水稻种植对中亚热带红壤丘陵区小流域氮磷养分输出的影响

以湖南省长沙县的脱甲流域(高水稻种植面积比例)和涧山流域(低水稻种植面积比例)为研究对象,对比研究红壤丘陵地区典型农业流域水稻种植对河流水体氮磷浓度和输出强度的影响.连续16个月的监测结果表明,脱甲和涧山流域河流水体均存在比较严重的养分污染,尤其是氮污染;对比两个流域,脱甲流域河流水体的氮磷浓度水平和水质恶化程度均高于涧山流域.从养分组成来看,脱甲流域河流水体中氮以铵态氮为主(占总氮的58.5%),而涧山流域主要是硝态氮(占总氮的76.1%).脱甲流域中可溶性磷占总磷比例为47.1%,高于涧山流域的37.5%.从养分浓度变化的时间动态而言,两个流域河流中各形态氮素水平在1~2月和7月较高,而可溶性磷和总磷在5~6月和10~12月出现两个峰值.由于两个流域河道径流主要集中在水稻种植期间的4~10月,脱甲流域河流中较高的氮磷养分浓度意味着潜在的氮磷流失风险.脱甲流域月平均总氮输出通量为1.67 kg·(hm2·月)-1,总磷为0.06 kg·(hm2·月)-1,均高于涧山流域的0.44 kg·(hm2·月)-1和0.02kg·(hm2·月)-1.考虑到两个流域的气候、地形地貌、土壤类型、农田耕作方式相似而只是水稻种植面积比例不同,因此,在该地区传统的水稻栽培管理模式下,较高面积比例的水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁.     

亚热带红壤丘陵区浅层地下水氮淋失特征研究

土壤养分累积引起的氮素(N)淋失是导致农区地下水污染的重要原因,也是农业面源污染的重要形式.本文以湖南省长沙县典型亚热带红壤丘陵流域为研究对象,通过连续定位观测,研究了林地、稻田、菜地和茶园4种代表性土地利用类型浅层(130~150 cm)地下水中N浓度的逐月动态变化特征.连续3年(2010—2013年)的观测结果表明:4种土地利用类型下浅层地下水总氮(TN)平均浓度差异显著(p0.05),其中,林地最低(0.85 mg·L-1),茶园最高(7.64 mg·L-1);从N的形态构成来看,林地、菜地和茶园浅层地下水中N形态以硝态氮(NO-3-N)为主,分别占TN的46.7%、70.2%和72.8%,而稻田浅层地下水N形态则以铵态氮(NH+4-N)为主,占TN 43.5%,表明土壤淹水条件是影响地下水N淋失形态的关键因子.地下水各形态N浓度的动态变化在不同土地利用下也迥然不同:林地地下水各形态N的含量低、变幅小,而稻田、菜地和茶园地下水N浓度变幅较大;采用单因子方法对不同土地利用下地下水的水质进行评价,结果表明:研究区浅层地下水中TN和NO-3-N无显著污染,NH+4-N污染较为严重,而综合指数法(F值法)进一步表明研究区浅层地下水污染主要出现在稻田和茶园,因此,控制稻田和茶园N肥的施用量是预防亚热带红壤丘陵区地下水N污染的关键.     

亚热带丘陵小流域土壤有效磷空间变异与淋失风险研究

肥料过施导致的土壤磷素累积和淋失是农业面源污染的重要方面.以湖南省长沙县金井镇脱甲河小流域(52 km2)为研究区,采用高密度布点采样、Arc GIS软件和属性相似反距离加权插值法研究了亚热带丘陵小流域表层(0~20 cm)土壤有效磷(Olsen-P)含量(以P计,下同)的空间分布特征与磷素的淋失风险.结果表明,菜地、果园、稻田和茶园土壤Olsen-P平均含量为62.0、16.1、14.4和13.7 mg·kg-1,是林地(平均含量为2.36 mg·kg-1)的5.8~26.3倍.5个土地利用类型土壤Olsen-P含量均具有高等变异水平和中等程度的空间自相关性(块基比C0/(C0+C)=50%),这与区内地形地貌、土壤母质、人工施肥等具有密切关系.根据土壤0.01 mol·L-1Ca Cl2浸提态P和Olsen-P的非线性关系可确定区内红壤和水稻土P的淋失风险临界值分别为69.97和98.40 mg·kg-1,并据此对脱甲河小流域土壤磷素淋失的风险进行了定量评价,结果表明旱地土壤具有明显较高的淋失风险,其中中等以上的比例占36.4%,而稻田土壤仅有0.2%,为中等以上淋失风险.因此,控制旱地(尤其是菜地)磷肥的投入是降低亚热带丘陵小流域土壤P淋失风险和减轻农业面源污染的关键.     

亚热带流域氮磷排放与养殖业环境承载力实例研究

畜禽养殖业粪便排放已经成为我国农村地区主要的农业面源污染源之一,也是制约养殖业良性发展的主要瓶颈.本文以湖南省长沙县典型亚热带流域为研究单元,基于流域水环境定位观测、耕地氮(N)磷(P)消纳能力以及养殖业调查和土壤分析资料,初步分析了亚热带丘陵区的面源污染现状及畜禽养殖业的环境承载力.结果表明,研究区金井河流域134.4 km2范围内N、P年负荷分别为N 2.72 t·km-2和P0.11t·km-2,其中养殖粪便对水体总氮(TN)、总磷(TP)负荷的贡献率分别约为42.2％和62.0％.区内平均畜禽养殖密度为3.46 AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪24.39万头),显著高于现有化肥用量条件下流域的实际承载力1.13 AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪6.35万头),因此养殖密度过高是导致研究区水体NP负荷较高的主要原因.区内N、P盈余量分别为N 35.8 kg·hm-2、P 18.61 kg·hm-2.研究区基本不施用化肥条件下畜禽养殖业的最大环境承载力为7.26 AU·hm-2,在有机肥占合理施肥量30％条件下,当地畜禽养殖业的环境承载力为2.74AU·hm-2(相当于流域内年出栏生猪19.50万头).降低养殖密度、调整养殖业空间布局以及提高养殖废弃物的资源化利用率是防治当前面源污染的有效途径.     

亚热带丘陵区人工湿地底栖动物群落特征研究

以湖南长沙亚热带丘陵区为研究区域,以处理农村综合污水（含畜禽养殖废水、农村生活污水及农田排水）为主要目的,通过野外小区控制试验,设置梭鱼草（Pontederia cordata）、绿狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）、梭鱼草+绿狐尾藻组合（Pontederia cordata+Myriophyllum elatinoides）及无植物对照（CK）4个湿地处理,分别于2019年4、7、10、12月采集底泥样品,研究不同植物湿地底栖动物物种组成与优势种、丰度与生物量及生物多样性的季节变化特征,并探讨其与环境因子的关系.结果表明：4个季节共采集到底栖动物27种,以水生昆虫居多（22种）.耐污性较强的霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）、苏氏尾鳃蚓（Branchiura sowerbyi）和黄色羽摇蚊（Chironomus flaviplumus）为4个季节共同存在物种.与单一植物湿地相比,水质处理效果最好的梭鱼草+绿狐尾藻组合湿地的底栖动物年均丰度和生物量最低,仅为522ind/m²和52.1g/m²,而无植物对照湿地的底栖动物年均丰度和生物量最高,分别为3665ind/m²和146.3g/m².夏、秋季各处理湿地底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d）和Pielou均匀度指数（J）总体上高于春、冬季.其中,春季Margalef丰富度指数表现为梭鱼草、无植物对照湿地显著高于绿狐尾藻和梭鱼草+绿狐尾藻组合湿地（P<0.05）,夏季Pielou均匀度指数表现为无植物对照湿地显著低于有植物配置的湿地（P<0.05）,冬季Margalef丰富度指数则表现为梭鱼草、梭鱼草+绿狐尾藻组合湿地显著高于绿狐尾藻和无植物对照湿地（P<0.05）.Spearman相关分析结果表明,底栖动物物种数与pH值呈显著正相关（P<0.05）,丰度与DO呈负相关,而与其他环境因子呈正相关（P<0.05）;RDA分析结果进一步表明,DO是影响腹足纲的主要环境因子,而寡毛纲和摇蚊幼虫受制环境因子较多,主要与TN、COD相关性较大.     

亚热带典型小流域磷收支及流失特征对比研究

磷素（P）在环境中的过量累积是导致农业面源污染的主要因素。论文以湖南省长沙县脱甲河农区小流域（52 km²）和涧山河森林-农区小流域（50 km²）为研究单元,基于入户调查资料和连续4 a的流域把口站水文水质定位观测数据,采用物质流分析法,对比研究了亚热带丘陵区典型小流域P的收支平衡及流失特征。结果表明,农区小流域出口地表水总磷（TP）含量变化为0.03~0.68 mg·L^-1,平均含量为0.21 mg·L^-1,整体达到Ⅲ类水质标准;森林-农区小流域TP含量变化范围为0.01~0.35 mg·L^-1,平均为0.08 mg·L^-1,整体为Ⅱ类水质,表明森林-农区小流域地表水水质明显优于农区小流域。农区小流域P的环境滞留强度（32.0 kg·hm^-2·a^-1）显著高于森林-农区小流域（20.6 kg·hm^-2·a^-1）,对环境影响更大。以2013年为例,农区小流域P的主要输入项为饲料,占53.1%,森林-农区小流域则以肥料为主,占53.0%;两个流域的P输出项都以植物和畜禽产品输出为主,均占总输出量的94.0%左右。控制小流域肥料和饲料投入、增加循环利用途径以及提高P利用率是当前减轻水体富营养化的有效途径。     

亚热带典型小流域总氮最大日负荷(TMDL)及影响因子研究——以金井河流域为例

本研究以亚热带红壤丘陵区为研究区域,选取10个典型小流域,根据土地利用和畜禽养殖密度分为4种类型(森林、森林-种植、养殖和种植-养殖小流域),并基于近3年小流域把口站的原位观测数据,采用负荷历时曲线模型(LDC)计算了不同类型小流域水体总氮(TN)的最大日负荷(TMDL),运用灰度分析法定量研究了不同流量阶段小流域主要因子对TN负荷消减率的影响.结果表明,小流域TN负荷特征与流域类型密切相关,10个小流域TN年均负荷为739.0~2798.4 kg·km-2·a-1,由小到大依次为森林、森林-种植、养殖、种植-养殖小流域,其中,养殖、种植-养殖小流域水质整体超标严重,且应针对中、低流量条件下(秋、冬季节)负荷进行消减,而森林-种植小流域TN负荷超标情况略好,但高流量阶段(春、夏)超标率过高.灰度分析结果表明,TN负荷消减率在高、中流量阶段下主要受农田面积比例影响,而低流量阶段受畜禽密度影响.农田面积比例对高、中流量段TN消减率影响显著,而畜禽养殖密度在低流量段具有更大影响,小流域景观越破碎、类型越丰富、斑块分布越零散、形状越复杂,TN负荷通量则越大.     

作物秸秆材料处理养殖废水中氮的周年去除效果及其对氮循环微生物丰度的影响

基于前期研究,利用秸秆材料处理养殖废水,能够有效降低养殖废水中氮的浓度,但周年去除效果及其对氮循环微生物丰度的影响尚不清楚.设置麦秸、玉米秆、稻草和空白对照这4个处理,试验周期为1 a,研究秸秆材料处理养殖废水中氮的周年去除效果及其氮循环微生物功能基因丰度动态变化.结果表明：① 3种作物秸秆对养殖废水TN和NH₄⁺-N等主要污染物的去除效率均以前6个月为最佳,后6个月去除效率明显下降;稻草及麦秸对TN和NH₄⁺-N的周年去除效果较好,其中稻草和麦秸对TN去除率分别为（32.81±11.34）%和（32.99±9.60）%,对NH₄⁺-N去除率分别为（35.3±13.23）%和（34.97±12.00）%;②添加秸秆材料生物基质消纳系统中氮循环微生物功能基因nirK、nirS和hzsB基因丰度为6.45×10⁹、6.18×10⁹和2.31×10⁹copies·L^-1,AOA和AOB基因丰度分别为6.12×10¹⁰copies·L^-1和4.93×10⁹copies·L^-1;16S rRNA高达8.90×10¹⁰copies·L^-1,均显著高于空白处理（P<0.05）.其中添加稻草和麦秸处理中hzsB基因和nirS基因丰度相对较高,表明添加稻草和麦秸显著增强了生物基质消纳系统厌氧氨氧化和反硝化微生物作用.同时,相较于其他处理,添加麦秸增加了生物基质池AOA和AOB基因丰度,表明麦秸能够促进生物基质消纳系统的硝化作用.以上研究结果为秸秆材料处理养殖废水中氮去除分子机制提供了数据支撑.