中国种养系统的氮流动及其环境影响

利用集成完全氮平衡模型和农业污染清单的中国种养系统氮流动模型(nitrogen flow model for farming-feeding system in China,NFM-FFS),研究了2003年中国种养系统中的氮流动及其环境影响.结果表明,2003年中国种养系统土壤虽然氮素表观盈余,但实际亏损623.9×104t,平均亏损13.7 kg/hm2,土壤整体面临含氮量减少和退化的风险.由于中国氮素投入(肥料和各类有机肥)主要集中于耕地系统,对牧草地的投入很少,耕地系统的氮素盈余了1 761.9×104t,平均盈余142.8 kg/hm2,中国牧草地系统氮素亏损2 385.7×104t,平均亏损90.7 kg/hm2.因此平衡耕地和牧草地的氮素投入既可减少农业生产对水环境的影响,又可有效控制牧草地退化.2003年,中国种养系统中总氮损失为2266×104t,其中随径流进入地表水的495.8×104t和淋洗进入地下水的102.4×104t最终沉积在河流、湖泊和海洋中,很少有机会再进入种养系统循环.耕地的肥料施用是中国种养系统向地表水和地下水最主要的氮输出源,应是农业污染控制和管理的重点.     

北京地区农田生态系统磷养分平衡研究——以密云县和房山区为例

采用农田生态系统磷平衡计算方法,对北京地区密云县和房山区农田土壤磷养分平衡状况进行了研究。结果表明,2006年密云和房山的磷盈余总量分别为4084.11t和10851.19t,磷盈余强度分别为110.81kg/hm2和386.48kg/hm2。磷肥是密云和房山磷素投入的最主要来源,化肥磷的施用量是造成农田土壤磷平衡空间差异的直接因素,两者呈极显著相关关系。不同乡镇化肥投入差异较大,导致磷平衡总量和强度分布严重不平衡,房山县的磷平衡量由西北向东南递增。密云县磷盈余强度表现为西部少,东部多,房山区磷盈余强度较大的地区多在南部地区。通过对比研究,分析磷素养分损失态和盈余态负荷基本趋势,找到污染潜势产生原因,提出了促进农田磷素平衡与降低磷养分负荷相应调控对策和措施。     

太湖流域农田生产-畜禽养殖系统氮素流动特征

为应对太湖严峻的水体富营养化现状,从源头上降低面源污染负荷,基于物质流分析法与质量守恒原理,研究了常熟市辛庄镇农田生产-畜禽养殖系统的氮素流动通量、流动效率及环境负荷,并用实测值进行了参数校正. 结果表明:2000—2012年,辛庄镇农田生产子系统的单位面积氮素流动通量呈下降趋势,而畜禽养殖子系统的单位面积氮素流动通量则在42.5~50.9 kg/hm2范围内持续波动. 氮素利用率与氮素循环利用率均较低,氮素环境损失率较高,系统损失的氮素中有54.5%进入周围水体. 2000年以来,作物种植与畜禽养殖对辛庄镇环境氮负荷的贡献率分别在38.8%~50.2%与25.4%~35.8%之间波动. 辛庄镇农田施氮量为310.8 kg/hm2,人畜排泄氮量为61.1 kg/hm2,分别远高于全国平均值(197.2和18.6 kg/hm2). 过量施用化学氮肥与畜禽粪便的大量排放是辛庄镇环境氮负荷加重的主要原因. 辛庄镇高投入高产出的农业生产方式加大了太湖水环境修复的难度. 建议调整作物种植与畜禽养殖结构,推广科学施肥与生态养殖,将农田生产与畜禽养殖结合形成产业链,以此减轻氮素环境负荷.      

吉林西部农田生态系统氮平衡及其水环境影响研究

针对吉林省西部地区农田生态系统特点,以1997—2011年统计数据为基础,建立了基于物质守恒原理的氮平衡模型,估算了该地区农田生态系统的氮收支情况,并分析了其对水环境的影响.结果表明:近15年该区氮输入量平均值为56.98×104t·a-1,其中化肥输入氮占总氮的79.59%;氮输出量平均值为42.60×104t·a-1,以作物收获输出为主;氮平衡量变化范围为10.17×104~21.91×104t·a-1,均值为14.38×104t·a-1;氮平衡模型的各项呈增长趋势,受农业生产情况差异的影响,年际间时序变化较大,县市间空间分布差异明显.吉林西部农田生态系统氮平衡表现为盈余状态,氮素的盈余主要受氮肥施用和作物收获影响,农田生态系统氮素的持续盈余并累积对水环境构成一定程度的威胁,借助该区水环境监测数据进行综合分析,受盈余氮素的影响,该区地表水和地下水水质均体现出不同程度的氮超标.     

三峡库区小流域农户氮循环和排放特征

中国农业生产是以农户为单位进行的,农户氮素利用及平衡对农业生产和农村环境有非常重要的影响.本研究选择三峡库区秭归县张家冲小流域,对农户农田氮肥施用量、农户购买的饲料与食物、人畜粪便排放等进行了调查,并对农户氮素循环特征进行了分析.结果表明,根据该流域农户氮素流动的特点,可将其分为养殖型农户、柑橘种植户、茶叶种植户、蔬菜种植户、传统种植户5种类型;其氮素负荷大小顺序为养殖型农户蔬菜种植户柑橘种植户茶叶种植户≈传统种植户,以氮计分别为(363±129)、(355±127)、(345±107)、(152±60)和(151±73)kg.(hm2.a)-1;不同农户农田氮素循环分析表明,单位面积农田氮盈余变化在(102±68)~(303±134)kg.(hm2.a)-1之间,大小顺序为蔬菜种植户柑橘种植户茶叶种植户养殖型农户≈传统种植户,分别为(303±134)、(262±100)、(111±46)、(102±68)和(103±67)kg.(hm2.a)-1;在农户氮负荷中,居民生活排放的氮占28%,农田氮盈余占72%,说明农田是主要的氮污染源,生活污染也是不可忽视的.该地区的养殖型农户、蔬菜种植户和柑橘种植户对水体质量威胁较大,是氮素污染重点防治对象;实地调查农户生产与生活的方法能清晰地明确农业生态系统中氮循环的不同环节和估算循环流量,有利于揭示区域氮素循环特征.     

小麦-玉米轮作体系农田氮素淋失特征及氮素表观平衡

连续6年采用渗漏计法研究了不同施氮处理下陕西关中小麦-玉米轮作区农田土壤90 cm深度处氮素(N)淋失特征和土壤-作物体系氮素表观平衡状况.结果表明:该地区农田氮素淋溶主要发生在降雨量较多的玉米季,且集中在8月和9月.监测期内,TN和NO-3-N年平均流失量分别为2.72~23.07 kg·hm-2和1.53~18.72 kg·hm-2,年流失率分别为0.65%~3.44%和0.82%~3.32%,且年总氮、硝态氮流失量均随年施氮量增加呈指数增加.氮素淋失形态中,NO-3-N比例较高,可占总氮淋失量的56.00%~81.00%,且随着氮肥用量的降低,其占总氮淋失量的比例也随之减小.可见,施氮量的大小在一定程度上会影响淋失液中各形态氮的比例.氮素表观平衡结果显示,随着施氮量提高,氮素在土壤中的残留和表观氮盈余均呈现指数增加趋势.长期施氮条件下,土壤-作物体系氮素表观损失率的幅度为32.60%~55.20%,土壤表观残留率为-0.17%~8.20%.多年监测结果表明,优化施氮模式下,作物不仅可以获得较高的产量和氮肥利用率,农田氮素淋失量也大幅降低,在节约肥料资源的同时减轻了潜在的环境风险.     

我国亚热带丘陵地区流域氮素的平衡与源汇特征

以位于北亚热带丘陵地区不同利用条件下的2个相邻小流域(F:森林、FA:森林/农田)为研究区域,2007年3月～2009年2月通过定期监测雨水和径流水以及对其NH 4+-N和NO 3--N的测定,分析了流域氮素的平衡与源汇特征.结果表明,雨水中无机氮的输入量为16.72 kg.(hm2.a)-1,NH 4+-N占56%;2个小流域(F、FA)径流水中无机氮的输出量分别为5.31kg.(hm2.a)-1和8.21 kg.(hm2.a)-1,NO 3--N占75%～82%,流域内农业活动加剧了径流水中氮素的输出.大气干湿沉降输入的无机氮总量为20.06～23.41 kg.(hm2.a)-1,约占当地氮肥施用量13%～15%.2个小流域(F、FA)由于氮沉降及其转化产生的H+量分别为355 mol.(hm2.a)-1和461 mol.(hm2.a)-1,流域内农业活动在一定程度上加速了土壤酸化进程.流域氮素收支平衡表明2个小流域(F、FA)氮素净滞留量分别为13.35～16.70 kg.(hm2.a)-1和17.89～23.38 kg.(hm2.a)-1,受到农业活动影响的流域(FA)氮素的净滞留率(33%～40%)远比森林流域(F)(65%～70%)低,表明我国亚热带地区以森林为主的流域目前仍具有氮汇作用,但流域内农业活动降低了生态系统的氮汇潜力.     

西辽河流域不同土地利用结构硝酸盐氮输出通量模拟

采用土槽模型渗流试验方法,结合土地利用结构现场调查资料研究了西辽河流域不同土地利用结构耕层土壤NO3--N淋溶输出通量的时空变化规律.结果表明,不同土地利用结构NO3--N淋溶输出通量的空间分布规律为农田〔50.23kg/(hm2.a)〕>沙荒地〔12.77kg/(hm2.a)〕>林地〔8.68 kg/(hm2.a)〕>草地〔4.17 kg/(hm2.a)〕,农田和沙荒地对NO3--N输出起源作用,林地和草地起汇作用;西辽河流域沙土区耕层土壤NO3--N输出总量为13.86×104 t/a,不同土地利用结构的NO3--N输出比例为农田(95.31%)>沙荒地(4.69%),农田是西辽河流域氮素营养管理的重点结构;NO3--N输出量夏季(65%)>秋季(25%)>春季(8%)>冬季(2%),夏季是流域氮素营养管理的重点时段;NO3--N淋溶输出通量与土壤硝态氮含量呈极显著正相关.      

不同种养结合区农田系统氮磷平衡分析

山东禹城和湖南桃源是位于我国不同地区均以种养生产为主的两个县(市),根据养分平衡原理对这两个县级区域尺度的农田系统氮、磷收支状况进行了计算分析,结果表明:自1980年以来,单位面积耕地上氮磷的输入量与输出量均表现为不断增加,但是,因为输入增长高于输出增长,导致农田系统产生较多氮磷养分盈余,两个地区存在明显差异。禹城农田系统氮磷盈余量呈逐年增长趋势,氮盈余量从133.8 kgN·hm^-2增加到目前的450 kgN·hm^-2以上,磷盈余量从6.2 kgP₂O₅·hm^-2增加到目前的148.9 kgP₂O₅·hm^-2;在其11个乡镇中有10个表现为氮盈余、9个表现为磷盈余,其中氮盈余量最多的高达841.8 kgN·hm^-2,磷盈余量最多的达到297.8 kgP₂O₅·hm^-2。桃源农田系统氮磷盈余量表现为先增后降,氮盈余量从100 kgN·hm^-2左右增加到2002年达到峰值253.7 kgN·hm^-2后,逐渐下降到目前的150.0 kgN·hm^-2左右,磷盈余量从20.0 kgP₂O₅·hm^-2左右增加到2002年的峰值95.9 kgP₂O₅·hm^-2后,下降到目前的34.4 kgP₂O₅·hm^-2;在其40个乡镇中有36个表现为氮盈余、26个表现为磷盈余,其中氮盈余量最高的达到561.7 kgN·hm^-2,磷盈余量最高的为171.1 kgP₂O₅·hm^-2。农田系统氮磷养分大量盈余主要是源于投入化肥量和承载粪便量较高,山东禹城明显高于湖南桃源,所以,为了减少养分盈余损失,应根据农田作物生长养分需求尽可能地减少化肥投入,并根据耕地粪便承载容量在区域内外合理调配畜禽粪便的施用。     

控释氮肥减量配施对土壤氨挥发和N2 O排放的影响

施用控释氮肥是提高氮素利用效率、减少氮素损失的重要途径.为研究聚合物包膜氮肥与普通尿素配比减量施用对旱作棕壤氨挥发和N₂O排放的影响,利用15N同位素标记技术,通过5个不同氮肥施用量处理,分析施肥后土壤的氨挥发和N₂O排放规律以及玉米的当季氮肥利用率.结果表明:①土壤氨挥发主要出现在施肥后的前2周,普通尿素氨挥发速率最大可达4.04 kg/（hm2·d）,最大值出现在施肥后第7天,施用配比包膜氮肥氨挥发峰值出现时间比普通尿素延迟2 d,且氨挥发总量明显降低,为2.15 kg/（hm2·d）.②对于各处理下的氨挥发总量,无氮处理（CK）为3.69 kg/hm2,常规尿素处理（NU）为18.64 kg/hm2,配比控释氮肥处理（PU1）为9.39 kg/hm2,减量配比控释氮肥处理（PU2）为6.44 kg/hm2,再减量配比控释氮肥处理（PU3）为5.02 kg/hm2.③N₂O排放规律呈现先平稳后升高的趋势,较高的N₂O排放通量集中在施肥后的55~91 d之间.N₂O排放峰值最高的是常规尿素处理,在施肥后第79天出现,达到0.299 mg/（m2·h）,施用配比包膜氮肥N₂O排放峰值均低于常规尿素处理.④施用配比包膜氮肥玉米产量高于普通尿素处理,减量配比包膜氮肥不会降低玉米产量.⑤土壤氨挥发总量与施氮量呈显著正相关.施用配比包膜氮肥相比于普通尿素可显著减少土壤氨挥发,减量配施氮肥相比于全量施肥可显著减少土壤氨挥发.因此,施用配比包膜氮肥,可在保证粮食产量的前提下减少氮肥投入,降低氮肥的气态损失,从而降低环境风险.      

氮沉降对林带土壤N2O和CH4通量的影响

于2008年4月~2009年10月在龙王山对林带土壤进行模拟氮沉降试验,采用静态箱-气相色谱法测定土壤N2O和CH4通量,研究氮沉降增加对土壤N2O和CH4排放(吸收)的影响.结果表明,短期内,氮沉降没改变土壤N2O和CH4通量的季节性变化规律和日变化规律.与对照(CK)相比,短期的低氮[50 kg N/(hm2·a), TL]、中氮[100kgN/(hm2·a), TM]和高氮[150kgN/(hm2·a), TH]处理对土壤的N2O和CH4年平均通量和日平均通量都没有显著影响.     

氮肥和磷肥对稻田N2O排放的影响

通过模拟南方稻田施用不同量的氮肥和磷肥的实验来探讨N和P对稻田释放N2O的影响.结果表明,水稻田N2O排放通量的较大值主要出现在3次烤田期;氮肥和磷肥对土壤中产生N2O的贡献主要在水稻生长中后期,从第1次烤田起(移栽后34d),氮肥和磷肥都表现为对N2O排放有促进作用;而低氮对N2O排放的刺激作用没有高氮的作用明显,且N2处理(180kg/hm2)、N1处理(90kg/hm2)和N0处理(没有施肥)之间的平均N2O排放差异不显著.在水稻生长中后期(第1次烤田后),N3处理(270kg/hm2)和N4处理(360kg/hm2)的较高水平的氮肥加入能强烈刺激N2O排放.     

农田施用水葫芦对水稻氮素吸收利用的影响

以粳稻品种运2645为供试材料,设计农田施用水葫芦(将晒干水葫芦按4 500 kg·hm-2农田施用)、不施用水葫芦处理和施N量为120 kg·hm-2(LN)、240 kg·hm-2(NN)处理,研究其对水稻不同生育时期N素含量、N素吸收、N素分配和N素利用效率的影响.结果表明:①农田施用水葫芦使水稻不同生育时期植株...     

大气氮沉降对海北高寒草甸优势种叶片光合作用过程的影响

为研究大气氮沉降对海北高寒草甸光合作用过程的影响,对不同施氮水平和氮沉降类型〔KNO₃、(NH₄)₂SO₄和NH₄Cl〕下5个群落优势种叶片w(TN)、异针茅叶片光合参数和冠层LAI(叶面积指数)进行测定和分析,并利用Farquhar植物光合作用模型估算光合参数变化对GPP(总初级生产力)的可能影响,其中,氮沉降设置4个水平,即对照〔0 kg/(hm2·a)〕、低氮〔10 kg/(hm2·a)〕、中氮〔20 kg/(hm2·a)〕和高氮〔40 kg/(hm2·a)〕,均以N计.结果表明:除了施加(NH₄)₂SO₄、低氮处理下甘肃棘豆叶片w(TN)显著增加9.4%以外,其他施氮水平和施氮类型对5个优势种叶片w(TN)均无显著影响.高氮处理下V_cmax25(25 ℃时最大羧化速率)、J₂₅(25 ℃时电子传输速率)、TPU₂₅(25 ℃时丙糖磷酸传输速率)和R_d25(25 ℃时暗呼吸速率)分别较对照处理高出38.6%、30.4%、27.8%和164.3%.氮添加后,R_d25的增加抵消了因V_cmax25增加引起的光合作用增强效果,使得整体上GPP的增加趋势不显著.不同施氮水平和施氮类型下海北高寒草甸群落优势种的LAI均未发生显著变化.研究显示,当大气氮沉降量低于40 kg/(hm2·a)时,氮沉降量的增加会促进海北高寒草甸植物叶片光合作用的反应速率,但对植物叶片w(TN)、LAI和GPP的影响并不显著.      

模拟氮沉降对北亚热带落叶阔叶林土壤呼吸的影响

于2008年4月～2009年4月在龙王山北亚热带落叶阔叶林地进行模拟氮沉降试验,利用静态箱-气相色谱法测定土壤呼吸,研究氮沉降增加对森林土壤呼吸的影响.结果表明,氮沉降没改变土壤呼吸的季节性变化规律和日变化规律.与对照(CK)相比,低氮(TL)、中氮(TM)和高氮(TH)处理使森林土壤年平均呼吸速率分别降低了8.51%、9.74%和11.24%,使日平均呼吸速率分别降低了4.42%、11.09%和12.17%.森林土壤呼吸与土壤温度存在极显著的指数关系(p0.01),CK、TL、TM和TH的土壤呼吸温度敏感系数(Q10)分别为2.53、3.22、2.64和2.92,氮沉降提高了林地土壤呼吸的温度敏感系数.本研究表明,氮沉降显著降低了森林土壤呼吸,但提高了土壤呼吸的温度敏感性.     

太湖重污染区麦季养分输入与流失规律研究

为了识别太湖流域重污染区典型麦季污染物流失规律,以田间单元为研究对象,研究了麦季不同施肥处理条件下营养元素的输入和流失与降雨的关系。结果表明,大气湿沉降和施肥输入氮素190.23 kg/hm2,磷素19.12 kg/hm2;优化施肥-秸秆还田处理条件下COD、总氮和总磷平均流失量均小于常规施肥处理,而小麦产量有一定增加,说明采用深施化肥可以降低营养元素的流失,而秸秆还田措施对小麦产量的增加有一定帮助;径流流失中氮的形态以硝态氮为主,硝氮、氨氮平均浓度分别占总氮浓度的85.8%和4.84%,所以重污染区农田径流污染应着重考虑硝态氮的处理。文章研究结果可为太湖流域重污染区农田径流流失的治理提供基础性支撑。     

中国区域土壤表观氮磷平衡清单及政策建议

利用OECD表观氮平衡模型框架,建立了中国表观氮磷平衡核算的框架、方法和数据库.模型结果表明,2003年中国土壤表观氮磷盈余总量分别为640×10⁴　t和98×10⁴　t,氮磷盈余强度分别为16.56 kg/hm²和2.53 kg/hm².由于中国氮磷平衡区域分布严重不平衡,面临着氮磷盈余管理和氮磷缺损管理的双重压力.化肥和畜禽粪便是中国土壤氮磷投入最主要的来源,因此是中国氮磷盈余管理最佳切入点.由于各地氮磷投入结构各异,在氮磷盈余严重的中东部地区,不宜采用“一刀切”的政策,而应针对不同地区氮磷输入的特点进行氮磷盈余管理.     

滇池北岸典型农区韭菜田大气氮湿沉降与氮挥发研究

选择滇池北岸大清河下游典型农区韭菜田为对象,对雨水进行化学分析,研究了2007年大气氮湿沉降通量及其动态变化,并通过田间试验观测了地表(韭菜地土壤、韭菜废弃物原位腐解、沟渠污水)的氨氮挥发.结果表明,全年大气湿沉降氮(以N计)7.1kg/hm2,其中雨季(4～9月份)占89%.韭菜一次基施尿素(以N计)276kg/hm2,35d累计氨挥发占施氮量的32%,其中前9d氨挥发占总氨挥发96%.韭菜残体腐解21d累计氮挥发占植株氮23%.含氮7～51mg/L的污水(其中氨氮2.7～25.8mg/L)露天放置12d,水体总氮的27%～38%挥发进入大气.可见,韭菜田氮挥发是该地大气氮重要来源之一.     

千岛湖流域杭州段人类活动净氮、净磷输入时空分布

为探究人类活动对流域氮磷输入的影响,基于人类活动净氮、净磷输入模型（NANI、NAPI）,分析了2008~2017年千岛湖流域杭州段氮磷输入的时空变化特征及驱动因素.结果表明：年际NANI值呈上升的趋势,10a平均值为2230kg/（km²·a）;年际NAPI值呈先上升后持续下降趋势（峰值出现在2011年）.各子单元空间差异性较为显著,NANI、NAPI值均呈西高东低、南高北低的分布特征.NANI主要输入组分年际间差异显著,2008~2014年NANI的最大贡献源为氮肥施用（37.3%~39.9%）,2015~2017年最大贡献源则为大气氮沉降（36.4%~38.4%）;NAPI主要输入组分年际间较为一致,最大贡献源为人类食品和动物饲料磷输入（44.1%~48.1%）,其次为磷肥施用（40.3%~43.4%）.影响因子中,农作物种植强度与NANI、NAPI的相关性最显著,分别为0.851和0.806.各子单元NANI、NAPI与入湖TN、TP负荷强度显著相关,NANI变化可解释其63.9%的河流TN负荷变化,NAPI变化可解释其73.3%的河流TP负荷变化.因此,千岛湖流域杭州段面源污染实际管控中应重点关注NANI、NAPI值较高的汾口镇、威坪镇及浪川乡,加强氮磷化肥污染防治,实行污染控源减排策略.