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中国太湖地区农田排水和地下水氮，磷浓度季节变化
Xiaomin Chen·Fei Wo·Can Chen·Kun Fang
Received: 1 October 2008 / Accepted: 18 August 2009 / Published online: 16 September 2009
copy; Springer Science Business Media B.V. 2009
摘要：为了减少灌溉农业对环境的有害影响，对替代灌溉水管理实践的评估至关重要。总共2年来，确定了太湖地区（宜兴，王庄，新庄）典型农村水生植物的磷，硝态氮和铵态氮。结果表明，雨季氮磷浓度高于其他月份。农田排水中铵态氮浓度高于硝态氮。硝态氮和硝态氮是农村地下水主要污染源。然而，铵态氮污染比硝态氮差。宜兴和王庄的氮铵年平均值分别为1.596和2.103 mg L -1;最大值分别为5.782和5.441 mg L -1，超过V类水质下限10倍。新庄地下水硝酸氮浓度从5月份的9月份超过了极限值（10 mg L - 1）世界卫生组织规定的饮用水。因此，这种地下水不适合饮用。在太湖，二年来磷的年龄浓度为0.492 mg L -1，由于磷积累的趋势，太湖污染较其他农田排水要差。另外，太湖中硝酸盐氮铵和氮铵的平均浓度分别为2.152和2.885 mg L -1，表明太湖中的水分处于富营养化的危险之中。由于铵态氮转化为硝态氮，农田排水中氮铵浓度与地下水硝态氮之间存在着联系。农田排水和浅层地下水中铵态氮浓度呈显着正线性相关。
关键词 太湖地区 氮和磷 农村水环境
介绍
过度使用化肥和农药农业造成农业非点源污染。 一些研究表明，农业非点源污染是河流和湖泊富营养化的主要原因，降低了水生环境（Corwin和Wagenet 1996; Gao et al。2005）。 在欧洲发达国家，农田排水氮磷负荷率为24-71％（高和张1999）。 在美国，污染总量的三分之二来自非点源，约75％的非点源污染来自农业（Quan and Yan，2002）。 负荷率（占总污染物的百分比）单一污染物 荷兰农田排水氮磷的Vighi和Chiaudani 1987）分别为50％〜60％（Boers 1996）。 英国和威尔士128个湖泊中的磷含量已经超过0.1 mg L -1（Sims et al。1998）
近期，中国农业非点源污染严重。中科院研究表明，131个中国主要湖泊中有67个具有情景富营养化。农业非点源氮和磷的负荷比例非常高（Wang and Liang，2002）。华北平原亚硝酸盐氮的地下水污染由于污水灌溉和肥料过度使用而非常严重（Hu 2003）。在太湖地区的水体中，农业非点源是主要污染源（Quan and Yan，2002）。自1998年实施“零行动”以来，太湖地区工业废物排放量得到有效控制。但是，2000年7月以前，太湖水质没有得到改善，海藻出现，是八十年代以来最严重的。这表明农业非点源污染是太湖富营养化的主要原因（Chen et al。2003）。 20世纪80年代初，太湖的富营养化被归类为“中等”。此后，其水质每十年下降一个水平（Qin et al。2002）。目前，太湖排水区70％的河流湖泊被列为污染物。其中约80％的水质比中国农田排水环境质量标准规定的三类水质要差（Lu et al。2008）。太湖水被认为是富营养化的（Liu et al.2003）。在太湖地区，铵氮和总磷是主要污染物，其中57％的氮铵和39％的磷总量来自农田排水（胡2003）。
农业非点污染过程的各种途径和机制尚不清楚（Mao et al。2003），许多模型用于估算氮磷磷素的非点源污染（Xu and Zhang 2006）。农田排水中的氮可以被植物吸收，也可以在田间水生体中被粘土颗粒结合，从而可以对水进行去污染（Yuan et al。2004）。熊（2002），俞等（2003）研究了太湖地区不同水域的磷氮动力学特征。不同领域水体中磷，氮的数据将用于指导水环境保护和农业非点源污染防治工作。然而，大多数关于磷和氮的研究一直侧重于农业高地土壤（Bowden et al。，1992; Ueda et al。1993），稻田信息稀疏（Minami and Fukushi 1984; Minami and Ohsawa 1990; Hasegawa et al。2000），对于水田水生环境尤其罕见（长谷川等，2000）。因此，研究了农村水稻种植区氮磷污染水平，分析了太湖地区氮磷污染的影响因素。
材料与方法
研究范围
太湖（119°54-120°36N，30°56-31°33E）是中国第三大淡水湖，位于高度发达和人口密集的长江三角洲（Pu et al。1998）。太湖平原以季风气候为主，五 - 九月雨季（750-850毫米）与旱季交替（250-350毫米）。年平均气温从14.9℃升至16.2℃，年平均降水量和蒸发量分别为1,000-1,400 mm和941 mm（Li et al。2008），水深范围为1〜2.5m（平均1.89 m），总面积约2338.11平方公里，平均水量约44.297times;10 ^ 8m 3（陈2001a，b）。太湖流域是具有许多河流湖泊的典型冲积平原，包括上海市，江苏，浙江省的部分地区。该地区稻田种植历史悠久，水稻土壤发育良好，比较均匀。本地区经常作物轮作包括五年到十一月的水稻作物（十一月至五月），冬小麦。在这项研究中，三个采样点（宜兴，王庄，新庄）是太湖排水典型的水稻生长区（图1）。三个地块的土壤类型分别为白土（Febleached Stagnic Anthrosols的代表），黄土（Fe积累的停滞孔代表）和巫山土（Glyic Stagnic Anthrosols的代表）（Pan等2008）。宜兴地区有许多河流，靠近太湖，宜兴和王庄的地下水深度分别约为1.2和1.5米。新庄地下水位高于其他两个地区，约0.6米。王庄和新庄地区居民靠近被研究的农田，生活污水和污水直接排入农田。
研究材料和方法
从研究区域的代表性灌溉用水，农田排水和地下水中抽取水样。 地下水由安装在3米深的13厘米直径PVC入口管的微型泵取样。 地下水采样深度约为2米。 样品每年收集6次，共2年。 将水样密封在塑料瓶中，将其放入冰箱lt;4℃，立即送至实验室进行分析。 将约25ml的子样品密封在瓶中用于分析NO 3和NH 4，使用Astoria流量分析仪，相对误差为2％，检测限为0.2mg kg -1。 使用Technicon Auto-Analyzer II（Skalar总部，荷兰）测定总磷（TP）的浓度。
在整个实验中，报告的总磷，铵态氮和硝态氮的浓度是三个子样本的平均值。 所有统计学分析均采用SPSS软件包（SPSS 2003）进行，包括方差分析（ANOVA），结果以均数plusmn;标准误差表示，差异有统计学意义（P lt;0.05）。
结果与讨论
总磷的变化和污染
5 - 9月份，全磷（TP）浓度高于11月至3月（表1）。宜兴，王庄，新庄地区农田排水量TP浓度分别为0.495,0.350和0.255 mg L -1。所有这些值都超过了中国农田排污环境质量标准（中国国家环境保护总局，2002年），V型水中TP的0.2 mg L -1限值，确认了这些地区的农田排水污染严重。太湖水年平均浓度约为0.492 mg L -1。除3月以外的月份，总磷含量远高于V类水质标准。此外，9月份，TP浓度为1.387 mg L -1，是V型水位的6倍以上，表明太湖的磷污染比其他农田排水体更为严重。实际上，7月至9月在太湖可以发现藻类开花，富营养化指标。
太湖目标和农田排水之间存在显着的相关性。回归方程为y = 0.5374x 0.1271，r = 0.9501 **（n = 12）（y表示太湖TP，x表示农田排水中的TP）。宜兴地区河流和农田排水量年均变化不显着，城市用水年平均浓度高于灌溉用水，表明生活污水有影响。
宜兴，王庄，新庄地区年平均地下水浓度分别为0.158,0.181和0.225 mg·L -1。地下水中的TP浓度低于农田排水量，因此径流径流量大于渗透土壤的P值。 5月至9月的太湖地区雨季也是水稻种植季节。在此期间，由于受精，3 - 7月份农田排水平均浓度高达0.427 mg L -1。宜兴地区的地下水浓度在所有研究区域都是最低的。王庄和新庄地区的高浓度TP受人类生活的影响。磷在土壤中可以被天然沉积物和纯矿物吸附，因此磷向地下水运输是非常困难的。然而，最近的研究表明，磷损失量与土壤表层有机质P（Olsen P）密切相关（Lu等，2003）。如果Olsen P在土壤表层过多，磷可以运送到地下水。从农田进入太湖水域的磷排放主要是水稻生长期径流和排水过程。因此，除施肥量外，水位深度对地下水中TP的浓度也有很大的影响，因为水位较高的沙砾处理效果较好。比较研究区地下水TP年平均值，新庄TP最高，宜兴王庄低。从3月到5月，新庄的TP涨幅最大，其次是宜兴，最后是王庄。同时，王庄地下水TP的变化也很小。但5〜9月，新庄地下水浓度较高。这些结果取决于宜兴，王庄，新庄的地下水位深度。
硝酸氮含量的变化和污染
分析结果表明，宜兴，王庄，新庄农田排水硝态氮浓度分别为0.337〜4.378,0.062〜2.812，0.102〜2.442 mg·L -1，地下水硝态氮含量分别为0.482〜9.432 ，0.902〜4.545，以及0.086〜17.521mg L -1（图2,3和4）。
结果还表明，农田排水硝态氮浓度低于地下水。研究区地下水硝态氮浓度最高，为9月，意味着地下水硝态氮是主要的水生污染物之一。春季至夏季硝态氮浓度变化较大，秋季至冬季较低。这些结果也由熊（2002）和Chenetal（2003）证实。小麦的接合阶段是在3月份。在此期间，大多数土壤硝酸盐被小麦吸收。 5月以后太湖地区的雨季开始，地下水硝态氮浓度迅速上升。 5月至9月，新庄地下水硝态氮浓度超过世界卫生组织（WHO）规定的极限（10 mg L -1）。这个地下水不适合喝酒。尽管其他采样点地下水硝态氮浓度未达标，硝态氮累积随时间变化明显，因此应监测硝态氮的污染和积累。地下水硝态氮浓度高于农田排水。由于溶液中的硝态氮几乎不被土壤吸收，硝态氮可以很容易地浸入地下土壤。这样，硝态氮也可以积累在地下水中。新庄高水位是地下水硝态氮积累的另一个重要原因。
铵态氮含量的变化和污染
与农田排水和地下水硝态氮分布相比，铵态氮浓度高。除研究区个别抽样点外，地下水中铵态氮浓度低于农田排水量（图5，图6，图7）。宜兴农业排水量最高（1月份为11.695 mg L -1），王庄（7月份为15.471 mg L -1），而新庄县灌溉河水中最高值为5.484 mg·L -1在一月。宜兴灌溉河水中铵态氮的变化与王庄相同。然而，新庄灌溉用水中氮铵浓度高于农田排水，表明农田排水中铵态氮的分布不仅受到施肥而且受人类生活的影响。三个研究区域铵态氮含量峰值出现在5〜9月，水稻生长和施肥期间。除了农田排水的输入外，氮磷可能来自农业生产和生活废水（Hu et al。2002）。 1月份农田排水中铵态氮浓度高，灌溉水中氮铵年平均值为0.911 mg L -1，低于城市排水（0.988 mg L -1）。除了农业，人类居住是造成水污染的一个因素。
虽然铵态氮浓度低于地下水硝态氮，但铵态氮污染比硝态氮更差。根据中国地下水水质分级标准（国家环境保护总局，1994年），0.2 mg L -1的铵态氮浓度定义为水和0.5mg L -1是V型水。所有研究区域地下水中的铵态氮浓度均超过该类型水质标准，地下水质量的56％比V水差。这表明研究区域的铵态氮对地下水的污染始终是严重的。宜兴和王庄地下水铵氮污染比兴庄差。宜兴和王庄的氮铵年平均值分别为1.596和2.103 mg L -1，最高值分别为5.782和5.441 mg L -1，超过V类水质阈值的10倍。因此，尽管铵氮是农田排水的主要污染物，地下水中高浓度的铵态氮也应得到环保人士的更多关注。
太湖水中铵态氮浓度范围为0.129〜10.463 mg·L -1，年平均值为2.881 mg·L -1。 总磷和氮的浓度分别超过0.02和0.3 mg L -1，可能导致富营养化（Chen 1990），但目前的结果表明，太湖水中总磷的变化范围为0.09〜1.387 mg L -1 年平均值为0.492 mg·L -1，说明全年可能富营养化。 7月份采样期间，太湖可以发现大量藻类，确认了富营养化。
氮肥施用于土壤后，通过硝化可以将一些铵态氮转化为硝态氮，有些可以对氮气进行反硝化并挥发。 由于土壤含有负电荷，铵态氮可以很容易被土壤颗粒吸附。 同时，由于表层土中的吸附，铵态氮容易通过地表径流和侵蚀而损失。 研究了农田排水和地下水中铵态氮浓度的关系。 三个研究区域的相关方程为y = 0.2796x 0.3071，r = 0.9817 **（n = 12），y = 0.3693x 0.2618，r = 0.9316 **（n = 12），y = 0.5091x 0.4742，r = 0.8472 *（n = 12）（y：浅层地下水中铵态氮浓度，x：农田排水中铵态氮浓度）。 宜兴相关系数最高，王庄为中间，新庄为最低。
氮磷污染状况影响因素
降雨和灌溉
农田排水和地下水氮磷浓度
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