科技部“十三五”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”项目正式启动

集约化农田通过投入大量化肥和灌溉提高作物产量,过量的化肥养分通过淋溶损失到地下水,对地下水环境产生巨大影响。这种高强度的人为干预,形成了集约化农业特有的根层-深层包气带-地下水系统。我国农业主产区集约化程度和污染负荷居全球之首,对环境影响为全球典型。我国地下水污染日益严重,80%监测点地下水为Ⅳ和Ⅴ类,与农田淋溶相关的“三氮”(氨氮、亚硝态氮、硝态氮)是最主要的污染源。黑土、潮土和褐土区是我国粮仓,氮磷肥、灌溉过量投入,也是农田氮磷淋溶和地下水污染的易发区和高发区。因此,开展氮磷在根层-深层包气带-地下水淋溶机理和阻控机制的理论研究,是保障国家粮食安全和生态环境可持续的迫切需求。由农田点污染控制向区域农田氮磷淋失风险控制分区及其相关氮磷消减政策法案的结合治理是国际上农田氮磷淋失污染控制的发展趋势。欧洲联盟(EU-27)制定硝酸盐指令(nitrate directive)和水指令(water framework directive),规范肥料与灌溉水的施用量和方式,提高氮磷的利用效率,减少氮磷淋失,并通过划分硝酸盐脆弱敏感区,进行重点防控。由此可见,研究从农田到区域的氮磷淋溶规律和区域阻控途径意义重大。针对这一社会需求,近日,科技部联合农业部启动了第一批“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”属于专项2016年首批启动的基础研究项目之一。     

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。     

基于生态化学计量方法识别农业面源污染防控重点区域

基于柴河流域汇水区内不同景观单元土壤与径流中氮、磷养分含量,分析了土壤与径流中污染物的生态化学计量特征,并综合评价了面源污染物的"源—流"过程,进而确定汇水区内面源污染防控的重点区域。结果表明:(1)汇水区内的坝平地、大棚种植区和柴河河道的土壤或底泥具有较高的氮磷比,其径流中溶解态氮磷比也较高,而磷矿区和富磷区林地土壤及径流中溶解态氮磷比较低;(2)土壤氮、磷养分与径流中氮、磷污染物之间未发现显著相关性(p0.05);(3)与其他景观类型相比,柴河底泥与大棚种植区的污染物"源"强较高,而大棚种植区和磷矿区污染物的"流"失风险较高,因此,大棚种植区由于其高"源"强和高"流"失性是该汇水区面源污染重点防控区域;(4)单个景观类型下,通过对比"源""流"过程在总流失风险中的比例确定磷矿区的流失、富磷区林地和河道底泥的污染物"源"是各自景观类型下面源污染防控的重点环节;而农业种植区(坡耕地、坝平地和大棚区)需同时在减"源"和控"流"上进行综合防控。     

农业面源污染影响因子及控制技术的研究现状与展望

面源污染的严重性受到国内外普遍关注,并已成为国际水环境问题研究的活跃领域。本文在简要介绍农业面源污染发生机理和特征的基础上,首先综述了土地利用方式、农田耕作、田间水肥管理、地形地貌、气候水文特征和社会经济因素等农业面源污染影响因子的研究现状,然后从人工湿地技术、前置库技术、缓冲带技术、水土保持技术、农田养分管理技术和农业生态工程技术等几个方面阐述了近年来国内外农业面源污染控制技术的最新研究进展,并结合我国实际提出今后农业面源污染的研究重点。     

水文因素影响稻田氮磷流失的研究进展

水文因素为农田氮磷元素的迁移提供了动力和载体,对稻田氮磷元素的流失具有重要影响。利用新型的稻田水分管理模式以代替传统的水分管理模式,对于有效控制面源污染具有重要意义。在综合调研国内外已有研究成果和最新进展的基础上,阐述了稻田氮磷流失特征、传统水分管理模式的弊端,并从新型稻田水分管理模式的种类、削减氮磷流失的效果与机理、与水平衡模型、营养负荷模型等结合应用等几个方面综述了国内外水文因素影响稻田氮磷流失的研究现状。进行稻田土壤吸附氮磷容量及人工调节机制的研究,在部分地区开展流域化水分管理系统研究,以及适用于我国稻田的水平衡模型和营养负荷模型的建立和深入研究应为今后我国关于水文因素影响稻田氮磷流失方面研究的一些方向。     

云南省洱海北部地区农田面源污染现状及控制的补偿政策

农田面源污染是洱海富营养化的重要原因之一。本文利用在洱海北部地区收集的实地调研数据,从化肥施用与流失和秸秆利用情况,分析了该地区的农田面源污染现状。结果表明：该地区的农田面源污染主要来源于大蒜田与玉米田的氮磷流失,以及大蒜秸秆与玉米秸秆的焚烧或丢弃。从补偿对象与主体、补偿标准、补偿环节与方式、配套政策四个方面,探讨了农...     

水土流失面源污染及其防控研究综述

水土流失是面源污染发生的重要形式和运输的主要载体,开展水土流失面源污染防控研究对于保障区域或流域生态安全具有重要的现实意义。阐述了水土流失、面源污染与水体环境的因果效应,在概括水土流失面源污染防控和模型化研究现状的基础上,提出了开展水土流失和面源污染研究的建议。     

小流域农业面源污染阻力评价及"源-汇"风险空间格局

识别评价影响农业面源污染的"源-汇"风险格局,对小流域的农业面源污染防治规划有着重要的现实意义,为此,该文以三峡库区典型农业区王家沟小流域为研究区,借助最小累计阻力模型评价小流域农业面源污染阻力和识别"源-汇"风险。首先,通过土地利用解译数据确定"源"地的分级,在获取地形、距离、土地利用和氮磷等自然影响因子的基础上,构建氮和磷的阻力基面评价指标体系,并测算氮、磷和总阻力面,以此判定影响小流域农业面源污染的阻力空间分布趋势;同时借助阻力阈值,对阻力面进行等级划分,以此识别影响库区小流域农业面源污染的"源-汇"风险格局。结果表明:1)影响农业面源污染的不同阻力因子,其空间分布存在明显差异,由此奠定了阻力基面的空间异质性;阻力基面反映了影响三峡库区小流域农业面源污染的"源-汇"景观空间差异,表现为"源"景观类型的阻力基面小于"汇"景观类型;氮和磷的阻力面总体上围绕"源"地向外呈现不断增大的空间变化特征;2)划定了影响王家沟小流域农业面源污染的"源-汇"风险区:极高风险区(0.297 7 km~2)高风险区(0.154 4 km~2)中风险区(0.147 5 km~2)低风险区(0.147 4 km~2)极低风险区(0.016 0 km~2);影响整个小流域农业面源污染的"源-汇"风险偏高,但小流域内仍有一定范围的低风险区,能确保流域内的氮磷流失得到有效拦截。研究结果有助于从影响农业面源污染的"源-汇"景观和空间阻力角度识别评价"源-汇"风险格局,为科学防范和治理农业面源污染提供决策依据。     

中国农业面源污染防控研究进展与工程案例

农业面源污染具有发生分散、随机，排放不确定性，污染物浓度波动大、类型复杂，污染面广量大的特点，其综合防治一直是世界性难题。当前，我国面源污染防控首要的问题为污染“家底”不清，不同部门或研究学者对农业面源污染负荷估算差别大。基于几十年定位、全程的科学观测数据，本研究认为，虽然国家污染普查数据和很多学者的估算数据，均高估了种植业源排放量占面源污染总量的比例，但种植业源排放总量仍然很高，必须给予充分的重视和防控。结合中国30多年的面源污染防控经验，中国科学院南京土壤研究所学者提出了农业面源污染控制的3R（“减源—拦截—修复”）和4R策略（“源头减量—生态拦截—循环利用—生态修复”），并伴随着防控技术升级和组合优化、技术产品化和装备化，逐渐完善扩展为4R+，为我国农业面源污染防控提供了理论支撑和应用指导，在一些典型地区进行工程化实施后，形成了农业面源污染防控的成功经验和案例。然而，农业面源污染防控的工作仍然面临着许多挑战，深入了解土壤与污染物之间的相互作用机制将尤为关键。此外，为实现资源的高效循环使用，还必须进一步提高氮、磷等关键污染物的净化与回收效率，确保在增加农业产值的同时降低对环境的污染...     

《PEDOSPHERE》2021年第1期“农业生态环境面临挑战”专刊

第十一届农业与环境国际研讨会“农业生态环境面临挑战”专刊在《PEDOSPHERE》(土壤圈英文版,IF3.736,Q1)2021年第1期刊发。该专刊共收录4篇综述文章,15篇研究论文,涉及农田碳氮磷迁移转化规律、土壤污染过程与修复、农业废弃物资源化利用、面源污染防控等诸多热点研究方向,反映了这些方向的国际、国内研究进展,可为农业科技创新和环境变化应对提供一定理论与技术支撑。     

中国农田土壤环境质量管理现状与展望

农田土壤环境质量保护与管理是保障粮食安全和农业可持续发展的重要前提。近年来,随着我国社会经济的快速发展,农田土壤环境质量退化和土壤污染问题逐渐凸显。经过几十年的努力,我国目前基本形成以"土壤污染防治法"和"土壤污染防治行动计划"为核心政策,相关配套管理办法、标准和技术规范等为基础的土壤环境质量管理体系。本文简要梳理了我国农田土壤环境质量状况与污染成因,回顾了我国农田土壤环境保护及环境管理的发展历程,总结了我国农田土壤环境质量管理与标准体系建设的最新进展,对比分析了农田土壤环境管理的国际经验,针对性地提出了我国农田土壤环境管理的对策与展望,以期为我国农田土壤环境质量管理及污染防控提供参考和借鉴。     

生物质炭基肥缓释性能及对土壤改良的研究进展

生物质炭基肥是以生物质炭为基质,与有机、无机肥料配制而成的新型生态环保缓释肥料,也作为土壤改良剂应用于农业生产中,近年来受到农业与环保领域的广泛关注和研究应用。本文讨论了生物质炭基肥缓释性能机制及影响因素,生物质炭基肥的缓释性能在很大程度上取决于磷、氮、钾元素与生物质炭的结合方式。主要结合方式包括静电吸附、络合、矿化等。生物质炭基肥的缓释性能受到生物质炭原料种类、炭基肥制备方法和炭肥配合比的影响。生物质炭基肥通过改善土壤理化性质、调节土壤微生物活性,提高植物对养分的利用效率以及减少土壤中养分流失。综合已有研究与应用结果,需要进一步开展生物质炭基肥在土壤中的长期应用效果、老化过程研究,注重在老化过程中对土壤微生物结构的风险评估;建立生物质炭基肥的标准化应用体系,研究和完善生物质炭基肥对土壤持续的、累加性的改良标准。     

基于WebGIS 中国农田养分平衡与环境风险评价系统的构建

在分析了ArcIMS的体系结构及其运行机制的基础上,基于ArcIMS9.0平台,采用空间数据引擎技术、数据库技术及ASP.NET编程技术,结合农田养分平衡模型和环境风险评价模型,设计开发基于WebGIS中国农田养分平衡与环境风险评价系统。系统主要包括远程基础数据库管理、基本数据查询分析、养分专题制图、在线养分平衡分析、环境风险评价分析及施肥策略咨询等6大功能,将农业基础数据通过模型运算的结果与地图数据相结合,实现了全国范围内基本农业数据、农田养分平衡与环境风险等信息的在线共享、评价与施肥咨询服务。     

土壤环境质量指导值与标准研究Ⅳ.保护人体健康的土壤苯并[a]芘的临界浓度

：基于人体健康风险评估制定土壤环境质量指导值或标准是当前国际上广泛采用的方法.本文全面调研了国际上保护人体健康的土壤苯并[a]芘（B[a]P）的各类临界浓度,初步确定了量化土壤中B[a]P暴露剂量的暴露场景和暴露参数,率先提出了制定我国土壤中保护人体健康的B[a]P临界浓度的方法体系,这种方法可用来制定持久性有机污染物的土壤临界浓度.考虑了口腔摄入、皮肤接触、呼吸摄入和取食污染蔬菜摄入四个主要暴露途径,探讨了B[a]P的致癌风险水平为10-5或10-6时,农业用地、居住用地和工业用地方式下土壤中B[a]P的临界浓度,同时制定了保护地下水的土壤B[a]P的临界浓度.     

农田氮、磷向水体迁移原因及对策

农田氮、磷向水体迁移,不仅造成化肥的利用率低,农业生产成本上升,还对水环境造成污染,引起水体富营养化。综合评述了农田氮、磷向水体迁移的原因及其控制方面的国内外研究进展。氮、磷肥的过量施用和施用比例不合理是导致农田氮、磷向水体迁移的主要原因;氮、磷向水体迁移量受土壤质地、施肥种类、降雨条件等因素影响;相应措施如优化土地利用、合理施肥和处理农田径流等均可有效地降低农田氮、磷向水体迁移风险。在当前的非点源污染治理中,应采取有力措施控制农田养分流失。     

基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型构建及应用

根据农业非点源污染产移特点, 将农业非点源污染模型分为田间产污的“源”模块以及模拟污染物在排水沟渠中运移的“汇”模块, 其中“源”模块又包括农田灌溉(降水)排水子模块及农田灌溉(降水)排水中污染物浓度计算子模块。应用DRAINMOD模型模拟田间尺度的灌溉(降水)排水, 同时将农田的施肥和灌溉过程“合成”作为田间污染物浓度的脉冲输入, 以逆高斯分布作为综合作用函数, 建立农田尺度的灌溉排水污染物浓度估算模型, 二者结合构成农业非点源污染田间产污模块; 应用一维水动力学基本方程和非保守性污染物迁移方程, 建立农业非点源污染物沟渠“汇”模块。并以黄河上游青铜峡灌区为例进行了示例应用, 依据典型田块以及排水沟渠农业非点源污染监测试验资料, 结合灌区作物种植结构, 计算了2008年5~9月青铜峡灌区输出污染负荷, 结果为盐分470 099 t、总磷98.17 t、总氮3 593 t、硝态氮2 122 t、氨态氮426 t。通过示例验证, 表明所建模型具有较好的模拟效果, 可进一步推广应用。     

国内外耕地培育的差异与思考

本文介绍了欧洲的种养一体化,北美的测土推荐施肥、休耕轮作、保护性耕作、法律限定以及环境约束下的耕地培育模式等;将我国耕地培育分为耕地生产力障碍因子消除和耕地生产力因子平衡提高两个阶段。指出地力基础、农业生产目标、耕地培肥理念、管理方式和环保理念的差异导致了国内外耕地培育方式的不同。耕地培育与施肥的关系不明确、耕地培育目标不清晰、耕地培育法规不健全是我国耕地培育的主要障碍。还探讨了我国现代良好耕地的定义,如何培育良好耕地,"耕地培肥"与"耕地培育"的概念等问题。提出了划分不同耕地功能区、制订严密科学的耕地质量指标体系、健全耕地培育法律法规体系、正确引导农民科学培肥耕地是我国耕地培育发展的方向。     

土壤环境质量指导值与标准研究 Ⅱ.污染土壤的健康风险评估

快速城市化进程与工业发展，使得土壤污染日益严重。污染物进入土壤后，经水、气、生物等介质传输，通过饮水、呼吸、饮食、皮肤吸收等途径引起人体暴露，带来健康风险。污染土壤健康风险评估是制定土壤环境质量标准的基础，是一项新的环境管理技术与手段。我国污染土壤的健康风险评估还非常欠缺，为了推动其发展，本文讨论了其研究进展、方法、存在问题与发展趋势。当前，还缺乏准确定量的风险表征方法，评估过程中还具有较大不确定性。污染土壤的健康风险评估正在向多介质、多途径以及多种污染物暴露的方向发展，模型模拟的方法将会得到更多的应用。为了建立准确定量风险评估方法，在未来研究中需要加强对风险评估相关机理研究。这包括污染物的迁移传输规律、污染物的剂量一效应关系和人群生活方式等。     

基于风险的石油烃污染土壤环境管理与标准值确立方法

目前我国对石油烃污染土壤的环境监管十分薄弱,环境管理标准的缺位成为制约这类场地评价与修复问题的瓶颈。为此系统分析了国际上尤其是发达国家在石油烃污染土壤的环境管理方法以及标准制修订实践方面的相关动态,并结合评价指标选取、目标风险水平设定、标准取值和标准细分等方面对各相关国家的标准体系进行了比较研究,以期对我国石油烃污染土壤的环境管理与标准制订有所启发。     

中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策

我国农田土壤重金属污染格局多样,区域污染风险突出。发达国家对污染土壤的修复经验对我国具有借鉴意义。我国农田土壤重金属污染防治面临土壤重金属空间异质性强、土壤类型及农作物品种对重金属累积差异大、土壤酸化严重、土壤元素失衡、不科学的发展方式、土壤重金属累积趋势难以逆转、土壤—农作物重金属累积线性关系不显著,修复技术不完善、修复措施长期风险调控机制缺失等主要挑战。根据我国农田土壤污染防治现状及课题组工作基础,我们提出以预防为主、保护优先和风险管控为基本思路,建立土壤污染防治体系,通过"土壤环境质量调查、土壤污染源头管控、分类管理和土壤环境质量基准推导"等4个步骤推进农田土壤重金属污染防治工作。