基于氮素遷移規律的農業非點源污染與防治研究

周志才

摘要：為探究農業非點源污染的遷移規律，針對性地提出農業非點源污染防治措施，文章選擇太湖西側的梅林實驗流域為研究區，以氮素為代表性研究對象，開展多場次降雨徑流觀測實驗，從單峰型、多峰型徑流過程及徑流峰值前、中、后各時段進行分析，借助相關系數分析非點源氮素污染遷移與降雨徑流深的內在聯系。結果表明：無機氮流失占研究區氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現明顯的正相關關系，相關系數R均為0.95左右。研究區農業非點源氮素污染防治可從徑流產生量削減、匯流過程吸收固氮、生物有機肥替代氮肥等方面采取措施。

關鍵詞：農業非點源污染；觀測實驗；遷移規律；相關性分析；污染防治

中圖分類號：X171.1 文獻標志碼：B

前言

海綿城市建設推進有效削減了城鎮非點源污染，農業非點源污染對水環境質量影響的權重不斷增大，逐步成為水污染防治的重點。農業活動中超頻超量施用氮肥易造成氮素流失，遷移進入水體引起富營養化。水資源公報數據顯示：2001年-2018年間富營養湖泊占70.6%，富營養水庫占31.6%，太湖流域的氮素污染物40%-70%來自農業非點源污染。

Hve-Suk等基于HSPF模型研究暹羅壩流域氮磷污染負荷變化，發現氮磷負荷變化在農業用地中最為顯著；夏軍等分析國內外水環境污染物質來源發現農業非點源污染分布最廣泛，對水環境影響最大；劉鵬在SWAT模型中模擬多樣施肥場景，探索滇池流域氮、磷污染負荷與肥料施用量的關系，為滇池流域科學施肥及農業非點源污染防治提供了指引；王艷分析河套灌區農田退水污染特征并估算非點源污染負荷，發現農田非點源TN、TP輸出負荷占總量的79.67%和89.20%。

國內氮素遷移轉化研究以機理分析和大尺度模型模擬為多數，探索單一區域內氮素遷移轉化規律為其次，設計小尺度場地實驗探索復合農業用地影響下氮素遷移流失過程和規律的研究較少，文章以復合農業用地梅林小流域為研究區，探究不同峰型徑流過程及不同徑流時段非點源氮素遷移流失規律，以期為復合農業區域非點源污染的削減與治理提供參考。

1 研究區及實驗設計概況

1.1 研究區概況

研究區坐標為東經119°51＇，北緯31°20＇，位于宜興市滄浦村，流域面積約56.Shm2，屬低山丘陵區。研究區以農林用地為主，農業種植用地占比約78.2%，其它用地包括：林地11.7%、草地6%、水塘2.5%、居住用地1.6%。流域降水豐沛，多年平均年降雨天數約為137天，年均降雨量1198mm，最大降雨量1738mm。降水年內分布不均，一般集中在6-9月，汛期雨量約為584mm，約占全年降雨量50%。

1.2 水文觀測實驗簡介

基于研究區用地類型分布，劃分了板栗地試驗區、旱地試驗區、菜地試驗區等5個試驗觀測區，在各試驗區出流處設置了導流槽和徑流收集池，在研究區徑流出口設置了自動氣象站和水樣采集池，用于采集研究區氣象數據、流量和污染物濃度數據。

實驗水樣的采集與降雨同步進行，每次取樣前記錄水池內水深，并取雨水樣作為本底值。水樣H降雨開始采集，前六個樣10分鐘取一次，后隔半小時取一次，一般取滿20個樣，根據需要可臨時增加取樣數。一次完整降雨過程結束后，排空采樣池積水，并稱取沙重。

2 次降雨產流特征分析

次降雨徑流過程指單次降雨事件中與之對應的徑流量產生和變化的過程，通常以次降雨徑流曲線表示。丘陵地區氮素的流失往往以徑流為載體，隨著水土流失過程進行遷移轉化，易受流域產流機制影響。文章選取研究區觀測的5場強度較大的代表性降雨事件，逐一繪制每次降雨徑流曲線，分析研究區產流機制及特征。（見表1）

如圖1所示5場降雨徑流變化情況可以得出研究區以下三點產流特征：

（1）從a、b可以看出雨強較大時，徑流過程表現為陡張緩落，退水曲線有明顯拐點，說明退水時流速較大的地表徑流先從流域出口斷面通過，之后壤中流緩慢流過流域出口斷面，此時產流過程與超滲產流機制相對應。

（2）從c、d、e可以看出雨強較大情況下，若前日無降雨，土壤含水量未達飽和，一部分雨量下滲，降雨初期徑流過程隨降雨過程變化不顯著；若前日有降雨產生徑流，土壤含水量處于較高水平，則徑流量隨降雨過程有明顯的增加。

（3）從d可以看出在連續性低強度降雨后，下滲水量能夠使包氣帶缺水量得到滿足，流量過程線呈矮胖且較為對稱狀，漲水慢、退水也慢。此時地下徑流所占比例較大，流域產流過程與蓄滿產流機制相對應。

經降雨徑流過程分析，研究區產流機制主要有蓄滿產流和超滲產流，徑流成分主要由地表徑流、壤中流與地下徑流組成。文章選取觀測的典型降雨事件雨量和雨強均較大，超滲產流特征較為顯著，下文著重對超滲產流機制下氮素遷移規律及影響要素展開分析研究。

3 產污特征分析

基于國內相關研究主要結論，農業氮素非點源污染的主要形態為無機氮，因此文章主要分析討論氮素在NH4+-N和NO4--N兩種形式下的遷移轉化規律，根據出口斷面的流量水質同步監測資料，選取代表性次降雨徑流過程繪制TN、NH4+-N、NO3--N隨時間的變化過程線展開分析。

3.1 單峰型徑流過程氮素遷移規律

如圖2所示，190712次降雨和190901次降雨的徑流過程線均為單峰型，圖2繪制了190712次降雨徑流峰值過程的氮素變化過程線和190901次降雨徑流峰值24h后的氮素變化過程線。

（1）190712次降雨徑流過程中，TN、NH4+-N、NO3--N三者變化趨勢大致相同，各污染物濃度均存在初期陡漲陡落的變化，隨后在流域出口的流量起漲過程中迅速形成污染峰，峰后污染物濃度緩慢降低趨于平穩。進一步分析可知，降雨前地表聚積了各種形態的污染物質，在產生徑流初期，地表徑流對氮素的沖刷和侵蝕作用占主導，因此地表各類污染物有條件產生大量的輸出濃度，迅速聚集出污染物濃度高值。

（2）徑流初期NH4+-N濃度顯著高于NO3--N，分析認為主要是因為土壤帶負電，土壤顆粒與土壤膠體對NH4+-N有很強的吸附作用，在降雨沖刷侵蝕下進入地表徑流中，初期徑流匯流時間短，降雨的浸提作用不明顯。隨著徑流過程持續，沖刷進入徑流的土壤顆粒減少，降雨的浸提作用逐步占據主導，徑流中NO3--N濃度反超NH4+-N濃度；徑流后期降雨的浸提作用和稀釋作用共同影響，致使物質濃度呈鋸齒形變化。

（3）190901次降雨徑流峰值24h后的徑流過程中，隨著源頭污染物質的削減和降雨的稀釋作用，TN、NH4+-N、NO3--N的濃度變化趨勢基本一致，均隨著流量減小緩慢下降，數值變化幅度進一步束窄。

3.2 多峰型徑流過程氮素遷移規律

如圖3所示190617次和190809次降雨徑流峰值過程的氮素變化過程線，兩場降雨的徑流過程均形成了不少于兩個峰值，190617次降雨徑流過程次級峰值在前最大峰值在后，190809次降雨徑流過程最大峰值在前次級峰值在后，基于兩場降雨徑流監測數據探索氮素變化與多峰型徑流過程的關系。

（1）在多峰型徑流過程中，TN、NH4+-N、NO3--N的濃度變化規律與單峰型徑流過程較為相似，趨勢大致相同，各污染物濃度均存在初期陡漲陡落的變化，隨后在流域出口的流量起漲過程中迅速形成污染峰，峰后污染物濃度緩慢降低趨于平穩。

（2）進一步觀察可知，NH4+-N濃度在初期陡漲陡落后，隨著流量的起漲而迅速上漲，一般在出口斷面流量形成第一次峰值前后達到污染濃度峰值，隨后下降并趨于平穩，數值在0.5mg/L上下，與隨后的徑流峰值相關性不明顯；NO3--N濃度變化隨著流量的起漲而上升，一般在最大峰值前后污染濃度峰值。TN的濃度變化主要受NH4+-N和NO3--N濃度變化影響，徑流后期受降雨的浸提作用和稀釋作用共同影響，與流量變化的響應關系更為復雜，波動變化更為頻繁。

3.3 氮素流失與地表徑流深相關性分析

參照國內相關研究結果，區域氮素流失的主要影響因素包括地表徑流深、坡度、土壤類型、植被覆蓋度等，受限于實驗內容和數據，文章就觀測時段氮素流失量與地表徑流深的相關性展開分析。

如表2、圖4所示，無機氮流失占研究區氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現明顯的正相關關系，相關系數R均為0.95左右，判定系數R2均超過0.90，進而認為降雨徑流是非點源氮素污染的直接影響因素；圖中NO3--N與地表徑流深的相關系數略大于NH4+-N，分析可能受水環境溶解條件及離子電荷不同的影響，有待進一步研究論證。

4 結論

在超滲產流機制下，TN、NH4+-N、NO3--N濃度隨徑流量變化趨勢相近，均隨出口斷面流量起漲迅速形成污染峰，峰后受降雨浸提作用和稀釋作用共同影響呈鋸齒狀降低并趨平穩；無機氮流失是研究區氮素流失的主體，其中NO3--N流失量顯著大于NH4+-N；降雨徑流是非點源氮素污染的直接影響因素，TN、NH4+-N、NO3--N的流失量與地表徑流深均呈現明顯的正相關關系，相關系數R均為0.95左右，判定系數R2均超過0.90；研究區可采取選種截留滯留效果突出的農產品削減源頭徑流產生量、建設生態排水溝加強匯流過程滯蓄固氮能力、以生物有機肥替代氮肥降低氮素含量等措施綜合提升農業非點源污染防治工作。

科研人員首次“定格”電子在液態水中的阿秒級運動

美國和德國科研團隊在實驗中首次拍攝了液態水中電子實時運動的“定格幀”。該研究提供了一個窗口，使科學家能在以前用X射線無法企及的時間尺度上了解液體中分子的電子結構，標志著實驗物理學的重大進步。相關研究發表在《科學》上。

這項研究是通過美國直線加速器相干光源（LCLS）的同步阿秒X射線脈沖對而實現的。此前，輻射化學家只能在皮秒（等于一百萬阿秒）的時間尺度上解析電子運動?，F在，在阿秒尺度上研究X射線擊中目標的電子反應的能力使科研人員能夠深入研究輻射引發的化學反應，比以前的方法快100萬倍。研究中開發的技術，即液體中的全X射線阿秒瞬時吸收光譜，使他們能在原子核移動之前，在電子進入激發狀態時“觀察”由X射線激發的電子。

這項研究建立在阿秒物理學這一新學科的基礎上，揭示了物質受到X射線照射時的瞬時電子變化，不僅加深了科學家對輻射誘導化學的理解，還標志著阿秒科學新紀元的開始。

本文摘自國外相關研究報道，文章內容不代表本網站觀點和立場，僅供參考。

來源：中華人民共和國科學技術部網站

https：//www.most.gov.cn／gnkjdt/202403/t20240314_189968.html