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农业污染直接影响着水体、土壤和大气的质量,且已日益严重,成为当今世界普遍存在的环境问题。对农业污染开展深入研究,以便采取及时有效的防控措施,减少农业污染带来的负面影响,对保护生态环境和实现我国农业、资源和环境协调发展具有重要的理论和现实意义。化肥尤其是氮肥对提高作物产量具有重要作用,同时也是一种潜在的污染物。农业生产过程中化肥的高投入和不适当使用,是造成硝态氮污染的主要原因,不仅导致农田土壤板结硬化,影响农田肥力和可持续利用,而且导致地下水和农田周围地表水体的污染。农田氮流失和硝态氮对地下水和地表水体的污染,已经构成了一个非常严重的生态环境问题,极大地影响了粮食生产安全、饮用水质量和环境安全,进而危害到整个生态系统的功能运转以及区域社会经济的可持续发展。当前世界各国都致力于研究提高农业氮肥利用率和减少土壤氮流失的方法与途径。由于农业化肥的使用具有面状特点,农业氮污染呈现出非点源的空间分布特征。农业氮污染综合防治,需要首先掌握这种污染的空间分布特征。目前对于区域范围内的农业氮污染空间分布特征,主要是从两个方面来进行估计:一是以田间采样测试为基础,结合数理统计方法进行推理分析。这种方法受到采样点有限和区域农田特征异质性的限制,很难获得比较详细准确的农业氮污染空间分布,一般只能获得区域范围内的平均值。二是以国外的一些模型为基础进行污染空间模拟,然而由于模型参数确定较为困难,使得这些模型在我国区域范围内的农业氮污染模拟效果不理想,为其推广应用带来了较大的局限性。所以,如何建立一个具有实际应用价值的可用于分析我国区域农业氮污染空间分布特征的方法,就构成了本论文研究的核心问题。
本文以GIS技术为基础,以我国西南山区贵州麻江县为研究区域,开展农田(水田和旱地)氮污染空间分布特征研究,根据农业化肥统计数据和土壤特征参数、气象数据和耕作方式等基础数据,结合农业生产现状分析,运用农田营养物质平衡理论,以乡镇为单元对农田氮盈余进行定量估算,分析氮在农田土壤中的盈余量,然后进一步根据流域水文产流模型估算土壤氮的流失量,探明区域农业非点源氮污染的空间分布特征,最后根据农田氮流失量,确定不同的污染风险等级,把全县划分成不同程度的流域潜在污染风险区,为制定合理有效的农作物种植制度和施肥方式,提高农业化肥的有效利用率,减少化肥污染提供依据。主要研究结论如下：
⑴建立了县域范围内农田土壤氮残余污染定量估算方法。本文根据农业化肥施用量数据,以农田营养物质平衡模型为基础,对麻江县各乡镇不同耕地类型水田和旱地的氮盈余量和土壤氮输出量进行了定量估算,分析了各乡镇农田土壤氮盈余量的时空差异,揭示了农业氮污染的初期影响因素。
⑵建立了县域范围内农业非点源氮污染空间分布的模拟估算方法。在氮污染模拟中,在以乡镇为单元的农田土壤氮残余定量估计的基础上,进一步考虑农田氮流失的影响因素,建立了基于GIS的农田产流模型模拟氮流失量的空间分布方法,打破了乡镇界限,分析了麻江县农业非点源氮污染的空间分布特征,并划分了不同的潜在污染风险区,初步揭示了麻江县农业污染空间分布特征与原因。
⑶氮肥施用量是影响农业污染空间分布差异的首要因素。麻江县贤昌乡和下司镇的化肥施用强度在全县最高,分别为48.11公斤/亩和43.89公斤/亩;这两个乡的氮肥施用强度分别为13.3公斤/亩和19.84公斤/亩。通常情况下,化肥施用强度虽然与粮食产量高低存在正相关关系,但也直接影响着农田土壤与水体的氮污染。农田土壤氮盈亏在各乡镇之间的较大差异,虽然与各乡镇的农业生产结构有直接的关系,但更多地是与农业化肥施用强度有关。因此,合理有效地控制化肥施用量,提高化肥利用率,是减少农田氮残余污染的重要途径。
⑷由于土壤养分差异和作物生长对氮的吸收率不同,不同土壤类型在不同的季节,土壤氮盈余量也不同。麻江县水田土壤氮盈余量平均值为6.8公斤/亩,但各乡镇之间有明显的空间差异。下司镇的农田土壤氮残余量最高,为11.82公斤/亩;龙山乡最低,为3.87公斤/亩,只有下司乡的1/3左右。麻江县早地土壤氮的平均盈余量为6.82公斤/亩,其中下司镇最高,为9.86公斤/亩,景阳乡次之,为7.79公斤/亩。土壤中所含硝态氮量由高到低依次为:水稻土>紫色土>石灰土>黄壤。春夏两季土壤中氮输出量较多,秋冬季土壤中溶解氮较高。冬季旱地的硝态氮含量为一年中最高时期,春夏季逐渐减少,秋季开始逐渐增加;春夏季是大量农作物耕作期的生长旺季,因而耕作期比非耕作期对农业氮污染空间分布差异的影响更显著。
⑸不同作物类型也影响着农业氮污染空间差异的分布特征,其中水稻较之其他农作物对氮污染的空间分布差异贡献更显著。水田的硝态氮含量和氮输出量均高于旱地;早地的氮流失在时间上存在一定的滞后性,氮流失方面水田比旱地对降雨的响应更为迅速。
⑹硝态氮浓度是产生农业污染空间分布差异的另一影响因素。肥料施用过量是产生农业污染的前提,而降雨是形成农业氮非点源污染的推动力,通常农田氮污染的程度与施肥量和降雨量都存在一定的正相关关系,本文进一步研究表明,由于土壤性质和作物类型等综合因素产生的实际硝态氮浓度大小是判定土壤污染程度的又一重要影响因素。土壤中硝态氮含量的多少在很大程度上取决于施肥量的多少,而氮流失造成的污染状况与氮浓度相关性更大,在相同降雨和地貌特征相似的条件下,硝态氮浓度高的地区污染程度也高。
⑺麻江县农业污染程度总体较低,但空间差异显著。综合指数模型对水环境各指标的分析表明流域总体污染程度属于I级,污染程度最轻。将流域潜在风险区域根据易受污染程度不同划分为五个等级,污染潜在风险区域较大的位于西部和北部,其它地区易受污染程度较轻。