白洋淀地区农田径流中氮磷与重金属元素变化规律的模拟研究Word下载.docx
《白洋淀地区农田径流中氮磷与重金属元素变化规律的模拟研究Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《白洋淀地区农田径流中氮磷与重金属元素变化规律的模拟研究Word下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
N的测定：
样品经碱解蒸馏后，采用硼酸吸收法测定。
P的测定：
样品经消解、SnCl2还原后，采用钼兰比色法测定。
二、结果和讨论
近年来研究结果表明：
污染物质的流失及迁移规律与土壤颗粒的流失相关密切[2，3]。
土壤中氮磷在暴雨径流中主要以泥沙形式迁移，随水溶失的量极微[4]。
因此，对流失泥沙中污染元素含量与变化规律的研究及影响因素的分析就显得更为重
要。
影响这些污染物含量变化的因素较多，本文主要根据白洋淀平原地区特点设计的模拟
降雨的不同条件及参数，重点探讨了流失水沙中营养元素及重金属污染元素含量变化及相
关因素的影响。
1．模拟人工降雨试验参数与雨前表土状况及其对初始产流时间的影响
在三种土地利用状况不同的试验小区，A1（荒草地）、A2（玉米地）及B1；
（裸地），分
别做了不同条件下的六次模拟降雨试验，有关试验参数（见表1），雨前表层土壤状况（见
表2）*。
由表1可明显看出：
A1、A2和B1小区，虽然设计雨强相同，为1．20mm／min左右，
而且均为初次降雨，但它们的初始产流时间却存在很大的差异。
很明显，主要与植被覆盖
率有关。
A1小区由于荒草覆盖率达90％左右，降雨后31min25s才开始产流，而翻耕后的
裸地因无植被覆盖，降雨仅8min5s就开始产流。
结果表明，植被覆盖率越高，初始产流时
间就越长。
另外，降雨前表土含水量及表上容重等因素（见表2），也可对产流产生影响。
表土含水量较低，可提高雨水入渗率，从而也可使初始产流时间延长。
表1农田模拟降雨试验参数
类型
样方
植被类型
降雨量
（mm）
平均雨强
mm／min
开始产流
min／s
产流历时
降雨历时
（min）
井
灌
区
A1
荒草地
106.88
1.23
31/25
60/05
87
A2
玉米地
42.314
1.11
13/25
30/45
38
A3
27.904
0.58
12/00
43/22
47.8
污
B1
裸地
39.476
1.17
8/05
26/01
33.7
B2
29.97
0.57
3/00
25/55
28
B3
31.56
1.15
1/57
25/51
26
2.不同条件下模拟降雨-农田径流水沙中营养元素含量的变化
（1）灌溉类型不同，农田径流水沙中氮磷等营养盐含量变化
从长期使用府河污水灌溉与使用地下水灌溉的农田径流泥沙及径流水中营养盐平均含
量对比来看，污灌区径流水沙中营养盐含量普遍高于井灌区（见表3）。
这说明，用府河污
水灌溉的土壤中营养盐含量相以较高，在汛期，它们可随暴雨地表径流下泄入淀，从而可
能成为白洋淀湖泊富营养化的次生污染源。
表2模拟降雨试验前表层土壤状况
覆盖率
（％）
容重
g／cm3
含水量
总氮
总磷
有机质
90
1.68
6.1
0.039
0.059
1.145
65
1.56
7.3
0.026
0.063
0.867
28.4
1.03
10.9
0.052
0.055
1.632
31.8
27.5
表3不同类型灌区农田径流水沙中氮、磷等营养盐含量比较
灌溉类型
泥沙（％）
水（mg／L）
TN
T－P
Corg
T-N
T-P
井灌区（A）
0.083
0.075
1.318
1.900
0.087
污灌区（B）
0.096
0.062
1.720
2.493
0.130
（2）不同植被覆盖条件下农田径流水沙中营养盐含量的变化
通常表土植被覆盖率越高，对营养盐的截留作用就越强。
从表4可以看出，除A1外，
径流水中总氮（T-N）、总磷（T-P）与泥沙中T-N、有机质（Org）的含量随植被覆盖率高
达90%左右，而随降雨流出的泥沙中的营养盐含量相对其它小区并未降低，这可能与试验
前表土含水量及容重等因素有关。
由于A1雨前表土含水量较低，容重较高（见表2），上
层相对较硬，降雨所带出的泥沙主要来自以细颗粒及粘粒为主的表层浮土，尽管流出的泥
沙量不高，但由于粒径较小，对氮磷等营养盐吸附作用较强，因比其含量相对较高。
表4不同模拟条件农田径流水沙中氮、磷含量
水（mg/L）
0.108
0.079
3.11
1.77
0.124
0.069
0.073
1.82
2.08
0.070
0.072
0.074
1.89
1.85
0.0853
0.060
2.73
2.29
0.178
0.1023
3.09
2.53
0.142
0.1021
3.08
2.66
（3）不同降雨强度径流水沙中营养盐的含量变化
在其它条件相似，降雨强度改变时，径流水沙中营养元素含量存在一定差异。
与A3（见表4）的试验条件及有关参数基本相同，仅降雨强度不同，A2为大暴雨试验，雨
强为1.11mm／min，A3为普通暴雨试验，雨强为0.58mm／min。
可以看出，径流水中T
－N及T－P营养盐含量大雨强相对于小雨强其含量有所增加。
这说明雨强增大，对土壤的
侵蚀及淋溶作用增强，随径流水中带出的营养盐含量也相应有所增加。
但随流失泥沙带出
的营养盐含量状况却有所不同，随雨强增大其含量略有降低。
主要原因可能是雨强增大时，
对土壤的冲刷力增强，土壤侵蚀加重，随水流出的泥沙粒径相对较粗，因而对营养盐的吸
附作用相对较小所致。
（4）农田径流泥沙中氮磷等营养盐含量随流出时间的动态变化
农田径流泥沙中营养盐含量随流出时间的动态变化，反映了其在降雨期间的迁移过程。
图1为白洋淀地区不同条件下农田径流泥沙中氮磷等营养盐含量随流出时间的动态变化。
图中横坐标的水沙流出时间，是从降雨初始产流时间为“0”分统计的。
图1不同模拟条件下农田径流泥沙中氮磷等营养盐含量的动态变化
从图中不同条件下的四次试验结果可以看出：
T－N含量随流出时间呈现高一低一较高
的变化趋势（除A2外）。
从开始降雨至产流初期，径流泥沙主要来自颗粒较细的表土，因
而T－N含量较高，随着时间的延续及暴雨对农田土壤不断的侵蚀、冲刷，较大的颗粒泥沙
相对增加，T－N含量呈现下降趋势，至径流尾期，由于降雨结束过程中雨强逐渐减小，泥
沙中细颗粒物质相对增加，因此T－N含量有所回升。
很明显，T－N含量变化与流出泥沙
的粒径有关。
这与H.Hamilton等人的研究结果相同[3,5]。
在降雨过程中，农田灌溉类型不同及雨强与降雨历时不同均未影响T－N含量随泥沙流
出时间的变化趋势，仅对变化幅度有所影响。
例如B1与B2仅降雨强度不同，其它条件基
本相同，两者T－N含量变化趋势很类似，但其含量差异较大，B2明显高于B1。
农田植被覆盖率则对T－N的含量随泥沙流出时间的变化趋势有所影响。
随植被覆盖率
降低，T－N含量呈现上升趋势。
雨前表土中T－N的原始含量对流失泥沙中T－N含量有直
接影响。
如A2产流初期T－N含量低，主要是雨前表土T－N含量低所致（见表2）。
流失泥沙中有机质（Org）含量随降雨时间的变化趋势与T－N很相似，仅变化幅度存
在一定差异，前者比后者变化幅度要小得多。
T－P含量在整个降雨过程中变化幅度不大。
这与陈皓等人的研究结果相同[4]。
上述营养盐含量动态变化幅度排序为：
T－N＞Org＞
T－P。
3.不同条件下模拟降雨-农田径流泥沙中重金届元素含量变化
（1）不同灌溉类型，农田径流泥沙中重金属元素含量变化
不同条件下模拟降雨形成的农田径流泥沙与雨前表层土壤中12种重金属元素含量
（见表5）。
从表中可明显看出，污灌区重区金属污染元素Hg、Cr、As、Cu、Pb及Zn含量普
遍高于井灌区，污灌区Co、Ni、V及Fe含量也略高于井灌区。
与世界土壤相比，井灌区多
数重金属含量都低于或相当于世界土壤平均含量（除Zn、As和Co外）。
污灌区多数重金
属污染元素含量都超出世界土壤平均含量的0.3_2倍（除Pb和Cd外）。
结果表明：
白洋
淀地区长期使用府河污水灌溉的农田土壤中重金属元素含量是比较高的，它们可形成次
生污染源随暴雨径流特别是流失泥沙迁移而污染下游水体。
（2）植被覆盖率及雨前表上状况不同，农田径流泥沙中重金属元素含量变化
A1、A2、B1三次降雨试验的设计雨强相同，均为首次降雨，但植被覆盖率不同，依次为
90％、65％及0％。
由表5可以看出，Hg、Cr、Co、V和Fe的平均含量均呈现B1＞A2＞A1
的趋势。
Cu、Zn、As和Ni的平均含量呈现B1＞A2的趋势。
这说明流失泥沙中上述重金属
元素含量明显受植被覆盖率的影响。
植被覆盖率越高，对重金属截留作用就越强，流失泥
沙中元素含量就越低。
表5不同模拟条件下农田径流泥沙中重金属含量（mg/kg）
Cu
Po
Zn
Hg
Cr
As
Cd
Fe
Mn
Co
Ni
V
31.76
6.90
290.98
0.051
80.08
12.38
0.068
36200
844
13.86
38.92
88.64
31.01
7.74
150.06
0.056
84.26
8.75
0.102
36800
962
14.10
37.20
89.44
38.22
10.80
224.08
0.045
89.33
10.94
0.084
39800
1527
14.70
40.10
94.67
37.65
6.57
230.46
0.111
99.26
15.25
0.043
41500
840
16.28
45.58
104.78
40.69
6.16
280.60
0.131
112.12
17.33
0.040
39100
16.88
47.74
110.60
31.83
27.14
227.72
0.086
95.88
12.64
0.027
38900
766
15.52
40.63
98.88
雨前
表土
18.85
19.88
99.33
75.21
8.25
0.076
30900
560
13.17
25.96
84.02
17.72
24.19
89.19
0.013
77.23
5.75
0.010
30400
554
14.00
28.48
82.56
30.60
37.96
211.20
0.064
91.25
8.50
0.011
38000
679
17.66
41.35
100.1
世界土壤
30
35
0.06
70
6.0
0.35
40000
1000
8
50
但A1小区植被覆盖率很高，某些重金属元素含量却相对较高，如Cu、Zn、As等，其
原因可能与雨前表土元素含量及雨前表土状况有关。
A1小区农田表土中上述元素含量均高
于A2小区，加之A1表土含水量低（仅6.1％），容重大（为1.68g/cm3）（见表2），流失泥
沙中细颗粒比例较高，因而A1中上述重金属含量较高。
（3）降雨强度不同，径流泥沙中重金属元素含量变化
A2与A3两次降雨试验条件相同，仅雨强不同，前者比后者雨强大近1倍。
很明显，A3
中重金属元素含量普遍高于A2（见表5）。
这主要是由于雨强减小，雨滴对土壤的侵蚀力减
弱，流失泥沙粒径相对较小，因此，重金属元素含量相应有所增高。
（4）农田径流泥沙中重金属含量随流出时间的动态变化
农田径流泥沙中重金属含量的动态变化与降雨条件、雨前表土含量及状况有关。
不同
条件下模拟降雨形成的农田径流泥沙中重金属含量随降雨时间的动态变化情况列示于图
图2不同条件下模拟降雨-农田径流泥沙中重金属含量的动态变化
由图中可以看出，Cu、Zn、Cr、Hg、Pb等元素含量在雨强相同，而植被覆盖率及土壤
利用类型不同的A1、A2及B1的三次降雨试验中它们的含量变化趋势存在着一定的差异，
但在相同条件的降雨试验中，Cu、Cr与Zn元素之间及Hg与Pb元素之间含量变化趋势却
很相似，仅变化幅度有所不同。
A1为荒草地，植被覆盖率高，Cu、Cr及Zn含量在产流开始时含量较高，此时泥沙主
要来自粒径较细的表层浮土，随着降雨时间的延续，由于荒草茎及茂密的荒草根系的截留
与吸附作用，流失泥沙中重金属含量逐渐下降，至径流尾期，随雨强减弱，其含量略有回
升。
而A2为玉米地，覆盖率比A1低25％左右，含量变化趋势与A1有所不同，基本上呈
现由低到高的趋势。
这表明随着植被覆盖率的降低，对重金属的吸附、截留作用也相应减
少，流失泥沙中重金属含量也随之上升。
B1与上述情况又不相同，为试验前刚刚翻耕过的
裸地。
由于土质疏松，产流一开始元素含量就比较高（除Zn外），降雨过程中其含量随时
间的延续呈上升趋势，降雨结束时含量略有降低。
这说明在没有植被覆盖又经翻耕后的农
田中，从降雨开始至结束，流失泥沙中重金属基本呈高含量水平向下游输送。
从图2中还可看出，在相同的降雨条件下，虽然Cu、Cr、Zn含量随降雨时间变化趋势
相似，但变化幅度却存在一定差异，尤其是Zn，其含量变化幅度远远大于Cu和Cr。
说明
Zn在环境中不稳定，其含量易随环境条件不同而变化。
Hg和Pb在相同条件下，二者含量
随时间变化趋势很相似，但与Cu、Cr、Zn的含量变化趋势略有不同。
在A1、A2的降雨试
验条件下，产流初期至中期含量变化不明显，至尾期含量略有上升。
在B1降雨试验条件下
其含量变化也不大。
这可能与元素本身的物理化学性质有关。
三、结论
（1）在暴雨侵蚀期间，白洋淀平原地区农田径流泥沙中T－N、Org含量随降雨时间基
本呈现高一低一较高的动态变化趋势。
T－P含量变化相对不明显。
三者含量动态变化幅度
排序为：
T－N＞Org＞T－P。
（2）该区农田径流泥沙中重金属含量随降雨时间的动态变化趋势受不同降雨条件、植
被覆盖率、雨前表土中元素初始含量及表上状况等因素的影响。
在相同条件下，Cu、Cr与
Zn元素之间及Hg与Pb元素之间含量变化趋势很相似，而变化幅度有所不同。
其含量动态
变化幅度排序为：
Zn＞Cr＞Cu；
Hg＞Pb。
（3）流失泥沙中营养盐及重金属污染物含量变化直接受粒径的控制，粒径越小，对上
述污染物吸附作用越强，其含量也就越高。
（4）植被覆盖率对流失泥沙中营养盐及重金属含量有重要影响。
表上植被覆盖率越高，
对上述污染物截留与吸附作用越强，流失泥沙中元素含量就越低。
（5）农田土壤灌概类型不同，可影响流失水沙中营养盐与重金属污染物的含量。
污灌
区明显高于井灌区。
（6）降雨强度对流失水沙中营养盐及重金属含量影响存在着一定差异，径流水中上述
元素含量随雨强增大略有增加，而流失泥沙中则相反，随雨强增大其含量有所降低。
这可
能主要与泥沙粒径有关。
（7）雨前表土中元素的原始含量直接影响流失泥沙中相关元素含量。
雨前表上状况如
土壤含水量及容重也可对流失泥沙中元素含量产生影响。
参考文献
[1]蔡强国等，白洋淀平原地区不同地类径流与侵蚀产沙模拟降雨试验初步研究，本文
集，科学出版社，1995。
[2]卫中平等，黄土丘陵沟壑区农耕地水土流失与氧分流失关系研究，晋西黄土高原土
壤侵蚀管理与地理信息系统
应用研究，科学出版社，1992，164－170。
[3]H．Hamilton、陆兆熊等，小流域氮的流失及输移机理研究，晋西黄土高原土壤侵蚀
管理与地理信息系统应用研
究，科学出版社，1992，130－149。
[4]陈皓、章申，黄土地区氮磷流失的模拟研究，地理科学，1991，142－148。
[5]王明远等，长江碳、氮、磷、硫输送量的研究，化学元素水环境背景值研究，测绘
出版社，1990，121－131。
ASLMULATIONRESEARCHONCONTENTVARITAIONPATTERN
OFNUTRITIOUSELEMENTSANDHEAVYMETALSINTHESILT
OFFARMLANDRUNOFFINBAIYANGDIANREGION
ZhangXiumeiZhangShenTangYijianChenXibaoYuming
（InstituteofGeography,CAS,Beijing,100101）
Abstract
Bymeansoffieldsimulatingexperiment,thispaperconcentratesonthe
prelimiarydiscussionofthecontentvariationsofnutritiouselements（N,Petc.）
andheavymetalsaswellastheinfluenceonthecontentsundervaringconditons
intheprocessofstormerosioninBaiyangdianregion.
TheresultsshowthatthecontentsofT-NandTOCappearadynamichigh-low-high
trendinprocessoftherainfall,whilethecontentsofT-Pchangeslightly.Under
thesamerainfallconditionsthevariationtrendbetweenCu,CrandZnaswellas
HgandPbissimilar,butthevariationextentisdifferent,theorderisZn＞Cr
＞CuandHg＞Pb.Thecontentsoftheelementsintheerosionsiltsarecontroled
evidentlybythegrainsizeofsiltandtheprimaryelementscontentsinthetopsoil.
Itisalsofoundthatdifferentvegetationrateandirrigationanalogiescanexert
alargeinfluenceonthecontentsofnitrogen,phosphorusandheavymetals,and
thecontentvariationscanbeinfluencedbyrainfallbyrainfallextentandtopsoil
conditions.
升级会员 