农业非点源污染田间模型及其应用

非点源污染的负荷定量化研究是控制、评价和管理非点源污染的基础.农业非点源污染负荷估算包括农田排水估算和排水中的污染物浓度预测2个环节.依据水量平衡原理,农田排水应用DRAINMOD模型估算;将农田的施肥和灌溉过程"合成"作为田间污染物浓度的脉冲输入,农田排水中的污染物浓度变化则视作对应于此脉冲输入的响应过程,而污染物在田间的复杂迁移转化过程以逆高斯概率密度函数隐含表达.以此为基础,构建了农田尺度农业非点源污染负荷估算模型.以青铜峡灌区典型试验区为例,对稻田排水沟中硝态氮(NO_3~--N)和总磷(TP)的负荷过程进行了模拟,结果表明,模型估算结果和实测污染物负荷过程非常接近,Nash-Suttcliffe模拟效率系数分别为0.963和0.945,表明该模型具有较高的可靠性.     

模拟排水沟渠非点源溶质氮迁移实验研究

农田排水沟渠是由水-底泥-植物组成的复合生态结构,其间非点源溶质的迁移转化对研究沟渠拦截、控制和管理农业非点源污染具有重要意义.本研究以模拟排水沟渠静态实验为基础,以典型非点源溶质氮素为例,分析了实验期内水体、底泥及芦苇不同介质内氮含量变化过程,分析了底泥吸附与解析、芦苇生长与衰败等年内不同时期对水体中氮素浓度的影响,探讨了水-底泥-芦苇复合生态体内氮迁移及对水体中氮浓度的影响机制.结果表明,底泥的吸附与解吸、芦苇生长的吸收和同化对水体中氮素浓度均有影响,10月之前这种影响表现为促使水体中氮素浓度降低,是水体的氮净化过程;10月之后这种净化作用开始降低,11月之后表现为促使水体中氮素浓度升高.同时,模拟沟渠水-底泥-芦苇生态体内氮迁移联系密切,任一介质内或介质间氮素迁移转化都会引起水体中氮素浓度相应调整.     

江川农场旱田改水田对水环境的影响研究

黑龙江省江川农场实施旱田改水田后,粮食产量持续上升,同时也暴露了以总氮和总磷为主的非点源污染问题。农田氮磷流失主要包括以下几个方面：降雨径流（排水）过程、土壤侵蚀和泥沙输移过程、污染物迁移转化过程。文章基于美国通用土壤流失方程（USLE）和降雨径流模型（SCS）,结合调查资料,分别估算2013年江川农场水田和旱田的总氮和总磷的年输出负荷,从而得出旱改水对水环境的影响结论。     

农田排水沟渠水体-底泥中溶质氮分布特征试验研究

沟渠系统"过程拦截"是现阶段农业非点源污染控制和管理的重要手段.针对当前农田排水沟渠水体-底泥-植物系统内各介质间非点源溶质迁移转化机制不清的现状,本研究以天然沟渠为对象,以非点源溶质氮为例,通过2014年3月~2015年2月现场监测试验,分析了农田排水沟渠水体及底泥中非点源溶质氮的分布特征.结果表明,沿沟渠纵向,试验沟渠水体中总氮质量浓度、底泥中总氮含量均呈现一定程度递减趋势,表现出沟渠系统对非点源溶质的净化作用;水体中总氮质量浓度、底泥中总氮含量在沟渠横断面分布存在较大不均匀性,其分布特征与断面形态、流量变化过程、流速分布等因素有关,其中水体中总氮质量浓度均衡度为76.89%,底泥中总氮含量均衡度为57.04%;试验期内,水体中总氮质量浓度呈"凹"形变化、底泥中总氮含量呈"凸"形变化,二者表现出相逆的变化趋势.     

吉林省西部新增灌区水田非点源污染负荷估算

吉林省西部实施土地整理和引水工程新增水田1.53×105ha,同时暴露了以T-N、T-P和总盐量为特征污染物的严重的农田非点源污染问题。应用美国通用土壤流失量方程(USLE)和美国农业非点源管理与化学径流模型(CREAMS),结合典型流域单元试验农田连续监测,估算了吉林省西部地区盐碱地改水田新增非点源污染物TN、TP和总盐量年输出负荷。研究表明:吉林省西部新增水田非点源污染物输出总负荷:氮素4 029.561 t/a(26.337 kg/ha),磷素1 407.982 5 t/a(9.242 5 kg/ha),总盐分851 537.871 t/a(5 565.607kg/ha)。按照驱动作用力分析,降雨径流与农田排水共同驱动水田氮素流失,降雨径流是磷流失主要驱动力,田间排水是总盐分流失主要驱动力。     

沟渠湿地对农业非点源污染物的净化能力研究

沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解净化农田排水汇集的非点源污染物,芦苇(Phragmites communis) 和茭草(Zizania latifolia)是长江下游地区沟渠中自然生长的2种主要挺水植物,能有效吸收N、P营养成分,是湿地净化非点源污染物的主要机制.芦苇和茭草收割以后,每年可带走 463～515kg/hm²的N和127～149 kg/hm²的P,相当于当地2.3～3.2 hm²农田流失的氮肥、1.3～3.0 hm²农田流失的磷肥.茭草的吸收和分解能力明显高于芦苇.收割除带走植株体中的营养成分外,也改善了湿地光照和曝气条件,促进营养物质的分解转化,芦苇收割区底泥和水体中的有机质、TN、TP明显低于未收割区.因此,定期收割是保证自然湿地净化功能,减轻湖泊富营养化的有效措施.     

川中丘陵区农田源头沟渠玉米季中氧化亚氮排放及其影响因素

农田周边的排水沟渠不仅是农田养分迁移的重要通道,也是氮转化非常活跃的场所和潜在的氧化亚氮(N_2O)排放源.本研究以川中丘陵区农田源头沟渠为对象,在6~9月的玉米季(雨季),采用静态箱-气相色谱法对其N_2O排放开展原位观测.结果表明,在整个观测期有自然植被覆盖的沟渠生态系统(V)N_2O累积排放量(以N计)为0.43 kg·hm~(-2),而无自然植被覆盖的对照处理(NV,代表沟渠中的沉积物-水界面系统)则为0.07 kg·hm~(-2).该沟渠生态系统的N_2O平均排放通量[14.7μg·(m~2·h)-1]已达到本地区玉米农田直接排放的水平,表明玉米季中农田源头沟渠是不容忽视的N_2O源.川中丘陵区雨季丰富的降雨径流携带大量农田硝态氮进入沟渠,促进N_2O产生和排放,此外,植物的存在可大幅度提高农田沟渠的N_2O间接排放系数(V:0.05%vs.NV:0.01%).由于本研究的N_2O间接排放系数远低于2006年IPCC建议的缺省值(0.25%),如果仅采用IPCC缺省值来估算本地区沟渠生态系统的N_2O排放,可能导致较大误差.未来研究中应对原位观测多予以重视,为进一步修正其缺省值提供理论依据.     

降水对农田排水沟渠中氮磷流失的影响

以浙江嘉兴双桥农场为研究对象,分析降水对农田沟渠中氮、磷流失的影响,揭示氮、磷在降水径流中流失的一般规律. 在单晚稻生长期间,同步监测了施肥后的2次降水量和沟渠径流量,并对2次降水径流的全过程进行污染物含量的测定,对农田排水沟渠径流量与污染物含量随2次降水变化过程进行监测.结果表明:污染物含量变化呈现出大致相同的趋势,且污染物含量峰值比流量峰值提前2～3 h;在降水初期,污染物含量随径流量的增大而升高;随着流量的继续增大,含量呈下降趋势. 施肥后4 d内降水的农田沟渠中氮、磷随径流的流失量比4 d后大. 影响氮、磷流失的因素主要有降水量、降水时间间隔、径流量、施肥的种类和数量、土壤前期含水量以及沟渠中的沉积物等. 氮流失的主要形态为氨氮和硝氮;磷流失的主要形态为磷酸盐. 通过回归分析发现,径流量与氮、磷排放负荷间符合多项式关系.      

青铜峡灌区典型排水沟水污特征解析

以2009年青铜峡灌区排水沟实测流量和污染物浓度为基础,结合典型排水沟纳污现状调查及灌区灌溉与排水特点,对比点源污染和非点源污染的浓度和负荷特征,对典型排水沟污染物来源进行解析.结果表明,青铜峡灌区典型排水沟农田排水期盐分、氨氮、总磷月平均浓度依次为1 124、8.59、0.48 mg.L-1,非农田排水期盐分、氨氮、总磷月平均浓度分别为1 952、18.13、4.15 mg.L-1,农田排水期月平均输出盐分、氨氮、总磷负荷为20 896、90.35、5.80 t,非农田排水期月平均输出盐分、氨氮、总磷负荷分别为7 842、67.81、21.38 t.其中,第一排水沟水污过程与农田灌溉排水周期具有很好的一致性,表明第一排水沟以农田灌溉排水和农业非点源污染为主;第三排水沟、银新沟等则在承接农田灌溉排水的基础上,接纳了较多的点源污染,表现出点源与非点源综合污染并以点源污染为主导的污染特征.     

水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应

为有效阻控农田土壤流失氮、磷通过沟渠进入水体,通过动态模拟实验研究对比不同排水沟渠对农田流失氮、磷的截留作用,同时通过静态模拟实验重点探讨了水生植物对氮、磷在水－沉积物－水生植物这一微观系统中的截留机理.结果表明:沟渠中的水生植物茭白和菖蒲对氮、磷的截留和转化有明显的促进作用;水生植物的存在可以加速氮、磷界面交换和传递,从而使上覆水中氮、磷含量快速减少;沉积物间隙水中氮、磷含量的变化受界面交换、沉积物吸附、微生物转化及植物吸收等各方面因素影响,水生植物调整并加强氮、磷的各种转化,植物的存在使得间隙水中氨氮及磷酸盐含量降低并呈现规律变化.      

滩涂农业垦区排水沟连接度对氮磷输出的影响

沟渠廊道提供了氮磷输送与排放通道,同时还提供氮磷滞留降解的环境,因此排水沟渠及其连通程度与氮磷输移及面源污染排放密切相关。为揭示不同连接度水平对氮磷污染物质扩散功能和净化功能的影响,论文以江苏盐城农业垦区排水沟为研究对象,分别在2015年8月和10月两次降水事件前后对不同等级排水沟进行4次水质（氮磷）监测,研究构建了基于氮磷输移过程关系的沟渠廊道连接度模型,进而利用回归模型分析了垦区排水沟连通度与氮磷输移的关系,结果显示：1）氮磷负荷呈现出10月雨前 < 8月雨前 < 10月雨后 < 8月雨后的时间变化特征,并有从上游到下游先升后降的空间变化特征;2）回归模型分析表明,排水沟TN、TP 输出随沟渠廊道连接度的增大呈先增后减的趋势,且其拐点分别位于沟渠廊道连接度为0.79、0.77时。研究表明,排水沟连接对于农田排水沟的扩散和净化功能的发挥起着重要作用,农业面源污染可以通过提高排水沟连接度来控制。     

青铜峡灌区氮磷运移特征试验研究

以青铜峡灌区为例,通过对输水、田间以及排水系统典型沟渠、地块的监测试验,分析了作物灌溉期氨氮、硝氮和总磷在灌区输水系统、田间系统和排水系统中的迁移变化特征.结果表明,在输水系统中,氮磷浓度大致呈递增趋势,递增的幅度与渠道基质及其中的氮磷含量有关;在田间系统,农田排水中氮磷浓度受田间施肥过程影响较大,田间氮磷流失以氮素为主,尤以硝氮较为突出;作物生长期前后,田间土壤中氮素含量在60 cm以上变化较大,下层变化较小,土壤中总磷含量变化相对较小;排水系统中,氮磷浓度沿纵向整体上是一个逐步下降趋势,从农沟口到总排口,氨氮浓度下降了25%,硝氮浓度下降了41%,总磷浓度下降了45%;受养殖污染以及部分工业、生活排污影响,干级排水沟氮浓度出现上升现象,其中以氨氮表现最为显著.     

漳卫南运河流域非点源污染负荷估算及最佳管理措施优选

制定实施流域TMDL(total maximum daily load)计划的一项关键技术就是借助水文模型量化流域非点源污染负荷,设置BMPs(best management practices),实施非点源负荷削减.采用构建的SWAT模型估算了漳卫南运河流域不同水平年(丰、平、枯)非点源负荷大小,分析了非点源负荷的空间分布特征.丰水年总氮非点源负荷占总负荷的0.07%,总磷非点源负荷占总负荷的27.24%.空间上,流域非点源输出负荷较大的区域主要为具有一定坡度的农业用地和城镇居民用地.对照基准情景非点源输出负荷,通过对47种不同BMPs控制措施的模拟,核算出不同BMPs对8个优先控制子流域的有机氮、有机磷、硝酸盐氮、溶解态磷和矿物磷共5种污染物的削减效率.通过对比分析不同BMPs的费用效益,优选出漳卫南运河流域最佳的总氮和总磷污染物削减措施为修建植被型沟渠,其TN、TP单位削减费用分别介于16.11～151.28元.kg-1和100～862.77元.kg-1之间,该项措施是47种BMPs中最经济有效的.相关研究结果可以为流域非点源污染负荷削减提供科学依据,为流域水环境改善和水生态修复提供技术支撑.     

基于流域尺度的农业非点源污染物空间排放特征与总量控制研究

农业非点源污染是导致流域水质恶化的重要原因之一.依据农业污染源主要污染物空间排放特征和排放强度分析,划分农业非点源污染空间管理分区,并研究设计分区污染物总量控制方案,是提高农业非点源污染控制成效的重要途径之一.以湖北省四湖流域为研究案例区,系统开展了流域尺度的农业非点源污染空间排放特征识别与总量控制研究.结果表明,四湖流域水环境COD、总氮、总磷、氨氮负荷主要来自于农业非点源污染,4类非点源污染物分别占到流域污染物排放总量的67.6％、 82.2％、 84.7％和50.9％.对四湖流域非点源污染物空间排放特征分析结果表明,水产和畜禽养殖业发达的洪湖、监利、潜江、沙洋地区是流域非点源污染物的主要贡献源区.根据污染物在流域空间上的排放特征和源强评价结果,将四湖流域划分为3个农业非点源污染管理分区,即长湖上游水产和畜禽养殖污染重点控制区、四湖干渠农村非点源污染综合控制区和洪湖水产养殖污染重点控制区,针对不同管理分区分别提出了污染控制措施.基于水质改善和水体纳污能力综合考虑,设计了针对3个非点源污染管理分区的总量控制方案,分阶段实现监测断面全指标达标和满足水体纳污能力要求.主要污染物中,COD主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域COD削减量的43％和42％;氨氮主要削减区域为四湖干渠区,占到氨氮总削减量的66％;总氮主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域总氮削减量的42％和31％;总磷主要削减区域为四湖干渠区,占到流域总磷削减量的53％.     

丘陵地区流域土地利用对氮素径流输出的影响

氮素是地表水体富营养化的一个限制因子,土地利用对农业非点源污染的氮素输出具有重要的影响.以位于亚热带低山丘陵地区的安徽省南部宣城市梅村流域为实例,通过航空遥感图像解译、GIS分析和实地定位动态监测方法,研究了具有不同土地利用结构的农-林生态系统地表径流水的氮素含量和输出通量及其与土地利用的定量关系.结果表明:氮素的输出以NO₃^--N的输出为主,土地利用类型或土地利用格局对径流水中氮素的含量和输出具有非常显著的影响.在同一种土地利用结构系统下,NO₃^--N与T-N的含量间具有极显著的正线性关系;而只有林地-水塘系统下,NH₄⁺-N与T-N的含量间有极显著线性关系.而各类氮素的输出量间都具有极显著正的线性相关关系.各类氮素的输出量都与土地利用类型具有指数相关性,林地、水塘对氮素输出具有负效应,而水田和村庄则具有正效应.同时,土地利用类型对径流中氮素的含量也有影响.     

长江经济带农业废水面源污染与农业经济增长的脱钩关系

推进农业废水面源污染与农业经济增长的脱钩,是实现长江经济带农业经济高质量发展的迫切要求,因此,本文测算分析了2011~2016年长江经济带农业废水中氨氮、化学需氧量、总磷、总氮排放量与农业经济增长的脱钩关系及其演化趋势,结果表明：长江经济带农业废水面源污染总脱钩指数的变动幅度较小且小于0,但2015~2016年各污染源脱钩程度有所恶化;分省统计结果方面,四川农业废水中氨氮和化学需氧量排放脱钩为扩张性负脱钩,贵州、江苏、江西、上海、云南以及重庆化学需氧量排放为绝对脱钩,污染物排放绝对脱钩的省市主要位于长江经济带中游;农业废水面源污染的氨氮、化学需氧量排放的异质性空间边界溢出效应较明显,而总磷、总氮排放同质性溢出效应较明显;农业废水面源污染排放物的Moran’s I随距离升高,但随着空间边界地理距离的拉大,长江经济带农业废水面源污染的空间溢出效应脉冲式递减;氨氮、化学需氧量、总氮和总磷的排放对农业经济增长的长期影响呈U型趋势,影响效应贡献最大的为化学需氧量,其次为氨氮,总磷和总氮的影响较小,而总磷的影响持续为正.