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稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展

2020-10-26 05:05上一篇:北汽新能源困境:补贴退坡 、产品力薄弱、商业模式存疑 |下一篇:没有了

概要: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颗粒形态通过淋溶、径流迁入至周围水体,导致地下水污染和水体富营养化。稻田土壤中氨溶解产生的氨气和鼓吹硝化反应产生的氧化亚氮气体转入大气,激化了温室效应。笔者环绕稻田氮磷的气体溶解、径流和淋溶3个萎缩途径讲解了国内外常用的监测方法,并更进一步辩论了针对径流和淋溶这2种萎缩途径的监测指标、监测频率和监测深度等问题,总结了2种萎缩途径的主要氮磷萎缩形态,根据产流特征和播种时间确认监测时间节点,综合考虑到植物吸取和地下水深度确认淋溶监测深度,以期为稻田氮磷萎缩监测获取涉及技术支持和科学依据。农田面源污染是目前再次发生面最甚广、影响仅次于的面源污染,是面源污染的主要形式。农田面源污染是所指在农业生产活动中氮和磷等营养物质、农药、重金属以及其他有机和无机污染物质、土壤颗粒等沉积物以降雨为载体并在降雨的冲击和淋溶起到下,通过农田地表径流和地下淋溶过程对大气、土壤和水体等环境构成的污染。从本质上谈,农田面源污染物是来自于农田土壤中的农业化学物质,因此,它的产生、迁入与转化成过程实质上是污染物从土壤圈向其他圈层,尤其是水圈蔓延的过程。

稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展

氮、磷是植物生长发育需要量较小的营养元素,过去几十年里用药化肥仍然是提升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,化肥消费量超过5562万t以上,大约占到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,比世界平均值施氮水平低75%。施入农田的氮肥、磷肥无法几乎被作物吸取利用,大部分氮肥、磷肥通过地表径流转入河流、湖泊或通过非饱和区渗入转入地下水,导致水体富营养化和地下水污染。我国水稻生产中氮肥平均值利用率为30%~35%,高产地区更加较低,磷肥利用率较低至15%~25%。美国60%左右的地表水环境问题是由农业生产引发的,农业面源污染被美国环境保护总署列入河流和湖泊的第一污染源。欧洲国家农业生产活动中废气的氮磷量占到地表氮磷总负荷的24%~71%。日本地下水源调查结果显示大约90%的地下水源中ρ(硝酸盐)多达3mg.L-1。我国北方京、津、唐等地69个观测点数据表明50%以上硝酸盐微克,最低平均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积极开展大量监测工作,根据稻田氮磷萎缩途径可将监测区分为稻田氮素气态损失、氮磷径流萎缩和氮磷淋溶萎缩3类。笔者就稻田氮磷萎缩研究中使用的监测方法和监测内容展开阐释。1 稻田氮素气态损失监测氮素的溶解损失以氨氮居多,氮肥表施时氨溶解损失占到总施氮量的10%~60%。稻田氨溶解的监测方法可分成必要法和间接法。必要法中更为常用的方法主要有密封生长箱法、微气象法和风洞法。间接法是根据稻田生态系统氮素均衡,由施肥量、植物吸收量、土壤残留量和淋失量来估计氨溶解量,该方法不考虑到反硝化作用,误差较小。密封生长箱法是将被测植物摆放在密封装置中,用酸或碱性物质移位气体的方法收集植物获释的氨,然后定量测定。该装置结构非常简单,需要必要捕捉土壤废气的溶解氨,但密封条件下氨溶解过程不同于自然通风条件下,并且植物蒸腾的水汽在生长室内壁被导电,氨在移位出有生长室前有可能被这些水汽吸取,从而影响测量结果。有学者针对密封箱法的通风问题作出改良。王朝辉等设计了原位测量田间土壤氨溶解的一种通气装置,该方法中氨捕捉器由1个聚氯乙烯硬质塑料管和2片浸过磷酸甘油溶液的海绵包含。土壤表面经海绵与外界环境的空气流通,海绵上层吸取空气中的氨,下层吸取装置内土壤溶解氨,测量结果的准确度和精确度较高,氨回收率约99.51%,变异系数仅有为0.77%。微气象法主要发展为涡度涉及法、梯度蔓延法和质量均衡法3种方法。涡度涉及法是根据横向风速脉动和被测气体浓度脉动来取得气体通量的方法,该方法拒绝被测气体的水平浓度梯度可忽略不计以及观测期间大气条件平稳。但是涡度涉及法拒绝用于较慢号召的气体检测器,测量频率拒绝约5~10Hz,且由于氨的不易吸附性和易溶性,目前还没可信的应用于涡度涉及法的高频率测量设备。梯度蔓延法首先假设在风速和NH3浓度皆一的大面积农田海面不存在一个NH3浓度梯度不随时间变化的剖面,通过测量NH3的揣流扩散系数(K)和横向方向上NH3浓度梯度来计算出来NH3的横向通量,所以该方法必须面积极大的均匀分布下垫面。质量均衡法拒绝必需在几个高度处同时测量风速和大气中氨浓度,设置的最后高度应该在试区半径长度的1/10一处,一般最少要测5个高度层面,试验区外作物的覆盖面积不应与试验区内完全相同。风洞法在欧洲国家应用于较多,由取样箱、采样系统和控制系统3个部分包含,使用流到风洞的风速平均值代表实际田间风速,从而较精确地估算氨溶解量,几种少见风洞法的回收率:Lockyer风洞回收率为77%~87%,Moal风洞回收率为70%~80%,Braschkat风洞回收率为97%~103%。然而,风洞法无法解决问题无法仿真静风和降水条件的问题,当风速高于0.3m.s-1时误差较小,虽然风洞内外风速能维持高度一致,但是由于风洞边界的影响,不会低估氨溶解速率。稻田土壤中的硝化和鼓吹硝化作用不会产生N2O和N2气体,其中,N2O大约占到稻田N2O和N2排放量的2/3,N2大约占到1/3。然而,目前水稻田的硝化和鼓吹硝化作用尚能缺少适合的田间原位监测方法。2 氮磷径流萎缩监测2.1 监测方法降雨事件和分蘖末期的灌溉摊田是稻田再次发生径流、产生氮磷径流萎缩的必要驱动力。目前,稻田氮磷径流萎缩按照监测尺度分成田间小区监测、农田多点位监测和平方公里网格监测。田间小区监测是建构相互隔绝、独立国家堵塞灌溉和排水系统的栽种小区,同时监测降雨产生的径流的水质和水量,从而确认氮磷的单位负荷量,通过单位面积氮磷负荷量除以田间小区面积来估计氮磷萎缩负荷量。利用人工控制的田间小区积极开展监测是定量研究农田养分萎缩的常用方法。BARTON等在云南省设置有所不同坡度田间小区研究传统耕作、免耕、秸秆覆盖面积、聚乙烯地膜覆盖和间作的水土保持效果。WON等为研究秸秆覆盖面积和土壤改良剂对韩国坡地土壤径流和非点源污染影响积极开展了多种处置的砂壤土场的田间小区实验。农田多点位监测所指在农田及周边沟渠、河道等关键点位展开水质和水量监测,以研究农田所在的小面积区域氮磷输入特征。例如,高超等在太湖何家浜流域2次典型降雨事件中以单块堵塞水稻田直入河点和汇流沟渠入河点为取样点,探究非点源污染物在降雨过程中初期冲刷效应。SHARPLEY等监测阿肯色州Discovery农场的作物种植区水道水量和水质情况,以评估保护性耕作对农场环境的影响。平方公里网格监测所指在平方公里网格尺度上,考虑到降雨、播种等因素,挑选沟渠、河道系统原始的田块作为氮磷污染监测点,研究有所不同利用类型农田氮磷迁入过程。KUPKANCHANAKUL等在印度邦帕通盆地收集河流、水产养殖场和稻田水样和底泥样本并融合数学模型分析主要河流污染物来源。陈成龙等挑选三峡库区涪陵段封闭性较好的王家沟小流域,收集各点位地表径流样品,探究稻田空间格局对氮磷萎缩的影响。2.2 监测指标土壤养分转入地表径流的主要内在驱动力大体可以概括为对流扩散作用、雨滴击溅摇动和水流冲刷起到等。土壤中氮磷以2种形态转入径流:一种是沉淀态,养分沉淀于土壤溶液中,通过水分互相交换转入地表径流;另一种是导电态,部分养分被导电在土壤颗粒表面,通过解吸或预示风化泥沙转入地表径流。部分学者指出氮以沉淀态形式萎缩到径流中的养分占到较为低。例如,邱卫国等在上海郊区通过测坑和水稻田大田实验找到氮素径流损失以沉淀态居多。叶玉适等通过水肥耦合对杭州稻田氮磷迁入影响实验研究找到,溶解性氮(DN)是天然降雨径流萎缩氮素的主要形态,大约占到TN的70%~92%;NO3--N大约占到40%~80%,NH4+-N浓度较低,仅有占到3.4%~27%。然而也有学者指出稻田径流中氮素萎缩形态以颗粒态氮(PN)居多。陈颖等对大自然降雨条件下海河流域水稻田地表径流的研究找到,PN是农田径流损失的主要形式,其流失量与径流量呈圆形显著于是以涉及。于兴修水利等研究西苕溪流域有所不同土地利用类型土壤氮径流萎缩过程找到,TN和PN浓度随降雨过程渐渐减少,稻田径流废气中PN占到TN的比例平稳在66.9%~83.6%。降雨或灌溉不会冲击土壤表层,使表层土壤富含的磷颗粒大量两县而随径流萎缩,颗粒态磷(PP)是土壤磷径流损失的主要形态。另外,施磷肥会将磷素带进土壤,播种后因短期内降雨而萎缩的主要磷形态是可溶性磷(DP)。施入稻田的磷会立刻水解,释放出来大量无机磷酸盐,使得施磷后短期内以沉淀态居多的磷素萎缩创造力大大减少。根据研究统计资料,PP和DP在径流萎缩磷素中的比例分别平均59.35%~80.04%和19.96%~40.65%。同一次径流中,早期径流液中磷以PP居多,而后期DP比例增大。2.3 监测频率降雨是稻田氮磷萎缩的最重要驱动力。焦少俊等的研究指出,1/3~1/2的稻田氮素径流损失由播种后的随机性大雨造成。一次降雨内,由于初期冲刷效应,往往在径流起涨期间径流水质较好,各污染物浓度较高;在径流回升阶段,径流水中各污染物浓度往往有所上升。径流产生初期,采行径流水样的时间间隔较短,成倍较多。管毓堂等在太湖流域水稻田降雨径流实验中水田径流产生时收集水样1次,此后,在5、10、20、30、60和120min时取样并实时记录流量;120min后每2h取样1次。高超等在太湖流域水稻田污水处理实验中设置取样时间为农田径流构成时,前期取样时间间隔为10min,中后期随时间推移取样频率渐渐减少,取样时间间隔逐步伸延至60min以上。径流水样收集频率也可按水样体积计。张继宗相等太湖流域稻田施基肥后第3和第16天展开仿真降雨实验,在径流产生初期每个样品体积为10L,在单位时间产生的径流量平稳后,每个样品体积为50L。

稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展

降雨完结后径流取样频率可减少,一般隔天收集1次。梁新强等在太湖流域稻田灌溉、降雨后第1、3和5天收集稻田径流水样,找到灌溉复水后短期内径流水中NO3--N浓度经常出现高峰期,甚至低于穗肥用药后的最高值,再次发生暴雨事件后稻田灌溉监测须要减少采样频率。3 氮磷淋溶萎缩监测3.1 监测方法淋溶是由于降水的天然下渗或人工灌溉使表层土壤中一些矿物盐类或有机物质沉淀并移往到下层土壤中的过程。目前,监测农田氮磷淋溶污染的方法主要有土壤溶液萃取法、渗水池实验法和同位素示踪法。土壤溶液萃取法指根据负压原理,用某一类定点溶液萃取器搜集田间某一深度土壤淋溶液,测量土壤溶液实际养分浓度。目前,运用最少的主要有灌溉采集器法和吸力杯测量渗计法。灌溉采集器法可以必要测量淋失的养分浓度和体积,但其加装简单,确保艰难,不仅不会对原状土壤产生较小扰动,而且有可能产生边际优先流,影响淋溶水的构成。吸力杯测量渗计法安装操作便利,对原状土壤的破坏性较小,但是不能测量淋溶液养分浓度,淋溶液体积必须根据气象数据利用水分平衡原理或者根据当地淋溶水淋溶速率展开估计。渗水池实验法用作监测多达作物根系利用深度的土壤剖面中的氮磷转入地下水体的情况。实际操作中首先在指定地点埋一定深度的方形坑,开凿时尽可能分层留存埋的土壤,用水泥等建筑材料创建渗水池,并腾出有所不同深度的取样孔,分层开挖土壤,待土壤性质平稳后积极开展渗水监测。渗水池监测可以研究有所不同深度渗水萎缩情况,但是由于不能监测点位,无法体现区域氮磷萎缩负荷。同位素示踪法具备精确、安全性和不阻碍大自然的特性,被普遍运用于监测氮磷的吸取、转化成和分配状况。张惠使用15N示踪法研究黄河上游灌区稻田系统氮肥下落和稻田氮素均衡,找到当季残余在土壤中的大部分肥料氮富含在深度为0~30cm的耕层。谢学俭等运用32P标记方法研究稻季播种后磷的横向迁入,结果表明磷在施入水田后大部分逗留在0~5cm表层土中,32P浓度随土层深度减少而减少。由于Br-化学性质平稳,土壤中微生物不参予Br-转化成,应用于Br-作为标记物更加能体现土壤氮磷淋溶萎缩潜力。3.2 监测指标土壤颗粒和土壤胶体带上负电,所以对NH4+-N有强劲吸附作用,这使得大部分可互相交换态NH4+-N以求留存在土壤中。但在特定条件下,不存在NH4+-N通过质流或水分下渗在土壤中迁入的情况;土壤对NO3--N的导电不大,故NO3--N易遭到雨水或灌溉水淋洗而转入地下水或通过径流、风化等南流地表水中。氮素淋溶形态以NO3--N居多,NO2--N和NH4+-N占小部分。NH4+-N产于于土壤上层和中层,NO3--N多产于于土壤下层。叶玉适等在杭州余杭区所取30cm深度稻田淋溶水样分析找到,该深度水样中各形态氮以NH4+-N居多,占到TN的70.1%,NO3--N占到13.0%,NO2--N占到1.3%。李娟对临安市水稻种植区有所不同深度淋溶液的分析找到,60cm深度一处NH4+-N和NO3--N流失量分别占到TN的13.41%~24.34%和34.11%~75.84%。谢育平通过在南通市积极开展的稻田养分迁入实验找到,NO3--N为该地90cm深度淋溶液中氮素主要形态。土壤对磷素的相同能力较强,磷在土壤剖面中向上迁入很少,一般移动速度每年不多达0.1mm;土壤施磷100a后磷素仍集中于在40mm土层内。除了一些有机土以外,即使在过量播种的土壤或地下水位较高的砂质土壤中,多数情况下淋溶水中磷浓度仍较低。但是也有学者指出当土壤中磷素超过一定水平时,土壤中较强的磷导电位就不会被占有,从而造成土壤对磷素的吸持能力相似饱和状态,此时磷素流失量就不会随土壤磷素的减少而急遽减少。土壤磷素淋溶形态分成PP和DP。PP还包括含磷矿物、含磷有机质和被吸持在土壤颗粒上的磷,在一定条件下被沉淀和吸持。DP还包括钼酸盐反应磷(MRP)和可溶性有机磷(DOP)。按照淋溶时间顺序,年所淋溶出有土壤的磷是吸附在细小土壤颗粒上的PP,其次是DOP。随着水分的减少以及淋溶的沿袭,更好的MRP被沉淀而随水流出有土壤。所以PP、DOP和MRP皆有可能是淋溶磷的主要构成形态。Lü等在洛桑实验站提取产生过磷酸钙的12块稻田小区65cm深度淋溶水,找到淋溶水中PP占到TP的33.8%~87.3%,是淋溶水中磷的最主要构成形态。王小治等利用太湖地区长江岸边砂质渗育性水稻土展开实验,找到各播种处置90cm一处土壤溶液中的磷皆以DOP居多,占到DP的56%~100%。项大力等利用淋溶池设施研究3个灌溉水平对土壤磷素淋失的影响,结果表明土壤中磷淋失形态皆以DP居多,MRP大约占到DP的50%。3.3 监测频率水稻生产活动中,播种后一段时期内大量氮磷通过淋溶转入环境。现有研究指出,播种后在没再次发生降雨的情况下,稻田淋溶水中TN、NH4+-N和NO3--N浓度皆在10d内超过高峰,然后渐渐上升,淋溶TP和DP浓度变化趋势也完全相同,皆在播种后7d超过最高值,然后渐渐上升。淋溶水中NO3--N浓度高峰有可能经常出现在播种后稍迟时间,且浓度变化情况简单,不受硝化条件、水分条件等多种因素影响。播种后一定时期内淋溶水中各形态氮磷浓度变化幅度较其他时期大。为理解淋溶水中氮磷变化规律,该时期内监测取样频率一般设置为隔天监测,监测时间跨度一般为7~10d。然而,有研究者找到海相沉积物发育土30、60和90cm深度淋溶液中NO3--N浓度皆在播种后10~15d前后增高到峰值,然后渐渐上升。杨梢娜在杭嘉湖平原稻田监测到施基肥14d后淋溶水中NO3--N浓度超过峰值。以上2项研究中NO3--N峰值经常出现时间迟缓,必须缩短播种后氮淋溶萎缩监测时间。3.4 监测深度关于农田氮磷的淋溶损失,有所不同学者的研究结果差距较小。目前,氮磷淋失研究中淋溶量的精确提供仍是一个难题,这也是由有所不同的气候条件、土壤特性、作物类型、耕作制度、灌溉方式和播种管理,以及淋溶水取样深度这些关键因素导致的。李卫华等在福建闽侯县将淋溶水搜集装置设置于稻田田间正下方40cm一处,是考虑到该深度以下的氮磷会被作物吸取。王德建等考虑到太湖地区地下水水位在80cm左右,故所取太湖地区80cm深度土层淋溶液作为稻田氮素淋洗到地下水中的量。鉴于磷素的移动性小,谢育平指出30cm深处土壤淋溶水中DP浓度变化情况可以代表转入环境的磷素变化情况。为研究转入环境的氮磷淋溶量,设置采样深度时必须考虑到植物吸取、地下水深度和氮磷移动特性等因素。4 未来发展水稻是我国最主要的粮食作物,播种面积大约占到粮食种植总面积的30%,稻田面源污染具备集中面广、随机性强劲、容易监测和无法分析等特征,这些因素使得稻田氮磷萎缩监测工作呈现出可玩性大且紧迫性强劲的特点。现有的稻田氮磷污染监测方法多服务于科学研究,在实际监测应用于中必须根据当地作物、土壤、降水和耕作制度等情况对监测指标、监测频率等监测内容展开调整。另外,将GIS和RS技术运用于稻田氮磷萎缩监测工作需要构建点位监测与区域监测的融合,大幅提高区域氮磷萎缩负荷计算精度,这是今后的研究方向。