ai/knowledge_base/agriculture/content/水源地周边种植业面源污染防控关键技术研究：以于桥水库流域为例.txt

彩插
第一章　于桥水库流域种植业面源污染防控必要性
一、于桥水库流域概况
于桥水库是引滦入津工程的重要调蓄水库，是天津市唯一的超大型居民生活饮用水水源地。于桥水库流域地跨天津、河北两地，东西长66km，南北宽50km，总面积2060.0km2，总库容15.59亿m3。于桥水库流域属温带大陆性季风型半湿润气候，流域内雨量充沛，多年平均降水量为748.5mm，降水量季节性分配差异很大，其中汛期6～9月的降水量约占全年总降水量的83%。流域内土壤类型有棕壤、褐土和潮土三大类型，在全国土壤分区中属褐土地区。三大类型土壤呈从北向南，从山区向平原的带状分布。流域地形差异显著，西北部为山区，海拔多在500m以上，中部为平原，南部为丘陵和低山区。全流域植被覆盖率约为20%，流域内现有的森林植被都是天然次生林和人工林，主要分布在山地丘陵区。全流域人口总数为70.34万人，人口密度为342.82km2，农业人口占总人口数的94.1%，均高于全国平均水平。农田面积占全流域面积的31.81%，是一个典型的农业耕作区。于桥水库库区周边包括9个行政乡镇，237个自然村，人口20.2万。库区周边面积336.93km2。其中，中低山丘陵112.02km2，占33.2%；台地88.48km2，占26.3%；山前洪积、冲积平原136.43km2，占40.5%。库区周边耕地6953.9hm2，园地3637.7hm2，林地12025.3hm2。农业种植主要农作物有小麦、玉米和蔬菜。
于桥水库每年向天津市供水约6亿m3，是天津市“水源生命线”的中枢。2001—2007年水质监测结果表明，于桥水库虽然总体水质良好，但如考虑总氮（TN）和总磷（TP）两项指标，水库总体水质为Ⅳ类。氮、磷的输入导致于桥水库水体呈富营养化趋势，严重时水质已达Ⅳ～Ⅴ类。于桥水库富营养化对饮水安全造成较大的威胁，一旦出现蓝藻突发等事故，对于一个拥有1100万人口、地表水源占供水总量70%以上的城市将是不可想象的。于桥水库水体富营养化发展很快，水环境正遭受着越来越严重的污染和破坏，TP、TN含量不断升高，其负荷量分别来自流域面源污染和库区周边面源污染，水库库区面源污染已经大大超过了点源污染，成为于桥水库污染的最大污染源。面源污染已成为于桥水库污染和富营养化控制的重点。据初步调查，于桥水库周边平原区的农业活动，对水库面源污染贡献的份额占有很大的比重。因此，做好库区周边农业面源污染防控，对水库的水质改善起到举足轻重的作用。
二、面源防控研究现状
农业面源污染是指在农产品生产过程中，农药、化肥以及畜禽粪便等各种污染物，在降水、灌溉等多种因素的影响下，以径流、淋溶等形式汇入水环境中，从而引起水体污染（王朝辉等，2002；刘霞，2016）。2010年由我国发布的《第一次全国污染源普查公报》显示，全国农业污染源年排放总氮270.46万t，总磷28.47万t。其中，种植业氮、磷流失严重，总氮、总磷流失量分别为159.78万t、10.87万t，分别占农业氮、磷污染总量的59.08%、38.18%，重点流域种植业氮、磷污染物流失量分别为71.04万t、3.69万t（宋家永等，2010；李小飞，2017）。
种植业土壤氮、磷主要以地表径流和地下淋溶两种方式流失（丘雯文等，2018）。降水或灌溉后土壤中的氮、磷随水分向下迁移，至植物根系以下后不能被植物吸收利用，造成氮、磷损失并引起深层土壤和地下水中氮、磷含量增加，从而引起一系列的环境问题，危害人体健康（文军等，2004）。统计表明，全球因淋溶而造成的氮素损失占氮肥施用量的10%～40%。从2007年第一次全国污染源普查开始，我国根据6个农业种植区及54个种植模式的分布特征，在全国布设了412个长期定位监测试验（含45个重点监测点），长期观测我国不同区域农业面源污染基本情况，10年的例行监测结果显示：南北方面源污染排放有显著差距，南方种植业氮、磷流失基本以地表径流为主，北方以地下淋溶为主；在不同种植模式中，以设施菜地氮素排放强度最高，是粮田的5～10倍。
随着我国农业发展转型的不断加快，2003—2014年我国农业面源污染排放强度总体呈下降趋势，但东中部部分省份二、三产业相对发达，对农业的挤出效应较强，其农业发展更加依赖于化肥、农药、农膜等农业化学品的使用，导致农业面源污染问题依然严峻。尤其是天津、山东、安徽等地区，近年来农业面源污染排放强度始终保持在较高水平（＞250kg/hm2）。研究表明，在北京、天津、山东等集约化种植地区，存在将肥料溶于水中然后进行漫灌等不合理的田间管理措施，导致土壤氮、磷累积量大，氮、磷淋溶流失严重（张维理等，2004）。因此，在农业向“精准农业”发展转型期，田间管理措施对种植业氮、磷淋溶损失影响较大，对其研究有助于地下水污染控制与治理。
为应对日益严重的水环境污染，美国在1977年年底制定了清洁水法案，控制污水排放，自此以后，各国纷纷开展农业面源污染的研究。目前，对农业面源污染的研究已经形成了较为成熟的两种思路，一种以模型预测为主，另一种以工程模式为主。
国外对面源污染的研究大多以模型预测为主，首先是对农业面源污染进行调查分析并对污染物进行现场监测，基于流域开展模型模拟与情景分析，运用不同的模型模拟不同管理方式下的面源污染负荷分布，探讨可能的最佳管理措施（Walling et al., 2003; Jaepil et al., 2008）。该研究方法大大提高了对农业面源污染研究的工作效率，易于提取区域性面源污染的共性特征。但是由于农业面源污染的模型基本上是在水文动力学、作物生长等模型的基础上发展而来，因此与实际农业生产活动产生的污染存在一定的偏差。另外，模型参数率定难度较大，且实际农业生产情况复杂，选择适宜的模型较困难。
以工程模式为主的研究思路主要是对农业面源污染进行调查分析并对污染物进行现场监测。在此阶段中，对污染物进行产排污系数测算，选用源头控制、过程拦截、末端净化3种技术手段进行防治，制订合理的工程模式，针对不同的种植模式探讨最佳管理措施（best management practices，BMPs）。目前，我国对面源污染的研究主要采取以工程模式为主的思路，并在农业面源污染物机制、监测、防控等方面做了大量研究，为环渤海、三峡生态屏障区等地编制了农业面源污染防治规划（刘宏斌，2016）。虽然此方法在测算实际污染物产排情况时过于细化，过程繁杂且工作量大，存在对区域性面源污染的共性特征提取较困难等缺点。但其数据量需求大，并针对特定的种植模式进行实际测算，因此得出的污染物产排系数较精确，可因地制宜地指导农业生产，合理调整种植业的分布模式，与农业生产结合紧密。根据污染物的迁移途径，农业面源污染监测可分为地表径流监测、地下淋溶监测、壤中流监测。地下淋溶监测方法有室内模拟法、土钻取样法、吸力杯法、淋溶盘法、渗滤池法和田间渗滤池法等。其中，田间渗滤池法相对于其他监测方法优势更大，设备安装方便，适用于各种土壤类型的农田进行集中安装，便于在大区域范围内执行同一标准，对土地破坏程度小，应用性强，便于长期定位监测，可进行定性和定量研究，并且监测结果更稳定，准确性更高。
目前，农业种植业面源污染无法采取集中治理的方法加以解决，但可以根据种植业特点采取针对性的措施减轻其危害。较为成熟的技术可以分为源头控制、过程拦截和末端净化三大类。
源头控制技术，主要通过优化农业生产工艺达到减少农业源污染物产生与排放的目标，包括清洁种植技术和清洁养殖技术。加快推广配方施肥、平稳施肥、病虫草害综合防治技术，制订切实可行的化肥、农药年度减施计划，从源头上减控种植业污染物。源头控制技术主要包括优化施肥技术、使用化学添加剂、种植制度优化技术等（Babu et al., 2011; Donjadee et al., 2013）。
过程拦截技术，是指在农业面源污染物产生以后，针对其迁移途径采用物理、化学或生物的方法进行拦截、降解或处理利用，从而降低污染物向水体的排放量，减轻农业面源污染。合理调整耕作措施，采用免耕—少耕、秸秆覆盖、等高种植、合理轮作及间作套种等耕作措施克服翻耕对土壤的扰动和结构破坏。过程拦截技术主要包括植物篱、生态沟渠、生态田埂技术等（Monica et al., 2005; Seo et al., 2008）。
末端净化技术，指在污染产生后，针对污染类型采取相应的工程措施进行污染治理、净化的综合防治技术。末端净化技术主要包括前置库、人工湿地等（Sun et al., 2008；李海强等，2016）。
减量施肥是指通过改进施肥技术和种植模式、研制专用肥料、测土配方施肥等技术手段，在不影响作物产量和品质的前提下，提高作物对化肥的利用率，减少化肥施用量。自20世纪80年代起，西欧各国就开始减少化肥施用量（张维理，1998）。目前，我国对化肥减施试验也进行了大量的研究。李旭等（2015）通过田间原位监测试验研究了尿素不同施用量对稻田土壤氮、磷淋失的影响，结果表明，控释氮肥减氮30%（氮肥用量105kg/hm2）使稻田土壤TN、、渗漏损失量分别显著减少28.53%、34.17%、29.51%。雍太文等（2014）通过大田试验表明，减量施氮（180kg/hm2）处理下玉米和大豆产量、氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率显著提高。陈裴裴等（2014）研究表明，减施有机无机肥（减氮40%）在不减产的前提下，肥料农学利用率与常规施肥接近，具有经济和环境双重效益。韦高玲等（2016）研究表明，在常规施肥水平下减量施肥30%使菜地土壤渗漏液中总氮（TN）、硝态氮（）、总磷（TP）、溶解态磷（DP）浓度分别显著降低了58.4%、59.0%、44.6%、43.8%。因此减量施肥不仅是降低农业投入的综合措施，也是降低土壤氮、磷淋失风险和治理种植业面源污染的有效措施。
植物篱是指由植物组成的无间断性或接近连续的较窄的密集的植物带。其根部或近根部互相靠近形成带状，或由主、副林带组成网格状。这种植物群体形成的封闭篱带具有短期防护作用。不同地方适合选用的植物篱种类不同，目前，我国三峡库区植物篱类型主要为黄荆、马桑、木槿和新银合欢等；红壤坡耕地区有黄花菜和百喜草等；紫色土区主要是香根草和紫羊蹄甲等；黄土高原区主要是柠条锦鸡儿、沙棘、香椿和龙须草等乡土树种；河北张家口、山西平陆等地主要是黄花菜、矮化石榴等。国内外对植物篱的研究主要集中在植物篱—农作物系统降低降雨侵蚀、拦截地表径流、减小径流流速、增强土壤保水性、改善土壤结构、提高土壤结构性能等方面（Fan et al., 2003；马云等，2010; Lenka et al., 2012）。Bu等（2008）研究表明，植物篱可显著提升土壤肥力、增强土壤结构稳定性，经植物篱处理后土壤有机质、全氮、全磷含量是裸地处理的5～9倍。Lin等（2009）通过8年定位试验发现，土壤黏粒、有机质以及氮、磷等营养元素均在植物篱前富集。黎建强等（2011）研究结果表明，植物篱带内土壤孔隙度、含水量、水稳性团聚体含量、抗蚀指数、抗冲指数及土壤黏粒比带间土壤分别提高了18.8%、30.1%、139.3%、108.3%、95.9%和25.5%。然而，目前关于植物篱对土壤养分淋失拦截作用的研究报道较少。吴家森（2010）、许开平等（2012）研究了雷竹篱拦截氮、磷养分淋失的效果，结果发现，经植物篱拦截削减后，土壤淋溶液中氮素浓度有下降的趋势，截留率可达61.0%，这表明植物篱可降低氮、磷淋溶流失风险，在控制农业面源污染方面具有较大的应用推广价值。在我国北方地区，农业面源污染物排放以地下淋溶为主的情况下，植物篱拦截土壤养分淋失作用具有重要的研究价值（张凤云等，2012）。
肥料增效剂可通过物理或者化学的方法抑制肥料的流失或者降解，从而达到肥料缓释增效的效果。肥料增效剂的使用，是提高肥料利用率的有效途径（陈雷等，2015；乔红进等，2015）。从20世纪50年代开始就有学者研究肥料增效剂，大量研究表明，使用肥料增效剂可以减少肥料用量，简化施肥方式，降低施肥成本，提高肥料利用率，促进农业可持续发展（黄益宗等，2002；全智等，2011）。最初对肥料增效剂的研究主要集中在硝化抑制剂和脲酶抑制剂对氮素的影响，抑制剂可以延缓尿素水解，减少氨挥发损失，降低亚硝化细菌活性，促进作物生长，提高作物产量和品质。目前已经筛选出多种肥料增效剂种类，有关报道表明脲酶抑制剂（徐星凯等，2000）、聚天冬氨酸（冷一欣等，2002；曾艳等，2014）、腐殖酸钠（逄焕成等，2005）、PAL（凹凸棒土）（张建军等，2011）、纳米碳（王飞等，2015）等作为肥料增效剂均能明显降低肥料中养分释放速度，使作物能充分吸收利用，提高肥料利用率和作物产量。罗壳素肥料增效剂是以海洋的虾、蟹壳和天然植物的提取物为原料，经氨基肥料—催化剂混合动力系统提炼形成的纳米级程度的独特水基天然产品，富含钙、镁、硼、锌、铜等植物所需的中微量元素，是一种环境友好型的新型肥料增效剂。其纳米增效技术作用机制包括以下四个方面：①生长动力增效，提高叶绿素捕捉光能的能力，促进植物加速生长；②吸收动力增效，提高根部、叶面的营养吸收能力，增强细胞组织间营养长距离运输的靶向性；③调节动力增效，调控肥料养分与土壤间离子交换合成有效物质，增强植物防御体系；④营养动力增效，颗粒体积小，能容纳更多的肥料养分。目前，罗壳素肥料增效剂在蔬菜、水稻、小麦、果树和烟叶等作物上进行了应用研究，但当前关于在减量施肥的条件下喷施罗壳素肥料增效剂增效效果的研究报道较少，因此对其肥料增效效果的研究十分必要。
三、政策市场需求分析
1．是深入贯彻落实党中央、国务院重大战略部署的必然要求
党中央、国务院领导多次作出重要指示，要求采取有效措施，防治农业面源污染。从2006年开始，连续下发的中央1号文件都把面源污染防治工作摆到重要位置，多次提出“加大力度防治农业面源污染”“加强农村环境保护，减少农业面源污染”“治理农业面源污染”。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》等，都明确要求加强面源污染防治。党的十八大报告明确提出“努力建设美丽中国”，中央1号文件也作出了“努力建设美丽乡村”部署。开展于桥水库周边种植业面源污染综合防控技术研究，是建设美丽乡村的主要内容，是贯彻落实党中央、国务院重大战略部署的必然要求。
2．是实施《美丽天津建设纲要》、加强美丽天津和生态文明建设的重要内容
国务院国发〔2006〕62号文件指出，将天津市逐步建设成为经济繁荣、社会文明、科教发达、设施完善、环境优美的国际港口城市，北方经济中心和生态城市。《天津生态市建设规划纲要》也提出，必须确保资源高效利用、生态良性循环、人居环境优美。天津市委、市政府2013年发布的《美丽天津建设纲要》旨在将天津建成国际港口城市、北方经济中心和生态城市。习近平总书记在天津考察时，明确要求加快美丽天津建设。加强于桥水库周边种植业面源污染治理，保护和改善于桥水库水质环境和生态环境，确保生态良性循环，是推进美丽天津和生态文明建设的重要内容。
3．是坚持以人为本，保障人民群众身体健康和生命安全的重大需求
饮用水安全是百姓赖以生存的基础。天津市是资源型缺水城市。在城市供水方面，于桥水库是天津市唯一的超大型居民生活饮用水水源地，每年向天津市供水约6亿m3，是天津市“水源生命线”的中枢，其水环境质量直接影响天津市区1100万人的健康与生存。实施于桥水库周边种植业面源污染综合防控，能够有效防治农业面源污染对水库水质的影响，推动水库水环境综合治理，切实保障天津市民的饮用水安全，维护人民群众身体健康和生命安全。
第二章　于桥水库周边农村生产生活排污情况调研
一、调研对象的筛选
本课题组成员于2017年6月12～16日，对天津市蓟州区于桥水库周边的农村生产生活排污情况开展问卷调查。
除了县城区域和水库库区地以外，选取与于桥水库毗邻的乡镇6个，分别为水库北岸的渔阳镇、穿芳峪乡、马伸桥镇；水库南岸的别山镇、五百户镇、西龙虎峪镇。其中，五百户镇的村庄均已搬迁，故不作为本次调研对象。调研的5个乡镇地理位置见图2-1。
图2-1　调研乡镇地理位置
上述的每个乡镇分别选取两个村庄开展问卷调查，共计10个村庄作为此次的调研对象。问卷分为村级问卷和农户问卷两种类型，村级问卷主要是村干部和技术人员填写，农户问卷主要是农民填写。调研村庄的具体情况见表2-1。
表2-1　调研村庄具体情况
二、村级调研情况
1．种植业情况
种植业情况调研主要包括作物品种、种植面积、施肥类型、施药类型等方面（图2-2至图2-5）。
在本次调研的10个村庄中，渔阳镇的逯庄子村和白庄子村农田已经在2014年全部流转。马伸桥镇的太平庄村有40%农田已经流转。其余村庄的农田均在种植作物。
图2-2　别山镇大康庄村和马各庄村调研
图2-3　西龙虎峪镇燕各庄村和西龙虎峪村调研
别山镇大康庄村：主要种植小麦、玉米、马铃薯、葱，均用复合肥撒可富。农药以虫酰肼、吡虫啉、中生菌素、代森锰锌、农思它、快锄等为主。
别山镇马各庄村：主要种植小麦、玉米、马铃薯、白菜、胡萝卜、设施蔬菜（番茄、花椰菜）等，复合肥以撒可富、史丹利为主。农药主要为吡虫酰胺、咔嚓灵、农思它。
西龙虎峪镇燕各庄村和西龙虎峪村：主要种植小麦、玉米，均使用复合肥料，品牌以丹王、鄂中为主。农药主要以除草剂和杀虫剂为主，品种以高效氯氟氰菊酯、高氯·吡虫啉、草铵膦、莠去津为主。
马伸桥镇上古庄村：主要种植小麦、玉米、绿化树木，均使用复合肥，品牌以丹王、鄂中为主。农药主要以除草剂和杀虫剂为主，品种以高效氯氟氰菊酯、莠去津为主。
图2-4　马伸桥镇上古庄村和太平庄村调研
马伸桥镇太平庄村：主要种植玉米、小麦、蓝莓、苗木。玉米和小麦施用复合肥，蓝莓施用专用肥。农药主要以除草剂、杀虫剂为主。
穿芳峪乡刘相营村：主要种植小麦、玉米、绿化树木（海棠、国槐）。小麦和玉米施用复合肥（三元素复合肥），绿化树木施用鸡粪。农药主要为高氯菊酯。
穿芳峪乡刘庄户村：主要种植小麦、玉米、苹果、核桃、有机蔬菜、草莓。小麦和玉米施用复合肥（撒可富、史丹利），苹果和核桃施用专用肥，有机蔬菜和草莓施用有机肥（羊粪）。农药主要以杀虫剂和除草剂为主。
图2-5　穿芳峪乡刘相营村和刘庄户村调研
2．养殖业情况
养殖业情况调研主要包括养殖品种、规模、用途、药品投入、污水和粪便去向等方面。
目前，于桥水库周边的村庄，多数为禁养区，不存在大规模养殖情况，但有个别的散养农户。
在本次调研的10个村庄中，别山镇马各庄村有规模较大的养牛户1个，占地1000m2，养牛300头，主要用于售卖，无药品投入，养牛场污水和粪便的去向为农田。有规模较大的养马户1个，占地800m2，养马300匹，主要用于售卖，无药品投入，养马场污水和粪便的去向为农田。
西龙虎峪镇燕各庄村有规模较大的养牛户1个，数量140头，主要为肉用，药品投入主要为胃药，养牛场污水和粪便的去向为农田。
马伸桥镇上古庄村有鱼塘1.33hm2，品种为鲤和草鱼，年产2.5万～3万kg，主要为肉用，药品主要投入为消毒剂，污水的去向为河流。太平庄村有鱼塘0.67hm2，品种为鲤和草鱼，年产1万～1.5万kg，主要为肉用，药品主要投入为消毒剂，污水的去向为河流。
3．生活污水处理情况
生活污水调研主要包括农村生活污水的排放设施建设、处理设施建设、出水去向等情况。
在本次调研的10个村庄中，渔阳镇白庄子村，每户一个化粪池、渗水井，用于消纳生活污水。别山镇马各庄村、西龙虎峪镇燕各庄村、马伸桥镇上古庄村有污水沟渠。别山镇大康庄村和穿芳峪乡刘庄户村有污水管网，马伸桥镇上古庄村2017年规划修建污水管网，穿芳峪乡刘相营村正在修建污水管网和污水处理站，能够满足周边三个村的生活污水处理需求。冲厕水与浴室用水、厨房用水、生活洗涤用水均合流，污水去向为土壤下渗或农田。其余村庄没有相应的生活污水的排放设施和处理设施建设，生活污水直接泼到地面。
4．生活垃圾处理情况
生活垃圾调研主要包括村内垃圾桶布设、垃圾站建设、垃圾清运、垃圾处理等情况。
在本次调研的10个村庄中，各村均有垃圾桶布设，但无垃圾处理站。
渔阳镇逯庄子村和白庄子村：平均8个农户共用一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，清运频率为1d 1次，清运车为后装式压缩收集车，垃圾运送到县城集中处理，白庄子村有化粪池174个。
别山镇大康庄村和马各庄村：平均1个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为20 L（大康庄村）和50 L（马各庄村），大康庄村清运频率为1d 1次，马各庄村清运频率为1周3次，清运车为活动三轮收集车，垃圾运送到发电站，马各庄村有化粪池380个。
西龙虎峪镇燕各庄村和西龙虎峪村：平均10个农户共用一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，清运频率为1d 1次，清运车为活动斗式收集车，垃圾运送到镇垃圾处理厂。
马伸桥镇上古庄村和太平庄村：上古庄村平均4～5个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，太平庄村平均6～7个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为400 L，清运频率为1d 1次，清运车为侧装式密封收集车，垃圾运送到镇垃圾处理厂，太平庄村有化粪池400个。
穿芳峪乡刘庄户村和刘相营村：刘庄户村平均6～7个农户一个垃圾桶，刘相营村平均10个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，清运频率为1d 1次，清运车为侧装式密封收集车，垃圾运送到乡垃圾处理厂。
三、农户调研情况
1．种植业情况
种植业情况调研主要包括农家肥、化肥和农药的施用类型、施用量、施用频率等方面。
本次调研的61个农户的农田种植面积0.03～0.67hm2，主要种植品种是粮食作物（玉米、小麦）和露地蔬菜（马铃薯、萝卜、白菜、胡萝卜）。
粮食作物（玉米、小麦）施用的农家肥为牛粪和羊粪，每667m2施用量为40～150kg；施用的化肥为尿素和复合肥，品牌为撒可富、史丹利、人人富、万绿之源，每年每667m2平均用量25～100kg；农药主要以除草剂和杀虫剂为主，品牌以咔嚓灵、农思它、牛魔吃、莠去津、高氯·吡虫啉为主，每年每667m2平均用量0.25～1.5kg。
露地蔬菜（马铃薯、萝卜、白菜、胡萝卜）施用的农家肥为鸡粪、牛粪和羊粪，每667m2施用量为50～150kg；施用的化肥为复合肥，品牌为撒可富、史丹利，每年每667m2平均用量25～200kg；农药主要以除草剂和杀虫剂为主，品牌以咔嚓灵、灭虫灵、高氯·吡虫啉、农思它、牛魔吃、莠去津为主，每年每667m2平均用量0.25～2kg。
此外，本次调研农户的庭院种植面积均不足667m2。种植品种主要是菜豆、黄瓜、茄子、葱、白菜、辣椒、番茄、香菜、油菜。不施用化肥和农药，仅施用农家肥（牛粪、羊粪、鸡粪），随机用量。
2．养殖业情况
养殖业情况调研主要包括养殖品种、规模、用途、药品投入、污水和粪便去向等方面。
目前，于桥水库周边的村庄，多数为禁养区，不存在大规模养殖情况，但有个别的散养农户。在本次调研的61个农户中，散养农户有7个，规模较小，养殖面积3～50m2，养殖数量2～25头（匹、只）。主要品种为猪、牛、羊、鸡、鹅，主要用途为自家的肉用、蛋用，粪便产生量为1.5～10kg/d，粪便作为肥料，回用农田。用水量为0.5～100kg/d，污水直接倾倒地面。
3．生活污水处理情况
生活污水调研主要包括厨房用水、洗涤用水和冲厕水的用量、排放方式、最终去向等情况。
在本次调研的61个农户中，由于各村对村民的日常用水不收取水费，故多数人对家庭用水量等情况并不了解，仅有23个农户调查对象能够估算自家的用水情况。在这23个农户中，日常耗水量最多的是生活洗涤用水（2.5～150kg/d），其次为厨房用水（2.5～20kg/d），第三为厕所用水（1～5kg/d）。洗涤剂类型主要包括洗洁精、洗发水、沐浴露、香皂、肥皂、洗衣粉等。
别山镇马各庄村、西龙虎峪镇燕各庄村、马伸桥镇上古庄村有污水沟渠，别山镇大康庄村和穿芳峪乡刘庄户村有污水管网。这些村庄的农户生活污水排放途径主要为沟渠或者管道，其余农户选择直接向地面倾倒。
4．生活垃圾处理情况
生活垃圾调研主要包括厨余垃圾、卫生垃圾和可回收垃圾的产生量、收集方式、清运方式、清运频率等情况。
在本次调研的61个农户中，有33个农户调查对象能够估算生活垃圾产生量等基本情况。厨余垃圾主要是剩餐、叶菜瓜果、肉类，卫生垃圾主要是卫生纸、化妆品，可回收垃圾主要是纸类、塑料类、电器类。3种生活垃圾的产生量：卫生垃圾＞厨余垃圾＞可回收垃圾。由于农村养狗现象普遍，农户家的厨余垃圾产生量很少（0.25～0.5kg/d）。可回收垃圾主要是被农户收集后卖废品。卫生垃圾直接倒入垃圾桶。生活垃圾的收集方式为混合收集，清运频率为1d 1次，无预处理。
第三章　于桥水库周边农村生产生活污染物流失量估算
一、生活污水排放量
生活污水调研主要包括村内生活污水的处理情况和农户用水基本情况。村内生活污水的处理情况主要包括排放设施建设、处理设施建设、出水去向，农户用水基本情况主要包括厨房用水、洗涤用水和冲厕水的用量、排放方式、最终去向等情况。在开展生活污水排放方式和排放量调查的同时，采集生活污水并分析其中的污染物含量。
由于各村镇内的污水排放设施建设、处理设施建设等较统一，因此生活污水排放量差异主要是由于每天人均用水量差异所引起的。而每个农户的生活方式及生活习惯，决定了每天人均用水量。各村对村民的日常用水不收取水费，故多数人对家庭用水量等情况只能够进行估算。于桥水库周边乡镇生活污水及其污染物排放情况见表3-1。
渔阳镇调研村庄包括逯庄子村和白庄子村。其中逯庄子村用水来源为机井取水，生活污水主要通过管道排走，有一小部分会直接泼到地面。白庄子村用水来源为水塔，每户一个化粪池、渗水井，用于消纳生活污水，或通过排水沟排走。将逯庄子村和白庄子村生活污水生产情况作为渔阳镇生活污水生产情况的代表，渔阳镇生活污水人均产量为59.53 L/d，人均生活污水排放量为36.91 L/d。根据污染物排放系数和该镇人口数可知，渔阳镇每年通过生活污水排放TN 65027.48kg，TP 5789.47kg。
表3-1　于桥水库周边乡镇污水及其污染物排放情况
别山镇调研村庄包括大康庄村和马各庄村。其中大康庄村用水来源为机井取水，生活污水主要通过污水排放沟渠或污水管网排走。马各庄村用水来源为自来水，生活污水主要通过排水管道排走及直接向地面倾倒，其中农户将生活污水直接泼向地面现象较多。将大康庄村和马各庄村生活污水生产情况作为别山镇生活污水生产情况的代表，别山镇生活污水人均产量为30.63 L/d，人均生活污水排放量为18.99 L/d。根据污染物排放系数和该镇人口数可知，别山镇每年通过生活污水排放TN 8843.79kg，TP 787.41kg。
西龙虎峪镇调研村庄包括燕各庄村和西龙虎峪村。其中燕各庄村用水来源为机井取水，西龙虎峪村用水来源为自来水，生活污水均是通过排水管道或排水沟渠排放。将燕各庄村和西龙虎峪村生活污水生产情况作为西龙虎峪镇生活污水生产情况的代表，西龙虎峪镇生活污水人均产量为166.76 L/d，人均生活污水排放量为103.39 L/d。根据污染物排放系数和该镇人口数可知，西龙虎峪镇每年通过生活污水排放TN 43873.29kg，TP 3906.27kg。
马伸桥镇调研村庄包括上古庄村和太平庄村。上古庄村和太平庄村用水均为机井取水或自来水。上古庄村生活污水排放方式主要通过直接向地面倾倒或排入渗水池，自然渗漏。上古庄村2017年规划修建污水管网。太平庄村生活污水主要通过污水管网排走。将上古庄村和太平庄村生活污水生产情况作为马伸桥镇生活污水生产情况的代表，马伸桥镇生活污水人均产量为77.06 L/d，人均生活污水排放量为47.74 L/d。根据污染物排放系数和该镇人口数可知，马伸桥镇每年通过生活污水排放TN 27882.67kg，TP 2482.54kg。
穿芳峪乡调研村庄包括刘庄户村和刘相营村。刘庄户村与刘相营村用水均为自来水，生活污水也都通过管道排走。其中刘相营村正在修建污水管网和污水处理站，能够满足周边三个村的生活污水处理需求。将刘庄户村和刘相营村生活污水生产情况作为穿芳峪乡生活污水生产情况的代表，穿芳峪乡生活污水人均产量为153.24 L/d，人均生活污水排放量为95.01 L/d。根据污染物排放系数和该镇人口数可知，穿芳峪乡每年通过生活污水排放TN 25820.82kg，TP 2298.96kg。
二、生活垃圾产生量
生活垃圾调研包括对村级及农户的垃圾排放、清运及处理情况。村级调研主要包括垃圾桶布设、垃圾站建设、垃圾清运、垃圾处理等情况。农户调研主要包括厨余垃圾、卫生垃圾和可回收垃圾的产生量、收集方式、清运方式、清运频率等情况。在开展生活垃圾排放方式和排放量调查的同时，采集生活垃圾并分析其中的污染物含量。
在本次调研的10个村庄中，各村均有垃圾桶布设，但无垃圾处理站。农户对垃圾的收集方式均为垃圾袋或垃圾桶收集，将垃圾清运到村里布设的垃圾收集站，每天清运1次，各农户对垃圾均不进行预处理。
由于人口数、组成、生活水平等因素，各户生活垃圾的产生量有所不同。农户根据自家生活垃圾生产情况估算各类生活垃圾产生量。于桥水库周边乡镇生活垃圾及其污染物排放情况见表3-2。
表3-2　于桥水库周边乡镇生活垃圾及其污染物排放情况
渔阳镇逯庄子村和白庄子村，平均8个农户共用一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，村内对垃圾桶1d清运1次，清运车为后装式压缩收集车，垃圾运送到县城集中处理。以逯庄子村和白庄子村生活垃圾生产情况作为渔阳镇生活垃圾生产情况的代表，渔阳镇生活垃圾人均产量0.34kg/d，根据生活垃圾中污染物的质量分数及该镇人口数，每年渔阳镇通过生活垃圾排放TN 240480.70kg，TP 70662.57kg。
别山镇大康庄村和马各庄村，平均1个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为20 L（大康庄村）和50 L（马各庄村），大康庄村清运频率为1d 1次，马各庄村清运频率为1周3次，清运车为活动三轮收集车，垃圾运送到发电站。以大康庄村和马各庄村生活垃圾生产情况作为别山镇生活垃圾生产情况的代表，别山镇生活垃圾人均产量0.55kg/d，根据生活垃圾中污染物的质量分数及该镇人口数，每年别山镇通过生活垃圾排放TN 103372.77kg，TP 30374.94kg。
西龙虎峪镇燕各庄村和西龙虎峪村，平均10个农户共用一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，清运频率为1d 1次，清运车为活动斗式收集车，垃圾运送到镇垃圾处理厂。以燕各庄村和西龙虎峪村生活垃圾生产情况作为西龙虎峪镇生活垃圾生产情况的代表，西龙虎峪镇生活垃圾人均产量0.15kg/d，根据生活垃圾中污染物的质量分数及该镇人口数，每年西龙虎峪镇通过生活垃圾排放TN 25985.52kg，TP 7635.56kg。
马伸桥镇上古庄村和太平庄村，上古庄村平均4～5个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，太平庄村平均6～7个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为400 L，清运频率为1d 1次，清运车为侧装式密封收集车，垃圾运送到镇垃圾处理厂，太平庄村有化粪池400个。以上古庄村和太平庄村生活垃圾生产情况作为马伸桥镇生活垃圾生产情况的代表，马伸桥镇生活垃圾人均产量2.87kg/d，根据生活垃圾中污染物的质量分数及该镇人口数，每年马伸桥镇通过生活垃圾排放TN 675654.14kg，TP 198533.44kg。
穿芳峪乡刘庄户村和刘相营村，刘庄户村平均6～7个农户一个垃圾桶，刘相营村平均10个农户一个垃圾桶，垃圾桶大小为300 L，清运频率为1d 1次，清运车为侧装式密封收集车，垃圾运送到乡垃圾处理厂。以刘庄户村和刘相营村生活垃圾生产情况作为穿芳峪乡生活垃圾生产情况的代表，穿芳峪乡生活垃圾人均产量0.48kg/d，根据生活垃圾中污染物的质量分数及该镇人口数，每年穿芳峪乡通过生活垃圾排放TN 52530.89kg，TP 15435.62kg。
三、农业产排污情况
种植业情况调研主要包括村级和农户调研。村级调研主要包括作物品种、种植面积、施肥类型、施药类型等方面。农户调研主要包括农家肥、化肥和农药的施用类型、施用量、施用频率等方面。
在本次调研的5个乡镇中，由于土地利用情况不同，因此各乡镇的种植情况以及肥料施用情况等差别较大。但各乡镇主要种植的粮食作物是小麦和玉米。表3-3为于桥水库周边乡镇种植业氮、磷流失情况。
表3-3　于桥水库周边乡镇种植业氮、磷流失情况
渔阳镇调研村庄包括逯庄子村和白庄子村。其中逯庄子村主要种植的粮食作物为玉米，蔬菜主要有白菜、菜豆、葱等。每户种植面积相对较小，基本在0.067～0.2hm2。该村农户一般施用尿素及金正大复合肥，农药一般只用莠去津除草剂。有些农户不施用任何肥料及农药，生产绿色食品。白庄子村农田已经在2014年全部流转，农户一般会在自家庭院或门前屋后种植一些蔬菜，主要有黄瓜、菜豆等。种植面积主要根据自家庭院面积决定，大小不等，为2～130m2。由于种植面积较小且所种植的蔬菜供自家食用，农户均不喷洒农药，基本不进行施肥。有个别庭院较大的农户，种植蔬菜相对较多的农户会施用有机复混肥。将逯庄子村和白庄子村作为渔阳镇种植业代表，渔阳镇每年每667m2总施氮量为16.61kg，每年每667m2总施磷量为4.49kg，根据TN、TP的流失系数以及渔阳镇的耕地面积，得出渔阳镇每年TN流失量为4988.80kg，TP流失量为209.05kg。
别山镇调研村庄包括大康庄村和马各庄村。其中大康庄村种植以小麦、玉米、马铃薯、葱为主。每户种植面积为0.15～0.67hm2，均用撒可富复合肥，有些种植面积较大的农户施用羊粪。农药使用较少，均不使用杀虫剂，除草剂以硝磺·莠去津等为主。马各庄村主要种植小麦、玉米、马铃薯、白菜、胡萝卜，设施蔬菜有番茄、花椰菜等。每户种植面积相对较大，基本为0.4～1.6hm2。复合肥以撒可富、史丹利为主。农药使用较为普遍，主要为吡虫啉、咔嚓灵、农思它等。将大康庄村和马各庄村作为别山镇种植业代表，别山镇每年每667m2总施氮量为25.69kg，每年每667m2总施磷量为7.90kg，根据TN、TP的流失系数以及别山镇的耕地面积，得出别山镇每年TN流失量为19726.16kg，TP流失量为940.43kg。
西龙虎峪镇调研包括燕各庄村和西龙虎峪村。燕各庄村种植以小麦、玉米为主，其次为菜豆、葱等蔬菜，种植面积为0.093～0.43hm2，主要施用尿素、有机复混肥、复合肥料等，品牌以万绿之源、人人富等为主。各别农户施用农家肥鸡粪。杀虫剂与除草剂主要以高氯·吡虫啉和草铵膦为主。西龙虎峪村大部分农户种植绿化树、核桃、榛子、栗等树苗，也有一部分农户种植小麦、玉米、花生等作物，各农户种植面积为0.13～0.67hm2。由于该村主要种植树苗，一般农户基本上不施用农家肥或化肥，只有少部分农户施用猪粪或者复合肥等，复合肥主要以丹王、鄂中为主。农户使用农药情况也相对较少，杀虫剂以高效氯氟氰菊酯为主，其次是高氯·吡虫啉等。除草剂主要以草铵膦为主，其次是莠去津等。将燕各庄村和西龙虎峪村作为西龙虎峪镇种植业代表，西龙虎峪镇每年每667m2总施氮量为26.78kg，每年每667m2总施磷量为14.41kg，根据TN、TP的流失系数以及西龙虎峪镇的耕地面积，得出西龙虎峪镇每年TN流失量为25009.83kg，TP流失量为2086.46kg。
马伸桥镇的调研包括上古庄村和太平庄村。上古庄村主要种植粮食作物玉米，各农户种植面积为0.033～0.33hm2，有很少几户农户承包土地种植绿化树。农户一般均会在庭院或房前屋后种植菜豆、葱、黄瓜等蔬菜，占地面积一般只有3m2左右。该村农户基本对玉米、树苗均施用复合肥，品牌以丹王、鄂中为主。农药主要以除草剂为主，杀虫剂使用较少。农药主要有高效氯氟氰菊酯、草甘膦为主。庭院种植的蔬菜不施用农药、化肥，各别户会施用人粪便。太平庄村有40%农田已经流转，其余农田均在种植作物。以玉米、小麦、蓝莓、苗木为主，玉米和小麦施用复合肥，蓝莓施用专用肥。农药主要以除草剂、杀虫剂为主。将上古庄村和太平庄村作为马伸桥镇种植业代表，该镇每年每667m2总施氮量为13.82kg，每年每667m2总施磷量为8.47kg，根据TN、TP的流失系数以及马伸桥镇的耕地面积，得出马伸桥镇每年TN流失量为6934.43kg，TP流失量为658.32kg。
穿芳峪乡的调研包括刘庄户村和刘相营村。刘庄户村主要种植小麦、玉米、苹果、核桃、有机蔬菜、草莓，其中，小麦和玉米施用复合肥（撒可富、史丹利），苹果和核桃施用专用肥，有机蔬菜和草莓施用有机肥（羊粪），草莓种植面积0.27hm2。农药主要以杀虫剂和除草剂为主。刘相营村主要种植小麦、玉米、绿化树木（海棠、国槐），种植面积较小，每户种植面积0.067～0.13hm2。小麦和玉米施用复合肥（三元素复合肥），绿化树木施用鸡粪。农药主要为高氯菊酯。各别农户只在庭院种植蔬菜，只施用羊粪和猪粪等农家肥，不施用化肥及农药。将刘庄户村和刘相营村作为穿芳峪乡种植业代表，该乡每年每667m2总施氮量为8.60kg，每年每667m2总施磷量为1.04kg，根据TN、TP的流失系数以及穿芳峪乡的耕地面积，得出穿芳峪乡每年TN流失量为1095.03kg，TP流失量为20.58kg。
第四章　种植业面源污染防控技术模式效果分析
一、植物篱／缓冲带模式效果对比
1．试验方案设计
为比较不同种植模式、植物篱／缓冲带植物配置对土壤淋溶液中氮、磷污染物流失的影响和作用，布置了4个处理。如表4-1所示，分别为：处理1（T1），常规种植模式，即只种植茄子，无植物篱；处理2（T2），套作种植模式，茄子与小白菜套作，无植物篱；处理3（T3），植物篱模式，茄子与小白菜套作，增加黄花菜／矮化石榴植物篱；处理4（T4），植物篱模式，茄子与小白菜套作，增加柠条锦鸡儿／沙棘植物篱。共4个试验小区，每个小区面积为30m×10m。试验期间，共施两次肥：第一次于2016年5月26日施磷酸二铵（含N 16%、含P2O5 46%）525kg/hm2；第二次于2016年6月22日施水溶肥（含N 18%、含P 22%）150kg/hm2。总施氮量与总施磷量（P2O5计）由两种肥料中氮、磷含量来计算，分别为111kg/hm2和317.10kg/hm2。
表4-1　植物篱试验地块方案设计
每个小区用植物篱将其均分为3个地块种植蔬菜，植物篱带宽2m，在每个地块中间分别设置淋溶装置，共设置12个淋溶装置。如图4-1所示。
图4-1　试验现场
试验获取淋溶水样方法为负压计法，在每次灌溉后或降雨后2～3d采集淋溶水样，于次日测定铵态氮、硝态氮、TN（总氮）以及TP（总磷）的浓度。同时在试验地周边布置雨量筒，测定降水量。
2．分析计算方法
（1）污染物淋失负荷累积量
式中：P为第i次淋溶污染物淋失量（kg）；C为第i次淋溶液中污染物的浓度（mg/L）；V为第i次淋溶液的体积（L）；n=1、2、3、4、5，即5次淋溶。
（2）污染物相对削减量

（3）污染物相对削减率

3．不同处理下的土壤淋溶液中氮素动态变化
不同处理对土壤淋溶液中氮素削减的动态变化如图4-2所示。淋溶液中TN、硝态氮与铵态氮浓度均呈现先升高后降低的趋势，这是由于两次施肥，养分下渗，而降水量在5～7月3个月较少，淋溶水量较低，导致氮素浓度大大提升，随后降水量突然增加，大部分养分淋溶完毕，导致淋溶液中氮素含量降低。可见施肥和降雨是影响土壤淋溶液养分的主要原因。
图4-2　不同处理对土壤淋溶液中氮素削减的动态变化
常规种植模式与套作模式在两次施肥后土壤淋溶液中TN浓度达到最大值，而两种植物篱模式在第一次施肥之后便达到峰值。两次施肥后，不同处理土壤淋溶液TN浓度：T1（139.230mg/L）>T2（105.398mg/L）>T4（81.307mg/L）>T3（55.925mg/L），说明套作种植与增加植物篱使植物根系固结与穿插作用增加，提高了土壤抗冲性与渗透性等抗侵蚀性能，因此施肥后的土壤淋溶液中TN浓度降低。
4．不同处理下的土壤淋溶液中氮素形态特征
不同处理淋溶液中TN、硝态氮及铵态氮浓度含量均值如表4-2所示，常规种植模式TN和硝态氮浓度分别是黄花菜／矮化石榴植物篱的1.66倍、1.85倍，而4个处理的铵态氮浓度相差不大。套作种植模式的TP浓度最小，为0.124mg/L。
表4-2　不同处理土壤淋溶液中各形态氮磷浓度含量（mg/L）
由表4-3可以看出，土壤氮素渗漏淋失形式以硝态氮为主，其平均浓度占TN的85.91%～95.74%，淋溶液硝态氮含量的动态变化与TN相似。相关研究指出，土壤中硝态氮浓度是决定氮素淋失多少的重要因素，过量施用氮肥会引起硝态氮在土壤中大量累积。张福珠等早些年就发现土壤氮素淋溶以为主，次之，仅占很小部分。农田土壤各种形态的氮素中，难以被土壤颗粒吸附，是土壤氮素转化、迁移过程中最活跃的氮素形态。
表4-3　不同处理土壤淋溶液中不同形态氮占全氮比例
图4-3　不同处理对土壤淋溶液中磷素削减的动态变化
5．不同处理对土壤淋溶液中磷素削减效果分析
不同处理对土壤淋溶液中TP削减的动态变化如图4-3所示。不同处理淋溶液TP浓度的变化总趋势为先升高后降低。2016年6月21日常规种植处理TP浓度到达峰值，为0.332mg/L；其他3个处理TP浓度均在7月13日到达最大值，分别为0.195mg/L（T2）、0.221mg/L（T3）和0.306mg/L（T4）。两次施肥后，养分随雨水下渗，但是由于磷易吸附在土壤胶体上，所以淋溶液中TP浓度较小，在8月2日时大部分养分已流失且降水量大，淋溶液中TP浓度明显降低。处理T2与T3淋溶液中磷素削减效果较明显，可能由于植物的吸收，也可能是不同植物根系改变了土壤的性质，进而增加了对磷素的吸附能力。
6．不同处理的土壤淋溶液中氮、磷淋失负荷累积
大部分植物根系分布在0～20cm土层中，其吸收养分主要集中在0～30cm土层，所以把离地表30cm深度的土层线作为养分淋失的临界线，当养分淋失到土壤30cm深度时可认为养分淋失。图4-4为不同处理土壤淋溶液中氮、磷淋失负荷累积量，其中两次施肥后常规种植模式的TN累积流失量大于其他处理。5次淋溶后常规种植模式T1的TN累积量达到31.239kg，分别为T2、T3、T4的1.07倍、1.81倍、1.14倍。硝态氮淋溶累积量与TN相似，而铵态氮在两次施肥后各处理增长情况相似，其中T2的累积量最小，为0.156kg。套作种植模式与植物篱模式5次淋溶后TP累积量相近，明显低于常规种植模式T1的TP累积量。TP的淋失负荷累积量远远小于TN，因此其淋失风险与TN相比较小。
图4-4　不同处理土壤淋溶液中氮、磷淋失负荷累积量
7．不同处理对土壤淋溶液中氮、磷削减效果分析
表4-4为处理T2、T3、T4相对常规种植模式的氮、磷相对削减量和相对削减率。其中，TN的相对削减量表现为T3（13.986kg）>T4（3.767kg）>T2（1.994kg），相对削减率为T3（44.77%）>T4（12.06%）>T2（6.38%），因此黄花菜／矮化石榴植物篱与其他处理相比对TN的削减效果最好。不同处理相对常规种植模式硝态氮的削减率与TN相似，但大于对TN的相对削减率。对于铵态氮，套作种植管理模式与其他处理相比削减效果最好，相对削减率达到22.39%。对TP的相对削减量表现为T2（0.040kg）>T3（0.038kg）>T4（0.030kg），相对削减率为T2（39.22%）>T3（37.25%）>T4（29.41%），可以看出T2与T3对TP的削减效果相近，与T4相比对TP的削减效果较好。
表4-4　不同处理相对常规种植模式的氮、磷削减量和削减率
可见，套作种植模式与植物篱处理对土壤淋溶液中氮、磷具有一定的削减效果。由于植物对氮、磷吸收能力以及氮、磷在土壤中吸附、溶解、迁移等不同，因此不同处理对氮、磷的相对削减率不同。套作种植模式对淋溶液中氮、磷含量均有明显的去除效果。黄花菜／矮化石榴植物篱与柠条锦鸡儿／沙棘植物篱相比，其可以更好地削减淋溶液中TN和硝态氮的含量，TN和硝态氮相对削减率分别为柠条锦鸡儿／沙棘植物篱的3.71倍、3.08倍。
8．小结
不同处理对土壤淋溶液中氮素浓度均呈现先升高后降低的趋势。两次施肥后，不同处理土壤淋溶液TN浓度：T1（139.230mg/L）>T2（105.398mg/L）>T4（81.307mg/L）>T3（55.925mg/L），不同处理土壤淋溶液中氮素淋失主要形态为硝态氮。TP淋失浓度低于氮素，常规种植处理在2016年6月21日TP浓度到达峰值，其他3个处理均在7月13日到达最大，其中T2与T3淋溶液中TP浓度较低。
氮、磷淋失负荷累积量分别为17.253～31.239kg和0.062～0.102kg。5次淋溶后常规种植模式（T1）TN累积量达到31.239kg，分别为T2、T3、T4的1.07倍、1.81倍、1.14倍。TP淋失浓度远低于氮素，其淋失风险小于TN，但套作种植模式与植物篱削减作用仍然明显。
不同处理在减少氮、磷淋失方面效果明显，但略有差异。对TN的相对削减量表现为T3（13.986kg）>T4（3.767kg）>T2（1.994kg），相对削减率分别为44.77%、12.06%、6.38%；对TP的相对削减量表现为T2（0.040kg）>T3（0.038kg）>T4（0.030kg），相对削减率分别为39.22%、37.25%、29.41%。其中套作种植模式对铵态氮及TP削减效果较好，相对削减率分别为22.39%、39.22%；黄花菜／矮化石榴植物篱对TN与硝态氮削减效果较好，相对削减率分别为44.77%、50.31%。综上所述，套作种植模式以及黄花菜／矮化石榴植物篱既可减少天津市氮、磷面源污染，又可改善土壤性质，在实际应用中具有较大的推广价值。
二、生态沟渠技术模式效果对比
1．试验方案设计
试验方案见表4-5。每条沟渠分别在进口、中间及出口采取水样，沟渠1的水样分别记为G1-1、G1-2和G1-3，平均值为G1，以此类推。
表4-5　生态沟渠试验方案
表4-5　生态沟渠试验方案（续）-1
2．不同生态沟渠模式TN处理效果分析
表4-6为生态沟渠水样TN含量变化，从中可以看出生态沟渠水样开始运行时TN数值波动较大，这是由于刚施工完成沟渠内的生态系统处于最初状态，还没有稳定，水样受天气、植物和土壤等因素影响较大。但不同模式下的生态沟渠中TN含量变化趋势相同，7月13日为施工后沟渠首次进水并采集水样，测得TN值较高，且不同沟渠模式的TN含量差值较大。运行一段时间后到8月2日时TN值明显降低，说明沟渠生态系统逐渐完善，水质逐步趋于稳定。8月12日可能由于进水或较大降雨等因素扰动了沟渠生态系统，使水中的TN含量增加。8月25日至10月14日生态沟渠受外界因素影响较小，逐渐进入平稳状态。
表4-6　生态沟渠水中TN含量（mg/L）
表4-6　生态沟渠水中TN含量（mg/L）（续）-1
图4-5为稳定后生态沟渠TN含量变化。从中可以看出，在生态沟渠生态系统趋于相对稳定后水中的TN含量依旧呈下降趋势。经过生态沟渠净化后，水中TN含量逐渐从地表水环境质量标准Ⅳ类变为Ⅲ类水甚至是Ⅱ类。7条生态沟渠水中TN含量变化幅度为G3>G5>G4>G7>G6>G1>G2，其中G1、G2、G4和G7变化较为一致且较为稳定。
图4-5　稳定后生态沟渠TN含量变化
G1与G2相比可以看出，G2的稳定性较好以及水中的TN含量比G1低，因此与自然条件下沟渠自然演替相比在沟渠中搭配种植水生蔬菜对水中氮的去除效果更好，说明沟渠中搭配种植的水生植物较合理，沟渠生态系统稳定性较高。
G2、G4和G5相比，G2的变化幅度最小，G5变化幅度最大。虽然G4的变化幅度比G2稍大，但是其水中TN含量一直处于缓慢下降状态，而G2是上下缓慢浮动后下降，总体下降趋势不如G4。因此在G2、G4和G5中G4模式相对较好，说明在沟渠中央区域种植空心菜好于水芹和茭白，这可能是因为不同水生蔬菜生长对氮的吸收量不同，导致水中TN含量不同。
G5、G6和G7相比，变化幅度为G5>G7>G6，G5与G7的变化趋势相似，先上升后下降。G7水中TN含量在下降后可以达到地表水环境质量标准Ⅲ类，甚至是Ⅱ类，而G5水中TN含量只达到了Ⅲ类。G6与G7相比，虽然G6变化幅度小，但G7上升后一直下降，而G6在10月14日水中TN含量向上浮动，TN含量在Ⅲ类和Ⅳ类之间。G5、G6和G7稳定后TN累积量对比G7最小。说明沟壁种植水葱、油莎草和梭鱼草相比梭鱼草对氮的净化效果较佳。
G2与G3中，G2在所有沟渠模式中变化幅度最小，G3在相对稳定后下降最快。在9月14日之后G3水中的TN含量稍小于G2，且变化趋势相似，有可能是因为增加透水砖影响植物扎根等问题。所以不增加透水砖模式较好。说明植物根系及其本身能阻挡水对土壤的扰动，生态系统更稳定。
综上所述，生态沟渠植物配置为沟渠中央区域种植空心菜，在沟渠进出口两侧搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，沟壁种植梭鱼草模式对TN的去除效果较佳。
3．不同生态沟渠模式铵态氮处理效果分析
表4-7为生态沟渠水样铵态氮含量变化，可以看出其变化趋势与生态沟渠水样TN含量变化相似，由刚开始运行的不稳定状态到逐渐稳定。
表4-7　生态沟渠水中铵态氮含量（mg/L）
图4-6为稳定后生态沟渠铵态氮含量变化。从中可以看出，在生态沟渠相对稳定后7条沟渠的铵态氮含量依然有所浮动，为先上升后下降的趋势。这一点与稳定后TN变化相似，不同的是铵态氮的变幅比TN相对较大。经过生态沟渠净化后，水中铵态氮含量基本上可达到地表水环境质量标准Ⅱ类水平，除G5、G6外到10月14日时其他沟渠铵态氮含量可达到Ⅰ类水水质标准。7条生态沟渠水中铵态氮含量变化幅度依次为G3
图4-6　稳定后生态沟渠铵态氮含量变化
G1与G2相比，G2水中铵态氮的变化幅度较小。且从图4-6中可以看出G2较稳定，其沟渠水中铵态氮含量在地表水环境质量标准Ⅰ类水平上下浮动。而G1稳定性不如G2，其水质基本属于地表水环境质量标准Ⅰ类。因此在沟渠的底部与沟壁进行植物配置比沟渠内自然生长出来的植物对水中铵态氮的去除效果好。可能因为人为搭配的植物更有目的性，也适合在沟渠内生长。
G2、G4和G5相比，从图4-6中可以看出G4和G5变化趋势一致，在9月8日时G5的波动较大些，之后其变化相差不大，而G2水中铵态氮含量则是在0.15mg/L即地表水环境质量标准Ⅰ类上下浮动，铵态氮含量低于G4和G5。因此在沟渠中种植水芹对铵态氮的去除效果比种植空心菜和茭白好。
G5、G6和G7相比，G5与G7变化趋势及范围十分相似，最后铵态氮含量稳定在地表水环境质量标准Ⅰ类水平上。G6水中铵态氮呈先上升后下降的趋势，在10月13日可能由于天气或采样等原因上浮，但水中铵态氮含量基本属于地表水环境质量标准Ⅱ类。因此在沟壁种植梭鱼草对铵态氮去除效果好，这与TN一致。
G2和G3相比，在图4-6中G2和G3铵态氮含量基本接近。因此增加透水砖对铵态氮的净化效果影响不大。
综上所述，生态沟渠植物配置为沟渠中央区域种植水芹，在沟渠进出口两侧搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，沟壁种植梭鱼草模式对铵态氮的去除效果较佳。
4．不同生态沟渠模式硝态氮处理效果分析
表4-8为生态沟渠水中硝态氮含量变化，从中可看出硝态氮含量呈现不稳定到逐渐稳定的过程。但是其变化与TN及铵态氮相比略有差别，表现在硝态氮含量在8月12日时波动最大，而不是在开始运行时。在8月25日时开始逐渐进入稳定状态，与TN及铵态氮保持一致，选取8月25日及之后作为相对稳定后的状态。
表4-8　生态沟渠水中硝态氮含量（mg/L）
图4-7　稳定后生态沟渠硝态氮含量变化
由图4-7可以看出G1、G2和G7效果明显较好。根据地表水环境质量标准中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值对硝态氮的规定为10mg/L，可以看出沟渠水中的硝态氮含量均符合其标准。因此生态沟渠植物配置为沟渠中央区域种植水芹，在沟渠进出口两侧搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，沟壁种植梭鱼草模式对硝态氮的去除效果较佳，与铵态氮一致。铵态氮、硝态氮与TN净化效果的区别在于水生蔬菜，可能由于水生蔬菜对其需求不同。
5．不同生态沟渠模式TP处理效果分析
表4-9为生态沟渠水中TP的变化，从中可以看出沟渠中的水开始运行时TP数值波动较大，到8月25日之后开始逐渐稳定，且不同模式的生态沟渠内TP含量变化趋势相同。与TN含量变化的区别是在不稳定状态时，TP的波动更大。可能是因为磷易吸附在土壤颗粒表面，前期水体因施工的影响含细小的悬浮颗粒物较多，每次进水或降雨对其TP含量影响较大。到沟渠生态系统逐步开始稳定时，系统对外界因素的扰动具有一定的缓冲作用。
表4-9　生态沟渠水中TP含量（mg/L）
图4-8为稳定后生态沟渠TP含量变化。从中可以看出，在8月25日至10月14日7条沟渠水中TP含量总体变化趋势是逐渐下降。经过生态沟渠净化后，7条生态沟渠水中的TP含量在10月14日时基本均达到了地表水环境质量标准Ⅲ类。7条生态沟渠水中TP含量变化幅度为G7>G2>G3>G6>G5>G4>G1。
图4-8　稳定后生态沟渠TP含量变化
G1、G2、G4和G5相比，G1、G4和G5水中TP含量变化幅度较小。图4-8中可以看出，G1从8月25日开始水中的TP含量一直处于逐渐降低趋势，G4水中TP含量先上升后下降然后趋于平稳，G5水中TP含量处于一直不断波动并逐渐下降趋势。但在9月14日时G4水中TP含量优于地表水环境质量标准Ⅲ类，而G1和G5在10月14日时水中TP含量达到地表水环境质量标准Ⅲ类。因此在沟渠中央种植空心菜，进出口两侧搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜比G1、G2和G5对TP的去除效果好。
G5、G6和G7相比，G5与G6水中TP含量变化趋势及幅度相似，与G7相比水中TP含量较低。因此与油莎草和梭鱼草相比在沟壁种植水葱对水中TP的净化效果更好。
G2与G3相比，从变化趋势上可以看出G2稳定得更快，可能是因为透水砖影响了植物扎根等生长，使沟渠生态系统稳定较慢。因此增加透水砖对沟渠净化磷没有起到效果。
综上所述，生态沟渠中央种植空心菜，进出口搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，沟壁种植水葱对水中TP的去除效果较好。
6．小结
根据对不同生态沟渠模式对水中氮、磷去除效果的分析，得出以下结论：
（1）在植物搭配种植方面　沟渠中央种植空心菜，进出口搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，对水中TN和TP的去除效果较好。稳定后TN含量为0.258mg/L，达到了地表水环境质量标准Ⅱ类，TP含量为0.094mg/L，达到地表水环境质量标准Ⅲ类。沟渠中央种植水芹，进出口搭配种植水生鸢尾、菱角、荇菜、水生美人蕉和千屈菜，对水中铵态氮、硝态氮的去除效果较好。其铵态氮含量为0.077mg/L，达到地表水环境质量标准Ⅰ类，硝态氮含量为0.005mg/L，符合地表水环境质量标准中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值10mg/L。在沟壁上种植梭鱼草有助于对水中氮素的去除，种植水葱有助于对水中TP的去除。
（2）在沟渠构建材料方面　自然沟渠比在沟渠的沟底和沟壁铺设透水砖对水中氮、磷的去除效果更好。到10月14日时自然沟渠水中TN、铵态氮、硝态氮以及TP含量分别为0.314mg/L、0.077mg/L、0.005mg/L和0.142mg/L。
三、田间管理措施效果对比分析
1．试验材料
供试作物选择大豆品种中黄34和萝卜品种富友红冠，两种作物品种品质较好，是天津市玉米良种场生长习性适宜的常用作物品种。
供试植物篱选择易于栽植和管理、抗逆性强、适应范围广的黄花菜／矮化石榴植物篱，购买于当地花卉苗木集市。
供试肥料选择养分均衡、肥效较好、环境友好型的测土配方专用肥。该肥料是以尿素、包膜尿素和磷酸一铵等肥料按一定比例混合制成的掺混肥料（28% N，14% P2O5，6% K2O），购买于天津市芦阳化肥有限公司。
供试肥料增效剂为水溶型罗壳素，主要含有纳米壳聚糖、复合氨基酸、有机质、抗坏血酸和锌、锰等元素，购买于无锡市罗壳素农药科技有限公司。罗壳素肥料增效剂是以甲壳素为基础原料，经过生物酶解技术、纳米磁化技术和纳米波技术得到的一种纯天然生物肥料，具有无毒、无害、无残留等优点。
2．试验设计
本试验针对试验区环境条件以及种植业面源污染状况，选用植物篱、减量施肥以及肥料增效剂3种种植业面源污染防治技术，设置了7种管理措施，在大豆／萝卜间作下进行田间小区试验。其中，植物篱选择与当地环境相适应的黄花菜／矮化石榴；根据有关减量施肥对土壤氮、磷淋失削减的报道，将施肥水平设置为常规施肥、减量施肥20%、减量施肥40%；罗壳素肥料增效剂喷施水平为供应商推荐喷施的浓度，即将水溶型产品稀释100倍和稀释200倍。7种管理措施如下：
处理1（L1），空白处理（不施肥，无植物篱，不喷施罗壳素）。
处理2（L2），常规施肥。
处理3（L3），常规施肥+植物篱。
处理4（L4），减量施肥20%+植物篱。
处理5（L5），减量施肥40%+植物篱。
处理6（L6），减量施肥40%+植物篱+稀释100倍的罗壳素。
处理7（L7），减量施肥40%+植物篱+稀释200倍的罗壳素。
每个处理重复3次，共21个试验小区，每个小区面积为64m2（8m×8m），小区坡度为5°，随机区组排列。各处理均在大豆／萝卜间作种植模式下进行，大豆（2条）与萝卜（2条）条带交错排列，每个作物条带宽约为1.7m。L3至L7处理中的黄花菜／矮化石榴植物篱设置在萝卜与大豆条带中间，每条植物篱宽约为30cm。7种管理措施以试验环境条件和当地农户施肥、种植等习惯为基准进行。在试验期间，化肥以基肥的形式施用一次，罗壳素肥料增效剂喷施在植物表面，共喷施两次，第一次喷施大豆、萝卜分别处于开花结荚期和幼苗期，第二次喷施大豆、萝卜分别处于成熟期和肉质根生长期。表4-10为不同处理具体管理措施。
表4-10　不同处理具体管理措施
3．田间管理
本试验中大豆、萝卜种植均采用直接播种的方式，种植密度分别为225000株/hm2、31500株/hm2。黄花菜／矮化石榴植物篱种植采用移栽的方式，黄花菜按穴距10cm、2～3株／穴的种植密度进行种植，矮化石榴株距为2m。试验地区灌溉采用微灌的灌溉方式，灌溉频率及灌溉量依据试验期间降雨情况及当地农民经验，控制灌溉水量保证灌溉后小区内无径流水产生（即灌溉水仅产生水分下渗）。除草剂、农药使用等均遵循当地农民传统的种植方法进行。
试验期从2017年5月25日开始（种植大豆）到2017年11月1日（最后一次采集淋溶水样）结束，共161d。本试验具体种植管理安排如下：2017年5月25日播种大豆，6月9日施基肥，6月11日灌溉，7月22日播种萝卜，7月31日喷施罗壳素，9月18日灌溉，9月25日喷施罗壳素，10月5日采收大豆，10月26日采收萝卜。
4．样品采集与测定
土壤样品采集：布置田间试验前，采集基础土样分析土壤pH、有机质、TN、TP、碱解氮、有效磷和CEC。取样方法：试验区土样按梅花形布点法进行5点混合取样，用土钻取耕作层0～20cm的表层土并装入塑料密封袋，所有土壤样品及时运送回实验室进行分析测定。
目前，存在多种土壤淋溶液采集方法，其中田间渗滤池技术具有安装方便、适用于各种土壤类型、对土壤破坏强度小、不影响农田管理等优点（刘宏斌，2015），因此本试验采用此方法对土壤淋溶液进行原位监测，试验淋溶液收集装置与现场采样情况如图4-9所示。淋溶液收集装置地上部分由采样瓶、缓冲瓶、真空泵和连接管组成，地下部分由过滤砂层、集液膜、淋溶采集桶等部分组成。过滤砂层为用稀酸与清水反复清洗干净的粒径2～3mm的石英砂。集液膜为2块聚乙烯膜，厚度为0.1mm，尺寸分别为3.5m×1.2m和2.8m×1.9m。淋溶采集桶为聚乙烯材料的圆柱形水桶，体积约为69 L（直径50cm，高35cm），埋深60cm。
图4-9　淋溶液采集装置与现场采样示意
试验前在每个小区中心各埋设一套淋溶液收集装置，具体方法：在每个小区中间位置挖一个长1.5m、宽0.8m、高0.6m的四壁平齐的土壤剖面，挖出的土壤按层次堆放在周围标明土层编号的塑料袋薄膜上。再将土壤剖面底部修理成周围高出中心5cm左右的倒梯形，然后在剖面中心位置再下挖一个直径50cm、深35cm的小剖面，压实底部，将淋溶液收集桶垂直放入小剖面中，盖上尼龙网，铺设集液膜，连接抽液管，向淋溶桶盖上压上压膜环，将环内的塑料膜沿内缘剪去，随后安装通气管与过滤砂层，并将土壤分层填入、埋实，回填至30cm时，剪去多余的集液膜，将抽液管、通气管穿过套管并垂直立于表土，最后回填最上层表土。
淋溶样品采集和降水量测定：利用真空泵，产生负压，抽取全部淋溶液，先量取淋溶液体积。将水样分别混合均匀后各取500mL装入洗净并晾干的聚乙烯瓶中，若不足500mL的则全部收集带回，加酸固定，编号标记放置冰块的保温箱带回实验室。于4℃条件下保存，在24h内测定其中TN、、以及TP含量。采样时间根据降雨及田间水分淋溶情况而定，每次所有采样点的水样在1d之内收集完。试验期间共采样9次，采样日期分别为2017年6月9日、6月28日、7月11日、8月1日、8月7日、8月22日、9月22日、10月13日、11月1日。试验期间，每天降水量通过在试验地周边布置雨量筒进行测定。
植物样品采集：于成熟期测定各小区作物产量并采集作物植株样品。遵循代表性和典型性的原则，在每个试验小区中分别选取长势一致的植物样段，取萝卜样品5株，大豆样品10株。将萝卜样品分地上和地下两部分，洗净后称重，然后取部分代表性样品105℃下杀青30min后继续在75℃烘至恒量，测定干物质重；将大豆植株样品按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开，在105℃下杀青30min后继续在75℃烘至恒量，测定干物质重。烘干后的大豆、萝卜样品粉碎后过60目筛，测定TN、TP含量。
本试验土壤样品基本理化性质的测定参照《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）。淋溶样品和植物样品的各项指标测定方法均依照国家标准测定方法进行，所有样品根据测定指标样品进行前处理后，用流动分析仪（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Norderstedt，Germany）测定其氮、磷含量。样品各指标具体采用的测定方法见表4-11。
表4-11　样品检测指标及测定方法
5．数据分析
（1）氮素淋失量计算公式

（2）总氮表观淋失率计算公式

（3）总氮净淋失率计算公式

（4）氮素淋失削减率计算公式

6．不同管理措施对土壤氮素淋失的影响
当氮素淋失至根层土壤以下时，可将其视为无效养分，土壤60cm深处淋溶液中氮素形态、浓度和淋失量，直接反映了氮素淋失风险的大小，决定着浅层地下水安全。因此，开展大豆／萝卜间作体系下土壤氮、磷素淋溶研究，分析不同管理措施对土壤氮、磷淋失的影响，对于筛选高效环保的田间管理模式，降低氮、磷淋失风险，保证地下水安全具有重要意义。
土壤氮、磷淋溶损失与降水量存在紧密联系，因此，本研究对整个试验期间降雨、灌溉量进行了实时监控，监测数据如图4-10所示。整个试验期间降雨、灌溉总量达380.10mm。在试验第69～90天（8月）降水量大且集中，其降雨、灌溉量为175.10mm，占整个试验期间降雨、灌溉总量的46.07%。秋季降水量较少，试验后期（第91～161天）降雨、灌溉量为108.40mm，占降雨、灌溉总量的25.52%。其中，在试验第18天（6月11日）进行第一次灌溉；在第七次采样间隔中（第91～121天），降水量仅为16.40mm，而此时作物正处于生长关键期，对水肥需求较大，因此，在第117天（9月18日）对作物进行第二次灌溉。
图4-10　试验期间降雨、灌溉量
除降雨、灌溉影响土壤淋溶水量外，土壤结构、土壤温度、水分入渗强度、地面蒸发、大气温湿度、植物水分吸收规律、植被覆盖率、植株蒸腾作用等多种因素均会对土壤淋溶水量产生影响（Peng et al., 2015）。由表4-12可知，试验期间L1至L7处理总淋溶水量分别为302.90 L、302.47 L、305.73 L、286.67 L、323.10 L、323.83 L、303.37 L，其大小顺序为：L6＞L5＞L3＞L7＞L1＞L2＞L4，不同处理总淋溶水量占整个试验期间降雨、灌溉量的75.42%～85.20%。分析表明，不同处理总淋溶水量之间无显著差异（p＞0.05）。大量研究表明，在不同管理措施下土壤的结构、水分入渗强度、植被覆盖率等可发生一定的变化，进而对农田淋溶水量产生影响，也能通过使用肥料来改变土壤保蓄性，直接影响渗漏水量（Yang et al., 2013）。本试验中，在大豆／萝卜间作种植模式下不同管理措施总淋溶水量无显著差异，一方面，可能是因为试验前对各小区的土壤进行翻耕，使7种管理措施土壤结构、通透性等条件较为一致，导致不同管理措施间水分淋溶强度差异不大；另一方面，各处理均在大豆／萝卜间作种植模式下进行，虽然L3至L7处理增加了黄花菜／矮化石榴植物篱，但植物种植密度及枯落物覆盖量等达到一定程度时，才会导致不同处理淋溶水量出现显著差异。
表4-12　不同处理土壤淋溶水量
图4-11是试验期间不同处理淋溶液总氮浓度动态变化情况。从中可以看出，L1处理土壤淋溶液TN浓度变化最为稳定，保持在较低水平，平均浓度为8.04mg/L。除L1处理外，其他处理土壤淋溶液中TN浓度均在试验第1～48天和试验第49～90天出现先升高后降低的变化趋势，试验后期（第90～161天）各处理淋溶液TN浓度变化相对稳定。整个试验期间，L2处理TN最高浓度出现在试验第69天，L3、L4处理TN最高浓度出现在试验第75天，L5、L6、L7处理TN最高浓度出现在试验第35天。7种管理措施土壤淋溶液TN浓度为6.41～268.17mg/L，平均浓度为8.04～124.29mg/L，大小顺序依次为L2＞L4＞L3＞L6＞L5＞L7＞L1（表4-13），表明不同管理措施对土壤淋溶液中TN浓度的影响不同。
图4-11　试验期间不同处理淋溶液总氮浓度动态变化
降雨、灌溉是田间土壤养分淋溶损失的两个最重要的影响因素（Aghaalikhani et al., 2012）。本试验中，除L1处理外，其他处理土壤淋溶液中TN浓度在试验第1～48天和试验第49～90天均出现先升高后降低的变化趋势，这主要是受降雨、灌溉和施肥的影响。施肥后（试验第16天），在降雨、灌溉的作用下，土壤含水量达到饱和时，土壤中易于移动的氮素等营养物随土壤水分迁移到深层的土壤，在到达作物的活性根层之下后，将不能被根系吸收利用，导致氮素淋溶损失。因此，除L1处理外，各处理淋溶液TN浓度均出现大幅度升高。试验第35～48天，降雨较少，养分淋溶作用减弱，使L2至L7处理淋溶液中TN含量相对减小。在试验的第48～90天，降雨逐渐较多且集中，使得各处理淋溶TN浓度表现为先上升后下降的趋势。
表4-13　不同处理中淋溶液中氮、磷平均浓度（mg/L）
试验第90～161天，各处理淋溶液TN浓度变化相对稳定，主要是受土壤中易移动性氮素含量和降雨影响。土壤中易移动性氮素的累积是土壤氮素发生淋溶必要条件之一，其不仅受土壤中氮素源与汇控制，还受到土壤中不同形态氮素转化过程的控制（张玉铭等，2006）。另外，土壤水分运动是土壤溶质运移的另一个重要制约因素，土壤中活跃的水分运动是土壤氮素淋溶的媒介和驱动力（Vander et al., 2006；金梅娟，2014）。氮素经过试验前期大量的淋溶流失以及植物对养分的吸收利用等，使土壤氮素含量降低；再者，试验后期降雨强度减弱、频次减少，淋溶作用降低，因此试验第90～161天，各处理土壤淋溶液中氮素含量变化相对稳定。
试验期间不同处理淋溶液硝态氮浓度动态变化情况如图4-12所示。与图4-11相比，各处理淋溶液中硝态氮浓度动态变化与TN变化相似。在整个试验期间，L1处理土壤淋溶液硝态氮浓度变化最为稳定，保持在较低水平，平均浓度为7.31mg/L。除L1处理外，其他处理土壤淋溶液硝态氮浓度均在试验第1～48天和试验第49～90天出现先升高后降低的变化趋势，试验后期（第90～161天）淋溶液硝态氮浓度变化相对稳定。整个试验期间，L2处理硝态氮最高浓度出现在试验第69天，L3、L4处理硝态氮最高浓度出现在试验第75天，L5、L6、L7处理硝态氮最高浓度出现在试验第35天。
图4-12　试验期间不同处理淋溶液硝态氮浓度动态变化
不同管理措施土壤淋溶液硝态氮平均浓度占TN的76.21%～90.92%（表4-13），结果表明农田土壤氮素淋失的主要形态为硝态氮（Zhou et al., 2013）。各处理土壤淋溶液硝态氮浓度为6.12～197.38mg/L，平均浓度为7.31～97.58mg/L，大小顺序依次为：L2＞L4＞L3＞L6＞L5＞L7＞L1（表4-13）。参照我国地下水环境质量标准（GB/T 14848—2017），除L1处理硝态氮平均浓度属于Ⅲ类水（≤20mg/L）外，其他处理淋溶液硝态氮平均浓度均超过Ⅴ类水（＞30mg/L），且明显高于我国生活饮用水卫生标准（GB 5749—2006）的规定（20mg/L）。结果表明，在实际生产过程中，大豆／萝卜间作种植模式下土壤硝态氮存在较大的淋失风险。其原因是，肥料施用于土壤后，首先发生水解反应，分解产生，随着作物的生长以及土壤中微生物的作用等，很快发生硝化反应，土壤中NH3和转化成并最终转化成。其次，土壤胶体大多带负电，对带负电的吸附性较差，使得易被雨水淋洗而迅速渗漏。研究表明，土壤下移深度可达1～1.5m，甚至可达2m，强降雨可使土壤表层淋溶到土壤深层部位，每2～3mm的降水量可导致土壤下移1cm（刘宏斌等，2004），降水量与降雨频率对淋溶也有很大影响（Zhou et al., 2013; Buridtt et al., 2014）。因此，硝态氮为农田氮素淋溶液中的主要形式，占TN平均浓度比例较大，在大豆／萝卜间作种植模式下存在较大的淋失风险。
图4-13表示试验期间不同处理淋溶液铵态氮浓度动态变化情况。与图4-11、图4-12相比，淋溶液铵态氮浓度动态变化与TN、硝态氮不同。在整个试验期间，L1处理土壤淋溶液铵态氮浓度变化最为稳定，保持在较低水平，平均浓度为0.04mg/L。除L1处理外，其他处理在试验第1～69天淋溶液铵态氮浓度总体表现为先升高后降低的趋势，且在试验第1～69天，L2至L7处理铵态氮最高浓度均出现在试验第35天。其原因可能是，在施肥后，由于灌溉、降雨的作用，氨挥发等作用被削弱，大量的氨溶于水形成，在土壤吸附饱和后易发生淋溶，因此在试验第35天，L2至L7处理铵态氮浓度出现峰值。随着试验的不断进行，在试验第69天之后，各处理铵态氮浓度逐渐稳定并趋于一致，保持在较低的水平（除个别点位受偶然因素影响，铵态氮浓度突然增加），尤其在试验第140～161天，受作物对养分吸收利用以及氮素迁移转化的影响，不同处理淋溶液铵态氮浓度大小基本一致。
图4-13　试验期间不同处理淋溶液铵态氮浓度动态变化
7种管理措施淋溶液铵态氮浓度为0.03～5.69mg/L，平均浓度为0.04～1.04mg/L，其大小顺序为L2＞L3＞L4＞L7＞L6＞L5＞L1（表4-13）。参照我国地下水环境质量标准（GB/T 14848—2017），除L1处理铵态氮平均浓度属于Ⅱ类水（≤0.10mg/L）外，其他处理淋溶液铵态氮平均浓度均为Ⅳ类水标准（≤1.5mg/L）。不同管理措施土壤淋溶液铵态氮平均浓度占TN的0.49%～1.35%，表明铵态氮不是氮素淋失的主要形式，与硝态氮相比，铵态氮的淋失风险较低。这主要是因为铵态氮淋失是一个相对缓慢的过程，土壤中的铵态氮一部分经硝化作用转化为硝态氮，未被转化的部分则被带负电的土壤胶体等吸附固持，当土壤吸附量达到饱和时，土壤溶液中的铵态氮才会随土壤水分向下运动而发生淋溶（焦军霞等，2014；袁京等，2015）。
不同管理措施下TN累积淋失量如图4-14所示，在整个淋溶过程中，土壤TN累积淋失量在试验前75d增加较快，在试验第76～161天土壤TN累积淋失量变化较小。其原因是，在实际生产过程中，农民习惯大量施用基肥，由于肥料施入土壤后养分释放速度较快，而此时期作物处于生长初期，对氮素的需求量小，吸收效率较低，强降雨或大规模的灌溉，必然导致大量氮素的淋失。氮素经过试验前期地下淋溶、地表径流和氨挥发等形式大量流失以及作物对养分的吸收利用等，导致土壤氮素含量相对较低，因此试验后期，土壤TN累积淋失量变化较小。
由图4-14可知，7种管理措施TN淋失量为0.38～5.71kg/hm2，其大小顺序依次为：L2＞L4＞L3＞L6＞L5＞L7＞L1，不同管理措施氮素表观淋失率为3.31%～4.65%，氮素净淋失率为2.81%～4.27%，淋失削减率为0%～93.32%。结果表明，7种管理措施中，以常规施肥管理措施TN的淋失风险最大；除L1外，以减量施肥40%+植物篱+稀释200倍的罗壳素管理措施TN淋失风险最小。对于间作种植模式而言，不同的作物类型、施肥方式、田间管理措施等都能引起氮素淋失差异。赵营等（2012）对番茄—黄瓜种植地氮、磷淋失的研究表明，常规施肥处理番茄季、黄瓜季氮素淋失量分别为86.90kg/hm2、100.94kg/hm2，表观淋失率分别为6.65%、6.69%。由于本研究中，只进行了一次施肥，且施氮量低于上述研究，因此本研究TN淋失量较低，但氮素表观淋失率与其较为接近。
图4-14　不同处理总氮累积淋失量
L3处理的TN淋失量为4.57kg/hm2，与L2相比，淋失削减率为20.03%（表4-14），结果表明，增加黄花菜／矮化石榴植物篱TN淋失风险有所降低，但与L2处理无显著差异。有研究表明，黄花菜根系肥大，地下细微根须系统拓展范围可至50cm左右，对土壤通透性的改良效果较好，可拦截残留于表层的土壤氮素（李建兴等，2013），而矮化石榴根系分布较深，两种植物合理搭配成植物篱可通过浅根层和深根层对不同土壤层次氮素全面吸收，同时交叉的根系网能够充分利用土壤水分，减少土壤剖面的氮素累积，降低土壤TN淋溶损失量（吉艳芝，2010）。但本试验中，L2和L3处理的TN淋失量差异不显著，可能是与植物篱种植间距、时间等有关。
表4-14　不同植物篱处理总氮淋失量、淋失率和淋失削减率
图4-15　不同施肥量处理总氮淋失量和淋失削减率
肥料的施用可使农田氮素淋溶流失明显升高，且化肥施用量是氮素淋失的关键影响因素。图4-15表示不同施肥量处理TN淋失量和淋失削减率，L4、L5处理下TN淋失量分别较L3处理减少了2.63%、35.66%，当减量施肥40%时，土壤TN淋失量才与常规施肥处理存在显著性差异。结果表明，减量施肥可降低农田TN淋溶流失风险，减量施肥40%对TN淋失控制效果显著。近年来，我国对化肥减施试验也进行了大量的研究。韦高玲等（2016）对不同施肥水平下菜地土壤氮、磷淋失特征进行了研究，其研究结果也表明，与常规施肥、减量施肥20%相比，减量施肥30%能有效降低菜地根层土壤氮素的淋失。
对比喷施不同浓度罗壳素处理的TN淋失量可知（图4-16），L6处理TN淋失量最高，L7处理最低。L5、L6、L7处理之间TN淋失量与淋失削减率差异不显著。结果表明，喷施不同浓度的罗壳素肥料增效剂对TN淋溶控制效果不明显，其原因可能与罗壳素喷施的时间有关。有研究表明，甲壳素等肥料增效剂可以促进种子萌发，提高种子的发芽率和活力，促进幼苗生长，起到增产的作用（蒋小姝等，2013）。本研究中，罗壳素肥料增效剂分别在7月31日和9月25日喷施两次，第一次喷施大豆、萝卜分别处于开花结荚期和幼苗期，第二次喷施大豆、萝卜分别处于成熟期和肉质根生长期，而在作物其他生长关键期未进行喷施，对植物养分吸收能力的调节作用未起到最佳效果，此外，土壤氮素在试验前期淋失量较大，导致L5、L6、L7处理对TN淋失削减差异不显著。
图4-16　喷施不同浓度罗壳素肥料增效剂处理总氮淋失量和淋失削减率
综上所述，在7种管理措施中，除空白管理措施外，以减量施肥40%+植物篱+稀释200倍的罗壳素管理措施下土壤TN淋失风险最小。在植物篱、减量施肥、肥料增效剂3种种植业面源污染防治技术中，增加黄花菜／矮化石榴植物篱和减量施肥可降低TN淋失风险。其中减量施肥是治理农田氮、磷淋失的最佳技术手段，减量施肥40%对TN的淋溶损失可起到显著的控制作用。
图4-17　不同处理硝态氮累积淋失量
不同管理措施下硝态氮累积淋失量如图4-17所示。在整个淋溶过程中，土壤硝态氮累积淋失量在试验前75d增加较快，在试验第76～161天土壤硝态氮累积淋失量变化较小。由表4-15可知，不同管理措施硝态氮淋失量占TN淋失量比例较大，为77.23%～90.93%，结果表明在不同管理措施下硝态氮存在较大的淋失风险，对地下水硝酸盐含量影响较大。因此，控制硝态氮的淋失是控制大豆／萝卜间作体系土壤氮素淋失的关键。7种管理措施硝态氮淋失量为0.35～4.53kg/hm2，其大小顺序依次为L2＞L4＞L3＞L6＞L5＞L7＞L1，不同管理措施硝态氮淋失削减率为0%～93.32%。结果表明，7种管理措施中，以常规施肥管理措施硝态氮的淋失风险最大；除L1外，以减量施肥40%+植物篱+稀释200倍的罗壳素管理措施硝态氮淋失风险最小。L5、L6、L7三种管理措施通过减量施肥40%，可直接控制土壤淋溶液中硝态氮含量，从而使大豆／萝卜间作模式下土壤硝态氮淋失量维持在较低水平。
表4-15　不同处理硝态氮、铵态氮占总氮淋失量的比例（%）
L3处理的硝态氮淋失量为3.88kg/hm2，与处理L2相比，淋失削减率为14.24%（表4-16）。有研究表明，植物根系深度、密度、生长速率、蒸腾作用等对阻控硝态氮淋溶的能力尤为重要（Bgh et al., 2010；王芝义等，2011）。本试验中，增加黄花菜／矮化石榴植物篱使硝态氮淋失量减小了14.24%，但对硝态氮淋失量影响不显著。在减量施肥的3个处理中（图4-18），L5处理的硝态氮淋失量较L3、L4处理分别降低了39.69%、40.76%，且与两者之间皆存在显著差异，而L3、L4处理之间硝态氮淋失量差异不显著。结果表明，减量施肥可降低农田硝态氮淋溶流失风险，减量施肥40%对硝态氮淋失控制效果显著，这与减量施肥对TN淋失削减效果一致。由图4-19可知，L5、L6、L7处理硝态氮淋失量为1.93～2.51kg/hm2，L6、L7处理与L5处理之间无显著差异，表明喷施罗壳素肥料增效剂对硝态氮淋失无明显影响。其原因可能是，喷施罗壳素肥料增效剂可调节作物生长、促进养分吸收与转化，但在土壤剖面硝态氮含量较高的情况下，对硝态氮的削减效果不明显。
表4-16　不同植物篱处理硝态氮淋失量和相对淋失削减率
图4-18　不同施肥量处理硝态氮淋失量和淋失削减率
图4-19　喷施不同浓度罗壳素肥料增效剂处理硝态氮淋失量和淋失削减率
综上所述，在7种管理措施中，除空白管理措施外，以减量施肥40%+植物篱+稀释200倍的罗壳素管理措施下土壤硝态氮淋失风险最小。在植物篱、减量施肥以及肥料增效剂3种技术手段中，施肥量是引起农田硝态氮淋失量增加的主要因素，减量施肥40%对的淋失可起到显著的控制作用。
图4-20　不同处理铵态氮累积淋失量
不同管理措施下铵态氮累积淋失量如图4-20所示，在整个淋溶过程中，土壤铵态氮累积淋失量在试验前75d增加较快；试验第76～120天除L3处理外，各处理土壤铵态氮累积淋失量增加较慢；在试验第121～161天各处理土壤铵态氮累积淋失量基本不变。由表4-15可知，7种管理措施铵态氮淋失量占TN淋失量比例较小，为0.50%～1.37%，表明铵态氮不是氮素淋失的主要形式。不同处理铵态氮淋失量为1.90～48.50g/hm2，其大小顺序依次为L2＞L3＞L4＞L7＞L6＞L5＞L1，淋失削减率为0%～96.07%。结果表明，虽然铵态氮易被土壤胶体固定，但在大豆／萝卜种植过程中，不同管理措施下土壤铵态氮仍有一定的淋失风险。7种管理措施中，以常规施肥管理措施铵态氮的淋失风险最大；除L1外，以减量施肥40%+植物篱管理措施铵态氮淋失风险最小。
由表4-17可知，L3处理的铵态氮淋失量为45.88g/hm2，相对L2处理的淋失削减率为5.41%，说明黄花菜／矮化石榴植物篱对铵态氮淋失量影响较小。其原因可能是，在温暖、湿润、通气良好的土壤中，旱地植物主要吸收硝态氮（刘朝巍等，2012），其次，淋溶液的收集方法、采集深度等也对铵态氮淋失量有一定的影响。本试验对土壤60cm处氮、磷淋溶状况进行监测，铵态氮随土壤水分向下迁移能力差，导致植物篱对铵态氮淋失作用不明显。在减量施肥的3个处理中（图4-21），L4、L5处理与L3处理相比铵态氮淋失量分别降低了19.86%、45.35%，且三者之间均存在显著差异，表明减量施肥20%和40%均可显著减少土壤铵态氮的淋失量，降低的淋失风险。在喷施不同浓度罗壳素处理中（图4-22），L6、L7处理铵态氮淋失量较L5处理分别增加了18.31%、37.23%，其中L7处理与L5处理铵态氮淋失量差异显著，这可能与罗壳素施用方式以及试验后期土壤中可淋溶的铵态氮含量较低有关。
表4-17　不同植物篱处理铵态氮的淋失量和相对淋失削减率
综上所述，在7种管理措施中，除空白管理措施外，以减量施肥40%+植物篱管理措施下土壤铵态氮淋失风险最小。在3种农业面源污染防治技术手段中，减量施肥是控制农田铵态氮淋失量的最佳技术手段，对铵态氮的淋失可起到显著的控制作用。
图4-21　不同施肥量处理铵态氮淋失量和淋失削减率
图4-22　喷施不同浓度罗壳素肥料增效剂处理铵态氮淋失量和淋失削减率
7．不同管理措施对土壤总磷淋失的影响
土壤有很强的磷固定能力，且含磷量较低的下层土壤是一个吸持磷素的巨大容量库，因此磷沿土壤剖面垂直向下淋溶的可能性不大。但当土壤磷素大量累积时，在降雨、灌溉作用下极易产生淋溶损失，因此农田磷素淋失风险同样不可忽视（张翠荣等，2007）。
图4-23反映的是试验期内不同处理淋溶液总磷浓度动态变化。淋溶液总磷浓度动态变化与氮素变化不同，在整个试验期间，L1和L5处理土壤淋溶液TP浓度变化较为稳定，其中L1处理TP平均浓度最低为0.04mg/L。除L1和L5处理外，其他处理在试验第1～48天淋溶液中TP浓度均出现大幅度升高后又降低的变化。在试验第49～75天，TP淋溶浓度变化表现为3种情况，L3处理TP浓度变化为先升高后降低的趋势；L2、L4、L6处理TP浓度表现为逐渐升高的趋势；而L7处理与之相反，TP浓度表现为逐渐降低的趋势。随着时间的推移，在试验后期，各处理TP浓度逐渐趋于稳定，试验第121～161天各处理淋溶液TP浓度总体呈下降趋势。试验期间L2、L7处理TP最高浓度出现在试验第35天，L3、L4、L6处理TP最高浓度分别出现在试验第69、75、90天。与氮素相比，TP最高淋溶浓度的出现滞后，这主要是因为土壤对磷的固持能力强于氮素，使得土壤中磷素较氮素难以发生淋溶。
图4-23　试验期间不同处理淋溶液总磷浓度动态变化
7种管理措施淋溶液TP浓度为0.02～0.49mg/L，与氮素相比，土壤总磷淋溶浓度较低，这主要是因为磷肥施入土壤后，能很快地被吸附到土壤颗粒表面或与土壤一些物质（Fe、Al、Ca等）生成难溶的磷酸盐，导致磷的生物有效性降低，淋溶作用较弱（焦加国等，2007）。其次，试验区土壤为潮土，本身有效磷含量（23.05mg/kg）较低，且土壤呈碱性，pH 8.38，石灰反应明显，土壤对磷的固定作用较强，导致土壤淋溶作用较弱。但不同管理措施TP平均浓度为0.05～0.15mg/L，其大小顺序依次为L2＞L3＞L4≈L6≈L7＞L5＞L1（表4-13），均高于水体富营养化TP浓度（0.02mg/L）的临界值，因此在大豆／萝卜间作种植过程中，很可能造成土壤磷素的大量积累，引起磷素淋失的环境风险，对浅层地下水体造成污染。
不同管理措施下TP累积淋失量如图4-24所示，在整个淋溶过程中，L2处理土壤TP累积淋失量始终保持在较高水平，L3、L4、L6处理次之且在试验后期（第75～161天）TP累积淋失量较为接近，其次为L5、L1处理，以L1处理最低。不同处理TP淋失总量为2.41～6.81g/hm2，其大小顺序依次为L2＞L3＞L6＞L7＞L4＞L5＞L1，表观淋失率为8.84%～14.66%，净淋失率为2.86%～8.12%，淋失削减率为0%～63.75%。结果表明，7种管理措施中，以常规施肥管理措施TP的淋失风险最大；除L1处理外，以减量施肥40%+植物篱管理措施TP淋失风险最小。L3至L7处理通过增加植物篱和减量施肥，可直接控制土壤淋溶液中TP含量，从而使大豆／萝卜间作模式下土壤TP淋失量维持在较低水平。
图4-24　不同处理总磷累积淋失量
L3处理TP淋失量为5.57g/hm2，与L2处理相比，淋失削减率为18.17%（表4-18），结果表明，增加黄花菜／矮化石榴植物篱TP淋失风险有所降低，但与L2处理无显著差异。许开平等（2012）对不同植物篱在减少雷竹林土壤磷素淋失中的作用研究中表明，生草植物篱、灌木植物篱和粗放经营雷竹植物篱对淋溶液中TP的淋失削减效果明显，拦截率分别是46.9%、43.1%和49.0%。本试验中磷素淋失削减率低于上述报道，其可能的原因是，本试验为植物篱—农作物系统，与上述报道的种植模式不同。
表4-18　不同植物篱处理的总磷淋失量、淋失率和淋失削减率
图4-25表示不同施肥量处理TP淋失量和淋失削减率，L4、L5处理TP淋失量较L3处理分别减少了11.85%、36.27%，当减量施肥40%时，土壤TP淋失量才与常规施肥处理存在显著性差异。这主要是因为耕层土壤中磷素淋溶损失量主要受施肥量和土层深度两方面的影响。试验中，不同管理措施的土壤环境较为较一致，对磷素向深层土壤迁移转化的能力影响相同，而不同管理措施的施肥水平直接决定了土壤中磷素含量的多少，对总磷的淋失影响较大（张翠荣等，2007）。
图4-25　不同施肥量处理总磷淋失量和淋失削减率
对比喷施不同浓度罗壳素处理TP淋失量可知（图4-26），L6、L7处理TP淋失量较L5处理分别增加了35.92%、35.57%，均显著高于L5处理，而L6、L7处理间TP淋失量无显著差异，结果表明，喷施不同浓度的罗壳素肥料增效剂均使TP的淋失量升高。
综上所述，在7种管理措施中，除空白管理措施外，以减量施肥40%+植物篱管理措施下土壤TP淋失风险最小。在植物篱、减量施肥以及肥料增效剂3种技术手段中，肥料施用量对农田TP淋溶影响较大，减量施肥40%对TP的淋失可起到明显的控制作用。
图4-26　喷施不同浓度罗壳素肥料增效剂处理总磷淋失量和淋失削减率
第五章　于桥水库周边种植业面源污染防控关键技术模式构建
一、种植模式合理配置
1．套作模式配置原理
（1）肥力需求差异配置
利用不同种类蔬菜对氮、磷肥力需求差异进行合理搭配，避免争肥现象导致土壤单一养分需求过多，在蔬菜高产、稳产的同时实现土壤肥力平衡。
（2）深根浅根蔬菜配置
依照当地习惯种植品种，选择深根蔬菜、浅根蔬菜进行搭配，吸收不同土壤深度的氮、磷，以深根蔬菜拦截地下淋溶。
（3）生物拮抗差异配置
利用可分泌驱虫物质的拮抗性蔬菜品种，搭配种植当地习惯性蔬菜，减少病虫害的发生，从而减少农药使用。
基于以上模式配置原理，示范区选择的蔬菜种植模式为茄子套作小白菜。
2．植物篱配置
筛选对氮、磷吸收能力强的本土植物矮化石榴+黄花菜+柠条锦鸡儿+紫穗槐构建植物篱（图5-1）。
植物篱工程量估算：每个地块植物篱共有4个条带。由西向东植物篱编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分别种植矮化石榴、黄花菜、柠条锦鸡儿、紫穗槐，每个条带面积10m×2m（长×宽）=20m2。
图5-1　植物篱工程示意
矮化石榴属于乔灌木，不仅可以有效阻挡自然风将外围垃圾或杂物吹入湿地坑塘破坏景观；还可以减少一部分因地下淋溶对湿地坑塘氮、磷的污染。黄花菜属于深根蔬菜，根深可达到50～60cm，可以在一定程度上拦截土壤中氮、磷的污染。柠条锦鸡儿的根系极为发达，主根入土深，抗旱性、抗热性、抗寒性和耐盐碱性都很强。一丛柠条锦鸡儿可以固土23m3，可截留雨水34%，减少地表径流78%，减少地表冲刷66%。紫穗槐能固氮，根系发达，有护堤防沙、防风固沙的作用，是耐盐碱、抗风沙、抗逆性极强的灌木，在荒山坡、道路旁、河岸、盐碱地均可生长。
二、测土配方施肥技术
根据作物需肥规律、土壤供肥特性和肥料效应，运用测土配方施肥，调氮、减磷、稳钾，优化施肥时期、方法和用量，实现适期追肥，提高肥料利用率，从而达到减肥的效果。
项目示范区以露地栽培茄子为例。茄子全生育期每667m2施入有机肥500～600kg做底肥。与常规施肥量相比，化肥减施50%，每667m2施入氮肥7～9kg、磷肥2～3kg、钾肥5～7kg，氮、钾肥分基肥和二次追肥，磷肥全部做基肥。项目示范区采取叶面喷施技术，利用肥料增效剂，提高肥效，降低化学肥料施用量。改变施肥方式，变撒施为穴施、点施，提高肥料效能，减少肥料施用量。
实践证明，推广测土配方施肥技术，可以提高化肥利用率5%～10%，增产率一般为10%～15%。实行测土配方施肥不但能提高化肥利用率，获得稳产高产，还能改善农产品质量，是一项增产节肥、节支增收的技术措施。
三、膜下微喷带技术
膜下微喷带技术是将覆膜种植技术与微喷技术相结合的一种高效节水灌溉方式（图5-2）。通过输配水管网将水运送到膜下各个微喷带，并缓慢、均匀、定时、定量地通过微喷带浸润作物根系发育区域，从而使作物主要根系区的土壤始终保持在最优含水状态，进一步减少作物地表水的蒸发。该设备具有不易堵塞，操作方便，投资相对少，技术要求低，受外界影响比较小等优点。
图5-2　膜下微喷带技术
项目示范区以露地栽培茄子为例。根据种植作物的需水量和种植当地该季度平均降水量，确定膜下微喷带的灌溉强度：每667m2铺设微喷管长度为500m，每隔27cm设置一个滴灌孔，单个滴灌孔的灌溉强度为3 L/h。从茄株开花起，5～7d灌溉一次，每次持续2～4h。
以往施肥时需要在浇地前将化肥撒入田间或随渠道水冲入田间，而采用膜下微喷后，农民施肥时直接使用配套的施肥器，既方便施肥，又节省肥料，提高了作物对肥料的利用率。通过对比，膜下微喷一般比漫灌节约水70%，是一种理想的农业节水灌溉技术。另外，对水压要求低，可在低压下运行；出水均匀，对地面平整度要求低；结合施肥装置，可实现节肥30%。除此之外，膜下微喷能够及时、定量地为农作物提供各种有效养分，避免了常规灌溉过饱过饥、各种养分不足造成的品质不高现象，作物长势整体好，成熟早，果体饱满、均匀、光润，口感明显提高。
四、高效氮磷拦截生态沟渠
近年来，关于农田生态沟渠工程的研究较多，主要是通过水生植物群落实现农业源排放的氮、磷污染拦截与净化。现有的工程技术存在以下不足：①在植物群落选择方面，主要考虑植物的水质净化和生态景观功能，经济价值考虑较少，不但工程建设的成本偏高，而且在沟渠内植物枯萎以后，需要专人清理，否则可能引发二次污染。②在工程结构方面，大多数生态沟渠的结构偏复杂，工程量偏大，管理难度高，造成推广可行性偏低。③在适用地域方面，主要是针对南方地区，尤其是稻田，而适用于北方地区的生态沟渠研究较少。
针对现有工程技术中存在的缺陷，本方案提出了一种经济高效、简单实用、易于维护、便于推广的适用于北方库区周边种植业的生态沟渠系统，可有效解决北方农业种植过程中氮、磷营养元素流失量大，周边水体富营养化严重的问题。
在工程结构方面，综合考虑工程造价、运行效果、日常管理、推广应用等多种因素，采用无透水砖的多级分段式结构：①渠体的横断面为上宽下窄的等腰梯形结构，沟壁和沟底均为土质，渠体内设置透水坝、节制闸等辅助性工程设施，用于增强生态沟渠系统对颗粒物的拦截效果。②渠体的侧剖面为凹凸相间的五段式结构，增加沟渠的蜿蜒性，延长水力停留时间，提高生态沟渠系统对氮、磷的净化效率。
在植物配置方面，同时兼顾经济实用、水质净化、生态景观等多种功能，采用适合北方地区种植的水生蔬菜、净水植物、景观植物混合搭配方式：
（1）沟渠底部（图5-3分段①和分段⑤）选择景观植物，例如美人蕉、千屈菜，实现生态景观效果。
（2）沟渠底部（图5-3分段②和分段④）选择水生蔬菜，例如水芹，实现经济实用价值。
（3）沟渠底部（图5-3分段③）选择净水植物，例如狐尾藻，实现水质净化功能。
（4）沟渠侧壁（上层），护坡植物，例如油莎草，实现生态功能（图5-4）。
（5）沟渠侧壁（下层），水生蔬菜，例如豆瓣菜，实现经济价值（图5-4）。
图5-3　生态沟渠系统的沟底结构示意
图5-4　生态沟渠系统的沟壁结构示意
图5-3所示的生态沟渠总长度为40m，底部为凹凸相间的五段式结构：
（1）分段①和分段⑤的渠体长度分别为8m，底部高程为地表以下0.85m，渠体水深保持0.65m，分段①的A侧和分段⑤的B侧，种植美人蕉，种植长度4m，种植密度为8株/m2，能够有效吸收水体中的氮、磷营养物质；分段①的B侧和分段⑤的A侧，种植千屈菜，种植长度4m，种植密度为35株/m2，能够吸收水底淤泥中的氮、磷等营养物质。以上两种植物不但生态效果好，而且观赏效果佳。
（2）分段②和分段④的渠体长度分别为8m，底部高程为地表以下0.7m，渠体水深保持0.5m，沟渠底部种植水芹，种植长度16m，种植密度为35株/m2，种植技术简单，营养价值高，经济实用。
（3）分段③的渠体长度为8m，底部高程为地表以下0.85m，渠体水深保持0.65m，种植狐尾藻，种植长度8m，种植密度为35株/m2，狐尾藻根状茎发达，净水效率高。
图5-4所示的生态沟渠横断面为上宽下窄的等腰梯形结构，顶部宽度1.5m，底部宽度1.0m。沟渠两侧上层壁面（A层）种植油莎草，种植密度为35株/m2，护坡效果好，存活率高；沟渠两侧下层壁面（B层）种植豆瓣菜，种植密度为35株/m2，营养价值高，经济实用。
依据此方案，在示范区经过一年运行期，农田排水水质得到明显提升，TN的平均去除率达到30%，TP的平均去除率达到40%。不仅有效改善了示范区试验农田排水水质，控制区域面源污染问题，同时达到了因地制宜、经济高效、简单实用、易于维护、便于推广的效果。
第六章　于桥水库流域种植业面源污染综合防控集成示范
一、于桥水库周边种植业面源污染综合防控示范工程
（一）山坡区域：采用等高植物篱技术
植物篱为无间断式或接近连续的狭窄带状植物群，由木本植物或一些茎秆坚挺、直立的草本植物组成。植物篱具有分散地表径流、降低流速、增加入渗和拦截泥沙等多种功能，生态效益、经济效益均显著。
山坡区域：目标区域地势呈梯田结构，共3层，主要种植作物为中草药（芍药、牡丹）。
采用等高植物篱技术：选择高效吸收氮、磷的植物篱品种（黄花菜）。植物篱方向与山坡地表径流方向垂直，呈现等高线结构。与梯田地势平行，共分3层植物篱，每层植物篱宽度1m。
（二）坑塘沿岸：采用植被过滤带技术
植被过滤带是位于污染源和水体之间的带状植被，它通过物理、化学、生物等作用使径流中污染物沉降、过滤、稀释、下渗和吸收，从而最大程度减少污染物进入水体，对农业面源污染具有显著防治效果。植被过滤带具有成本低廉、效果显著、容易实施、管理粗放、持续时间长、可自我修复等优点，被欧美国家推荐为治理农业面源污染的有效措施。
多种草本复合植被过滤带设计方案：①紧靠水岸为喜湿草本植物香蒲、水葱、千屈菜、黄菖蒲，每种植物带长度约为50m，宽度约为1.0m。②外侧为耐旱草本植物黑心菊、马蔺，每种植物带长度约为50m，宽度约为1.0m。多种草本复合植被过滤带总宽度约为5.0m。
主要植物种植面积和种植密度分别为：①千屈菜50m2，36株/m2；②黑心菊50m2，25株/m2；③马蔺50m2，36株/m2；④香蒲50m2，8株/m2；⑤水葱50m2，36株/m2；⑥黄菖蒲50m2，36株/m2。
马蔺根系发达，入土深度可达1m，须根稠密而发达，呈伞状分布，耐盐碱、耐践踏，这不仅使它具有极强的抗性和适应性，也使它具有很强的缚土保水能力。
香蒲植物根系发达，与水葱搭配有利于净化水中的磷、氮、COD、BOD、总悬浮物等污染物质。此外，香蒲还可以控制水土流失，促进土壤的发育和熟化，提高土壤中有机质及氮、磷、钾等的含量，从而提高土壤肥力。
水葱对污水中有机物、铵态氮、磷酸盐及重金属有较高的除去率。
（三）坑塘部分：采用生态浮床和人工湿地技术
生态浮床：植物的生长繁殖过程需要大量营养，生态浮岛植物的根系在水中形成的富氧环境和根系表面的生物膜能高效降解水中的COD、氮、磷含量，而根系膜内微生物产生的多聚糖能有效吸附水中悬浮物，有净化水质、美化水面景观、提供水生生物栖息空间等多种功能。主要植物品种为水生美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、空心菜。主要植物种植面积和种植密度分别为：①水生美人蕉14.4m2，20株/m2；②水生鸢尾27.3m2，20株/m2；③千屈菜32.3m2，20株/m2；④空心菜26m2，60株/m2。
人工湿地：分别选择适合本土种植的挺水植物（荷花）、浮水植物（睡莲），合理配置比例，同时放养野生鲫和黄鳝，营造良性循环的人工湿地系统，实现对水体中氮、磷污染的高效净化。主要植物种植面积和种植密度分别为：①睡莲39m2，4株/m2；②荷花156株，4株/m2。
于桥水库南岸种植业面源污染综合防控集成示范的方案和现场见图6-1和图6-2。
图6-1　于桥水库南岸种植业面源污染综合防控集成示范方案
图6-2　于桥水库南岸种植业面源污染综合防控集成示范现场
二、于桥水库流域种植业面源污染综合防控效果估算
示范工程每月处理污水量约为64m3，周边农田面积为640m2。农田施肥量根据农户日常习惯决定，7月、8月及9月农田氮、磷淋失量主要受追肥影响，因此7月、8月及9月的污染负荷为生活污水与农田径流氮、磷污染物负荷之和。7月、8月及9月3个月对TN的拦截率分别为49.40%、56.72%、63.44%，平均每月对TN的拦截率为56.52%；对TP的拦截量分别为44.01%、51.99%、54.10%，平均每月对TP的拦截率为50.03%（表6-1）。
表6-1　于桥水库综合示范工程氮、磷拦截率
示范工程每年4～11月运行，共8个月。假设将综合示范工程运用到水库周边的5个乡镇，根据表6-1中该工程对氮、磷的拦截率，以及各乡镇的每月生活污水及农田径流氮、磷污染物负荷之和，可估算出渔阳镇、别山镇、西龙虎峪镇、马伸桥镇、穿芳峪乡TN每年拦截量分别为24502.45kg、3332.48kg、16531.60kg、10506.26kg、9729.33kg，TP每年拦截量分别为2181.58kg、296.71kg、1471.91kg、935.44kg、866.25kg（表6-2）。
表6-2　于桥水库综合示范工程应用氮、磷拦截量估算
由表6-2可知，假设水库周边渔阳镇、别山镇、西龙虎峪镇、马伸桥镇以及穿芳峪乡5个乡镇均施用该示范工程，每年于桥水库周边TN总体减排量为64602.11kg，TP总体减排量为5751.90kg。
三、成果市场推广应用前景分析
本项目的实施，测算出于桥水库周边种植业面源氮、磷产排污系数，研发适合库区周边种植业面源污染防控实际需要的新技术、新工艺及综合技术，并形成示范和推广。面源污染控制体系和模式将进一步推广与辐射，减少肥料、农药等投入品，推进农田增效，帮助农民致富。而且，通过从源头上改善于桥水库水质，能规避因水质恶化可能发生的后期大规模费用。从环境污染补偿的角度来测算，于桥水库流域面积广泛，本课题实施并发挥带动作用后，每年所产生的经济效益也相当可观。从产业发展来看，本课题实施过程中产出的主要成果，可带动相关产业化发展，市场前景较大，有着较大的经济利益前景。
控制农业面源污染对水环境改善、农业生产及居民身体健康非常重要，是目前我国政府所关注的重点问题之一，也是发展和谐社会的必要因素之一。于桥水库水质的提高，一是可以确保天津饮用水安全，保障人民的身体健康，二是可以改善投资环境，吸引投资，加速天津市经济的发展，三是可有力推进美丽天津、美丽农村和城镇化建设。本课题的完成将建立一套适合于桥水库种植业面源污染实现从源头控制、过程削减到生态治理的战略规划与技术支撑体系，对提升人民生活质量，保障人体健康，改善人们生存水环境条件，维护社会稳定，提高国民对政府的信任有着显著的社会效益。
针对于桥水库周边的农业面源污染问题，本研究从源头控制、过程削减、末端治理3个方面形成技术突破与集成示范，通过寻找当地农业发展和环境保护的和谐平衡点，施用适合本地特点的面源污染防控集成技术，从成果应用和产业发展来看，有着可观的预期。