1、 国家自然科学基金申请书申请代码：受理部门： 收件日期：受理编号：第 17 页 版本1.003.082国家自然科学基金申 请 书您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作： 1)如果您是Word2000或以上版本用户，请把Word宏的安全性设为:中 方法: Word菜单-工具-宏-安全性-安全级,设置为中 (如果您是Word97用户，继续执行以下步骤) 2)关闭本文档，重新打开本文档 3)点击启用宏按钮，即可开始填写本文档或打印了资助类别： 亚类说明： 附注说明： 项目名称： 申 请 者： 电话： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 单位电话： 电子邮件： 申报日期： 2007年
2、3月17日国家自然科学基金委员会基本信息7IeOqrU/申 请 者 信 息姓名性别男出生年月1976年10月民族汉族学位博士职称助理研究员主要研究领域土壤水文学 电话025-86882105 电子邮件lgxu 传真025-57714759 个人网页 工作单位中国科学院南京地理与湖泊研究所 在研项目批准号 依托单位信息名称代 码21000804 联系人陈亚芬 电子邮件chenyf 电话02586882022 网站地址 合作单位信息单 位 名 称代 码00000000 项 目 基 本 信 息项目名称资助类别面上项目 亚类说明青年科学基金项目 附注说明 申请代码D0124:人类活动与环境效应D011
3、5:土壤肥力基地类别 预计研究年限2008年1月 2010年12月研究属性基础研究 摘 要(限400字)：农业集约化方式种植区是我国农田氮化肥流失最大的漏斗,其中硝酸盐的流失对水环境和人类健康的潜在威胁尤为突出。以江阴市典型农业集约化种植区清水河小流域为研究对象，通过田间现场监测、室内土柱实验和数值模拟的综合研究手段，揭示农业集约化种植区地表径流流失和纵向淋溶流失两种过程对于土-水间硝酸盐流失的作用和定量贡献；阐明硝酸盐在地表径流过程中的流失特征，探讨降雨、施肥、土地利用对硝酸盐地表径流流失的影响和驱动机制，模拟硝酸盐在不同降雨强度、频度下纵向淋失的迁移规律和动力学过程；分别构建硝酸盐在地表径
4、流过程和土壤中纵向淋失过程的流失通量模型，定量评价农业集约化种植区土-水间硝酸盐流失对水环境的影响，在此基础上提出控制农业集约化种植区硝酸盐污染的调控策略，为农业集约化种植区氮肥合理施用及流域最佳管理措施的制定提供科学依据。关 键 词(用分号分开，最多5个)集约化种植；土-水间；硝酸盐流失；耦合模型 项目组主要成员（注: 项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工作时间（月）11964-02-27 男工程师学士江阴市环境监测站 0510-86862435 HZcs27 野外协调，田间监测 5 21
5、978-08-16 女助理研究员博士中国科学院南京地理与湖泊研究所 025-86882100 mhfeng 室内实验，参数测定 6 31974-06-25 男工程师学士江阴市环境监测站 0510-86862343 lvweimi6543 现场监测，室内分析 10 41978-06-10 男博士生硕士中国科学院南京地理与湖泊研究所 025-86882094 zuohaijun2003 现场监测，数据分析 9 51985-05-28 女硕士生学士中国科学院南京地理与湖泊研究所 025-86882094 lilijiao85 资料收集，室内分析 9 6789总人数高级中级初级博士后博士生硕士生604
6、11说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。经费申请表 （金额单位：万元）科目申请经费备注（计算依据与说明）一.研究经费29.9000总研究费用1.科研业务费15.4000以下项总和（1）测试/计算/分析费5.0000土壤样品、水质检测分析（2）能源/动力费3.0000现场租车0.05万元/天*60天3万元（3）会议费/差旅费4.0000学术会议0.2万元*5人次1万元；差旅0.1万元*30人次3万元（4）出版物/文献/信息传播费3.4000文章0.2万元*4篇，会议论文0.4万元*2人次,网络费、资料购买费1.8万元（5）其它2.实
7、验材料费4.0000（1）原材料/试剂/药品购置费4.0000试剂、实验材料购买（2）其它3.仪器设备费5.5000（1）购置3.5000现场采样装置,室内土柱、参数实验装置购买（2）试制2.0000部件更换，装置调试4.实验室改装费3.0000现场监测实验站的租用费及实验室建设费5.协作费2.0000现场有关单位的协作，国内相关单位的协作二.国际合作与交流费3.50001.项目组成员出国合作交流1.00001人国外访问国际旅费2.境外专家来华合作交流2.50002人来华合作访问三.劳务费2.7000研究生0.05万元/月*18月*3年2.7万元四.管理费1.90005%的管理费合 计38.0
8、000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费其他经费资助（含部门匹配）其他经费来源合计0.0000报告正文（一）立项依据与研究内容1、立项依据自1980年以来，我国化肥用量大约以每年150万吨的速度增加，至1998年全国化肥用量已达4085万吨，其中氮肥用量达2233.5万吨，已成为世界上使用量最多的国家。据农业部1985-1995年在全国十年土壤监测表明，氮磷养分投入高于产出，产投率分别为74.8%和69.5%，氮盈量为69kg/hm2，出现了明显的化肥“报酬递减”现象1。过量施肥和较低的肥料利用率导致大量氮素损失，造成地表水体和农田地下水的污染。降雨造成的氮素在土-水间的主要迁移方
9、式一是悬浮态流失，即污染物结合在悬浮土壤颗粒上通过地表径流过程进入水体；二是淋溶流失，即水溶性较强的污染物被淋溶而进入地下渗流（对平原地区可以忽视坡面漫流的存在）2。地表径流和地下渗流带走了颗粒态和水溶态的养分，对农田造成了直接的损害，降低了土壤肥力和化肥的利用效率；同时养分迁出农田系统，进入受纳水体，成为水体富营养化的污染源。随着点源污染控制能力的提高，非点源污染问题越来越突出，农业面源污染已影响到农村经济和农业的可持续发展，成为环境污染防治工作的另一个重点和难点。已有的研究结果表明，农田土壤中氮的流失是造成水环境污染的决定性因素，尤其是农业高度集约、氮磷肥大量施用的农田系统中3。随着经济的
10、发展，农业集约化种植的程度越来越高，规模越来越大，土地利用效率得到了充分的发挥，但这种农业耕作方式的改变以及化肥施用量的大量增加所带来的农业非点源污染问题也日益凸显。在集约化种植蔬菜、花卉、水果的地区，化肥常常过量施用，同时频繁灌水或排水，造成大量氮素随水流失，形成面源污染。根据估算，我国占作物总播种面积20%的集约化作物生产中，每年由于氮肥的不合理使用损失的氮可达近300万吨，占我国氮化肥总用量的13.6% 4。可以说，目前集约化方式种植蔬菜、花卉、水果等作物的地区是我国农田氮化肥流失最大的漏斗,其中硝酸盐的流失对水环境和人类健康的潜在威胁尤为突出。硝酸盐的危害主要表现在：一方面，可造成“水
11、体藻华”现象，即水体富营养化；另一方面硝酸盐在肠胃中可以还原为亚硝酸盐，而亚硝酸盐可以形成致癌物质亚硝胺，危害人畜的生命健康。经济发达地区过量施用氮肥导致水体和农产品硝酸盐污染问题已不容忽视。据农业集约化种植程度较高的太湖流域调查，苏、浙、沪二省一市16个县内76个饮用井水硝态氮和亚硝态氮的超标率（地下水质量标准为硝态氮20mg/L，亚硝态氮0.02 mg/L）已分别达38.2和57.9%5。近20年来，国内在有关氮肥的施用对农田土壤中硝酸盐积累与淋失的贡献方面开展了较多的研究工作，在农田硝酸盐向水体迁移对主要河、湖水体富营养化的影响方面也积累了一些数据；对降雨强度、土地利用类型对农田系统中氮
12、素的损失途径进行了许多定性和定量的评价和研究。氮素在土-水间的迁移主要受降雨径流的驱动，而其中土地利用类型、雨强和坡度又是影响径流量的最主要因素。张维理对我国北方农田地下水的监测结果显示，半数以上水样硝酸盐含量超标，一些地区的农村和小城镇由于农用氮肥的大量施用引起的地下水硝酸盐污染问题已经十分严重，通常硝酸盐淋失主要发生在降雨集中季节，其淋失量和周期降雨量呈显著的线性相关，土层硝态氮的淋失程度一定范围内与灌水量呈正相关6。朱波围绕川中丘陵区的水土流失与面源污染问题，对紫色土坡地硝酸盐淋失及其环境效应开展了系统研究7。杨林章等针对太湖流域提出了农田生态系统N、P、K的迁移通量估算方法及相关参数8
13、。我国近期有研究学者探讨了用15N 和18O测试技术鉴别地下水硝酸盐来源的方法，并将其运用到石家庄市、张掖市和河北省污水灌溉区9。 流域土地利用与土-水间硝酸盐的流失具有密不可分的关系，不同土地利用方式下氮素在土-水间的迁移特征研究报道较多。排水灌溉稻田N素流失规律一般是淹水层和剖面土壤溶液中氮素的形态以铵态氮为主，施肥后淹水层中N素浓度呈指数消退。淹水稻田施用碳铵后田间水中N素以铵态氮为主，淹水稻田剖面土壤溶液中铵态氮、硝态氮随深度增加而减少10。陈子明等研究北京潮土硝态氮在土体中的移动和淋失特征时发现，春小麦-夏玉米连作期间硝态氮在土壤剖面移动的时空变化特征与降雨灌水以及整个土壤系统中水分
14、状况密切相关，其淋失量与当时降雨量呈线形相关11。陈效民等对太湖几种主要水稻土中硝态氮水平运移规律研究表明，硝态氮浓度与源距离呈反比，而与土壤含水量呈正相关，其运移速率与运移距离呈幂函数12。曹志洪，林先贵等对太湖稻田土壤氮素径流迁移流失的特征进行了长期系统观测和研究13。梁涛、章申等在西苕溪流域选择了最有代表性的几种土地类型，模拟天然大暴雨，实验研究不同形态氮素随暴雨径流及径流沉积物的迁移过程，估算了氮素在流域内不同土地利用/土地覆被条件下的损失率14；胡春胜针对华平原集约农田深层土体硝态氮的迁移淋失开展了研究15。总体来看，国内对于包括氮素在内的农用化合物随地表径流流失的研究已开展了不少工
15、作，对于自然条件下流域地表径流水中氮磷的流失与土地利用之间的关系有较深入研究，今后应更多的关注农业氮磷流失驱动机制及产出通量的研究，特别是应加强农业集约化种植条件下硝酸盐流失的驱动机制与输移通量研究。国外对于农田降雨径流氮素流失研究始于20世纪70年代，早期的研究集中在农田径流氮磷的流失量及其对水体的影响；80年代以后则主要是从减少污染输出的角度研究氮磷元素从农田径流流失的机理和规律；90年代后国外的研究主要集中对地表径流中营养盐的迁移、通量模型以及调控措施进行了比较深入的研究。国外在应用AGNPS、LASCAM、LEACHM、SWAT等模型对农田小区或流域空间尺度上营养盐输移过程和通量进行模
16、拟方面开展了不少研究工作16-19。在硝酸盐污染监测方面，20世纪70年代国外就有利用15N识别污染来源的报道，同时结合其它同位素来研究硝酸盐的循环、迁移、混合等过程20。有关硝酸盐对地下水污染的研究大部分集中在农田或小集水区,近期才有一些关于潜在地下水污染的宏观评价研究。常用的研究方法通常有两种：一是应用模型研究污染物的归宿；二是应用GIS 对空间数据进行分析；也有一些研究者将这两种方法结合起来分析区域地下水污染的敏感性。Geng等在不同水文地质系统尺度上对氮循环与硝酸盐迁移作了模拟计算21；Walter (2001)建立了一个基于物理基础的数学模型对地表径流过程中氮素随径流的迁移过程及通量
17、进行了数值模拟和田间应用22；Nakamura对氮素在降雨灌溉作用下的根区运移特征开展了长期田间实验和模型验证工作 23。这些工作都对土地利用条件下的氮素产出过程和输移通量的模拟研究进行了卓有成效的研究。在防止硝酸盐污染方面，美国研究学者利用EPIC模型，评价了免耕法，得出该方法有利于减少地下水硝酸盐污染的结论24；西欧国家主要是靠推行一系列生态农业政策，提高氮肥利用率，促进高产水平下物质投入在生产系统内部的良性循环来减缓施肥对环境的不利影响25。总体来看，国外学者对土-水间硝酸盐迁移的过程与模拟方面的研究相对较深入。由于模拟中存在多种误差和不确定性，因此模糊理论、不确定性分析以及风险评价将成
18、为今后的研究方向。农田生态系统中土-水间硝酸盐流失对地表水体的富营养化产生重要的影响，引起了国内外科学家的高度重视。加强农田系统土-水间硝酸盐流失的驱动机制与输移通量研究，不仅是土壤养分流失和土壤溶质运移的研究基础，也是水环境中面污染源控制的重要研究内容。国内外对小流域农田系统中土-水间硝酸盐的流失特征、驱动机制及污染负荷输出方面取得了许多研究成果，但仍存在一些亟待解决的问题：(a)农田系统中特别是农业集约化种植条件下土-水间的硝酸盐如何迁移到水体中，与常规农业种植模式相比，集约化种植所带来的硝酸盐污染的风险和程度究竟有多大？以及农业集约化种植条件下硝酸盐在土-水间流失的驱动机制是什么？这些科
19、学问题都亟待通过开展相关科学研究工作来加以回答，只有这些问题搞清楚了，才能有效地预测和控制土-水间硝酸盐的流失所引起的水体富营养化等问题；(b) 硝酸盐在土-水间通过地表径流过程与纵向淋溶过程两种方式进入水体，以往的研究大都是对这两种过程分别作为研究对象，独立的加以考虑，而从硝酸盐在土-水间流失过程来看，这两个过程是密不可分的，这两种流失过程对于土-水间硝酸盐流失的作用和贡献率缺乏深入系统研究，虽然应用同位素示踪方法可以探讨水体中硝酸盐的来源，但对单一降雨或者暴雨过程所带来的硝酸盐环境负荷的估算仍然缺乏有效研究方法；(c)由于流域(包括坡地)面源产生和传输机制不清楚，对面源污染负荷定量化的方法
20、，主要是采用经验统计模型和机理模型对氮磷的迁移通量进行计算，考虑污染物迁移转换机理的研究性模型多，应用性少，多数模型不利于田间推广，难以对流域土地利用进行最佳管理措施(BMP)的科学制定。针对以上几点亟待解决的问题，结合我国农业集约化种植程度正在不断提高的现实情况，为了深入探讨农业集约化种植区土-水间硝酸盐迁移的流失特征和流失机制，揭示农业集约化种植区地表径流过程和纵向淋溶过程对土-水间硝酸盐流失的作用和贡献，定量评价农业集约化种植区硝酸盐流失对水环境的影响，有必要对农业集约化种植区土-水间硝酸盐流失的驱动过程与机制，硝酸盐的流失通量模拟及其对水环境影响方面作深入、系统的研究。江苏省江阴市一直
21、在全国百强县市排名中名列前茅，经济发达。江阴市农业生产中年化肥使用总量达56000多吨，每亩耕地平均年投入量分别比五十年代增加8倍到20倍；而且随着农业现代化水平的提高和农村经济的发展，农业集约化种植的程度正在不断提高，化肥的使用量呈递增趋势。加上使用技术欠佳，当季有效利用率偏低，大量残留物积累于土壤，流失到河流中，导致农业生态环境质量逐年恶化，造成农产品多级污染，品质日益下降，正严重威胁着人们的身体健康。申请人在江苏省自然科学基金的支持下正在江阴市清水河流域开展农业集约化种植区氮磷在地表径流过程中流失特征与规律的研究，前期的研究结果已表明此流域部分的地下水已经受到硝酸盐污染，在部分水井中的地
22、下水硝酸盐含量已达到28 mgL1，究竟在江阴市农业集约化种植区土-水间硝酸盐流失的驱动机制是什么，通过地表径流过程和纵向淋溶过程流失的硝酸盐污染负荷有多大，对水环境影响的程度和范围又有多大，这些科学问题都亟待通过开展相关的系统研究工作来回答。清水河小流域位于江阴市沿江地区西部，面积为平方公里，小流域内土壤为潮土和渗育型水稻土，由长江泥沙母质冲积发育而成，以砂质为主，适宜种植水果和蔬菜，属典型的农业高度集约化种植区。流域内主要以无公害蔬菜基地、花卉种植以及葡萄种植为主，整个流域内土地利用类型差别较大并且集中，地下水井分布较多，为研究工作的开展提供了理想的现场条件。此外，清水河小流域在农业集约化
23、程度较高的江阴市以及整个太湖流域都特别具有代表性，对此小流域开展研究工作，对江阴市乃至整个苏南平原区农田集约化种植条件下土-水间硝酸盐的流失过程以及硝酸盐流失机制的研究，硝酸盐流失引起的水环境负荷定量化模拟方面均具有重要的指导意义和积极的环境和社会效益；研究工作的开展有利于建立农业集约化种植区非点源污染调控策略，同时也为农业集约化种植区最佳管理措施的制订提供了科学依据。参考文献1 胡鞍钢.中国生态环境问题及环境保护计划J.安全与环境学报,2001,1(6): 49-54. 2 尹澄清,毛战坡.用生态工程技术控制农村非点源污染J应用生态学报, 2002, 13(2):229-232.3 赵其国.
24、现代生态农业与农业安全J.科技与经济，2004,17(1):58-64.4 杨正礼,梅旭荣,黄鸿翔,徐明岗.论中国农田生态保育J.中国农学通报, 2005, 21(4):280-284. 5 曹仁林,贾晓葵.我国集约化农业中氮污染问题及防治对策J.土壤肥料 2001, 3: 3-6. 6 张维理,田哲旭,张宁等.我国北方农用氮肥造成地下水硝态氮污染的调查J.植物营养与肥料学报,1995,1(2):80-877 朱波,彭奎,谢红梅.川中丘陵区典型小流域农田生态系统氮素收支探析J.中国生态农业学报,2006,14(1):108-111.8 杨林章,孙波,刘健.农田生态系统养分迁移转化与优化管理研究
25、J.地球科学进展,2002,17(3):441-445.9 张翠云,张胜,李政红等.利用氮同位素技术识别石家庄市地下水硝酸盐污染源J.地球科学进展,2004,19(2):183-191.10郭相平,张展羽,殷国玺. 稻田控制排水对减少氮磷损失的影响J.上海交通大学学报(农业科学版),2006,24(3):307-310.11陈子明,袁锋明,姚造华等.北京潮土NO3-N在土体中的移动特点及其淋失动态J.植物营养与肥料学报,1995,1(2):71-79.12陈效民,吴华山,孙静红.太湖地区农田土壤中铵态氮和硝态氮的时空变异J. 环境 科学,2006,27(6):1217-1222.13曹志洪,林
26、先贵等.太湖流域土水间的物质交换与水环境质量M.科学出版社, 2006.14梁涛,张秀梅,章申等.西苕溪流域不同土地类型下氮元素输移过程J.地理学报, 2002,57(4):389-396.15Hu,C.S., Saseendran, S.A., Green, T.R., etal .Evaluating Nitrogen and Water Management in a Double-Cropping System Using RZWQMJ.Vadose Zone Journal, 2006,5:493-505. 16Young,R.A.AGNPS:A nonpoint source po
27、llution model for evaluating agriculture watershedJ.Journal of Soil and Water Conservation 1989，44(2)：168-73.17Viney, N.R., Sivapalan, M. Modelling catchment processes in the Swan-Avon River BasinJ. Hydrol. Process.,2000,15:2671-2685.18Pilar Burgos,Engracia Madejn and Francisco Cabrera. Nitrogen min
28、eralization and nitrate leaching of a sandy soil amended with different organic wastesJ.Waste Management Research, 2006, 24: 175-182.19Beaujouan, V., Durand, P., and Ruiz, L. Modeling the effect of spatial distribution of agricultural practices on nitrogen fluxes in rural catchmentsJ. Ecological Mod
29、eling, 2001,137(1):93-105.20Houlton, B. Z., Sigman D. M., and Hedin L. O.Isotopic evidence for large gaseous nitrogen losses from tropical rainforestsJ. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2006, 103(23): 8745-8750. 21Geng, Q. Z.,Girard G.,Ledoux E.Modeling of nitrogen cycle and nitrate
30、transfer in regional hydrogeologie systemsJ.Ground water，1996,34(2):293-30422Walter, M. T., Parlange, J. Y. etal. Modeling pollutant release from a surface source surface rainfall runoff J.J. Environ Qual. 2001, 30: 151-159.23Nakamura, K., Harter, T., Hirono, Y., Horino, H. and Mitsuno, T. Assessmen
31、t of root zone nitrogen leaching as affected by irrigation and nutrient management practicesJ.Vadose Zone Journal, 2004,3:1353-1366.24Spalding, R. F., Exner M. E. Occurrence of Nitrate in Groundwater- ReviewJ.Journal of Environmental Quality,1993,22:392-402.25Kristian,Thorup-Kristensen. Effect of de
32、ep and shallow root systems on the dynamics of soil inorganic N during 3-year crop rotationsJ.Plant and Soil,2006,288(1):233-248. 2、研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题2.1研究内容2.1.1硝酸盐在地表径流过程中的流失与模拟l 硝酸盐在地表径流过程中的流失特征与驱动因子分析。 就江阴市清水河小流域内三种典型农业集约化种植汇水小区和一种常规农业种植汇水小区出口处的天然降雨径流过程开展定点监测，阐明降雨事件下地表径流过程中硝酸盐流失特征，建立农业集约化种植区地表
33、径流过程中硝酸盐流失与各驱动因子之间的响应关系，在此基础上阐明农业集约化种植条件下硝酸盐流失特征及关键驱动因子对硝酸盐地表径流流失的影响机制。l 硝酸盐在地表径流过程中的污染负荷估算。通过高频度的现场降雨径流监测来进行单次降雨事件下径流总量和硝酸盐地表径流污染负荷输出的计算，给出地表径流过程中硝酸盐的流失通量（详见下面的“研究方案”项）。2.1.2硝酸盐在土壤纵向淋溶过程中的流失与通量模拟 采集清水河小流域典型农业集约化种植区的土壤样品，通过室内土柱模拟实验，模拟硝酸盐在不同降雨强度、频度下纵向淋失的规律和动力学过程，其中降雨强度和频度通过江阴市多年平均降雨过程分布线来确定。 通过在农业集约化
34、种植区典型汇水小区内长期田间现场数据监测和室内参数测定，获得模型所需的土壤物理、水力性质及相关参数率定、模型验证的数据，在此基础上构建硝酸盐在土体中纵向迁移的分层流失通量耦合数学模型（详见下面的“研究方案”项），各层子模型之间通过水量和硝酸盐的浓度来进行耦合。2.1.3 农业集约化种植区硝酸盐流失对水环境的影响 在定量评估和对比农业集约化种植区土-水间硝酸盐流失的环境负荷基础上，运用硝酸盐在地表径流过程和土壤中纵向淋失的流失通量模型对不同降雨和灌溉条件、施肥情景下的硝酸盐流失风险进行分析和预测，提出适合农业集约化种植区硝酸盐污染控制的策略。2.2研究目标 通过本项研究旨在阐明农业集约化种植条件
35、下硝酸盐在地表径流过程和纵向淋溶过程中的流失特征和驱动机制，揭示典型农业集约化种植区地表径流流失和纵向淋溶流失两种过程对于土-水间硝酸盐流失的作用和定量贡献。 通过计算硝酸盐在地表径流过程中迁移的污染负荷和建立硝酸盐在纵向淋溶过程中的分层流失通量耦合模型来估算硝酸盐在土-水间流失的环境负荷，评价典型农业集约化种植区硝酸盐流失对水环境的影响，提出控制农业集约化种植区硝酸盐污染的调控策略。2.3拟解决的关键问题本项研究拟解决以下二个方面的关键问题：l 农业集约化种植区硝酸盐在地表径流过程和纵向淋溶过程中的迁移特征与驱动机制。l 通过计算农业集约化种植区硝酸盐在地表径流过程的污染负荷和构建硝酸盐在纵
36、向淋溶过程中的分层流失通量耦合模型来开展硝酸盐流失的定量化研究，给出农业集约化种植区地表径流流失和纵向淋溶流失两种过程对于土-水间硝酸盐流失的定量贡献。3、拟采取的研究方案及可行性分析3.1研究方案本研究拟采用田间降雨径流现场监测、室内模拟实验和数学模型模拟的综合研究方法来开展工作。研究方案如下：3.1.1田间现场观测 选取江阴市清水河小流域内三种典型农业集约化种植汇水小区和一处常规农业种植汇水小区为研究对象。汇水小区的遴选根据以下原则进行：选取的小区的土地利用方式在清水河小流域内的土地利用类型中具有代表性；选取的小流域土地利用方式相对单一,有利于识别不同土地利用方式的硝酸盐流失量及其对流域硝
37、酸盐流失的贡献量；选取的小流域是自然闭合集水区有单一出口以利于采样监测。地表降雨径流现场监测：对四种典型汇水小区出口处进行天然降雨径流的定点监测，同步监测每场次降雨过程的径流量和硝态氮输出浓度。样品的采集频率为雨前采集1次，降雨过程中视雨量大小采样，若降雨强度较大，则加密采样(一般分钟采集1次)，对低强度降雨，适当延长采样时间间隔，采样持续至降雨结束后的若干小时，以汇水区出水口径流量基本恢复正常水平为准。由于清水河小流域集约化种植区中各汇水区离江阴气象局气象站在30公里以内，各场次降雨采用江阴市气象局提供的逐小时雨量数据。流量采用浮标法测定。每次取样1000mL，取样时静置15分钟左右，水土混
38、合样品经现场沉淀后立即进行水、土分离，水样装入150 ml 聚乙烯瓶中立即密封冷冻。采集的样品在24小时内送至江阴市环境监测站实验室进行测定，硝酸盐样品分析测定方法按照国家环保局水和废水水质监测方法进行分析。 田间渗滤液的收集：渗滤管是用直径为3cm的塑料离心管制作。在管壁上等距离（1cm）打直径约2mm的小孔，外部用300目的尼龙布缠裹3层后扎紧，阻止土壤颗粒进入，离心管上部有橡皮塞封口，将硬质塑料细管(直径约3mm)一端穿过橡皮塞插入离心管底部，别一端露出地表供其抽取滤液。渗滤管分别埋设到30cm、60cm、90cm和120cm土层深处。每个深度重复3次，每个典型汇水小区共埋设12个渗滤管
39、。取样时将塑料细管连接至三角抽滤瓶，通过抽气泵造成负压使渗滤液进入抽滤瓶。 地下水的收集：申请人目前在河海大学水文与水资源与水利科学工程国家重点实验室开放基金的资助下，正在江阴市清水河小流域进行地下水硝酸盐污染状况的调查及脆弱性评价研究（见“承担科研项目情况”项），已在典型汇水小区内利用已有水井和安装PVC地下水管取样井的办法设置了12个地下水收集点，进行地下水位和水质的动态监测，这部分数据可以为农业集约化种植区硝酸盐纵向流失通量模型的率定和验证提供基础数据。3.1.2基础资料、土壤理化性质及物理参数的测定： （a）基础资料：基础资料收集工作在江阴市环境监测站和其它部门协助下完成。收集内容涉及
40、土壤背景资料，土地种植模式、灌溉时间及水量、施肥因素(种类、时间、数量)、及其它投入及产出项目。针对该区农业种植情况，拟在清水河小流域一年进行四次调查，通过与农户进行一对一的访谈式调查或问卷调查开展工作。 （b）各层土壤容重：环刀法进行测定；初始土壤含水量：烘干法。 （c）土壤养分含量的测定方法均按照土壤农业化学分析方法进行。 （d）土壤表层渗透系数，非饱和带弥散度，孔隙度，延迟系数，含水层给水度，入渗系数，渗透系数，孔隙度，弥散度和延迟系数等物理参数应用实验室测定，资料获取和参数拟合的方式获得，申请人在其它项目的支持下已对江阴市农业集约化种植区土壤的部分参数开展了测定工作，获得了部分参数资料
41、。3.1.3硝酸盐在地表径流过程流失的驱动因子分析 采用基于因子分析的主成分分析方法将影响地表径流过程中硝酸盐流失的驱动因子概括为三个主成分因子，即降雨（降雨强度、持续时间）、施肥(种类、时间、数量)、土地利用（植被生长，土壤特性），建立农业集约化种植区地表径流过程中硝酸盐流失与各驱动因子之间的响应关系，在此基础上阐明农业集约化种植条件下硝酸盐流失特征及关键驱动因子对硝酸盐流失的影响机制。3.1.4硝酸盐在地表径流过程中的污染负荷计算 单场降雨的总径流量可采用式(1)进行近似计算： (1)式中: qi和qi-1为2个相邻单位时刻地表径流量;t为时间段，由采样时间间隔确定。污染总负荷计算采用式(
42、2):(2)式中：F为一场降雨径流氮素的输出负荷；Qi为单位时段地表径流量，Qi (qiqi-1)/2；Ci和Ci-1为2个相邻单位时刻地表径流中硝态氮浓度。3.1.5硝酸盐在土壤纵向淋溶过程中的流失与通量模拟室内土柱模拟实验：采集清水河小流域典型农业集约化种植区的土壤样品，按等容重填充的方法获得实验土柱，土柱直径约10厘米。圆柱上端安装雨淋装置，模拟不同降雨强度和频度。土柱上端需安装溢水口，当入渗量小于降雨量时，多余水量从溢水口排出。下端接带溢水口的接水器，接水器预充水体，水面与土样下端接触，模拟现场的地下水自由面（申请人在攻读博士学位期间曾设计过相似雨淋装置，可以参考“申请人简历”中列举的
43、期刊）。以此土柱实验装置来模拟硝酸盐在不同降雨强度、频度下纵向淋失的迁移规律和动力学过程，其中降雨强度和频度通过江阴市多年平均降雨过程分布线来确定。3.1.6农业集约化种植区硝酸盐纵向淋失通量耦合模型的构建 根据农业集约化种植条件下硝酸盐的运移特点及硝酸盐在含水层的累积效应，对于硝酸盐在土壤中的纵向淋溶整体数学模型拟采取三层（段）式数学模拟方法来实现，分别由表土层模型，非饱和带模型、含水层模型组成。表土层平衡模型为黑箱模型，下包气带模型为一维垂向迁移模型，含水层模型为二维平面迁移模型，各层子模型之间通过水量和硝酸盐物质通量来进行耦合，实现各子模型的衔接和整体硝酸盐淋失通量的模拟。表土层模型：考
44、虑到硝酸盐表土层内部的物理、化学、生物作用复杂，且厚度在20cm左右，拟采用黑箱模型进行模拟。水流运动模型概化为一维均匀流即： (3)式中：q1为表土层下渗出水量；k为犁底层渗透系数；F为下渗水面积；t为下渗时间。硝酸盐迁移模型为： (4)式中，c0为进入表土层的硝酸盐浓度；q为进入表土层的水量；s为土壤中硝酸盐的残留浓度；s为土壤中硝酸盐的初始浓度；ws为表土层单位面积重量；cp为单位重量作物中硝酸盐的含量；wp为作物单位面积重量；c1为下渗水流出犁底层硝酸盐浓度。非饱和带模型：水流模型概化为垂向一维均匀流，即： (5)式中，q为非饱和带中下渗水流，即为表土层下渗出水量。硝酸盐在非饱和带土壤中的迁移模型概化为一维对流弥散模型，吸附模式为线性吸附：(6)式中，R为延滞因子；D为弥散系数；c为下渗水中硝酸盐浓度；Z为垂向坐标，向下为正；V为孔隙流速。含水层模型：假定硝酸盐渗入含水层后完全混合，污染物在地下水流场作物下产生平面二维迁移水流模型和硝酸盐迁移模型分别为： (7) (8)式中，h为水位；Kx，Ky为渗透系数；为补给量和蒸发量；为给水度；D为弥散系数。3.2技术路线项目实施的技术路线如图1所示：种植模式投入产出施肥（种类、时间、数量）灌溉（时间、水量）降雨频度、强度观测及雨水理化性质分析基础资料收集田间现场监测土壤理化性质分析
