江漢平原集約農(nóng)區(qū)水體氮通量分析

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(jìn)行了為期1年的外場試驗。通過對區(qū)域內(nèi)水樣進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(yán)重的地區(qū)之一[1]。這一現(xiàn)狀嚴(yán)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(jìn)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(jī)氮，這些不斷增加的活性氮與土地的過度使用、有機(jī)和無機(jī)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(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)水體氮素含量超標(biāo)，水環(huán)境質(zhì)量受到嚴(yán)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(jìn)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(xué)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(fēng)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)媳保瑬|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(jìn)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)》（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(fēng)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(dá)到最大值，7～9月雖然溫度高，水氣蒸發(fā)作用強(qiáng)，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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，因此雨水中氮素含量達(dá)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(jìn)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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