生物炭对菜地土壤氮平衡及酸碱缓冲能力的影响

针对太湖地区菜地化肥氮投入量较大导致氮淋失严重及土壤酸化的现状,选取太湖地区的菜地土壤,利用盆栽试验连续种植三季小白菜,结合生物炭埋袋回收技术,研究不同化肥氮施用量(以N计,0和110 mg/kg)及生物炭添加量(w为0%、1%、2%和5%)对土壤氮淋失及酸碱缓冲能力的影响. 结果表明:在化肥氮施用量为110 mg/kg条件下,与无生物炭添加相比,生物炭添加量为2%时可使作物对土壤矿质态氮的利用效率提高约1倍(由41%增至81%),因化肥氮施用引起的土壤氮素残留量降低83%;生物炭添加可有效减少48%~65%的土壤氮淋失量,当添加量为1%、2%时,生物炭主要通过削减淋失液中ρ(TN)来降低土壤氮淋失量;添加量为5%时,则主要通过削减淋失液体积来实现. 无论是否添加化肥氮,生物炭均能有效维持土壤原有的pH、w(有机质)及w(盐基离子);促使土壤酸碱缓冲能容量增加22%~37%,致酸速率降低17%~80%,显著提升了土壤的酸碱缓冲能力. 研究显示,在化肥氮施用量为110 mg/kg条件下,生物炭添加量为2%时能对土壤酸化产生较好的缓冲效果.     

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.     

缓控释肥侧深施对稻田氨挥发排放的控制效果

以减少氨挥发损失为目的,以无机化肥分次施用为对照,选用树脂包膜尿素(RCU)、硫包衣尿素(SCU)和掺混控释肥(RBB)3种不同类型缓控释肥料,采用一次性施肥(B)和一基一穗(BF)2种施肥方式,研究了插秧施肥一体化条件下不同类型缓控释肥侧深施及施用方式对稻田田面水氮浓度及氨挥发损失的影响.结果表明,除SCU处理基肥期田面水总氮和铵态氮质量浓度均高于常规分次施肥处理CN,RCU和RBB处理均低于CN处理.不同缓控释肥料稻田氨挥发损失差异较大,损失量占施肥量的3.84%~28.17%.与CN处理相比,不同类型缓控释肥料均有减少稻田氨挥发损失的效应,处理间氨挥发损失量表现为:CN、B-SCUBF-SCU、BF-RBB、BF-RCU、B-RBB、B-RCU.一次性基施下,B-SCU处理的氨挥发总量显著高于B-RCU和B-RBB处理,一基一穗下3种处理间氨挥发总量差异不显著.不同肥料在2种施肥方式下氨挥发损失量差异不显著,但表现不一致.BF-SCU处理的氨挥发损失量低于B-SCU处理,BF-RCU和BF-RBB处理的氨挥发损失量分别高于B-RCU和B-RBB处理.阶段氨挥发损失来看,施用SCU处理的基肥-蘖肥(7.54%)和蘖肥-穗肥阶段(16.04%)的损失较高,RBB处理的基肥-蘖肥阶段氨挥发损失(2.91%)明显增加,而RCU处理的穗肥后阶段(2.75%)是氨挥发损失的集中时期.追施穗肥尿素增加了穗肥后阶段的氨挥发排放损失,穗肥后阶段氨挥发量与田面水铵态氮质量浓度在不同类型肥料间无明显相关关系.     

太湖流域稻田不同氮肥管理模式下的氮素平衡特征及环境效应评价

研究了不同氮肥管理模式下的稻田氮素平衡特征和环境效应.在太湖主要入湖河流直湖港下游开展了农户常规施肥处理、缓控释肥处理、有机无机肥配施处理、按需施肥处理以及化肥减量优化处理5种氮肥管理模式的田间小区试验,实测了稻季的径流和淋洗氮损失,估算了氨挥发和N₂O等气体损失,分析了不同氮肥处理下的环境排放量和氮素平衡特征.与农户常规施肥处理相比,其他处理在减少氮肥总投入量20%～40%的情况下产量与农户对照基本持平,氮肥利用率提高了14.5%～44%.不同氮肥管理模式下,缓控释肥处理和按需施肥处理的氮环境排放量最低,比农户施肥处理分别降低了52.8%和45.4%.在等氮量投入下,有机无机配施处理比纯化肥处理减少了环境氮排放量.农户施肥处理存在着明显的氮盈余,增加了麦季氮流失的风险,按需施肥处理略微出现氮亏缺,在一定程度上减少了麦季氮流失风险.新型缓控释肥处理和按需施肥处理能在不降低产量和效益的情况下,提高氮肥利用率,减少环境排放量,是值得在太湖流域推广的经济环保氮肥管理模式.     

种植业面源污染防控技术发展历程分析及趋势预测

种植业对农业面源污染贡献不容小觑.已有治理技术并不在少数,但受技术参数模糊和技术应用效果不明朗等因素的影响,现阶段技术应用和污染治理效果不理想.对此,本研究基于近20年国内外种植业面源污染防控的发表论文,明确种植业面源污染防治技术的体系框架,梳理技术的发展历程,比较不同方向技术对生产投入、产量及污染物排放的作用效果,对新时期下我国植业面源污染防控的发展前沿趋势作出预判.本研究构建了源头削减、过程拦截和养分回用这3个领域以及栽培、生态沟渠和尾/废水等14个方向的技术体系.结果发现,源头削减领域获得了最高关注度,研究方向多且热度仍在不断提升;我国对其中肥料方向技术的研究集中度较高.相比之下,过程拦截和养分回用领域的技术较为单一和欠缺.养分利用效率提升、转运过程调控和土壤添加剂使用将是种植业面源污染防控未来的主要着力点和抓手.农田基础设施的配套及后端净化体系的构建,将有助于集成、耦合多领域技术,进一步确保种植业面源污染防控的作用效果.     

碳酸钙与生物炭对酸化菜地土壤持氮能力的影响

针对太湖地区稻田改种菜地后带来的土壤酸化现象,以碳酸钙与生物炭作为酸化改良剂,开展室内培养及多次淋洗模拟试验,比较两种改良剂对酸化菜地土壤持氮能力及酸化修复效果的影响.结果表明,基于碱缓冲曲线法,本试验用酸化菜地土壤每提高1个p H单位需向土壤中添加碳酸钙3.92×10-2mol·kg~(-1)或生物炭27.73 g·kg~(-1).无外源氮条件下碳酸钙添加使土壤氮矿化速率显著提高了37%,对土壤铵态氮、硝态氮含量影响不显著;生物炭添加使土壤氮矿化速率显著提高了35%~44%,且显著增加了土壤硝态氮含量42%~58%.模拟淋洗下,生物炭添加显著消减渗漏液体积24%,渗漏液氮浓度45%,显著减少氮淋失量42%~57%,而碳酸钙添加对渗漏液体积没有影响,增加了渗漏液中氮浓度,氮淋失量增加了12%~76%.淋洗后,各处理土壤p H值发生不同程度的降低,无外源氮条件下添加碳酸钙处理土壤p H值降幅最低,外源氮添加条件下生物炭添加处理降幅最低.由此可见,碳酸钙对酸化土壤修复效率较高,但在外源氮添加条件下降低了土壤持氮能力,更适用于酸化严重且需要休耕改良的菜地土壤;生物炭在维持土壤p H值的同时可以有效提高土壤矿质氮留存量,降低氮淋失,更适用于仍在高强度种植的菜地土壤.     

高温煅烧稀土矿渣对水体中磷的吸附过程与机理

将稀土矿渣废弃物煅烧制备成具有优良吸附脱磷性能的低成本吸附剂(CRES)。通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线荧光光谱(XRF)、比表面与孔分析(BET-BJH)、热重分析(TGA)等手段对制备的CRES进行系统表征。研究了CRES对磷吸附–解吸附过程的吸附等温线和吸附动力学,并考察了溶液pH值对磷吸附的影响。结果表明,CRES具有较好的孔隙结构,表面含有Ba、V、Si、Y、Ca、Fe、Yb等金属和类金属元素化合物,溶液pH值(2.2~10.0)对磷吸附无明显影响。Langmuir模型能较好拟合等温吸附数据(R2=0.932 5,n=5),CRES对磷酸根的最大吸附能力达152 mg·g-1,高于普遍报道的除磷吸附剂的吸附能力。吸附动力学试验表明,吸附过程在4~6 min就达到平衡,准二级动力学模型很好地描述了吸附过程,表明化学吸附起到主导作用;物理吸附过程主要存在于吸附的初始阶段,这与CRES表面含有多种金属和类金属元素以及良好的孔隙系统有关。     

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.     

太湖流域肥料施用策略调整对典型作物系统氮磷流失的影响

太湖流域种植业肥料施用强度普遍较高，且以化学肥料为主要形态.因肥料投入不适宜，种植业氮、磷流失问题显著.2015年以来，各地区积极对种植业肥料施用策略进行调整，但当前工作主要基于粮食作物系统且仍停留在化肥施用总量削减和有机肥施用面积提升层面上，缺少菜地、果园、茶园作物系统的相关数据以及对农业环境问题的响应.对此，以苏州市吴中区为太湖流域典型农区代表，研究2019～2021年稻田、菜地、果园和茶园这4类作物系统肥料策略调整对氮、磷流失的影响.结果表明，肥料源养分投入强度的调控是决定氮、磷流失的关键；适宜的有机肥替代比例有助于降低氮、磷流失风险，但有机肥施用需考虑时机并尽可能搭配农用机械.肥料效率是兼顾农业生产过程环境友好、生产主体经济效益的核心，也是后期肥料施用策略调整的导向.稻田系统的肥料施用策略调整应重视养分中不同元素配比，菜地系统应以种植结构调整为抓手，茶园、果园系统可从复合系统视角制定同时满足茶、果生长的施肥策略，助力构建满足农业绿色发展需求的作物系统.