t r o l l e df r o mt h es o u r c e ， i n c l u d i n gm e a s u r e sa sf o l l o w s ：f i r s t l y ，i m p r o v ef e r t i l i z e r sa n dp e s t i c i d e s ，p r o m o t et h eu s e o f f i l mw i t han e wr e l e a s ef e r t i l i z e r sa n dp e s t i c i d e s ；s e c o n d l y p r o m o t ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni n t h eb e s tm a n a g e m e n tm o d e la f t e r l e a r n i n ga d v a n c e df o r e i g nm a n a g e m e n te x p e r i e n c e i n a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ；m a k ef u l lu s eo fa d v a n t a g e so ft h et e r r a i na n dt h ef i e l d ，w i t ht h el o c a l d o m i n a n tp l a n ta n da q u a t i cc r o p s ，e s t a b l i s hab u f f e rz o n et od e g r a d ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c ep o l l u t i o n k e y w o r d s ：t a i h ul a k eb a s i n ，s l o p en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，l a n du s e ，m o u n t a i n o u s r e g i o n s ，m e i l i n gs m a l lw a t e r s h e d 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) ： 学位论文使用授权说明 聊年占月7e l 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) ：加7 年月 f 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着人类活动对自然环境的影响不断深入，越来越多的威胁人类生存的问题凸现出 来。其中，水环境污染问题尤为重要，由于它关系到人类的生存环境、经济生活和粮食 安全，已成为制约人类社会发展的全球性问题。 水环境污染分为点源污染和非点源污染。2 0 世纪7 0 年代以来，各国投入大量人力控 制点源污染，但水体水质仍受到威胁。据美国、日本等国家报道，点源污染全面控制之 后，江河的水质达标率仅为6 5 ，湖泊的水质达标率为4 2 ，海域水质达标率为7 8 山。 研究显示，农业非点源污染分别占美国所有河流和湖泊营养物质负荷总量的 6 4 和5 7 ；由波兰流向波罗的海的全氮达到了2 4 1 7 1 0 4 t ，其中有6 0 的全氮 来自于农业非点源污染物；欧洲地表水体中，农业排磷所占的污染负荷比约为 2 4 7 1 。我国近十年来平原湖泊及水库富营养化趋势加剧，其很大一部分来源于非 点源污染，污染比例也在逐年上升。研究表明太湖潮体5 0 以上的污染物来自非点源， 而近年来太湖大面积爆发蓝藻的频率越来越高，这与非点源污染程度加剧有密切的关系。 每年太湖蓝藻的爆发都给太湖周边城市造成数以亿计的经济损失，并严重影响居民生活 用水安全。2 0 0 7 年6 月，无锡贡湖蓝藻爆发，污染了贡湖饮用水水源地，使无锡市的自来 水供水遭到严重的污染，造成直接的经济损失尚无法统计，间接的经济损失和社会影响 更无法衡量。 太湖流域地处我国经济较发达的长三角地区，地理位置较敏感。近年来，随着经济 的高速发展和城市化进程的不断加快，工业和生活废水排放量不断上升；另一方面，人 们为了获得连续稳定的高产，农田化肥施用量一直以较快速度增长，过量施用化肥使得 土壤营养盐含量出现盈余，增加了流失风险。农业非点源污染是造成太湖湖体和太湖流 域水系污染的最重要的因素。所以，非点源污染的研究对于预测和控制水体富营养化具 有重大的意义，流域面上的非点源污染问题一直是国内学者研究的热门课题。 国内许多学者的研究内容也涉及到流域面上非点源污染的产生和负荷量的估算。如 梁涛脚在太湖上游西苕溪流域选取最具代表性的5 种土地类型，利用野外人工降雨装置模 拟天然大暴雨( 降雨强度2 m m m i n 。1 ) ，研究了不同形态磷素随暴雨径流水相及沉积物相的 迁移过程，对比了流域内不同土地利用土地覆被条件下磷素的迁移特征并估算流失速 率。曹慧，杨浩1 3 1 利用同位素”7 c s 在苏州吴县市研究典型坡面的土壤侵蚀定量模型，并 1 河海大学硕士论文 太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 初步估算土壤养分流失。 目前，对于太湖流域河网地区的非点源污染研究较多也较深入，但是对于太湖山丘 区的农业非点源污染关注较少。由于太湖流域山地丘陵地区主要集中在太湖西南片，山 丘区的面积约占太湖流域总面积( 3 6 5 0 0 k m 2 ) 的2 0 ，而且山丘区农业非点源污染物的 输出量对于入太湖湖体污染的贡献正在逐年增加，所以本文通过选择宜兴梅林小流域作 为山丘区小流域典型区域，开展野外原位试验，研究坡面非点源污染物的迁移转化规律 及其在水环境污染负荷中所占比例，以及对下游平原区河道的影响。宜兴梅林小流域上 已有研究者开展农业非点源污染的研究。最早在此开展研究工作的是南京大学资源与环 境学院的高超教捌”】，研究了在极端降水条件下小流域出口非点源污染的输出量占年输 出的比重，另外选择坡面小区研究不同土地利用情况下，非点源污染磷素的输出规律和 季节性变化。河海大学环境学院的王鹏博士也在该流域研究了水相溶解态和悬浮态非点 源污染在流域出口的输出规律【6 】，得出了相应的输出通量和径流通量之间的相关关系，并 重点研究了稻田中营养盐的相互转化和输出规律，建立了水土耦合的稻田营养盐流失模 型。 本文在前人研究的基础上探索坡面非点源污染的产污规律和主要影响因子，建立坡 面非点源产污氮素、磷素负荷模型和山丘区小流域非点源污染模型，为太湖山丘区农业 非点源污染的估算和控制提供有利的科学依据。 1 2 国内外研究现状 非点源污染是指溶解态或固体污染物从非特定的地点，在降水和径流冲刷作用下，通 过径流过程而汇入受纳水体，引起的水体污染。从定义可以看出，非点源污染主要受水 文循环过程影响，其污染范围与气候、下垫面的地质条件相关，污染负荷的时空变化幅 度大。李怀恩 7 1 参考面源污染管理与控制手册中的论述，将非点源污染的特点概括为以下 几点：( 1 ) 发生具有随机性。由于降雨的不确定性也使得污染物排放发生时间具有随机 性。( 2 ) 污染物的来源和排放点不固定，排放具有间歇性。( 3 ) 污染负荷的时间变化和 空间变化幅度大。( 4 ) 监测、控制和处理困难而复杂，这是由前三点决定的。因此，非 点源污染具有影响因素多，随机性大、分布范围广、形成机理模糊、滞后发生和管理控 制难度大的特点。 1 2 1 农业非点源污染机理研究 非点源污染可分为两类，即农业非点源污染和城市非点源污染。这两者既有区别又 2 第一章绪论 有相同之处，首先是污染源不同，再次是输出量差别大，但是相同之处在于它们都是由 降雨驱动的。下面就以农业非点源污染为例从机理上分析农业非点源污染的产生、迁移 和转化的过程。 农业非点源污染主要是由于人类活动影响，改变土地利用方式，为了增加农作物产 出而大量使用农药、化肥，使得土壤中的营养元素超过了土壤容量，导致过多的营养元 素随径流进入水体。由于农业生产区的下垫面情况较为复杂，既有种植作物的农田旱地， 又有不耕种的森林和草地，还有裸露的岩石等不透水地面。非点源污染就是通过降雨将 各种下垫面上的污染物从生物圈、土壤圈、岩石圈带走，并向水圈扩散的过程。其污染 过程与水文循环中的降雨过程、泥沙侵蚀过程和汇流过程有关。另外，对于农业非点源 污染较为重要的一点就是非点源污染物在下垫面土壤中源与汇的变化。这与土壤中有机 物的降解、各元素的形态转化、植物吸收和土壤颗粒吸附平衡等有关系，尤其是与土壤 中微生物的活动密切相关。从非点源发生的“源”来看，降雨一径流过程和污染物在土 壤中的转化规律是其产生的主要因素。 1 2 1 1 农业非点源污染的源 农业非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐、农药及其它污染 物，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏，进入水 体而形成的非点源污染。这些污染物主要来源于农田施肥、农药、畜禽及水产养殖和农 村居民。 在我国由于对化肥和农药使用不加限制，没有推行农业最佳管理模式，农田地表的 营养元素累积含量很高，会随着排水和降雨径流过程排出，使临近农业区的地表水和地 下水体都遭受不同程度的农业非点源污染。除了化肥、农药投入量的增加和土壤养分水 平的不断提高外，集约化经营的畜禽养殖业也会对农业非点源污染的发展态势产生重要 影响。农业、林业所使用的大量杀虫剂、杀菌剂、除莠剂和化肥、农家肥等，除被生物 吸收、挥发、分解以外，大部分残留在农田的土壤和水中，也会随农田排水和降雨径流 进入河流水体。而当大片森林被砍伐，草场由于过度放牧而退化后，表层富含有机质的 土壤经雨水冲刷淋洗也会加重临近森林和草原地区水体的非点源污染。 另外，大气沉降也是农业非点源污染的一个重要源头，正受到更多研究者的关注。 大气沉降可分为干沉降和湿沉降。湿沉降就是大气中的污染物受雨水的冲洗，进入水体。 雨水是污染物的良好载体，所以非点源污染强度往往与大气污染和气象条件有关。各种 人类活动加重了空气污染，使得空中漂浮着许多污染物质，如硫化物、氮的各种氧化物 1 河海大学硕士论文太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 和各种吸附于粉尘上的重金属。一旦这些物质经雨水携带降落下来，就会随着径流一起 迁移，造成水体的非点源污染。张乃明【8 l 选择大气污染严重的太原市为研究区，通过定点 监测，计算出大气干湿沉降对土壤系统重金属的年输人量分别为h g4 4 8g ( h m 2 幻，c d 6 3 4e , ( h m 2 a ) ，p b3 4 9 4g ( h m 2 a ) ；干湿沉降量的排序为工矿区 城区和近郊区 风景 区 远郊区，说明大气污染严重的区域由沉降输入土壤的重金属也多。胡正义 9 1 等在中国 科学院红壤生态试验站农田小气候分站对近地表大气硫干沉降进行了长达六个月的实验 研究，发现大气干沉降硫输入占大气沉降硫输入总量( 干沉降+ 湿沉降) 的6 1 9 一9 3 0 ( 6 个月均值8 0 2 ) 。在美国酸雨区内湖水中s 0 4 2 的浓度与大气中s 0 4 2 的沉降呈正相关【， 每年约有3 2 0 t 来自大气的氮沉降进入土壤和水体，其中3 0 6 0 被生态系统所吸收 1 1 】。 1 2 1 2 农业非点源污染的机理 农业非点源污染产生和负荷量与降雨一径流形成密切相关。雨水是污染物的良好载 体，降雨很容易将大气中漂浮的污染物质携带下来，进入水体。在降雨产流阶段，除了 雨水本身将大气污染物冲刷下来进入水体造成污染外，雨强、历时、雨量和降雨频率等 因素也影响着非点源污染的负荷量，因为它们是控制坡面泥沙侵蚀的主要因素，其中雨 强和雨量最为重要。影响泥沙产生的其他因素有坡度、下垫面性质( 4 - 壤类型、粒径、 植被覆盖等) 、受纳水体的距离等。 当降雨产生，雨滴下降的动能可使吸附于土壤颗粒表面可溶性物质释放或随着泥沙 的脱离一起由径流携带进入水体产生污染。研究发现，雨滴效应是分离土壤颗粒的重要 机制。雨滴溅蚀对土壤侵蚀的作用有三个方面【1 2 1 ：破坏土壤结构，将土体破碎使分散 成土粒。阻塞土壤表层空隙，形成结皮层，导致土壤渗透性下降，利于地表径流形成和 流动；直接打击地表，产生土粒飞溅和沿坡面迁移；雨滴打击增强地表薄层径流的 紊动强度，导致了侵蚀和输沙能力增大。在降雨初期的雨滴溅蚀过程中，土壤溶液中的 铵态氮和硝态氮向雨水中释放，吸附于土粒中的铵态氮也同时进行扩散，结合于土粒表 面中的有机态氮随不同粒径的溅蚀而分离于土体，因而溅蚀是土壤氮素流失的起始阶段。 影响坡面侵蚀的另一个因素是土壤抗冲刷的能力，由土壤特性决定。黏性土壤抗冲刷能 力比无黏性土壤大，但黏性土壤被冲刷后，以团块形式运移的黏土有一部分会在径流流 态变化后沉积下来。黏土由于颗粒极细，具有很高的富集比，易吸附无机营养物和有机 杀虫剂等化学品，容易造成下游沉淀区水体的二次污染1 。从泥沙的颗粒直径来看，细 颗粒直径小、比表面积大、吸附能力强，因此具有很高的富集比，污染潜力很大。由于， 水流对土壤中营养物质有浸提和冲洗作用，土水之间的浓度差导致化学物质向径流中扩 4 第一章绪论 散：而吸附于土壤颗粒的物质由于径流的冲刷作用而解吸。因此，土壤中营养元素主要 以溶解态形式损失和以吸附态形式附着于侵蚀泥沙流失。 土壤颗粒被侵蚀后在水流作用下汇入河流。在汇流过程中，水流可对土壤表面产生 局部的移动，使土壤脱离，形成细沟侵蚀。细沟侵蚀的驱动力是表面水流的流体动力。 水流在坡面的流动方式有四种，即层流、紊流、涡流、横向环流和螺旋流等方式。这些 方式对侵蚀作用的贡献程度不一，坡面侵蚀主要是由层流和紊流引起。 泥沙是非点源污染主要污染源，也是有机物、重金属主要携带者。据调查，美国河 流中9 9 悬浮物、8 0 的磷和7 0 的凯氏氮均来自于土壤侵蚀。因此，雨强对土壤侵蚀 的影响势必导致非点源污染负荷变化。而雨滴的粒径分布是降雨强度的函数，因此在建 立与雨滴参数相关的土壤分离的物理模型时，需考虑降雨强度f ”】。如m e y e r 和w s c h m e i e r 采用线性回归方程建立了沟间泥沙运移率与有效降雨强度之间关系l “。r o s e 等也提出了 类似的方程f 1 4 1 。坡度系数和雨强计算沟间泥沙运移率【1 5 , 1 6 l 反映坡度对非点源负荷的影响。 在农业地区中泥沙的运动结果表明细悬浮颗粒占总负荷的9 0 9 5 l “1 。对路面沉 积物特性研究表明，沉积物中的重金属污染物浓度呈现随粒径增大而减小的趋势1 1 7 , 1 5 。 我国高速公路路面沉积物重金属测定结果也显示了铅、锌含量随粒径减小略有增大【1 9 1 。 侵蚀泥沙与原位土壤相比具有较高的富集性，表现为泥沙对磷的富集作用 2 0 , 2 1 1 。 s h a r p l e y i 笠喇用模拟降雨对土壤磷富集研究发现，富集率随降雨强度和土地坡度的增加而 减小，和泥沙流失量呈对数关系。 分析表明影响土壤侵蚀的因子( 如降雨、植被覆盖和土地利用方式等) 以及营养元 素种类是非点源污染负荷中营养元素流失形态的主要影响因素。以氮、磷为例，彭琳等1 2 3 l 在陕西安塞径流区的观测表明，每年因水土流失而损失的氮量为9 1 9 k 趴h m 2 a ) ，以土 壤颗粒的形式流失的氮占流失氮总量的9 5 以上。晏维金等【矧发现，在特定的土壤和降 雨径流条件下，8 0 以上磷以颗粒态形式流失，其中6 0 9 0 是随0 1 m m 以下的颗粒物 流失的。颗粒态污染物的迁移常用效能因子来描述【矧。效能因子随土壤特性、雨强、径 流量、河流的水力学特性、土地利用类型以及污染物性质等而变化，所以，尚不能采用 简单的关系式来确定【矧。 当降雨落到透水性下挚面上，水分会在重力的作用下通过土壤剖面向下运动，这就是 下渗过程。下渗的水分往往将上层土壤中可溶性物质溶提出来，并随着水分一起运动到 下层。淋溶损失就是指上层土壤可溶性营养物随水下渗至根系活动层以下，从而不能被 作物吸收所造成的营养损失，这部分损失主要是由降雨入渗所引起。在重力作用下，土 河海大学硕士论文太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 壤表面可溶性物质可随水流一直下渗到地下水面线，如表层土壤的硝态氮经水的入渗作 用进入土壤深层，并随饱和水流在土壤剖面向下扩散，一部分硝态氮随根系延伸被植物 吸收利用，一部分淋溶到植物不能利用的深度。因此，表层土壤中硝态氮含量直接影响 地下水硝态氮含量。超过正常施肥量后，秋季土壤硝态氮的水平随施氮量增加线性增加 渊。营养元素的淋失程度与降水量和灌水量呈正相关。较多的降雨能使大量的硝态氮被 淋至小麦根区之外( 1 2 m 以下) 吲。沙质土壤上的灌水试验也表明深层土壤残留的硝态 氮含量与灌水量成正相关关系嘲。其次，土壤类型、水文条件和管理措施( 如耕地耕种 和作物种类) 对氮的渗滤都有影响。土壤中粘粒、粉粒和有机质越多，硝态氮就越不易 淋失【冽。这是因为粘土孔隙率小，保水容量大，下渗量就小，淋滤损失的硝酸盐也就小。 除了土壤类型外，调整和改进耕作和作物使用的管理措施能减少相当一部分的硝态氮， 如小麦一大豆轮作硝态氮淋失损失小于大豆连种方式，免耕优于传统耕作方式【3 1 l 。 综上所述，降雨沉降、土壤侵蚀、下渗、土壤与径流的作用使得非点源污染迁移研 究十分复杂。土壤颗粒因雨滴效应分离、径流侵蚀、输移和沉积过程等都不是很明确， 所以非点源污染模型多为经验模型，其适用性受到一定限制。因此土壤侵蚀、侵蚀泥沙 富集率以及水沙运动等方面的研究对非点源污染控制工作的深入，具有指导意义。 1 2 1 j 土壤污染物转化 进入土壤中的动植物残体是土壤有机质的来源。动植物残体在土壤中一部分被微生 物分解成简单的有机化合物，并且其中有一部分被彻底的分解为无机物和简单矿物质： 一部分未分解完全的中间产物再经过微生物作用，合成高分子的有机化合物一一腐殖质。 土壤中存在大量的微生物，可将进入土壤中的污染物质转化分解为无害物质，健康的土 壤系统对于水质不会有太大的影响。 水体中高污染负荷量与土壤的养分量、土地受扰动程度及异常的气候条件有关。污 染物与土壤相互作用过程十分复杂。土壤对污染物质的降解作用除了与污染物质性质有 关外，很大程度上是由土壤特性决定，如p h 值、含水量、透水率、有机质含量等。土壤 表层由于微生物多、有机质含量高，受人类扰动影响明显，且物理化学反应( 吸附解吸 过程、生物降解过程等) 都在此层，因此，非点源污染研究对象主要是土壤表层中的污 染物质的迁移转换。 1 、氮 土壤中的氮素主要以3 种形态存在【3 2 】：腐殖质中的有机氮、吸附于土壤颗粒上的无 机氮以及溶于土壤水中的无机氮。无机氮主要是铵离子和硝酸根离子，有机氮主要由腐 6 第一章绪论 殖质、各种蛋白质和氨基酸等。土壤中还含有少部分的气态氮。 有机氮转化为氨的过程称为氨化，这一过程主要由微生物如各种腐生细菌、放线菌 和霉菌等来完成。氨化作用形成的氨大部分都迅速转化了：( 1 ) 土壤吸收利用；( 2 ) 经 过土壤微生物作用转化为氧化态的氮化合物；( 3 ) 在氨的挥发作用下逸往大气或随水流 失。氨挥发是铵盐在生物、物理、化学作用下转化为气态氨的过程。氨挥发受到土壤p h 、 温度、植物存在或缺失、风速、空气中n h 3 的浓度差等影响。 硝化是氨转化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程硝化作用可分为两步：第一步，铵态氮 在亚硝化细菌作用下被氧化成亚硝氮，第二步，亚硝氮在硝化细菌作用下氧化成硝氮。 由于亚硝酸盐很容易被氧化为硝酸盐，因此硝化的主要产物是硝酸盐。硝化细菌为自养 型微生物，要求通气良好、微碱性环境、温度在2 5 到2 8 度之间最适宜【3 3 l ，所以夏季微 碱性土壤表层硝化作用进行的最盛。硝化的产物硝酸盐是植物的主要营养来源，它会随 着径流流失或由于反硝化作用而损失。 反硝化过程是硝酸盐和亚硝酸盐被还原成气态氮并从土壤中逸出的过程。这可能引 起土壤中氮素的大量损失。反硝化作用的进行是在缺氧、反应为中性或微碱性及温度为 2 7 度到3 0 度时才很活跃【3 3 l 。所以在水稻田淹水时，施用大量有机肥或在高位沼泽泥炭 中施用石灰都可以使反硝化作用变得比较强烈，引起氮的损失。 铵的固定包括：2 ：1 型的粘土矿物( 依利石、蒙脱石等) 对铵离子的吸附；和微生 物吸收、同化为有机态氮两种形式。土壤中有些微生物起着和反硝化作用相反的过程， 能将大气中的氮转化为含氮化合物，这对土壤肥力的发展具有重要意义。氨的挥发是指 土壤中的铵态氮以氨气的形式进入大气的过程。当向土壤中施加尿素或者是向钙质土壤 中施加铵肥时都会发生氨的挥剔3 2 1 ，其速率与土壤水中氨氮浓度以及土壤温度成正比。 土壤中能被植物利用的主要是n 0 2 、n 0 3 和n 1 4 + 。n 的循环是有机氮在微生物作用 下转化为铵态氮，然后在硝化细菌的作用下转化为亚硝酸盐再转化为硝酸盐。上述过程 中矿化是影响植物利用氮素的关键步骤。不同种类的植物残落物或同一种类不同地区的 残落物所含的c n 比存在很大差异，这就使得氮的矿化研究十分复杂。目前，氮的矿化 率研究主要从影响微生物生存环境( 水分、温度、土壤p h 、c n 比等) 方面入手，且假 设各环境因素对氮矿化速率影响相互独立，则可以用温度、湿度、p h 三个因子的效益函 数的乘积表示环境效益函数。b a n h o l o m e w l 3 4 j 5 1 研究发现在有机氮的分解过程中，c n 比 控制着净矿化率( 矿化量与固化量差值) 。异养微生物吸收率也影响了氮的矿化，如含较 高木质素植物，即使有相当高的c n 比，也不能提高矿化率【矧。土壤中微生物对氮矿化 河海大学硕士论文太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 也有很大作用，如线虫类存在会导致铵态氮释放，利于植物根系的吸收【朔。 2 、磷 磷是植物生产所需要的另一种主要营养物质，是水域富营养化的主要污染源，是湖泊 中水生植物生长的主要控制元素。自然界中磷的主要存在形式有磷灰石态的正磷酸盐、 非磷灰石态的无机磷、有机磷和溶解态正磷酸盐。正磷酸盐、非磷灰石态的无机磷和有 机磷主要为颗粒态。溶解态无机磷酸盐是能够被植物吸收利用的磷的唯一形式。磷素在 径流中和氮素一样存在溶解态和悬浮颗粒态，造成污染。磷的迁移和沉积取决于水文系 统的活动，而磷的转化过程则受土壤、植物和大气影响，所有这些因素综合起来使得预 测磷的环境效应十分困难。 磷循环包括多种物理、化学过程和微生物分解、固定过程。这些过程决定了磷的各 种存在形态、决定了植物吸收磷的有效性、决定了地表径流输移量和地下径流的淋溶量。 根据研究，土壤中磷循环包括吸附解吸、沉淀溶解、矿化固定、植物吸收这四个过程。 据w a d d e l l b o w e r 估计，施用的磷肥约5 扩散到大气中，土壤吸附固定5 5 7 5 ，植 物吸收7 1 5 ，径流带入地表水5 1 0 ，渗滤到根区以下的土壤或地下水 的径流小区取表层 厚l c m ，面积1 5 e m x1 5 c m 的土样并混匀，进行化学分析。在小流域出口处设置自计雨 量计，记录日降雨量、降雨日期和历时；人工记录每天的天气情况，日最高温度、日最 低温度；利用t d r ( 土壤体积含水率测定仪) 每天测量不同土地利用类型径流小区内土 壤的含水量；一次完整降雨结束后，收集泥沙进行称重：调查来自流域外的水泵灌溉量， 记录每次抽水日期、历时和流量；调查并记录径流小区全年施用化肥和有机肥的品种、 1 6 第三章坡面非点源污染产污规律及模拟 数量以及时间。 分析土壤样品的颗粒级配，测定土壤容重，含水率。用湿容重和含水率推求土壤干 密度，渗透系数参照达西公式采用室外渗透法测定。 水样测定项目包括总氮( i n ) 、氨氮( n h 2 一n ) 、硝氮( d ：一n ) 、亚硝氮 ( d i n ) 、总磷( t p ) 、可溶性总磷( d p ) 和磷酸盐( p 0 4 一呻) 。另外，径流水 样经0 4 5 t i n 滤膜过滤后再测定上述项目作为溶解态氮、磷含量，颗粒态污染物含量采用 差减法得到。 2 3 1 径流小区具体布设 在梅林小流域中选择4 种有代表性的土地利用类型建立径流小区，分别是板栗林、 竹林、早地和菜地。在板栗林、竹林、早地的上坡和下坡方向分别设置两个水池，称之 为上池和下池；菜地只设一个池；2 0 0 6 年又新增杨家山径流小区，并在坡脚处设置水池。 在水池内安装自记水位计测定水深，用以计算地表径流量。旱地小区主要种植玉米、油 菜和花生，菜地种植大豆、丝瓜、南瓜、茄子等。径流小区保持原有耕作方式，记录全 年施用化肥和有机肥的品种、数量以及时间。各小区的面积、坡长、坡度见表2 3 1 。径 流小区在流域中所处的位置及其平面布置见图2 3 1 。 表2 3 1 径流小区基本信息 下图2 3 1 是径流小区的地理位置及平面布置图： 1 7 蹿 k i t t l i 断晰 。一艇漉 ，- 溆域恐徉 乳等颤线 池壤 0 2 嘲 p_ 盈十 ，+ + + 魂+ + + 十 十一、 十 十 + 区。 + 图2 3 1 径流小区地理位置及平面布置图 集池 由表2 3 1 和图2 3 1 可知，竹林和板栗林主要分布于梅林小流域的丘陵坡地，坡度 相对较大，最高达到7 5 3 。，而早地和菜地所处的地势相对平坦，介于2 5 0 。之间。 梅林小流域各小区土壤理化性质见表2 3 2 。 表2 3 2 梅林小流域供试土壤理化性质 由表2 3 2 可知，根据中国土壤质地分类标准，小流域土壤属于粉( 砂) 壤土。土壤 p h 基本呈酸性。 2 3 2 施肥情况 流域内主要施用化学肥料，如复合肥、尿素、碳铵，少量为有机肥，如菜籽饼和羊 灰。流域内的稻田采用水旱轮作制，夏季种植水稻，秋季种植油菜和小麦。2 0 0 3 年至2 0 0 6 年施肥时问和施肥量详见表2 3 3 和表2 3 4 。 l 第三章坡面非点源污染产污规律及模拟 表2 3 42 0 0 6 年梅林小流域各地块施肥情况 2 3 3 各径流小区概况 各径流小区的下挚面基本情况如下：菜地受人类活动影响最大，经常翻耕和施肥， 表层氮、磷含量最高；旱地下池径流小区也受人类影响较大，只是施肥量相比菜地较少， 而且该地块植被较稀疏；竹林上池径流小区植被茂密，近地面处又有很多矮小植物，地 1 9 河海大学硕士论文太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 面枯枝落叶层很厚，有机质含量很高。板栗园上池径流小区植被较好，近地面植物茂密， 贴地生长，无枯枝落叶层，有机质含量较高。杨家山径流小区也种植板栗村，坡度很大， 近地面植物较稀疏，贴地生长，该地块不耕种，表层土壤总氮和总磷含量较低。 2 0 0 6 年宜兴梅称小流域实验记录了7 月1 9 日和7 月2 2 日两次降雨事件( 编号分别 为p l l 和p 1 2 ) 。7 月1 9e t 降雨量为3 2 5 m m ，降雨历时1 9 2 h ；7 月2 2 日降雨量为3 3 5 m m ， 降雨历时2 6 7 h 。径流记录完整的小区有7 月1 9 日菜地水池、旱地下池、竹林上池、板 栗园上池、杨家山水池和7 月2 2 日菜地水池、竹林上池、杨家山水池。由于径流小区名 称各不同，分别命名为；菜地c 1 9 、c 2 2 ，旱地h 1 9 ，竹林z 1 9 、z 2 2 ，板栗园b 1 9 ，杨 家山y 1 9 、y 2 2 。 2 0 0 6 年各径流小区氮素、磷素和有机质含量平均值见表2 3 5 。 表2 3 - 5 各径流小区表层土壤营养物含量表 2 4 历年观测情况和数据整理计算 2 a 1 梅林小流域出口处采样数据 在2 0 0 3 年8 月2 8 日到2 0 0 6 年9 月5 日3 年时间里共收集了1 5 场降雨的径流样本。 为了便于描述，将降雨一径流事件按发生时间先后依次编号为m 1 一m 1 5 ，见表2 4 1 。 表2 4 - 1 梅林小流域各场降雨径流事件基本情况 2 0 第三章坡面非点源污染产污规律及模拟 2 4 2 梅林小流域各径流小区采样数据 在2 0 0 4 年1 月1 0 日到2 0 0 5 年2 月1 0 日期间，共收集了9 场降雨的径流样本。2 0 0 6 年度开始在径流小区上观测整个降雨事件所产生的径流过程和径流中污染物的浓度过 程。历年各次降雨事件见表2 4 2 。 表2 牝径流小区各场降雨径流事件基本情况 降雨径流降雨量 降雨发生时间水质测定项目 事件编号(ram) 2 0 0 4 - 1 1 0 2 0 0 4 1 1 5 2 0 叫6 1 5 2 0 0 4 6 1 8 2 0 0 4 - 6 - 2 4 2 0 0 4 7 - 6 总氮、氨氮、硝氮、总磷 总氮、氨氮，硝氮、总磷 总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮， 总磷、磷酸盐 同上 同上 同上 4 8 名 2 踮 6 m t 髟 n 拽吼 n 陀 ” n 巧 两 河海大学硕士论文太湖丘陵地区农业小流域非点源污染研究 2 0 0 6 年各径流小区污染物浓度采样数量见表2 4 1 3 。 表2 4 3 梅林小流域各径流小区水质监测项目表 第二三章坡面非点源污染产污规律及模拟 第三章坡面非点源污染产污规律及模拟 3 1 坡面非点源污染机理 坡面由于具有一定的坡度，其非点源污染产生和负荷量与产汇流过程密切相关。 3 1 1 坡面产汇流过程 当降雨发生后，雨滴如果降落在不透水的下垫面上，就直接产流，如果落在土壤上， 首先会补充土壤中的水分。根据霍顿产流理论，若降雨强度大于下渗强度，雨水就会在 土壤表面积累，积累超过填洼量便会流动形成坡面流，产流就开始了。由于当土壤表层 透水性很大时霍顿产流方式不适用，雨强总是不会超出下渗强度，所以邓恩于1 9 7 5 年给 出了典型的山坡产流理论，修正了霍顿的产流方式，见图3 1 1 ： 。 图3 1 1 山坡产流示意图 一霍顿坡面流：0 地下径流： 壤中水径流； 西饱和地面径流( 由蓄满产流径流和回归流组成) 山坡产流理论描述了在山坡径流机制中起重要作用的“筛子”概念，将径流分为霍 顿坡面