【摘要】： 以農(nóng)田為核心的灌區(qū)退水污染正在成為影響黃河水質(zhì)的主要污染源,控制灌區(qū)農(nóng)田退水污染對(duì)保障黃河水質(zhì)安全與整個(gè)黃河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,具有現(xiàn)實(shí)迫切性與長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。針對(duì)黃河上游灌區(qū)農(nóng)田退水中氮、磷等典型污染物對(duì)水質(zhì)的影響,在寧夏黃灌區(qū)吳忠國(guó)家科技園區(qū)選擇灌區(qū)典型作物-水稻開(kāi)展田間試驗(yàn),通過(guò)蒸滲儀測(cè)定蒸散量和垂直退水量,采用側(cè)滲液收集儀收集側(cè)向退水量,運(yùn)用土壤溶液提取儀分層提取0-200cm處土壤溶液,利用田間定位通量法計(jì)算農(nóng)田退水過(guò)程中氮磷的流失量,分析探討了水稻生育過(guò)程中農(nóng)田退水規(guī)律,揭示了不同水肥管理下退水過(guò)程中氮、磷的遷移和污染特征,結(jié)合灌區(qū)宏觀調(diào)研資料,計(jì)算了寧夏黃灌區(qū)水稻生育期內(nèi)農(nóng)田退水的氮、磷負(fù)荷量。主要研究結(jié)果如下: (1)分析了農(nóng)田退水量的組成及其影響因素,揭示了影響農(nóng)田退水量的主要控制因素和作用變量,提出水稻抽穗開(kāi)花前是調(diào)控農(nóng)田退水量的主要時(shí)段。研究結(jié)果表明農(nóng)田退水量主要受灌溉量和地下水位的影響,與二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.88和-0.61,受降雨量和蒸散量的影響較小;在水稻生育期內(nèi)控制灌溉量可以顯著降低退水量,在常規(guī)灌溉(W3)、節(jié)水20%(W1)和節(jié)水40%(W2)三個(gè)灌溉量下退水量的差異達(dá)到極顯著水平,退水量分別占相應(yīng)灌溉量的38%、35%和30%;傳統(tǒng)灌溉量下退水量分別是優(yōu)化灌溉處理的1.46和2.19倍。在水稻的整個(gè)生育過(guò)程中,農(nóng)田退水主要發(fā)生在抽穗開(kāi)花前,此階段的退水量占各處理全部退水量的80%左右,調(diào)控農(nóng)田退水量應(yīng)主要在一階段進(jìn)行;根據(jù)退水量和其影響因素之間相關(guān)關(guān)系比較明顯的特點(diǎn),利用統(tǒng)計(jì)方法建立了稻田退水量與其影響因素的多元回歸模型。 (2)分析了影響地表退水過(guò)程中氮磷的流失量的主要因素,發(fā)現(xiàn)田面水中氮磷濃度和退水量是影響地表退水過(guò)程中氮磷流失量和潛在污染風(fēng)險(xiǎn)的主控因子。通過(guò)對(duì)田面水中氮磷的相互轉(zhuǎn)化和衰減情況等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果表明:田面水中氮磷濃度與灌溉量和施肥量有關(guān),同一施氮水平下,灌溉量大時(shí)田面水中氮磷的濃度相對(duì)低,同一灌溉水平下,施肥量大時(shí)田面水中氮磷濃度相對(duì)高。田面水中氮磷濃度隨時(shí)間在總體上逐漸降低,受追肥的影響,追肥后有峰值出現(xiàn),但出現(xiàn)時(shí)間不同,總氮和總磷在施肥當(dāng)天濃度達(dá)到最大,銨態(tài)氮一般要到施肥后的1-2天,硝態(tài)氮要到3-4天。受施肥量和作物生長(zhǎng)狀況的影響,施基肥后田面水中氮磷的濃度最高。據(jù)此動(dòng)態(tài)變化特征可知地表退水發(fā)生的時(shí)間直接關(guān)系到地表退水?dāng)y帶氮磷的狀況,地表退水距離施肥時(shí)間越近,地表退水過(guò)程中氮磷的流失量越大,污染風(fēng)險(xiǎn)越高。 (3)垂直退水過(guò)程中氮磷污染特征和直滲水中氮磷動(dòng)態(tài)緊密相關(guān),水稻抽穗前的水肥管理是降低農(nóng)田退水污染的關(guān)鍵時(shí)期。定時(shí)對(duì)0-200cm的土壤溶液進(jìn)行時(shí)空分析表明,在時(shí)間上,直滲液中三氮和總磷濃度隨時(shí)間下降,追肥后有峰值出現(xiàn)。垂直退水污染發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)期是插秧后80天內(nèi),即抽穗前,這一階段由于大量的施肥和長(zhǎng)時(shí)間的泡田,各層直滲液中氮磷濃度是整個(gè)生育期中同層土壤溶液中氮磷濃度最高的時(shí)候,也是垂直退水量最多的時(shí)候,導(dǎo)致農(nóng)田退水?dāng)y帶的污染物量最大。常規(guī)灌溉量下這一階段總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷在垂直退水中的流失量分別占水稻整個(gè)生育期垂直退水氮磷流失量的81.4%、73.6%、87.2%和70%,其他水肥處理下流失比例基本相同。水稻抽穗前的水肥管理是降低農(nóng)田退水污染的關(guān)鍵時(shí)期。在深度上,三氮和總磷的濃度基本上都是隨深度加深而濃度下降,但在80cm左右濃度回升,是一濃度轉(zhuǎn)折界面,120cm以下濃度變化不大。直滲液中氮磷的濃度受灌溉量的影響,經(jīng)相關(guān)分析,灌溉量和80cm處直滲液中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及總磷平均濃度的相關(guān)系數(shù)分別為:0.76、0.48、0.74和0.37。農(nóng)田退水作用的驅(qū)動(dòng)下,銨態(tài)氮和總磷向下遷移的距離加長(zhǎng),污染風(fēng)險(xiǎn)加大。 (4)垂直退水中氮磷流失量受灌溉量和施肥量的顯著影響。傳統(tǒng)施氮量下通過(guò)降低灌溉量可以明顯降低稻田生育期內(nèi)垂直退水過(guò)程中氮磷的流失量,傳統(tǒng)灌溉量(W3)下農(nóng)田退水帶走的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷分別比節(jié)水20%(W1)和節(jié)水40%(W2)高出1.29、1.20、1.35、0.79和1.70、1.59、1.73、1.14倍。降低灌溉量同樣可以減少退水過(guò)程中氮磷的流失量,與N0、N1和N2相比,常規(guī)灌溉量下N3處理總氮高出14.11、5.42、2.35,銨態(tài)氮高出14.1、5.27、2.31,硝態(tài)氮高出16.34、5.74、2.45,總磷流失量高出0.82、0.50、0.65倍。所有處理中常規(guī)水肥條件(W3N3)下的流失量最大,其次是W1N3和W2N3,這表明農(nóng)田退水污染負(fù)荷受灌溉量和施肥量的雙重影響,二者的交互作用明顯,但是起決定作用的是施肥量。 (5)側(cè)向退水間歇發(fā)生,最先出現(xiàn)在40cm和80cm的土層,以硝態(tài)氮的流失最為嚴(yán)重,受降雨量和灌溉量顯著影響。4個(gè)施肥水平下側(cè)滲液中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的濃度在時(shí)間上表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),插秧后20天內(nèi)各層土壤溶液中的濃度最高,隨后下降,在追肥后有小幅回升;在深度上,三氮和總磷整體上隨深度下降,水稻全生育期總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的濃度變化范圍分別是:0.84-17.99、0.03-1.28、0.3-13.21和0.001-0.14mg/L,側(cè)滲液中三氮的濃度波動(dòng)范圍較大,總磷變幅很小,側(cè)向退水過(guò)程中氮磷的流失量同樣受施肥量的影響,常規(guī)灌溉條件N3處理下總氮、銨態(tài)氮和硝氮的流失量分別比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)計(jì)算了不同水肥處理下農(nóng)田退水中氮磷的比負(fù)荷量,結(jié)果發(fā)現(xiàn):灌溉量和施氮量對(duì)農(nóng)田退水中總氮和硝態(tài)氮的比負(fù)荷量有著顯著的影響,二者之間存在顯著的交互作用。農(nóng)田退水中氮素的流失以硝態(tài)氮為主,占總氮的70%左右。在所有處理中常規(guī)灌溉和常規(guī)施氮(W3N3)情況下氮磷的比負(fù)荷量最大,地表退水中總氮的比負(fù)荷量為12.84kg/hm2,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的比負(fù)荷量分別為7.59、0.57和017 kg/hm2,垂直退水中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的比負(fù)荷量分別為84.66、13.54、61.80和0.73 kg/hm2,側(cè)向退水中分別為17.95、2.55、12.65和0.047 kg/hm2。農(nóng)田退水中總氮和總磷的比負(fù)荷量與灌溉量的相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.88。(7)2008年寧夏黃灌區(qū)稻田退水總氮負(fù)荷達(dá)到0.81萬(wàn)噸,銨態(tài)氮為0.16萬(wàn)噸,硝態(tài)氮為0.52萬(wàn)噸,總磷為0.0066萬(wàn)噸。
【圖文】：

圖 1-1：寧夏黃灌區(qū)分布圖Fig1-1：Distribution of the Irrigation Area of the Lower Yellow Riv2）地勢(shì)地貌寧夏黃灌區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上隸屬于銀川平原和衛(wèi)寧平原（汪林，200而南北長(zhǎng),東西相隔 50 公里至 200 公里不等,南北相距 456 公里。從地的黃土地貌為主，中部和北部以干旱剝蝕、風(fēng)蝕地貌為主，是內(nèi)蒙古高峻的山地和廣泛分布的丘陵，也有由于地層斷陷又經(jīng)黃河沖積而成丘。地表形態(tài)復(fù)雜多樣，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了不同的條件。據(jù) 2004 年中丘陵占 38%，平原占 26.8%，山地占 15.8%，臺(tái)地占 17.6%，沙漠3）氣候降雨寧夏黃灌區(qū)地處西北內(nèi)陸中溫帶干旱區(qū)，位于我國(guó)季風(fēng)區(qū)的西緣，差 5 個(gè)緯度，具有南涼北暖、南濕北干、雨雪稀少、氣候干燥、日照太陽(yáng)輻射總量 5 711~6 096 MJ／m3，年日照時(shí)數(shù)為 3 000 h 左右，灌區(qū)積溫 3 200~3 300℃，無(wú)霜期 150～195 d。寧夏還是我國(guó)多風(fēng)沙天氣的接近蒙古高原，地較平坦，縱向起伏不大，又地處騰格里、烏蘭布和中，不僅風(fēng)力強(qiáng)盛，而且易于產(chǎn)生沙塵暴。寧夏全區(qū)降水少，但年蒸m；日照時(shí)間長(zhǎng)，一般在 3000 小時(shí)左右，光熱資源充足，，晝夜溫差較

圖 2-3：土壤溶液提取儀Fig 2-3: The device of vertical leachate experiment收集儀需要較大的土地面積，并要進(jìn)行一定的資金投入進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)。首先在界分別為 1 米、2 米、3 米和 4 米處挖深為 1.5 米，寬為 1.2 米的剖面，剖面上 10-20cm，20-40cm，40-60cm，60-80cm 處垂直打入直徑為 10cm嘴處接好短出液管，并用硅膠或其他防水膠封嚴(yán)，然后在管內(nèi)出水口處尼龍紗網(wǎng)用硅膠或其他防水膠稍加固定后，再向管內(nèi)裝滿用清水洗凈覆蓋一層尼龍紗網(wǎng)裝粗砂量以緊密接觸 PVC 管出水嘴為宜。將短出液管，用于收集側(cè)滲液，見(jiàn)示意圖：
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X522

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2636405