Assessing the Effectiveness of Winter Cover Crops for Controlling Agricultural Nutrient Losses

A nutrient loss reduction strategy is necessary to guide the efforts of improving water quality downstream of an agricultural watershed. In this study, the effectiveness of two winter cover crops, namely cereal rye and annual ryegrass, is explored as a loss reduction strategy in a watershed that ultimately drains into a water supply reservoir. Using a coupled optimization-watershed model, optimal placements of the cover crops were identified that would result in the tradeoffs between nitrate-N losses reduction and adoption levels. Analysis of the 10%, 25%, 50%, and 75% adoption levels extracted from the optimal tradeoffs showed that the cover crop placements would provide annual nitrate-N loss reductions of 3.0%–3.7%, 7.8%–8.8%, 15%–17.5%, and 20.9%–24.3%, respectively. In addition, for the same adoption levels (i.e., 10%–75%), sediment (1.8%–17.7%), and total phosphorus losses (0.8%–8.6%) could be achieved. Results also indicate that implementing each cover crop on all croplands of the watershed could cause annual water yield reduction of at least 4.8%, with greater than 28% in the months of October and November. This could potentially be detrimental to the storage volume of the downstream reservoir, especially in drought years, if cover crops are adopted in most of the reservoir's drainage area. Evaluating water yield impacts, particularly in periods of low flows, is thus critical if cover crops are to be considered as best management practices in water supply watersheds.     

人工生物蓄水过滤系统对雨水的滞留与过滤功效

通过人工构建3个不同沙土配比的生物蓄水过滤系统,对人工系统滞留雨水时间和净化雨水的功效进行了研究。首先,根据自然降雨特点将雨水地表径流按照不同水量与进水时间引入系统,然后测定系统出水水量、时间、水质以及土壤湿度,比较植物层和整个系统滞留雨水径流的效果以及系统过滤雨水的功效。结果表明,(1)人工生物蓄水过滤系统有显著的滞留雨水的作用。其中植物层滞留雨水时间4.72~11.50 h,整个系统滞留雨水时间为5.17~13.80 h,人工系统比植物层滞留雨水时间显著延长,且进水量越大,差异越显著。(2)系统出水流速平缓,蒸发与植物蒸腾耗水量比例低于6%;壤土含量越高,滞留雨水时间越长。(3)经系统过滤,系统出水酸碱度平均增加0.81,氨氮含量平均降低0.42 mg/L。     

基于压力响应关系法的湖泊营养物基准制定

湖泊富营养化与氮、磷及有机物含量过高密切相关,建立数字型营养物基准能够防止富营养化对水体指定用途造成影响.太湖流域是我国华东地区经济腹地,近年来流域内湖泊水质每况愈下,对其基准研究可为湖泊治理提供依据.详细介绍了压力响应关系法制定湖泊营养物基准的步骤,并将此方法运用到太湖流域营养物基准制定研究中.为满足大多数水体指定用途,研究中将该流域湖泊基本功能确定为娱乐、永生生物栖息地及饮用水,以此构建流域概念模型.选择压力变量为总氮(TN)、总磷(TP)和有机物,响应变量为叶绿素a(chl-a).用非参数分析法和线性回归法分别建立压力-响应模型,通过2种方法相互验证得到TN、TP和CODMn基准分别为0.593、0.067和4.092 mg/L.     

水华束丝藻与铜绿微囊藻净化水体氮磷及其脂质积累过程比较

选取水华束丝藻与铜绿微囊藻作为典型水华蓝藻,探索水华蓝藻净化水体及合成生物柴油的潜力.采用氮磷浓度为NH4-N 7.5 mg/L,PO43--P 1.0 mg/L的模拟污水,重点考察了在光照强度与温度不同的条件下2种微藻对氮磷的去除率,并利用尼罗红荧光染色法测定了微藻中的中性脂含量.结果表明,2种藻对PO43--P的去除率均较高,最高达到98％,对NH4+-N的去除率稍低,最高为52％.水华束丝藻及铜绿微囊藻均具有较强积累中性脂的能力,适宜的温度与光照条件有利于微藻对氮磷的去除及细胞中脂类的积累.2种藻均在光照强度为12 000 lx时中性脂含量更高.水华束丝藻在温度为18 ～22℃条件下,生长更优,氮磷净化效果较好,中性脂积累能力更强.而铜绿微囊藻在温度为22～ 26℃时表现更好.     

粗枝云杉不同径级根系分解过程中4种养分元素的释放特征

植物根系分解是养分元素进入土壤的重要途径之一.为了解径级对根系分解过程中养分元素释放的潜在影响,以川西亚高山针叶林中的粗枝云杉(Picea asperata)为对象,采用原位分解试验,研究云杉3个径级(0-2 mm,2-5 mm和5-10 mm)根系分解过程中钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)和镁(Mg)元素的浓度、残留率和释放率动态特征.结果表明:4种元素在冬季和生长季节释放模式不同,除Na和Ca外,其他两种元素冬季的释放率大于生长季;径级对根系元素浓度和残留率有显著影响,随着径级的增大,元素浓度通常会降低,元素残留率则有增加的趋势,K和Ca尤为明显;分解两年后,K、Na、Ca和Mg分别释放了84%-87%、62%-70%、2%-26%和34%-56%.综上所述,径级显著影响川西亚高山粗枝云杉根系养分元素的释放特征,径级效应与元素种类和季节动态有关联.(图3表1参51)     

基于生态分区的我国湖泊营养盐控制目标研究

为更好地控制我国湖泊的富营养化水平,在五大湖泊生态分区的基础上,对不同生态分区的100个湖泊总氮(TN)、总磷(TP)、TN/TP与叶绿素a(Chl-a)的关系进行了分析,进而提出了不同生态分区的湖泊营养盐控制目标.结果表明,五大湖泊生态分区中,东北湖区富营养化水平最低,华北湖区富营养化水平最高,近几年五大湖区湖泊富营养水平呈上升趋势.从TN、TP对五大生态分区湖泊Chl-a浓度的影响看,TP是东北和华北湖区湖泊藻类生长的限制性营养盐,而TN和TP同时是中东部、云贵和蒙新湖区湖泊藻类生长的限制性营养盐.从TN/TP判断,在TN/TP<10的湖泊中,除华北湖区外的其他4个湖区湖泊Chl-a均受TN显著影响;TP仅对东北、蒙新湖区湖泊的Chl-a有显著影响.在TN/TP>17的湖泊中,除蒙新湖区外的其他4个湖区湖泊Chl-a均受TP显著影响,而在中东部、云贵和蒙新湖区,TN对Chl-a也有显著影响.在10相似文献   

基于物质流分析的钾素流动与循环研究

我国钾矿资源匮乏,自给率低,主要的使用和流动过程集中在种植业活动中.本研究利用物质流分析方法对2009年我国种植业生产和消费过程中钾素的流动和循环过程进行了解析.结果表明,农田土壤钾素平均亏损量达到50.4 kg·hm-2,大量钾素由陆生生态系统进入水生生态系统,造成资源流失.伴随降雨径流进入水环境的钾素达231.2万t·a-1,占当年化学钾肥施用量的40.97%.生活污水排放是钾素进入水体的另一主要途径,城市和农村区域的年排放量分别为67.1万t·a-1和54.7万t·a-1,占进入水环境钾素总量的19.00%和15.50%.其中通过城市污水处理厂排放进入地表水环境中钾素为50.5万t·a-1,占城市区域排放总量的75.25%.     

沉水植物黑藻腐解过程中营养盐释放过程

为探究沉水植物衰亡过程中营养盐的释放规律,采用黑藻(Hydrilla verticillata Royle)作为研究用沉水植物,在实验室内模拟了黑藻在初春温度下腐解过程中的主要营养盐碳、氮、磷的释放过程.结果表明:黑藻在试验初期迅速腐解,该过程中向水体释放大量碳(81.31%)、氮(81.62%)、磷(85.94%).但随着时间的推移,黑藻向水体释放的磷大部分沉积进入底泥,而氮有部分沉积进入底泥,同时有部分以气体形式移出水体.黑藻腐烂分解产生的厌氧条件以及高TOC供给促进水体反硝化作用加快氮素移出水体.但是较大生物残留量会引起水体缺氧,植物残体分解加剧,导致水质严重恶化,因此需要适时收割水生植物来控制水体残留生物量.     

水稻种植对中亚热带红壤丘陵区小流域氮磷养分输出的影响

以湖南省长沙县的脱甲流域(高水稻种植面积比例)和涧山流域(低水稻种植面积比例)为研究对象,对比研究红壤丘陵地区典型农业流域水稻种植对河流水体氮磷浓度和输出强度的影响.连续16个月的监测结果表明,脱甲和涧山流域河流水体均存在比较严重的养分污染,尤其是氮污染;对比两个流域,脱甲流域河流水体的氮磷浓度水平和水质恶化程度均高于涧山流域.从养分组成来看,脱甲流域河流水体中氮以铵态氮为主(占总氮的58.5%),而涧山流域主要是硝态氮(占总氮的76.1%).脱甲流域中可溶性磷占总磷比例为47.1%,高于涧山流域的37.5%.从养分浓度变化的时间动态而言,两个流域河流中各形态氮素水平在1~2月和7月较高,而可溶性磷和总磷在5~6月和10~12月出现两个峰值.由于两个流域河道径流主要集中在水稻种植期间的4~10月,脱甲流域河流中较高的氮磷养分浓度意味着潜在的氮磷流失风险.脱甲流域月平均总氮输出通量为1.67 kg·(hm2·月)-1,总磷为0.06 kg·(hm2·月)-1,均高于涧山流域的0.44 kg·(hm2·月)-1和0.02kg·(hm2·月)-1.考虑到两个流域的气候、地形地貌、土壤类型、农田耕作方式相似而只是水稻种植面积比例不同,因此,在该地区传统的水稻栽培管理模式下,较高面积比例的水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁.     

滇池双龙流域不同土地利用方式下土壤侵蚀与土壤养分分异

在滇池双龙流域选取耕地、撂荒地、草地和林地4种土地利用方式,分别取0～40 cm土壤样品,测定样品中的137Cs比活度及w(TN)、w(TP)、w(TOC),同时根据土壤有机质中δ13C(稳定性碳同位素丰度)的剖面分布特征,分析不同土地利用方式对该流域土壤侵蚀程度、土壤养分分异及有机质来源和变化的影响.结果表明:1耕地、撂荒地、草地和林地土壤的137Cs比活度分别为0.65、0.21、3.92和0.61 Bqkg,土壤侵蚀模数大小表现为耕地撂荒地林地草地.2不同土地利用方式下,土壤剖面w(TOC)、w(TN)和w(TP)的平均值差异显著(P0.001);w(TOC)表现为草地林地耕地撂荒地,w(TN)表现为草地耕地林地撂荒地,w(TP)表现为耕地草地林地撂荒地;各种土地利用方式土壤剖面养分质量分数均随土壤深度增加呈降低趋势.3耕地、撂荒地、草地和林地土壤的δ13C平均值分别为-22.28‰±1.49‰、-23.29‰±0.24‰、-26.32‰±0.25‰和-25.94‰±0.22‰,推断该区域土壤有机质主要来源于陆生C3植物.土壤剖面δ13C的变幅差异反映了土壤有机质分解程度的强弱,δ13C变化规律表现为耕地林地草地撂荒地.4土壤侵蚀模数越大,w(TOC)和w(TN)越低,草地和林地土壤侵蚀程度较低,土壤养分流失量较小,更有利于土壤质量的改善和流域水环境的保护.