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2021年  第29卷  第1期

进展综述
中国北方农田氮磷淋溶损失污染与防控机制
马林, 王洪媛, 刘刚, 胡克林, 梁超, 杜连凤, 郭胜利, 柏兆海, 王凤花, 李晓欣, 王仕琴, 胡春胜
2021, 29(1): 1-10. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200910
摘要(610) HTML (14) PDF(979)
摘要:
突破厚包气带农田根层氮磷淋溶与地下水污染复杂定量关系和阻控机理是国际研究难点。本文系统梳理了重点研发专项“农田氮磷淋溶损失污染与防控机制”项目取得的主要进展, 项目包括以下4方面研究内容: 1)北方主要农区农田根层氮磷淋溶时空规律; 2)根层—深层包气带氮磷淋溶机制和主控因子; 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制及其效果; 4)典型农区氮磷淋溶风险与区域消减途径。主要科学发现包括: 1)受土地利用类型、地下水埋深、包气带岩性、水文地质条件等综合因素的影响, 黑土区、潮土区和褐土区根层氮磷淋溶规律与地下水硝酸盐超标率体现出空间不一致和较大差异性。黑土区虽然根层淋溶较小, 然而受地形地貌影响, 地下水水质对淋溶响应更强烈, 应该进一步研究黑土区地下水水质对淋溶的响应机制。华北潮土区和褐土区厚包气带具有明显氮阻控能力, 应该进一步加强厚包气带对氮磷淋溶减排机理与途径研究。2)基于长期施肥定位试验和12 m深观测井对包气带农田土壤氮盈余累积特征和淋失规律的研究发现, 华北平原区的环境安全施氮量约为200 kg(N)·hm-2·a-1, 超过环境安全阈值的多投入氮肥中有51%淋失到1 m根层以下, 不合理灌溉、强降水、大孔隙和裂隙是造成土壤硝酸盐淋溶的主要因素, 对包气带累积硝态氮的淋失作用可影响至6 m以下土层。3)利用深层取样和生物学方法结合, 对厚包气带0~10.5 m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成的研究结果表明, 表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所, 深层土壤中反硝化作用显著减弱, “碳饥饿”是限制底层土壤反硝化微生物丰度与活性的关键因素; 室内培养试验证实添加碳源可有效激活土壤微生物的反硝化活性, 为“根层截氮包气带脱氮”的淋溶阻控机理找到了突破口。4)利用黑土、潮土和褐土区氮磷淋溶阻控试验、全国农业面源污染国控监测网、北方农区地下水硝酸盐监测网和NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型, 提出了养分损失脆弱区区划和区域氮磷污染削减草案, 可为农业绿色发展和面源污染阻控提供科学依据。
北方农区氮磷淋溶时空规律
中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征与时空规律
王洪媛, 李俊改, 樊秉乾, 骆晓声, 彭畅, 翟丽梅, 李虎, 马林, 刘宏斌
2021, 29(1): 11-18. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200572
摘要(425) HTML (36) PDF(268)
摘要:
中国北方黑土区、潮土区和褐土区是我国农业主产区, 大水大肥问题尤为突出, 氮磷淋溶是全国典型的地下水污染来源。然而, 中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征和时空规律尚不清楚。本文利用田间原位监测和文献荟萃分析方法, 系统分析了中国北方主要农区285个监测点年的4种主要种植模式(春玉米、冬小麦-夏玉米、露地蔬菜、保护地蔬菜)农田氮磷淋溶特征与时空规律。研究结果表明, 中国北方4个主要种植模式的平均氮和磷淋溶强度分别为:保护地蔬菜117.5 kg(N)·hm-2和0.74 kg(P)·hm-2, 露地蔬菜51.7 kg(N)·hm-2和0.10 kg(P)·hm-2, 冬小麦-夏玉米轮作49.9 kg(N)·hm-2和0.07 kg(P)·hm-2, 春玉米30.7 kg(N)·hm-2和0.09 kg(N)·hm-2。与粮田相比, 蔬菜田的高水肥投入决定了其较高的氮磷淋溶量。受土壤质地以及区域间水肥管理差异的影响, 同一种植模式下, 总氮淋溶强度为黑土区 < 褐土区 < 潮土区。农田氮磷淋溶年际间变化主要受降雨强度的影响, 总氮淋溶量与降雨强度呈正线性相关关系, 尤其前一年无淋溶事件发生背景下, 下一年的淋溶量会急剧增加。空间尺度上, 潮土区和褐土区是氮素淋溶的主要风险区。值得注意的是一些蔬菜种植面积尤其是保护地蔬菜种植面积占比较大的省份表现出较高的氮磷淋溶风险。综上, 北方主要农区农田氮磷淋溶风险以氮为主, 磷的淋溶风险也不容忽视。潮土区和褐土区是氮素淋溶的主要风险区。区域尺度上, 氮磷淋溶主要来自粮田, 但菜田面积越大, 氮磷淋溶风险越高。
降雨对吉林省黑土区雨养春玉米农田氮磷淋溶的影响
焦云飞, 李强, 高洪军, 王周, 张秀芝, 朱平, 彭畅
2021, 29(1): 19-28. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200571
摘要(288) HTML (6) PDF(619)
摘要:
吉林省黑土区是我国玉米生产的重要基地, 农业集约化程度较高, 农业面源污染风险较大。因此, 掌握吉林省黑土区降雨与农田氮磷淋溶的关系, 对区域生态农业可持续发展意义重大。本研究基于吉林省4个面源污染监测点, 于2016—2019年春玉米季对降雨情况、淋溶量、淋溶液氮磷浓度及淋溶强度等进行了动态监测, 系统分析了吉林省黑土区自然降雨与农田氮磷淋溶的关系。结果表明: 1)吉林省黑土区降雨年际间和监测点间差异较大, 年际间波动在424~554 mm, 春玉米全生育期平均降雨量为475 mm; 不同监测点降雨量大小依次为通化(593~785 mm)>公主岭(512~699 mm)>梨树(305~434 mm)>农安(197~342 mm)。2)淋溶量和降雨强度呈极显著正相关关系, 降雨强度每增加10 mm·(24h)-1, 淋溶量增加1.81 mm。全生育期(4—10月)降雨量与淋溶次数、淋溶概率分别呈极显著和显著正相关, 降雨量每增加100 mm, 淋溶次数约增加3次, 淋溶概率上升6%。当全生育期降雨量超过74 mm时, 淋溶概率增加, 可能引起淋溶; 而当全生育期降雨量达到217 mm时, 淋溶次数增加, 可以发生淋溶。产生淋溶的降雨等级一般以中雨(10~24.9 mm)和大雨(25~49.9 mm)为主。3)淋溶量和淋溶液总氮浓度呈极显著正相关, 与总磷浓度无明显相关关系。4)总氮淋溶强度与降雨强度呈极显著正相关, 降雨强度每增加10 mm·(24h)-1, 总氮淋溶强度增加0.73 kg·hm-2, 而总磷淋溶强度与降雨强度无明显相关性。由此可见, 吉林省黑土区农田在春玉米雨养条件下以氮素淋溶为主, 且与降雨密切相关, 应因地制宜采取农艺措施在源头上阻控农业面源污染的发生, 为农业生态可持续发展提供有效途径。
施氮量对潮土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷淋溶的影响
骆晓声, 寇长林, 王小非, 李太魁, 王洪媛
2021, 29(1): 29-37. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200548
摘要(345) HTML (10) PDF(279)
摘要:
潮土是我国华北地区主要土壤类型之一, 潮土区是我国冬小麦-夏玉米作物的主要产区, 研究不同施氮量潮土氮磷淋溶特征对于指导区域农田面源污染防控具有重要意义。本研究设置3个施肥处理, 即传统施氮(CON)、优化施氮(OPT)和优化再减氮(OPTJ), 利用田间渗漏池法, 研究潮土冬小麦-夏玉米轮作农田硝态氮及总磷淋溶特征。结果表明: 2016—2018年, 冬小麦-夏玉米轮作周年不同施肥处理90 cm土层年淋溶水量79.0~102.5 mm, 不同淋溶事件间土壤淋溶液硝态氮浓度波动较大, CON、OPT和OPTJ处理单次淋溶事件硝态氮浓度分别为18.9~208.7(平均为72.7) mg·L-1、9.0~99.2(平均为33.8) mg·L-1、4.7~55.5(平均为15.4) mg·L-1。本研究区域冬小麦-夏玉米轮作模式的氮素淋溶风险较高, 磷素淋溶风险较低。传统施氮处理(CON)下农田硝态氮的平均淋溶量和表观淋失系数分别为66.4 kg·hm-2和10.3%, 而总磷(TP)为0.06 kg·hm-2和0.04%。氮肥减施会显著降低氮素淋失, OPT和OPTJ处理的氮素淋溶减排率可达56.3%和78.9%。两个年度CON、OPT和OPTJ处理硝态氮平均表观淋失溶系数分别为10.3%、6.2%和4.9%, 随着施氮量的增加, 硝态氮淋失溶系数动态增加。氮淋溶具有较大的年际变化, 降雨量高的2018年比降雨少的2017年硝态氮淋溶量多57.0%。两个年度CON、OPT和OPTJ处理总磷平均淋溶量分别为0.06 kg·hm-2、0.06 kg·hm-2和0.08 kg·hm-2。适量减施氮肥会增加作物产量, OPT处理的作物产量是CON处理的1.08倍。然而, 过量减施则会带来减产风险, OPTJ处理氮肥减施56%, 作物产量比CON处理降低2.0%~8.1%。总之, 潮土区农田硝态氮淋溶风险较大, 适量减施氮肥能够在保证作物产量的基础上显著降低氮素淋失损失。
设施菜地土壤氮素运移及淋溶损失模拟评价
雷豪杰, 李贵春, 丁武汉, 徐驰, 王洪媛, 李虎
2021, 29(1): 38-52. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200570
摘要(338) HTML (14) PDF(425)
摘要:
设施菜地因大水大肥管理方式导致的氮素淋失已成为当前关注焦点。探寻氮素淋失阻控技术需要首先探明土壤中NO3--N的运移和淋失过程, 找到淋失阻控的关键点, 从而实现蔬菜栽培高产量低环境成本。本研究以京郊设施菜地黄瓜-番茄轮作系统为研究对象, 通过田间试验获取土壤温度、湿度、NO3--N含量等数据, 对反硝化-分解(DNDC)模型进行参数校验, 并以农民常规种植模式为基线情景, 设置改变土壤基础性质、灌溉量、施氮量等不同情景, 运用DNDC模型对设施菜地系统土壤氮素运移及淋溶损失进行定量评价。结果表明:经验证后的DNDC模型能够较好地模拟蔬菜产量、5 cm土壤温度和0~20 cm土壤孔隙含水率变化以及NO3--N的迁移过程, 是模拟和评价氮素运移和损失的有效工具。模拟不同情景表明, 设施菜地0~60 cm土壤NO3--N累积主要受灌溉水量和氮肥施入量的影响, 此外土壤pH和土壤有机碳的变化也是影响NO3--N运移的重要因子。节水节肥是设施菜地氮素淋失减量的最有效方法, 相比常规措施, 同时减少20%灌溉量和20%施氮量可明显降低59.04%的NO3--N淋失量。同时, 在节水节肥的基础上改变灌溉方式并提高20%土壤有机碳含量, 在保证蔬菜产量的前提下, 能够进一步降低69.04%的NO3--N淋失量。可见, DNDC模型为设施菜地NO3--N淋失评价和阻控提供了一个较好的解决方案。在当前重点关注减氮节水等管理措施的同时, 提高土壤本身的质量, 不失为一种更有效的减少设施菜地氮素淋失的途径。
根层-包气带氮磷淋溶机制
华北潮土冬小麦-夏玉米轮作包气带氮素淋溶机制
牛新胜, 张翀, 巨晓棠
2021, 29(1): 53-65. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200644
摘要(340) HTML (16) PDF(188)
摘要:
合理水氮管理可以实现作物目标产量和品质、维持土壤肥力和降低环境污染。然而, 自20世纪90年代以来, 我国农田过量施氮和大水漫灌等问题突出, 引起农业面源污染日趋加重, 地下水硝酸盐污染成为一个普遍现象。本文以华北潮土区冬小麦-夏玉米体系为研究对象, 采用数据整合和文献分析的方法, 阐明了典型农田硝态氮淋溶的时空特征及影响因素, 研究了地表裂隙和土壤大孔隙对硝态氮淋溶的影响, 定量了氮素在地表-根层-深层包气带-地下水的垂直迁移通量及过程。结果表明, 农户常规管理的冬小麦-夏玉米轮作体系氮素盈余较高(299~358 kg·hm-2·a-1), 导致土壤根区和深层包气带累积了大量的硝态氮。冬小麦季硝态氮的迁移主要受灌溉影响, 以非饱和流为主, 且迁移距离较短; 春季单次灌溉量低于60 mm, 可以有效控制水和硝态氮淋溶出根区。冬小麦耕作和灌溉引起的地表裂隙对水氮运移的贡献不大。雨热同期的夏玉米季, 土壤水分经常处于饱和状态, 再降雨就可以导致硝态氮淋溶出根层进入深层包气带。夏玉米季极易发生硝态氮淋溶事件(占全年总淋溶事件的81%左右), 硝态氮淋溶量占全年总淋溶量的80%左右, 且单次淋溶事件的淋溶量较高。大孔隙优先流对夏玉米季根区硝态氮淋溶的贡献率在71%左右, 这些硝态氮脱离了作物根系吸收范围, 反硝化作用对硝态氮去除具有一定作用。在华北气候-土壤条件下, 特别应注意冬小麦收获后土壤不应残留过多硝态氮, 以避免夏玉米季降雨发生大量淋溶; 夏玉米季需要注意施氮与作物需氮的匹配。由于夏玉米追肥困难, 生产上提倡一次性施肥措施, 控释肥应该能够发挥更大作用。未来气候变化, 导致夏季极端高强度降雨事件的频率增加, 将会加剧包气带累积硝态氮通过饱和流或优先流向地下水的迁移。合理的水氮管理是从源头上减少硝态氮向深层包气带和地下水迁移的主要措施。
华北平原大孔隙优先流对农田氮素淋溶的影响
曾辉, 温娜, 张建丰, 张杰, 胡克林, 刘刚
2021, 29(1): 66-75. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200508
摘要(333) HTML (5) PDF(183)
摘要:
优先流是土壤水分入渗的一个重要途径, 大孔隙是产生优先流的关键因素。研究优先流对于土壤水分和溶质运移研究及生态环境保护、制定合理的田间管理措施等具有重要意义。本研究将田间亮蓝染色示踪试验和WHCNS (soil water heat carbon nitrogen simulator)模型模拟相结合, 研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系存在大孔隙下, 强降雨和不同施肥、灌溉情景下土壤水氮运移的情况, 以此探讨大孔隙优先流对于土体中水分和硝态氮运移的影响。结果表明:明显含有虫洞的免耕土壤入渗深度和染色面积均高于旋耕土壤; 免耕土壤的染色面积和稳定入渗速率的Pearson相关性不显著, 染色示踪不能定量化土壤稳定入渗速率。同时WHCNS模拟的0~100 cm土层硝态氮淋洗量结果显示:一方面, 相较于无大孔隙情景, 大孔隙存在会显著增加硝态氮的淋洗量; 另一方面, 大孔隙存在下优化施肥模式的硝态氮淋洗量比传统施肥模式减少46.0%。常规灌溉量下喷灌比漫灌处理的硝态氮淋洗量减少15.6%;强降雨导致硝态氮淋洗量增加119.4%。本研究为华北平原地区大孔隙存在条件下的农田水肥优化管理措施提供了理论指导。
华北平原农田裂缝对硝态氮淋溶的影响
阿力曼, 张杰, 曾辉, 丁天宇, 罗志英, 李丽丽, 胡克林, 刘刚
2021, 29(1): 76-84. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200506
摘要(281) HTML (4) PDF(171)
摘要:
土壤干缩开裂是常见的自然现象。目前关于土壤干缩开裂的研究主要集中于裂缝的最终形态特征,并且以室内试验为主。本研究通过室外大田试验,结合动态计算机图像分析及水氮运移模拟软件WHCNS,研究土壤干缩开裂的动力学过程、特征及其对农田水氮运移的影响。利用原位熔化石蜡浇筑得到了裂缝三维结构形态,借助三维激光扫描仪量化裂缝的几何特征,发现每平米裂缝平均长度为4.58 m,裂缝上表面平均宽度为5.72 mm,平均深度为9.06 cm。基于三维扫描仪提取得到的裂缝几何参数,通过WHCNS仿真模拟,发现相较于无裂隙情况,裂隙的存在分别增加了传统施肥和优化施肥情况下97.40%和256.43%的硝态氮淋失量;与优化施肥模式相比,传统施肥模式更容易造成硝态氮的淋失风险。在模拟灌溉模式对硝态氮淋洗情况的影响时,其差异不明显;强降雨的设置同样增加了硝态氮的淋失风险,导致硝态氮的年均淋洗量增加83.61%。裂缝的存在严重影响农田作物对肥料的吸收和利用,通过优化施肥量、更改灌溉模式以及避免强降雨前施肥都可以减少肥料的损失。
水铁矿对磷的吸附及胶体态磷迁移能力预测
马杰, 马玉玲, 钱晓燕, 王智巧, 陈雅丽, 翁莉萍, 李永涛
2021, 29(1): 85-93. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200461
摘要(317) HTML (13) PDF(749)
摘要:
土壤中流失的磷进入水体容易引起富营养化污染。目前对于铁矿物胶体结合态磷在土壤孔隙介质中的稳定性和迁移能力的认识还存在不足。本研究采用吸附试验,考察水铁矿对磷的吸附特征以及pH、离子强度和胡敏酸对磷在液相、水铁矿胶体和水铁矿固体上分布的影响;通过DLVO理论,预测水铁矿胶体结合态磷的稳定性和迁移能力。结果表明,假二级动力学模型(R2=0.964)更适合用于描述磷在水铁矿上的吸附过程,磷在水铁矿上的吸附受液膜扩散、内部扩散和化学吸附等过程控制。Freundlich模型(R2=0.970)对等温吸附的拟合效果好,说明水铁矿对磷的吸附为多层吸附过程。从Langmuir模型参数可知,水铁矿对磷的最大理论吸附量为22.55 mg∙g-1。水铁矿对磷的吸附能力随pH的升高而降低,随离子强度的升高而升高。然而,低离子强度和高pH有利于反应体系中水铁矿胶体的释放。无论胡敏酸是否存在,在碱性且离子强度不高(1~10 mmol∙L-1)的条件下,有约5%~20%的磷会与水铁矿胶体结合,且这些磷-水铁矿胶体之间的静电斥力较大。根据DLVO理论计算可知,这些带负电荷的胶体之间稳定性较好,在土壤中有一定迁移能力。在实际农业活动中,磷肥的过量施用可能会使大量的磷酸根离子吸附在铁矿物上,促进土壤孔隙水中形成稳定的、带负电的铁矿物胶体,这种磷-铁矿物复合胶体的迁移很可能成为磷迁移的另一种形式。本研究结果可为胶体促进下磷淋失风险评估提供理论和数据支撑。
华北平原农田厚包气带及含水层反硝化细菌的分离鉴定及作用机制研究
赵会成, 刘梦帅, 陈帅民, 王新珍, 王仕琴, 胡春胜, 刘彬彬, 王凤花
2021, 29(1): 94-101. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200519
摘要(360) HTML (24) PDF(406)
摘要:
华北平原农田由于长期过量施用氮肥,造成了土壤硝酸盐累积,导致地下水硝酸盐污染日趋严重。微生物的反硝化作用可将土壤中累积的硝酸盐或亚硝酸盐还原为气态产物,是消减厚包气带土壤累积的硝酸盐的重要途径。因此筛选高效反硝化微生物资源,对人工强化厚包气带土壤反硝化脱氮,阻控地下水硝酸盐污染具有重要作用。基于此,本研究采集位于华北平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站长期施氮[施氮量为600 kg(N)∙hm-2∙a-1]定位试验0~150 m农田厚包气带及含水层土壤样品,从中筛选到62株细菌。16S rRNA基因序列分析表明这62株菌株与变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)中的9个属具有较高的同源性。根据系统发育树的结果,挑选7株亲缘关系较远的菌株进行反硝化潜势试验,结果表明,菌株L71、L13和L103具备反硝化产气能力。电镜观察结果表明,这3株菌均为无鞭毛的杆状细菌,其长度分别为1.0 μm、1.5 μm和1.5 μm,只有L103具有运动能力。此外,菌株L103具有完全反硝化能力,且脱氮能力受到pH的影响,在本试验条件下,菌株L103的反硝化速率高达1.62~2.36 g(KNO3)∙d-1∙L-1,具备实际应用潜力。本研究表明华北平原厚包气带土壤中存在完全反硝化微生物,并可为人工强化治理厚包气带土壤硝酸盐污染提供菌种资源和理论依据。
黑土区氮磷淋溶的阻控机制
黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制研究
袁磊, 陈欣, 吕丽萍, 马建, 史奕, 贾竞超, 解宏图, 张旭东, 何红波, 梁超, 鲁彩艳
2021, 29(1): 102-112. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200499
摘要(316) HTML (12) PDF(641)
摘要:
为阐明黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制,运用田间原位15N示踪技术,设常规垄作、免耕无秸秆覆盖和免耕100%秸秆覆盖(秸秆量为7500 kg·hm-2)3个处理,量化了长期免耕秸秆覆盖措施下氮素在不同形态氮库中的转化特征、淋溶运移规律和去向。结果表明:农民常规施肥量条件下,常规垄作、免耕无秸秆覆盖和免耕全量秸秆覆盖均已导致东北黑土春玉米田0~300 cm土壤剖面中分别累积461.6 kg(N)·hm-2、450.7 kg(N)·hm-2和439.7 kg(N)·hm-2的矿质氮,且主要是硝态氮(占比分别为84.2%、79.5%和81.7%),存在着氮素的淋溶损失风险。当季施入肥料氮对玉米苗期和抽雄期0~40 cm土层总硝态氮库累积的贡献率平均为60.9%和58.0%,其淋溶损失风险较高。与常规垄作处理相比,免耕全量秸秆覆盖降低了0~40 cm土层肥料氮向矿质氮库的转化,降低比例达20.8%;增加了其向黏土矿物固定态铵和有机氮库的转化,提高比例分别为39.4%和30.5%。0~20 cm土层,黏土矿物对肥料来源铵的固定能力和微生物对肥料来源矿质氮的固持能力基本相当;20~40 cm土层,固持能力前者高于后者,说明外源碳输入的数量及其与土壤微生物的接触程度共同决定着对矿质氮的固持潜能。通过免耕和秸秆覆盖调控机制,可阻控黑土春玉米田矿质氮在土壤剖面的大量积累,使氮肥利用效率和玉米产量均提高9.7%,氮肥的气态损失降低27.7%,延缓肥料氮向深层土壤剖面淋溶运移的速率。
黑土区农田氮磷淋溶消减措施
张伟, 王睿, 李思琪, 鲁彩艳, 解宏图, 隋跃宇, 张秀芝
2021, 29(1): 113-118. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200496
摘要(253) HTML (17) PDF(718)
摘要:
黑土是我国重要的土壤资源,承载了全国50%以上的玉米产量。但过量的化肥施入和不合理的农业管理造成黑土土壤氮磷大量残留,氮磷淋溶风险增强。相关研究表明,尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低,肥料残留效应仍致使其潜在淋溶风险增强。因此,本研究综合分析了环境因子和农业管理措施对黑土区农田氮磷淋溶特征的影响规律,明确了黑土氮磷淋溶消减措施,并针对玉米农田和蔬菜地提出消减策略。具体结果如下:施肥和降水是影响黑土农田氮磷淋溶的重要因素,灌溉是影响蔬菜地氮磷淋溶的关键农田管理措施;按需施肥、有机无机配施、避免雨热同期追肥、节水灌溉、免耕秸秆覆盖、不同作物轮作和添加生物炭等均是适合于当地气候和土壤条件的氮磷淋溶阻控措施。建议玉米农田采用一次性基肥施入,有机肥占比50%~70%,采用免耕秸秆覆盖技术;蔬菜地在常规施肥和灌溉频次下分别降低20%的施肥量和灌溉量,推荐蔬菜秋季收获后秸秆粉碎深埋等管理措施。本研究明确了黑土区农田氮磷淋溶消减策略,有助于实现黑土区农业绿色可持续发展和绿色生态环境的构建。
减水减肥对设施黑土菜田磷素累积与淋溶的影响
陈一民, 徐欣, 焦晓光, 曲红云, 侯萌, 隋跃宇
2021, 29(1): 119-127. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200462
摘要(243) HTML (28) PDF(218)
摘要:
设施黑土菜田由于过量施肥和灌溉导致磷素淋溶损失严重,亟待优化水肥管理模式以减少设施黑土菜田磷素淋溶。本研究依托黑土设施菜田淋溶监测试验,设置常规灌溉量与施肥量(WF)、常规灌溉量+80%常规化肥量(W80% F)、80%常规灌溉量+常规肥处理(80% WF)3个处理,对土壤磷储量、速效磷动态变化、磷素淋失量进行分析,研究了不同水肥处理对黑土设施茄子土壤磷素淋失风险和淋失量的影响。结果表明:经种植1季茄子后,WF、W80% F和80% WF处理0~100 cm土体磷储量分别为9.69 t·hm-2、9.36 t·hm-2和8.84 t·hm-2,分别比移栽前增加26.5%、27.5%和7.1%。随着茄子生育期延长,0~20 cm土层速效磷含量呈先升高后降低的趋势,80% WF处理速效磷含量较其他两个处理高,变幅为145.17~224.55 mg·kg-1;20~40 cm土层,WF处理速效磷含量基本保持不变,80% WF处理速效磷含量整体呈上升趋势,W80% F处理速效磷含量先升高后降低再升高,除盛果期外均显著高于另两个处理。WF、W80% F和80% WF磷素淋失量分别为17.84 kg·hm-2、17.47 kg·hm-2和9.02 kg·hm-2,其中有机磷淋失量占磷素淋失总量的90%以上。磷素淋失量与磷储量增加量、盛果期0~40 cm土层速效磷含量、拉秧期0~20 cm土层速效磷含量之间均存在显著的相关性(P < 0.05),可通过磷储量增加量来预测生育期内磷素淋失量。与常规水肥处理相比,减少化肥施用量对磷素淋失量和淋失风险无明显影响,但减少灌溉量能显著减少磷素淋失量,降低磷素淋失风险。研究结果可为设施黑土菜田磷素淋溶阻控提供技术支撑,为新阻控技术的研发提供理论指导。
冻融交替对农田氮磷淋溶影响的研究进展
邓芳博, 鲍雪莲, 梁超, 解宏图
2021, 29(1): 128-140. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200494
摘要(372) HTML (13) PDF(269)
摘要:
农田施肥过量导致氮磷养分淋溶引发的水体污染问题日益突出,冻融交替是中高纬度、高海拔和部分温带地区的自然现象,对冻土区农田生态系统的土壤生物地球化学过程有重要影响。了解冻融交替如何影响土壤氮磷养分淋溶,对建立阻控养分淋溶的措施至关重要。本文对国内外已有的研究结果进行归纳和梳理,从土壤物理、化学和生物学角度阐述了冻融交替对农田土壤氮磷淋溶的作用机制和影响因素。冻融交替主要是通过以下几个方面影响养分淋溶:1)土壤水的相变对土壤颗粒、孔隙结构、微生物细胞的破坏作用;2)对土壤微生物群落组成、结构及其参与的养分循环的影响;3)最终导致土壤对养分和水分固持能力、可淋溶养分的含量和形态以及淋溶通道的改变。此外,气候因素包括气温和积雪覆盖对冻融模式的影响以及土壤自身的性质决定着冻融期间养分淋溶损失程度。基于冻融对养分淋溶的影响机制,阐述了增施生物炭、种植覆盖作物、采用免耕秸秆覆盖等耕作方式在减缓养分淋溶方面的研究进展和潜在机制,为今后相关研究工作提供了理论依据。最后简要指出当前研究的不足之处,提出未来相关研究的方向。
潮土区氮磷淋溶的阻控机制
华北平原潮土区粮田氮淋失阻控措施及效果分析
孟凡乔, 王坤, 肖广敏, 王开永, 胡正江, 张海霞, 许秀春, 张薇, 杨轩
2021, 29(1): 141-153. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200523
摘要(340) HTML (15) PDF(248)
摘要:
华北平原潮土区是我国重要的粮食主产区,改革开放40多年来该区农业经历了以高水肥投入为主要特征的集约化进程,相应的氮淋失导致的面源污染自20世纪90年代以来不断加剧。本研究针对华北平原潮土为主要类型的粮田,对过去40多年间主要研究文献进行全面分析,梳理氮肥和水分投入与氮淋失之间的定量关系,比较主要农田管理措施对氮淋失的阻控效果及其机理,以期为我国农业面源污染提供决策支持。研究发现,氮肥和灌溉是影响华北平原潮土区粮田氮淋失的主要因素,其中氮淋失与氮盈余量之间呈指数关系,比与施氮量的指数关系更显著。基于机器学习的随机森林回归模型能够考虑包括施肥、灌溉、土壤条件和气象等多因素对氮淋失的影响,未来在定量预测中有较好前景。同等氮肥投入条件下,由于氮供应与作物吸收契合度高,有机无机配施能显著降低氮淋失。以缓控释肥、尿酶和硝化抑制剂为代表的肥料增效剂可以降低约1/3的氮淋失,值得重点推广应用。秸秆还田可以实现包括提高土壤有机物和微生物氮库、增加无机氮缓冲容量等综合效益,有利于降低氮淋失风险(降低比例达10%),但免耕的阻控效应较低且呈现较大不确定性。调整种植制度、休耕、间作套种和种植填闲作物等措施会影响粮食产量,推广过程中应慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社会、经济和政策等因素的影响,今后应采取包括生态补偿等手段发挥农民主动性,从政策和法律法规层面创造实施氮淋失阻控措施的社会环境。
地下水位波动对不同施氮量农田土壤硝态氮运移影响
刘静, 朱鑫宇, 李顺江, 康凌云, 马茂亭, 杜连凤
2021, 29(1): 154-162. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200707
摘要(336) HTML (18) PDF(189)
摘要:
明确地下水位波动对农田土壤剖面和地下水NO3--N运移的影响,可为减少土壤氮素淋失、降低地下水硝酸盐污染风险提供依据。本研究采用大型土柱温室种植甘蓝,研究2种水位波动(水位不变、水位每隔10 d波动20 cm)和3种施氮量[0 kg(N)·hm-2、225 kg(N)·hm-2、450 kg(N)·hm-2]对土壤含水量、土壤溶液NO3--N浓度、地下水NO3--N浓度和作物产量的影响。结果表明,水位波动和施氮肥对NO3--N运移的影响与土壤剖面深度有关。0~20 cm包气带土壤NO3--N含量受施氮量影响,过量施氮肥[450 kg(N)·hm-2]导致该剖面NO3--N累积。20~60 cm水位波动带土壤NO3--N含量受施氮量和水位波动的共同作用:施氮量增加提高NO3--N含量;水位波动降低剖面土壤NO3--N含量,水位上升和下降均促进土壤NO3--N随着水流运动向下层迁移;剖面土壤硝态氮含量高,增加NO3--N进入地下水的风险。60~80 cm淹水区剖面土壤NO3--N含量较低。作物产量受水位波动影响不显著。在地下水位埋深较浅的农业区进行氮素污染防控时,不可忽视水位波动对NO3--N运移的影响。
褐土区氮磷淋溶的阻控机制
褐土区农田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施
郭胜利, 张树兰, 党廷辉, 郭李萍, 李丽君, 高鹏程, 王蕊
2021, 29(1): 163-175. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200576
摘要(341) HTML (21) PDF(306)
摘要:
自20世纪90年代以来,持续过量氮磷化肥投入导致农业面源污染日益严重,了解农田土壤氮磷淋溶特征是降低地下水污染的基础。基于田间调查、长期定位肥料试验和田间试验,分析褐土区氮磷的盈余状况,阐明该区农田土壤氮磷的盈余变化、淋溶特征;评价田间管理措施对农田土壤氮磷淋溶的影响。结果表明,典型褐土区关中平原过量施氮的土壤达到83%以上,大量土壤硝态氮已经迁移到100 cm土层以下,15%的水井地下水的硝态氮含量超过10 mg·L-1(WHO饮用水标准);80%耕层土壤有效磷(Olsen-P)含量已超过20 mg·kg-1,富磷土壤已出现可溶性磷素向耕层以下迁移的现象。氮肥和磷肥的投入量、氮磷吸收量和土壤氮磷残留量之间存在着3个发展阶段:环境友好-资源高效阶段、环境低风险-资源低效阶段和环境有害-资源无效阶段。与当地常规水肥投入量相比,在保证产量的前提下,化肥减量、降低灌溉量、施用生物炭或秸秆还田都可以降低氮磷淋失量;其中化肥减量、降低灌溉可显著降低氮磷的淋失,其次是施用生物炭和秸秆。施用秸秆条件下,阻控硝态氮淋失与微生物生物量碳氮的提高、土壤硝化势降低或反硝化势升高有关。此外,需要关注褐土区粮果复合系统中土壤氮磷淋溶的环境效应、地下水硝酸盐污染的溯源等问题。
不同水肥措施下华北露地菜地氮淋溶特征
杨荣全, 谢立勇, 郑益旻, 李明, 魏娜, 李迎春, 巨晓棠, 郭李萍
2021, 29(1): 176-186. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200533
摘要(332) HTML (9) PDF(602)
摘要:
华北地区典型一年两季露地蔬菜种植系统,蔬菜生长季水热同季、种植管理中水氮供应充足且往往过量,造成大量氮素淋溶到深层土壤,不仅造成水肥资源利用率低,对地下水质也造成威胁。本文以华北潮褐土黄瓜-白菜一年两季典型露地蔬菜为研究对象,利用田间试验研究不同氮肥用量及优化措施(包括抑制剂、生物炭、秸秆还田)以及控制灌溉量对蔬菜产量、土壤氮淋溶及氮平衡的影响。研究结果表明:1)华北典型露地菜地氮肥主要损失去向为深层土壤中积累及氮淋溶。2)农民常规施肥处理[黄瓜季和白菜季各施550 kg(N)·hm-2]淋洗出80 cm土壤剖面的总氮占当季氮肥施用量的10.0%,减氮20%和50%分别使总氮淋溶量降低23.8%和45.6%;减氮20%对蔬菜产量没有显著影响,减氮50%对水肥需求量较高的黄瓜产量有显著影响(减产19.6%)。3)减氮20%配合脲酶抑制剂和硝化抑制剂、施用生物炭和添加秸秆还田分别使全年总氮淋溶量比常规水肥处理降低40.7%、43.0%和34.3%,而对蔬菜产量没有显著影响。4)减少灌溉量15%和30%分别使总氮淋溶比常规水肥处理降低43.1%和50.5%,水氮协同调控对降低氮淋溶效果显著;对需水量较高的黄瓜季,灌溉量降低30%黄瓜产量显著降低13.9%。5)高量水肥投入条件下连续种植蔬菜3年6季后,0~80 cm土壤剖面硝态氮积累量占0~200 cm土壤剖面积累量的38.2%~50.7%,土壤剖面积累了大量硝态氮而且向深层土壤中移动。因此,合理控制水肥管理,特别是减氮结合脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合水分管理,是经济可行的有效阻控土壤氮淋溶的措施。
水肥管理及生物炭施用对作物产量和磷效率及磷淋失的影响
卢慧宇, 杜文婷, 张弘弢, 徐佳星, 韩燕, 郑景瑞, 王仁杰, 杨学云, 张树兰
2021, 29(1): 187-196. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200513
摘要(285) HTML (4) PDF(449)
摘要:
为探讨中国北方褐土区典型种植模式——冬小麦-夏玉米体系水分优化、养分优化以及生物炭施用对作物产量、磷效率和磷素淋失的影响,2016—2019年于陕西杨凌土(黄土母质,自然褐土发育)区进行田间渗漏池试验,设计习惯水肥(CP1、CP2,CP1处理渗漏池深为120~150 cm,CP2处理渗漏池深为100 cm)、灌水优化(CP1-W)、养分优化(CP1-F)、水分养分优化(OPT)、习惯水肥+生物炭(CP2+B)以及水分养分优化+生物炭(OPT+B)7个处理,研究作物产量、磷肥偏生产力和磷素淋失的响应。结果表明,CP1-W、CP1-F和OPT处理3年平均冬小麦、夏玉米及作物总产量均与CP1处理无显著差异。CP1-F和OPT处理较CP1处理均显著增加磷肥偏生产力,平均增幅分别为69.3%和56.4%。与CP1处理相比,CP1-W和CP1-F均没有显著影响各形态磷的淋失量,而OPT处理的颗粒磷淋失量显著减少58.4%。施用生物炭对3年平均作物总产量无显著影响,而在CP2+B处理磷肥偏生产力显著提高43.6%;在OPT+B处理磷肥偏生产力无显著变化。CP2+B处理各形态磷素的淋失量均与CP2处理相似,OPT+B处理第1年可溶性有机磷、颗粒磷和总磷淋失量较OPT处理分别显著降低60.0%、57.1%和62.4%,但后两年OPT+B处理总磷淋失量却显著增加。综合3年的结果发现,在不同条件下施用生物炭对各形态磷素淋失均无显著影响。上述结果表明,褐土区在农户水肥的基础上合理降低水肥用量,可以提高磷肥利用率,降低磷素淋失量,保障作物产量;而施用冬小麦秸秆生物炭对作物产量、磷素淋失无显著影响,对磷肥偏生产力的影响结果不一致,有待进一步研究。
褐土区氮磷在土壤发生层中淋溶的差异性
马琳杰, 霍晓兰, 靳东升, 刘平, 霍晨, 惠薇, 李丽君
2021, 29(1): 197-207. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200585
摘要(315) HTML (3) PDF(377)
摘要:
农业氮磷淋溶已经成为地下水污染最普遍和突出的问题。为揭示氮磷在包气带不同土层的淋溶特征,以典型褐土的5个土壤发生层(耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层)为研究对象,采用室内土柱模拟淋溶试验,在施肥量相同的条件下分析不同形态氮磷淋溶量,研究氮磷在不同土壤发生层中的迁移特征及其影响因素。结果表明:1)进行5次淋溶,耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层淋溶液中可溶性总氮总量分别为2412.63 mg·L-1、3028.94 mg·L-1、244.16 mg·L-1、3648.99 mg·L-1和3356.51 mg·L-1,淋溶层、黏化层和母质层可溶性总氮淋溶量显著高于耕层,而钙积层可溶性总氮淋溶量较耕层显著减少;耕层淋溶液中可溶性总磷总量为0.52 mg·L-1,且显著高于其他4层。2)在试验初期,耕层、淋溶层的硝态氮、可溶性总氮和正磷酸盐淋溶量显著高于黏化层和母质层,进行到第4、5次淋溶,黏化层、母质层的硝态氮和可溶性总氮淋溶量显著高于其他3层,而各发生层间正磷酸盐淋溶量无显著差异;单次淋溶黏化层和母质层铵态氮淋溶量均显著高于其他3层,而耕层可溶性总磷淋溶量始终显著高于其他各层。3)耕层和钙积层的淋溶液中硝态氮是氮素淋溶的主要形态,占可溶性总氮比例分别为69.0%和85.4%,而在淋溶层、黏化层和母质层中分别为41.3%、5.1%和4.6%;在可溶性磷中,以无机态正磷酸盐为主,最高占可溶性总磷的75.9%。4)土壤有机质含量、阳离子交换量、黏粒含量对土壤氮磷的迁移转化有明显主导作用。有机质与氮磷淋溶量呈显著正相关关系,有机质含量高,会增加淋溶初期氮磷的淋溶风险;而阳离子交换量和黏粒含量则与氮磷淋溶呈显著负相关关系,阳离子交换量大和黏粒多能减少氮磷素的淋溶风险。该试验结果说明,由于5种发生层土壤理化性质不同,各发生层氮磷淋溶特征及其淋溶形态也有差异,并且氮磷的淋溶受土壤本身阳离子交换量、黏粒和有机质含量的影响。
氮磷淋溶风险分区与区域消减
北方区域尺度地下水-包气带硝酸盐分布与变化特征
李晓欣, 王仕琴, 陈肖如, 雷玉平, 高鹏程, 胡春胜, 马林
2021, 29(1): 208-216. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200862
摘要(256) HTML (15) PDF(163)
摘要:
我国农业生产过程造成的地下水硝酸盐污染问题备受关注,作为硝态氮累积和存储的重要场所和硝酸盐淋失进入地下水的主要通道,包气带土壤中硝酸盐存储分布特征与地下水硝酸盐污染密切相关。本文以北方典型黑土、潮土和褐土区农田为研究对象,建立了北方地下水硝酸盐监测网(东北、华北、西北),通过对不同区域地下水的采样和测定,比较了地下水硝酸盐污染的区域差异,结合历史数据对地下水硝酸盐时空变化进行了分析。进一步选择华北平原作为厚包气带的代表区域,实地取样分析了包气带硝态氮累积存储和分布特征。结果表明:东北黑土区地下水硝酸盐超标率最高,达39.6%;其次为华北潮土区,超标率为19.3%;西北褐土区的地下水硝态氮超标率最低,为14.9%。随时间推移,华北平原区域尺度浅层地下水硝酸盐超标率有增长趋势,2016—2018年403个采样点地下水超标率为18.9%,高于1998年的11.8%。华北平原区域厚包气带硝酸盐存贮总量可达1854万t,粮食种植对区域包气带硝酸盐累积存储的平均贡献率为78.3%;包气带0~6 m是华北平原区硝酸盐存储的主要土层,这部分存储的硝态氮对地下水构成了潜在的威胁。
基于养分损失脆弱区的氮磷淋溶分区消减策略
金欣鹏, 柏兆海, 马林
2021, 29(1): 217-229. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200792
摘要(359) HTML (30) PDF(188)
摘要:
农业面源污染研究多聚焦于田块尺度,缺少对区域尺度氮磷损失风险和消减途径的探索。因此,本研究提出在区域尺度依据养分损失风险制定管理策略,以期在现有技术条件下充分发挥减排措施潜力、全面提升面源污染区域阻控效力。本文利用水质监测数据、文献数据、地理要素空间数据和基于NUFER(NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use)模型模拟的养分损失结果,划定了我国养分损失脆弱区;在此基础上,按照我国农业生态区划和养分损失脆弱区级别确定了各区养分管控程度,并结合各区自然和社会经济条件选取可行、高效的养分管理技术,形成了我国氮磷淋溶区域消减策略和技术列单;最后通过模型再次评估了分区氮磷消减策略的效果。结果表明:养分损失脆弱区和潜在脆弱区覆盖了全国耕地面积的52%,广泛分布于主要农产品产区,呈现显著的空间聚集特征;分区养分管理可以消减51%的潜在脆弱区面积,消减潜力较大的区域集中在东北、长江中下游和西南地区;氮淋溶强度超过22.6 kg·hm-2的区域覆盖耕地面积3.1×107 hm2,通过实施基于养分损失脆弱区的分区氮磷消减措施,氮淋溶超标区内耕地面积减少至1.9×107 hm2,消减比例约为40%。上述养分损失脆弱性区划和区域氮磷消减草案可为农业绿色发展和面源污染控制提供科学依据。
白洋淀流域浅层地下水硝酸盐分布及来源的区域分异特征
王仕琴, 檀康达, 郑文波, 马林, 宋献方, 唐常源, 胡春胜
2021, 29(1): 230-240. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.200672
摘要(342) HTML (24) PDF(166)
摘要:
白洋淀位于雄安新区规划的核心范围,地下水是白洋淀流域主要的用水水源。由于白洋淀上游工业、生活污水的排放和农田肥料过量施用等农业面源引起的硝酸盐污染来源多样,使得流域内地下水硝酸盐污染较为普遍。然而,目前对全流域尺度地下水硝酸盐分布特征及来源仍不明晰。本文在分析过去近10年地表水和地下水硝酸盐数据的基础上,于2016年12月采集了平原区浅层地下水样品,结合水化学和硝酸盐氮同位素,从全流域尺度解析浅层地下水硝酸盐污染分布的时空差异和不同来源氮对地下水硝酸盐影响的程度。研究表明:山区典型流域河谷沉积带地下水硝酸盐浓度高值主要受农村厕所粪污水和局地污水排放影响(最高达313 mg·L-1),而历史时期农田有机肥施用是近年来地下水硝酸盐普遍升高的原因;雨季降水淋滤作用使地下水硝酸盐浓度明显升高,硝酸盐超标率大于旱季的2倍以上。平原区地貌类型控制着不同来源地下水硝酸盐的空间分布和迁移转化。2016年12月平原区130个浅层地下水硝酸盐超标率为21.5%,从上游到下游不同地貌类型地下水硝酸盐浓度中值呈现下降趋势:洪积扇(42.4 mg·L-1)>冲洪积扇(24.1 mg·L-1)>冲洪积平原(6.0 mg·L-1)和河道带(6.2 mg·L-1),而硝酸盐氮同位素中值呈现上升趋势:洪积扇(12.8‰)和冲洪积扇(11.3‰) < 冲洪积平原(16.7‰) < 河道带(20.9‰),说明从上游到下游地下水硝酸盐反硝化作用增强。其中山前平原洪积扇和冲洪积扇地区渗透性较好,地下水硝酸盐超标率高达33.3%和34.0%,主要来源于污水和有机肥。湖泊洼淀区典型生活和工业污水河周边,地下水硝酸盐则存在工业、生活和化肥多污染源并存的特征,且随着地表治污措施的影响地表水和地下水硝酸盐浓度变化较大,污水侧渗导致河道周边地下水硝酸盐浓度较高,距河道较远含水层强烈的还原条件使地下水硝酸盐浓度降低(< 10 mg·L-1),污染风险较低。鉴于以上不同区域地下水硝酸盐脆弱性程度和风险水平的差异,提出了对白洋淀流域上游山区、山前平原洪积/冲洪积扇区、湖泊洼淀污水影响区等硝酸盐脆弱区实施区域分异农田面源污染和水环境整治及管理的建议,为雄安新区水环境安全保障提供科学依据。