减排降污控制稻田面源污染物排放总量的技术研究

论文摘要

近些年来,随着点源污染控制能力的提高,农业面源污染的严重性逐渐显现出来,对水体富营养化的影响占有很大比重。过量使用化肥及不合理的水分管理方式是产生农业面源污染的主要原因。本文立足农业面源污染控制和控水减排,通过模拟水稻生产主要农事活动,对模拟稻田进行了基于“控水滞排”、“深施缓释”、“调水减排”、“人工降雨”和“固源免排”等组合技术的控水减排试验,检测分析了模拟稻田土壤和田面水的理化性质、氮磷等营养盐的动态特征与潜在的迁移流失规律,探讨了蓄水深度和排水高度条件下稻田氮磷的减排效能。研究的主要结果如下：Ⅰ通过模拟施肥春耕等农事活动,在模拟稻田设置不同排水高度进行控水滞排试验,结果表明：（1）土壤和田面水的pH值随时间呈升高的趋势,在6.8～7.36变化范围。土壤和田面水Eh值小于300 mv。（2）土壤的TN含量在1周内呈总体上升的趋势,其TP、AP含量整体上呈逐渐上升态势；田面水的TN浓度在后期动态下降,其TP与DP浓度的动态相似,呈升-峰值-降的趋势；TN、TP浓度与蓄水深度呈极显著的负相关（Y=91.89X-0.99,R2=0.986、Y=-330X+1.1891,R2=0.99）。（3）提高排水堰高度,虽然田面水TN、TP的浓度有所降低,但并不能降低其潜在流失量。控水滞排至第5-7d后,田面水中TN和TP的流失量较少。TN与潜在流失量较大的第3d相比,可减少排放47.38～75.45%；TP与潜在绝对流失量较大的第2d相比,可减少排放68.96～88.32%。（4）从排水方式看,土壤耕整后先采取控水至9cm或6cm的深度,然后再排水至3cm的控水深度的排水方式,模拟稻田田面水中TN、TP的流失量总体上可分别减少33.33%～50.00%、34.48%～50.00%。（5）就氮、磷流失的形态而言,在控水滞排2d内,氮素流失形态总体上以NH4+-N为主；2d后流失形态以TN为主。磷素的相对流失形态总体上主要以DP为主。Ⅱ在水稻的返青期,以尿素撒施为对照,对稻田设置不同施肥深度进行了尿素造型深施的深施缓释试验,结果表明：（1）土壤和田面水的pH值均呈增大的变化趋势,其理化性质向弱碱性发展。土壤的Eh整体上呈升-降-升的态势,田面水的Eh总体上大于300mv。（2）田面水中TN浓度呈平稳-升-降-升-降的趋势。尿素造型深施可减少田面水TN流失,其中深施11cm的田面水中TN的减排效能最佳,若在第5d～7d排水,可减少排放田面水TN 50.32～67.74%；尿素造型深施的田面水中氮素的流失形态以NO3--N为主。（3）田面水中TP和DP浓度变化呈先升后降趋势。从排水时间看,尿素造型深施11cm后,若在第2d排水,其TP减排效能最佳,可减少排放田面水TP70.33%,于第5～7排水,可减少排放田面水TP 35.90～69.33%。磷素流失形态总体上表现为TP-DP-TP交替发生的现象。（4）田面水SS浓度在初期迅速提高。尿素造型深施11cm后若适当延迟排水时间至第5～7d排水,可减少排放田面水SS 64.44～76.33%。尿素撒施后若延迟排水时间至第5～7d,可显著减少排放田面水SS69.44～72.22%。撒施处理的田面水中COD浓度显著高于其他深施处理的COD浓度,田面水COD的绝对流失量要大于尿素造型深施。从不同时间的减排效能看,造型深施7cm在施肥处理后延迟排水时间至第5d或7d,田面水COD的减排效能较高。Ⅲ在水稻孕拔节穗期,对稻田撒施孕穗肥（尿素+钾肥）后,设置不同排水高度进行调水减排试验,结果表明：（1）撒施孕穗肥后土壤和田面水的pH均呈平稳-微降-平稳的趋势,其中,田面水pH值范围在7.30～10.41,土壤pH值在6.13～8.94,呈pH（水）>pH（土）。田面水的Eh值大于300mv。（2）土壤TN含量变化不大,其NH3-N含量呈升-峰值-微降-小幅上升的趋势,N03-N维持很低的含量水平,但第5d后出现反弹上升态势。（3）调水减排前期田面水中TP和DP浓度升高,第3d后田面水TP和DP浓度下降。田面水TN和TP浓度与蓄水深度呈极显著的负相关（Y=19.71e-0.32x, R2=0.998、Y=0.127X-0.71,R2=1）。（4）若延迟排水时间至第5～7d,可减少排放田面水TN 47.44～86.50%。与第3d排水相比,若在第5～7d排水,可减少排放田面水TP 19.15～44.44%。田面水氮素的相对流失形态以TN为主。田面水磷素的相对流失形态则以TP为主。Ⅳ采用中科院水稻所研制的“对喷式”人工模拟降雨器,对经过晒田后的水稻黄熟期模拟稻田,进行了人工降雨试验,结果表明：（1）17.4mm/h雨强的田面水中TN浓度迅速下降。48mm/h和60mm/h雨强的田面水积聚量较大,若延迟稻田排水时间至第5d,田面水减排效能最佳。田面水中NH4+-N浓度整体水平较低；田面水中NO3--N的浓度的总体水平较高,随时间变化呈逐渐下降的趋势。人工降雨处理后田面水中氮素的流失形态主要以NO3--N或TN为主。（2）人工降雨后初期,田面水中TP和DP浓度总体上表现为60mm/h雨强的最高,17.4mm/h雨强的最低。在人工降雨后1～2d内进行排水,17.4mm/h雨强的田面水中TP的流失潜能较小,48mm/h和60mm/h田面水TP的流失潜能较大。如延迟稻田排放水时间到第3～5d,可减少排放田面水TP9.95～100.00%。磷素的流失形态主要以DP为主。（3）17.4mm/h雨强在初期田面水中SS浓度较高,48mm/h和60mm/h雨强处理的田面水中SS浓度有反弹上升趋势。如特殊情况需要进行排水,17.4mm/h雨强的田面水中SS的减排效能为66.19%；48mm/h和60mm/h雨强的人工降雨后,若第2d或第5d进行排放水,可减少排放田面水SS 74.29-80.65%或67.74～91.43%。（4）48mm/h和60mm/h雨强田面水中COD浓度随时间缓慢升高。17.4mm/h雨强田面水COD浓度在人工降雨后1d内处于较高水平在第1d进行排水,就17.4mm/h和48mm/h而言,可分别减少排放田面水中COD 29.15%和32.69%。Ⅴ在水稻收割后的模拟稻田中,设置免耕、浅耕和深耕3个夏季施肥耕作处理,进行了固源免排试验,结果表明：（1）3个耕作处理的稻田土壤pH值均小于7.00,土壤呈酸性。夏季施肥耕作会对土壤pH值的影响表现为免耕>浅耕>深耕。浅耕的土壤含水量在初期较低,但随时间推移呈升-峰值-微降的趋势。免耕和深耕的含水量整体上变化平稳。（2）施肥耕作后土壤TN含量呈微升-峰值-微降的趋势,总体上维持较高的含量水平。不同耕作模式的田面水中TN的浓度变化表现出不同的变化趋势。免耕处理后在第5d后排水可以减少田面水TN流失54.70～67.78%。浅耕处理后在第2-7d排水,可减少田面水排放TN 62.99～85.09%。深耕处理后5～7d排水,可减少排放田面水TN 52.45～87.99%。三个耕作处理的田面水氮素的流失形态以TN为主。（3）夏季施肥耕作后,深耕的土壤中TP含量整体上小于免耕和浅耕的土壤中TP含量,但3个耕作处理的土壤中TP处于较高的含量水平。土壤中AP含量总体上呈升-峰值-降的趋势,各处理的差异不大。免耕和深耕处理的田面水中TP和DP浓度在第1～5d内浓度较高,并且均表现为免耕>深耕。浅耕的田面水TP和DP的浓度呈逐渐下降趋势。耕作处理后田面水TP的绝对流失量,免耕为最大；深耕次之；浅耕最小。磷素的流失形态表现出一定的差异性,随时间变化呈TP与DP交替变化的现象。免耕和深耕处理在2d后排水,田面水TP的相对流失潜能较大。浅耕处理后田面水TP的相对流失潜能较小。（4）三个处理若在第5d后排水,可减少排放SS 73.33～98.36%。三个耕作处理的田面水COD的绝对流失量中,以免耕处理为最大,浅耕和深耕处理相差不大。若在第1d后排水,可减少排放田面水COD 45.00～98.36%。以上的研究结果,可为减排降污控制稻田面源污染物排放总量的组合技术提供理论依据,为源头控制和治理农业面源污染提供的新的思路与方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 研究背景
• 2 国内外研究进展
• 2.1 控排水对减少稻田氮、磷排放的影响
• 2.2 稻田氮、磷的流失特征
• 2.2.1 稻田氮素的迁移机理
• 2.2.2 稻田氮素径流流失的影响因素
• 2.2.3 稻田磷素的迁移机理
• 2.3 稻田氮、磷流失的控制对策
• 2.3.1 降低化肥施用量（源头控制）
• 2.3.2 科学的水分管理方式（过程控制）
• 2.3.3 在污染物汇入河流、湖泊后进行治理（末端治理）
• 3 湖南省自然地理概况
• 3.1 地理位置
• 3.2 农业状况
• 3.3 湖南水资源及农业面源污染现状
• 3.3.1 水资源现状
• 3.3.2 农业面源污染现状
• 4 选题思路及研究内容
• 4.1 研究意义
• 4.2 研究目的
• 4.3 研究内容
• 4.4 试验设计和技术路线
• 4.4.1 选点
• 4.4.2 材料与方法
• 4.4.3 模拟稻田设计与建设
• 4.4.4 技术路线
• 4.5 试验安排
• 第二章 施肥春耕模拟稻田土壤和田面水中氮、磷的动态特征及其控水滞排技术与减排降污效能研究
• 1 材料与方法
• 1.1 选点
• 1.2 材料与方法
• 1.3 模拟稻田设计
• 1.4 试验方案
• 1.5 样品采集和分析
• 1.6 实验内容
• 1.6.1 土壤背景值测定
• 1.6.2 施肥春耕控水滞排土壤和田面水中各指标的测定与分析
• 1.6.3 施肥春耕控水滞排的减排降污效能分析
• 1.7 数据分析
• 2 数据处理与结果分析
• 2.1 施肥春耕控水滞排田面水中TP环境因子灰色关联分析
• 2.1.1 灰色系统的建立
• 2.1.2 数据量纲化处理
• 2.1.3 关联度计算
• 2.1.4 小结
• 2.2 施肥春耕控水滞排对稻田理化性质的影响
• 2.2.1 施肥春耕控水滞排对田面水中PH和EH的影响
• 2.2.2 施肥春耕控水滞排对稻田土壤PH值和EH值的影响
• 2.2.3 小结
• 2.3 施肥春耕控水滞排稻田氮、磷以及田面水SS和COD的动态特征
• 2.3.1 施肥春耕控水滞排土壤氮素含量的动态特征
• 2.3.2 施肥春耕控水滞排田面水中氮素的动态特征
• 2.3.3 施肥春耕控水滞排稻田土壤磷素的动态特征
• 2.3.4 施肥春耕控水滞排稻田田面水中磷素的动态特征
• 2.3.5 施肥春耕控水滞排田面水中SS和COD的动态特征
• 2.3.6 小结
• 2.4 施肥春耕控水滞排的减排降污效能研究
• 2.4.1 施肥春耕控水滞排田面水中TN浓度动态数值拟合
• 2.4.2 施肥春耕控水滞排田面水中TN的减排效能分析
• 4⁺-N]/[TN]的动态变化'>2.4.3 施肥春耕控水滞排田面水中[NH₄⁺-N]/[TN]的动态变化
• 2.4.4 施肥春耕控水后田面水中TP浓度动态变化数值拟合
• 2.4.5 施肥春耕控水滞排田面水中TP的减排效能分析
• 2.4.6 施肥春耕控水滞排田面水中[DP]/[TN]的动态变化
• 2.4.7 施肥春耕控水滞排田面水中SS和COD的流失潜能与减排效能分析
• 2.4.8 小结
• 第三章 水稻返青期尿素造型深施模拟稻田氮、磷的动态特征及其深施缓释技术与减排降污效能研究
• 1 试验材料与方法
• 1.1 选点
• 1.2 材料与方法
• 1.3 模拟稻田设计
• 1.4 试验设计方案
• 1.5 样品采集和测定方法
• 1.6 实验内容
• 1.6.1 土壤背景值测定
• 1.6.2 尿素造型深施模拟稻田氮、磷的动态研究
• 1.6.3 尿素造型深施模拟稻田的减排降污效能研究
• 1.7 数据分析方法
• 2 数据处理与结果分析
• 2.1 尿素造型深施田面水中TP的环境因子灰色关联度分析
• 2.1.1 尿素造型深施模拟稻田灰色系统的建立
• 2.1.2 数据量纲化处理
• 2.1.3 关联度计算
• 2.1.4 小结
• 2.2 尿素造型深施对稻田理化性质的影响
• 2.2.1 尿素造型深施对稻田田面水PH和EH的影响
• 2.2.2 尿素造型深施对稻田土壤PH和EH值的影响
• 2.2.3 小结
• 2.3 尿素造型深施模拟稻田氮、磷以及SS和COD的动态特征
• 2.3.1 尿素造型深施后模拟稻田土壤氮素的动态特征
• 2.3.2 尿素造型深施后田面水中氮素的动态特征
• 2.3.3 尿素造型深施后土壤中磷素动态特征
• 2.3.4 尿素造型深施后田面水中磷素的动态特征
• 2.3.5 尿素造型深施后田面水中SS和COD的动态特征
• 2.3.6 小结
• 2.4 尿素造型深施后模拟稻田的减排降污效能研究
• 2.4.1 尿素造型深施后田面水中总氮的减排效能分析
• 3^--N]/[TN]的动态变化'>2.4.2 尿素造型深施田面水中[NO₃^--N]/[TN]的动态变化
• 2.4.3 尿素造型施肥处理田面水中TP的减排效能分析
• 2.4.4 尿素深施田面水中[DP]/[TP]的动态变化
• 2.4.5 田面水中SS和COD的减排降污效能分析
• 2.4.6 小结
• 第四章 撒施孕穗肥模拟稻田氮、磷的动态特征及其调水减排技术与降污效能研究
• 1 材料与方法
• 1.1 选点
• 1.2 材料与方法
• 1.3 模拟稻田设计
• 1.4 试验设计方案
• 1.5 样品采集和测定方法
• 1.6 实验内容
• 1.6.1 土壤背景值调查
• 1.6.2 调水减排模拟稻田氮、磷动态研究
• 1.6.3 调水减排处理模拟稻田减排降污效能研究
• 1.7 数据分析方法
• 2 数据处理与结果分析
• 2.1 调水减排稻田田面水中TP灰色关联分析
• 2.1.1 灰色系统的建立
• 2.1.2 数据量纲化处理
• 2.1.3 关联度计算
• 2.1.4 小结
• 2.2 撒施孕穗肥调水减排对稻田理化性质的影响
• 2.2.1 撒施孕穗肥调水减排田面水中PH和EH值的动态特征
• 2.2.2 撒施孕穗肥调水减排土壤PH的动态特征
• 2.2.3 小结
• 2.3 撒施孕穗肥调水减排稻田氮、磷以及SS和COD的动态特征
• 2.3.1 撒施孕穗肥调水减排稻田土壤氮素动态特征
• 2.3.2 撒施孕穗肥调水减排田面水中氮素动态特征
• 2.3.3 撒施孕穗肥调水减排稻田土壤磷素动态特征
• 2.3.4 撒施孕穗肥调水减排对稻田田面水中磷素动态变化的影响
• 2.3.5 撒施孕穗肥调水减排田面水中SS和COD的动态特征
• 2.3.6 小结
• 2.4 撒施孕穗肥调水减排模拟稻田减排效能分析
• 2.4.1 撒施孕穗肥调水减排田面水中总氮浓度动态变化的数值拟合
• 2.4.2 撒施孕穗肥调水减排田面水中总磷浓度动态变化的数值拟合
• 2.4.3 撒施孕穗肥调水减排田面水中TN的减排降污效能分析
• 4⁺-N]/[TN]的动态变化'>2.4.4 撒施孕穗肥田面水中[NH₄⁺-N]/[TN]的动态变化
• 2.4.5 撒施孕穗肥调水减排田面水中TP的减排降污效能分析
• 2.4.6 撒施孕穗肥调水减排田面水中[DP]/[TP]的动态变化
• 2.4.7 撒施孕穗肥调水减排田面水中SS和COD的减排效能分析
• 2.4.8 小结
• 第五章 人工降雨条件下模拟稻田田面水中氮、磷动态特征及其调水减排技术与降污效能研究
• 1 材料与方法
• 1.1 选点
• 1.2 材料与方法
• 1.3 模拟稻田设计
• 1.4 实验方案
• 1.5 样品采集和分析
• 1.6 实验内容
• 1.6.1 土壤背景值测定
• 1.6.2 人工降雨后模拟稻田土壤和田面水中各测定指标的动态特征
• 1.6.3 模拟稻田在人工降雨条件下的田面水中氮、磷的减排效能分析
• 2 结果与分析
• 2.1 人工降雨条件下模拟稻田土壤含水量动态变化特征
• 2.2 人工降雨稻田田面水中氮、磷的动态特征
• 2.2.1 人工降雨后稻田田面水中氮素动态特征
• 2.2.2 人工降雨田面水中磷素动态特征
• 2.2.3 小结
• 2.3 人工降雨后稻田田面水中SS和COD浓度的动态特征
• 2.4 人工降雨后田面水中氮、磷的减排降污效能分析
• 2.4.1 人工降雨后田面水中TN的减排效能分析
• 2.4.2 人工降雨后田面水中磷素的减排效能分析
• 2.4.3 小结
• 2.5 人工降雨后田面水中SS和COD的减排降污效能分析
• 2.5.1 人工降雨后田面水中SS的减排降污效能分析
• 2.5.2 人工降雨田面水中COD的减排降污效能分析
• 2.5.3 小结
• 2.6 人工降雨后田面水中氮、磷的流失形态分析
• 3^--N]/[TN]的变化动态'>2.6.1 人工降雨田面水中[NO₃^--N]/[TN]的变化动态
• 2.6.2 人工降雨后田面水中[DP]/[TP]的变化动态
• 2.6.3 小结
• 2.7 本章小结
• 第六章 夏季施肥耕作后稻田氮、磷的动态特征及其固源免排技术与减排降污效能研究
• 1 材料与方法
• 1.1 选点
• 1.2 材料与方法
• 1.3 模拟稻田设计
• 1.4 实验设计
• 1.5 样品采集和分析
• 1.6 实验内容
• 1.6.1 土壤背景值测定
• 1.6.2 夏季施肥耕作后土壤和田面水中各测定指标动态特征
• 1.6.3 夏季施肥耕作后固源免排实验的减排降污效能
• 1.7 数据分析方法
• 2 数据处理与结果分析
• 2.1 夏季施肥耕作后田面水中TP环境因子灰色关联分析
• 2.1.1 灰色系统的建立
• 2.1.2 数据量纲化处理
• 2.1.3 关联度计算
• 2.1.4 小结
• 2.2 夏季施肥耕作后模拟稻田理化性质的特征
• 2.2.1 夏季施肥耕作后土壤PH值的变化动态
• 2.2.2 夏季耕作后土壤含水量的动态特征
• 2.2.3 小结
• 2.3 夏季施肥耕作后土壤和田面水中氮、磷的动态特征
• 2.3.1 夏季施肥耕作后土壤氮素的动态特征
• 2.3.2 夏季施肥耕作后田面水中氮素的动态特征
• 2.3.3 夏季施肥耕作后土壤中磷素的动态特征
• 2.3.4 夏季施肥耕作后田面水中磷素的动态特征
• 2.3.5 小结
• 2.4 夏季施肥耕作后模拟稻田的减排降污效能研究
• 2.4.1 夏季施肥耕作后田面水中总氮的减排降污效能分析
• 4⁺-N]/[TN]的动态变化'>2.4.2 夏季施肥耕作后田面水中[NH₄⁺-N]/[TN]的动态变化
• 2.4.3 田面水中总磷减排降污效能分析
• 2.4.4 田面水中[DP]/[TP]值的动态变化
• 2.4.5 田面水中SS和COD的减排效能
• 2.4.6 小结
• 第七章 结论与讨论
• 1 主要结论与讨论
• 1.1 施肥春耕控水滞排
• 1.2 尿素造型深施缓释
• 1.3 撒施孕穗肥调水减排
• 1.4 水稻黄熟期（晒田）人工降雨
• 1.5 水稻收割后夏季耕作固源免排
• 2 特色与创新
• 3 存在的问题与建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 1 攻读博士期间参加的科研课题
• 2 攻读博士期间发表的论文和著述
• 3 攻读博士期间申请专利与所获成果