摘要:2009年在江漢平原典型集約農(nóng)區(qū)——荊州市岑河鎮(zhèn)廟興村進行了為期1年的外場試驗。通過對區(qū)域內(nèi)水樣進行氮素含量分析,定量估計了該區(qū)域地表水氮輸入量及氮沉降量,并探求其氮通量變化。結(jié)果表明,該區(qū)域地表水及雨水氮素含量變化與雨季、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥有一定時間同步性。地表水氮通量降雨時變化幅度較大,水體氮素輸入量分別為總氮86.92 kg/hm2,氨氮21.03 kg/hm2,硝酸鹽氮27.19 kg/hm2,亞硝酸鹽氮1.93 kg/hm2;多雨期氮沉降通量變化幅度較大,氮沉降量分別為總氮17.17 kg/hm2,氨氮8.09 kg/hm2,硝酸鹽氮6.99 kg/hm2,分別占該區(qū)域水體相應(yīng)氮素輸入量的19.8%、38.5%、25.7% 。
關(guān)鍵詞:江漢平原;集約農(nóng)區(qū);水體;氮通量分析
中圖分類號:X502 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2013)19-4611-04
環(huán)境中過量存在的氮已經(jīng)成為世界普遍關(guān)注的一個環(huán)境問題。在我國典型的平原區(qū)域,如太湖流域、洞庭-江漢平原、珠江三角洲地區(qū)、東北三江平原等地,農(nóng)業(yè)集約化水平越來越高,已成為世界上農(nóng)業(yè)氮使用量最大和受氮污染最嚴重的地區(qū)之一[1]。這一現(xiàn)狀嚴重威脅到該地區(qū)的人畜飲水安全與健康,降低了農(nóng)產(chǎn)品的食品安全水平與質(zhì)量,破壞了土地的健康并降低其生產(chǎn)性能,危及生物多樣性水平,是直接威脅我國內(nèi)陸核心農(nóng)業(yè)商品生產(chǎn)基地存在和持續(xù)發(fā)展的大問題[2,3]。進入水體中的溶解態(tài)氮污染形態(tài)包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和一些可溶性有機氮,這些不斷增加的活性氮與土地的過度使用、有機和無機氮肥的施用[4]、動物糞便、人類生活廢物的排放以及大氣中含氮物的沉降[5]有關(guān)。研究表明,江漢平原作為我國典型農(nóng)業(yè)集約區(qū),由于農(nóng)田長時期過量施用含氮化肥,農(nóng)區(qū)人畜糞便和生活污水隨意排放,導致了區(qū)域內(nèi)水體氮素含量超標,水環(huán)境質(zhì)量受到嚴重影響[6]。本研究選擇江漢平原內(nèi)小尺度集約農(nóng)區(qū)作為試驗區(qū)域,在2009年1~12月進行了區(qū)域內(nèi)水體氮素的全面監(jiān)測,并結(jié)合該區(qū)域內(nèi)雨水氮素檢測數(shù)據(jù)和雨量資料,定量估算了該區(qū)域水體氮通量變化,為集約農(nóng)區(qū)氮素動態(tài)變化規(guī)律研究及開展合理調(diào)控提供科學依據(jù)。
1 試驗區(qū)概況
本研究選擇湖北荊州市沙市區(qū)岑河鎮(zhèn)廟興村作為試驗區(qū)。該區(qū)屬于亞熱帶季風氣候,四季分明,降水豐沛,年降水量900~1 100 mm,5~9月的降雨量占全年的50%以上,且多暴雨,多年平均氣溫為16 ℃左右。
試驗區(qū)位于長江一級階地,長江在其西邊8 km處自北向南流過,區(qū)內(nèi)北側(cè)為西干渠,東側(cè)為南北渠,南側(cè)為化港河。區(qū)內(nèi)溝渠呈不規(guī)則網(wǎng)格狀分布。區(qū)內(nèi)地形平坦,地面高程30 m左右,最低處29.720 m,最高處34.368 m,高差4.648 m,長江沿岸地面略高,地形自江邊向平原內(nèi)微微傾斜,自南向北呈逐漸降低的趨勢。試驗區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)以人工改造農(nóng)田為特征,田塊大小不等,田塊之間以田坎相連接,坎高一般在0.5~1.2 m不等。區(qū)內(nèi)溝渠較多,南北向的有一、二、三、四渠,其中二渠縱貫?zāi)媳?,東西向的有主灌渠、橫灌渠和溝排渠等。這些溝渠寬20~50 m不等,深度一般都超過2 m,其他還有與之相配套的小溝,基本形成區(qū)內(nèi)的排灌網(wǎng)絡(luò)。
2 材料與方法
2.1 試驗設(shè)計
根據(jù)區(qū)域水系特點、不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和景觀類型、氮肥施用、含氮污染物排放情況,按地勢高低、溝渠水流走向和村落位置,將試驗區(qū)劃分為作物旱作區(qū)、蔬菜旱作區(qū)、水旱輪作區(qū)、水田區(qū)、生活區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)6個子區(qū)域類型。
從試驗區(qū)內(nèi)溪流源頭至溝渠出口,在各子區(qū)域設(shè)立溝渠地表水監(jiān)測點,共計14個。其中,在作物旱作區(qū)、蔬菜旱作區(qū)、水旱輪作區(qū)、水田區(qū)的進水口、排水口設(shè)置溝渠地表水采樣點8個,在生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū),根據(jù)村落布局,設(shè)置溝渠地表水采樣點6個。
2.2 水樣采集與測試方法
按照水體野外取樣的方法,每月在各采樣點水面下0.1~0.5 m深處取樣1次,密閉保存帶回實驗室分析水樣中總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮含量等指標,在農(nóng)田耕植、雨季、收獲等特殊時間每天采樣,并在1 d內(nèi)選取代表時段多次采樣。此外,針對1次連續(xù)降雨過程,全程采集區(qū)域內(nèi)雨水水樣并分析各氮素指標含量。
總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012),氨氮測定采用納氏試劑比色法(GB 7479-1987),硝酸鹽氮測定采用紫外分光光度法(SL 84-1994),亞硝酸鹽氮測定采用分光光度法(GB 7493-1987)。
氮素檢測結(jié)果以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)作為分級評價依據(jù)。
2.3 水體氮通量計算及氮沉降通量計算方法
3 結(jié)果與分析
3.1 試驗區(qū)水體及降雨氮素含量分析
通過調(diào)查荊州市城區(qū)降雨量資料,得到2009年試驗區(qū)月降雨量情況(圖5)。由圖5可知,受亞熱帶季風氣候的影響,試驗區(qū)內(nèi)降雨總體規(guī)律表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)降水較多,非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)降水較少,降水集中在4~6月,6月降雨達到最大值,7~9月雖然溫度高,水氣蒸發(fā)作用強,但空氣對流作用并不明顯,大氣中缺少形成降雨的凝結(jié)核,降雨相對較少。
在試驗區(qū)內(nèi)對降雨頻繁的4~6月降雨量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計,并選取農(nóng)田集中施肥期內(nèi)具有代表性的2009年5月31日降雨全過程進行了時段雨量監(jiān)測和氮素測定,具體結(jié)果見表1。
根據(jù)時段降雨量與氮素含量關(guān)系及月降雨量數(shù)據(jù),可估算2009年試驗區(qū)全年雨水氮素含量隨時間的變化關(guān)系(圖6)。圖6結(jié)果表明,試驗區(qū)內(nèi)雨水的氮素含量隨時間表現(xiàn)出顯著的變化特征,其與雨季、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥有一定時間同步性。即春夏季雨水較多,農(nóng)業(yè)氮肥施用集中,雨水中氮素含量相對較高,5~6月由于農(nóng)田氮肥施用頻繁且量大,溫度較高,氮揮發(fā)作用較強,因此雨水中氮素含量達到峰值;秋冬季屬非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié),雨量較小且雨水中氮素含量相對較低。
3.2 試驗區(qū)地表水氮通量分析
通過對圖8和圖9進行比較分析,可得出試驗區(qū)地表水氮通量變化與降雨有一定關(guān)系。試驗區(qū)地表水氮通量降雨時較大且變化幅度也較大。
3.3 試驗區(qū)氮沉降通量分析
4 結(jié)論
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