不同精度的土壤数据对水质和水量模拟的影响

【背景】模型模拟是研究面源污染的重要手段,建模过程中输入数据的质量是影响模型准确度的重要因素,其中土壤数据作为流域模型的重要输入数据之一,对模型的产流过程有重要的影响。然而,以往的研究多集中于土壤数据精度对水量和水文过程的影响,对水质的研究还比较欠缺。【目的】为丰富该领域建模的先验知识,为流域模型建立过程中的数据选择提供帮助。【方法】采用SWAT（soil & water assessment tool）模型,利用不同精度（1:5万、1:50万和1:100万）的土壤数据进行建模,对凤羽河流域的水量、泥沙、总氮和总磷含量进行了模拟。并采用SWAT-CUP软件进行参数的率定,得到基于3种不同土壤数据的最佳模拟结果。在此基础上,研究不同精度土壤数据对水文响应单元划分、模型参数、水质和水量模拟的影响。【结果】（1）土壤数据对水文响应单元（HRU,hydrologic response unit）的划分数量有明显影响,HRU划分数量的敏感性与划分阈值及土壤图详细程度有关;（2）进行参数率定后模型的表现效果有明显的提高,不同精度的土壤数据对于不同指标（流量、泥沙、总氮和总磷）的模拟效果存在差异,但并非土壤数据精度越高模拟效果越好;（3）随着子流域面积的增大,不同土壤数据提取的土壤属性的平均值趋于一致,且校准过程会对面积较小的子流域产生较大的影响。【结论】因此,在实际的模型模拟中应根据流域的大小和模拟的指标选择土壤数据的精度,同时在模型校准过程中要注意空间尺度的影响。     

我国三个典型流域人类活动净氮输入量估算及其影响因素

目的 人类活动氮素过量投入是引起面源污染的重要原因之一。阐明人类活动净氮输入量的时空分布特征及其影响因素,为解决面源氮素污染问题提供数据支持。方法 利用人类活动净氮输入量（net anthropogenic nitrogen input,NANI）模型,通过统计年鉴和文献综述获得NANI相关数据和参数,对农业化的香溪河流域、城镇化的太湖流域和全面推进农业绿色发展模式的洱海流域的净氮输入量进行评估。结果 从NANI强度上看,3个典型流域NANI平均值按照大小排序为：太湖流域（13 241 kg·km^-2·a^-1）、香溪河流域（2 183 kg·km^-2·a^-1）、洱海流域（1 582 kg·km^-2·a^-1）。从来源上看,氮肥施入（Nfer）和食品/饲料氮（Nim）是NANI最大来源,占比58%—97%,对NANI贡献从大到小排序为：氮肥施入、食品/饲料氮输入、氮沉降输入、作物固氮输入。从时间尺度看,2019年同2010年相比,香溪河流域NANI中食品/饲料氮输入比例下降23个百分点,氮沉降比例上升34个百分点;洱海流域NANI中氮肥施入比例下降86个百分点;太湖流域NANI中食品/饲料氮输入比例上升31个百分点,作物固氮量和氮沉降输入比例下降14个百分点和12个百分点。从影响因素上看,3个典型流域NANI与城镇人口密度均呈现显著相关性（P<0.05）,且随城镇人口密度的增加NANI随之升高;耕地面积占比与NANI的拟合上,香溪河流域有显著影响（P<0.05）,但洱海流域和太湖流域均无显著影响（P>0.05）。结论 香溪河流域中昭君镇、峡口镇和黄粮镇,洱海流域中下关镇、上关镇和凤仪镇,太湖流域中张家港市、嘉兴市秀城区、杭州市拱墅区和上海市南汇区是NANI的关键源区;以农业为主的香溪河流域化肥施入是NANI的主要来源;城镇化程度较高的太湖流域食品/饲料氮和肥料氮投入是NANI主要来源;农业绿色发展措施可显著减少人类活动净氮输入量。因此,在关键源区大力推广农业绿色发展措施,同时有效降低饲料和肥料的投入量,有利于控制农业面源污染。     

2021-01期封面+目录

  【目的】   农田氨挥发是大气中氨的重要来源,其减排措施研究已成为国际研究热点。有机肥替代化肥的农田氨挥发减排潜力已得到广泛认可,然而年际间气候变化对其减排能力的影响研究报道较少。通过研究年际间有机替代对作物产量和氨挥发损失量的影响,为华北地区科学减少氨挥发损失提供理论依据   【方法】   本研究基于华北平原玉米长期田间定位试验 (2007年设置),针对不同施肥处理开展了连续3年 (2017—2019年) 的氨挥发监测,以明确年际间气候变化对有机替代氨挥发减排潜力的影响强度。试验共设置4个处理:不施氮肥处理 (PK)、单施化肥处理 (NPK)、半量有机肥氮替代化肥氮处理 (HONS)、全量有机肥氮替代化肥氮处理 (FONS)。   【结果】   有机替代可以提高玉米产量,与NPK处理相比,HONS处理和FONS处理的玉米产量分别提高20.7%和30.9%。不同施氮处理的氮素偏生产力在35.6～46.7 kg/kg,与NPK处理相比,HONS处理和FONS处理的氮素偏生产力分别提高20.8%和30.9%。年际间和各处理间的氨挥发规律基本一致,都是在施肥后的第2～4天出现排放峰值,之后氨挥发速率逐渐降低,并在9天内基本趋于稳定。施肥后前9天是农田氨挥发的主要排放时期,氨挥发量占基肥期氨挥发总量的70.1%;占追肥期的63.7%。华北平原春玉米农田氨挥发损失量较低 (10.6 kg/hm2),有机替代能够进一步显著降低农田氨挥发损失。与NPK处理相比,HONS和FONS处理对氨挥发损失的减排率平均分别可达33.5%和58.7%。有机替代处理农田氨挥发的年际间变化显著高于单施化肥处理。相比氨挥发损失较低的2019年,2018年NPK处理的氨挥发损失增加了12.3%,而HONS处理和FONS处理分别增加了91.2%和105.0%,相应的HONS处理和FONS处理的减排率,从2019年的54.3%和71.1%,降低到22.1%和47.2%。主成分分析表明,年际间大气温度变化和土壤湿度变化是导致年际间氨挥发损失量差异的主要原因。   【结论】   相比单施化肥,有机肥替代化肥能够提高作物产量;相比半量有机替代,长期全量有机肥替代化肥对作物产量的提升能力更强。华北平原旱地农田有机替代能有效降低氨挥发损失,但在氨挥发损失较高年份有机替代的减排潜力会减弱,因此,有机替代氨挥发减排潜力的估算需要考虑年际间的变化。     

华北丘陵及平原有机及常规农田地表蜘蛛多样性研究

为满足日益增长的粮食需求,丘陵地区的农业发展已受到越来越多的重视,而农业集约化生产是导致生物多样性丧失的主要原因之一。为了解地形区域、生产管理模式及边界树篱带对农田地表天敌多样性的影响,在我国华北典型农区,选取5种农田,包括丘陵地区的常规管理无植物篱玉米地(CM)、常规管理有植物篱玉米地(CMH)、有机管理无植物篱玉米地(OM)、有机管理有植物篱玉米地(OMH)和平原地区常规管理无植物篱玉米地(PCM),于2019年8—9月采用陷阱法展开蜘蛛多样性调查。结果表明:处于丘陵地区的玉米地蜘蛛的香农多样性和物种稀疏指数显著高于平原地区,有机管理下的玉米地蜘蛛物种稀疏指数显著高于常规管理下的玉米地,有植物篱的玉米地蜘蛛的物种稀疏指数高于无植物篱的玉米地;且丘陵与平原、有植物篱与无植物篱、有机和常规管理下蜘蛛群落结构显著不同。基于上述研究结果,研究建议农业发展和生物多样性保护应当加强区域土地利用规划和分区管理;丘陵地区因受人类干扰较小,维持了较平原地区更高的蜘蛛物种库,可以作为集约化农区生物多样性保护的热点区,农业发展应优先规划发展低集约化的生产模式(如有机农业等),并加强景观多样性建设。而平原地区也应合理保留农田半自然边界带和降低集约化管理强度以推动生态环境改善和绿色发展。     

中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征与时空规律

中国北方黑土区、潮土区和褐土区是我国农业主产区,大水大肥问题尤为突出,氮磷淋溶是全国典型的地下水污染来源。然而,中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征和时空规律尚不清楚。本文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、冬小麦-夏玉米、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,中国北方4个主要种植模式的平均氮和磷淋溶强度分别为:保护地蔬菜117.5 kg(N)·hm~(-2)和0.74 kg(P)·hm~(-2),露地蔬菜51.7kg(N)·hm~(-2)和0.10kg(P)·hm~(-2),冬小麦-夏玉米轮作49.9kg(N)·hm~(-2)和0.07kg(P)·hm~(-2),春玉米30.7kg(N)·hm~(-2)和0.09kg(N)·hm~(-2)。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。受土壤质地以及区域间水肥管理差异的影响,同一种植模式下,总氮淋溶强度为黑土区褐土区潮土区。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正线性相关关系,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。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蔬菜种植面积占比较大的省份表现出较高的氮磷淋溶风险。综上,北方主要农区农田氮磷淋溶风险以氮为主,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。区域尺度上,氮磷淋溶主要来自粮田,但菜田面积越大,氮磷淋溶风险越高。     

不同分级标准下土壤养分图的整合模型构建

【目的】针对我国土壤普查成果中不同省份或地区、甚至相同省份不同县市之间的土壤养分图分级指标不一致导致的全国土壤养分图整合困难的问题,提出不同分级标准下土壤养分图的整合模型,实现全国高精度土壤养分制图表达。【方法】分析土壤二次普查大、中比例尺多种土壤养分图在数据提取及整合时可能出现的问题,在保留原有图斑的土壤养分分级信息、属性数据、不同制图目的下视觉一致的前提下,采用组件式建模方式构建土壤养分分级体系整合模型。【结果】通过对我国第二次土壤普查成果1∶50万土壤有机质空间分布图的应用,该模型能够对分区调查的矢量化空间数据库进行提取、整合与表达,实现海量土壤养分制图中人机交互的智能表达,并通过对分级属性数据的提取,实现对不同区域土壤养分图的整合,便于重新制图并进一步生成土壤养分低值、中值、高值图。【结论】土壤养分分级体系整合模型可适用于环境、生态等其他领域的类似数据的分级整合与表达。     

化肥减量替代对华北平原小麦-玉米轮作产量及氮流失影响

为降低氮素流失风险,提高肥料利用效率,在华北平原采用田间定位试验研究了不同施肥措施对小麦-玉米产量、周年氮素淋溶和径流损失的影响。结果表明,相比当地常规施肥处理(CON),减施氮肥150 kg·hm~(-2)的条件下,单施化肥(RF)和10%比例沼液替代(RFM)不会降低小麦和玉米产量。相较于CON处理的氮素年均盈余量218.1 kg·hm~(-2),RF和RFM处理氮盈余量分别显著降低了66.7%和55.9%。CON处理总氮平均淋失浓度和年均淋失量分别为33.70 mg·L~(-1)和22.01 kg·hm~(-2),与之相比,RF处理总氮平均淋失浓度和年均淋失量分别降低了31.45%和30.58%,而RFM处理分别降低了40.65%和43.39%。试验期间径流产流只发生2次,氮素淋溶发生次数和氮损失量远高于径流损失,因此淋溶是氮素流失的主要途径。CON处理总氮平均径流浓度和年均径流流失量分别为23.0 mg·L~(-1)和0.095 kg·hm~(-2),与之相比,RF处理总氮平均径流浓度和年均径流流失量分别降低了32.9%和30.5%,而RFM处理分别降低了45.5%和50.5%。由于施肥量较高,CON处理氮淋溶表观流失率为4.19%,而RF和RFM处理氮淋溶表观流失率分别降低了2.86%和20.76%。NO_3~--N是氮素流失的主要形态,分别占淋溶和径流总氮流失量的66.3%和73.3%,其与总氮流失变化趋势一致。综上,化肥减量配施沼液在保证作物产量的情况下,是降低氮素流失的有效措施。     

不同施肥年限下作物产量及土壤碳氮库容对增施有机物料的响应

【目的】研究不同年限下增施有机肥及秸秆还田对作物产量及剖面土壤碳氮库容的影响,旨在为华北平原冬小麦-夏玉米轮作区增强土壤肥力、提高作物产量提供依据。【方法】以农业部昌平潮褐土生态环境重点野外科学观测试验站为平台,分别在长达11年和27年的2个不同施肥年限试验区采集4个施肥处理,即氮磷钾（NPK)、氮磷钾+22.5 t·hm ^-2有机肥（NPKM）、氮磷钾+33.75 t·hm ^-2有机肥（NPKM+）、氮磷钾+秸秆还田（NPKS）不同土层深度的土壤样品,分析冬小麦-夏玉米产量和土壤碳氮库容剖面分布特征。 【结果】（1）增施有机肥及秸秆还田处理对作物的增产效应随施肥年限的延长而逐渐增强。与NPK处理相比,施肥11年限的NPKM、NPKM+和NPKS处理分别提高小麦和玉米产量为18.6%、15.8%、3.5%和39%、42%、35%;而27年的各施肥处理对小麦和玉米产量的增产幅度分别为41%、51.5%、23%和31%、33%、58%。（2）随着施肥年限的延长,增施有机肥及秸秆还田均能持续提升土壤碳、氮库容。连续施肥11年后,土壤碳、氮库容分别为25—114 Mg·hm ^-2、2.2—9.0 Mg·hm ^-2;而27年后土壤碳、氮库容分别为29—146 Mg·hm ^-2、2.5—12.1 Mg·hm ^-2。随着土壤剖面的加深,不同施肥年限中土壤碳、氮库容均表现为先逐渐增加后逐渐降低的趋势,均在80 cm处达到峰值。在80 cm土层峰值处,27年施肥处理中NPK、NPKM、NPKM+、NPKS土壤碳库和氮库分别为102、128、146、123 Mg·hm ^-2和8.3、9.7、12.1、9.1 Mg·hm ^-2,而11年施肥年限内各处理土壤碳、氮库均表现为差异不显著（P>0.05）。和NPK相比,不同年限中增施有机肥及秸秆还田均降低了不同土层的土壤碳氮比。同时,随着施肥年限的延长,土壤碳氮比越稳定。（3）随着施肥年限的延长,各处理土壤累积碳、氮库均呈现增加趋势。连续施肥11年后,NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累积碳、氮库容分别为5.2%、11.2%、9.2%和21.2%、26.6%、38.8%;连续施肥27年后NPKM、NPKM+、NPKS比NPK提升土壤累积碳、氮库容分别为26.3%、41.1%、21.8%和26.2%、44.9%、4.0%,且随着施肥年限的延长,施用有机肥对土壤累积碳库容的提升高于秸秆还田的趋势愈加明显,而对土壤累积氮库容的提升效果低于秸秆还田。 【结论】在氮磷钾化肥基础上增施有机肥及秸秆还田会提高作物产量、增强土壤碳氮库容、提升土壤肥力,且随着施肥年限的延长,效果愈加明显。同时,施用有机肥对作物产量、碳库的增强效应强于秸秆还田,而对氮库的提升效果低于秸秆还田。     

百色芒果主产区果园施肥状况及减施潜力分析

【目的】调查分析百色芒果主产区果园施肥现状,探究果园化肥减施潜力,为果园的科学合理施肥及芒果产业的绿色发展提供理论依据。【方法】采用实地走访、问卷调查方式,于2020年8—12月调查百色田东县79个代表性芒果园的养分投入状况,并结合文献资料中的肥料推荐施用量,估算芒果园肥料减施潜力。【结果】芒果园以种植台农1号芒和桂热芒82号品种为主,所调查的果农有93.5%施入采果后催梢肥,且施肥时间以9月主（52.2%）;53.3%的果农施入壮果肥,施肥时间集中在3、4和5月;芒果园N、P₂O₅、K₂O养分平均投入量分别为0.54、0.50和0.52kg/株,存在重化肥轻有机肥现象,化肥N、P₂O₅、K₂O平均投入量占果园相应养分总投入量的91.8%、79.6%和97.5%。对比推荐施用量,N、P₂O₅和K₂O养分投入超标样本比例依次为41.6%~53.2%、76.6%~88.3%和19.5%~26.0%。芒果园氮肥相对减肥潜力为7.3%~22.2%,磷肥相对减肥潜力为39.6%~57.7%,钾肥平均施用量未达推荐施用量。【结论】百色芒果园氮磷投入过量,钾肥投入不足、有机肥严重不足问题较普遍,磷肥减施潜力最大。建议增施有机肥和钾肥,适当控制氮磷投入,优化果园养分管理。     

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。