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稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展

发布日期:2021-01-22 14:47浏览次数:
本文摘要:摘要:水稻是我国主要的粮食作物之一。水稻生产过程中土壤和肥料中的部分氮磷元素以溶质或粒子的形式润湿,通过流出转移到周围的水体,导致地下水污染和水体富营养化。水田土壤中的氨溶解产生的氨气和鼓励硝化反应产生的氧化亚氮气体转移到大气中,加剧了温室效应。

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摘要:水稻是我国主要的粮食作物之一。水稻生产过程中土壤和肥料中的部分氮磷元素以溶质或粒子的形式润湿,通过流出转移到周围的水体,导致地下水污染和水体富营养化。水田土壤中的氨溶解产生的氨气和鼓励硝化反应产生的氧化亚氮气体转移到大气中,加剧了温室效应。

笔者以稻田氮磷气体溶解、流出和湿润3条萎缩途径为中心说明国内外常用的监测方法,进一步讨论流出和湿润2条萎缩途径的监测指标、监测频率和监测深度等问题,探讨2条萎缩途径的主要氮磷萎缩农地面源污染目前再次发生的面最广,影响是下一个面源污染,是面源污染的主要形式。农业地面源污染是指农业生产活动中氮和磷等营养物质、农药、重金属、其他有机和无机污染物质、土壤粒子等堆积物以降雨为载体,从降雨的冲击和湿润出发,通过农田的地表流出和地下湿润过程构成大气、土壤、水体等环境本质上,农田面源污染物来自农田土壤中的农业化学物质,因此其发生、迁移和转化的过程实质上是污染物从土壤圈扩展到其他圈层,特别是水圈的过程。氮、磷是植物生长发育必需量少的营养元素,过去几十年间施用化肥仍然是提高世界粮食产量的最重要措施。

我国是世界化肥第一消费大国,化肥消费量5562万t以上,约占世界化肥总消费量的34%,我国稻田单季氮肥用量平均值为180kg.hm-2,比世界平均值氮素施用水平低75%。农田施用的氮肥、磷肥几乎不能被作物吸收利用,大部分氮肥、磷肥通过地表径流通过河、湖或非饱和区渗透到地下水中,引起水体富营养化和地下水污染。

我国水稻生产中氮肥平均利用率为30%~35%,高产地区更低,磷肥利用率低,为15%~25%。美国60%左右的地表水环境问题是由农业生产引起的,农业面源污染被美国环境保护厅列入河流和湖泊的第一污染源。欧洲各国农业生产活动中废气的氮磷量占地表氮磷总负荷的24%~71%。日本地下水源调查的结果显示,地下水源约90%(硝酸盐)多为3mg.L-1。

中国北方北京、津、唐等69个观测点数据显示50%以上的硝酸盐微克,最低平均为67.7mg.L-1。长期以来,针对稻田氮磷萎缩的环境效应问题国内外已经积极开展了大量的监测工作,可以通过稻田氮磷萎缩途径将监测分为稻田氮气损失、氮磷流出萎缩和氮磷润湿萎缩三类。

笔者对水田氮磷萎缩研究中使用的监测方法和监测内容进行了说明。1稻田氮气损失监测氮的溶解损失以氨氮居多,氮肥表施用时的氨溶解损失占总施肥氮量的10%~60%。稻田氨溶解的监测方法分为必要法和间接法。必要法中更常用的方法主要是密封生长箱法、微气象法和风洞法。

间接法是根据水田生态系统的氮平衡,根据施肥量、植物吸收量、土壤残留量、淋失量推测氨溶解量,不考虑脱氮作用,误差小。密封生长箱法是将被测定植物放入密封装置,用酸或碱性物质的转移气体的方法收集植物释放的氨,进行定量测定。该装置结构非常简单,需要捕捉土壤废气中的溶解氨,但在密封条件下,氨的溶解过程与自然通风条件不同,植物蒸发的水蒸气在生长室内壁导电,氨在生长室中移动之前被这些水蒸气吸取。

一位学者对密封箱法的通风问题作了改进。王朝辉等人设计了用原位测定田间土壤氨溶解的通气装置。在该方法中,氨捕集器由1个聚氯乙烯硬质塑料管和2片浸渍了磷酸甘油溶液的海绵构成。

土壤表面通过海绵与外界环境的空气流通,海绵上层吸引空气中的氨,下层吸引装置内的土壤溶解氨,测定结果的精度和精度高,氨回收率约为99.51%,变异系数仅为0.77%。微气象法主要发展为涡度相关法、梯度蔓延法和质量均衡法三种方法。涡度相关法是从横向风速脉动和被测定气体浓度脉动中取得气体通量的方法,该方法可以忽略被测定气体的水平浓度梯度,拒绝观测期间的大气条件平稳。但是,涡度相关法拒绝了用于缓慢呼吁的气体检测器,测定频率约为5~10Hz,另外由于氨的吸附困难和易溶性,因此对涡度相关法的高频测定设备不可靠。

梯度延伸法首先假定风速和NH3浓度均匀的大面积农场的海面上不存在NH3浓度梯度随时间变化的截面,通过测定NH3的存积流扩散系数(k )和横向的NH3浓度梯度来计算NH3的横向通量,因此面积极其均匀地铺设质量均衡法拒绝在几个高度同时测定风速和大气中的氨浓度,设置的最后高度是试验区半径长度的1/10处,一般最低要测定5个高度水平,试验区外作物的展望面积与试验区内完全相同风洞法广泛应用于欧洲各国,包括取样箱、取样系统、控制系统三个部分,用风洞中流动的风速平均值代表实际田间风速,更准确地推算氨溶解量,几种罕见风洞法的但是,风洞法无法解决的问题是无法模拟静风和降水条件的问题,风速超过0.3m.s-1时误差小,风洞内外的风速高度一致,但由于风洞边界的影响,不会低估氨溶解速度。水田土壤中的硝化和硝化促进作用不产生N2O和N2气体,其中N2O约占水田N2O和N2排放量的2/3,N2约占1/3。

但是,目前鼓励稻田硝化和硝化作用还缺乏合适的田间原位监测方法。2氮磷流失萎缩监测2.1监测方法降雨事件和分蘖末期的灌溉摊位是水田再次流失、产生氮磷流失萎缩所需的驱动力。目前稻田氮磷流失萎缩根据监测尺度分为田间小区监测、田间多点监测和平方公里网格监测。

田间小区监测建立了相互隔绝、独立国家闭塞灌溉和排水系统的栽培小区,同时监测降雨造成的流出水质和水量,确认氮磷的单位负荷量,将每单位面积的氮磷负荷量除以田间小区面积,进行氮磷萎缩利用人工控制积极监测田间小区是定量研究农田养分萎缩的常用方法。BARTON等人在云南省设置不同梯度的田间小区研究传统耕作、免耕、秸秆堆积面积、聚乙烯地膜堵塞和间作的水土保持效果。WON等人为了研究秸秆堆积面积和土壤改良剂对韩国坡地土壤流失和非点源污染的影响,积极开展了多种处理后的砂土壤土场田间小区实验。

农地多地点监测是指在农地、周边排水沟、河道等重要地点开展水质和水量监测,研究农地所在小面积地区氮磷的输入特征。例如,卓越等在太湖何家滨流域的两次典型降雨事件中,以单一堵水稻田直入河点和合流排水沟入河点为采样点,探讨非点源污染物在降水过程中的初期冲刷效果。

SHARPLEY等人监视阿肯色州Discovery农场的作物栽培区的自来水量和水质状况,评价保护性耕作对农场环境的影响。平方公里网格监测是指在平方公里网格尺度中,考虑降雨、播种等因素,选择排水沟、河道系统的原始田间块作为氮磷污染监测点,研究不同利用类型的田间氮磷迁移过程。KUPKANCHANAKUL等人在印度邦帕顿盆地收集了河流、水产养殖场、水田水样和底泥样品,融合数学模型分析了主要的河流污染物来源。

陈成龙等人选取了三峡库区涪陵段封闭性好的王家沟小流域,收集了各点地表径流样品,探讨了稻田空间结构对氮磷萎缩的影响。2.2监测指标土壤养分对地表径流的主要内在驱动力大致可以概括为对流扩散作用、雨滴的溅射晃动和水流冲刷作用等。土壤中的氮磷以两种形式转移到流出:一种是沉淀状态,养分在土壤溶液中沉淀,通过水分交换转移到地表流出。另一种是导电状态,一部分养分在土壤粒子表面导电,通过解吸或预示风化砂土转移到地表流出。

有些学者指出氮以沉淀状态的形式萎缩到流出的养分很低。例如邱卫国等人在上海郊外通过基坑和水田大田实验发现了氮流失损失,沉淀状态很多。叶玉适等通过水肥耦合对杭州稻田氮磷移入的影响实验研究,溶解性氮(DN )是天然降雨径流萎缩氮的主要形态,约占TN的70%~92%; NO3--N约占40%~80%,NH4 -N浓度低至3.4%~27%。

但是,也有学者指出,水田流失中的氮萎缩形态多为颗粒状氮(PN )。陈颖等人对自然降雨条件下海河流域稻田地表径流的研究表明,PN是农田径流损失的主要形式,其径流和径流呈圆形。

兴修水利等研究发现西芦溪流域有不同土地利用型土壤氮素流失萎缩过程,TN和PN浓度随降水过程逐渐减少,稻田排放废气中PN占TN的比例稳定在66.9%~83.6%。降雨和灌溉不会冲击土壤表层,表层土壤中富含的磷粒子在大量两县随着流失而萎缩,颗粒状磷(PP )是土壤磷流失损失的主要形态。

另外,施用磷肥后磷素被带入土壤,播种后因短期降雨而萎缩的主要磷形态是可溶性磷(DP )。给稻田的磷很快水解,释放大量的无机磷酸盐,给磷后短期内大幅度减少沉淀状态多的磷素萎缩创造力。研究统计资料显示,PP和DP在流出萎缩磷素中的比例分别为平均59.35%~80.04%和19.96%~40.65%。在同样的流出中,早期流出液中的磷PP多,后期DP的比例增大。

2.3监测频率降雨是稻田氮磷萎缩最重要的驱动力。焦少俊等人的研究表明,1/3~1/2的水田氮素流失是播种后的随机性大雨造成的。在一次降雨内,由于初期清洗效果,流出上升期间流出水质良好,各污染物浓度多为高。在流出恢复的阶段,流出水中的各污染物浓度经常上升。

流出初期,采取行为的流水样的时间间隔短,倍增。管冀堂等人在太湖流域水田降雨径流实验中发生水田径流时收集1次水样,然后在5、10、20、30、60和120min时取样,实时记录流量。

120分钟后每2h取样一次。卓越等太湖流域的水田污水处理实验中设置的采样时间为农田流出构成时,前期的采样时间间隔为10min,中后期随着时间的经过采样频率逐渐减少,采样时间间隔延长到60min以上。

流出水样的收集频率也可以用水样体积计算。张继宗相等太湖流域水田施肥后第3天和第16天开展了模拟降雨实验,径流发生初期的样品体积为10L,单位时间发生的径流平稳后,样品体积为50L。

降雨结束后的流出采样频率减少,一般次日收集一次。梁新强等人在太湖流域水田灌溉、降雨后第1、3和5天收集了水田径流水样,灌溉复水后短期内径流水中的NO3--N浓度始终出现高峰期,低于穗肥施用后的最高值,再次发生暴雨事件后,水田灌溉监测采样频率3氮磷湿萎缩监测3.1监测方法湿是降水的天然渗透或人工灌溉使表层土壤中的一些矿物盐类或有机物沉淀并向下层土壤转移的过程。

目前监测农田氮磷润湿污染的方法主要有土壤溶液提取法、透水池实验法和同位素示踪法。土壤溶液提取法是指根据负压原理,用某种定点溶液提取器收集有田深度的土壤润湿溶液,测定土壤溶液的实际养分浓度。

现在最少的主要是灌溉采样器法和吸引杯测定渗透仪法。灌溉采收器法需要测量湿润养分的浓度和体积,但加装简单,难以确保,不仅原土壤不会产生小的紊乱,而且会产生极限优先流,可能会影响湿润水的构成。吸引杯测定渗透仪法安装操作方便,对原土壤的破坏性小,但不能测定湿润的养分浓度,湿润溶液的体积必须根据气象数据利用水分平衡原理,或根据当地的湿润水的湿润速度进行推测。

渗水池实验法用于监测作物根系利用深度的土壤剖面中氮磷向地下水体的转移情况。实际操作中首先在指定的地方埋上一定深度的方形洞,挖掘时尽量做层埋下的土壤,用水泥等建筑材料做透水池,开不同深度的取样孔,做层挖土壤,土壤性质平静后积极透水池监测可以研究不同深度的透水萎缩情况,但由于不能监测要点,因此无法表现出地区氮磷萎缩负荷。同位素示踪法具有精确、安全性和不阻碍自然的特性,广泛用于氮磷的吸收、转换和分配情况的监测。张惠用15N示踪法研究了黄河上游灌区稻田系统氮肥的下落和稻田氮素的均衡,发现季节的其馀部分土壤中肥料氮素的大部分富含深度0~30cm的耕层。

谢学俭等人用32P标记法研究了稻季播种后磷的横向移动,结果表明,施用到水田后磷几乎停留在0~5cm表层土中,随着土层深度的减少,32P浓度减少。由于br化学性质平稳,土壤中的微生物不参与br转换,在br中作为标志应用更能体现土壤氮磷淋萎的潜力。

3.2监测指标土壤粒子和土壤胶体带负电,因此对NH4n有很强的吸附作用,由此大部分可以互相交换状态NH4n留在土壤中。但是,在特定的条件下,NH4 -N不会通过质流或水分下渗透到土壤中。因为土壤不怎么与no3n电导通,所以no3n容易被雨水和灌溉水冲洗,转移到地下水和流出风化等南流地表水。

氮素浸润的形态多为NO3--N,NO2--N和NH4 -N占极小部分。NH4 -N产于土壤上层和中层,NO3--N多产于土壤下层。叶玉适等是杭州馀杭区采集的30cm深度稻田水浸水样分析,该深度水样中各形态的氮以NH4 -N居多,占TN的70.1%,NO3--N占13.0%,NO2--N占1.3%。

李娟从临安市水稻种植区不同深度淋溶液的分析中发现,60cm深度的NH4 -N和NO3--N流失量分别占TN的13.41%~24.34%和34.11%~75.84%。谢育平通过在南通市积极进行的水田养分迁徙实验发现,NO3--N是该地90cm深度水浸溶液中氮的主要形态。

土壤对磷素的同样能力很强,磷在土壤断面上很少向上移动,通常的移动速度在每年0.1mm以下。土壤施用磷100a后磷元素也集中在40mm的土层内。在有机土中,即使是过剩播种的土壤和地下水位高的砂质土壤,也大多是浸水中的磷浓度低的土壤。

但是,也有人指出,土壤中的磷元素超过一定水平时,土壤中的强磷电位不被占有,土壤对磷元素的吸附能力与饱和状态相似,在这种情况下,磷元素的流失量不会随着土壤磷元素的减少而急剧减少。土壤磷素淋溶形态可分为PP和DP。PP中也含有磷矿含有物、含磷有机质、被土壤粒子吸附的磷,在一定的条件下沉淀吸附。DP中还含有钼酸盐反应磷(MRP )和可溶性有机磷(DOP )。

按照润湿时间顺序,年润湿土壤的磷是吸附在细小土壤粒子上的PP,其次是DOP。随着水分的减少和湿润的沿袭,更好的MRP沉淀,土壤随着水流流出。

因此,PP、DOP、MRP都可能是润湿磷的主要构成形态。L等人从洛桑实验站产生磷酸钙的12块水田小区中提取65cm深度的浸水,发现浸水中的PP占TP的33.8%~87.3%,是浸水中磷的最主要构成形态。王小治等人利用太湖地区长江岸的沙质浸育性水稻土开展了实验,发现各播种处理90cm土壤溶液中的磷DOP多,占DP的56%~100%。项目利用淋溶池设施对三个灌溉水平对土壤磷素淋溶的影响进行了大量研究,结果表明土壤中磷素淋溶形态均DP多,MRP约占DP的50%。

3.3监测频率在水稻生产活动中,播种后一段时间内大量的氮磷会湿润转移到环境中。在现有的研究中,播种后没有再次降雨的情况下,水田的浸水的TN、NH4 -N、NO3--N浓度都在10d以内超过峰值,之后逐渐上升,浸湿TP和DP浓度的变化趋势也完全相同,播种后DD超过最高值,其浸水的NO3--N浓度高峰可能在播种后稍晚的时间内经常出现,浓度变化简单,不受硝化条件、水分条件等多种因素的影响。

播种后某一时期浸水中各形态的氮磷浓度变化幅度比其他时期大。为了理解润湿水中氮磷的变化规律,该时期的监测采样频率一般设定为次日监测,监测时间幅度一般为7~10d。

但是,可知海相堆积物发育土30、60、90cm深度的湿润溶液中的NO3--N浓度在播种后10~15d左右达到峰值,之后逐渐上升。杨梢娜在杭嘉湖平原水田施用基肥14d后,浸水的NO3--N浓度超过了峰值。以上两项研究表明NO3--N峰时间延迟较多,必须缩短播种后氮素润湿萎缩的监测时间。

3.4监测深度对农田氮磷淋失,不同学者的研究结果差异很小。目前,在氮磷淋失研究中准确提供淋失量仍然是一个难题,这也是由不同的气候条件、土壤特性、作物类型、耕作制度、灌溉方式和播种管理,以及淋失取样深度等重要因素引起的。

李卫华等人在福建闽侯县水田正下方40cm处设置了浸水收集装置,认为该深度以下的氮磷会被作物吸收。王德建等人考虑到太湖地区地下水的水位在80cm左右,采取了太湖地区80cm深度的土层淋浴溶液作为水田氮向地下水淋浴的量。由于磷元素的移动性小,谢育平指出30cm深度土壤浸水中的DP浓度变化可以代表转移到环境中的磷元素变化。

为了研究转移到环境中的氮磷的润湿量,需要考虑植物的吸取、地下水的深度、氮磷的移动特性等来设定采样深度。4未来发展水稻是我国最主要的粮食作物,播种面积约占粮食种植总面积的30%,稻田面源污染具有集中面广、随机性强、容易监测、无法分析等特点,这些因素游憩于稻田氮磷萎缩监测工作中目前稻田氮磷污染监测方法为科学研究提供了很多服务,在实际监测应用中必须根据当地作物、土壤、降水和耕作制度等情况调整监测指标、监测频率等监测内容。另外,为了将GIS和RS技术应用于稻田氮磷萎缩监测,需要构建点监测和区域监测的融合,大幅度提高区域氮磷萎缩负荷的计算精度,这是今后的研究方向。


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