氮肥的廣泛使用是近現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要推動力,對提高農產品產量起到了至關重要的作用;然而隨著氮肥投入量增加,土壤中過量的氮素以各種形式進入周圍環(huán)境。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展也產生了大量氮素流失,農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮流失是農業(yè)面源氮素污染的主要原因。本文選擇包含徑流和畜禽養(yǎng)殖過程的最新版Manure-DNDC模型,在山東小清河流域典型農田和畜禽養(yǎng)殖場進行驗證;借助遙感與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術,利用多種來源數(shù)據建立以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的小清河流域數(shù)據庫;模擬評價2008年小清河流域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡狀況,分析農業(yè)面源氮素污染時空分布特征,并提出有效地優(yōu)化管理措施。主要研究結果如下: (1)實地驗證了改進版農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學模型——Manure-DNDC。利用山東小清河流域典型輪作系統(tǒng)冬小麥/夏玉米、冬小麥/大蔥、設施蔬菜地田間試驗數(shù)據對Manure-DNDC進行了驗證,結果表明Manure-DNDC模型能夠較好地模擬農田土壤氣候、作物生長、氮淋溶等動態(tài)過程。利用廣饒縣肉牛養(yǎng)殖場觀測數(shù)據驗證表明,模型能夠較好地動態(tài)模擬畜禽養(yǎng)殖過程中排出的糞便和尿的氮素含量,以及圈舍氨揮發(fā)量。區(qū)域驗證也取得了較好地效果,模型能夠合理預測作物產量和徑流量,其中對冬小麥和夏玉米總產量模擬的R~2值均在0.8以上。 (2)建立了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的小清河流域農業(yè)面源氮素污染評價基礎數(shù)據庫,構建了小清河流域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡定量評價系統(tǒng)。針對小清河流域地勢低平的特點,研究提出了遙感圖像識別與GIS空間分析相結合的數(shù)據庫構建方法,首先利用高分辨率遙感圖像識別中下游主干河道,修改DEM后提取流域邊界以及主要河流網絡,再計算坡度、坡長、最大水流長度等地形因子。同時通過查表獲取主要土壤侵蝕因子,利用模型估算土壤水分常數(shù),結合實測土壤有機質含量、作物播種面積和管理措施、氣象觀測數(shù)據、以及畜禽養(yǎng)殖數(shù)據構建小清河流域以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的農業(yè)面源氮素污染數(shù)據庫。將數(shù)據庫與經驗證后的Manure-DNDC模型結合,綜合考慮地表產匯流與土壤侵蝕規(guī)律,構建了流域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡綜合評價系統(tǒng),為定量評價奠定了基礎。 (3)小清河流域農田種植與畜禽養(yǎng)殖過程中產生大量氮素盈余,農業(yè)面源氮素污染負荷很高。2008年農田氮素投入總量為25.99萬噸,其中化肥氮18.42萬噸,有機肥氮6.66萬噸,相當于每公頃農田施用化肥282.06 kg N、有機肥101.95 kg N。農田淋溶和徑流損失氮素分別為2.38萬噸、0.71萬噸,平均淋溶和徑流損失分別為36.42 kg N/hm~2、10.82kg N/hm~2。畜禽養(yǎng)殖過程中通過徑流損失氮素4.66萬噸,堆肥場所有3.50萬噸氮素殘留。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素徑流損失總量是淋溶損失總量的2.26倍,其中86.83%發(fā)生在畜禽養(yǎng)殖以及糞便處理過程中。 (4)農田氮素淋溶具有明顯的區(qū)域差異,水肥管理是影響氮素淋溶強度的主要因素。濟南市南部、章丘市中北部、以及壽光市部分地區(qū)農田氮素淋溶比較嚴重,其中有41個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過30 kg/hm~2。氮素淋溶與施肥量的關系非常密切,當施肥量低于300 kg/hm~2時,70%以上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)淋溶強度小于10 kg/hm~2,當施肥量大于400 kg/hm~2時,約20%的氮肥受到淋溶。降水與灌溉是農田氮素淋溶的主要驅動力,流域內約70%的氮素淋溶發(fā)生在六、七月份。從不同的輪作模式看,蔬菜三季輪作的氮素淋溶損失量最高,達到1.07萬噸,單位面積氮素淋溶量為285.32 kg/hm2。小麥/玉米輪作模式的平均淋溶強度為18.72 kg/hm~2,因為播種面積較大,淋溶總量也達到6192.25噸氮。集約化糧食作物和設施蔬菜地是農田氮素淋溶的主要來源。 (5)氮素徑流損失強度主要受坡度、降水、土壤性質以及畜禽養(yǎng)殖量的影響,徑流損失氮素以有機氮為主。農田氮素徑流損失強度比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要位于流域上游的濟南市歷城區(qū)、章丘市、鄒平縣南部的,流域中部的廣大地區(qū)農田徑流損失一般都低于5 kg/hm~2。農田氮素徑流損失總量最大的是小麥/玉米輪作,其次是棉花以及小麥、玉米單作。畜禽養(yǎng)殖以及糞便處理過程中的氮素徑流損失在整個流域內都很嚴重,有31個鄉(xiāng)鎮(zhèn)損失強度超過100 kg/hm~2,其中濟南市南部和章丘市最突出,主要原因是畜禽養(yǎng)殖規(guī)模大。牛排出的氮素中以氣體成分損失的比例最高,家禽排出的氮素施入農田的比例最高。 (6)農田氮素投入過量、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與農田面積不匹配、畜禽糞便處理方式不合理是造成本地區(qū)農業(yè)面源氮素污染的主要原因。減輕小清河流域農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮流失與農業(yè)面源氮素污染負荷的有效措施主要有控制集約化糧食作物和設施蔬菜地的氮肥投入量,適當減少蔬菜地灌溉量,限制坡耕地種植,控制畜禽養(yǎng)殖密度,使畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與農田面積相匹配,完善畜禽糞便處理技術等。優(yōu)化管理措施分析表明,當化肥氮總量降低15%時,氮素淋溶量降低41%,小麥、玉米和蔬菜產量沒有明顯下降。減少單位面積農田上的畜禽養(yǎng)殖量,可以有效降低土壤氮盈余量,控制農田氮流失,同時減少畜禽養(yǎng)殖過程中的氮素損失。
【學位單位】：中國農業(yè)科學院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：X592;X522
【部分圖文】：

溝流域沒有明顯的分水嶺，為保持流域完整性，同時兼顧行政區(qū)劃特點，本研究所選研究區(qū)包括小清河流域以及北側的淄脈溝流域(圖 2.1)。流域內水系復雜，支流眾多，其中一級支流 40 多條，沿河湖泊洼地較多，主要有白云湖、牙莊湖、青沙湖、麻大湖、巨淀湖等，歷史上皆為天然滯洪區(qū)(馬吉剛等，2003)。干流以南流域面積較大，支流眾多，呈典型的單側梳齒狀水系分布。小清河是濟南市主城區(qū)唯一排水出口，同時也是魯中地區(qū)一條重要的排水河道，兼顧兩岸農田灌溉的功能。小清河流域所在地區(qū)屬于魯北平原南部，是省內的重要工農業(yè)產區(qū)。流域內共擁有耕地 65.29萬公頃，是山東省重要的糧食和蔬菜生產基地，號稱“江北第一噸糧縣”的桓臺縣，全國聞名的蔬菜生產區(qū)壽光都在此流域內。流域兩側還分布著許多大中型城市和工業(yè)企業(yè)，如山東省會濟南、工業(yè)重鎮(zhèn)淄博、石油城東營、齊魯石化公司、壽光羊口鹽場等。

海積層(中國地質圖集編委會，2002) 。在膠濟鐵路北側的沖積洪積扇和古河道，覆蓋著較厚的卵石、砂礫層，松散巖類孔隙水含量較高，是山東省地下水資源比較豐富的地區(qū)之一。流域內地勢南高北低，以膠濟鐵路為界，南部多為山丘區(qū)，北部多為平原洼地。山地丘陵區(qū)海拔大都在 400-600 米左右，其中魯山海拔 1108 米，是流域分水嶺上的最高峰。各支流下游至干流之間，主要由山前沖積扇和黃河沖積平原組成，海拔約 50-100 米。小清河干流中下游地區(qū)大多為沖積、洪積平原，地勢低平，海拔一般不超過 50 米。主干河流落差小，起始點睦里閘處的海拔僅為 30 米。由于該區(qū)有許多縱橫交錯的古河道、古三角洲和洼地，平原區(qū)的崗洼交錯分布，地表形態(tài)和沉積物的結構都十分復雜。

4.2 億立方米，產水模數(shù) 17.0 萬米3/平方公里，小清河流域主要河道如圖 2.5 所示。小清河流下水資源相對于省內其他地區(qū)較為豐富，1956-1988 年礦化度小于 2 克/升的多年平均地下水給量為 16.2 億立方米，其中可開采量為 13.08 億立方米，可開采模數(shù) 12.25 米3/平方公里(中業(yè)全書-山東卷編輯委員會，1994)。由于受到工農業(yè)生產和人類活動的影響，小清河流域水到不同程度的污染，流域內各測點 CODcr、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)各指標均超過我國地質量Ⅴ類標準(GB3838—2002)，化學肥料的大量使用、農村畜禽養(yǎng)殖和生活廢棄物是造成小流域農業(yè)面源污染的主要原因(唐政等，2008)。
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本文編號：2851678