高原山地城市农田氮、磷表观平衡演变特征——以昆明市为例

氮、磷平衡是影响农田污染潜势和农业生产的主要因子.农田化肥过量施用导致的氮、磷大量流失已成为我国非点源污染的重要来源.本研究基于农田氮、磷表观平衡模型,以高原山地城市昆明市为例,评估了1980—2015年农田的氮、磷输入、输出与平衡演变特征.结果表明:①1980—2015年,昆明市农田氮平衡始终处于盈余的状态,盈余量以4070 t·a~(-1)的速度上升,而农田磷从1981年开始转变为盈余状态,盈余量以590 t·a~(-1)的速度上升,农田氮盈余量增长速度高于磷盈余量增长速度,未来农田氮污染潜势可能高于磷;②化肥和有机肥是昆明市农田氮、磷输入的主要来源,自1995年化肥取代有机肥成为氮输入的主要来源,自1983年起化肥成为农田磷的最大输入项;③氮、磷输出量均呈现逐年增长趋势,其中,氮输出量增长速度为3430 t·a~(-1),磷输出量增长速度为100 t·a~(-1),农田氮、磷输出量远低于输入量;④昆明市农田氮、磷平衡特征在不同海拔区域呈现显著异质性,1980—2015年海拔2400 m以下的农田氮、磷表观平衡情况变化最为明显,平均增长了12.48倍,2400 m农田变化次之,2400 m以下农田变化较小.     

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.     

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。     

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.     

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.     

三峡库区紫色土坡耕地小流域磷收支估算及污染潜势

为了解三峡库区磷收支情况,进行污染潜势评价,对三峡库区典型紫色土坡耕区新政小流域进行调查分析. 结果表明,新政小流域单位面积磷输入量为139.82 kg/(hm2·a),输出量为 101.69 kg/(hm2·a).肥料磷输入是新政小流域磷输入的主要来源,占磷输入总量的72.26%;人畜排泄物磷是新政小流域磷的主要输出方式,占磷输出总量的56.01%;新政小流域磷损失负荷为18.26 kg/(hm2·a),人畜排泄物损失磷是磷损失的主要形式,占磷损失总量的46.75%;磷盈余负荷为38.13 kg/(hm2·a),高于全国平均值26.1 kg/(hm2·a).坡耕地磷污染潜势呈现,磷肥的过量施用是造成污染潜势的主要原因.      

丹江口水库水体氮的时空分布及入库通量

为解析丹江口水库水体氮的时空分布特征及主要污染来源,以丹江口库区及主要入库河流为研究对象,分析了水体氮的空间分布、季节及年际变化;利用回归分析,解析了氮污染驱动因素;并估算了入库河流氮通量及对库区氮污染负荷的贡献率. 结果表明:研究区水体ρ(TN)、ρ(NH₄+-N)分别在0.07~16.73和0.01~10.65 mg/L之间,年均值分别为2.34和0.71 mg/L,空间分布呈入库河流高于库区的趋势;季节特征表现为春季、冬季>秋季>夏季. 2005—2014年库区水体ρ(TN)整体呈先升后降的趋势,其中取水口陶岔断面ρ(TN)上升较快,2012年较2007年增加了1.5倍,2013年开始ρ(TN)有所下降,但仍然维持在较高水平. 近10年来库区水体ρ(NH₄+-N)始终维持在较低水平. 神定河、犟河、泗河、剑河等环库支流河口氮污染最严重,城镇化是造成流域水体氮污染的主要驱动力. 汉江TN入库量贡献最大,占63.0%,其中境外来水TN入库量占总量的59.2%,为达到丹江口水库生态环境保护要求的Ⅲ类水质(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》)目标,汉江TN需削减量为16 715.0 t/a. 境内河流中,环库河流的TN入库量最大,其中泗河、老灌河、神定河、金钱河、犟河和天河等TN入库量较大,TN需削减量分别为 2 286.7、2 197.7、1 493.6、1 106.9、979.1和728.9 t/a.      

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。     

快速城市化背景下县域尺度农田氮素平衡状况的演变 ——以江苏省宜兴市为例

以苏南宜兴市为例,通过收支计算,揭示快速城市化背景下县域尺度农田土壤氮素平衡的演变及其主要影响因素.结果表明,自1985年以来,由于化肥施用量的大幅度下降和有机肥使用的减少,宜兴市农田氮素输入总量减少,氮素盈余由1985年的131.7kg/hm2减少至2008年的5.0kg/hm2,收支逐渐趋于平衡.这一变化有利于减少农田生态系统氮素的积累,从而降低非点源污染的危害.然而,人畜排泄物利用的减少虽然能够在一定程度上降低农田氮素的盈余,但增加了向水体的直接排放,从全局考虑不利于区域水环境质量的改善.     

三峡库区人类活动净氮输入量估算及其影响因素

建立包括食品/饲料,氮肥,大气沉降和生物固氮4部分的人类活动净氮输入模型（NANI）,采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）和灰色关联度法,研究2006~2016年三峡库区人类活动净氮输入估量的时空分布、组成特征及其贡献率、影响因素.结果表明：（1）三峡库区的NANI估量存在明显的时空差异特征,从2006年的10715.2kg/（km²·a）到2016年的11974.1kg/（km²·a）,整体呈现先线性上升后下降的年际变化趋势,以及库首,库尾高,库区腹地低且南部高,北部低的空间分布特征.（2）三峡库区的NANI的组成中,氮肥施用量所占比重最大为50%~56%,是主要输入源,其次是大气氮沉降量,所占比重为22%~24%;相关性分析中,氮肥施用量与NANI相关性最强,R²达到了0.81（P<0.0001）.（3）人口密度,粮食产量,农业生产总值和地区生产总值等与NANI的关联度均较高,分别为0.901,0.867,0.794,0.689,NANI值随人口密度的增大而增大,但当人口密度到达一定值（500人/km²）时,其值不再变化;NANI值随着耕地面积的增加而增大,随着森林面积的增加而减小.     

农业耕作对三峡水库支流库湾消落带土壤氮、磷含量及流失的影响

三峡水库低水位运行时,消落带由于落干期与作物生长期重叠,常被近岸农民开垦利用,然而传统的农业种植可能会影响库区水环境.为对比农耕和弃耕的水环境效应,选择一级支流澎溪河库湾消落带为研究区域,以玉米、土豆和花生地为研究对象,选择农耕期（2018年3~9月）和退耕期（2019年3~9月）对农耕地和弃耕地土壤各氮、磷形态含量进行研究,同时构建了农耕地与弃耕地氮、磷平衡模型,比较分析农耕和弃耕状态下土壤氮、磷收支特征及其流失风险.结果表明,玉米地土壤氨氮、全磷和无机磷含量在不同种植期差异显著;农耕地的氨氮和硝态氮的含量显著高于弃耕地,全磷、无机磷和钙结合态磷的含量显著低于弃耕地;土壤氮、磷盈余量大小顺序为玉米>土豆>花生,分别是76.89、51.92和43.74 kg·hm^-2以及79.69、75.76和17.78 kg·hm^-2,整体上,3种作物用地氮、磷盈余量大于流失风险值,研究区农耕地氮、磷污染潜势呈现.综上可知,消落带农业耕作将迫使氮、磷流失风险加剧,不利于水环境保护.     

石盘丘小流域不同土地利用方式下土壤氮磷流失形态及通量

为了解三峡库区小流域不同土地利用方式下土壤氮、磷流失特征,为农业非点源污染防控提供科学依据;采用田间试验的方法,研究了三峡库区石盘丘小流域水田、旱坡地、林地、柑橘园和菜地这5种土地利用方式下地表径流不同形态氮、磷流失浓度与通量的特征.结果表明：全氮流失通量的顺序为水田[17.73 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[4.86 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[4.33 kg·（hm²·a）^-1] > 菜地[4.00 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[2.41 kg·（hm²·a）^-1];全磷流失通量的顺序为菜地[4.97 kg·（hm²·a）^-1] > 柑橘园[1.87 kg·（hm²·a）^-1] > 水田[0.93 kg·（hm²·a）^-1] > 林地[0.27 kg·（hm²·a）^-1] > 旱坡地[0.19 kg·（hm²·a）^-1];5种土地利用方式下氮、磷流失主要集中在降雨频繁的4~5月,占全年氮、磷流失总负荷的53.80%~96.52%和56.03%~87.78%;氮流失主要以硝态氮（16.16%~52.70%）的形态流失,全氮流失通量与径流量呈现出显著正相关关系（R²=0.9826）;在菜地中颗粒磷是磷流失的主要形态（83.30%）,但在其他土地利用方式中表现不显著.不同土地利用方式下不同形态氮、磷流失存在显著差异,其中菜地应针对强降雨情况下颗粒磷流失的问题采取措施,水田应避免在降雨集中时期施肥;科学施肥和合理地土地利用方式配置是治理小流域农业非点源污染的重要途径.     

长江流域农业区非点源氮的平衡变化及其区域性差异

建立长江流域农业区氮平衡变化模型,并在该模型的基础上,计算长江流域各县1990和2000年的氮平衡变化,然后汇总出全流域氮的输入、输出及剩余量. 计算结果显示,全流域农业区1990年氮的输入量为7.65×106 t/a,输出量为4.23×106 t/a,剩余量为3.42×106 t/a(其中进入水体2.05×106 t/a,残留在土壤中1.37×106 t/a);2000年全流域农业区氮的输入量为10.22×106 t/a,输出量为5.44×106 t/a,剩余量为4.78×106 t/a(其中进入水体2.65×106 t/a,残留在土壤中2.13×106 t/a);1990—2000年长江流域农业区氮输入量增加2.57×106 t/a,氮输出量增加1.21×106 t/a,剩余量增加1.36×106 t/a(其中进入水体氮变化量为0.60×106 t/a,残留在土壤中氮变化量为0.76×106 t/a). 重庆、上海、武汉、无锡、南昌、成都等地区氮进入水体的量变化较大,为今后长江流域农业区水体氮污染重点防治区.      

东海无机氮排海通量年际变化估算

通过系统收集和推算1980～2005年东海几种入海污染源的无机氮数据(河流、排污口、陆源面源、大气沉降和海水养殖)基础上,研究估算了东海无机氮的入海年际通量变化情况.结果表明,自20世纪80年代初至21世纪初,东海无机氮入海通量总体呈现上升趋势:由20世纪80年代初的8.8×105t.a-1左右逐渐增加到本世纪初的2.6×106t.a-1左右,年平均增长率为4.3%.长江作为东海最大入海河流,其无机氮排海通量占河流排海海通量的76.5%,排放量由80年代初的4.0×105t.a-1上升到80年代中期的6.2×105t.a-1,后保持在此值上下浮动,然后从90年代开始快速上升到本世纪初的1.8×106t.a-1.东海无机氮主要来源是以入海河流为主的陆源排放,大约为总量的79%,其中河流、排污口和陆源面源分别为73%、4%和2%.除陆源外,大气沉降约为18%,海水养殖约为3%.     

中国农业面源污染物排放量计算及中长期预测

利用第一次全国污染源普查数据,计算了我国内地31个省市自治区农业面源污染排放量,在此基础上,预测了2010—2030年农业面源污染情况.结果表明,2007年,我国农业面源污染的污染物总排放量为1057×104t,其中,COD排放量为825.9×104t,总氮为187.2×104t,总磷为21.6×104t,氨氮为22.4×104t.如果不加大对面源污染的治理力度,2020年前我国农业面源污染有加剧的趋势.在高排放情景下,2030年农业面源污染中COD排放量可能上升到1466.5×104t,面源污染需引起高度重视.目前,东部沿海地区是我国农业面源污染的主要排放区,但未来我国农业面源污染排放的空间分布可能趋于均衡.     

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.     

三峡库区香溪河流域非点源氮磷负荷分布规律研究

三峡水库蓄水后,水动力条件改变,营养盐不断累积,导致库区部分支流库湾水华现象及水体富营养化问题严重.本文以香溪河支流为研究区,以氮磷为研究对象,应用SWAT模型进行不同时空尺度非点源氮磷分布式模拟和分析.结果表明:径流和营养盐负荷受降雨影响并与其呈正相关关系,丰水年总氮(TN)和总磷(TP)负荷分别为3.48×103t和0.40×103t,枯水年分别为2.04×103t和0.23×103t,在4—9月丰水期,TN和TP贡献率分别为84.1%和89.4%;TN和TP负荷强度空间差异较大,差异系数分别为0.34和0.58,TN最大值和最小值分别为29.39 kg·hm-2·a-1和3.86 kg·hm-2·a-1,TP最大值和最小值分别为4.900 kg·hm-2·a-1和0.535 kg·hm-2·a-1;TN以硝氮(NO-3-N)为主,TP以矿物磷(MIN-P)为主,TN与TP的相关系数r为0.9258,TP与MIN-P的相关系数r为0.8596,有机氮(ORG-N)与有机磷(ORG-P)的相关系数r为0.9839,氨氮(NH+4-N)与亚硝氮(NO-2-N)的相关系数r为0.9723;污染控制的重点支流是高岚河流域和古夫流域,尤其是耕地面积比例较大的水月寺,黄粮、榛子、古夫4个乡镇,以及库湾周边的七里溪.     

小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析

土壤呼吸与硝化特性是控制土壤生态系统中氮素转化和面源氮流失的关键因子,也是土壤氮循环的重要组成部分.选取位于巢湖北部的柘皋河流域作为案例研究区,应用BaPS技术测定林地和农田土壤呼吸、硝化和反硝化特性,运用SWAT模型分析农业面源氮污染输出的时空特征,并初步探讨土壤呼吸和硝化特性与农业面源氮污染的相互作用关系.结果表明,由于土地利用和施肥量的变化,1996~2012年间的年均和月均面源氮污染负荷明显大于1980~1995年间的模拟结果,不同月份的面源氮污染输出负荷均存在显著性差异,月均氮负荷受降雨量影响密切.1996~2012年流域面源总氮流失平均负荷为10.40 kg·hm-2,明显大于1980~1995年的8.10 kg·hm-2,方差分析表明两个时期面源总氮流失负荷的空间分布存在一定的差异.林地的呼吸速率远大于农田的呼吸速率.农田较高的总硝化速率和反硝化速率导致土壤氮库中的氮素减少,从而在一定程度上使得面源氮污染的输出负荷减小.农田土壤的总硝化速率大于反硝化速率,导致农田硝态氮的面源污染流失量增加,而有机氮的流失量有所减少.因此,土壤呼吸与硝化特性的研究有利于从土壤生物学角度深入分析土壤氮循环,对农业面源氮污染的防治具有重要的理论和现实意义.