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。     

中国栽培草地氮磷流动空间特征

【目的】中国畜牧业快速发展,对牧草需求日益增加,种植业结构调改已成为必然趋势。定量研究栽培草地的氮磷流动特征,可为优化牧草施肥和提高牧草产量提供科学依据。【方法】以苜蓿、黑麦草和燕麦草为研究对象,建立中国主要栽培牧草氮磷养分输入(输出)数据库,利用NUFER模型定量中国主要栽培牧草氮磷平衡账户、利用率和环境排放特征。【结果】（1）2014年,全国苜蓿、黑麦草和燕麦草草地氮输入(输出)总量分别为1 547、236和67 Gg,磷输入(输出)总量分别为323、44和16 Gg。单位面积苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮输入(输出)量分别为326、427和217 kg N·hm^-2,磷输入(输出)量分别为49、18和35 kg P·hm^-2。生物固氮是苜蓿草地氮的最主要输入项,占总输入量的51%,氮肥占黑麦草草地氮总输入量的93%,占燕麦草地总输入量的84%。磷肥是3种牧草磷的最主要输入项。（2）2014年,全国苜蓿、黑麦草和燕麦草的氮利用率分别为64%、93%和69%;磷利用率分别为28%、77%和34%。不同区域氮磷利用率差异很大。(3)2014年,单位面积苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮环境排放量分别为23、4.0和9.9 kg N·hm^-2,磷的环境排放量分别为2.6、3.8和2.6 kg P·hm^-2。西南地区苜蓿和黑麦草的氮磷环境排放量较高,西部各地区燕麦草草地氮磷环境排放量高于其他区域。(4)2014年,黑麦草草地氮呈亏缺态,其余栽培草地氮磷均有不同程度的盈余。中国西部地区苜蓿的土壤氮磷累积量高于东部地区;黑麦草的土壤氮磷累积量没有明显规律;青藏高原区燕麦草的土壤氮磷累积量大于其他区域。【结论】2014年,全国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草草地的氮磷输入(输出)量差异较大。生物固氮是苜蓿获取氮素的重要途径,田间管理需减少氮肥投入,燕麦和黑麦草主要通过化肥获取所需养分,应注重肥料施用。3种栽培牧草氮的利用率均高于60%,磷的利用率相对较低。黑麦草草地氮呈亏缺态,需增施氮肥,其余栽培草地氮磷均有不同程度的盈余,应控制肥料过多施用。     

中国农牧系统养分管理研究的意义与重点

中国由于农牧分离和不合理的养分管理方式导致了农田硝酸盐淋失、水体富营养化、氨挥发和温室气体排放等环境问题日益严重。研究中国“土壤-作物-畜牧业”生产系统（即农牧系统）养分流动特征,通过优化农牧系统养分管理,保持养分合理流动与循环,减少各个环节的养分环境排放,提高系统利用率是农牧业可持续发展的关键,也可为“化肥减施”、“有机肥替代化肥”、“畜禽养殖废弃物资源化利用”和“面源污染阻控”等国家行动提供科学依据。本文对中国农牧系统养分投入、利用率和环境排放等特征、国内外农牧系统养分管理研究进展进行了分析,提出中国农牧系统养分管理研究重点。目前中国农牧系统养分流动特征是过渡依赖化肥养分投入提高粮食和饲料产量,进而支持集约化畜牧业发展;而农牧分离的生产方式导致了农牧系统养分流动效率低,环境排放高;都市圈及其周边是排放的热点区域。国际研究经验表明,农牧结合是可持续集约化农业的必然出路,农牧结合的核心是通过改善畜禽粪尿管理,减少养分的损失和提高养分在农田循环的比例和数量。兼顾提高农牧业生产力和保护环境的“土壤-作物-畜牧业”系统养分管理已经成为全球关注的焦点。未来,中国农牧系统养分管理研究应包括：（1）典型农作系统“土壤-作物-畜牧”系统养分流动规律和环境效应的定量研究;（2）有机肥替代化肥机理与调控途径研究;（3）畜禽粪尿养分循环利用机理和减排技术研究;（4）高产高效“土壤-作物-畜牧”系统设计研究。     

家畜圈舍粪尿表层酸化对氨气排放的影响

氨气是形成雾霾前体物的关键物质,而家畜养殖圈舍是氨气的重要排放源。本文选择圈舍环节新鲜猪粪和牛粪作为试验样品,利用动态箱-硼酸吸收法,研究了不同类型酸和不同剂量酸的表层酸化对圈舍粪尿氨排放的影响,探讨圈舍氨减排的方法。研究发现：按0.31 mL·cm^-2的喷施量在猪粪表层喷施0.012 mol·L^-1和0.006 mol·L^-1乳酸,24 h氨累积排放量可分别减少43%（P<0.05）和32%（P=0.07）;喷施0.017 mol·L^-1和0.009 mol·L^-1磷酸后,氨排放可分别减少74%（P<0.01）和61%（P<0.05）;粪尿表面喷洒0.017 mol·L^-1磷酸72 h后仍可减少氨排放64%（P<0.01）。另外,用同样方法对牛粪酸化可降低氨排放80%左右,且在不添加新粪的情况下,粪尿表层酸化间隔对24 h内氨减排效率无显著影响。同时,粪尿表面酸化仅改变粪尿表层pH,对粪尿整体pH无显著影响。综上所述：圈舍粪尿表面酸化可以大幅度降低氨气挥发,其减排效果与酸的种类、浓度及粪尿类型有关,是一种实现圈舍氨减排且经济可行的方法,此研究也可为家畜养殖业圈舍酸化氨减排技术提供科学数据支撑。     

基于养分损失脆弱区的氮磷淋溶分区消减策略

农业面源污染研究多聚焦于田块尺度,缺少对区域尺度氮磷损失风险和消减途径的探索。因此,本研究提出在区域尺度依据养分损失风险制定管理策略,以期在现有技术条件下充分发挥减排措施潜力、全面提升面源污染区域阻控效力。本文利用水质监测数据、文献数据、地理要素空间数据和基于NUFER（NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use）模型模拟的养分损失结果,划定了我国养分损失脆弱区;在此基础上,按照我国农业生态区划和养分损失脆弱区级别确定了各区养分管控程度,并结合各区自然和社会经济条件选取可行、高效的养分管理技术,形成了我国氮磷淋溶区域消减策略和技术列单;最后通过模型再次评估了分区氮磷消减策略的效果。结果表明：养分损失脆弱区和潜在脆弱区覆盖了全国耕地面积的52%,广泛分布于主要农产品产区,呈现显著的空间聚集特征;分区养分管理可以消减51%的潜在脆弱区面积,消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,通过实施基于养分损失脆弱区的分区氮磷消减措施,氮淋溶超标区内耕地面积减少至1.9×10⁷ hm²,消减比例约为40%。上述养分损失脆弱性区划和区域氮磷消减草案可为农业绿色发展和面源污染控制提供科学依据。     

中国苜蓿、黑麦草和燕麦草产量差及影响因素

【目的】在国家大力推进“粮转饲”和种植业结构调改的背景下,研究苜蓿、黑麦草和燕麦草3种栽培牧草产量差及影响因素,为揭示牧草生产潜力和制定牧草高产高效措施提供科学依据。【方法】从中国知网和Web of Science两个数据库,以“苜蓿产量 施肥”、“黑麦草产量 施肥”、“燕麦草产量 施肥”、“牧草栽培技术”、“Alfalfa, Fertilizer, China”、“Alfalfa, Irrigation, China”为关键词,共收集目标文献176篇,其中关于中国苜蓿的文章101篇、黑麦草的文章51篇和燕麦的文章24篇。总结中国苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量潜力和产量差。通过分析施肥、播种和灌溉对牧草产量的影响,阐明影响牧草产量差的因素及消减途径。【结果】当前中国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量潜力分别为24、26和22 t·hm^-2,农户产量分别实现了产量潜力的28%、63%和41%。氮磷肥的施用、播种和灌溉可以显著地影响牧草产量,苜蓿的产量最佳施肥量约为氮肥(N)52 kg·hm^-2,磷肥(P₂O₅)141 kg·hm^-2,最佳播种量约为20 kg·hm^-2,最佳灌水量约为5 737 m³·hm^-2;黑麦草的产量最佳施肥量约为氮肥(N)585 kg·hm^-2,磷肥(P₂O₅)46 kg·hm^-2,最佳播种量约为30 kg·hm^-2;燕麦草的产量最佳施氮量尚没有明确的结果,在施氮量＜225 kg·hm^-2时,燕麦草的产量随施氮量的增加呈线性的增加,其产量最佳施磷(P₂O₅)量约为128 kg·hm^-2,最佳播种量约为180 kg·hm^-2。【结论】中国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草有很大的增产空间,增产潜力分别为17、10和13 t·hm^-2。合理的施肥、播种和灌溉可以缩小产量差,优化施肥量可以使苜蓿增产约3.4 t·hm^-2,黑麦草增产约1.5 t·hm^-2,燕麦草增产约4.2 t·hm^-2。优化播种量可以使苜蓿增产60%,燕麦草增产78%,但是仅通过优化播种量并不能使黑麦草增产。优化灌溉量可以使苜蓿增产约9.1 t·hm^-2。     

中国食物链养分流动与管理研究

为寻求食物生产与消费系统中粮食安全、资源高效和环境友好的协调和农业绿色发展途径,研究团队构建了"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"(简称食物链系统)研究体系,运用物质流动和养分代谢理论方法创立了养分流动模型,深入研究了该系统养分流动规律及调控机理,经过近十多年系统研究,获得结果如下:(1)提出食物链养分流动金字塔概念模型,创建了食物链系统养分流动模型。通过分析养分在"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"系统的行为特征,发现养分从"土壤-作物-畜牧"向"家庭"的流动呈金字塔状,其形状决定了系统生产力、养分效率和环境效应。处于金字塔顶端的"家庭"消费驱动了系统养分流动,决定了养分效率;"土壤-作物-畜牧"位于金字塔底层,支撑顶层"家庭"消费,决定了系统养分通量,也是养分调控的核心。在此基础上,开发了食物系统养分流动模型——UFER,构建了参数体系,实现了国家和区域尺度食物链氮磷流量、利用效率和环境排放的定量分析。(2)揭示了食物链系统氮磷养分流量、利用效率及其资源环境代价的时空变化特征。阐明了我国土壤-作物系统、农牧系统和整个食物链系统氮磷养分流量、养分效率和环境排放的时空分异特征;明确了土壤作物、畜牧和家庭各子系统对整个食物链养分环境排放的贡献;提出了食物氮(磷)代价概念,发现我国食物生产和消费的资源环境代价增速很快,已远远超过发达国家。(3)明确了食物链系统养分流动的驱动因素,阐明了提高养分效率和降低环境排放的调控机理。明确了决定食物链系统养分效率的关键环节,发现城镇化、食物结构变化和畜牧业发展是食物链养分流动加速的主要驱动因子;阐明了增加粮食和饲料进口、优化膳食结构和改善农牧业养分管理技术等对食物链系统优化的效应及作用机制。发现农牧结合和粪尿资源化利用是大幅度减少化肥需求和环境排放的关键途径,是实现农业绿色发展和食物链养分优化管理的重要突破口。     

中国硝酸盐脆弱区划分与面源污染阻控

近年来,我国由农业源引发的水体污染愈发严重,这不仅对生态环境造成了影响,同时也让人类赖以生存的饮用水安全受到威胁。因此,如何有效阻控农业面源污染,保护水资源和生态安全意义重大。欧美等国家通过划分硝酸盐和磷污染风险区,以此为依据制定了相关区域法案政策,实施重点区域面源污染阻控和水污染防治,获得了很好的面源污染消减效果。因此,本文分析了欧美等国家通过划分硝酸盐脆弱区制定区域养分管理法案法规,消减水体硝酸盐面源污染风险的经验;阐述了我国硝酸盐脆弱区初步划分的结果,提出了我国针对硝酸盐脆弱区的农业面源污染区域阻控的建议,旨在为我国农业绿色发展和绿色生态环境构建提供科学依据。     

“饲料-畜禽-粪尿”链中磷高效利用与减排研究北大核心CSCD

磷是动物必需的矿物元素之一,影响着畜禽的生长发育和生产性能。但是畜禽生产中磷利用效率通常较低,未被消化利用的磷会随粪尿排出,使得环境中磷不断富集,引起水体富营养化等环境污染。饲料生产、畜禽养殖、粪尿利用等环节均影响着磷的利用效率,因此,本文综述了我国"饲料-畜禽-粪尿"链中磷的流动规律,探讨源头控制、过程控制和终端控制全链条磷减排机理和技术途径,并对今后畜禽生产中磷减排研究的主要方向和重点进行了展望。     

“饲料-畜禽-粪尿”链中磷高效利用与减排研究

磷是动物必需的矿物元素之一,影响着畜禽的生长发育和生产性能。但是畜禽生产中磷利用效率通常较低,未被消化利用的磷会随粪尿排出,使得环境中磷不断富集,引起水体富营养化等环境污染。饲料生产、畜禽养殖、粪尿利用等环节均影响着磷的利用效率,因此,本文综述了我国"饲料-畜禽-粪尿"链中磷的流动规律,探讨源头控制、过程控制和终端控制全链条磷减排机理和技术途径,并对今后畜禽生产中磷减排研究的主要方向和重点进行了展望。