辽河河口区稻田退水过程氮迁移转化规律研究

发布时间：2016-06-28 08:01

第 1 章 绪论

在农业生产中，提高化肥投入量来增加作物产值是一种有效的经济措施，可以短期内低投入获得高产量，长期过量施肥忽视了作物和稻田土壤对氮肥的吸收标准，造成稻田生态营养结构链崩溃，导致稻田退水携带大量氮素流失恶化水质，已逐渐成为影响水环境的首要问题。据统计，农业集约化生产有利于稻田氮素流失，例如我国的太湖流域，田间大量氮素通过退水径流迁移到太湖，导致湖水氮磷严重超标，从而破坏了水中藻类的生长环境形成水华[14]。因此国内学者对稻田退水的污染特征做了大量工作，研究表明，氨氮和硝态氮是稻田退水中氮的主要输出形态。氨氮的理化性质决定其易被底泥吸附，未被吸附的氨氮随径流进入湖泊和河流，成为我国水环境的首要污染源。截止 2009 年，氨氮排放量高达 132.6t，是受纳水体容量的 4 倍，不仅造成水中藻类和部分微生物对氮元素摄入过盛，形成大面积水华，还通过硝化作用消耗溶解氧，，导致大量水生动植物死亡，造成生态环境破坏。

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第 2 章 研究区概况和研究方案

2.1 研究区概况

研究区域水田面积 300 亩，辽河水是灌溉区的主要水源，引入的灌溉水通过交叉分流进入灌水沟渠，根据当地气候条件和农耕制度，对稻田进行灌溉。该区域内已经具有较为完善的灌排体系，灌区的排水系统包括农沟、支沟以及干渠。其中交错于稻田的农沟共有 16 条，分别有 8 条进水渠和 8 条排水渠，田面水经农沟进入支沟，最后汇流到干渠进入湿地。沟渠水量能够影响农耕进度并且随着季节的变化而变化，每年的4~10月份，进排渠水流量平均为3.5 m.min-1和4.2 m.min-1。其中 6 ~8 月份沟渠水位最深，在 10 月份水位逐渐下降。除种植区内最西侧的稻田仅有进水渠外，其它田块均具有进水和排水两条沟渠，其中农沟布置采用进排渠相间的布置方法，合理规范。农沟水流方向垂直于支渠，田面水在支渠有小规模的汇集，最终汇流进入干渠。

2.2 研究方案

研究区环境化学行为的变化能够影响氮形态变化。本文选取灌排体系中的干渠为研究对象，由于干渠独立的进出口能够有效阻控外源氮的流入，防止外源氮对稻田退水过程氮迁移转化规律的影响。因此研究了不同季节稻田退水中不同形态氮的浓度变化特征，揭示了稻田退水过程氮的迁移转化。为降低环境变化对稻田生态系统的影响，选取具有完整灌排系统的稻田为研究对象，辽河水通过上游进水渠流入稻田进行灌溉，由于降雨等使田面水位上涨而进行排水，从而进入封闭水文的农沟进行储存。通过研究稻田和农沟两者氮的源-汇关系，计算单位面积氮的盈余或亏损。

第 3 章 稻田退水过程氮迁移转化及其影响因素....... 28

3.1 稻田退水中氮的迁移转化规律................ 29 
3.2 稻田退水中氮迁移转化的影响因素辨识.............. 29 
3.3 本章小结.................... 47
第 4 章 基于物质平衡的稻田生态系统氮源-汇关系........ 40
4.1 氮输入源解析............... 49 
4.2 氮输出源解析..................... 51 
4.3 建立基于物质平衡的氮源-汇模型.............54
4.4 稻田生态系统氮源-汇关系计算.................55
4.5 本章小结 ....................59
第 5 章 结论与建议.................61
5.1 结论 .............61
5.2 建议 .....62

第 4 章 基于物质平衡的稻田生态系统氮源-汇关系

4.1 氮输入源解析

大气沉降是获取外源氮的途径之一，可分为干沉降和湿沉降。干沉降是大气中含氮颗粒的沉降，其沉降速率与气候条件有关[79]，由于实验条件的限制，未对干沉降进行监测，所以在研究中予以忽略不计。而湿沉降是通过每次降入稻田和农沟雨量与雨水总氮浓度乘积获得。研究区属暖温带半湿润气候，不同季节的降雨量不同。监测 2015 年 5~6 月中旬单位面积稻田和农沟的降雨情况，降雨量如表4~2 所示。作物秸秆提供稻田循环所需的部分氮素，是有机质的重要组成。秸秆中的氮磷钾等营养物质，既能提供重要的肥料资源，还能提高土壤有机质含量和肥料利用率，以及改良土壤结构和物理性状、改善土壤水、肥、气、热等方面的生态效益[80]。通过现场调查和原位采样，得到水稻秸秆根部是作物还田的主要来源，测量单位面积秸秆株数，计算水稻秸秆根部还田量和秸秆含氮率，得出稻田秸秆还田氮量（见表 4~4）。

4.2 氮输出源解析

植物根系通过吸收土壤中的 NH4+和 NO3-，来供应自身所需的营养元素。植物一般主动吸收氮，由于植物体内游离氮是土壤溶液的倍数，导致离子可从低浓度的土壤溶液进入高浓度的植物细胞内。在相同土壤条件下，不同植物吸收氮的速率也不同，这不仅受土壤养分供应条件的制约，还要取决于植物营养结构的特点。影响植物吸收的因素包括通气条件、持水量、土壤 pH 以及温度等，其中土壤 pH通过改变营养物的分解或沉淀速率来影响植物对氮的吸收[83]。根据当地植物的生长周期，研究了 5~6 月份水稻、芦苇以及水葱对氮的吸收情况，其中农沟里的芦苇和水葱在 5 月初发芽，5 月中旬~6 月份进入快速生长期，而水稻插秧则是在 5 月下旬，水稻幼苗对养分的吸收主要在 15 天左右，因此实验以水稻插秧后 30 天为期限。

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第 5 章 结论与建议

5.1 结论

本文以辽河口稻田沟渠水体和底泥为研究对象，分析了稻田退水中氮迁移转化的时空特征，阐明了沟渠底泥有机质含量和铁锰赋存形态对氮转化的影响，揭示了在当地农耕模式和灌排条件下，稻田退水中氮的迁移转化规律。主要结论如下：（1）氮沿沟渠退水流向的迁移转化特征：5~9 月总氮浓度波动明显，整体沿沟渠水流方向呈递减趋势；氨氮浓度变化规律同总氮极为相似，这是沟渠结构间接改变了氧化还原环境，导致氨氮浓度沿沟渠流向先降低后升高，最后趋于稳定，其中 6 月氨氮浓度变化趋势相比其他月份较高；沟渠退水和底泥的厌氧环境，导致硝态氮浓度整体沿沟渠流向先降低再趋于稳定；5~9 月亚硝态氮作为硝化-反硝化过程的中间产物，沿沟渠流向的浓度变化无规律且变量较大。

5.2 建议

稻田生态系统氮的环境化学行为是影响农业环境污染的主要因素，本文以辽河河口区稻田退水中氮的动态特征及其影响因素为基础，以基于稻田生态系统氮的源-汇，计算氮的盈余或亏损为依据，揭示了稻田退水过程氮迁移转化规律。从目前的研究结果来看，其利于稻田氮污染阻控技术的建立。但是，仍存在些许不足，今后应从以下几方面进行考虑：（1）研究区样点仅布置在稻田和沟渠的典型区域，具有局限性，因此应选取稻田生产区不同位点进行试验研究。（2）底泥氧化还原微环境不仅影响铁锰赋存形态和微生物生长，还影响氮形态转化。分析底泥氧化还原点位动态特征，阐述其对氮转化作用。（3）微生物是导致氮形态变化的主要因素，监测底泥微生物种类和数量，探讨不同类型微生物对各形态氮的影响。

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参考文献（略）

本文编号：62645