设施菜地土壤氮素运移及淋溶损失模拟评价

设施菜地因大水大肥管理方式导致的氮素淋失已成为当前关注焦点。探寻氮素淋失阻控技术需要首先探明土壤中NO_3~--N的运移和淋失过程,找到淋失阻控的关键点,从而实现蔬菜栽培高产量低环境成本。本研究以京郊设施菜地黄瓜-番茄轮作系统为研究对象,通过田间试验获取土壤温度、湿度、NO_3~--N含量等数据,对反硝化-分解(DNDC)模型进行参数校验,并以农民常规种植模式为基线情景,设置改变土壤基础性质、灌溉量、施氮量等不同情景,运用DNDC模型对设施菜地系统土壤氮素运移及淋溶损失进行定量评价。结果表明:经验证后的DNDC模型能够较好地模拟蔬菜产量、5 cm土壤温度和0～20 cm土壤孔隙含水率变化以及NO_3~--N的迁移过程,是模拟和评价氮素运移和损失的有效工具。模拟不同情景表明,设施菜地0～60 cm土壤NO_3~--N累积主要受灌溉水量和氮肥施入量的影响,此外土壤pH和土壤有机碳的变化也是影响NO_3~--N运移的重要因子。节水节肥是设施菜地氮素淋失减量的最有效方法,相比常规措施,同时减少20%灌溉量和20%施氮量可明显降低59.04%的NO_3~--N淋失量。同时,在节水节肥的基础上改变灌溉方式并提高20%土壤有机碳含量,在保证蔬菜产量的前提下,能够进一步降低69.04%的NO_3~--N淋失量。可见, DNDC模型为设施菜地NO_3~--N淋失评价和阻控提供了一个较好的解决方案。在当前重点关注减氮节水等管理措施的同时,提高土壤本身的质量,不失为一种更有效的减少设施菜地氮素淋失的途径。     

基于DNDC模型的华北典型农田氮素损失分析及综合调控途径

氮素损失对农业生产造成的影响已成为当前研究的热点,模型是对氮素损失影响评价及定量化研究的有效手段。利用华北典型农田冬小麦-夏玉米轮作种植模式的作物产量、氮素淋失量等田间观测数据对DNDC模型进行了验证,并采用验证后的DNDC模型对该种植模式的氮素损失进行了定量评价,提出了综合考虑作物产量、氮素淋失量、N2O排放量以及NH3挥发损失的综合调控途径。结果表明,DNDC模型较好地模拟了冬小麦-夏玉米轮作系统作物的产量、氮素淋失的动态变化规律,以及土壤中NO3--N和NH4+-N的残留量,说明DNDC已具备模拟农田生态系统中土壤氮素生物地球化学过程的能力。模型模拟结果表明,在传统农业管理措施下,氮素通过淋失、N2O排放以及NH3挥发损失的量分别达到49.4 kg(N).hm-2.a-1、17.71kg(N).hm-2.a-1和144.8 kg(N).hm-2.a-1。综合考虑氮素损失途径,提出了适合当地农业生产条件的最优化管理措施,即减小当前常规施氮量到340 kg(N).hm-2.a-1,提高玉米秸秆还田率到100%,并保持灌溉量不变。相比常规管理措施,最优化管理措施氮素淋失量为14.1 kg(N).hm-2.a-1,降低71.5%,N2O排放量为14.91kg(N).hm-2.a-1,降低15.8%,NH3挥发损失量为117.2 kg(N).hm-2.a-1,降低19.1%,而对作物产量基本不造成明显影响。该评价结果可直接用于农业生产实践。     

紫色土坡耕地硝酸盐流失过程与特征研究

通过对紫色土坡耕地地表径流、壤中流径流过程及其硝酸盐含量的长期监测,研究紫色土坡耕地硝酸盐流失特征。结果表明,径流过程对紫色土坡耕地硝酸盐流失过程影响明显。地表径流过程中硝酸盐含量随降雨历时表现为先升后降的趋势,而壤中流过程则表现为不断上升、趋于稳定的趋势。紫色土坡耕地硝酸盐流失潜在的环境风险极大,历次降雨产流事件中地表径流和壤中流NO3--N平均含量分别为0.73±0.17 mg L-1、21.72±2.05 mg L-1,其中,75%的地表径流NO3--N含量超过0.5 mg L-1,85%的壤中流NO3--N含量超过10 mg L-1。紫色土坡耕地地表径流NO3--N年流失负荷为0.93±0.05 kg hm-2,壤中流NO3--N年流失负荷为33.51±2.73 kg hm-2,分别占当季施肥量的0.62%、22.34%,随壤中流淋失是紫色土坡耕地硝酸盐流失的主要途径。紫色土坡耕地硝酸盐流失不仅可能造成当地地表水富营养化,而且可能造成当地浅层地下水硝酸盐污染,将加剧长江上游水环境压力。     

科尔沁沙地不同土地利用结构硝酸盐氮淋失规律

采用小型回填式土柱动态淋溶实验方法,研究了科尔沁沙地不同土地利用结构耕层土壤硝酸盐氮淋失规律。结果表明,科尔沁沙地草地、林地和沙荒地结构淋溶液硝酸盐氮浓度平均值低于地下水Ⅰ类水质标准（2.0mg·L-1）,农田结构淋溶液硝酸盐氮浓度平均值大于地下水Ⅰ类水质标准。农田结构是造成地下水硝酸盐氮污染的重点区域。科尔沁沙地不同土地利用结构硝酸盐氮淋失强度依次为：农田（96.54kg·hm-2·a-1）〉沙荒地（32.84kg·hm-2·a-1）〉林地（28.66kg·hm-2·a-1）〉草地（15.48kg·hm-2·a-1）。农田是科尔沁沙地氮素营养管理的重点结构,硝酸盐氮淋失强度与土壤硝态氮含量呈极显著正相关。     

长江上游紫色土坡耕地水土流失特征及其防治对策

 紫色土是长江上游最重要的土地资源之一,严重的水土流失引发了一系列问题。在对紫色土坡面产流特征进行分析的基础上,研究紫色土坡面产流特征对水土流失的作用机制以及紫色土坡耕地水土流失防治对策。结果表明:紫色土坡耕地产流模式以蓄满产流为主,壤中流在坡面径流总量中所占比例较大;紫色土坡耕地土壤侵蚀导致土壤粗骨沙化,土壤养分流失途径与营养元素的溶解性有关,易溶的N、K主要以溶解态流失,易被土壤固定的P主要随土壤颗粒流失;壤中流是紫色土坡耕地水土流失的重要外营力之一,进行水土流失治理必须对其加以干预。提出长江上游紫色土坡耕地水土流失治理策略与"增渗防冲、排水保土,先排后蓄、蓄以为用"的治理措施。     

不同灌溉施肥方式下尿素态氮在土壤中迁移转化特性的研究

采用室内土柱模拟试验方法 ,研究了不同灌溉施肥方式下尿素态氮在土壤中的迁移、淋溶和转化特征。结果表明 ,灌水量及水肥供应方式是决定尿素态氮在土壤中迁移、转化和淋失的关键因素。氮素淋溶量随灌水量的增加而增加 ;与浇灌施肥相比 ,滴灌施肥显著地降低了氮素的淋溶损失。在淋失的氮素形态中 ,以尿素态氮为主 ,其次为硝态氮 ,铵态氮的淋失量最低。灌水量低时 ,滴灌施肥铵态氮在土壤上层明显累积 ;灌水量增加后 ,这种累积作用减弱。灌水量低时 ,灌溉施肥的土壤硝态氮变化呈上低下高 ,增加灌水量降低了土壤中硝态氮含量 ;滴灌施肥显著地减少了尿素态氮的淋溶损失 ,增加了土壤中有效态氮的含量。     

地表覆盖对紫色土坡耕地壤中流流动和硝态氮运移过程的影响

针对不同坡度下的表土结皮和稻草覆盖两种地表状况下的紫色土坡耕地,构建养分淋失的三维对流—弥散模型,数值模拟坡耕地中水分和硝态氮浓度的时空分布,研究不同地表覆盖对紫色土坡耕地壤中流流动和硝态氮运移过程的影响。结果表明:表土结皮通过减少水分入渗使壤中流流量与稳定强度降低,硝态氮随壤中流流失量减少,而稻草覆盖下的情况正好相反;在降雨强度为30mm/h、降雨历时为3h,坡度分别为5°,10°,15°,20°和25°的情况下,结皮使壤中流流量降低34.8%～43.0%,硝态氮随壤中流流失量减少8.6%～34.4%,而稻草覆盖下壤中流出流量增加8.6%～12.6%,硝态氮随壤中流流失量增加8.6%～15.4%。对于紫色土坡耕地,在采用稻草覆盖增加入渗的情况下,应采取相应的措施保水保肥。     

污水灌溉对稻田土壤氮磷淋失动态变化的影响

通过模拟稻田灌溉大型淋洗柱试验,在污染河水灌溉条件下对太湖地区水稻生长季两种主要类型的稻田土壤--黄泥土和乌珊土的氮磷淋洗特征进行了研究.结果表明,在灌溉淹水初期,不同形态氮素的淋失量均比较高,并达到峰值,以后淋失量逐渐降低,说明淹水初期淋失的氮素不是来源于灌溉河水,而是主要来自土壤氮.到淹水后期,NO3--N和NH4 -N淋失量接近零值,但仍能观测到可溶性有机氮淋失现象,这表明可溶性有机氮是污水灌溉稻田土壤主要的氮素淋失形态.而磷素的淋失动态与氮素的淋失动态截然相反,在灌溉淹水后很长一段时间内均观测不到土壤磷素淋失,但在淹水灌溉的淹水后期,发现土壤磷素有淋溶损失现象,这可能是利用富营养化的河水长期淹水后,土壤对磷的吸持已达到饱和状态,土壤不能继续固持多余的磷素所致.     

农田氮素淋失研究进展

本文概述了农田氮素淋失的研究进展。指出了氮素淋失的农学和环境学意义，描述了氮素迁移过程和机理，介绍了主要的模拟模型。对气候，土壤，作物和肥料等影响氮素淋失的主要因素进行了详细的分析和比较。介绍了氮素淋失的研究方法和技术及其工作难点，最后“从农业最佳管理措施”的高度提出了防止氮素淋失的对策，并提出了氮素淋失研究未来的工作重点。     

亚热带主要耕作土壤硝态氮淋失特征试验研究

本文选取红壤、水稻土、潮土、黄棕壤和紫色土等我国亚热带地区的主要耕作土壤为研究对象,采用土柱模拟试验,研究了在这些土壤中,氮素累积与硝态氮迁移的动态特征,并对氮素的淋失风险进行了定量评价和预测。结果表明,硝态氮在土壤中的淋失过程可分为两个明显的阶段:高浓度快速降低阶段和低浓度缓慢降低阶段。硝态氮淋失过程存在明显的拐点,该点对应的累积入渗量（拐点入渗量）变化范围为38.1 - 219.7 mm,且随土壤硝态氮含量的增加呈幂函数关系增加,表明随硝态氮含量的增高,其淋失风险呈加速增大的趋势。硝态氮淋失强度随土壤硝态氮含量的增加呈显著的线性变化趋势。初步估测,我国亚热带地区年降水入渗量700 mm和土壤硝态氮累积水平为N 20 mg /kg条件下,表层土壤（0-20cm）的硝态氮年平均淋失量为N 484.9 kg /hm2,土壤间的变异系数（CV）分别为26.5%。土壤硝态氮含量是影响硝态氮淋失强度的决定性因素,其它土壤性质的影响均相对较小,因此,控制土壤氮素累积和化肥施用水平是降低其淋失风险的关键环节。     

紫色土水分和壤中流对降雨强度的响应

为研究降雨强度对紫色土坡耕地不同深度土壤水分含量和壤中流的影响,初步揭示紫色土水分和壤中流之间的相互耦合关系,通过原位人工模拟降雨试验,在60,90,120 mm/h 3种降雨强度条件下,采用Minitrase TDR可埋式探头对紫色土坡耕地土壤剖面浅层(0—20cm)、中层(20—40cm)、深层(40—60cm)的土壤水分含量进行了实时连续测定,并在降雨过程中分层收集测量壤中流,开展了降雨—产流过程的观测试验。结果表明:(1)当雨强较小时,浅层土壤含水率变化曲线呈现上升期和稳定期,随着雨强和深度的增加则呈上升期、稳定期或始终处于稳定期;(2)随深度和降雨强度的增加,土壤含水率稳定时间增加,含水率变化越小,响应越不明显;(3)在不同降雨强度条件下,各土层均有壤中流产生,低雨强条件下壤中流都是单峰产流过程,中雨强和高雨强下为双峰产流过程;(4)壤中流产流时间随雨强增大而显著减小,随深度增加而显著增加;(5)降雨强度与土壤水分含量和壤中流参数三者间相互有显著相关性。     

基于DNDC模型的环渤海典型小流域农田氮素淋失潜力估算

为了定量评价流域尺度氮素污染的可能性并探明氮素污染的主要来源,以期指导农业生产实际保护农田生态环境,该文主要运用农业生态系统生物地球化学模型(DNDC)模拟的方法,以环渤海典型小流域——小清河流域为例,在GIS流域数据库支持下对该流域氮素淋失潜力进行了估算。研究结果表明,2006年小清河流域年均氮淋失负荷范围为10.44×103～36.86×103t,平均为23.65×103t。以当年氮肥投入总量222.2×103t计算,该流域平均氮素流失量占氮肥投入的10.6%。不同地区氮素淋失空间分布差别较大,与氮肥施用量的空间分布规律大体一致。其中,44%和27%的地区氮素潜在淋失量分别集中在20～40和>40～80kg/hm2,这些地区主要分布在小清河两侧沿岸及寿光市大部分地区,给流域水环境造成了较大影响。研究结果显示流域氮淋失存在较大的空间区域差异,根据不同地区的实际情况进行水氮管理,减少氮素的无效丢失十分必要。     

生物地球化学循环模型DNDC及其应用

生物地球化学模型是模拟研究化学元素动态的新兴领域,可用于陆地生态系统内植物、有机物和无机营养元素动态变化和循环。DNDC模型(DeNitrification-DeComposition Model)是美国新罕布什尔州大学陆地海洋空间研究中心开发研制的,最初是为了模拟农田生态系统固碳、氮流失和水平衡而创建,目前该模型可以模拟草地、湿地、林地等陆地生态系统碳氮动态过程。DNDC模型已经在美洲、欧洲、澳洲以及亚洲的一些地区得到了验证和运用。DNDC模型可用来分析陆地植物生长规律、土壤硝化和反硝化作用、温室气体和痕量气体排放预测研究、不同土壤类型及气候条件对森林生态系统碳氮通量变化的影响以及气候变化对生物地球化学循环的影响预测等。     

紫色土坡耕地壤中产流特征及分析

壤中流是紫色土坡面流的重要组成部分和表现形式,它受雨强、坡度、土层厚度、耕作方式等多种因素的综合影响。利用人工模拟降雨研究了紫色土坡耕地壤中流产流规律。结果表明,(1)耕作能有效改善土壤结构,增加降雨入渗量,并增大壤中流发生机率;(2)紫色坡耕地土层较浅是导致壤中流增大的主导因素,缓坡有利于壤中流的产生;(3)雨强对壤中流的流量过程线有显著影响,但对于壤中流的起始产流时间影响不明显;随雨强增大,壤中流峰值流量显著增加;(4)壤中流的产生滞后于地表流,产流过程表现出缓慢变化的单峰过程。     

细沟侵蚀阶段玉米季坡耕地氮素流失特征

研究紫色土区坡耕地玉米全生育期细沟侵蚀阶段水土及氮素流失规律,以期为研究区氮素流失有效防控提供科学依据。采用人工模拟降雨与野外径流小区相结合的方法,开展降雨强度为1.5mm/min条件下玉米全生育期细沟侵蚀阶段地表径流、壤中流和侵蚀泥沙中氮素流失特征的研究。结果表明:细沟侵蚀阶段,玉米各生育期地表径流量、壤中流量和侵蚀产沙量总体表现为随降雨时间延长呈先增加后平稳的变化趋势。地表径流中总氮、可溶性总氮、硝态氮和侵蚀泥沙中总氮流失量总体呈现先增加后平稳的趋势,而地表径流中铵态氮流失量变化趋势在降雨前期呈现波动性变化,降雨后期逐渐平稳。壤中流中总氮、可溶性总氮、硝态氮、铵态氮流失量则随着降雨时间延长呈现平稳的变化趋势。细沟侵蚀阶段地表径流中氮素流失总量在玉米苗期最大,为628.77mg/m2;壤中流中氮素流失总量在拔节期和抽雄期最大;侵蚀泥沙中氮素流失总量在苗期最大,为144.95mg/m2。壤中流为氮素流失主要途径,硝态氮为氮素流失主要形态。     

Water flow patterns and pesticide fluxes in an upland soil in northern Thailand

Rapid percolation of water through soil facilitates both the recharge and the contamination of groundwater reservoirs. We have studied the variation of water flux and pesticide leaching through a soil in northern Thailand. At a depth of 55 cm, two pits were equipped with tensiometer-controlled glass suction lysimeters that were connected to a novel on-line solid-phase extraction device. Nine insecticides varying in water solubility from 10⁻² to 10⁺⁶ mg l⁻¹ were applied on the soil surface, and leaching was monitored for 8 weeks. Measured water fluxes were compared with simulated values. Total recovery ranged from traces (malathion, triazophos) to 1.3% (dimethoate) of the applied amount, showing a decreasing retardation with increasing polarity of the substances. All pesticides were detectable in the soil solution during the first rain after application. Due to fingering, 83% of the leachate was transported through 38% of the area at leaching rates of < 2 mm per day. A new adaptation of the Simpson Index revealed that the diversity of the flow pattern increased exponentially with decreasing rates of seepage water flux (R² = 0.80). No such correlation was found when leaching was faster, indicating that the flow pattern switched from a fingering- to a matric-dominated flux. No long-term leaching of insecticides was observed. The two profiles studied behaved similarly in terms of both water and pesticide transport. Therefore we suggest that the flow pattern is a stable property of the soil that can be accurately described by our combination of novel experimental setup and statistical analysis of the flow field.     

Bypass flow and leaching of nitrogen in a Kenyan Vertisol at the onset of the growing season

Abstract. Bypass flow and concurrent leaching of nitrogen were studied on a Vertisol in south-western Kenya under rangeland and bare, manually tilled cropland. Showers of 30 mm/hr were simulated, causing bypass flow of 47–62% in rangeland topsoils and 19–49% in cropland topsoils. Volumetric water contents after experimentation increased from 28 to 35% and from 24 to 38%, respectively, for the two land-use types.
In rangeland samples up to 3.4 kg N/ha was found in the leachate of unfertilized soil. With a fertilizer application of 50 kg N/ha, up to 5.7 kg N/ha was lost from a pre-wetted soil, and more than 20 kg N/ha from dry soil. In cropland topsoils up to 2.2 kg N/ha was lost from unfertilized soil, and only up to 2.9 kg N/ha from both dry and prewetted fertilized soil. Although Vertisols are often linked with excess water, the phenomenon of bypass flow can cause water stress to crops in their early growth stages. Nitrogen leaching losses were large from dry grassland, but prewetting helped to decrease them. On intensively cultivated cropland there was little nitrogen leaching; the tilled topsoil was able to retain most of the supplied nitrogen.     

水文条件对紫色土坡面土壤侵蚀及养分流失的影响

采用人工模拟降雨试验,研究水文条件对紫色土坡面土壤侵蚀及氮和磷养分流失的影响。试验处理包括2个施肥水平（低肥和高肥水平）,4个水文条件（自由下渗、土壤水分饱和、壤中流、壤中流＋降雨）和一个降雨强度（60 mm/h,历时60 min）。结果表明：壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下的土壤侵蚀量分别是自由下渗条件下的3.1和1.7倍,同自由下渗相比,壤中流、壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下,地表径流中NO3-N、HPO4-P的浓度和流失量有显著增加;低肥水平条件下,自由下渗、土壤水分饱和、壤中流和壤中流＋降雨地表径流中,NO3-N的浓度分别是0.88、58.90、698.41和87.80 mg/L,对应水文条件下地表径流中,HPO4-P的浓度分别是0.252、0.322、0.811和0.383 mg/L,高肥水平条件下,径流中的NO3-N和HPO4-P的浓度也有相同的趋势;土壤水分饱和条件下,地表径流中NO3-N和HPO4-P的流失量分别是自由下渗条件下的27～39和1.3倍,壤中流＋降雨条件下,地表径流中NO3-N和HPO4-P的流失量分别是自由下渗条件下的100～114和1.5～1.7倍,同时,壤中流＋降雨和土壤水分饱和条件下,泥沙中NO3-N和HPO4-P的流失量也比自由下渗条件下显著增加。     

基于模型的上海郊区地下水氮素非点源污染特征研究

农业非点源污染是造成上海郊区地下水污染的主要因素,定量分析预测农业生产过程氮素的迁移转化规律是有效控制地下水污染的重要环节。以上海市浦东新区新场镇果园村的桃园为研究对象,借助生物地球化学过程模型（DNDC）和长期水文影响评价模型（L-THIA）,基于连续观测数据,详细分析了农业生产过程中氮素造成的非点源污染,特别是对周边地表、地下水的影响。结果表明,地表水总氮均值达6.34mg·L-1,远劣于地表水Ⅴ类标准（≤2.0mg·L-1）;地下水中总氮均值达16.85mg·L^-1,远劣于地表水Ⅴ类标准（≤2.0mg·L^-1）。约有20%采样点硝态氮含量属于地下水Ⅴ类（〉30mg·L^-1）。野外检测数据表明,该区地表水、地下水污染均严重超标,不宜饮用。模型分析显示,水体污染源主要来自桃园生产中施用的肥料,其中就模拟结果的数值可以得出,大约年农田氮输入量的1.7%通过土壤径流进入地表水,约3.5%经过土壤渗漏进入地下水,实测地下水中氮含量占桃园总氮输入量的5.8%。因此,合理调整施肥措施和施肥结构是减少土壤-水体中氮素污染的有效途径。     

Synthesis of Nitrogen Pools and Fluxes from European Forest Ecosystems

To investigate which ecosystem parameters determine the risk and magnitude of nitrate leaching we compiled data from published and unpublished sources on dissolved inorganic nitrogen (DIN: NO₃ ^-) in throughfall, DIN leaching loss in runoff or seepage water, and other ecosystem characteristics from 139 European forests. Not all data were available for all sites: 126 sites had at least one year's data on DIN inputs and DIN leaching loss; 40-50 sites had some data on soil chemistry and/or vegetation pools of N. DIN inputs in throughfall range between <1 and about 70 kg N ha-1 yr-1 and the losses with seepage or runoff range between <1 and 50 kg N ha-1 yr-1. Retention of N within the ecosystem increases with increasing DIN deposition and increasing proportion of NH₄ ⁺ in deposition. The amount of N in needles and litterfall shows a significant linear relationship with throughfall deposition of DIN, whereas the C:N ratio of the organic (OH) horizon is uncorrelated to the level of throughfall-DIN flux. About 50% of the variability in DIN leaching loss can be explained by the flux of DIN in throughfall. Alternatively, about 60% of the variability in DIN leaching loss can be explained in a two-variable multiple regression combining the C:N ratio of the organic soil and the pH of the mineral soil. The survey data suggest that leaching of DIN from forest ecosystems in Europe is related in part to current DIN deposition and in part to the longer-term internal ecosystem N status as reflected in the chemistry of the humus and acidification status of the soil.