农田非点源氮污染研究进展

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ农田非点源氮污染研究进展谢红梅，朱波中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041摘要：论述农田生态系统中氮素非点源污染的特征、排放途径和污染方式，两种重要氮素形态（NH4+-N、NO3--N）在土水界面的扩散过程及迁移机理，农田非点源氮迁移过程及其影响因素，由农田氮素造成的非点源污染的污染负荷定量计算方法及评价指标，并指出国内外污染负荷定量模型的优缺点和发展趋势；提出了农田非点源氮污染的控制对策。关键词：农田氮素；非点源污染；污染负荷中图分类号：X501文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）03-0349-04非点源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物进入江河、湖泊水库等水体而造成的水环境污染[1]。农业非点源污染则主要是指农业生产活动中，农田土粒、氮素、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所造成的污染[2]。王少平等[3]认为农业非点源污染是由农业生产活动引起的各种污染物（沉淀物、营养物、农药、盐份等）以低浓度、大范围的形式缓慢地在土壤内运动，从土壤圈向水圈扩散的过程。其基本特征为：污染发生的随机性、机理过程的复杂性、排放的途径及排放污染物的不确定性、污染负荷的时空差异性而导致对其监测、模拟与控制的困难性[4]。氮素是农田生产力的主要限制因素之一，在大多数情况下施用氮肥都可以获得明显的增产效果，但是重要的是环境污染因子，农田氮素流失引起的水体富营养化、地表水环境恶化、地下水硝酸盐含量超标等环境问题日益严重[5]。由农田氮素造成的非点源污染对当今世界水质恶化构成了最大的威胁，但其运移规律和形成机理等都不太清楚，因此由农田氮素造成的非点源污染的产污机理、影响因素及其污染负荷的定量计算和调控对策研究已引起国内外学者的高度重视。1农田非点源氮的迁移1.1非点源氮素的迁移机理农业非点源污染的迁移转化机制是模拟、评价、监测、治理的基础，其迁移过程包括降雨径流过程、土壤侵蚀过程、地表溶质溶出过程和地表溶质渗漏过程。这四个过程相互联系相互作用[6]。造成农田氮素非点源污染的两种重要形态NH4+-N和NO3--N在土水界面的扩散过程及迁移转化机理的研究则引起了当今土壤学、农业生态学及生物地球化学循环研究的学者的高度重视。多数学者认为土水界面迁移是物质在外界条件下（如降水、灌溉）从土壤向水体的扩散迁移过程。尹澄清等[7]认为其迁移方式按形态划分主要有以下两种：（1）悬浮态流失，即污染物结合在悬浮颗粒上，随土壤流失进入水体；（2）淋溶流失，即水溶性较强的污染物被淋溶而进入径流。许峰等[8]认为迁移途径主要包括氮素随水在坡面土壤的养分流失、土壤剖面淋溶和壤中溶质运移等过程在量和形态上的变化。NH4+的迁移主要机理是扩散。朱兆良等[5]对不同扩散时间、不同距离的NH4+浓度变化的数据进行处理，结果表明NH4HCO3粒肥施入土体中，其离子呈球形扩散。而NO3--N主要以质流方式迁移。最典型的描述土壤硝态氮淋洗过程的确定性模型是对流-扩散模型[9]。因土壤带负电荷，对NO3--N的吸附甚微，故NO3-易遭受雨水或灌溉水淋洗而进入地下水或通过径流、侵蚀等汇入地表水中，造成水体污染。而土壤颗粒和土壤胶体对NH4+具有很强的吸附作用，使得大部分可交换态铵得以保存在土壤中，但在特定的条件下，也可能存在质流或在土壤剖面中随水下渗而迁移。1.2农田非点源氮迁移过程及其影响因素1.2.1农田氮素径流损失氮的流失是溶解于径流的矿质氮，或吸附于泥沙颗粒表面以无机和有机态氮的形式随径流而损失[10]。关于氮的径流损失影响因子多集中于流失形态（包括径流携带、侵蚀泥沙）、降雨、肥料种类、植被覆盖度以及不同的土地利用方式等研究。降雨和径流是土壤氮素流失的主要驱动力，当降雨强度ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ超过土壤下渗速度时产生径流并汇集，形成地表径流冲刷与土壤侵蚀。侵蚀泥沙有富集氮养分的特点，减少地表径流和土壤侵蚀、降低表土中速效氮养分含量是减少农田地表径流流失的关键。张兴昌等[11]的研究表明植被覆盖度增加了径流中矿质氮的浓度，其原因为NH4+-N主要存在于土壤颗粒表面，而NO3--N主要存在于土壤溶液中，其流失量主要取决于径流量大小，以及径流与表层土壤颗粒相互作用的强度和时间；植被覆盖度增加了径流与表土作用的时间。彭琳等[12]在陕西安塞径流区的观测表明，每公顷每年因水土流失而损失的氮（N）质量为9~19kg/(hm2·a)，其中以土壤颗粒的形式而流失的氮占流失的氮总量的95%以上。黄丽等[13]研究认为三峡库区紫色土坡地也是如此，因此控制养分流失的关键在于控制土壤颗粒的流失。黄满湘等[14]在室内模拟降雨下研究农田径流中的氮流失，结果表明在大暴雨和裸地试验条件下颗粒态氮是流失的主要形态。而唐以剑的研究显示，在模拟降雨的试验中，施氮肥后如遇暴雨，以水溶态随水流失的氮可占总流失氮的50%~60%。Smith等[15]将有机肥施于耕地以研究氮素的径流，发现施牛粪浆增加了土壤固体颗粒与NH4+-N在地表水中的流失，而对NO3--N的流失几乎无影响。袁东海等[16]对红壤坡耕地不同农作利用方式下氮素流失的研究表明，等高耕种、休闲地等控制土壤氮素流失优于水平沟和水平草带，坡耕地土壤氮素流失主要途径为径流流失，其中径流流失的氮素又以水溶态为主。1.2.2土壤氮素淋溶迁移氮淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作物根系吸收所造成的氮素损失，它是一种累进过程[10]。土壤中发生硝态氮淋洗必须满足两个基本的条件：（1）土壤中大量残留硝酸盐；（2）存在水分运动，促进或阻碍这两个条件之一的任何因素都影响氮素淋溶的发生与否及程度[17]。硝酸盐淋失量和周期降雨量呈显著的线性相关[18~20]；土层硝态氮的淋失程度在一定范围内与灌水量呈正相关[21]。吕殿青等[22]在陕西米脂沙质土壤上进行了相同施氮量不同灌水量的试验，在春玉米收获后测定0~20cm土层中残留的硝态氮含量，发现土层残留硝态氮含量与灌水量成正相关关系。彭琳等[23]的研究表明旱作土壤中硝态氮每年随水而下渗的深度为1.0~1.5m。土壤质地和结构主要决定土壤的透水性质，土壤剖面中大孔隙越多则淋溶损失越大。大量研究表明在粗质土壤上硝态氮的淋溶比细质土壤严重[17]。Gaines等[24]认为土壤中的粘粒、粉粒和有机质越多，硝态氮就越不易淋失。氮肥的种类和施肥水平也将影响其淋失[25~27]，土壤中硝态氮含量随施肥量增加而增加，但并不是线形增加。有机肥的施用增加土壤粒径及团聚体含量，提高CEC代换量，增加对NO3—N的固持，阻碍了NO3--N向下迁移[27,28]。耕作增加硝态氮淋失[29]。农田系统中，轮作明显减少淋失，连种作物则硝态氮淋失很大，间作系统比单作系统可减少淋失量的一半，套种也会减少淋失。此外，氮素淋失取决于土壤含水量、土壤持水力、土壤水传性和土壤溶液浓度差的影响[30]。2农田非点源氮污染负荷的定量化与评价目前，单次暴雨非点源污染负荷定量化方法主要有两种[31,32]：一种是通过对非点源污染物输出的3个环节，即降雨径流、水土流失和污染物迁移的模拟，估算污染物的输出量；二是立足于受纳水体水质分析，计算汇水区域污染物的输出量的经验统计模型。要定量估计一定时段内非点源污染发生负荷量，必须了解该时段每场降雨径流所带来的污染负荷，然而要监测所有降水过程径流水质是不现实的，一般采用流域水文模型与次暴雨径流污染负荷估算模型接口[33]。王晓燕[34]根据非点源污染特征及负荷定量化归纳其研究方法为：（1）按照污染物的性质分为颗粒物、营养物；（2）选择小区试验；（3）研究受纳水体的水质变化；（4）人工降雨模拟；（5）应用数学模型。非点源污染负荷评价内容包括：（1）非点源污染负荷与点源污染负荷之比；（2）非点源污染负荷与地域分异特征；（3）非点源污染负荷的季节变化[35]。农业非点源污染模型定量化研究经历了从其统计模型阶段到机理模型为基础的定量化阶段，再到实用性阶段。初期的统计模型是根据长期的大量实测数据，建立污染物流失量与自然界中影响因素的统计规律，这种统计模型不能反映实际的污染物迁移转化过程，而推理性模型通过对自然变化过程的分析，根据机理建立方程连续模拟污染的迁移变化，能够反映出时空上的变化[34]。我国近年建立了土壤-作物-水平衡模型、土壤养分模型，其中李怀恩等[1]提出流域汇流与非点源污染物逆高斯分布瞬时单位线形模型及流域产污过程模型，该模型考虑了水动力学和污染物迁移机理，且便于求解应用。ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ国外在这方面的研究报道较多。CREAMS[36]是农业管理系统中化学污染物径流负荷和流失模型，是一个连续模拟模型，包括水文、侵蚀、化学品3个部分，可估计农田单元的泥沙、水和污染物损失；模型不需现场数据校正，运行费用低。AGNPS[37]是降雨事件模型，模拟农业流域降雨径流、泥沙和营养物（N、P）的产生和迁移；基本模型包括水文、侵蚀、沉积和化学物质迁移三大模块；与CREAMS相比，其主要改进是充分考虑并控制空间变异对水分、泥沙、养分迁移及输出的影响，这一点对农业非点源污染的评价和控制非常重要；该模型将污染物迁移分为溶解态和固态吸附阶段，营养物吸附量用单元的泥沙产量计算。遥感为模型提供了新的数据源，加上GIS具有强大的空间数据处理分析能力，将之与WEEP、AGNPS等结合，为非点源污染研究、污染削减和控制提供了极大的方便。综观国内外污染负荷定量模型，由于模拟中存在多种误差和不确定性，因此，模糊理论、不确定性分析以及风险评价将成为今后的研究方向。3非点源氮污染调控对策3.1控制非点源污染的污染来源要注重化肥、有机肥和灌溉水的施用和耕作制度。根据农田土壤特征、农作物生长状况、农作物对养分的吸收特性，安排施肥量、施肥方式和时间。重视有机肥的投入。农业废弃物如畜禽粪便、作物秸杆等，含有丰富的有机质和养分，直接弃入环境或焚烧引起的养分污染不可忽视。应用生物废弃物管理的思想，采取集中管理牲畜，减少农田地表水中的氮素流失。此外，作物残茬覆盖、秸杆还田对控制土壤侵蚀和养分流失，预防非点源污染的发生都具有现实的生态意义[38]。有机肥中腐殖质可以提高土壤保肥能力，利用微生物将其同化固定并缓慢释放，可减少氮肥流失[39]。通过加强田间水肥管理，应用节水灌溉、浅水勤灌、干湿交替的方法，使氮素被充分吸收利用[13]。研究[40]发现，当水田灌溉用水量减少31%~36%时，地表排水量减少78%~90%，氮素负荷量减少76%~80%，渗漏水氮素负荷量减少34%~40%。“以水带氮法”这种技术有助于降低施肥后存留于稻田表面水中的肥料氮量，从而降低氨挥发和径流损失。在河南封丘进行的15N微区试验[41]表明，这种改进方法使氮肥损失率减少29%~35%。大量研究表明免耕、少耕可以降低径流中悬浮物含量，减少土壤中的养分流失。此外，横坡耕作和聚土覆盖垄作也可控制坡耕地径流和养分流失。3.2控制非点源污染的扩散途径通过设计农田景观控制方法，在污染物的运移途径中通过滞留径流、增加入渗来减少径流及其携带的泥沙。湿地等缓冲带的建立，免耕-少耕法，生态施肥，水土保持技术等[7,42]，都有助于控制非点源污染的扩散。许多国家都在试验开发缓冲带来控制非点源污染，如美国的植被过滤带，英国的缓冲区。我国尹澄清等[7]学者通过6年的试验研究，发现多塘法能截留来自村庄和农田N、P污染负荷量达94%以上。修建沉沙池、渗滤池、集水设施和水处理设施，将工程措施、生物措施和蓄水保土相结合，可有效控制农田非点源氮污染。参考文献：[1]李怀恩，沈晋，刘玉尔.流域非点源污染模型的建立与应用实例[J].环境科学学报，1997，17（2）：141-147.[2]张水龙，庄季屏.农业非点源污染研究现状与发展趋势[J].生态学杂志，1998，17（6）：51-55.[3]王少平，陈满荣，俞立中,等.GIS