宁夏黄灌区稻田退水氮磷污染特征研究

发布时间：2020-04-22 10:07

【摘要】： 以农田为核心的灌区退水污染正在成为影响黄河水质的主要污染源,控制灌区农田退水污染对保障黄河水质安全与整个黄河流域社会经济的可持续发展,具有现实迫切性与长远的战略意义。针对黄河上游灌区农田退水中氮、磷等典型污染物对水质的影响,在宁夏黄灌区吴忠国家科技园区选择灌区典型作物-水稻开展田间试验,通过蒸渗仪测定蒸散量和垂直退水量,采用侧渗液收集仪收集侧向退水量,运用土壤溶液提取仪分层提取0-200cm处土壤溶液,利用田间定位通量法计算农田退水过程中氮磷的流失量,分析探讨了水稻生育过程中农田退水规律,揭示了不同水肥管理下退水过程中氮、磷的迁移和污染特征,结合灌区宏观调研资料,计算了宁夏黄灌区水稻生育期内农田退水的氮、磷负荷量。主要研究结果如下: (1)分析了农田退水量的组成及其影响因素,揭示了影响农田退水量的主要控制因素和作用变量,提出水稻抽穗开花前是调控农田退水量的主要时段。研究结果表明农田退水量主要受灌溉量和地下水位的影响,与二者的相关系数分别为0.88和-0.61,受降雨量和蒸散量的影响较小;在水稻生育期内控制灌溉量可以显著降低退水量,在常规灌溉(W3)、节水20%(W1)和节水40%(W2)三个灌溉量下退水量的差异达到极显著水平,退水量分别占相应灌溉量的38%、35%和30%;传统灌溉量下退水量分别是优化灌溉处理的1.46和2.19倍。在水稻的整个生育过程中,农田退水主要发生在抽穗开花前,此阶段的退水量占各处理全部退水量的80%左右,调控农田退水量应主要在一阶段进行;根据退水量和其影响因素之间相关关系比较明显的特点,利用统计方法建立了稻田退水量与其影响因素的多元回归模型。 (2)分析了影响地表退水过程中氮磷的流失量的主要因素,发现田面水中氮磷浓度和退水量是影响地表退水过程中氮磷流失量和潜在污染风险的主控因子。通过对田面水中氮磷的相互转化和衰减情况等动态变化规律进行分析,结果表明:田面水中氮磷浓度与灌溉量和施肥量有关,同一施氮水平下,灌溉量大时田面水中氮磷的浓度相对低,同一灌溉水平下,施肥量大时田面水中氮磷浓度相对高。田面水中氮磷浓度随时间在总体上逐渐降低,受追肥的影响,追肥后有峰值出现,但出现时间不同,总氮和总磷在施肥当天浓度达到最大,铵态氮一般要到施肥后的1-2天,硝态氮要到3-4天。受施肥量和作物生长状况的影响,施基肥后田面水中氮磷的浓度最高。据此动态变化特征可知地表退水发生的时间直接关系到地表退水携带氮磷的状况,地表退水距离施肥时间越近,地表退水过程中氮磷的流失量越大,污染风险越高。 (3)垂直退水过程中氮磷污染特征和直渗水中氮磷动态紧密相关,水稻抽穗前的水肥管理是降低农田退水污染的关键时期。定时对0-200cm的土壤溶液进行时空分析表明,在时间上,直渗液中三氮和总磷浓度随时间下降,追肥后有峰值出现。垂直退水污染发生的关键时期是插秧后80天内,即抽穗前,这一阶段由于大量的施肥和长时间的泡田,各层直渗液中氮磷浓度是整个生育期中同层土壤溶液中氮磷浓度最高的时候,也是垂直退水量最多的时候,导致农田退水携带的污染物量最大。常规灌溉量下这一阶段总氮、铵态氮、硝态氮和总磷在垂直退水中的流失量分别占水稻整个生育期垂直退水氮磷流失量的81.4%、73.6%、87.2%和70%,其他水肥处理下流失比例基本相同。水稻抽穗前的水肥管理是降低农田退水污染的关键时期。在深度上,三氮和总磷的浓度基本上都是随深度加深而浓度下降,但在80cm左右浓度回升,是一浓度转折界面,120cm以下浓度变化不大。直渗液中氮磷的浓度受灌溉量的影响,经相关分析,灌溉量和80cm处直渗液中总氮、铵态氮、硝态氮以及总磷平均浓度的相关系数分别为:0.76、0.48、0.74和0.37。农田退水作用的驱动下,铵态氮和总磷向下迁移的距离加长,污染风险加大。 (4)垂直退水中氮磷流失量受灌溉量和施肥量的显著影响。传统施氮量下通过降低灌溉量可以明显降低稻田生育期内垂直退水过程中氮磷的流失量,传统灌溉量(W3)下农田退水带走的总氮、铵态氮、硝态氮和总磷分别比节水20%(W1)和节水40%(W2)高出1.29、1.20、1.35、0.79和1.70、1.59、1.73、1.14倍。降低灌溉量同样可以减少退水过程中氮磷的流失量,与N0、N1和N2相比,常规灌溉量下N3处理总氮高出14.11、5.42、2.35,铵态氮高出14.1、5.27、2.31,硝态氮高出16.34、5.74、2.45,总磷流失量高出0.82、0.50、0.65倍。所有处理中常规水肥条件(W3N3)下的流失量最大,其次是W1N3和W2N3,这表明农田退水污染负荷受灌溉量和施肥量的双重影响,二者的交互作用明显,但是起决定作用的是施肥量。 (5)侧向退水间歇发生,最先出现在40cm和80cm的土层,以硝态氮的流失最为严重,受降雨量和灌溉量显著影响。4个施肥水平下侧渗液中总氮、铵态氮、硝态氮和总磷的浓度在时间上表现出相同的变化趋势,插秧后20天内各层土壤溶液中的浓度最高,随后下降,在追肥后有小幅回升;在深度上,三氮和总磷整体上随深度下降,水稻全生育期总氮、铵态氮、硝态氮和总磷的浓度变化范围分别是:0.84-17.99、0.03-1.28、0.3-13.21和0.001-0.14mg/L,侧渗液中三氮的浓度波动范围较大,总磷变幅很小,侧向退水过程中氮磷的流失量同样受施肥量的影响,常规灌溉条件N3处理下总氮、铵态氮和硝氮的流失量分别比N2、N1和N0高出1.08、1.34、2,1.17、1.46、2.11和1.21、1.40、2.43倍。 (6)计算了不同水肥处理下农田退水中氮磷的比负荷量,结果发现:灌溉量和施氮量对农田退水中总氮和硝态氮的比负荷量有着显著的影响,二者之间存在显著的交互作用。农田退水中氮素的流失以硝态氮为主,占总氮的70%左右。在所有处理中常规灌溉和常规施氮(W3N3)情况下氮磷的比负荷量最大,地表退水中总氮的比负荷量为12.84kg/hm2,铵态氮、硝态氮和总磷的比负荷量分别为7.59、0.57和017 kg/hm2,垂直退水中总氮、铵态氮、硝态氮和总磷的比负荷量分别为84.66、13.54、61.80和0.73 kg/hm2,侧向退水中分别为17.95、2.55、12.65和0.047 kg/hm2。农田退水中总氮和总磷的比负荷量与灌溉量的相关系数分别为0.91和0.88。(7)2008年宁夏黄灌区稻田退水总氮负荷达到0.81万吨,铵态氮为0.16万吨,硝态氮为0.52万吨,总磷为0.0066万吨。
【图文】：

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图 1-1：宁夏黄灌区分布图Fig1-1：Distribution of the Irrigation Area of the Lower Yellow Riv2）地势地貌宁夏黄灌区在地质构造上隶属于银川平原和卫宁平原（汪林，200而南北长,东西相隔 50 公里至 200 公里不等,南北相距 456 公里。从地的黄土地貌为主，中部和北部以干旱剥蚀、风蚀地貌为主，是内蒙古高峻的山地和广泛分布的丘陵，也有由于地层断陷又经黄河冲积而成丘。地表形态复杂多样，为经济发展提供了不同的条件。据 2004 年中丘陵占 38%，平原占 26.8%，山地占 15.8%，台地占 17.6%，沙漠3）气候降雨宁夏黄灌区地处西北内陆中温带干旱区，位于我国季风区的西缘，差 5 个纬度，具有南凉北暖、南湿北干、雨雪稀少、气候干燥、日照太阳辐射总量 5 711~6 096 MJ／m3，年日照时数为 3 000 h 左右，灌区积温 3 200~3 300℃，无霜期 150～195 d。宁夏还是我国多风沙天气的接近蒙古高原，地较平坦，纵向起伏不大，又地处腾格里、乌兰布和中，不仅风力强盛，而且易于产生沙尘暴。宁夏全区降水少，但年蒸m；日照时间长，一般在 3000 小时左右，光热资源充足，，昼夜温差较

防水胶,硅胶,管内,基础建设

图 2-3：土壤溶液提取仪Fig 2-3: The device of vertical leachate experiment收集仪需要较大的土地面积，并要进行一定的资金投入进行基础建设。首先在界分别为 1 米、2 米、3 米和 4 米处挖深为 1.5 米，宽为 1.2 米的剖面，剖面上 10-20cm，20-40cm，40-60cm，60-80cm 处垂直打入直径为 10cm嘴处接好短出液管，并用硅胶或其他防水胶封严，然后在管内出水口处尼龙纱网用硅胶或其他防水胶稍加固定后，再向管内装满用清水洗净覆盖一层尼龙纱网装粗砂量以紧密接触 PVC 管出水嘴为宜。将短出液管，用于收集侧渗液，见示意图：
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X522

【引证文献】