農(nóng)田氮-磷的流失與水體富營養(yǎng)化(精)

1、農(nóng)田氮、磷的流失與水體富營養(yǎng)化司友斌王慎強(qiáng)陳懷滿（中國科學(xué)院南京土壤研究所南京210008摘要農(nóng)田氮、磷的流失,不僅造成化肥的利用率降低,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本上升,還對水環(huán)境造成污染,引起水體富營養(yǎng)化。本文討論了農(nóng)田氮磷流失對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)、農(nóng)田氮磷流失途徑及影響因素,提出了減少農(nóng)田氮磷流失、控制水體富營養(yǎng)化的措施。關(guān)鍵詞農(nóng)田氮素;農(nóng)田磷素;淋溶作用;水體富營養(yǎng)化肥料提供了植物生長必需的營養(yǎng)元素,對保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)起了重要的作用,但是由施肥不當(dāng)或過量施肥帶來的環(huán)境污染問題也越來越突出,其中農(nóng)田氮磷流失引起的水體富營養(yǎng)化問題目前已受到人們的普遍關(guān)注。水體富營養(yǎng)化的表現(xiàn)及形成原因水體富營養(yǎng)化通常是指湖

2、泊、水庫和海灣等封閉性或半封閉性的水體,以及某些滯留（流速1米/分鐘河流水體內(nèi)的氮、磷和碳等營養(yǎng)元素的富集,導(dǎo)致某些特征性藻類（主要是藍(lán)藻、綠藻等的異常增殖,致使水體透明度下降,溶解氧降低,水生生物隨之大批死亡,水味變得腥臭難聞。引起水體富營養(yǎng)化起關(guān)鍵作用的元素是氮和磷。研究表明,對于湖泊、水庫等封閉性水域,當(dāng)水體內(nèi)無機(jī)態(tài)總氮含量大于0.2mg/L,PO3-4-P的濃度達(dá)到0.02mg/L時(shí)，就有可能引起藻華（AlgaeBloms現(xiàn)象的發(fā)生。據(jù)對我國25個(gè)湖泊的調(diào)查,水體全氮無一例外超過了富營養(yǎng)化指標(biāo),全磷只有2個(gè)湖泊（大理洱海和新疆博斯騰湖低于0.02mg/L的臨界指標(biāo)，其余92%的湖泊皆超

3、過了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),比國際上一般標(biāo)準(zhǔn)高出10倍或10倍以上（表1。表1我國25個(gè)湖泊中的全N全P濃度（mg/L及所占比例16241.02.05.00.10.20.5湖泊數(shù)%0218413525202816641248另外,我國的22個(gè)湖泊調(diào)查表明,除1個(gè)屬貧營養(yǎng)湖外,其余63.3%的湖泊是營養(yǎng)湖。如滇池、巢湖、甘棠湖（九江、西湖、東湖、玄武湖、蘑菇湖（石河子、于橋水庫（天津等早已是富營養(yǎng)湖泊1。水體富營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷的來源主要有城鎮(zhèn)生活污水、含氮含磷的工業(yè)廢水和農(nóng)田氮磷肥。其中,農(nóng)田氮、磷的流失是引起水體富營養(yǎng)化的重要原因2,3。通訊聯(lián)系人國家自然科學(xué)重大基金資助項(xiàng)目（39790100在美國,對非點(diǎn)源

4、污染進(jìn)行了鑒別和測量,發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)是一個(gè)主要的非點(diǎn)狀污染源,農(nóng)田徑流是全國64%受到污染河流和57%受到污染湖泊的主要污染源4;瑞士雨水徑流中氮、磷含量相當(dāng)于工業(yè)廢水和城市污水中這類污染物量的總和5。我國五大淡水湖之一巢湖,從60年代始至80年代,由于湖水的富營養(yǎng)化,導(dǎo)致湖內(nèi)100多種水藻大量繁殖。巢湖目前主要受到氮、磷營養(yǎng)鹽與有機(jī)物的污染,總氮、總磷嚴(yán)重超標(biāo)。1997年巢湖西半湖水體總氮、總磷分別為4.14mg/L和0.310mg/L,分別超過III類水標(biāo)準(zhǔn)3.14倍和5.2倍，劣于V類水標(biāo)準(zhǔn)。造成巢湖嚴(yán)重污染的原因,除了沿湖城市排放的大量工業(yè)廢水和生活污水,與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染量越來越大有很大關(guān)系

5、。巢湖沿湖四周均是農(nóng)田,是安徽省的重要產(chǎn)糧區(qū)。近年來,農(nóng)民施用化肥量平均每公頃1200kg,比10年前增加8倍,因肥料結(jié)構(gòu)和施肥方法不當(dāng)造成化肥大量流失,成為巢湖水質(zhì)總氮、總磷超標(biāo)的重要原因7。我國第三大淡水湖太湖,目前97%面積的水體已呈中富營養(yǎng)化狀態(tài)。富營養(yǎng)化使太湖近幾年大面積爆發(fā)藍(lán)藻,數(shù)次大規(guī)模地影響到自來水廠取水。太湖水富營養(yǎng)化主要由沿湖的工農(nóng)業(yè)排污引起。據(jù)研究,進(jìn)入太湖的污染物中,總氮排放量最多的是太湖流域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染,總磷排放量最多的是來自城鎮(zhèn)居民。蘇南太湖流域是我國農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,農(nóng)業(yè)集約化程度較高,是高投入、高產(chǎn)出區(qū),全區(qū)面積僅占全國的0.4%,而化肥消費(fèi)量占全國的1

6、.3%8。過量施肥、施肥結(jié)構(gòu)不合理、農(nóng)田排水直接進(jìn)入河流等一系列因素,加劇了水體富營養(yǎng)。由水體富營養(yǎng)化引起的水質(zhì)惡化、水源緊缺、生態(tài)環(huán)境破壞,嚴(yán)重制約著國民經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)發(fā)展。因此,減少農(nóng)田氮磷流失,控制水環(huán)境污染成為世界各國學(xué)者所面臨的最重要研究課題之一。農(nóng)田氮、磷流失對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)2.1農(nóng)田氮素的流失各種形態(tài)的氮肥施入土壤后，在微生物作用下，通過硝化作用形成N0-3-N,因土壤膠體對N0-3的吸附甚微，易于遭雨水或灌溉水淋洗而進(jìn)入地下水或通過徑流、侵蝕等匯入地表水，對水源造成污染;土壤顆粒和土壤膠體對NH+4具有很強(qiáng)的吸附作用，使得大部分的可交換態(tài)銨得以保存在土壤中，但是，當(dāng)土壤對N

7、H+4的吸附量達(dá)到最大值時(shí)，亦即土壤對NH+4的吸附達(dá)到飽和時(shí),在入滲水流的作用下NH+4還是可能被淋失出土體。在土壤作物系統(tǒng)中，氮素的作物利用率僅為2035%，大部分被土壤吸附，逐漸供作物吸收利用，有510%揮發(fā)到大氣中。隨降水徑流和滲漏排出農(nóng)田的氮素中有2025%是當(dāng)季施用的氮素化肥9。就地表水（湖泊等硝態(tài)氮的污染而論，氮素化肥占了50%以上10。研究表明，瑞典西海岸的拉霍爾姆灣，由河流輸運(yùn)的氮60%來自農(nóng)業(yè)，瑞典最南端的謝夫靈厄流域，來自農(nóng)業(yè)的氮占此流域總輸入氮量的8487%11。我國蘇南太湖流域,農(nóng)業(yè)面源氮素對地表水的污染負(fù)荷量高達(dá)2.55xl04t/a，占氮素化肥施用量的16.8%1

8、2。2.2農(nóng)田磷素的流失磷肥施到土壤后易被固定，應(yīng)用32P示蹤研究石灰性土壤磷素的形態(tài)及有效性表明，水溶性磷肥施入土壤后,有效性隨時(shí)間的延長而降低,在兩個(gè)月內(nèi)有2/3變成不可提取態(tài)磷(Olsen法,其主要形態(tài)是Ca8-P、Al-P、Fe-P型磷酸鹽13。磷在土壤中擴(kuò)散移動(dòng)極弱,H2PO4-離子在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)為0.00050.001cm2S-1x10-5，相當(dāng)于NO-3離子擴(kuò)散系數(shù)的千萬分之一或萬分之一。磷在土壤中遷移一般主要集中在表土層,較難穿透較厚的土層14,15。據(jù)英國洛桑試驗(yàn)站進(jìn)行的100多年的研究結(jié)果表明:磷的移動(dòng)每年不超過0.10.5mm,它只能從施肥點(diǎn)向外移動(dòng)13cm的距離16

9、。作物對磷肥的利用率很低,通常情況下當(dāng)季作物只有515%,加上后效一般也不超過25%,所以約占施肥總量7590%的磷滯留在土壤中17。長期而過量地施用磷肥,常導(dǎo)致農(nóng)田耕層土壤處于富磷狀態(tài),從而可通過徑流等途徑加速磷向水體遷移的速度18。據(jù)估計(jì)全世界每年大約有300400萬噸P2O5從土壤遷移到水體中19，美國每年由化肥和土壤進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)的磷達(dá)0.45億公斤左右20,日本水田磷的排出負(fù)荷量為0.38.4kg/(hm2a21,我國廣東東江流域農(nóng)田的磷素流失量為1.16kg/(hm2a22,四川涪陵地區(qū)農(nóng)田磷流失量為1.17kg/(hm2a23,陜西黃土高原侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)府谷縣、米脂縣農(nóng)田中磷流

10、失量分別為9.9kg/(hm2a和8.7kg/(hm2a24。張水銘等采用封閉體系和磷素平衡法對農(nóng)田排水磷負(fù)荷量進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，在雨水較豐富的1987年蘇南太湖地區(qū)排出磷負(fù)荷總量440t/a，平均耕地排出537g/(hm2a，在旱地排水中固體物質(zhì)的含磷量占總磷量的78.7%25。農(nóng)田氮、磷流失的途徑氮、磷肥料等通常通過農(nóng)田排水和地表徑流的方式進(jìn)入地表水體造成污染。美國對連續(xù)5年的小麥田排水中氮的流失觀察表明:每公頃施用48.8kg、96kg和144kg氮,在生長旺季排水中的氮量分別是不施肥的4.8、9.6、12.7倍;甚至在冬季休閑時(shí),也是不施肥的1.071.62倍26。在我國北方地區(qū)引水漫灌

11、仍很普遍,從而使得灌田區(qū)回水?dāng)y帶著農(nóng)田中氮、磷進(jìn)入地表水體。例如吳岳在寧夏青銅峽縣的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),以漫灌方式在春季灌頭水以后和初冬灌冬水時(shí),硝態(tài)氮大量隨田間滲濾水排出,經(jīng)計(jì)算排出的氮量占施肥量的1/3以上,磷占58.7%27。天然降水和不適當(dāng)?shù)墓喔刃纬傻牡乇韽搅?將農(nóng)田氮素、農(nóng)田磷素轉(zhuǎn)移帶入到地表水體中,造成土壤氮、磷的大量損失。地表徑流引起的氮、磷損失分為兩種,一是土壤全氮（沉積氮、全磷（沉積磷的損失,二是土壤可溶性氮（溶解氮、可溶性磷（溶解磷的損失。研究表明,美國因地表徑流損失的農(nóng)田氮素每年為450萬噸,前蘇聯(lián)因地表徑流造成土壤全氮損失每年達(dá)300萬噸,溶解氮損失每年達(dá)46萬噸5。我國全年流

12、失土壤達(dá)50億噸,帶走的氮、磷、鉀等養(yǎng)分約相當(dāng)于全國一年的化肥施用總量28。據(jù)張夫道研究29,1979年京津地區(qū)排污流入渤海的銨態(tài)氮為8720t，五氧化二磷638t，因化肥流失進(jìn)入渤海的氮為8000t，與污水氮接近。19881989年西湖流域非點(diǎn)源調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),對入湖口河流水質(zhì)影響的非點(diǎn)源中,氮、磷的單位面積負(fù)荷均以水田最高，旱田次之。水田面積僅占整個(gè)流域面積的3.9%，但產(chǎn)生氮負(fù)荷量卻占16%（5.94t/km2a,磷負(fù)荷量占17.5%（0.45t/km2a30。在湖泊富營養(yǎng)化中，肥料（包括有機(jī)肥通過地表徑流進(jìn)入湖水中的氮占入湖總氮量的10%左右;由肥料流失的磷占入湖總磷量的410%，其中有

13、機(jī)肥占37%，化肥占13%31。影響農(nóng)田氮、磷流失的因素農(nóng)田氮、磷的損失程度取決于當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r（降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間和降雨分布、施肥狀況（種類、時(shí)間、數(shù)量、地形地貌特點(diǎn)、植被覆蓋條件、土壤條件和人為管理措施等多種因素。農(nóng)田氮、磷流失量與徑流量、以及降雨對地表的侵蝕能力成正相關(guān)，氮、磷輸出速率基本上隨降雨徑流過程呈遞減變化，變化曲線呈偏態(tài)分布，但氮、磷累積輸出量基本呈線性上升趨勢（圖1、圖21994-3010ChinaAcAkoiicJuumaiEtecLnMucPdbliilimgHoiik.Allriiglil：rAervcd.tiitpbi圖1天然降雨徑流氮輸出濃度曲線32圖2天然降雨徑流

14、磷輸出濃度曲線32降雨條件和施肥狀況對農(nóng)田氮肥的徑流損失有很大的影響,施肥后15天內(nèi)發(fā)生降雨12.8cm所引起的農(nóng)田氮素的損失量幾乎占施入氮肥1020%,而且與肥料的種類有關(guān),例如尿素的地表徑流損失在相似條件下比硝酸銨形態(tài)的氮要少一半33。表2不同土壤和施肥量對氮素淋溶和徑流流失的影響34土壤施氮量（kg/hm2氮淋溶徑流流失氮總量（kg/hm2其中肥料（總量（kg/hm2其中肥料（砂壤土8016045023.143.276.516.318.130.2110.2135.7312.528.349.364.7壤土8016045024.316.821.093.2145.0361.033.344.46

15、8.4耕地上氮的損失量與施氮量密切相關(guān),每增施1kg/hm2的氮素,通過徑流損失的氮即增加0.560.72kg/hm2,其中肥料氮流失所占比重也隨施氮量而增加,即每增施1kg/hm2的氮素,肥料氮的流失增加0.0860.091%。土壤氮淋溶量與施肥量呈近似直線的正相關(guān)（r=0.9847,Y=16.222+0.136X（表2。張水銘等研究蘇南太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)面源磷的污染表明,農(nóng)田排水中的磷濃度與磷肥用量和施用方法有密切關(guān)系,農(nóng)田排出水和滲漏水的全磷濃度及土壤速效磷含量與磷肥用量呈極顯著正相關(guān),稻田施磷量愈多,水體中磷的污染也愈嚴(yán)重;在稻麥兩熟制中,水稻施磷在排水中的磷濃度顯然高于小麥?zhǔn)┩苛追实奶幚?/p>

16、25。土壤氮、磷淋溶量還與土壤性質(zhì)有關(guān),如土壤氮淋溶量與土壤粘粒（16“m含量呈負(fù)相關(guān)的對數(shù)關(guān)系（Y=113.21-27.6231nXR2=0.997617。鄔倫等的研究表明,土壤氮、磷流失量與植被、地形條件有很大關(guān)系,一般盆地大于丘陵,丘陵大于山地;在丘陵、山地中,以中等坡度（20C左右氮、磷流失量最大32?？刂妻r(nóng)田氮磷流失的措施和方法經(jīng)濟(jì)合理施肥,嚴(yán)防過量施肥應(yīng)根據(jù)作物種類、需肥習(xí)性和現(xiàn)狀水平,結(jié)合土壤肥力特點(diǎn),做到適時(shí)適量、科學(xué)合理施肥。土壤專家給出了本地區(qū)作物施肥量,生產(chǎn)中要嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)施肥。改進(jìn)施肥方法,提高肥料利用率農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中肥料利用率的高低是決定農(nóng)田氮、磷流失量的一個(gè)重要因素。

17、提高肥料利用率,不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益,而且可以減輕對水環(huán)境的污染。具體措施:(1氮肥:按作物生育期需要分次施用,深施,施用緩效氮肥。同時(shí),使用硝化抑制劑、脲酶抑制劑對降低土壤中N0-3-N的含量都有較好的效果。(2磷肥:集中施于農(nóng)作物根系主要分布層;與有機(jī)肥混合施用?？偟脑瓌t是減少土壤固定,提高磷肥的利用率。(3重視鉀肥投入,大力推廣優(yōu)化配方施肥。缺鉀限制了氮素、磷素利用率的提高。多施鉀肥和復(fù)合肥使投肥結(jié)構(gòu)合理化,提高肥料利用率。加強(qiáng)水肥管理,實(shí)施控水灌溉減少田面水的排出是降低農(nóng)田氮、磷流失的關(guān)鍵。大水漫灌、田埂滲漏使氮磷肥料還沒有來得及被作物吸收或被土壤固定就被水沖跑了,使灌溉回歸水中溶有大

18、量化肥等物質(zhì),污染了地表水,惡化了水質(zhì)。通過加強(qiáng)田間水漿管理,采用淺水勤灌,干濕交替,減少排水量,可有效地降低農(nóng)田氮、磷排出負(fù)荷。采用適宜的土地利用方式,防止土壤溶出和侵蝕。從宏觀角度看,農(nóng)業(yè)面源污染主要來源于土壤的溶出和侵蝕。科學(xué)地進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地區(qū)劃,采用適宜的土地利用方式是控制農(nóng)業(yè)面源污染的首要環(huán)節(jié)。如從環(huán)境角度考慮,將不宜植稻區(qū)改植旱作,可大大減少土壤氮、磷損失。在一些面源污染的敏感區(qū)推行合理的輪作制度,則農(nóng)業(yè)面源污染可大為減輕。另外少耕或免耕、丘陵地區(qū)營造梯田、保持良好植被等措施均應(yīng)大力推廣。人工濕地在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的應(yīng)用由漂浮植物池、沉水植物池、挺水植物池以及草濾帶組成的人工濕地,

19、對氮、磷、泥砂以及有機(jī)物有較好的吸收、吸附以及物理沉降作用,可以控制農(nóng)田徑流污染,具有工藝簡潔,運(yùn)行管理方便,生態(tài)效益顯著,投資少等優(yōu)點(diǎn),是控制農(nóng)業(yè)面源污染的實(shí)用工程技術(shù)35,36,37。種植香根草籬,減少泥砂入水香根草技術(shù)(VGT在水土保持、擴(kuò)坡護(hù)堤、擴(kuò)路工程、污染的植物修復(fù)等方面有可能成為21世紀(jì)世界范圍的領(lǐng)先技術(shù)38,在湖泊和河流的坡、岸周圍種植香根草籬，利用VGT技術(shù)可減少90%的土壤流失，減少70%的雨水徑流。參考文獻(xiàn)金相燦等.中國湖泊富營養(yǎng)化.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992DagO.Hessenetal.氮流失對淡水和海洋受體富營養(yǎng)化的重要意義.AMBIO人類環(huán)境雜志.1997

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