加拿大東部農(nóng)田流域顆粒態(tài)磷的輸出及藻類有效性研究.pdf

1、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對水環(huán)境的惡化有著十分顯著的貢獻(xiàn),農(nóng)田流域內(nèi)徑流磷素流失與受納淡水水體(湖泊、河流、水庫、溪流等)的富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生有著密切的關(guān)系。在農(nóng)田流域中,徑流磷素以溶解態(tài)和顆粒態(tài)(或者泥沙結(jié)合態(tài))兩種形態(tài)損失,但以泥沙結(jié)合態(tài)為主。大部分溶解態(tài)磷可被藻類直接利用,泥沙攜帶的部分顆粒態(tài)磷則是淡水水體浮游生物長期的潛在可利用磷源。進(jìn)入水體后,流域內(nèi)的溪流溝渠系統(tǒng)是磷素的主要運(yùn)移通道,磷素在溪流溝渠內(nèi)的持留和釋放將影響污染物向下游的遷移

2、形態(tài)和輸出的時(shí)空變化。本論文研究了加拿大東部典型農(nóng)田流域融雪期內(nèi)懸浮泥沙和磷素的輸出情況及影響因子,以及無雪期內(nèi)溪流或人工濕地內(nèi)懸浮泥沙和底泥沉積物中磷素的富集、藻類有效性、釋放潛能及主要影響因子。本論文的結(jié)果將有助于評估融雪期內(nèi)流域尺度的土壤侵蝕和磷素流失風(fēng)險(xiǎn)、以及無雪期內(nèi)溪流泥沙磷素的藻類有效性及其對受納水體生態(tài)平衡的潛在影響,并制訂相應(yīng)的最佳養(yǎng)分管理措施,以減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷的輸出。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.本實(shí)驗(yàn)基

3、于水文條件(降雨、雪水當(dāng)量、徑流)、土壤凍融程度和流域出口水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了加拿大東部兩農(nóng)田流域(BHW和BBW)在2007-2009年雪融期內(nèi)的土壤侵蝕及磷素流失情況和影響因子。結(jié)果表明在兩個(gè)流域內(nèi)均存在明顯的融雪發(fā)生條件及土壤侵蝕和磷素流失的年間差異。在2007和2009年融雪期內(nèi),兩農(nóng)田流域內(nèi)大約80％的表層土壤處于冰凍狀態(tài),而在2008年由于異常豐厚的積雪的保溫作用,只有低于50％的表層土壤處于冰凍狀態(tài)。在流域BHW內(nèi),2008

4、年融雪過程中溪水懸浮泥沙(SS)、總磷(TP)、溶解態(tài)磷(DP)和泥沙結(jié)合態(tài)磷(PP)的中值含量均明顯高于其他兩個(gè)年份的觀測數(shù)據(jù)；溶解態(tài)磷和泥沙結(jié)合態(tài)磷的比值因徑流事件變異極其顯著,但是其中值接近1表明總體上溶解態(tài)磷和泥沙結(jié)合態(tài)磷的流失量相當(dāng)。在流域BBW內(nèi),2008年融雪過程中溪水溶解態(tài)活性磷(DRP)也明顯高于2009年的觀測數(shù)據(jù),泥沙結(jié)合態(tài)磷則是磷素的主要流失形態(tài)。本研究還表明融雪期間懸浮泥沙和磷素流失的年間變化是積雪厚度、土壤凍

5、融程度和降雨情況綜合作用的結(jié)果；最嚴(yán)重的土壤侵蝕和泥沙結(jié)合態(tài)磷的流失主要與發(fā)生在凍土上的降雨事件有關(guān)?；趶搅骱退w磷的監(jiān)測數(shù)據(jù),我們估計(jì)在BHW內(nèi)有大約20％的年度總磷流失發(fā)生在融雪期,在BBW內(nèi)有大約12％的年度溶解態(tài)活性磷流失發(fā)生在融雪期。因此,我們建議在這兩個(gè)流域內(nèi)采取相應(yīng)的最佳養(yǎng)分管理措施以減少融雪期土壤侵蝕和磷素輸出。
　　 2.本實(shí)驗(yàn)比較了兩農(nóng)田小流域--處理流域(Intervention)和對照流域(Contro

6、l)出口處、以及處理流域內(nèi)部兩支流(Br14和Br15)底泥沉積物和懸浮泥沙及中磷素的富集、富集、藻類有效性、釋放潛能并探討了主要影響因子。研究表明,在底泥沉積物中,1)總磷(TP)和藻類有效態(tài)磷(AAP)在兩個(gè)小流域出口處含量相當(dāng),但在Br15中的含量顯著高于另一支流Br14中的含量；總的說來,藻類有效態(tài)磷占總磷的大約10％。2)在所有采樣點(diǎn),弱吸附態(tài)磷(P1)不足總磷的1％,而多于60％的總磷以鈣結(jié)合態(tài)磷(P4)存在。對照流域出口處

7、底泥沉積物中弱吸附態(tài)磷(P1)、可還原態(tài)磷(P2i)和非活性有機(jī)磷(P5)含量顯著高于處理流域出口處的觀測數(shù)據(jù),而鋁鐵結(jié)合態(tài)的有機(jī)磷(P3o)則相反；Br15底泥沉積物中弱吸附態(tài)磷(P1)、可還原態(tài)磷(P2i)、有機(jī)磷(P2o)和鈣結(jié)合態(tài)磷(P4)含量顯著高于Br14的觀測數(shù)據(jù)。3)對照流域出口處底泥沉積物中磷飽和指數(shù)高于環(huán)境閾值15％并且顯著高于其在處理流域出口處的對應(yīng)值,表明在對照流域出口處底泥沉積物更傾向于向水體釋放磷,而在處理流

8、域出口處底泥沉積物要持留水體中的磷。懸浮泥沙中磷素分析結(jié)果表明,1)總磷(TP)和藻類有效態(tài)磷(AAP)在兩個(gè)流域出口處所收集懸浮泥沙中的含量相當(dāng),但在Br15中的含量顯著高于另一支流Br14中的含量；藻類有效態(tài)磷占懸浮泥沙總磷的大約10-30％。2)對照流域出口處懸浮泥沙所含弱吸附態(tài)磷(P1)、可還原態(tài)磷(P2i)、有機(jī)磷(P2o)含量顯著高于其在處理流域的對應(yīng)值；除了這三種形態(tài)的磷,Br15還有顯著高于Br14的鋁鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)磷(P

9、3o)。3)在所有采樣點(diǎn),大多數(shù)磷飽和指數(shù)遠(yuǎn)低于環(huán)境閾值15％,表明在大多數(shù)條件下懸浮泥沙主要持留水體中的磷而不是向水體釋放磷。值得注意的是,雖然Br15中懸浮泥沙還有底泥沉積物仍具有很高的持續(xù)持留水體磷的能力,但是Br15中兩種泥沙的總磷和藻類有效態(tài)磷甚至高于對照流域的對應(yīng)含量,表明現(xiàn)有的在處理流域?qū)嵤┑淖罴佯B(yǎng)分管理措施還存在不足,尤其是在Br15的流經(jīng)區(qū)域內(nèi)存在很高的土壤侵蝕和磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。因此今后的管理措施應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)Br15流經(jīng)

10、區(qū)域農(nóng)田的磷素管理。此外,本研究表明泥沙性狀(有機(jī)質(zhì)含量,交換態(tài)鋁和交換態(tài)鈣)和土壤發(fā)生分類解釋了大多數(shù)或者部分的泥沙磷素特征的空間變異。本實(shí)驗(yàn)還初步探討了氧化還原狀況對Br14和Br15底泥沉積物磷的釋放的影響,發(fā)現(xiàn)處于缺氧狀況下的地下水補(bǔ)給并未導(dǎo)致Br14底泥沉積物中可還原態(tài)磷釋放至水體中,一方面可能因?yàn)锽r14中底泥沉積物可還原態(tài)磷含量很低,另一方面也可能因?yàn)樗辰缑娴难趸瘜映至袅讼蛏线w移的自由磷離子。
　　 3.本實(shí)驗(yàn)研

11、究了農(nóng)田流域-河流交界之處三個(gè)人工濕地(B1,B2和B3)底泥沉積物磷素的富集、富集、藻類有效性、釋放潛能及其主要影響因子。三個(gè)人工濕地底泥沉積物中總磷(TP)含量沒有顯著的差異,但是藻類有效態(tài)磷(AAP)在B1和B2中顯著高于在B3中的觀測值。藻類有效態(tài)磷(AAP)占了總磷的9-20％,表明底泥沉積物中有很大一部分磷可以作為藻類可利用的磷源。相對比較穩(wěn)定的鈣磷(P4)最主要的磷的賦存形態(tài)。磷飽和指數(shù)均低于5％,進(jìn)一步說明這些人工濕地的