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.     

基于二污普数据果菜茶畜禽粪污氮承载评估

为评估我国各省份果菜茶种植对当地畜禽粪污承载消纳能力,基于各省份果菜茶产量数据与第二次全国污染源普查结果分别核算了畜禽粪肥氮需求量和供给量,以粪肥替代化肥比率为0.4和0.5两种情景评估了各省份果菜茶种植粪肥氮承载消纳情况.结果表明:①全国果菜茶种植氮素平均需求量为358.7 kg/hm2,畜禽养殖业粪肥氮素产生量为463.3×104 t,供给量为277.97×104 t.果菜茶单位种植面积粪肥氮素供给量全国平均值为126.37 kg/hm2.②粪肥替代化肥比率为0.4时,全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为143.5 kg/hm2,各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.21~2.99之间,平均值为0.78.③粪肥替代化肥比率为0.5时,全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为179 kg/hm2,各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.17~2.39之间,平均值为0.63.研究显示,粪肥替代化肥比率在0.4和0.5条件下,全国大部分省份畜禽粪肥氮养分提供量未超过本区域果菜茶种植的肥料所需.各省份畜禽养殖业可提供的粪污全部用于区域内果菜茶作物施肥,全国有22个省份粪肥替代化肥的比率在0.4之内.      

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.     

青铜峡灌区水稻田化肥氮去向研究

青铜峡灌区是我国古老的特大型灌区和粮食主产区之一,灌区农田氮肥的过量施用已经导致化肥氮向水体流失.用15N示踪微区试验方法研究了青铜峡引黄灌区习惯灌溉量条件下水稻田化肥氮素去向.结果表明,施氮量为当地习惯施氮300kg.hm-2时,水稻吸收的化肥氮在籽粒中最多,氮肥的当季利用率为45.93%,吸收的土壤氮约占52.63%;作物中的回收率为27.90%,在0～90cm土壤中的残留率为23.31%,作物-土壤体系中的回收率为51.21%,氮肥的损失率为48.79%;氮肥除了被当季作物吸收和部分以矿质氮残留在土壤中外,灌区19×104hm2的水稻田化肥氮年流失量为2.78×104t,生产1000kg水稻(净籽粒),排放纯氮20.17kg;在0～90cm土壤层中均有化肥氮残留,残留化肥氮主要富集在表层0～30cm,在60～90cm检测到化肥氮,说明青铜峡引黄灌区在习惯灌溉量条件下,水稻田当季的化肥氮淋溶到90cm以下,成为浅层地下水的潜在污染源.     

汉江上游主要农作物氮肥投入特点及土壤养分负荷分析

为了解汉江上游主要农作物氮肥投入特点及土壤养分现状,加强汉江上游农业面源污染管理,指导农户科学合理施肥,保障汉江源头水质安全.以汉江上游汉中段沿河岸土壤养分分析、农户施肥调查等统计数据为基础,采用盈余法从作物种类分析种植生产体系中氮素输入输出特点及土壤氮素盈余状况.结果表明,汉江上游主要农作物平均化肥氮投入量为173.9 kg·hm-2(以N计,下同),通过有机肥投入的氮远远小于化肥氮,仅为7.2 kg·hm-2.84.0%的农田氮素样本处于盈余,总体平均盈余量为77.4 kg·hm-2,其中,盈余量超过100 kg·hm-2的样本亦占了40.8%.但养分投入不足表现为氮养分亏缺的样本也占调查样本的16.0%.不同作物比较,水稻田氮肥投入量为202.2 kg·hm-2,高于油菜地施肥量159.9 kg·hm-2.而水稻收获时籽粒和茎叶的氮带出量为197.1 kg·hm-2,高于油菜收获时的带出量103.5 kg·hm-2,因此,水稻田氮盈余量(20.72 kg·hm-2)低于油菜地(72.02 kg·hm-2).调查区土壤养分表现为氮、钾丰富,有机质、有效磷含量低于全国及南方水稻、油菜主产地水平.汉江上游主要农作物不合理的氮肥投入特点给土壤环境带来较大的氮素负荷,长期以往将给土壤环境和汉江上游水体造成很大威胁.     

洱海流域乡镇尺度上人类活动对净氮输入量的影响

人类活动引起的氮素过量输入已经成为引起水体富营养化及其他生态危害的主要原因.为了研究人类活动对流域氮素的影响,本文基于洱海流域16个乡镇行政单元的统计数据,考虑流动人口的影响,利用NANI模型估算洱海流域乡镇尺度的人类活动净氮输入量(net anthropogenic nitrogen inputs,NANI).结果表明,2014年洱海流域NANI总量为29.81×10~3t,单位面积输入强度(以氮计)为10 986 kg·(km~2·a)-1,显著高于我国平均水平.当地旅游人口带入的食品氮输入为0.26×10~3t,占到了流域居民食品氮输入的8%.从氮素的输入量的构成来看,肥料输入是最大的贡献源,占到了流域净氮输入的47%,其次为食品饲料的净氮输入.在空间分布上,乡镇单元的NANI分布呈现明显区域化特征,从流域整体上看呈现北高南低的特点.耕地或人口集中的乡镇NANI强度偏高,洱海流域具有较大的氮素污染风险.     

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.     

三峡库区1980～2005年农业用地氮平衡时空变化研究

利用三峡库区分区县农业统计资料,对OECD土壤表观氮平衡模型进行适当改进,计算分析三峡库区1980~2005年农业用地氮平衡时空变化格局及驱动机制.结果表明,1980~2005年库区氮总输入和总盈余量呈显著增长趋势,分别从23.4万t和14.4万t增长到45.6万t和30万t;氮总输出量1980~1995年呈增加趋势,从9.0万t到16.7万t,1995年后基本保持稳定趋势;单位面积氮盈余量1980~1998年总体呈持续增加趋势,从133.4 kg/hm2增长到310.3 kg/hm2,1998年后逐步趋向稳定,但空间分布区域差异性增强,主要集中在库中和库首区县,与库区移民数量空间分布具有一定的相似性;氮输入贡献主要来源于化肥、牲畜粪便、人粪尿和生物固氮,累计占总输入90%以上;1995年前库区氮平衡变化主要受国内大量使用化肥宏观环境影响,1995年后受水库淹没和移民影响较大,但其具体影响程度有待进一步分析;建议考虑适当发展副业、改变农业种植结构或进行生态移民等措施减少氮排放量.     

广东省农业氮足迹分析

为对农业生产氮素利用和排放情况简单直观而又全面地评估,基于修正的N-Calculator模型的基础上,结合农业生产系统中的氮素流动过程,计算了广东省农业氮足迹.研究发现,该省农业氮足迹的主要来源是化肥施用和养殖业饲料,2010年,两者合计占约81%以上.近20年来,农业氮足迹总量上升了45%,按用地平均更增长了88%,增速最快的是来自非农业部门的大气沉降氮,年增速8.5%,农业能源氮足迹是另一增长较快的项目,增幅为107%.污染氮足迹已占到总足迹的31%,主要是因为土壤的氮素流失.另外,2010年,与农业活动相关的其他部门的农业隐含氮足迹为207209.79t,约为农业氮足迹的17%.     

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.      

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.     

水土资源匹配视角下中国省域农产品供需平衡分析及其政策启示

粮食安全关系到中国稳定与发展和国际贸易秩序。以省级行政区为基本单位,基于2016—2018年各省份常住人口、农产品消费量、农业数据及相关参数,采用生态足迹和水足迹评价方法,在只考虑食用和再生产消费且不考虑地区耕地质量差异的条件下,核算各省份农产品自给的水土资源需求,评价中国省域水土资源承载力状态。结果显示：（1）中国现有耕地资源总量可满足自身耕地总需求（前者是后者1.81倍）,但省际差异大,东部沿海省市耕地不足。（2）农业可用水资源总量亦可满足农业可持续生产需求,但区域严重不平衡,华北平原与宁夏水资源赤字严重,而青藏高原地区、长江以南省份农业可用水资源丰富。（3）水土资源空间不匹配制约了中国农业的粮食生产潜力,不考虑环境净化用水,水土资源匹配状态可满足全国粮食自给需求;但考虑环境净化用水,中国粮食难以实现自给,承载力赤字达33715.50万人。以资源环境可持续为导向,未来中国应从农业生产布局优化、农业结构调整、农业科技、产业与人口转移、农产品进口和农业国际合作等方面着手,解决中国农产品需求问题。     

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.      

生物炭添加对太湖滨岸带土壤氮矿化和淋失特征的影响

滨岸带土壤的氮矿化改变了氮元素的迁移和利用效率,与水体富营养化控制息息相关,而土地利用导致的土壤性质差异使得氮的固持和运移能力不同.因此,以太湖西部沿岸3种土地利用类型的土壤(林地、草地和耕地)为研究对象,通过培养实验和土柱淋溶实验,探究不同生物炭添加(0％、1％和5％)条件下滨岸带土壤氮矿化量的动态变化和淋失特征.结...     

除草剂对氮肥反硝化损失与N2O排放的影响

在华北平原潮土上,采用原状土柱培养乙炔抑制法研究玉米地氮肥反硝化损失和N2O排放量以及喷施3种除草剂(乙莠、丁莠和旱锄)的影响.结果表明,氮肥的反硝化损失量为2.66kgN/hm2,占施肥量的1.77%;氮肥产生的N2O排放量为3.14kgN/hm2,占施氮量的2.09%,反硝化不是该地区旱作系统氮肥损失的主要途径,但氮肥的施用大大增加N2O排放量.喷施除草剂显著或极显著降低氮肥的N2O排放量和反硝化损失量,比单施尿素处理分别降低2.01~2.85kgN/hm2和2.56~3.16kgN/hm2.     

基于网格单元的碧流河流域土壤侵蚀吸附态氮污染负荷研究

在ENVI、ArcGIS系统的支持下,集成土壤侵蚀模型、泥沙输移模型和污染物富集模型,建立了基于网格单元非点源吸附态氮污染负荷的通用计算方法。以碧流河流域为例,利用调查、收集的数据资料确定了模型中各计算因子,估算了流域土壤流失量、输沙量和吸附态氮负荷。结果表明:2012年,碧流河流域平均土壤侵蚀模数为1137 t/（km2·a）,平均输沙模数为295 t/（km2·a）,吸附态氮流失模数为326 kg/（km2·a）,吸附态氮流失总量为878 t,其中林地562 t、耕地285 t,分别占吸附态氮流失总量的64%和32%。为减小碧流河流域土壤侵蚀吸附态氮的流失,应进一步提高流域内林地、草地质量,在水土保持功能弱的林草地上实施工程措施。     

三江平原湿地不同土地利用方式下土壤有机碳储量研究

选取东北三江平原沼泽湿地5种土地利用方式,共16个土壤剖面,对土壤有机碳储量分布特征进行了研究.结果表明,不同土地利用方式下,土壤剖面有机碳含量与有机碳密度均呈自上而下降低的趋势,且随着深度的增加,垂直差异变小.开垦降低了土壤有机碳含量和有机碳密度,并改变了其在表层的分布结构特征.初步估算5种土地利用方式下土壤有机碳储量分别为:沼泽湿地1.58×104t/km2、退耕还湿地1.23×104t/km2、林地1.01×104t/km2、水田0.85×104t/km2、旱田0.99×104t/km2.开垦降低了湿地土壤有机碳储量,且对耕地的影响大于林地,而退耕还湿有利于土壤有机碳的固定及储量的增加.     

生物炭输入对不同滨岸带土壤营养元素有效态变化的影响

生物炭作为一种新型环保材料常被用于改良土壤和污染修复,生物炭输入对土壤中营养元素的有效态会产生明显影响.本文基于太湖滨岸带不同土地利用类型(林地、草地、耕地和荒地),对比研究生物炭施加对不同类型土壤中营养元素有效态含量的影响,并探讨其动力学变化规律.结果表明,生物炭施加能够明显影响滨岸带土壤营养元素有效态含量,但对碳氮磷的影响效果存在差别.添加生物炭之后,土壤中溶解性有机碳呈显著下降趋势,而有效氮轻微增加,有效磷则明显增加.林地、草地、耕地和荒地土壤中溶解性有机碳含量分别下降了33. 3%、27. 4%、29. 5%和51. 4%;有效氮含量分别提高了10. 8%、18. 2%、16. 4%和15. 2%;有效磷含量分别增加了40. 0%、50. 2%、34. 0%和43. 6%.对比控制组(CK)和添加组(BC)的变化,土壤溶解性有机碳和有效磷含量在两组之间差别不大,而有效氮的含量变化差距较大,且在4种利用类型土壤中,生物炭施加后对不同营养元素有效态的影响程度有所差异.