冬春季生态沟渠对农田径流污染物的净化效果分析

为有效提高冬春季沟渠的净化效率,在原有土质沟渠中增设耐寒植物黑麦草浮毯与填料透水坝构建生态沟渠,分析生态沟渠对农田径流中主要污染物的削减率,对比沿程不同处理段对污染物的净化效果,估算植物吸收对于污染通量降低总量的贡献。结果显示:在冬春季节,生态沟渠对总氮(TN)、硝氮(NO_(3)^(-)-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和悬浮物(SS)的总削减率均值分别为29.06%、54.93%、20.76%、54.08%和49.85%。透水坝段的TN和NO_(3)^(-)-N沿程削减率最高;植物浮毯+透水坝段的TP和COD沿程削减率最高;植物浮毯段的SS沿程削减率最高,其对NO_(3)^(-)-N、TP和COD也有较好的净化效果。在降水量达到10 mm以上的9 d内,TN和TP的污染通量降低总量分别为11.43和0.27 kg;黑麦草吸收的氮、磷量分别约占污染通量降低总量的20.6%和55.6%。大雪融化后气温降至0℃以下,可能引起土壤冻融作用,雪水径流中的氮、磷浓度显著升高,此时生态沟渠对径流中氮、磷的净化效果不明显,可利用周边河塘暂存雪水径流,后续结合生态措施对污染物实施强化处理。

不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明:1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。

不同水力负荷对两种生态沟渠内沉水植物苦草净化效果的影响研究

利用农业灌排系统改造建设生态沟渠是治理农田面源污染的重要技术措施,水生植物、填料及水力负荷等是影响沟渠净化效率的重要因素。本研究以沉水植物苦草(Vallisneria natans)沟渠和沸石+苦草沟渠为研究对象,分析了不同水力负荷(HLR)下两种沟渠对农田径流中氮磷污染物的净化效果差异,阐明了苦草对沟渠脱氮除磷的贡献及其主要影响因素。结果表明,不同HLR下沟渠对水体氮和磷浓度去除率分别为47.7%~66.0%和57.5%~77.1%,随HLR升高而降低;氮和磷单位面积去除率为305.3~1009.2 mg·m^(-2)·d^(-1)和17.8~66.7 mg·m^(-2)·d^(-1),随HLR升高而升高。HLR显著影响沟渠氮、磷净化效率(P<0.05),而沸石填料则影响较小(P>0.05)。与沟渠运行前相比,苦草的密度、叶长以及总生物量(干质量)分别增加5.9~7.0、1.8~2.3倍和4.0~5.0倍,低HLR下苦草生长更好。苦草叶片及根系的氮、磷和叶绿素含量与水体氮磷含量显著正相关(P<0.05)。苦草直接吸收去除氮和磷量分别为2674.4~3384.1mg·m^(-2)和579.6~673.9mg·m^(-2),对沟渠氮和磷去除的贡献分别为5.6%~19.9%和20.1%~65.0%,苦草吸收贡献率随HLR升高而降低,HLR是影响苦草直接吸收对沟渠氮、磷去除贡献的主要因素。综上,苦草沟渠可有效削减农田氮、磷流失,提高HLR虽然降低氮、磷浓度去除率,但能显著增加氮、磷截留量。沸石+苦草沟渠长期运行后,应及时更新沸石以保障沟渠内填料强化净化功能的发挥。因此,从浓度和通量两方面对生态沟渠净化效果进行综合评价对于优化沟渠设计和运行管理具有重要实践意义。

坡度及作物种类对红壤坡耕地水土流失的影响研究

坡耕地水土流失会导致作物产量及土壤生产力下降,坡度及作物种类是其主要影响因素之一,针对不同坡度及作物种类开展水土流失量对比研究,对于南方红壤区合理利用土地及水土流失防治措施具有指导意义。在5°、10°、15°坡地种植大豆、木薯、玉米等作物,开展了连续4 a的降雨侵蚀观测。2016-2019年的观测数据表明:作物种植类型对坡面径流量和土壤流失量影响显著,在自然降雨情况下,同一坡度的坡面,大豆种植的产流量及产沙量明显小于时蔬,并且大豆种植不仅是在种植当年能有效减少水土流失,在种植两年大豆之后再在同一坡面种植时蔬的单位面积土壤流失量要比一直种植时蔬的坡面小0.6 t/hm2,花生与木薯间作能降低年径流量与径流侵蚀量,是同坡度条件下的三分之二,在间作种植木薯与花生的情况下15°的坡面产流与产沙要明显小于10°的坡面,说明大豆种植及花生木薯间作更有利于南方红壤地区的水土保持治理,15°的坡面更利于种植经济作物。

短历时强降雨对喀斯特玉米坡地产流产沙的影响

[目的]研究短历时强降雨对喀斯特坡耕地产流产沙的影响,揭示喀斯特坡耕地土壤侵蚀特征机理,为解决喀斯特坡耕地土壤侵蚀和保障粮食生产提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,以喀斯特裸坡地和玉米坡地为研究对象,研究短历时强降雨对喀斯特坡耕地产流产沙的影响。[结果](1)裸坡地和玉米地地表产流产沙模数随坡度的增大而增大,当坡度相同时,玉米地地表产流产沙模数显著小于裸坡地(p<0.05);随着降雨历时的增加,裸坡地和玉米地地表产流模数呈现出先增大后保持稳定的趋势,而地表产沙模数则是先增大后减小。(2)裸坡地和玉米地各壤中流产流模数随坡度的增大而增大;当坡度相同时,玉米地各壤中流产流量显著小于裸坡地(p<0.05),其中坡度为20°时,玉米地壤中流(15—25 cm)总产流量相对裸坡地减少了62.59%。(3)当坡度不变时,玉米地地下产沙量和产沙模数显著小于裸坡地(p<0.05);随着降雨历时的增加,裸坡地与玉米地地下产流模数呈现出不断增大的趋势,其变化趋势基本保持一致,而地下产沙模数呈现先增大后减小的趋势,在20~30 min之间达到最大产沙模数。(4)比较不同坡度裸坡地与玉米地各产流产沙之间的相关性,发现玉米地相比裸坡地地下产沙与地表产流、地下产流、地表产沙之间相关性增强,而地表产沙与地表产流、地下产流之间的相关性减弱。[结论]强降雨下玉米坡地能够增加入渗,具有阻控和缓蚀的作用,其中地表产流产沙模数和壤中流产流模数随坡度的增大而增大,而地下产流模数随降雨历时增加呈不断增大的趋势,地下产沙模数呈先增大后减小的趋势。

平原河网区农田径流氮磷生态拦截体系研究

研究结合太湖常熟市常福村示范田,提出了“深蓄减排、浅湿控灌、水肥耦合、渗滤控排、塘堰湿地”的农田径流氮磷高效去除模式,并通过技术集成示范,对TN、TP、NO3-N、NH4+-N等的拦截效果进行了研究。示范区建成后,水稻作物产量平均增加3.08 kg/hm2,生态系统对农田排水中TN、TP、NO3-N、NH4+-N去除率介于52.2%~67.1%之间,拦截效果均较为明显。研究结果为该地区农田径流面源污染防治及高标准农田生态体系构建提供理论依据及建设思路。

雨型和种植模式对鄱阳湖平原区农田水土流失的影响

[目的]分析不同种植模式下农田地表径流及泥沙流失对降雨雨型的响应,探究新形势下鄱阳湖平原区农田地表径流及泥沙输移规律,为防治农田地表水土流失提供科学依据。[方法]利用K-均值聚类方法将64场降雨进行分类,结合径流小区产流、产沙等监测数据,分析了3种种植模式下不同雨型对农田地表径流及泥沙流失的影响。[结果](1)以次降雨历时、次降雨量和最大30 min雨强为降雨特征指标,降雨可划分为4种雨型(A雨型:“中历时、小雨量、小雨强”;B雨型:“短历时、小雨量、中雨强”;C雨型:“长历时、大雨量、中雨强”;D雨型:“短历时、中雨量、大雨强”)。(2)各种植模式径流量与降雨量的变化规律基本一致,降雨量较大时,产生径流量也较多;各月份下旱作模式处理产生径流量最多。(3)无论何种雨型,旱作模式处理径流量和泥沙流失量均最高,在A,C雨型下,水作模式处理产流产沙量均最小,B雨型下,水旱轮作模式处理减少产流效果最佳。(4)不同种植模式下径流总量和泥沙流失总量均存在显著性差异,表现为旱作模式>水旱轮作模式>水作模式。[结论]与旱作模式处理相比,水作模式处理在减少水土流失方面具有一定优势,尤其是应对A雨型和C雨型时,减少径流和泥沙流失效果更为明显。

我国农田径流污染及其控制技术研究进展

以农田流失的氮磷为主要来源的农业面源污染已成为制约我国农业高质量发展的重要因素。针对农田径流污染发生规律及阻控方法等问题,剖析了影响农田径流污染的关键要素,系统梳理了以“源头减量-过程阻断-末端净化”为主体思路的农田径流污染控制技术,分析了不同种类技术措施在实际应用中的优缺点及限制因子。指出未来应进一步加强农田径流污染的监测并建立风险评估模型,深入探究以施肥优化为主、多种手段为辅的农田径流污染源头控制体系,提升农田径流污染处理设施对污染物的净化能力,建立适用性强的集约化农区面源污染绿色低碳综合防控技术模式,为农业面源污染控制提供理论基础和技术支撑。

强降雨下农田径流中溶解态氮磷的输出特征——以崂山水库流域为例

在崂山水库流域建立了种植5种代表性作物玉米、大豆、花生、红薯和黄瓜的径流小区,对2009~2010年10次强降雨（大雨或暴雨）产流中溶解态氮磷浓度进行了定位观测,同时记录了降雨基本特征和径流小区各类型作物的种植生长信息.结果显示,5种作物所在径流小区产流中氨氮、硝氮和水溶性磷的事件平均浓度（EMC）均存在较明显的差别,施肥条件和作物类型是造成这种差异的主要原因.玉米、黄瓜所在径流小区产流中溶解态氮磷浓度明显高于其他作物,是由于这两种作物施肥量相对较大,而叶面积指数相对较小.各径流小区的溶解态氮磷流失量与作物叶面积指数存在明显负相关（P〈0.05）.降雨特征与径流小区溶解态氮磷物质迁移的相关性分析表明,迁移量与次降雨量、小时最大雨强呈现显著正相关（P〈0.01）.

农田降雨径流污染模型探讨——以上海郊区农田氮素污染模型为例

农田降雨径流污染是非点源污染研究中的一个重要问题 ,估算其发生负荷的难度很大。通过对农田降雨径流污染模型结构的理解和适当简化不可直接建模的部分 ,对农田非点源污染物输出的重要环节———降雨径流和污染物迁移进行了模拟。根据实测资料对SCS法的部分参数作了修正 ,使小块农田的降雨径流关系适合上海的区域自然地理条件 ;采用比较完善的径流试验资料建立了相应的径流单位线 ;并利用水流流速与固体颗粒被冲刷强度的关系 ,选择合适的试验资料 ,分析得到了径流过程与氮素流失浓度的相关关系 ,从而建立了以修正的SCS法、径流单位线和径流过程与氮素流失浓度的关系为基础的农田降雨径流污染模型。在具备较长系列降雨量资料的条件下 。

辽西地区农耕坡地土壤侵蚀影响因素及相关关系

为探讨辽西地区坡耕地土壤侵蚀规律,减少和防止水土流失的发生,2006—2010年采用径流小区定位观测天然降雨条件下坡耕地土壤侵蚀影响因素及相关关系。结果表明,随着坡度的增大,径流量和侵蚀量随之增加,并且对侵蚀量的影响大于对径流量的影响;谷子的保水护土效果优于甘薯;不同土地利用方式下土壤侵蚀量为天然荒坡地<农耕地<裸坡地;丰水年及7月份农耕地土壤侵蚀较严重;降雨因子中降雨量和最大30min雨强(I30)对侵蚀量和径流量影响较大,且随坡度的增大,二者对侵蚀量的影响增大,但对径流量的影响增加不明显。高雨强下,累积径流量与侵蚀量显著正相关,中低雨强下,二者关系不明显。随着坡度的增大,径流对土壤侵蚀影响增加。

长武黄土沟壑区不同下垫面条件农田产流产沙规律及其影响因素

以径流小区的观测资料为依据 ,对陕西长武不同下垫面条件农田产流产沙规律及影响因素进行了分析 ,指出降雨强度、降雨历时。

模拟降雨条件下农田氮素径流流失特征研究

基于洱海流域农田径流总氮污染严重、入湖总氮负荷较高的特点,采用室外人工模拟降雨方法,研究了20、40、60 mm·h^(-1)三种雨强条件下农田径流产流过程和氮素流失特征。结果表明:农田径流的产生主要受降雨量控制,当雨量达到(20±2)mm时才会产生径流,雨强主要影响其产流后流量的增长速度以及稳流后流量的大小,雨强越大,产流增长速度越快,平稳后径流量也越大;径流中氮素流失量与降雨量呈极显著线性相关(P<0.01),而且雨强越大,氮素流失速度越快,雨强60 mm·h^(-1)时线性拟合方程的斜率最大为1.28;三种雨强条件下均无明显的初期冲刷效应,不宜通过截留初期农田径流来控制农田径流氮污染;径流中氮素浓度随着降雨量增加先增大后减小,其浓度峰值受雨强影响较大,雨强大的浓度峰值高,且浓度峰值均出现在径流量趋于稳定时段附近;氮素浓度变化与悬浮物浓度变化呈极显著线性相关。建议通过加强水土流失管控及在湖周采取截蓄净化等措施有效控制洱海流域农田径流中的氮污染。

黄土区不同下垫面农田降雨入渗及产流关系的数值模拟

在野外试验的基础上,建立了二维农田降雨入渗及产流关系的数学模型,并用中国科学院长武县王东沟农业生态站不同下垫面径流小区实测土壤含水率及产流资料对该模型进行验证。结果显示:该模型对降雨过程中土壤入渗、产流以及雨后蒸发条件下土壤水分的模拟都有很高的精度,可以用于黄土区降雨入渗及产流关系的模拟。

坡耕地土壤水分入渗影响因素分析

利用人工模拟降雨装置对影响坡耕地土壤入渗的诸因素进行了研究。发现坡面产流历时与土壤容重、初始含水率、坡度、降雨强度、耕作管理措施呈负相关;土壤稳渗速率与降雨强度、耕作管理措施呈正相关,与土壤容重、初始含水率、坡度呈负相关。通过综合因素分析可知,影响坡面土壤入渗和产流历时的主要因子为土壤物理性质和耕作管理措施。

川中紫色土区旱坡地非点源氮输出特征与污染负荷

通过在中国科学院盐亭农业生态站进行定位监测研究。探讨了川中紫色土区旱坡地氮紊的农业非点源输出规律。研究表明：紫色土早坡地非点源氮输出以无机氮和颗粒态为主，全氮输出量不高。川中丘陵农田生态系统的早地径流中，颗粒态氮占比例最大，达到35％，硝态氮和氨态氮的输出水平相反，各径流场的NH4^＋-N浓度略高于NO2^--N的浓度。旱地径流全年总氮污染输出为0．95kg／（hm^2·a），全年通过径流输出的氮素占化肥施用量的0．56％。早地地表径流中总氮平均浓度顺坡种植〉平板种植〉聚土垄作。小流域非点源氮污染负荷的季节变化与流域降水的季节变化基本一致，非点源氮污染约从6月开始上升，一直持续到10月，集中在降雨丰富的时段。夏季2个月（7～8月）是非点源污染的高发季节，非点源氮污染负荷的绝大部分发生于该时期，这与年雨量的60％集中于该季节而降水多以暴雨形式出现有关。通过土地利用类型的优化配置，合理采用水土保持耕作法，控制施肥量和适宜的农田耕作方式，可减少地表径流和地下淋洗中氮的含量，减轻农业非点源物质对环境的压力，保护农业生态环境。

太湖地区稻麦轮作农田有机和常规种植模式下氮磷径流流失特征研究

为探究不同种植模式对氮磷流失的影响,采用田间径流池法,在太湖地区稻麦轮作系统中,通过连续两年田间试验,研究比较了等氮投入条件下常规种植和有机种植模式农田径流水中氮、磷浓度特征,以及径流氮、磷流失量、流失系数。结果表明,稻季和麦季农田径流中总氮、可溶性氮、铵态氮和硝态氮平均浓度和总氮流失量均表现为:常规种植>有机种植>对照。与常规种植相比,有机种植模式能够有效减少稻麦轮作农田中氮的径流流失,且对麦季氮素径流流失的减少效果优于稻季;尽管有机种植模式下磷流失系数低于常规种植,但有机肥投入携带的高磷量会增加农田磷素径流流失量。

秸秆覆盖对岩溶区坡耕地产流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究秸秆覆盖对西南岩溶区坡耕地产流产沙的影响。试验处理按照2个雨强(63,100mm/h)和5个秸秆覆盖度水平(0,20%,50%,80%和100%)进行。结果表明:在中雨强(63mm/h)条件下,秸秆覆盖减少了地表径流的径流系数和径流强度,增加了壤中流径流系数和径流强度,在较大秸秆覆盖度下(50%,80%和100%),秸秆覆盖能有效减少土壤流失量;但在大雨强(100mm/h)条件下,秸秆覆盖导致地表径流增加并同时显著减少了壤中流,地表径流的增加同时导致土壤流失量的增加。

黄土丘陵沟壑区不同植被类型的水土保持功能及养分流失效应

对黄土丘陵沟壑区安塞水土保持试验站3种草本、3种灌木、3种乔木、1种农田共计10种植被类型径流小区进行径流和侵蚀泥沙观测,并分别分析其养分含量,研究黄土丘陵区不同植被类型水土保持功能及养分流失效应。结果表明,乔、灌、草植被类型的水土保持功能相对农田较好,在径流和土壤养分流失方面相对农田较少。因此,该地区要注意建设和恢复草、灌植被,使之尽快起到水土保持作用,近而减少土壤养分流失。

自然降雨条件下农田地表产流及氮磷流失规律研究

基于淮北平原自然降雨条件下2个连续汛期观测的降雨-径流试验数据,分析不同试验处理下农田地表产流规律和氮磷浓度及其构成,探讨地表径流氮磷浓度和流失量的时间变化过程及其分布差异。结果表明,当地农田地表径流氮磷浓度构成分别以颗粒态氮和可溶性磷为主,而可溶性氮中又以溶解性有机氮为主,且硝态氮是农田地表径流无机氮流失的主要成分。汛初7月不同土地利用方式下农田地表径流量及铵态氮、硝态氮、可溶性氮磷和颗粒态氮磷的浓度及流失量间的差异相对较小,但8月期间的差异却明显增加,低秆高密度作物种植模式下的相应流失量最低。在淮北平原夏季种植黄豆、棉花等矮秆高密度作物,可起到有效减少地表径流氮磷流失量的作用,减缓因农业非点源污染对地表水体富营养化产生的潜在威胁。