一种稻田氮磷径流流失负荷的田间尺度估算方法

摘要

本发明涉及一种分布式稻田径流流失负荷的田间尺度估算方法，其步骤包括：1）不同土壤类型下稻田田面水污染物动态变化规律测算，主要是对田面水中污染物浓度动态变化监测，再对污染物浓度动态随时间的变化方程进行拟合；2）目标稻田径流中污染物流失负荷估算，主要是确定目标稻田的面积、施肥水平、施肥时间、稻田排水口距稻田表明的高度等基本信息，并在降雨时对雨水中污染物浓度、降雨量等信息进行测定，再根据计算方程对流失负荷进行计算。本发明的估算方法能应用于田间尺度下的稻田氮磷径流流失负荷估算，测算时无需建立径流池等大型土建设施，具有所需参数少，测定方法简单，适用范围广的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非点源污染负荷估算方法，尤其涉及一种稻田氮磷径流流失 负荷估算方法。

背景技术

近年来，随着点源污染逐渐得到治理，非点源污染问题凸显。而农田氮磷流 失是非点源污染的最主要组成部分，重视农业非点源污染是国际大趋势。2013 年6月5日，国家环保部公布的《2012中国环境状况公报》称，全国超过30％ 的河流和超过50％的地下水不达标，而其中农业面源污染是无法忽视的罪魁祸首 之一。我国农业经济发展中人多地少的矛盾促使农业生产对化肥施用的依赖性极 强。化肥农用品的过量施用导致了大量的氮、磷营养物质随着暴雨径流或农事排 水进入周边水体，造成水体富营养化。中科院院士朱兆良认为：“在未来几年里， 工业和城市生活污水对水质污染的影响将逐渐减小，如果不采取有效措施，由作 物种植和畜禽养殖业导致的面源污染，对水质和空气污染的贡献率将日益凸显”。 因此，控制农业非点源污染对我国的流域污染治理具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种稻田径流流失负荷估算方法， 本发明的估算方法包括如下步骤：

1.一种稻田氮磷径流流失负荷的田间尺度估算方法，包括如下步骤：

1)不同土壤类型下稻田田面水污染物动态变化规律测算：

1.1田面水中污染物浓度动态变化监测：选择该地区各水稻土亚类中所占比 例最大的土种作为代表该亚类水稻土的试验土壤，分别建立试验小区，按照预先 设定的方案，开展不同施肥水平下的田面水中污染物浓度的动态监测；

1.2污染物浓度动态变化方程拟合：分别针对不同土壤亚类，以污染物浓度 为因变量，以施肥水平和监测日期距施肥的天数为自变量进行拟合，拟合方程为 其中n为监测日期距离施肥后的天数，单位为d；为 降雨当天田面水中污染物浓度，单位为mg/L；P为施肥水平，单位为kg/hm²；A、 b、k、c为常数；

2)目标稻田径流中污染物流失负荷估算

2.1确定目标稻田的面积、施肥水平、施肥时间、所属的土壤亚类和稻田排 水口距稻田表明的高度；

2.2在降雨前测定田面水高度，并在降雨结束后，搜集当日降雨量数据及雨 水中污染物浓度；

2.3将降雨当日距施肥时间的天数作为参数n，将施肥水平作为参数P，代 入步骤1.2中得到的拟合方程，计算降雨当天田面水中污染物浓度C_s；

根据如下公式计算稻田径流中污染物流失负荷：

$Q=A[C_R(H_R+H-H_{\max })+H(C_s-C_R)(1-e^{-\frac{H_R+H-H_{\max }}{H_{\max }}})]$

式中：Q为稻田径流中污染物流失负荷，单位为g；A为稻田面积，单位为 m²；C_s为降雨前田面水中污染物浓度，单位为mg/L；H为降雨前田面水高度， 单位为m；H_R为降雨量，单位为m；C_R为雨水中污染物浓度，单位为mg/l；H_max为 排水口距稻田表面的高度，单位为m。

本发明与现有技术相比是有益效果是：该方法通过对化肥施入稻田后田面水 中污染物的迁移转化进行研究，得出其动态变化规律，并将该规律与降雨—产流 模型进行耦合，用于计算降雨过程中的稻田氮磷流失负荷。与传统的单一输出系 数法相比，该方法更能反映出非点源产排污系数的时空变化，且不需要建立径流 试验场；另外，与机理性模型相比，本方法的所需的基础资料和参数相对较少， 估算工作量小。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

选取杭嘉湖平原作为应用区域。

1)不同土壤类型下稻田田面水污染物动态变化规律测算：

1.1田面水中污染物浓度动态变化监测

本实施例选取杭嘉湖平原中的四类水稻土进行研究，分别为淹育型水稻土、 渗育型水稻土、潴育型水稻土和脱潜潴育型水稻土，其占比例最大的土种信息如 表1所以。

表1土壤基本信息

每种不同土壤均在当地选择一块稻田进行试验，每块稻田用田埂分割为18 个面积2m²的单元。田埂均进行包膜处理，各单元独立进行排灌，防止相互影响。 设置六个施肥水平，分别为0，90，180，270，360，450kg N/hm²，同时每个施 肥水平设计3个平行试验；各单元的肥料分三次施用，苗肥∶分蘖肥∶穗肥＝20％∶ 40％∶40％，三次施肥时间分别为2013‐06‐25、2013‐07‐13、2013‐09‐02，试验过 程中田面水高度按照当地农事操作习惯保持在3.5cm左右。于施肥后第1、2、3、 5、7、9、18、27天，分别对各试验单元进行取样，样品带回实验室进行分析， 分析指标为TN，分析方法参见《水和废水监测分析方法·第四版》；

1.2污染物浓度动态变化方程拟合

获得上述数据后，利用SPSS 20.0统计分析软件对不同土壤类型及不同施肥 阶段的所得数据进行拟合，拟合方程为其中n为施肥后天 数，单位为d；为施肥n天后田面水中污染物浓度，单位为mg/L；P为施肥量， 单位为kg/hm²；A、b、k、c为常数。三次施肥TN的变化规律曲线，如下表：

表2 TN动态变化拟合曲线参数表

2)目标稻田径流中污染物流失负荷估算

选取嘉兴市王江泾双桥农场(试验点1)和杭州市余杭区良渚(试验点2) 的代表性稻田各一块，建立径流手收集桶进行结果验证。

2.1确定稻田基本信息

实地测量记录两块稻田的基本信息，如表3所示：

表3稻田基本信息

2.2在2013年7月11日第一次施肥至2013年7月26日施追肥期间，共发 生2次明显的降雨，两次降雨前田面水高度、降雨量及雨水中TN浓度见表4。

表4田面水高度计降雨信息

2.3两次降雨距施肥时间的天数n分别为9天和10天，该稻田施肥水平P 为72kg/hm²,该次施肥为基肥，因此采用表2中的拟合公式进行计算，得到第9天和第10天的田面水中TN浓度和分别为33.3 和27.3mg/L；

分别将和和表3、表4中的其他参数代入下列公式计算稻田径流中污 染物流失负荷，

$Q=A[C_R(H_R+H-H_{\max })+H(C_s-C_R)(1-e^{-\frac{H_R+H-H_{\max }}{H_{\max }}})]$

计算结果为第9天和第10天的稻田TN径流流失量分别为10.5和25.2g，与 实际径流监测结果对比如表5所示：

表5估算结果与实际监测结果对比

由此可见，相对于影响因素复杂，估算困难的稻田径流流失负荷来说，本发 明的估算方法达到了较高的估算准确性，具有广泛的实际应用价值。