水肥耦合模式下沙颍河农业非点源污染模拟研究

【目的】通过研究不同水肥组合对农田氮磷污染负荷输出量的影响,确定最佳水肥耦合方案。【方法】使用验证后的SWAT模型,以2008—2015年为例,模拟计算了沙颍河流域农田非点源污染TN和TP负荷的时空分布特征,并综合考虑不同灌水和施肥量情景下污染物输出负荷的变化规律。【结果】通过对设置的16种情景下的氮磷负荷变化进行比较得出:污染负荷的削减率与施肥量的减少量呈正相关,且在S4模式下,污染负荷削减效果最佳;污染负荷的削减率与灌水的减少量呈负相关,且在S8模式下,污染负荷削减效果最佳;当同时耦合灌水和施肥时,总氮的削减趋势随着灌水施肥的降低有所减缓,总磷的削减趋势在不同情景下变化不同。【结论】施肥量和灌水量各减少30%或40%时,农业污染削减效果最好。     

洱海典型灌区小流域土地利用类型对流域产流产沙及非点源氮磷流失影响规律模拟

以洱海的洱源典型小流域为研究区,基于SWAT模型,模拟了2001-2014年不同土地利用条件下灌区产流、产沙及非点源氮磷的流失规律。结果表明,不同土地利用类型的总径流产流能力由强到弱依次为林草地、水田、旱地。不同土地利用类型产沙量、总氮、总磷排放总量及单位面积排放量均呈现出旱地水田林草地的规律。由此可知,旱地和水田的氮、磷排放是灌区农业非点源氮、磷污染的主要来源。因此,选择合理的农田管理措施,有效控制旱地、水田的氮、磷排放是防控灌区农业非点源氮、磷污染的关键。     

植物-基质组合对农田退水的净化效果研究

【目的】分析植物-基质组合对农田退水的净化效果。【方法】以独流减河-八排干农田退水为研究对象,研究植物-基质组合系统中的植物种类和种植密度、基质材料和填充率、水力停留时间(HRT)等技术参数对农田退水净化效果的影响。【结果】植物-基质组合系统(水葱+鸢尾、沸石+火山岩)能够有效净化独流减河-八排干农田退水水质,形成相对丰度较高的脱氮除磷微生物菌群,在HRT=3 d的运行模式下,连续运行10个周期(累计30 d)对氨氮(NH₄⁺-N)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)的平均去除率分别为95.74%、49.94%、89.03%。【结论】八排干人工湿地建成后,在植物-基质组合系统中植物、基质、微生物的共同作用下,出水水质稳定达到地表水Ⅴ类标准,为华北地区农田退水净化工程建设提供参考。     

基于SWAT模型的布尔哈通河流域面源污染的变化研究

【目的】揭示土地利用变化下面源污染时空变化特征,探究流域景观格局与面源污染的关系。【方法】以布尔哈通河流域为研究对象,利用SWAT分布式水文模型模拟1986-2016年4期土地利用变化下面源污染分布特征,运用Fragstats4.2软件计算了1986年和2016年布尔哈通河各子流域的景观格局指数,最后使用CANOCO5.0软件分析子流域面源污染和景观指数之间的关系。【结果】①构建的SWAT模型模拟的径流量和总磷量在校准期和验证期的决定系数R²和纳什效率系数NSE都达到0.6以上,模型能很好地模拟流域水文水质状况,1986-2016年,SWAT模拟的总磷年负荷分别为74.04、73.78、82.50 t和128.31 t。②面源污染与景观格局存在密切关系,景观组成格局方面,林地面积与总磷负荷负相关,农田和建设用地面积与总磷负荷正相关;景观空间格局方面,林地斑块破碎化程度与总磷负荷正相关,而农田斑块的破碎化程度与总磷负荷负相关。流域斑块之间的越高流通性和聚集性,对养分流失改善有积极作用,而流域内景观异质性的增加和形状的复杂化,则会导致污染负荷输出风险的增加。【结论】流域面源污染负荷急剧增加,面源污染防治的关键控制区域在坡度较高的北部区域和农田及城镇集中的东部区域,该区域规划土地利用和优化景观格局时,应优先考虑防止林地斑块破碎化程度的提高和控制城镇面源污染源。     

pH值和碳氮比对微生物燃料电池脱氮除磷效果的影响

【目的】探究pH值和碳氮比对微生物燃料电池脱氮除磷的影响,找出适宜pH值的和碳氮比。【方法】采用单室微生物燃料电池装置,设置不同的阳极液的pH值(W1=5、W2=6、W3=7、W4=8、W5=9);选取pH值=7,设置不同的碳氮比(N1=1∶1、N2=2∶1、N3=4∶1、N4=8∶1、N5=16∶1),共10个处理,测量2个反应周期内输出电压值、COD、氨态氮、硝态氮、总氮和总磷的变化。【结果】在其他条件相同的情况下,只改变阳极液的pH值,输出电压随pH值增大先增大后减小;pH值为8时产电性能最佳,最大电压为204.74 mV;COD、氨态氮、硝态氮、总氮随pH值增大呈先降低后增大的趋势,在pH值为8时,其去除效率最高,分别为74%、38%、93%和58%;在pH值为9时,总磷的去除效率最优为24%。只改变碳氮比时,当碳氮比为4时电压最大,为158.33 mV;COD、氨态氮、硝态氮、总磷的去除率随碳氮比增大先增大后减小,当碳氮比为4时,COD的降解率最大为65%;当碳氮比为2时,氨态氮的降解效率最好为35%;当碳氮比为8时,硝态氮和总磷的去除效率最高,分别为96%和16%;总氮的去除效率随碳氮比的增大而提高,当碳氮比为16时,总氮的去除效率最高,为59%。【结论】碳氮比为4∶1、pH值为8时可以取得较好的脱氮除磷效果。     

自然降雨对紫色土坡耕地氮磷流失的影响

在三峡库区主要土壤类型(紫色土)、不同坡度(15°、25°)、不同种植模式(柑桔-牧草、蔬菜-马铃薯、玉米-小麦)上建立径流池,研究自然降雨条件下土壤氮磷流失特点。结果表明,土壤氮、磷流失量和流失率在降雨量增加到一定程度时即达最大值,继续增加降雨量,氮、磷流失量和流失率呈下降趋势。氮、磷流失量和流失率同72h内降雨量呈S曲线关系。径流水中总氮(磷)量和浓度同坡度和种植模式无显著性差异。径流水中总氮(磷)浓度随降雨量增加无明显增加趋势,径流水中总氮流失量随降雨量的增加也无明显增加趋势,但径流水中总磷流失量随降雨量的增加呈直线增加。     

平原河网地区典型旱地面源污染排放系数时间变化特征及影响因素研究

【目的】探明平原河网地区典型旱地离田排放系数的变化特征,为农业面源污染监测管理提供参考。【方法】以上海市崇明岛某典型旱地为研究对象,通过构建水文-水质协同监测系统,对旱地面源污染排放系数进行测算,明确排放系数的时间变化特征,分析排放系数的影响因素。【结果】日尺度下,氮、磷的离田排放系数变化范围分别为2.2～9 843.9、0.08～667.0 g/(hm²·d);月尺度下,氮、磷离田排放系数变化范围分别为0.02～17.2、0.001～1.04kg/(hm²·m)。在降水产流事件中,氮离田排放系数与降水历时呈极显著正相关,磷离田排放系数与产流事件的总降水量、平均降水强度、最大小时降水强度极显著正相关。施肥后,氮日排放系数迅速增大,磷日排放系数无明显变化。各时间尺度下,氮排放系数与地表径流不存在显著相关性,磷排放系数与地表径流极显著正相关。【结论】氮、磷离田排放系数的日、月际变化幅度较大,氮离田排放系数易受施肥措施影响,磷离田排放系数则更易受降水和地表径流的影响。     

南方稻田灌排系统生态整治效应分析

【目的】探明稻田水肥调控和灌排系统生态整治效应。【方法】于2014年在江西省赣抚平原灌区选取典型村庄—礼坊自然村,进行了稻田水肥高效利用综合调控技术应用,并对排水沟塘进行了生态改造,分别对早、晚稻灌水、排水和产量以及生态沟塘进出水进行分析。【结果】水稻田间水肥高效利用综合调控技术较当地农民习惯水肥管理模式节水、减排、增产和灌溉水生产率分别提高10.58%、20.34%、6.52%和18.59%,总氮和总磷减排率分别达12.37%和14.98%;排水斗、支沟经生态改造后对总氮和总磷的综合去除率达25.42%和34.22%;生态塘对总氮和总磷的去除率达25.19%和30.42%;示范区生态改造一次性投资需1.15万元/hm^2,年运行管理费需0.18万元/hm^2,年产经济效益达0.55万元/hm^2。【结论】水稻田间水肥高效利用综合调控技术和生态沟、塘均有较好的氮、磷去除效果,并且建设运行经费投入少,建议当地加强技术的宣传示范推广,建立可持续运行的经费投入渠道。     

蓄雨灌溉对农田养分和水稻生长的影响

【目的】探寻蓄雨灌溉对农田养分及作物的影响。【方法】以水稻浅水勤灌为对照,并基于浅水勤灌设置3种蓄雨上限(TR1, 100 mm; TR2, 80 mm;TR3, 60 mm),研究蓄雨灌溉对农田养分和水稻生长的影响。【结果】(1)4个处理0～20 cm(表层)、20～40 cm(深层)土层土壤养分碱解氮、速效磷、速效钾无显著差异;(2)TR1—TR3处理表层碱解氮平均比深层高20.0%,表层速效磷比深层高85.0%,表层速效钾比深层高66.8%。随生育期变化,蓄雨灌溉处理表层土壤的碱解氮逐渐下降,深层逐渐上升;表层和深层土壤速效磷逐渐上升;表层和深层速效钾逐渐下降;(3)4个处理的有效分蘖、穗长、结实率、千粒质量无显著差异。【结论】蓄雨灌溉可以提高表层碱解氮量、速效磷量和速效钾量,其中蓄雨80 mm综合效益最佳。     

磷肥品种与土壤磷素活化系数对栗钙土磷素淋溶的影响

【目的】探究磷肥品种与土壤磷素活化系数(PAC)对栗钙土磷素淋溶的影响。【方法】采集栗钙土农田2种PAC差异较大的土壤,采用土柱模拟试验,研究了施用含P2O5为160 kg/hm2的过磷酸钙(MCP)、磷酸一铵(MAP)、磷酸二铵(DAP)对土壤渗漏液的总磷(TP)、可溶性磷(TDP)动态变化以及淋失量的影响。【结果】栗钙土中存在超过40 cm土层的磷肥淋溶损失,PAC为7.72%的土壤淋溶液初始TP质量分数是PAC为0.86%的土壤的1.91倍;TDP是栗钙土磷淋溶的主要形式,占TP的68.8%～82.9%;PAC较高的土壤施用磷肥显著增加磷素淋溶损失,且磷素淋溶损失量显著高于PAC较低的土壤;PAC较高的土壤中DAP的磷肥淋溶损失显著高于MAP和MCP处理,各磷肥淋溶量不足施磷量的2%。【结论】PAC较高的土壤施用磷肥存在较高的磷淋溶风险,DAP处理在栗钙土中的磷素淋溶损失最大。     

促沉装置净化稻田径流排水中面源污染物的效果研究

【目的】研究促沉净化装置对稻田径流排水中主要面源污染物的去除效果,探寻适合农田径流排水的原位处理技术。【方法】于2015年在上海市奉贤区青村镇种源研发基地内选取5块稻田,在每块田的排水口处修建一套容积约为1.9 m³的促沉净化装置,内部用多面空心球和沸石按1∶2的体积比进行填充,在外围用沸石填充,分析每套装置进出水中的固体悬浮物、总氮和总磷的质量浓度。【结果】在整个稻季中,使用促沉净化装置对稻田径流排水中的固体悬浮物、总氮和总磷均具有较好的去除效果,其平均去除率分别达到61%、33%和34%。该装置对固体悬浮物或总磷的去除率与其质量浓度之间存在显著的对数正相关关系,即质量浓度越高,其去除率也越高;但对总氮的去除率与其质量浓度之间则呈一定程度的线性负相关关系。【结论】促沉净化装置对稻田径流排水中主要面源污染物均有较好的去除效果,使用促沉净化装置可在不影响流速的情况下,有效降低径流排水中污染物的质量浓度,改善周边水体环境,维护水体生态系统平衡稳定。     

生物炭对苏打盐碱稻田土壤养分及产量的影响

【目的】探明生物炭对苏打盐碱稻田土壤养分和水稻产量的影响。【方法】于2017—2018年在吉林省白城市舍力镇设置连续2 a的定位试验。以长白9水稻品种为供试材料,采用随机区组设计,设0 t/hm^2(C0)、33.75 t/hm^2(C1)、67.5 t/hm^2(C2)、101.25 t/hm^2(C3)4个生物炭处理,分析了施用生物炭后苏打盐碱地稻田土壤养分、稻谷产量及其构成因子的变化。【结果】苏打盐碱稻田土壤全氮、速效磷、速效钾、有机质的量均随着生物炭的增加而显著增加(P<0.05),但显著降低了土壤碱解氮、铵态氮的量(P<0.05)。施用生物炭显著提高了水稻生物产量和收获指数,生物炭处理(C1、C2、C3处理)水稻生物产量2个试验年度的均值平均增加48.35%、52.09%、57.47%,收获指数表现为C2处理>C1处理>C3处理>C0处理。添加生物炭显著提高了稻谷产量,其中穗数、千粒质量、结实率的增加是主要原因。【结论】施用生物炭可显著提高苏打盐碱稻田土壤养分,改善土壤养分状况,提高水稻产量。     

适雨灌溉下不同施肥模式对机插稻稻田水环境及产量的影响

【目的】探讨江汉平原地区适雨灌溉条件下不同施肥模式对机插稻稻田水环境及水稻生长的影响,为当地机插稻水肥管理措施的改善提供理论和数据支撑。【方法】采用田间小区试验,研究了适雨灌溉条件下,农民习惯施肥(FFP)、70%控释掺混肥+30%尿素(70%CRF+30%N)和有机无机复混肥(OIF)对稻田降雨利用率、田面水氮磷质量浓度的动态变化与径流流失量、干物质积累及水稻产量的影响。【结果】适雨灌溉下,返青期、分蘖期、拔节孕穗期和灌浆成熟期的降雨利用率分别为17.5%、100%、100%和84.2%;基肥和分蘖肥施用过后,FFP、70%CRF+30%N和OIF处理田面水TN、NH4+-N和TP质量浓度迅速提高,在第1天达到峰值,水稻移栽后30 d内70%CRF+30%N处理田面水TN、NH4+-N和TP的平均质量浓度较FFP处理分别降低40.4%、47.4%和0.5%;稻田氮磷径流流失量的90%左右在返青期,10%左右在灌浆成熟期,70%CRF+30%N处理TN、NH4+-N和TP径流损失量较FFP处理分别降低31.4%、30.9%、1.9%;70%CRF+30%N处理在返青期干物质积累量显著低于FFP和OIF处理,移栽-返青期阶段干物质积累量占总积累量比例表现为FFP处理>OIF处理>70%CRF+30%N处理,成熟期OIF处理干物质积累量显著高于70%CRF+30%N和FFP处理,实际产量表现为OIF处理>70%CRF+30%N处理>FFP处理。【结论】适雨灌溉条件下,70%CRF+30%N处理有助于减少稻田氮素流失,OIF处理有助于机插稻干物质积累与产量的增加。     

不同氮肥对不同种植方式稻田径流氮流失与氨挥发的影响

【目的】减少稻田氮径流流失和氨挥发。【方法】设置当地常规施肥(FFP)、缓控肥与尿素配施(CRF)、海藻多糖氮肥替代(HTN)及不施氮对照(CK)共4个氮肥管理措施,观察不同种植方式(机插稻、直播稻)下稻田径流水中氮的流失量及氨挥发特征。【结果】直播稻稻田径流氮素损失以铵态氮(NH4⁺-N)为主,播种前排水导致的氮素径流流失占总氮径流损失量的52%左右;不同氮肥方案下径流氮总流失量呈现为FFP处理>HTN处理>CRF处理,机插稻、直播稻全生育期氨挥发损失量、损失率和氨挥发强度也有同样趋势;与FFP处理相比,CRF处理和HTN处理的机插稻全生育期氨挥发损失率分别降低了12.5%和4.3%,氨挥发强度分别降低了43.1%和17.8%,直播稻氨挥发损失率分别降低了23.2%和12.2%,氨挥发强度分别降低了53.3%和26.8%;与FFP相比,在CRF、HTN处理下机插稻分别增产9.31%和4.70%,直播稻分别增产9.25%和4.91%。【结论】在水稻全生育期内,直播稻的氨挥发通量、损失率和氨挥发强度均大于机插稻,在施肥总量控制和磷、钾肥施用相同的情况下,选择适当种类的氮肥进行基肥、分蘖肥合理配施,既能减少氮素田间损失、提高氮素利用率,还可以增加水稻产量。     

海河流域农田氮磷面源污染的空间分布特征及关键源区识别

【目的】分析海河流域农田氮磷面源污染及对水质影响的空间分布特征,并识别关键源区,以期为该流域面源污染治理提供参考依据。【方法】基于InVEST营养物传输率模型和产水量模型,估算了海河流域农田氮磷入河负荷、河流断面氮磷入河通量和潜在氮磷径流质量浓度,结合GIS空间热点分析、水文网络分析识别面源污染关键源区。【结果】海河流域2015年氮磷入河负荷分别为2.41 kg/hm²和0.56 kg/hm²,入河总量达3.4934万t和0.8077万t,潜在氮、磷径流质量浓度分别为5.97、1.47 mg/L,约55%的河段超过地表V类水质TN、TP标准。农田氮磷污染呈明显的沿西北部山区向中南部平原方向上升的分布特征;农田氮磷入河负荷和潜在氮磷径流质量浓度的空间分布差异明显,前者高值分布在徒骇马颊河水系、漳卫河水系、子牙河水系,后者高值分布在徒骇马颊河全线、黑龙港运东河中下游、大清河支流和子牙河上游部分河段;流域水系上游或支流的潜在氮磷径流质量浓度普遍高于干流。热点区面积分别占14.45%、16.02%,贡献入河总量的23.39%、27.71%。【结论】海河流域农田氮磷面源污染较严重,西北部山区地区的污染程度低于中南部平原地区,以流域中南部、石家庄和秦皇岛的周边地区为关键源区。     

寒地黑土区节水灌溉下水稻对基肥氮素的吸收分配

【目的】进一步揭示寒地黑土区稻作节水灌溉模式下水稻对基肥氮素的吸收分配情况,以明确不同水氮管理模式下水稻对基肥氮素的吸收利用率。【方法】在田间小区中原位设置15N示踪微区,并施用带有15N标记的基肥,对比分析了淹水灌溉模式和控制灌溉模式下水稻对基肥氮素的吸收及分配以及被水稻吸收的基肥氮素在水稻地上部各器官的累积情况。【结果】与淹水灌溉相比,虽然稻作控制灌溉模式可以有效提高水稻地上部干物质及氮素积累量,但水稻内对基肥氮素的吸收利用量较低。控制灌溉模式下,水稻分蘖期基肥回收率为0.86%～2.60%;拔节孕穗期基肥回收率为1.17%～3.27%;抽穗开花期基肥回收率为15.18%～33.50%;成熟期基肥回收率为10.91%～24.39%,除水稻抽穗开花期和成熟期施氮量为85 kg/hm~2处理外,不同施氮量下控制灌溉模式水稻生育期内地上部植株的基肥氮素积累量和回收率均低于淹水灌溉,基肥氮素的损失量较大。不同施氮量下控制灌溉水稻成熟期时地上部植株吸收的基肥氮素总量的63.99%～72.95%存在于水稻穗部,高于淹水灌溉模式。【结论】稻作控制灌溉模式可以有效提高水稻吸收的基肥氮素,向水稻穗部的运移量,保证了基肥氮素的高效利用。     

施氮对缓解冬小麦盐分胁迫的影响

氮素是影响作物生长发育和产量的重要因素。【目的】研究氮素对缓解冬小麦盐分胁迫的作用。【方法】通过盆栽实验,分别设置土壤含盐量为4、6、8 g/kg(轻度S0、中度S1、重度S2),施氮量为150、200和250 kg/hm~2(低氮N150、中氮N200、高氮N250),进行正交试验,共9个处理,分析了相同盐分胁迫下不同施氮量对冬小麦株高、叶面积指数(LAI)、SPAD值、干物质及千粒质量的影响。【结果】S2处理中株高呈:N200>N250>N150,成熟期时N200较N150高出9.53 cm;S0、S1和S2处理的叶面积指数均呈:N250>N200>N150,且不同施氮量下差异显著;S0处理的千粒质量呈:N200>N250>N150,S1和S2处理的千粒质量呈N250>N200>N150,N250比N150分别增长了11.64%和52.61%。【结论】适宜的土壤施氮量可以缓解盐胁迫对冬小麦株高、叶面积及千粒质量的影响,其中缓解盐胁迫叶面积的作用较为显著。S0下最佳施氮量为200 kg/hm~2,S1、S2下最佳施氮量均为250 kg/hm~2。     

江西省水稻蓄雨间歇灌溉模式初探

【目的】探索水稻蓄雨间歇灌溉模式节水减排效益。【方法】以鄱阳湖区双季早晚稻为试验材料,采用大田和测坑试验,研究了水稻蓄雨间歇灌溉模式对灌溉定额、排水定额、降雨有效利用率、产量、稻田水分生产率,以及氮、磷排放量的影响,并与间歇灌溉和常规淹水灌溉试验进行了分析比较。【结果】与淹水灌溉、间歇灌溉相比,蓄雨间歇灌溉灌排水量、灌排次数明显减少。双季早晚稻年平均灌水量分别减少975m^3/hm^2和1251m^3/hm^2,年平均灌水次数分别减少8次和7.5次;年平均排水量分别减少729 m^3/hm^2和893 m^3/hm^2,年平均排水次数分别减少5.8次和3.1次;蓄雨间歇灌溉降雨有效利用率明显提高。早稻降雨利用率分别提高12.40%和9.14%,晚稻分别提高6.84%和6.42%;蓄雨间歇灌溉模式下,双季早晚稻总氮排放量年平均减排7.64 kg/hm^2和3.12 kg/hm^2,减排幅度34.93%和14.26%;双季早晚稻总磷排放量0.180kg/hm^2和0.095kg/hm^2,减排幅度37.25%和70.59%。【结论】蓄雨间歇灌溉模式具有明显的节水、减排和提高降雨有效利用率的效果,在我国南方多雨地区具有较强的推广应用空间。     

温室痕量灌溉条件下施肥量与追肥模式对黄瓜产量和品质的影响

【目的】探究痕量灌溉条件下适合温室黄瓜的施肥规律。【方法】采用对照试验方法,设3种总施肥量(高肥、中肥、低肥)和3种底肥与追肥比(K=0、1/3、1),共9个处理,分析了温室黄瓜产量和品质的变化。【结果】(1)在总肥量一定时,K=1/3有利于黄瓜增产;而K值一定时,高肥处理产量最高,中肥处理产量较低于高肥处理,但差距不大。(2)K值一定时,随着总肥量的增加,果实内可溶性糖和Vc量呈现先增后减的趋势,硝酸盐量一直增加,而可溶性固形物量在施中肥后增加趋势减缓;果实内可溶性糖、可溶性固形物和还原型Vc量在施中肥(T5)时基本达到峰值,且显著高于高肥(T8)处理;果实内硝酸盐量在施高肥(T8)时达到峰值;K=1/3时果实内可溶性糖、可溶性固形物和还原型Vc、硝酸盐积累量均高于K=1的。【结论】综合产量与品质各指标,施中肥且K=1/3为更适合痕量灌溉条件下温室黄瓜的施肥模式。