江漢平原集約農區水體氮通量分析

摘要：2009年在江漢平原典型集約農區——荊州市岑河鎮廟興村進行了為期1年的外場試驗。通過對區域內水樣進行氮素含量分析，定量估計了該區域地表水氮輸入量及氮沉降量，并探求其氮通量變化。結果表明，該區域地表水及雨水氮素含量變化與雨季、農業生產施肥有一定時間同步性。地表水氮通量降雨時變化幅度較大，水體氮素輸入量分別為總氮86.92 kg/hm2，氨氮21.03 kg/hm2，硝酸鹽氮27.19 kg/hm2，亞硝酸鹽氮1.93 kg/hm2；多雨期氮沉降通量變化幅度較大，氮沉降量分別為總氮17.17 kg/hm2，氨氮8.09 kg/hm2，硝酸鹽氮6.99 kg/hm2，分別占該區域水體相應氮素輸入量的19.8%、38.5%、25.7% 。

關鍵詞：江漢平原；集約農區；水體；氮通量分析

中圖分類號：X502 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）19-4611-04

環境中過量存在的氮已經成為世界普遍關注的一個環境問題。在我國典型的平原區域，如太湖流域、洞庭-江漢平原、珠江三角洲地區、東北三江平原等地，農業集約化水平越來越高，已成為世界上農業氮使用量最大和受氮污染最嚴重的地區之一[1]。這一現狀嚴重威脅到該地區的人畜飲水安全與健康，降低了農產品的食品安全水平與質量，破壞了土地的健康并降低其生產性能，危及生物多樣性水平，是直接威脅我國內陸核心農業商品生產基地存在和持續發展的大問題[2，3]。進入水體中的溶解態氮污染形態包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和一些可溶性有機氮，這些不斷增加的活性氮與土地的過度使用、有機和無機氮肥的施用[4]、動物糞便、人類生活廢物的排放以及大氣中含氮物的沉降[5]有關。研究表明，江漢平原作為我國典型農業集約區，由于農田長時期過量施用含氮化肥，農區人畜糞便和生活污水隨意排放，導致了區域內水體氮素含量超標，水環境質量受到嚴重影響[6]。本研究選擇江漢平原內小尺度集約農區作為試驗區域，在2009年1～12月進行了區域內水體氮素的全面監測，并結合該區域內雨水氮素檢測數據和雨量資料，定量估算了該區域水體氮通量變化，為集約農區氮素動態變化規律研究及開展合理調控提供科學依據。

1 試驗區概況

本研究選擇湖北荊州市沙市區岑河鎮廟興村作為試驗區。該區屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，降水豐沛，年降水量900～1 100 mm，5～9月的降雨量占全年的50%以上，且多暴雨，多年平均氣溫為16 ℃左右。

試驗區位于長江一級階地，長江在其西邊8 km處自北向南流過，區內北側為西干渠，東側為南北渠，南側為化港河。區內溝渠呈不規則網格狀分布。區內地形平坦，地面高程30 m左右，最低處29.720 m，最高處34.368 m，高差4.648 m，長江沿岸地面略高，地形自江邊向平原內微微傾斜，自南向北呈逐漸降低的趨勢。試驗區內地貌形態以人工改造農田為特征，田塊大小不等，田塊之間以田坎相連接，坎高一般在0.5～1.2 m不等。區內溝渠較多，南北向的有一、二、三、四渠，其中二渠縱貫南北，東西向的有主灌渠、橫灌渠和溝排渠等。這些溝渠寬20～50 m不等，深度一般都超過2 m，其他還有與之相配套的小溝，基本形成區內的排灌網絡。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

根據區域水系特點、不同農業生產方式和景觀類型、氮肥施用、含氮污染物排放情況，按地勢高低、溝渠水流走向和村落位置，將試驗區劃分為作物旱作區、蔬菜旱作區、水旱輪作區、水田區、生活區和養殖區6個子區域類型。

從試驗區內溪流源頭至溝渠出口，在各子區域設立溝渠地表水監測點，共計14個。其中，在作物旱作區、蔬菜旱作區、水旱輪作區、水田區的進水口、排水口設置溝渠地表水采樣點8個，在生活區、養殖區，根據村落布局，設置溝渠地表水采樣點6個。

2.2 水樣采集與測試方法

按照水體野外取樣的方法，每月在各采樣點水面下0.1～0.5 m深處取樣1次，密閉保存帶回實驗室分析水樣中總氮、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮含量等指標，在農田耕植、雨季、收獲等特殊時間每天采樣，并在1 d內選取代表時段多次采樣。此外，針對1次連續降雨過程，全程采集區域內雨水水樣并分析各氮素指標含量。

總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012），氨氮測定采用納氏試劑比色法（GB 7479-1987），硝酸鹽氮測定采用紫外分光光度法（SL 84-1994），亞硝酸鹽氮測定采用分光光度法（GB 7493-1987）。

氮素檢測結果以《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）作為分級評價依據。

2.3 水體氮通量計算及氮沉降通量計算方法

3 結果與分析

3.1 試驗區水體及降雨氮素含量分析

通過調查荊州市城區降雨量資料，得到2009年試驗區月降雨量情況（圖5）。由圖5可知，受亞熱帶季風氣候的影響，試驗區內降雨總體規律表現為農業生產季節降水較多，非農業生產季節降水較少，降水集中在4～6月，6月降雨達到最大值，7～9月雖然溫度高，水氣蒸發作用強，但空氣對流作用并不明顯，大氣中缺少形成降雨的凝結核，降雨相對較少。

在試驗區內對降雨頻繁的4～6月降雨量數據進行了統計，并選取農田集中施肥期內具有代表性的2009年5月31日降雨全過程進行了時段雨量監測和氮素測定，具體結果見表1。

根據時段降雨量與氮素含量關系及月降雨量數據，可估算2009年試驗區全年雨水氮素含量隨時間的變化關系（圖6）。圖6結果表明，試驗區內雨水的氮素含量隨時間表現出顯著的變化特征，其與雨季、農業生產施肥有一定時間同步性。即春夏季雨水較多，農業氮肥施用集中，雨水中氮素含量相對較高，5～6月由于農田氮肥施用頻繁且量大，溫度較高，氮揮發作用較強，因此雨水中氮素含量達到峰值；秋冬季屬非農業生產季節，雨量較小且雨水中氮素含量相對較低。

3.2 試驗區地表水氮通量分析

通過對圖8和圖9進行比較分析，可得出試驗區地表水氮通量變化與降雨有一定關系。試驗區地表水氮通量降雨時較大且變化幅度也較大。

3.3 試驗區氮沉降通量分析

4 結論

參考文獻：

[1] 黃云鳳，張路平，洪華生，等.小流域氮流失特征及其影響因素[J].水利學報，2006，37（7）：802-812.

[2] 陳荷生，華瑤青.太湖流域非點源污染控制和治理的思考[J].水資源保護，2004，20（1）：33-36.

[3] 馬立珊.蘇南太湖水系農業非點源氮污染及其控制對策研究[J].應用生態學報，1992，3（4）：346-354.

[4] 張文淵.水環境中的氮污染特征與影響因素[J].黑龍江環境通報，2000，24（1）：27-28.

[5] VITOUSEK P M， ABER J D， HOWARTH R W， et al. Human alteration of the global nitrogen cycle： sources and consequences[J]. Ecology Application，1997，7（3）：737-750.

[6] 沈善敏.氮肥在中國農業發展中的貢獻和農業中氮的損失[J].土壤學報，2002，39（增刊）：12-25.

[7] 王體健，周 靜，樊建凌，等.江西紅壤地區農田生態系統大氣氮沉降通量的研究[J].土壤學報，2008，45（2）：280-285.

[8] 胡春勝，董文旭，張玉銘，等.華北山前平原農田生態系統氮通量與調控[J].中國生態農業學報，2011，19（5）：998-1002.