基于机器学习的长江流域农田氮径流流失负荷估算

定量解析长江流域农田氮径流流失特征是实现长江及其河口氮污染有效控制的关键科学基础.基于收集的长江流域570个旱地和434个水田田间氮径流流失数据组,采用相关性分析、结构方程模型、方差分解和机器学习方法,探究了影响旱地和水田总氮径流流失强度的主要因素,建立了基于机器学习的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型,量化了长江流域农田总氮径流流失负荷.结果表明,径流深、施氮量和土壤氮含量是影响旱地总氮径流流失强度的主要因素;径流深和施氮量是水田总氮径流流失强度的主要影响因素.与分类与回归树、多元线性回归和增强回归树方法相比,采用随机森林算法构建的长江流域旱地和水田总氮径流流失强度预测模型具有更高的精度（R²为0.65~0.94）.基于随机森林算法的预测模型估算的2013年长江流域农田总氮径流流失负荷（以N计）为0.47 Tg ·a^-1（旱地：0.25 Tg ·a^-1;水田：0.22 Tg ·a^-1）,中下游地区贡献了58%的流失负荷.模型预测5种防治情景下的长江流域农田氮流失负荷可削减2.4%~9.3%,其中减少径流量的削减效果最为显著.长江流域农田氮面源污染防治必须协同加强氮肥精准管理、减少农田径流量和提高土壤氮利用,且应将重点放在中下游地区.所发展的基于机器学习建模方法克服了氮径流流失强度与影响因素之间函数关系难以确定的问题,为估算区域或流域农田氮流失负荷提供了简便且可靠的方法.     

吉林省西部新增灌区水田非点源污染负荷估算

吉林省西部实施土地整理和引水工程新增水田1.53×105ha,同时暴露了以T-N、T-P和总盐量为特征污染物的严重的农田非点源污染问题。应用美国通用土壤流失量方程(USLE)和美国农业非点源管理与化学径流模型(CREAMS),结合典型流域单元试验农田连续监测,估算了吉林省西部地区盐碱地改水田新增非点源污染物TN、TP和总盐量年输出负荷。研究表明:吉林省西部新增水田非点源污染物输出总负荷:氮素4 029.561 t/a(26.337 kg/ha),磷素1 407.982 5 t/a(9.242 5 kg/ha),总盐分851 537.871 t/a(5 565.607kg/ha)。按照驱动作用力分析,降雨径流与农田排水共同驱动水田氮素流失,降雨径流是磷流失主要驱动力,田间排水是总盐分流失主要驱动力。     

江川农场旱田改水田对水环境的影响研究

黑龙江省江川农场实施旱田改水田后,粮食产量持续上升,同时也暴露了以总氮和总磷为主的非点源污染问题。农田氮磷流失主要包括以下几个方面：降雨径流（排水）过程、土壤侵蚀和泥沙输移过程、污染物迁移转化过程。文章基于美国通用土壤流失方程（USLE）和降雨径流模型（SCS）,结合调查资料,分别估算2013年江川农场水田和旱田的总氮和总磷的年输出负荷,从而得出旱改水对水环境的影响结论。     

冀西北半干旱区等高植物篱面源污染控制机理

坡面养分流失是造成面源污染的主要形式.本研究利用冀西北黄土丘陵区的试验小区的长年观测资料,并结合野外全坡面大型人工模拟降雨试验及室外实验数据,分析了冀西北温带及半干旱地区等高植物篱对面源污染控制机理,得出在暴雨条件下细沟产生并导致侵蚀剧烈增加的临界坡长为10～15m;研究揭示出冀西北半干旱区面源污染形态以泥沙携带养分流失为主,等高植物篱控制面源污染的途径是控制土壤颗粒中的养分流失.     

三峡库区兰陵溪小流域养分流失特征

三峡库区蓄水后,库区部分支流速度变缓,小流域面源污染已经成为库区面临的重要环境问题.本文以兰陵溪小流域的一个封闭式集水区为研究对象,监测集水区尺度典型降雨条件下氮磷流失的过程和负荷,比较不同养分流失途径,结果表明:①TN的浓度随着径流量的增加的逐渐降低,降雨停止后缓慢上升,而TP的浓度随着径流量的增加而迅速升高,降雨停止后则迅速下降;②TN的负荷流失过程和降雨量关系较为密切,TP的负荷流失受降雨强度影响较大,N素的流失以溶解态为主,而P素则以颗粒态为主;③地表径流是研究区P素和N素流失主要途径,同时壤中流对N素流失的影响也非常大;④N和P各形态的流失负荷与径流量均呈显著的线性关系;⑤集水区TP的年流失负荷为28.94 kg·(a·km2)-1,TN的年流失负荷为1 040.41 kg·(a·km2)-1。     

三峡库区石盘丘小流域氮磷输出形态及流失通量

小流域作为三峡库区非点源污染源头,是缓解水体水质恶化的重点防控对象.在三峡库区选取具有多种土地利用类型的石盘丘小流域为研究对象,对流域出水口断面水量水质进行连续监测,分析了小流域氮、磷污染物随降雨径流流失的浓度及形态变化特征,并计算小流域的污染物流失通量,分析影响氮、磷养分流失的主要人为和自然因素,对农业非点源污染特别是三峡库区的农业非点源污染研究具有相当重要的现实意义.结果表明,流域降雨量随季节变化明显,降雨多分布在4～6月,为小流域氮、磷流失的主要输出时期,占全年总氮、总磷负荷的58.94%和67.60%.石盘丘小流域年径流总量为8.02×10~4 m~3,总氮年流失通量为5.04 kg·hm~(-2),其中以硝态氮(2.54 kg·hm~(-2))为流失主体;输出总磷为0.534 kg·hm~(-2),可溶性总磷(0.422kg·hm~(-2))占总磷流失通量的79.00%.因此,对于石盘丘小流域来说,需要注意防范施肥和降雨期重合时水田氮磷流失.     

辽河流域面源污染负荷定量试验研究

本文通过对辽河流域面源污染物来源途径分析及系统采样进行试验测定，获得了不同面源污染类型的流失物中可进入水体的COD、总氮和总磷负荷，通过试验核算首次对辽河流域面源污染负荷进行了定量化研究。     

苏州河非点源污染负荷研究

将模拟试验、GIS技术和非点源污染模型相结合,探讨了苏州河流域的非点源污染负荷及时空演变规律.结果表明,研究区域内非点源成为主要的污染源,其中非点源污染负荷COD_Cr约为6 740 t/a,TN,TP和NH₄+-N分别达914,184和298 t/a;水田和村居民点是主要的污染贡献者;非点源污染负荷均表现为梅雨>秋雨>春雨>冬雨明显的季节性规律.      

三峡库区不同土地利用类型氮磷流失特征及其对环境因子的响应

农业面源污染治理是库区生态环境建设亟待解决的问题.通过对三峡库区退耕还林后不同土地利用类型养分流失的监测,分析不同退耕还林模式氮磷流失特征及其对环境因子的响应.结果表明:①不同土地利用类型养分流失浓度的变异性较强,速效养分浓度的变异性远高于全养分;②退耕还林后各土地利用类型磷的年流失负荷降低了84.53%～91.61%,氮的年流失负荷则只有乔木林和板栗显著降低,各土地利用类型的氮素流失负荷是磷素流失负荷的4.85～38.62倍;③不同土地利用类型的磷主要以颗粒态流失,而硝态氮则是氮流失的主要形态;④茶园与竹林的养分流失负荷与降雨量呈较好的相关性,磷素与降雨量的相关性优于氮素,养分流失负荷与降雨强度没有明显的相关性;⑤植被的总盖度、乔木层盖度以及凋落物层盖度对TN流失的影响程度较大.NO3--N的流失负荷受土壤表层NH4+-N含量影响程度较高.土壤TP含量和沙粒含量则是磷素流失的主要影响因素.     

三峡库区小流域不同土地利用类型对氮素流失影响

作为一个独立汇水单元,小流域是三峡库区面源污染源头.在三峡库区涪陵段王家沟小流域内选择最具有代表性3种土地利用类型布设地表径流监测点,利用2014年5~12月12场自然降雨采集地表径流样品,分析不同土地利用类型及其构成的坡面、子流域氮素流失浓度时空变化特征,揭示三峡库区小流域不同土地利用类型与氮素流失关系.结果表明,不同土地利用类型春季作物时期TN平均流失浓度差异最大,旱地分别是桑树套种地、水田的1.61、6.73倍;水田3个时期TN流失浓度变化最显著.氮素流失以NO~-_3-N为主,TN与NO~-_3-N存在显著的线性相关关系.TN、NO~-_3-N流失浓度与坡面旱地作物玉米、榨菜面积比显著正相关,与水稻、桑树面积比显著负相关;NH~+_4-N流失浓度与坡面榨菜面积比显著正相关.不同土地利用类型组成坡面中,桑树套种地与水田组成的坡面3个时期TN地表径流平均流失浓度最低,分别为2.55、11.52和8.58mg·L~(-1);玉米榨菜轮作旱地坡面最高,分别为27.51、25.11和27.11 mg·L~(-1).子流域不同土地类型和空间组合方式对其TN流失浓度影响较大,合理调整流域土地利用结构和空间布局是三峡库区面源污染源头控制有效措施.     

经济发达区土地利用变化对土壤性质的影响——以江苏省昆山市为例

在高速工业化和城市化的江苏省昆山市选择6种典型农用土地利用方式,78个土壤样点剖面,对不同土地利用类型的土壤性质进行对比分析。结果显示,土地利用变化对土壤养分、土壤重金属污染有明显的影响,除速效钾外,2002年的土壤养分含量比1981年有所提高。同时发现2002年有机质含量在不同用地类型之间存在明显的规律,即水稻田>园地>抛荒地>菜地;全氮、速效氮含量规律为水稻田>园地>菜地>抛荒地;速效钾的含量规律是园地>水稻田>抛荒地>菜地;速效磷的含量规律是抛荒地>菜地>园地>水稻田。2002年土壤pH值、有机质和全氮含量的变异系数明显高于其他土壤养分,其中全氮含量的变异系数最大。不同土地利用类型中的不同重金属含量表现强弱不一,水稻田土壤的Hg、Cr、Ni、Cd的含量明显高于其区域土壤背景值,而菜地含量比较高的重金属是Hg、Ni、Cu;园地和抛荒地各重金属含量相对较低,但其Ni含量与水稻田和菜地相当。此外,土地经济系数与土壤养分及土壤污染指数具有强相关性。     

麦秸水热炭及其改良产物对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响

水热炭的酸性特性及材料吸附性质为其稻田回用及氨挥发损失控制提供了可能.为实现农业废弃物的资源化利用和稻田环境损失控制,本研究以小麦秸秆为原材料,通过土柱模拟试验,考察了麦秸水热炭（WHC）及其水洗改良产物（W-WHC）对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响.结果表明,麦秸水热炭及其改良产物稻田回用能够增加水稻产量,低量添加（0.5%）的增产效应高于高量添加（1.5%）处理.低量添加下,WHC和W-WHC处理的水稻产量分别较对照处理（CKU）增加17.16%和20.20%.结果同时表明,除W-WHC低量添加处理的氨挥发损失量与对照相当,水热炭及其改良产物添加均能够减少稻田氨挥发损失.其中,WHC低量添加和W-WHC高量添加处理的稻田氨挥发损失显著低于CKU处理,NH₃挥发累积排放量分别减少31.01%和17.40%.阶段氨挥发损失结果分析表明,水热炭添加对稻田氨挥发损失的控制效应主要集中在蘖肥期和穗肥期,水热炭添加后蘖肥期田面水氮素浓度的变化和穗肥期田面水pH的改变是秸秆水热炭添加后稻田氨挥发控制的主要驱动因素.结果说明,适宜用量下小麦秸秆碳化还田可以在提高作物产量的同时减少稻田氨挥发损失,是一种适于农业副产物资源化利用的良好方式.     

太湖地区高产水稻土经济极点施肥:一种农田N、P养分负荷的田间控制技术

我国农业中化肥施用过多而利用率极低,过量N、P养分由农田向水系的迁移损失是农业非点源污染的重要问题.本研究选择太湖地区高产水稻土(乌栅土),进行了不同施肥量及其养分配比的肥料试验.结果表明,供试土壤的基础肥力相当于6.75t/hm²产量,总施肥量(N+P)为300kg/hm²时达到土壤的极点产量(9.79t/hm²);但发现施肥量(N+P)240kg/hm²时产量仍可达9.69t/hm²,此时养分的产量效应最大.为此,笔者提出一种经济极点施肥模式(化肥N+P 240kg/hm²,N:P:K比为3:2:0或1:1:0),可以减少30%的N、P施用量.这可以进一步发展为环境安全的减肥-轮肥新技术,从而有利于控制N、P的农业非点源污染.     

生物炭负载氮还田对水稻生长、根系形态及氮素利用的影响

建立连接富营养化水体养分与农田养分的枢纽是减少农田养分投入、缓解水体富营养化的难点.为探明生物炭材料负载氮还田的可行性,开展了基于溶液氮及生物炭负载氮两种氮源添加方式的水稻根箱试验.结果表明,生物炭负载氮添加方式分别较溶液氮添加方式降低了水稻地上部分生物量及氮累积16%及14%,提高了生物量根冠比25%～27%,降低了氮利用效率.不定根的根长及体积是两种氮源添加方式在水稻地下部分差异的体现,地下部分生物量及氮累积与土壤铵态氮含量呈正相关关系,而地上部分氮累积与根尖数呈负相关关系.生物炭负载氮完全替代化学肥料施用农田会影响水稻生物量及氮素利用.但生物炭负载氮与普通化学肥料共同施用,水稻并不会显现利用偏好.生物炭负载氮对水稻氮素利用无不良影响,且能有效提高土壤矿质态氮固持量.因此,生物炭可以作为载体实现水体到农田土壤的氮素迁移,鉴于化肥氮替代比例对作物生长的影响,适宜替代比例还需进一步研究确定.     

Water-saving irrigation of paddy field to reduce nutrient runoff

The purpose of this work is to study the effect of a type of water-saving irrigation (WSI) on nutrient runo of paddy field. The volume of surface drainage was maintained low by WSI. In particular, WSI e ectively reduced surface drainage in rain events. Model simulation indicated that net runo load of total nitrogen (TN) from the paddy field was increased by WSI. Meanwhile, net runo loads of total phosphorus (TP) and total organic carbon (TOC) from the paddy field was decreased by WSI. Because ponding waters of the study fields were enriched with TP and TOC, WSI reduced runo of these nutrients by controlling the volume of surface drainage. WSI could be considered an e cient method for reducing runo loads and could conserve water quality in an agricultural watershed.     

氮肥减投条件下膜材料使用对稻田氨挥发排放的影响

氨挥发排放是稻田系统氮损失的主要途径.现有技术多以调控氮肥施用为削减氨挥发排放的技术手段;但由于氮肥投入基数较大且减投不能改变氨挥发途径氮损失比例,氮肥减投后的氨挥发排放仍是限制氮肥利用效率提升的瓶颈.对此,本研究选用满足环境友好和使用便捷的农业废弃物粉末和两性分子物质作为膜材料,配合氮肥施用在田面水表进行多次铺洒,研究膜材料对氨挥发排放过程及排放总量的影响,结合作物生长和氮去向探索膜材料对氨挥发排放的影响机制.连续2 a小区试验发现,膜材料使用可减少水稻种植期氨挥发排放总量的19%~31%,由此减少的氮损失或以矿质态氮形态贮存于土壤或提高了作物氮吸收量.施氮条件下,田面水铵态氮含量和pH以及膜材料使用是影响氨挥发排放的主控因子;氮肥减投后,膜材料使用可进一步削减氨挥发排放.基于不同膜材料对氨挥发排放影响机制差异,应用时,可根据实际生产需求对膜材料进行按需选择.     

Approaches to municipal wastewater irrigation and environmental protection

To reuse the water and nutrient resources from ecological point of view the goals, criteria and constraint conditions of the scientifically municipal wastewater irrigation are discussed as well as the practice in major municipal wastewater irrigation areas in China is introduced, of which particularly the effects of municipal water irrigation mixing with oil refinery wastewater on the agricultural ecosystem are studied and described. It has been revealed that benzo(a)pyrene in various parts of paddy crop is attributed to air pollution, water-soil pollution and biosynthesis of plant. Of exogenous contributions of benzo(a)pyrene in paddy shoot system under natural condition, the dominant factor is the air pollution, whereas the water-soil factor is considered to be secondary. Therefore, it is mostly urgent to control the air pollution source of benzo(a)pyrene, to which the edible parts of various green plants are exposed directly.     

川中丘陵区典型土地利用方式下磷素迁移的初步研究

通过野外定位观测,对川中丘陵区坡耕地、水田与林地地表径流水中磷素迁移形态、迁移通量进行了初步研究。结果表明,坡耕地、林地磷素迁移以颗粒吸附态为主,水田磷素迁移以水溶性磷为主,所有土地利用类型径流中总磷含量已超过水体富营养化的标准。坡耕地、水田和林地地表径流水中磷迁移的通量分别为0.88 kg/(hm2.a),0.15 kg/(hm2.a)与0.33 kg/(hm2.a)。