基于氮素遷移規(guī)律的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染與防治研究

周志才

摘要：為探究農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的遷移規(guī)律，針對(duì)性地提出農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治措施，文章選擇太湖西側(cè)的梅林實(shí)驗(yàn)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以氮素為代表性研究對(duì)象，開(kāi)展多場(chǎng)次降雨徑流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，從單峰型、多峰型徑流過(guò)程及徑流峰值前、中、后各時(shí)段進(jìn)行分析，借助相關(guān)系數(shù)分析非點(diǎn)源氮素污染遷移與降雨徑流深的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：無(wú)機(jī)氮流失占研究區(qū)氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均為0.95左右。研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮素污染防治可從徑流產(chǎn)生量削減、匯流過(guò)程吸收固氮、生物有機(jī)肥替代氮肥等方面采取措施。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染；觀測(cè)實(shí)驗(yàn)；遷移規(guī)律；相關(guān)性分析；污染防治

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

海綿城市建設(shè)推進(jìn)有效削減了城鎮(zhèn)非點(diǎn)源污染，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對(duì)水環(huán)境質(zhì)量影響的權(quán)重不斷增大，逐步成為水污染防治的重點(diǎn)。農(nóng)業(yè)活動(dòng)中超頻超量施用氮肥易造成氮素流失，遷移進(jìn)入水體引起富營(yíng)養(yǎng)化。水資源公報(bào)數(shù)據(jù)顯示：2001年-2018年間富營(yíng)養(yǎng)湖泊占70.6%，富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)占31.6%，太湖流域的氮素污染物40%-70%來(lái)自農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。

Hve-Suk等基于HSPF模型研究暹羅壩流域氮磷污染負(fù)荷變化，發(fā)現(xiàn)氮磷負(fù)荷變化在農(nóng)業(yè)用地中最為顯著；夏軍等分析國(guó)內(nèi)外水環(huán)境污染物質(zhì)來(lái)源發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染分布最廣泛，對(duì)水環(huán)境影響最大；劉鵬在SWAT模型中模擬多樣施肥場(chǎng)景，探索滇池流域氮、磷污染負(fù)荷與肥料施用量的關(guān)系，為滇池流域科學(xué)施肥及農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治提供了指引；王艷分析河套灌區(qū)農(nóng)田退水污染特征并估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田非點(diǎn)源TN、TP輸出負(fù)荷占總量的79.67%和89.20%。

國(guó)內(nèi)氮素遷移轉(zhuǎn)化研究以機(jī)理分析和大尺度模型模擬為多數(shù)，探索單一區(qū)域內(nèi)氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律為其次，設(shè)計(jì)小尺度場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)探索復(fù)合農(nóng)業(yè)用地影響下氮素遷移流失過(guò)程和規(guī)律的研究較少，文章以復(fù)合農(nóng)業(yè)用地梅林小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，探究不同峰型徑流過(guò)程及不同徑流時(shí)段非點(diǎn)源氮素遷移流失規(guī)律，以期為復(fù)合農(nóng)業(yè)區(qū)域非點(diǎn)源污染的削減與治理提供參考。

1 研究區(qū)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)坐標(biāo)為東經(jīng)119°51＇，北緯31°20＇，位于宜興市滄浦村，流域面積約56.Shm2，屬低山丘陵區(qū)。研究區(qū)以農(nóng)林用地為主，農(nóng)業(yè)種植用地占比約78.2%，其它用地包括：林地11.7%、草地6%、水塘2.5%、居住用地1.6%。流域降水豐沛，多年平均年降雨天數(shù)約為137天，年均降雨量1198mm，最大降雨量1738mm。降水年內(nèi)分布不均，一般集中在6-9月，汛期雨量約為584mm，約占全年降雨量50%。

1.2 水文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

基于研究區(qū)用地類(lèi)型分布，劃分了板栗地試驗(yàn)區(qū)、旱地試驗(yàn)區(qū)、菜地試驗(yàn)區(qū)等5個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)，在各試驗(yàn)區(qū)出流處設(shè)置了導(dǎo)流槽和徑流收集池，在研究區(qū)徑流出口設(shè)置了自動(dòng)氣象站和水樣采集池，用于采集研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、流量和污染物濃度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)水樣的采集與降雨同步進(jìn)行，每次取樣前記錄水池內(nèi)水深，并取雨水樣作為本底值。水樣H降雨開(kāi)始采集，前六個(gè)樣10分鐘取一次，后隔半小時(shí)取一次，一般取滿(mǎn)20個(gè)樣，根據(jù)需要可臨時(shí)增加取樣數(shù)。一次完整降雨過(guò)程結(jié)束后，排空采樣池積水，并稱(chēng)取沙重。

2 次降雨產(chǎn)流特征分析

次降雨徑流過(guò)程指單次降雨事件中與之對(duì)應(yīng)的徑流量產(chǎn)生和變化的過(guò)程，通常以次降雨徑流曲線表示。丘陵地區(qū)氮素的流失往往以徑流為載體，隨著水土流失過(guò)程進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，易受流域產(chǎn)流機(jī)制影響。文章選取研究區(qū)觀測(cè)的5場(chǎng)強(qiáng)度較大的代表性降雨事件，逐一繪制每次降雨徑流曲線，分析研究區(qū)產(chǎn)流機(jī)制及特征。（見(jiàn)表1）

如圖1所示5場(chǎng)降雨徑流變化情況可以得出研究區(qū)以下三點(diǎn)產(chǎn)流特征：

（1）從a、b可以看出雨強(qiáng)較大時(shí)，徑流過(guò)程表現(xiàn)為陡張緩落，退水曲線有明顯拐點(diǎn)，說(shuō)明退水時(shí)流速較大的地表徑流先從流域出口斷面通過(guò)，之后壤中流緩慢流過(guò)流域出口斷面，此時(shí)產(chǎn)流過(guò)程與超滲產(chǎn)流機(jī)制相對(duì)應(yīng)。

（2）從c、d、e可以看出雨強(qiáng)較大情況下，若前日無(wú)降雨，土壤含水量未達(dá)飽和，一部分雨量下滲，降雨初期徑流過(guò)程隨降雨過(guò)程變化不顯著；若前日有降雨產(chǎn)生徑流，土壤含水量處于較高水平，則徑流量隨降雨過(guò)程有明顯的增加。

（3）從d可以看出在連續(xù)性低強(qiáng)度降雨后，下滲水量能夠使包氣帶缺水量得到滿(mǎn)足，流量過(guò)程線呈矮胖且較為對(duì)稱(chēng)狀，漲水慢、退水也慢。此時(shí)地下徑流所占比例較大，流域產(chǎn)流過(guò)程與蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制相對(duì)應(yīng)。

經(jīng)降雨徑流過(guò)程分析，研究區(qū)產(chǎn)流機(jī)制主要有蓄滿(mǎn)產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流，徑流成分主要由地表徑流、壤中流與地下徑流組成。文章選取觀測(cè)的典型降雨事件雨量和雨強(qiáng)均較大，超滲產(chǎn)流特征較為顯著，下文著重對(duì)超滲產(chǎn)流機(jī)制下氮素遷移規(guī)律及影響要素展開(kāi)分析研究。

3 產(chǎn)污特征分析

基于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要結(jié)論，農(nóng)業(yè)氮素非點(diǎn)源污染的主要形態(tài)為無(wú)機(jī)氮，因此文章主要分析討論氮素在NH4+-N和NO4--N兩種形式下的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，根據(jù)出口斷面的流量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料，選取代表性次降雨徑流過(guò)程繪制TN、NH4+-N、NO3--N隨時(shí)間的變化過(guò)程線展開(kāi)分析。

3.1 單峰型徑流過(guò)程氮素遷移規(guī)律

如圖2所示，190712次降雨和190901次降雨的徑流過(guò)程線均為單峰型，圖2繪制了190712次降雨徑流峰值過(guò)程的氮素變化過(guò)程線和190901次降雨徑流峰值24h后的氮素變化過(guò)程線。

（1）190712次降雨徑流過(guò)程中，TN、NH4+-N、NO3--N三者變化趨勢(shì)大致相同，各污染物濃度均存在初期陡漲陡落的變化，隨后在流域出口的流量起漲過(guò)程中迅速形成污染峰，峰后污染物濃度緩慢降低趨于平穩(wěn)。進(jìn)一步分析可知，降雨前地表聚積了各種形態(tài)的污染物質(zhì)，在產(chǎn)生徑流初期，地表徑流對(duì)氮素的沖刷和侵蝕作用占主導(dǎo)，因此地表各類(lèi)污染物有條件產(chǎn)生大量的輸出濃度，迅速聚集出污染物濃度高值。

（2）徑流初期NH4+-N濃度顯著高于NO3--N，分析認(rèn)為主要是因?yàn)橥寥缼ж?fù)電，土壤顆粒與土壤膠體對(duì)NH4+-N有很強(qiáng)的吸附作用，在降雨沖刷侵蝕下進(jìn)入地表徑流中，初期徑流匯流時(shí)間短，降雨的浸提作用不明顯。隨著徑流過(guò)程持續(xù)，沖刷進(jìn)入徑流的土壤顆粒減少，降雨的浸提作用逐步占據(jù)主導(dǎo)，徑流中NO3--N濃度反超NH4+-N濃度；徑流后期降雨的浸提作用和稀釋作用共同影響，致使物質(zhì)濃度呈鋸齒形變化。

（3）190901次降雨徑流峰值24h后的徑流過(guò)程中，隨著源頭污染物質(zhì)的削減和降雨的稀釋作用，TN、NH4+-N、NO3--N的濃度變化趨勢(shì)基本一致，均隨著流量減小緩慢下降，數(shù)值變化幅度進(jìn)一步束窄。

3.2 多峰型徑流過(guò)程氮素遷移規(guī)律

如圖3所示190617次和190809次降雨徑流峰值過(guò)程的氮素變化過(guò)程線，兩場(chǎng)降雨的徑流過(guò)程均形成了不少于兩個(gè)峰值，190617次降雨徑流過(guò)程次級(jí)峰值在前最大峰值在后，190809次降雨徑流過(guò)程最大峰值在前次級(jí)峰值在后，基于兩場(chǎng)降雨徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探索氮素變化與多峰型徑流過(guò)程的關(guān)系。

（1）在多峰型徑流過(guò)程中，TN、NH4+-N、NO3--N的濃度變化規(guī)律與單峰型徑流過(guò)程較為相似，趨勢(shì)大致相同，各污染物濃度均存在初期陡漲陡落的變化，隨后在流域出口的流量起漲過(guò)程中迅速形成污染峰，峰后污染物濃度緩慢降低趨于平穩(wěn)。

（2）進(jìn)一步觀察可知，NH4+-N濃度在初期陡漲陡落后，隨著流量的起漲而迅速上漲，一般在出口斷面流量形成第一次峰值前后達(dá)到污染濃度峰值，隨后下降并趨于平穩(wěn)，數(shù)值在0.5mg/L上下，與隨后的徑流峰值相關(guān)性不明顯；NO3--N濃度變化隨著流量的起漲而上升，一般在最大峰值前后污染濃度峰值。TN的濃度變化主要受NH4+-N和NO3--N濃度變化影響，徑流后期受降雨的浸提作用和稀釋作用共同影響，與流量變化的響應(yīng)關(guān)系更為復(fù)雜，波動(dòng)變化更為頻繁。

3.3 氮素流失與地表徑流深相關(guān)性分析

參照國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果，區(qū)域氮素流失的主要影響因素包括地表徑流深、坡度、土壤類(lèi)型、植被覆蓋度等，受限于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和數(shù)據(jù)，文章就觀測(cè)時(shí)段氮素流失量與地表徑流深的相關(guān)性展開(kāi)分析。

如表2、圖4所示，無(wú)機(jī)氮流失占研究區(qū)氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均為0.95左右，判定系數(shù)R2均超過(guò)0.90，進(jìn)而認(rèn)為降雨徑流是非點(diǎn)源氮素污染的直接影響因素；圖中NO3--N與地表徑流深的相關(guān)系數(shù)略大于NH4+-N，分析可能受水環(huán)境溶解條件及離子電荷不同的影響，有待進(jìn)一步研究論證。

4 結(jié)論

在超滲產(chǎn)流機(jī)制下，TN、NH4+-N、NO3--N濃度隨徑流量變化趨勢(shì)相近，均隨出口斷面流量起漲迅速形成污染峰，峰后受降雨浸提作用和稀釋作用共同影響呈鋸齒狀降低并趨平穩(wěn)；無(wú)機(jī)氮流失是研究區(qū)氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；降雨徑流是非點(diǎn)源氮素污染的直接影響因素，TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均為0.95左右，判定系數(shù)R2均超過(guò)0.90；研究區(qū)可采取選種截留滯留效果突出的農(nóng)產(chǎn)品削減源頭徑流產(chǎn)生量、建設(shè)生態(tài)排水溝加強(qiáng)匯流過(guò)程滯蓄固氮能力、以生物有機(jī)肥替代氮肥降低氮素含量等措施綜合提升農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治工作。

科研人員首次“定格”電子在液態(tài)水中的阿秒級(jí)運(yùn)動(dòng)

美國(guó)和德國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中首次拍攝了液態(tài)水中電子實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的“定格幀”。該研究提供了一個(gè)窗口，使科學(xué)家能在以前用X射線無(wú)法企及的時(shí)間尺度上了解液體中分子的電子結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的重大進(jìn)步。相關(guān)研究發(fā)表在《科學(xué)》上。

這項(xiàng)研究是通過(guò)美國(guó)直線加速器相干光源（LCLS）的同步阿秒X射線脈沖對(duì)而實(shí)現(xiàn)的。此前，輻射化學(xué)家只能在皮秒（等于一百萬(wàn)阿秒）的時(shí)間尺度上解析電子運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在，在阿秒尺度上研究X射線擊中目標(biāo)的電子反應(yīng)的能力使科研人員能夠深入研究輻射引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，比以前的方法快100萬(wàn)倍。研究中開(kāi)發(fā)的技術(shù)，即液體中的全X射線阿秒瞬時(shí)吸收光譜，使他們能在原子核移動(dòng)之前，在電子進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)時(shí)“觀察”由X射線激發(fā)的電子。

這項(xiàng)研究建立在阿秒物理學(xué)這一新學(xué)科的基礎(chǔ)上，揭示了物質(zhì)受到X射線照射時(shí)的瞬時(shí)電子變化，不僅加深了科學(xué)家對(duì)輻射誘導(dǎo)化學(xué)的理解，還標(biāo)志著阿秒科學(xué)新紀(jì)元的開(kāi)始。

本文摘自國(guó)外相關(guān)研究報(bào)道，文章內(nèi)容不代表本網(wǎng)站觀點(diǎn)和立場(chǎng)，僅供參考。

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