不同施氮水平对深层包气带土壤氮素淋溶累积的影响

为研究深层包气带土壤中氮素的迁移规律,采用田间小区试验,研究了不同施氮水平(142.5、285和427.5kg/hm2)对夏玉米种植期间0～500cm包气带土壤中氮素淋溶累积的影响。结果表明,不同施氮水平对NO3--N、NH4+-N和总氮有显著影响,施氮越多,NO3--N、NH4+-N和总氮在土壤中的淋溶累积也就越多,夏玉米生育期间土壤中氮素的淋溶累积含量随着夏玉米生长逐渐减少。在0～200cm土层中,收获后不同施肥水平土壤中NO3--N和总氮累积量随施氮量增加而增多,285kg/hm2施氮水平NH4+-N累积量最多,427.5kg/hm2施氮水平NH4+-N累积量最少,但相差不超过0.1kg/hm2,收获后土壤中氮素累积量有损失。夏玉米生育期间不同施氮水平对土壤NO3--N、NH4+-N和总氮的影响深度主要为0～145cm。粉砂壤土中氮素更易累积,砂质壤土中氮素较易随水分淋溶至下层。142.5kg/hm2施氮水平可有效减少NO3--N在土壤中的淋溶损失,降低土壤中NH4+-N和总氮的含量,对地下水构成的潜在污染风险最小。北京地区地下水埋深较深,NO3--N不易淋溶至地下水,但长期大量施用氮肥、田间土壤大孔隙的存在等会加速NO3--N向深层土壤迁移,对地下水水质构成威胁。     

包气带土体反硝化作用对NO3^—转化的试验研究

就河北平原山前地区包气带土体中的氮素循环转化及污染地下水的过程、包气带土体中反硝化细菌对硝酸盐转化的作用强度进行了试验研究。结果表明，生物反硝化作用是土壤包气带氮素转化的主要作用之一。该区包气带土体中由于有机物较少并随深度增加而减少，因此对NO3^-细菌的反硝化作用强度也随深度加大而减弱，从而造成包气带土体中硝酸盐积累，进而污染地下水。如对包气带的有机碳源加以调控，可阻止地下水的污染。     

地下水位波动对不同施氮量农田土壤硝态氮运移影响

明确地下水位波动对农田土壤剖面和地下水NO_3~--N运移的影响,可为减少土壤氮素淋失、降低地下水硝酸盐污染风险提供依据。本研究采用大型土柱温室种植甘蓝,研究2种水位波动(水位不变、水位每隔10 d波动20 cm)和3种施氮量[0 kg(N)·hm~(-2)、225 kg(N)·hm~(-2)、450 kg(N)·hm~(-2)]对土壤含水量、土壤溶液NO_3~--N浓度、地下水NO_3~--N浓度和作物产量的影响。结果表明,水位波动和施氮肥对NO_3~--N运移的影响与土壤剖面深度有关。0～20cm包气带土壤NO_3~--N含量受施氮量影响,过量施氮肥[450kg(N)·hm~(-2)]导致该剖面NO_3~--N累积。20～60cm水位波动带土壤NO_3~--N含量受施氮量和水位波动的共同作用:施氮量增加提高NO_3~--N含量;水位波动降低剖面土壤NO_3~--N含量,水位上升和下降均促进土壤NO_3~--N随着水流运动向下层迁移;剖面土壤硝态氮含量高,增加NO_3~--N进入地下水的风险。60～80 cm淹水区剖面土壤NO_3~--N含量较低。作物产量受水位波动影响不显著。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NO_3~--N运移的影响。     

华北山前平原典型厚包气带硝态氮分布累积规律

包气带是连接大气层和含水层水分和养分转换的纽带,也是农田NO_3~–-N分布和累积的重要场所和向含水层淋失的通道,因此研究包气带土壤中NO_3~–-N的分布累积规律对防止地下水NO_3~–-N污染至关重要。本文以中国科学院栾城试验站典型的厚包气带为对象,在无施肥处理(N0)和施氮肥600 kg/(hm~2·a)(N600)两种处理的多年试验田中,利用Geoprobe获取0~10.5 m深度土壤样品,研究厚包气带NO_3~–-N垂向分布、累积规律,并分析其影响因素。结果表明:N0中NO_3~–-N基本保持不变,长年施氮肥600 kg/(hm~2·a)使得NO_3~–-N淋溶至10.5 m,并在深层包气带中形成累积,累积的峰值由土壤的质地和含水量决定;NO_3~–-N的分布和累积主要受水分运移、土壤质地和反硝化作用影响。     

不同种植类型地下水污染与氮素时空变异特征分析

长三角地区地下水位埋深较浅,容易受到污染,受污染的浅层地下水又可能成为农田向环境输送污染物质的主要载体之一。通过对该地区不同种植类型农田(水田、露天菜地)地下水为期12个月的水质监测,分析了地下水水质特征和氮素水质指标(NO3-N、NH4-N)的时空变异特征,结果表明:研究区域农田浅层地下水已受到了污染。参照我国地下水质量标准(GB714848-93),发现SO42-和NH4-N是主要的污染指标。本区域地下水污染与农田施肥密切相关。同时发现研究区域地下水埋深与地下水中各无机离子没有明显相关性。0-300cm农田环境中地下水NO3-N下渗和反硝化作用都很明显。在相同的降雨、施肥状况(氮肥品种与用量、施肥方式)及土壤性质条件下,氮素在水田和露天菜地中均会很快流失,但水田比露天菜地更容易造成污染物的向下迁移,污染地下水。     

降雨淋洗条件下溶质在土壤中运移的初步研究

在自然条件下,降雨淋洗是地表污染物质向下运移而污染地下水的主要途径之一,同时,也是淋洗土壤盐分、影响土壤盐分动态的重要因素之一.因此,研究降雨淋洗条件下土壤中的溶质运移,可为污染物质的处理和田间土壤水盐动态的调控提供理论基础.本文通过室内实验和理论计算对这一问题进行了初步探讨.     

华北平原区农田优化施肥技术防治立体污染效果研究

通过对文献资料的分析指出,华北平原区施肥对农田环境可能造成的立体污染主要包括对地表水、地下水、大气、土壤以及农产品的污染。施肥对地表水的污染主要表现为水体的富营养化,白洋淀污染物中氮磷的输入量分别占总输入量的50.6%和34.1%;施肥对地下水的污染主要是造成地下水硝酸盐或亚硝酸盐超标;施肥对大气的污染主要是增加了N2O的排放,整个华北平原区因氮肥施用导致的N2O排放量每年约为2.25万t;施肥对土壤的污染包括重金属累积、养分失调、肥力下降、次生盐渍化多个方面;施肥对农产品的污染主要表现为农产品硝酸盐超标和重金属污染。农田优化施肥技术如控制肥料用量、平衡施肥、水肥合理配合、适当的施肥方法与施肥时期、缓控释肥料的应用等是提高肥料利用率、控制或减少农田立体污染的主要途径。     

中国北方农田氮磷淋溶损失污染与防控机制

突破厚包气带农田根层氮磷淋溶与地下水污染复杂定量关系和阻控机理是国际研究难点。本文系统梳理了重点研发专项"农田氮磷淋溶损失污染与防控机制"项目取得的主要进展,项目包括以下4方面研究内容: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及其效果; 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,然而受地形地貌影响,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)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的研究发现,华北平原区的环境安全施氮量约为200kg(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1m根层以下,不合理灌溉、强降水、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6m以下土层。3)利用深层取样和生物学方法结合,对厚包气带0～10.5m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成的研究结果表明,表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所,深层土壤中反硝化作用显著减弱,"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;室内培养试验证实添加碳源可有效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 (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resourcesuse)模型,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。     

氯丹和灭蚁灵在典型污染场地的空间分布研究

测定分析了典型氯丹和灭蚁灵污染场地上的土壤、浅层地下水、地表水和底泥样品,应用地统计学的理论和方法研究了氯丹和灭蚁灵的空间结构与分布特征。结果表明,氯丹、灭蚁灵空间变异性高,随机因素对空间变异起主导作用。厂区内生产车间附近土壤中氯丹和灭蚁灵污染严重,存在明显的水平迁移,污染扩散范围与风向呈现一定相关性。氯丹和灭蚁灵随水的淋溶作用存在显著的竖直迁移,已经扩散至深层土壤中。污染场地附近的浅层地下水和地表水均被污染,底泥污染被限制在排污口附近。通过Kriging法插值画出土壤和浅层地下水中氯丹和灭蚁灵的等值线图,清晰地看出氯丹和灭蚁灵的分布趋势:氯丹和灭蚁灵在表层土壤中污染程度较重,下层土壤和浅层地下水中的污染分布均与上层相对应。土壤、浅层地下水、地表水和底泥中灭蚁灵浓度均小于氯丹,这与氯丹和灭蚁灵的挥发性、迁移性、吸附性等理化性质有关。通过与同类POPs污染场地研究的对比分析发现,此类场地土壤中的POPs分布存在共性特征。     

再生水灌溉区农田包气带及地下水中硝酸盐分布特征及来源研究

本文通过对华北平原典型再生水灌溉区(河北省石家庄洨河流域)的包气带土壤、地表水和地下水进行采样分析,对硝酸盐在多种环境介质中的来源与环境行为进行了研究,识别了再生水灌溉区地下水硝酸盐污染来源,明确了不同灌溉条件对包气带土壤中硝酸盐迁移的影响。在受到城市再生水严重影响的洨河流域,地下水中的硝酸盐浓度分布范围在4.0 mg·L?1到156.6 mg·L?1之间,已经形成了距离河道2 km、深度70 m的硝酸盐高值区域,经过计算硝酸盐的垂向扩散速率为每年1～2 m。硝酸盐与氯离子的相关性表明,城市再生水是再生水灌溉区包气带、地表水和地下水中硝酸盐的主要来源。利用Geoprobe获取利用不同灌溉水农田土壤剖面样品,研究再生水对厚包气带NO3?-N垂向分布影响,再生水灌溉区和地下水灌溉区中包气带土壤的NO3?-N的平均含量为137.0 mg·kg-1和107.7 mg·kg-1,最高含量523.2 mg·L?1和725.9 mg·L?1,分别出现1.20 m和0.85 m深度,分布规律有着明显的差别。包气带土壤硝酸盐与氯离子的相关性分析表明,再生水灌溉区土壤硝酸盐主要来源于城市再生水,而地下水灌溉区可能来源于农田氮肥。地下水年龄和硝酸盐之间关系表明,地下水中1975年以前补给的硝酸盐浓度低于1975年以后补给,地下水硝酸盐污染与包气带氮入渗的历史过程密切相关。在华北平原特殊的地质水文背景下,农田面源污染对地下水的影响有限,但再生水灌溉区地下水硝酸盐污染的风险较高。     

华北潮土冬小麦-夏玉米轮作包气带氮素淋溶机制

合理水氮管理可以实现作物目标产量和品质、维持土壤肥力和降低环境污染。然而,自20世纪90年代以来,我国农田过量施氮和大水漫灌等问题突出,引起农业面源污染日趋加重,地下水硝酸盐污染成为一个普遍现象。本文以华北潮土区冬小麦-夏玉米体系为研究对象,采用数据整合和文献分析的方法,阐明了典型农田硝态氮淋溶的时空特征及影响因素,研究了地表裂隙和土壤大孔隙对硝态氮淋溶的影响,定量了氮素在地表-根层-深层包气带-地下水的垂直迁移通量及过程。结果表明,农户常规管理的冬小麦-夏玉米轮作体系氮素盈余较高(299～358kg·hm~(-2)·a~(-1)),导致土壤根区和深层包气带累积了大量的硝态氮。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 mm,可以有效控制水和硝态氮淋溶出根区。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,再降雨就可以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,反硝化作用对硝态氮去除具有一定作用。在华北气候-土壤条件下,特别应注意冬小麦收获后土壤不应残留过多硝态氮,以避免夏玉米季降雨发生大量淋溶;夏玉米季需要注意施氮与作物需氮的匹配。由于夏玉米追肥困难,生产上提倡一次性施肥措施,控释肥应该能够发挥更大作用。未来气候变化,导致夏季极端高强度降雨事件的频率增加,将会加剧包气带累积硝态氮通过饱和流或优先流向地下水的迁移。合理的水氮管理是从源头上减少硝态氮向深层包气带和地下水迁移的主要措施。     

农田尺度下土体硝酸盐淋失的随机模拟及其风险性评价

以田间试验为基础,对所建立的简化土壤水氮联合运移模型进行了验证。将条件模拟方法所得到的表层土壤饱和导水率(Ks)的随机场与该联合模型相结合,随机地模拟了冬小麦地1999年3月15日至6月10日这一时段的硝酸盐淋失情况。在总来水量为353.8 mm、施N量为86.25 kg hm-2的情况下,2 m土体硝酸盐淋失量最小值为N 15.04 kg hm-2,最大值为N 26.04 kg hm-2,分别占此段施肥量的17.4%和30.2%。以传统方法(Ks平均值)所得到硝酸盐淋失量作为对照,发现硝酸盐淋失量超过该值且概率大于70%的面积约占到田块总面积的20%左右。说明由于田间空间变异的作用,造成了硝酸盐淋失的巨大差异,故不能用传统的方法来代替,因为这样做就掩盖了地下水可能造成硝酸盐污染的风险性。     

天津市水体硝酸盐污染调查与空间分布研究

通过现场采样及室内分析,对天津地区的201个水样进行了硝酸盐污染现状调查研究。结果表明,各类型水体之间硝酸盐浓度存在明显差异。其中,主要水库、河流未发生硝酸盐污染。少部分排污河与农田排灌沟渠水体有硝酸盐污染倾向。地下水硝酸盐浓度较高,平均值达到15.56mg·L^-1,随着地下水深度的加深,地下水硝酸盐浓度呈明显的下降趋势。0～100m的浅层地下水硝酸盐污染状况比较严重,而大于100m的地下水尚未发生硝酸盐的污染。浅层地下水硝酸盐污染程度又与农区种植类型密切相关,大部分蔬菜种植区浅层地下水硝酸盐污染状况十分严重。运用Kriging法绘制了地下水硝酸盐浓度的空间分布图,表明天津市地下水硝酸盐污染存在明显的地区差异性。地下水硝酸盐浓度较高的区域主要分布在武清、西青、静海及宝坻等地区的蔬菜种植区。     

Measurement of Fertilizer Leaching from the Root Zone Using an Automated Infiltration Soil Water Sampler in an Unsaturated Sandy Field

In sandy fields with vegetable cultivation, fertilizer leaching may occur and it should be well-controlled. The development of a direct soil water sampler is necessary to examine solute transport and fertilizer leaching in the vadose zone, since soil water reflects timely monitoring of data more accurately than groundwater. We developed a Suction-Controlled Flux Sampler to collect infiltration soil water in a sandy soil. In the present study, we monitored fertilizer leaching in an unsaturated sandy field during the rainy season, while evaluating the sampling performance of SCFS for the sampling of infiltration water. SCFS directly collected the infiltration water effectively over a period of several months in the sandy field and recorded the Water-Collecting Efficiency from 92 to 115% under various infiltration conditions during a period of 50 d. WCE was affected by the rainfall intensity as well as by previous rainfall, which enhanced WCE. The results obtained from the use of SCFS and several sensors demonstrated that the amount of leached water remained low as long as irrigation was applied according to the cultivation manual. However, an unexpected heavy rainfall event led to fertilizer leaching. The fertilizer leaching trend was effectively monitored by several sensors inserted into the soils, while detailed analysis of the components was performed after collection by using SCFS. Direct access to infiltration water enabled to examine the infiltration process and detailed variations in the amounts of discharged anions. The sensor-equipped monitoring system together with SCFS is suitable for precise management of fertilizer and irrigation application.     

华北农区浅层地下水硝酸盐分布特征及其空间差异性

华北平原地下水硝酸盐污染备受关注,然而受地貌类型、土地利用、土壤结构、含水层水文地质条件等因素差异性的影响,对区域尺度上农区浅层地下水硝酸盐污染程度和特征尚没有统一定论。本文通过综述过去华北平原地下水硝酸盐污染程度的相关研究,并结合近年来对华北平原农业种植区浅层地下水硝酸盐研究所取得的认识,指出补给源区(太行山低山丘陵区)、山前平原和低平原3个典型地貌类型区浅层地下水硝酸盐研究存在的问题:补给源区土地利用变化多样、土壤和含水层渗透性好,要重视对源区氮输入的控制,加强低山丘陵区气候变化对水文过程和氮迁移过程影响机制的研究;山前平原区是农业高产区,地下水埋深较深且包气带厚度大,较高的浅层地下水硝酸盐浓度除了与点源、污水渗漏以及污水灌溉等直接影响因素有关外,农田过量肥料施用对地下水硝酸盐影响的程度、水氮迁移路径以及未来潜在风险是农区地下水硝酸盐研究中亟需关注的问题;低平原区较细的土壤沉积结构减缓了氮向下迁移的速度,但地下水埋深较浅,二者的制约关系决定了地下水硝酸盐浓度,因此应在理解地表水-土壤-地下水转化关系的基础上评估地下水硝酸盐污染的风险。     

层状包气带黏土层厚度对硝态氮迁移的影响

层状包气带结构中黏土层对污染物进入地下水具有阻滞作用,黏土层的厚度对硝态氮(NO_3~--N)在包气带迁移中的淋失、累积以及反硝化作用等具有非常重要的影响,而目前关于这方面的研究还不足。该研究通过设置高度为40 cm、砂土与黏土层厚度比分别为3∶1,1∶1,1∶3的"上粗下细"型以及全黏土型的4组填充土柱,采用稳定浓度的定水头淋滤试验,研究黏土层厚度不同的土柱NO_3~--N溶液入渗过程、土壤NO_3~--N淋滤、累积和反硝化特征,进而阐明层状包气带黏土层厚度对NO_3~--N迁移的影响。结果表明:湿润锋运移深度和累积入渗量与入渗时间的关系在溶液穿越砂黏土层界面前后由非线性趋于线性,累积入渗量随黏土层厚度增加而显著减小(P0.05);当土柱内黏土层厚度达到40 cm时,其对NO_3~--N淋滤的阻滞作用明显强于黏土层厚度为10～30 cm的土柱;淋滤试验过程中在砂黏土层界面形成水分滞留层,界面处黏土层中NO_3~--N和NO_2~--N累积量均达到峰值,且随着深度的增加,NO_3~--N和NO_2~--N累积量降低;黏土层厚度差不小于20 cm的土柱内NO_3~--N累积量差异显著(P0.05),而40 cm黏土层的土柱反硝化量[(0.15±0.05) g]显著高于黏土层厚度为10～30 cm的土柱(P0.05),说明当黏土层达到一定厚度时(如40 cm),对NO_3~--N的阻滞作用和反硝化作用具有显著影响,对防止NO_3~--N淋失进入地下水产生重要作用。该研究可为层状包气带土壤条件下农田施肥管理与地下水保护提供科学依据。     

不同水肥措施下华北露地菜地氮淋溶特征

华北地区典型一年两季露地蔬菜种植系统,蔬菜生长季水热同季、种植管理中水氮供应充足且往往过量,造成大量氮素淋溶到深层土壤,不仅造成水肥资源利用率低,对地下水质也造成威胁。本文以华北潮褐土黄瓜-白菜一年两季典型露地蔬菜为研究对象,利用田间试验研究不同氮肥用量及优化措施(包括抑制剂、生物炭、秸秆还田)以及控制灌溉量对蔬菜产量、土壤氮淋溶及氮平衡的影响。研究结果表明:1)华北典型露地菜地氮肥主要损失去向为深层土壤中积累及氮淋溶。2)农民常规施肥处理[黄瓜季和白菜季各施550 kg(N)·hm~(-2)]淋洗出80cm土壤剖面的总氮占当季氮肥施用量的10.0%,减氮20%和50%分别使总氮淋溶量降低23.8%和45.6%;减氮20%对蔬菜产量没有显著影响,减氮50%对水肥需求量较高的黄瓜产量有显著影响(减产19.6%)。3)减氮20%配合脲酶抑制剂和硝化抑制剂、施用生物炭和添加秸秆还田分别使全年总氮淋溶量比常规水肥处理降低40.7%、43.0%和34.3%,而对蔬菜产量没有显著影响。4)减少灌溉量15%和30%分别使总氮淋溶比常规水肥处理降低43.1%和50.5%,水氮协同调控对降低氮淋溶效果显著;对需水量较高的黄瓜季,灌溉量降低30%黄瓜产量显著降低13.9%。5)高量水肥投入条件下连续种植蔬菜3年6季后,0～80cm土壤剖面硝态氮积累量占0～200 cm土壤剖面积累量的38.2%～50.7%,土壤剖面积累了大量硝态氮而且向深层土壤中移动。因此,合理控制水肥管理,特别是减氮结合脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合水分管理,是经济可行的有效阻控土壤氮淋溶的措施。     

褐土区农田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施

自20世纪90年代以来,持续过量氮磷化肥投入导致农业面源污染日益严重,了解农田土壤氮磷淋溶特征是降低地下水污染的基础。基于田间调查、长期定位肥料试验和田间试验,分析褐土区氮磷的盈余状况,阐明该区农田土壤氮磷的盈余变化、淋溶特征;评价田间管理措施对农田土壤氮磷淋溶的影响。结果表明,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100cm土层以下,15%的水井地下水的硝态氮含量超过10 mg·L~(-1)(WHO饮用水标准);80%耕层土壤有效磷(Olsen-P)含量已超过20mg·kg-1,富磷土壤已出现可溶性磷素向耕层以下迁移的现象。氮肥和磷肥的投入量、氮磷吸收量和土壤氮磷残留量之间存在着3个发展阶段:环境友好-资源高效阶段、环境低风险-资源低效阶段和环境有害-资源无效阶段。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的淋失,其次是施用生物炭和秸秆。施用秸秆条件下,阻控硝态氮淋失与微生物生物量碳氮的提高、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问题。