2021, Vol. 29
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室 北京 100081;
3. 中国农业大学土地科学与技术学院 北京 100193;
4. 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016;
5. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所 北京 100097;
6. 西北农林科技大学水土保持研究所 杨凌 712100;
7. 中国科学院大学 北京 100049
,
WANG Hongyuan2,
LIU Gang3,
HU Kelin3,
LIANG Chao4,
DU Lianfeng5,
GUO Shengli6,
BAI Zhaohai1,
WANG Fenghua1,
LI Xiaoxin1,
WANG Shiqin1,
HU Chunsheng1,7
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Non-point Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;
3. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
4. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
5. Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China;
6. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
7. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
土壤裂隙和大孔隙所造成的优先流对氮磷淋失污染通量的贡献仍然是国际上研究的热点与难点[1]。土壤优先流是造成定量农田氮磷淋失污染通量不确定性的主要原因。英国洛桑试验站利用田间渗滤技术, 发现了渗滤液与耕层土壤氮磷含量的相关性[2], 引起了众多学者对农田氮磷淋溶损失机理研究的关注。目前, 对根层氮磷淋溶通量的研究很多, 研究表明土壤中约70%~85%的水分和氮磷运移与土壤大孔隙或裂隙产生的优先流有关[3]。国内外研究主要采用“半圆法”、数码图像分析法、电阻率断层和CT三维扫描等方法[4]等对裂隙或大孔隙进行描述, 但对于土壤裂隙或大孔隙优先流引起的氮磷淋失机理还不十分清楚。
由农田耕层向包气带到地下水的全过程氮磷淋失通量的拓展研究, 由农田水肥控制机制向多要素、多过程耦合的综合阻控修复机制的深入研究, 是国际上农田氮磷淋失污染控制研究的重点。我国北方主要农业区地下水超采使得包气带厚度增加, 长期水肥过量造成包气带土壤硝酸盐和磷大量累积[5]。多年观测表明, 氮肥施用已造成0~12 m土壤剖面硝酸盐大量累积[6], 监测位点的地下水“三氮”污染十分普遍[7]。国内研究主要关注农田氮磷淋洗及影响因素, 研究方法上主要采用淋溶盘或lysimeter对根层氮磷淋溶观测, 部分学者分析气候、土壤类型、种植制度、水肥管理、耕作方式、秸秆还田等对农田土壤氮磷迁移及淋溶过程的影响[8]。而关于氮磷淋溶阻控研究, 正在从单一转化过程向微生物、物理化学过程和随土壤水流(饱和流、非饱和流、优先流)向地下水迁移等多过程及多因素交互作用影响机理研究转变[9]。近年来, 提高包气带中微生物反硝化活性被逐渐证明是消减硝酸盐淋溶的有效途径[10], 但这一过程的微生物水平和分子水平的机制尚缺乏深入研究。
由农田点污染控制向区域农田氮磷淋失风险分区控制及其相关氮磷消减政策法案的结合治理是当前国际上农田氮磷淋失污染控制的发展趋势。欧盟先后制定硝酸盐法案(Nitrate Directive)和水法案(Water Framework Directive), 规范了农田肥料与灌溉水的用量和施用方式, 提高了氮磷的利用效率, 从而减少氮磷淋失[11-12], 还通过划分硝酸盐脆弱敏感区, 重点防控农田氮磷淋溶[13]。美国通过农场养分最佳管理措施管理计划和推广使用地下瓦管排水技术, 减少了氮磷淋溶对水体的污染[14-15], 并且利用流域模型评价区域氮磷阻控的效果, 对最佳养分管理措施(BMPs)进行反馈[16]。
我国北方黑土、潮土和褐土是氮磷淋溶易发区, 典型厚包气带农区超过50%的浅层地下水中硝酸盐浓度超过国际标准, 深层地下水污染程度也在逐年加剧[17]。然而, 由点到面的氮磷淋溶空间规律和区域阻控途径研究十分缺乏。近十年, 我国启动了支撑计划“北方集约化粮田污染综合防控技术集成与示范”、行业专项“化肥面源污染农田综合治理技术方案” “主要农区农业面源污染监测预警与氮磷投入阈值研究” “环渤海区域农田氮素淋失规律及调控技术研究”等项目, 旨在通过优化农田氮磷管理, 防控农业面源污染。国家基金委启动了重点项目“厚包气带农田土壤硝酸盐污染反硝化自修复机理研究”, 证明厚包气带对氮磷淋溶阻控、截留、消减意义重大。
十三五期间, 科技部联合农业农村部启动了“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”重点专项, “农田氮磷淋溶损失污染与防控机制研究项目(项目编号: 2016YFD0800100)”属于专项2016年首批启动的基础研究项目之一。项目聚焦易产生农田淋溶的黑土、潮土和褐土区, 主要研究内容包括以下4方面: 1)主要北方农区农田根层氮磷淋溶时空规律; 2)根层—深层包气带氮磷淋溶机制和主控因子; 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制和效果; 4)典型农区氮磷淋溶风险与区域消减途径。总体思路是以黑土、潮土、褐土农区农田氮磷淋溶时空规律为基础, 以包气带氮磷淋溶机理为重点, 以构建“根层截氮保磷、包气带脱氮固磷”的全剖面阻控系统为目标, 全面开展农田氮磷淋溶损失污染与防控机制研究(图 1)。本文将重点介绍该项目取得的主要研究进展。
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图 1 “农田氮磷淋溶损失污染与防控机制研究”项目主要研究内容与总体思路图 Fig. 1 Framework and research contents of the project of "Mitigation of Nitrogen and Phosphorus Leaching from Cropland in China" |
项目以全国农业面源污染国控监测网中北方淋溶监测为依托, 以北方主要农区典型种植模式为研究对象, 选取代表性区域农田增设监测点位, 完善农田氮磷淋溶监测方法, 搭建具有数据收集、处理、分析、展示等功能的数据库系统, 构建北方典型农田氮磷淋溶监测网和北方农区地下水硝酸盐监测网。
1.1 中国北方农田根层氮磷淋溶监测网和时空规律针对“中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征与时空规律”这一科学问题, 利用田间原位监测和文献荟萃分析方法, 系统分析了中国北方主要农区285个监测点年的4种主要种植模式[春玉米(Zea mays)、冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米轮作、露地蔬菜、保护地蔬菜]农田氮磷淋溶特征与时空规律。研究结果表明: 1)中国北方4种主要种植模式的平均氮磷素淋溶强度分别为:保护地蔬菜117.5 kg(N)·hm-2和0.74 kg(P)·hm-2, 露地蔬菜51.7 kg(N)·hm-2和0.10 kg(P)·hm-2, 小麦-玉米轮作49.9 kg(N)·hm-2和0.07 kg(P)·hm-2, 春玉米30.7 kg(N)·hm-2和0.09 kg(N)·hm-2。施肥量和灌溉量均与氮素淋溶呈正相关关系。种植模式往往决定农田水肥管理措施, 因此, 与粮田相比, 蔬菜田的高水肥投入决定了其较高的氮磷淋溶量。2)同一种植模式下, 总氮淋失强度为黑土区 < 褐土区 < 潮土区。造成这种差异的原因, 一方面是由于土壤类型不同, 同样水肥管理措施下氮素淋溶量不同, 褐土区春玉米氮素淋失量是黑土区春玉米淋失量的11.3倍; 另一方面, 同一种植模式不同区域间亦存在水肥管理差异, 进而导致淋溶量不同。潮土区的山东保护地监测点水肥投入量较高[年均灌溉量2122 mm、施氮量2508 kg(N)·hm-2], 年均总氮淋溶量达344.8 kg(N)·hm-2, 而褐土区宁夏保护地监测点的水肥投入为700 mm、2239 kg(N)·hm-2, 年均总氮淋溶量为山东监测点的1/2。3)农田氮磷淋溶年际间变化主要受降雨强度的影响, 总氮淋溶量与降雨强度呈现正相关线性关系, 尤其前一年无淋溶事件发生背景下, 下一年的淋溶量会急剧增加。4)空间尺度上, 潮土区和褐土区是氮素淋溶的主要风险区, 值得注意的是一些蔬菜种植面积尤其是保护地种植面积占比较大的省份表现出了较高的氮磷淋溶风险。综上所述, 北方主要农区农田氮磷淋溶风险以氮为主, 但磷的淋溶风险也不容忽视, 潮土区和褐土区是氮素淋溶的主要风险区, 蔬菜种植带来的氮磷淋溶风险远高于大田作物, 但大田作物的种植面积远大于菜地, 其总氮淋溶量也不容忽视[18]。
1.2 中国北方农田地下水硝酸盐监测网和时空规律2016—2019年期间, 项目组在统一标准的基础上分别对东北黑土、华北潮土、西北褐土主要农业种植区的浅层地下水进行采样与硝酸盐测定, 结合前人的采样点数据, 建立了北方主要农区地下水硝酸盐监测网, 监测了地下水水位和地下水硝酸盐含量变化, 测定了地下水及补给源中硝酸盐氮、氧同位素的含量, 对地下水硝酸盐时空变化特征和地下水污染来源进行了分析。结果表明:北方主要农区地下水硝酸盐超标以东北黑土区最高, 硝酸盐超标率达40%左右, 主要是由于东北地下水埋深较浅; 其次为华北潮土区, 浅层地下水超标率为19%, 华北地下水埋深大, 需要关注厚包气带的氮淋溶的阻控; 西北褐土区的地下水硝态氮超标率最低, 超标率为15%。随时间的推移, 不同区域地下水硝酸盐污染呈现不同的变化, 华北平原区域尺度浅层地下水硝酸盐超标率近20年有增长趋势, 华北潮土区2016年至2018年403个采样点地下水超标率为19%, 高于1998年12%的地下水硝酸盐超标率。地下水硝酸盐主要来源于有机肥和化肥, 蔬菜种植区地下水硝酸盐超标率高于粮食作物种植区。氮氧同位素分析结果表明北方农业生产区的地下水硝酸盐以人为污染为主, 进一步证实了不合理的农业管理措施已经对地下水造成了威胁和污染[19]。
此外, 受到土地利用类型、地下水埋深、包气带岩性、水文地质条件等综合因素的影响, 黑土区、潮土区和褐土区根层氮磷淋溶规律与地下水硝酸盐超标率体现出空间不一致和较大差异性。黑土区虽然根层淋溶较小, 由于受地形地貌影响, 地下水水质对淋溶响应更强烈, 应该进一步研究黑土区地下水水质对淋溶的响应机制。华北潮土区和褐土区厚包气带具有明显氮阻控能力, 应该进一步加强厚包气带对氮磷淋溶减排机理与途径研究。
2 我国典型农田“根层—深层包气带”氮磷淋溶机制和主控因子利用包气带观测井、Geoprobe深层取样、三维CT扫描和染色示踪法等手段, 研究农田包气带氮磷垂向迁移机理、土壤大孔隙和裂隙的形成与发育过程, 并且分析了降雨和灌溉对残留态氮和累积态磷在根区迁移的影响。
2.1 我国典型农田“根层—深层包气带”氮磷垂向淋溶机制依托中国科学院栾城农业生态系统试验站长期施肥定位试验和12 m深观测井, 对包气带农田土壤氮盈余累积特征和淋失规律进行了分析, 指出华北平原区的环境安全施氮量约为200 kg(N)·hm-2·a-1, 超过环境安全阈值的多投入氮肥中有51%淋失到1 m根层以下, 有进入下层土壤的风险; 不合理灌溉和强降水是造成土壤硝酸盐淋溶的主要因素, 灌溉主要造成了3 m以上土壤含水量增加; 不合理灌溉造成的硝态氮淋失可用通过减少灌溉量, 调整灌溉时间控制, 而强降水对包气带累积硝态氮的淋失作用可影响至6 m以下土层。在中国农业大学曲周实验站的试验表明:华北潮土氮素在地表—根层—深层包气带—地下水的垂直迁移过程受气候、土壤和农田管理措施的综合影响, 且具有强烈的时空变异。超过高产作物需求的氮素投入导致土壤-作物体系的氮素盈余, 主要表现为硝态氮在包气带的累积和迁移。冬小麦季硝态氮的迁移主要受灌溉影响, 以非饱和流为主, 且迁移距离较短; 春季单次灌溉量低于60~90 mm, 可以有效控制水和硝态氮淋溶出根区[20]。
2.2 裂隙和大孔隙对“根层—深层包气带”氮磷淋溶的影响在中国农业大学曲周实验站和上庄试验站, 采用亮蓝染色法和WHCNS (soil water heat carbon nitrogen simulator)模型结合, 对土壤裂隙和大孔隙的发育、特征及对水氮运移的影响进行了研究。研究表明:华北潮土地表裂隙的发育主要由耕作扰动和灌水(或降雨)后的干湿交替产生, 耕层土壤经过耕作、播种等扰动后, 造成土壤紧密结构疏松化, 单位体积内的孔隙体积增加; 当有一定量的水输入, 土壤团粒在水力作用下再互相吸附和凝聚, 扰动疏松增加的空间体积就会形成裂隙, 裂隙发育与土壤水分损失密切相关。冬小麦耕作和灌溉引起的地表裂隙对水氮运移的贡献不大。雨热同期的夏玉米季, 土壤水分经常处于饱和状态, 加上降雨导致硝态氮淋溶出根层进入深层包气带。夏玉米季极易发生硝态氮淋溶事件(占全年总淋溶事件的81%左右), 硝态氮淋溶量占全年总淋溶量的80%左右, 且单次淋溶事件的淋溶量较高。大孔隙优先流对夏玉米季根区硝态氮淋溶的贡献率在71%左右, 这些硝态氮脱离了作物根系吸收范围, 只能靠反硝化作用对其进行去除[20]。裂隙的存在导致了硝态氮淋溶的急剧增加, 传统施肥和优化施肥情况下分别增加97.40%和256.43%, 与优化施肥模式相比, 传统施肥模式更容易造成硝态氮的淋失风险。在模拟灌溉模式对硝态氮淋洗情况的影响时, 其差异不明显; 强降雨的设置同样增加了硝态氮的淋失风险, 导致硝态氮的年均淋洗量增加83.61%。裂缝的存在严重影响农田作物对肥料的吸收和利用, 通过优化施肥量、更改灌溉模式以及避免强降雨前施肥都可以有效避免肥料的损失[21]。此外, 明显含有虫洞的免耕土壤入渗深度和染色面积均高于旋耕土壤; 免耕土壤的染色面积和稳定入渗速率的Pearson相关系数P= 0.68(> 0.05), 染色示踪不能定量化土壤稳定入渗速率。同时WHCNS模拟的0~100 cm土层硝态氮淋洗量结果显示:大孔隙存在条件下, 硝态氮淋洗量增加13.5%;优化施肥模式的硝态氮淋洗量比传统施肥模式减少46.0%;常规灌溉量下喷灌比漫灌处理的硝态氮淋洗量减少15.6%;而强降雨导致硝态氮淋洗量增加119.4%。该研究为华北平原地区大孔隙存在条件下的农田水肥管理措施优化提供了理论指导[22]。
3 黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制项目组以长期定位试验为研究对象, 利用分子生物学方法(定量PCR、高通量测序等)研究典型厚包气带农田土壤剖面各层次反硝化微生物群落的结构特征, 明确各层次反硝化优势菌群, 研究反硝化微生物群落结构及优势反硝化菌群对长期不同施肥水平的响应机制和硝酸盐污染自修复机制, 提出根层截氮保磷和包气带脱氮固磷阻控机理。以黑土、潮土和褐土3个土类为研究对象, 基于冻融循环、地下水消长等特定自然条件, 选择小麦、玉米、蔬菜生产体系, 研究了氮磷淋失与水肥响应的关系, 探索了控水、控肥和添加生物碳等措施对氮磷淋溶的阻控机制。
3.1 根层截氮保磷和包气带脱氮固磷阻控机理针对根层和包气带氮磷淋溶阻控机理这一科学问题, 本项目初步探索了根层截氮包气带脱氮的淋溶阻控机理。利用深层取样和生物学方法结合, 分析了华北平原典型厚包气带0~10.5 m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成, 结果表明, 表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所, 而深层土壤中反硝化作用显著减弱, 施加氮肥的包气带土壤反硝化活性要显著高于不施加氮肥的土壤。明确了“碳饥饿”是限制底层土壤反硝化微生物丰度与活性的关键因素[23]。进一步通过室内培养试验, 证实了添加碳源可有效地激活土壤微生物的反硝化活性, 对深层土壤微生物的反硝化活性影响更为显著。同时, 添加碳源可改变土壤微生物群落结构, 促进土壤反硝化微生物Pseudomonas和Bacillus等反硝化功能类群的生长。调控厌氧环境主要是提高了N2O到N2的转换率, 但在短时间对微生物群落结构影响不显著。本研究从分子水平和微生物水平揭示了碳源和氧气含量对底层包气带土壤微生物反硝化脱氮的影响机制[23], 为“根层截氮包气带脱氮”的淋溶阻控机理找到了突破口。此外也开展了厚包气带土壤反硝化微生物的筛选工作, 并成功分离到1株具有完全反硝化能力的菌株, 为后期人工强化治理厚包气带土壤硝酸盐污染提供菌种资源[24], 也为技术研发类项目提供了理论依据。
与氮淋溶阻控机理不同, 项目组在褐土区长期试验中发现:尽管同样可以看到产量随施磷量提高而提高, 但当磷肥水平超过较低的阈值后, 进一步磷肥投入并不显著提高作物产量, 反而会导致土壤耕层中有效磷随施磷量增加而出现积累现象。通过进一步分析, 可以得到3个阶段的土壤有效磷水平、作物产量/作物吸收量和有效磷三者耦合关系: 1)环境友好-资源高效阶段:这一阶段土壤有效磷保持在20 mg·kg-1即可, 在氮肥供应充分的条件下即可达到最高产量; 2)环境低风险-资源低效阶段:该阶段土壤有效磷开始增加, 但作物产量并不会显著升高; 3)环境有害-资源无效阶段:该阶段土壤有效磷超过了土壤的缓冲容量, 土壤磷素开始向底层土壤迁移, 同时作物产量不会升高。对土壤全磷、Olsen-P以及水溶性磷的动态变化进一步分析, 发现当土壤全磷或者Olsen-P超过一定阈值时, 土壤中水溶磷显著增加, 这意味着磷素淋失风险增加, 
黑土是我国重要的土壤资源, 承载了全国50%以上的玉米产量, 尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低, 但肥料残留效应致使其潜在淋溶风险增强。项目组综合分析了环境因子和农业管理措施对黑土区农田氮磷淋溶特征的影响规律, 明确了黑土氮磷淋溶消减措施, 并初步针对玉米农田和蔬菜地提出消减策略[26]。为阐明黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制, 运用田间原位15N示踪技术, 设常规垄作(RT)、免耕无秸秆覆盖和免耕100%秸秆覆盖(秸秆量为7500 kg·hm-2) 3个处理, 量化了长期免耕秸秆覆盖措施下氮素在不同形态氮库中的转化特征、淋溶运移规律和去向, 明确了不同耕作措施对氮素积累与淋溶损失的阻控机制, 免耕全量秸秆覆盖处理提高了玉米的产量和肥料氮的利用效率, 降低了肥料氮向深层土壤剖面淋溶运移的速率[27]。设施黑土菜田由于过量施肥和灌溉导致磷素淋失严重, 亟待优化水肥管理模式以降低设施黑土菜田磷素淋失, 项目组依托黑土设施菜田淋溶监测试验, 发现与常规水肥处理相比, 减少化肥施用量对磷素淋失量和淋失风险无明显影响, 但减少灌溉量能显著减少磷素淋失量, 降低磷素淋失风险, 研究结果将为设施黑土菜田磷素淋溶阻控提供技术支撑, 为新阻控技术的研发提供理论指导[28]。
冻融交替是中高纬度、高海拔和部分温带地区的自然现象, 了解黑土区冻融交替如何影响土壤氮磷淋溶, 对建立阻控养分淋溶的措施至关重要, 项目组研究发现冻融交替对养分淋溶的影响机制主要通过土壤物理、化学和生物性质的变化影响可淋溶养分的含量、水分和淋溶通道。根据冻融对养分淋溶的作用机制, 可以通过以下4种措施降低冻融期间养分淋溶损失: 1)合理施肥, 从“源头”降低可淋溶的养分含量; 2)增施生物炭, 通过影响土壤理化性质和微生物群落提高土壤对养分和水分的固持能力; 3)种植覆盖作物, 作物生长过程中对养分的吸收利用可减少可淋溶的养分含量和养分向下运移的速度; 4)实施免耕秸秆覆盖的耕作制度, 提高生长季作物的氮素利用率, 从而降低可淋溶养分含量, 秸秆地表覆盖可以减缓冻融的作用效果, 通过对土壤物理、化学、生物多方面变化的调控影响养分的淋溶[29]。
3.3 潮土氮磷淋溶阻控机制华北平原潮土区是我国重要的粮食主产区, 过去几十年来该区农业经历了以高水肥投入为主要特征的集约化进程, 相应的氮淋失导致的面源污染不断加剧。项目组针对华北平原潮土为主要类型的粮田, 对过去40多年间主要研究文献进行全面分析, 并结合试验, 梳理氮肥和水分投入与氮淋失之间的定量关系, 比较主要农田管理措施对氮淋失的阻控效果及其机理, 以期为我国农业面源污染提供决策支持。研究发现, 氮肥和灌溉是影响华北平原潮土区粮田氮淋失的主要因素, 其中氮淋失与氮盈余量之间的指数关系比与施氮量的关系更显著。以缓控释肥、尿酶和硝化抑制剂为代表的肥料增效剂可以降低约1/3的氮淋失, 值得重点推广应用。秸秆还田可以实现包括提高土壤有机物和微生物氮库、增加无机氮缓冲容量等综合效益, 有利于降低氮淋失风险(< 10%), 但免耕的阻控效应较低且呈现较大不确定性[30]。
华北潮土区夏季降雨量占全年的60%~80%, 由于夏季集中降雨导致该地区近岸农田或地下水位埋深较浅农田出现地下水波动现象, 项目组通过土柱试验, 研究该区域农田由于地下水位波动导致NO3--N在土壤和地下水运移及淋失风险, 研究表明水位上升和下降促进土壤NO3--N随着水流运移到下层, 增加了地下水NO3--N污染风险。因此, 在地下水位埋深较浅的农业区进行氮素污染防控时, 不可忽视水位波动对NO3--N运移的影响[31]。
3.4 褐土氮磷淋溶阻控机制项目通过调研发现, 典型褐土区关中平原过量施氮的土壤达到83%以上, 大量土壤硝态氮已经迁移到1 m土层以下, 15%的水井地下水硝态氮含量超过10 mg·L-1(WHO饮用水标准)。经过40余年的氮磷化肥投入, 褐土区土壤氮磷的残留量显著增加, 其中氮肥残留以土体中硝态氮深层积累为特点, 磷肥残留以耕层显著积累为特征, 80%耕层土壤有效磷(Olsen-P)含量已超过20 mg·kg-1; 富磷土壤已出现可溶性磷素向耕层下迁移的现象[25]。粮田和菜田试验研究表明:与当地常规水肥投入量相比, 在保证产量的前提下, 化肥减量、降低灌溉量、施用生物炭或秸秆还田都可以降低氮磷淋失量; 其中化肥减量、降低灌溉可显著降低氮磷淋失, 其次是施用生物炭和秸秆[32-33]。施用秸秆条件下, 阻控硝态氮淋失与微生物生物量碳氮提高、土壤硝化势降低或反硝化势升高有关。此外, 需要关注褐土区粮果复合系统中土壤氮磷淋溶的环境效应、地下水硝酸盐污染的溯源等[25]。
4 北方农田区域氮磷淋溶风险与区域消减途径项目组以北方典型黑土、潮土和褐土区农田为研究对象, 通过建立地下水硝酸盐监测网(东北、华北、西北), 对地下水硝酸盐时空变化特征和地下水污染来源进行了分析[19], 在构建根层、深层包气带和地下水的硝酸盐监测系统的基础上, 将NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型与地下水硝酸盐监测数据、环境公报发布的水质数据、分县农业统计资料和土壤地质信息等数据结合, 建立了区域农业氮磷管理和评估体系, 在县域尺度定量了我国农牧系统氮磷养分环境排放量, 并对典型农区的氮磷淋溶风险进行分区, 提出了差异化的区域消减途径, 并以白洋淀流域为案例进行了重点研究。
4.1 北方农田养分损失脆弱区划分和区域消减途径由农田污染控制转向区域氮磷淋失风险分区及其相关区域氮磷淋溶消减是国际上氮磷淋失污染控制的研究热点。项目基于水质监测数据、文献数据、自然条件的空间数据和养分流动模型(NUFER)模拟结果, 划分了我国养分管理脆弱区[34], 以此为依据提出了我国不同农业生态区的氮磷淋溶区域削减草案和技术列单, 并利用模型情景分析的方法评价了氮磷环境排放的削减效果[35]。结果表明:养分管理脆弱区和潜在脆弱区覆盖了全国耕地面积的52%, 广泛分布于我国主要农产品主产区, 呈现显著的空间聚集特征; 分区养分管理可以削减51%的潜在脆弱区面积, 削减潜力较大的区域集中在东北、长江中下游和西南地区; 氮淋溶强度超过22.6 kg·hm-2的区域覆盖耕地面积3.1×107 hm2; 通过基于养分管理脆弱区的区域养分管理和环境阻控措施, 氮淋溶超标区内耕地面积减少至1.9×107 hm2, 削减比例约为40%[36]。项目提出的养分损失脆弱区区划和区域氮磷污染削减草案可为农业绿色发展提供科学依据。
4.2 北方典型流域地下水硝酸盐分布、来源和消减策略——以白洋淀流域为例白洋淀流域是雄安新区主要的用水水源, 但是白洋淀流域工业、生活污水、农业和畜牧业引起的硝酸盐污染较为普遍, 且来源多样, 造成人们对全流域尺度地下水硝酸盐分布特征及来源仍不清楚。项目组通过总结和分析白洋淀流域2008—2017年地表水和地下水硝酸盐浓度变化, 解析了全流域地下水硝酸盐分布的时空差异性特征和不同来源氮对地下水硝酸盐的影响程度。结果表明: 1)白洋淀流域地下水硝酸盐浓度分布存在从上游山区到山区平原区过渡带增加的趋势, 主要与山区平原过渡带较为频繁的人类活动有关。2)平原区从山前平原到淀区地下水硝酸盐浓度变化具有较大空间差异性, 随着地貌类型从洪积扇、冲洪积扇、冲洪积平原到河道带的变化, 地下水硝酸盐浓度呈下降趋势, 而硝酸盐氮同位素值升高, 说明反硝化作用增强。3)湖泊和洼地区地下水硝酸盐氧化和还原条件变化较大, 大部分地下水硝酸盐浓度较低, 仅在受污染的河道周边地下水硝酸盐浓度较高, 距离河道越近, 地下水硝酸盐浓度越高。针对以上污染特征, 建议分别针对上游山区平原过渡带、山前平原洪积扇和冲洪积扇高风险区、下游淀区的面源污染特征和地表水、地下水硝酸盐污染程度, 评估上游山区水文条件变化对地下水水质以及入库水质风险的影响, 明确补给源区水质变化关键控制要素和评估指标, 特别要在洪积扇、冲洪积扇、下游排污河周边等地下水硝酸盐污染脆弱区, 重点采取农业面源污染防控和消减措施[37]。
5 结论与展望本项目主要在以下4方面取得进展: 1)北方主要农区农田根层氮磷淋溶时空规律; 2)根层—深层包气带氮磷淋溶机制和主控因子; 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制和效果; 4)典型农区氮磷淋溶风险与区域消减途径。主要科学发现包括: 1)受土地利用类型、地下水埋深、包气带岩性、水文地质条件等综合因素影响, 黑土、潮土和褐土区根层氮磷淋溶规律与地下水硝酸盐超标率体现出空间不一致和较大的差异性。黑土区虽然根层淋溶较小, 由于受地形地貌影响, 地下水水质对淋溶响应更强烈, 应该进一步研究黑土区地下水水质对淋溶的响应机制。华北潮土区和褐土区厚包气带具有明显氮阻控能力, 应进一步加强厚包气带对氮磷淋溶减排机理与途径研究。2)基于长期施肥定位试验和12 m深观测井, 对包气带农田土壤氮盈余累积特征和淋失规律进行了研究分析, 发现华北平原区的环境安全施氮量约为200 kg(N)·hm-2·a-1, 超过环境安全阈值的多投入氮肥中有51%淋失到1 m根层之外, 不合理灌溉、强降水及土壤大孔隙和裂隙是造成土壤硝酸盐淋溶的主要因素, 对包气带累积硝态氮的淋失作用可影响至6 m以下土层。3)利用深层取样和生物学方法结合, 分析了厚包气带0~10.5 m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成, 结果表明, 表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所, 而深层土壤中反硝化作用显著减弱, 明确了“碳饥饿”是限制底层土壤反硝化微生物丰度与活性的关键因素; 进一步通过室内培养试验证实了添加碳源可有效地激活土壤微生物的反硝化活性, 为“根层截氮包气带脱氮”的淋溶阻控机理找到了突破口。4)利用黑土、潮土和褐土区氮磷淋溶阻控试验、全国农业面源污染国控监测网、北方农区地下水硝酸盐监测网和NUFER模型, 项目提出了养分损失脆弱区区划和区域氮磷污染削减草案, 可为农业绿色发展和面源污染阻控提供科学依据。
基于本项目的研究结果和尚未完全解决该领域的科学问题和技术难题, 建议十四五期间继续开展以下几方面研究:
1) 流域/区域尺度农业面源污染综合防控机理与技术。我国长江流域、黄河流域等区域生态条件脆弱、单位土地养分负载高、农业面源污染严重, 但是农村源污染及城市和工业的点源污染等综合源解析仍需进一步明晰。目前存在的问题是整个流域综合考虑农村源污染及城市和工业的点源污染、综合考虑氮磷以外的农药及其他污染物的源解析仍需进一步明晰, 必须加强监测、模型等多种手段的综合研究。我国主要流域关于氮磷等农业面源污染源防控的单项技术有所突破, 但在多污染因子、多污染源、全流域综合应用的理论和技术突破及系统集成整合上亟待加强。当前, 流域和区域在多污染因子、多污染源防控的理论和技术上急需突破, 在全流域综合应用系统集成整合上需要新的手段、模式和实践。
2) 基于面源污染防控的绿色循环农业与生态增值机理与技术。我国集约化农业和畜牧业迅速发展导致了农牧分离问题凸显, 污染物排放增加, 从而引起水体富营养化、地下水污染和空气质量下降等环境问题。畜禽粪便不能有效地作为养分资源还田, 同时种植业又依赖大量的化肥投入来保障粮食安全。因此, 近年来农业和畜牧业快速发展加重了我国资源短缺和环境污染压力。急需研究绿色循环农业与生态增值机理, 研发适宜的粮-饲-草复合种植技术, 提升土地利用效率和改善农区生态多样性, 研发畜禽养殖废弃物资源化利用技术, 实现有机肥替代化肥和面源污染阻控, 集成绿色循环农业与生态增值技术。
| [1] |
WILDENSCHILD D, SHEPPARD A P. X-ray imaging and analysis techniques for quantifying pore-scale structure and processes in subsurface porous medium systems[J]. Advances in Water Resources, 2013, 51: 217-246. DOI:10.1016/j.advwatres.2012.07.018 |
| [2] |
WARRINGTON R. Lost fertility, the production and loss of nitrates in soil[J]. Transactions of the Highland Agricultural Society of Scotland, 1905, 17: 2-35. |
| [3] |
MACEDO A, CRESTANA S, VAZ C. X-ray microtomography to investigate thin layers of soil clod[J]. Soil and Tillage Research, 1998, 49(3): 249-253. DOI:10.1016/S0167-1987(98)00180-9 |
| [4] |
ROZENBAUM O, BRUAND A, TRONG E L. Soil porosity resulting from the assemblage of silt grains with a clay phase: New perspectives related to utilization of X-ray synchrotron computed microtomography[J]. Comptes Rendus Geoscience, 2012, 344(10): 516-525. DOI:10.1016/j.crte.2012.09.004 |
| [5] |
JU X T, XING G X, CHEN X P, et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(9): 3041-3046. DOI:10.1073/pnas.0813417106 |
| [6] |
LI X X, HU C S, DELGADO J A, et al. Increased nitrogen use efficiencies as a key mitigation alternative to reduce nitrate leaching in North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2007, 89(1): 137-147. |
| [7] |
水利部地下水监测中心.地下水动态月报[R].北京: 水利部水文局, 2016 Groundwater Monitoring Center, Minister of Water Resource of People's Republic of China. Monthly Report of Dynamic State of Groundwater[R]. Beijing: Bureau of Hydrology, Minister of Water Resource of People's Republic of China, 2016 |
| [8] |
刘宏斌, 邹国元, 范先鹏, 等. 农田面源污染监测方法与实践[M]. 北京: 科学出版社, 2015. LIU H B, ZOU G Y, FAN X P, et al. Establishment and Application of Monitoring Technology on Nonpoint Pollution from Arable Land[M]. Beijing: Science Press, 2015. |
| [9] |
SEBILO M, MAYER B, NICOLARDOT B, et al. Long-term fate of nitrate fertilizer in agricultural soils[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(45): 18185-18189. DOI:10.1073/pnas.1305372110 |
| [10] |
PETERSON M E, CURTIN D, THOMAS T J, et al. Denitrification in vadose zone material amended with dissolved organic matter from topsoil and subsoil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 61: 96-104. DOI:10.1016/j.soilbio.2013.02.010 |
| [11] |
VELTHOF G L, LESSCHEN J P, WEBB J, et al. The impact of the nitrates directive on nitrogen emissions from agriculture in the EU-27 during 2000-2008[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 1225-1233. |
| [12] |
OENEMA O, BLEEKER A, BRAANTHEN N A, et al. Nitrogen in current European policies[M]//SUTTON M A, HOWARD C M, ERISMAN J W, et al. The European Nitrogen Assessment: Sources Effects and Policy Perspectives. Cambridge: Cambridge University Press, 2011: 62-81
|
| [13] |
MOSTERT E. The European water framework directive and water management research[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2003, 28(12): 523-527. |
| [14] |
MEISINGER J J, PALMER R E, TIMLIN D J. Effects of tillage practices on drainage and nitrate leaching from winter wheat in the Northern Atlantic Coastal-Plain, USA[J]. Soil & Tillage Research, 2015, 151: 18-27. |
| [15] |
KING K W, WILLIAMS M R, FAUSEY N R, et al. Phosphorus transport in agricultural subsurface drainage: a review[J]. Journal of Environmental Quality, 2015, 44(2): 467-485. |
| [16] |
GROENENDIJK P, HEINEN M, KLAMMLER G, et al. Performance assessment of nitrate leaching models for highly vulnerable soils used in low-input farming based on lysimeter data[J]. Science of The Total Environment, 2014, 499: 463-480. |
| [17] |
马洪斌, 李晓欣, 胡春胜. 中国地下水硝态氮污染现状研究[J]. 土壤通报, 2012, 43(6): 1532-1536. MA H B, LI X X, HU C S. Status of nitrate nitrogen contamination of groundwater in China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(6): 1532-1536. |
| [18] |
王洪媛, 李俊改, 樊秉乾, 等. 中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征与时空规律[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. WANG H Y, LI J G, FAN B Q, et al. Nitrogen and phosphorus leaching characteristics and temporal and spatial distribution patterns in northern China farmlands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200572 |
| [19] |
李晓欣, 王仕琴, 陈肖如, 等. 北方区域尺度地下水-包气带硝酸盐分布与变化特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. LI X X, WANG S Q, CHEN X R, et al. Spatial distribution and changes of nitrate in the vadose zone and underground water in northern China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200862 |
| [20] |
牛新胜, 张翀, 巨晓棠. 华北潮土冬小麦-夏玉米轮作包气带氮素淋溶机制[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. NIU X S, ZHANG C, JU X T. Mechanism of nitrogen leaching in fluvo-aquic soil and deep vadose zone in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200644 |
| [21] |
阿力曼, 张杰, 曾辉, 等. 华北平原农田裂缝对硝态氮淋溶的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. A L M, ZHANG J, ZENG H, et al. The effects of farmland cracks on nitrate leaching in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200506cjea.200506 |
| [22] |
曾辉, 温娜, 张建丰, 等. 华北平原大孔隙优先流对农田氮素淋溶的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. ZENG H, WEN N, ZHANG J F, et al. Effect of macropore preferential flow on nitrogen leaching in a North China Plain farmland[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200508 |
| [23] |
CHEN S M, WANG F H, ZHANG Y M, et al. Organic carbon availability limiting microbial denitrification in the deep vadose zone[J]. Environmental Microbiology, 2018, 20(3): 980-992. |
| [24] |
赵会成, 刘梦帅, 陈帅民, 等. 华北平原农田厚包气带及含水层反硝化细菌的分离鉴定及作用机制研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. ZHAO H C, LIU M S, CHEN S M, et al. Isolation, identification, and functional characterization of denitrifiers from the deep vadose zone and aquifer in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cnki.cjea.200519 |
| [25] |
郭胜利, 张树兰, 党廷辉, 等. 褐土区农田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. GUO S L, ZHANG S L, DANG T H, et al. Effects of field management practices on nitrogen and phosphate leaching in the cinnamon soil area of China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200576 |
| [26] |
张伟, 王睿, 李思琪, 等. 黑土区农田氮磷淋溶消减措施[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. ZHANG W, WANG R, LI S Q, et al. Mitigation of nitrogen and phosphorus leaching from black soil croplands in Northeast China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200496 |
| [27] |
袁磊, 陈欣, 吕丽萍, 等. 黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. YUAN L, CHEN X, LYU L P, et al. Nitrogen leaching risks and control mechanisms of spring maize fields in black soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200499 |
| [28] |
陈一民, 徐欣, 焦晓光, 等. 减水减肥对设施黑土菜田磷素累积与淋溶的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. CHEN Y M, XU X, JIAO X G, et al. The effect of reduced irrigation and chemical fertilizers on phosphorus accumulation and leaching in Mollisol vegetable fields[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200462 |
| [29] |
邓芳博, 鲍雪莲, 梁超, 等. 冻融交替对农田氮磷淋溶影响的研究进展[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. DENG F B, BAO X L, LIANG C, et al. A review of the freeze-thaw cycling effect on arable soil nitrogen and phosphorus leaching[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200494 |
| [30] |
孟凡乔, 王坤, 肖广敏, 等. 华北平原潮土区粮田氮淋失阻控措施及效果分析[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. MENG F Q, WANG K, XIAO G M, et al. Nitrogen leaching mitigation in fluvo-aquic soil in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200523 |
| [31] |
刘静, 朱鑫宇, 李顺江, 等. 地下水位波动对不同施氮量农田土壤硝态氮运移影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. LIU J, ZHU X Y, LI S J, et al. Effects of groundwater fluctuation on nitrate nitrogen transport after nitrogen application in cropland soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200707 |
| [32] |
卢慧宇, 杜文婷, 张弘弢, 等. 水肥管理及生物炭施用对作物产量和磷效率及磷淋失的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. LU H Y, DU W T, ZHANG H T, et al. Effects of water and nutrient management and biochar application on crop yield, phosphorus use efficiency, and phosphorus leaching[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200513cnki.cjea.200513 |
| [33] |
杨荣全, 谢立勇, 郑益旻, 等. 不同水肥措施下华北露地菜地氮淋溶特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. YANG R Q, XIE L Y, ZHENG Y M, et al. The effects of water and fertilizer practices on nitrogen leaching in open-field vegetable soil in North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200533 |
| [34] |
BAI Z H, LU J, ZHAO H, et al. Designing vulnerable zones of ni-trogen and phosphorus transfers to control water pollution in China[J]. Environmental Science & Technology, 2018, 52(16): 8987-8988. |
| [35] |
LU J, BAI Z H, CHADWICK D, et al. Mitigation options to re-duce nitrogen losses to water from crop and livestock production in China[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2019, 40: 95-107. |
| [36] |
金欣鹏, 柏兆海, 马林. 基于养分损失脆弱区的氮磷淋溶分区消减策略[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. JIN X P, BAI Z H, MA L. Regional nitrogen and phosphorus leaching mitigation strategies based on nutrient losses vulnerable zones in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200792 |
| [37] |
王仕琴, 檀康达, 郑文波, 等. 白洋淀流域浅层地下水硝酸盐分布及来源的区域分异特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021. WANG S Q, TAN K D, ZHENG W B, et al. Regional characteristics of nitrate sources and distributions in the shallow groundwater of the Lake Baiyangdian watershed[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021. DOI:10.13930/j.cnki.cjea.200672 |