我国农业面源污染研究与展望

农业面源污染会带来一定的生态环境风险。经过20多年的治理,我国面源污染基础研究和防控工作取得重要进展,构建了流域、区域或国家尺度农业面源污染源汇路径全过程监测与评估体系,基本厘清了不同生态条件下农田系统中氮磷流失的主控因子,初步探明了农田有毒有害化学/生物污染与防控机制。在防控技术层面,研发出新型、绿色肥料替代常规化肥减量投入技术与产品,氮、磷高效利用污染负荷减排技术,土壤氮、磷增容负荷减排技术,坡耕地氮磷流失阻控技术,农业废弃物资源化利用技术与消纳装备。我国农业氮、磷排放污染负荷虽整体呈下降趋势,但依然是影响我国环境质量的首要污染因子,且农业面源污染呈现新的特征,表现为养殖业尤其是水产养殖业污染问题逐渐突出,残留地膜、农药、抗生素、激素、病原微生物等新型污染物污染问题不容忽视,面源污染途径从以径流扩散为主转向淋溶、挥发、累积并重的阶段,污染介质从单一地表水体转向包括地下水体、大气以及农田生态系统并存的状态。未来应以本领域我国取得科研成果和相关信息资源为基础,利用数字技术和AI技术,构建我国农业面源污染防控技术和管理融合大数据模型和系统理论,持续加强田块、流域、区域等多尺度面源污染防控技术集成配套与工程化应用研究,培育绿色低碳农业新质生产力产业,落实防控技术工程“政—产—学—研—用”保障机制与措施,以提升区域或流域尺度面源污染防控技术的环境、经济和社会综合效益,全面推进我国农业面源污染治理工作,促进农业高质量健康发展。

密云水库库区不同植物篱模式下的氮磷阻控效应

筛选拦截效果最佳、经济效益最佳的植物篱模式,为密云水库水源保护区控制坡耕地氮磷流失提供技术参考。设置“桔梗+狗牙根”“丹参+狗牙根”“桑树+野牛草”“黄芩+野牛草”4种不同的植物篱模式,监测2020年天然降水条件下的地表径流、泥沙以及养分情况,分析不同植物篱模式下径流小区的产流和产沙情况,探讨不同植物篱对坡耕地地表径流、泥沙和养分的拦截效率及其影响因素。结果表明:4种植物篱种植模式都能够起到截流减沙,减轻水环境富营养化的作用,从而避免对下游水体的污染。其中“桑树+野牛草”植物篱效果最为显著,大雨雨强下可以减流57.96%,减沙96.64%,暴雨雨强下可以减流64.63%,减沙97.17%;对氮的相对拦截量为93.14 mg,相对拦截率约88.27%;对磷的相对拦截量为25.17 mg,相对拦截率约80.72%,能有效减少地表径流中的氮、磷含量。在考虑经济效益、社会效益和生态效益下,开展植物篱防控面源污染工作中,最佳的物种选择为“桑树+野牛草”,其次为“黄芩+野牛草”。野牛草在防控水土流失与面源污染方面效果十分显著,可以作为水土保持的先锋植物推广。

蜈蚣草耐铅、铜、锌毒性和修复能力的研究

重金属复合污染是主要土壤污染类型之一。为了探明蜈蚣草修复土壤重金属复合污染的能力 ,土培试验研究了分别添加不同浓度铅、铜、锌条件下蜈蚣草生物量变化 ,结果表明 ,不同浓度铅和较低浓度锌处理下蜈蚣草生物量呈显著性地增加 ,土壤 Pb、Zn添加浓度分别为 1 75 0 mg/kg和 1 35 0 mg/kg,蜈蚣草生物量最大。说明蜈蚣草有极强的耐 Pb、Zn毒性能力 ,能在较高有效态 Pb或 Zn污染土壤上正常生长。蜈蚣草具有一定的耐 Cu毒性能力 ,在 Cu耐性方面 ,蜈蚣草可能存在生态型的差异。以上结果说明 ,利用蜈蚣草修复萃取 Pb- As,Zn- As,Cu- As等复合污染土壤上 As有重要的意义。

镉硫交互处理对水稻吸收累积镉及其蛋白巯基含量的影响

研究了不同硫镉浓度组合短期处理 (6d)对水稻幼苗吸收累积镉的影响及其植株体内蛋白质和非巯基硫蛋白含量的变化。结果表明 ,短期单镉胁迫处理下 ,水稻幼苗的生物量没有明显变化 ,但是镉硫交互作用明显地影响镉在水稻苗中的累积。供硫处理能有效地增加镉在水稻叶片中的累积。不同镉、硫处理下植株体内缓冲液可提态蛋白质含量变化不明显。镉胁迫明显增加植株体内NPT含量 ,尤其是根中NPT的含量。供硫也能显著地提高NPT的含量。硫镉交互作用对植株体内NPT含量的影响更为明显。上述结果证实 ,介质中硫的充分供应在有效地提高植物对镉胁迫耐性的同时 ,也显著地促进镉在水稻地上部的积累。

不同水分和添加物料对石灰性土壤无机磷形态转化的影响

利用轻粘质土壤 ,模拟石灰性土壤中不同的组分因素进行室内培养试验。结果表明 ,水溶性磷肥施入土壤后很快向其它无机磷形态转化 ,主要转化为Fe P ,其次是Ca2 P、Ca8 P和Al P ,而很少转化为O P和Ca10 P。其转化规律受不同培养组分因素的影响。较低的土壤水分含量 (≤ 2 0 0g/kg)利于Ca8 P、Al P向Fe P和Ca10 P的转化 ,过高的水分含量 (>2 0 0 g/kg)有利于Ca10 P的活化与Fe P的大量生成 ;不同量CaCO3 加入促进了Fe P、Al P以及Ca2 P向Ca8 P、Ca10 P方向转化 ;秸杆、腐植酸的加入增加了各形态无机磷量以及无机磷总量。随培养时间的延长 ,Al P、Fe P等形态的磷量减少 ,Ca8 P、Ca10 P形态的量增加。不同量秸杆以及腐植酸的加入不同程度地降低了速效磷下降的幅度 ,提高了土壤速效磷水平。

合成磷源在石灰性潮土中的有效性及氮肥形态对其的影响

采用盆栽试验的方法研究了几种人工合成磷源在两种质地土壤中的有效性及不同氮肥形态对它们有效性影响的机理。研究结果表明 :几种合成磷酸盐在轻壤质和轻粘质潮土中的生物有效性的大小顺序分别为 :磷酸二钙 (DCP) >磷酸八钙 (OCP) >磷酸铝 (Al P) >磷酸铁 (Fe P) >氟磷灰石 (FA)和DCP >Al P >OCP >Fe P >FA。几种人工合成磷源在两种质地土壤中的有效性与土壤中相应形态无机磷的有效性相一致。它们在轻粘质潮土中的生物有效性明显受氮肥形态的影响。配施NH+4 N和CO(NH2 ) 2 时 ,Al P和FA的有效性比配施NO-3 N明显提高。配施NO-3 N可以明显提高Fe P的有效性。它们在配施不同氮肥形态下的生物有效性与不同氮肥形态处理下的根际pH变化密切相关。

重金属与营养元素交互作用的植物生理效应

综述了镉、铅、镍、汞等重金属元素与植物大量、中量必需营养元素相互作用的生理反应及其机理的研究进展,非必需微量重金属营养元素的毒害作用,以及非必需重金属元素对植物吸收运输元素的影响。

植物螯合肽及其在重金属胁迫下的适应机制

概述了植物螯合肽的组成、结构、功能。

密云水库流域氮磷空间变化及污染风险

密云水库是北京市重要的地表饮用水源地。为了解水源保护区各区域土壤氮磷质量比空间变化规律及污染风险，采集水源保护区种植不同作物表层土壤样品，对土样氮磷质量比进行克里格空间插值，计算水源保护区不同区域面源污染风险因子。结果表明，不同区域土壤氮磷质量比存在较大差异，潮河、白马关河上游及近水库流域、水库分水岭内侧是水源保护区高和较高氮、磷质量比主要分布区域，安达木河流域氮质量比也较高，白河流域氮、磷质量比相对较低。土壤氮磷质量比高和较高区域也是面源污染风险较高区，面源污染风险因子范围为5．91-22．82，其中潮河和白马关河上游流域风险因子都大于10；白河流域风险因子最小，仅为最高风险区域的1／130。研究表明，水源保护区土壤氮磷质量比水平是密云水库流域面源污染风险的主要决定因子，潮河、白马关河流域及水库分水岭内侧是密云水库氮磷污染物主要来源区域。

北京市密云水库水土资源耦合协调度分析

密云水库作为北京市重要的水源地,如何实现其水土资源高效利用已成为影响区域经济发展的主要因素,分析密云水库在社会经济快速发展中的水土资源耦合协调状态,可为指导水土资源科学合理利用、推动可持续发展提供支撑。基于密云水库实际情况,从水资源和土地资源两个方面共选择了18个评价指标,构建了水土资源耦合协调评价指标体系,分析2012—2020年密云水库水土资源开发利用程度和相互作用关系。结果表明:2012—2020年密云水库水资源总量呈增长趋势,尤其是在2018年后呈跳跃式增长,总用水量不断减少,用水结构比较合理,水资源开发利用处于健康状态;森林覆盖率和林木绿化率显著增加,耕地面积减少,建设用地面积增加,水土流失治理面积呈先增加后减少的趋势,水土流失面积明显减少;密云水库水土资源耦合协调度保持平稳,整体处于中级失调,土地资源开发利用已超过水资源承载能力,需引起高度重视,及时采取科学有效的水土资源保护措施。

合成磷源在石灰性潮土中的形态转化及氮肥形态对其的影响

利用盆栽试验研究了几种人工合成磷源在轻粘质潮土根际和本体土壤中的形态转化及配施不同形态氮肥对其形态转化的影响 ,结果表明 ,作物耗竭引起根际所有形态无机磷不同程度的下降。施入土壤的DCP(CaHPO4 ·2H2 O)、OCP(Ca8(PO4 ) 6 )、Al P(AlPO4 ·nH2 O)等大部分转化为其它形态无机磷 ,而Fe P(FePO4 ·nH2 O)和FA(Ca10 (PO4 ) 6 F2 )大部分以自身形态存在 ,尤其是FA很少向其它形态转化 ,根际条件促进了它们向其它无机磷形态的转化。Al P和FA等的形态转化明显受氮肥形态的影响 ,Al P配施NO- 3 N下 ,绝大部分转化为磷灰石 ,NH+4 N配施下促进了FA向其它形态的转化 ,在所有的磷源处理中 ,根际和本体磷酸铁都有显著地增加 ,NH+4 N和CO(NH2 ) 2 处理下存在磷酸铁的根际累积 ;其次是磷酸二钙和磷酸铝也有明显地增加 ,二者存在根际的亏缺。不同磷源的形态转化规律与其有效性大小相一致。

环渤海七省(市)地下水硝酸盐含量调查

饮用水质量直接影响人类健康,而饮用水中硝酸盐(NO-3-N)含量水平又是衡量其质量的重要指标。通过调查的方法,对我国北方环渤海七省(市)包括北京、河北、河南、山东、辽宁、天津以及山西的地下水中硝酸盐含量状况进行了大面积调查研究。结果表明,上述七省市地下水中NO-3-N含量较高,平均值达到11.9mg·L-1,约34.1%的地下水超过WHO制定饮用水的标准。农田利用类型对地下水的影响较大,在粮田、菜地、果园、养殖等几种类型中,菜地的影响最大,NO-3-N平均含量达到21mg·L-1,其次是果园。随着地下水深度的加深,NO3--N含量呈现明显下降的趋势,其中10m以内的水体NO-3-N含量最高,达21.7mg·L-1。由于不同地区施肥习惯不同,地区之间有很大的差异。

北京市菜地土壤重金属现状分析与评价

近年来北京蔬菜种植业得到迅速发展,已成为农业经济的支柱产业之一。为了解北京地区菜地以重金属为主要指标的土壤环境质量现状,采集北京市主要蔬菜生产区表层土壤（0～20cm）,测定镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）、汞（Hg）含量和基础理化性质。依照《土壤环境质量标准》和《土壤环境监测技术规范》采用单项和综合污染指数法进行评价,结果表明,与土壤背景值相比,大兴、昌平、密云、延庆、房山、顺义、通州区内Cd、Cr明显富集,顺义区、房山区Cd质量分数平均值接近于《食用农产品产地环境质量评价标准》限量值（0.40 mg/kg）,但未超过《土壤环境质量标准》中二级限量值（0.60 mg/kg）。Cd、Cu、Zn、Cr单项污染指数平均值处于〉0.7～1.0,属于尚清洁（警戒限）水平,且土壤Cd质量分数变异系数极高,40%以上样点存在＂轻度＂和＂中度＂污染,设施菜地较裸露菜地相比存在较高Cd污染风险。综上,北京市菜地土壤重金属环境质量指标总体安全,处于非污染状态,但存在一定程度的Cd、Cr、Cu、Zn累积污染风险。

京郊地区3种典型农田系统硝酸盐污染现状调查

【目的】研究北京市3种典型的农田系统(粮田、菜田和果园)土壤氮素累积、蔬菜和地下水硝酸盐污染状况。【方法】采用调查研究方法,采集不同类型农田土壤、蔬菜和地下水样品,并对样品属性进行翔实记录,根据测试结果和记录进行分析。【结果】土壤氮素累积严重,菜田0～30cm土层土壤硝态氮含量平均为46.2mg·kg-1,是粮田的3.8倍;果园0～30cm土层土壤硝态氮含量是粮田的1.2倍。菜田地下水硝态氮含量平均为13.8mg·kg-1,是粮田地下水的2.8倍,地下水硝酸盐含量超标率为44.8%,是粮田地下水超标率的3.3倍。果园地下水硝酸盐含量为9.3mg·kg-1,是粮田地下水的1.9倍,地下水超标率为23.5%,是粮田的1.7倍。蔬菜硝酸盐污染严重,绿叶菜类蔬菜硝酸盐含量最高,为2685.5mg·kg-1,其次是根茎类、白菜类、果菜类。根茎类、绿叶菜类、瓜果类和白菜类超标率分别为80.9%、37.9%、29.7%和2.2%。【结论】土壤、植株和地下水硝酸盐含量与氮肥施用量直接相关,菜田和果园施肥量大,其土壤硝酸盐累积明显,地下水硝酸盐超标率高,蔬菜硝酸盐含量超标严重。

污染水稻田中土壤含砷量的空间变异特征

利用地统计学方法研究在长期淹水和频繁干湿交替影响下污染水稻田中砷的小尺度空间分布特征。采用变异函数定量描述含砷量分布特征 ,用克立格插值法对表层土壤未测点的含砷量进行最优估计 ,并绘制含砷量等值线分布图。结果表明 ,来自表面污染源的砷进入农田土壤后主要积累在耕层 0～ 2 0cm中 ,对 4 0～ 80cm土壤影响不大。耕层土壤含砷量半方差值呈有规律持续增加趋势 ,可用直线方程很好地拟合。表层土壤含砷量存在很好的空间结构性 ,高砷区出现在进水口附近 ,并以其为中心呈斑块状向周围扩散 。

氮肥用量对设施滴灌栽培番茄产量品质及土壤硝态氮累积的影响

为了明确滴灌条件下设施番茄适宜的氮肥施用量，选择北京市顺义区代表性日光温室进行田间试验，设置0、90、180、270、360、450kg·hm^-2 6个氮肥水平，研究不同氮肥用量对设施滴灌栽培番茄产量、品质及土壤硝态氮累积分布的影响。结果表明：氮肥施用量为0～360kg·hm^-2时，随氮肥施用量的增加番茄产量增高；当施氮量超过360kg·hm^-2时，番茄产量随施氮量增加却呈下降趋势。番茄品质随施氮量的增加而提高，当施氮量为450kg·hm^-2时，番茄果实的糖酸比最高，风味较佳。随着施N量的增加，各层土壤硝态氮含量明显增加，尤其当施氮量大于270kg·hm^-2时，土壤硝态氮含量显著增加。施氮量360kg·hm^-2为0—100cm土壤硝态氮累积量增加的拐点，土壤硝态氮累积量与0-360kg·hm^-2施氮量呈线性相关。结合北京郊区土壤肥力状况，番茄氮肥推荐施用量为270-360kg·hm^-2,在当前农民习惯施氮量450kg·hm^-2条件下，减少氮肥用量20％～40％，可以达到设施番茄高产、优质，且环境风险较小的目的。

适宜施氮量降低京郊小麦-玉米农田N_2O排放系数增加产量

为明确京郊地区小麦-玉米轮作农田的N_2O排放特征,寻求既能减少N_2O排放又保证粮食产量的切实有效措施,以京郊地区冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象,运用静态箱法对8个施氮水平的农田N_2O交换通量进行了连续一年对比研究,每季作物施肥量分别为N0(0 kg/hm^2),N1(50 kg/hm^2),N2(100 kg/hm^2),N3(150 kg/hm^2),N4(200 kg/hm^2),N5(250 kg/hm^2),N6(300 kg/hm^2),和N7(400 kg/hm^2)。在N0-N7施氮量条件下冬小麦季N_2O排放量为0.08~0.52 kg/hm^2;夏玉米季0.26~3.70 kg/hm^2。整个轮作周期,小麦季各处理N_2O排放损失率为0.05%~0.13%;玉米季0.78%~1.02%。在京郊地区冬小麦-夏玉米轮作体系中夏玉米季氮肥施入农田土壤后,土壤N_2O排放通量高于小麦季。京郊农田土壤N_2O排放通量表现出明显的季节性和日变化规律。综合考虑本试验条件下施肥量、N_2O排放量和京郊地区潮土农田小麦-玉米产量,研究认为该轮作体系中每季作物的施肥量为N4(200 kg/hm^2)比较合理,可为合理施肥及估算中国农田温室气体排放量提供参考。

土壤硝态氮淋溶及氮素利用研究进展

农业生产中氮肥的不科学施用,在一定程度上造成环境污染,而硝态氮淋溶则是水体环境质量恶化的重要影响因素,也成为氮素损失研究中的热点问题。综述了近年来国内外在土壤硝态氮淋溶方面的研究进展,提出氮肥施用量多寡以及土壤灌溉和降雨是导致硝态氮淋溶的重要因素,总结了根据土壤质地和矿物组成调整氮肥施用,合理耕作,水分管理,生化抑制剂的合理添加以及新型高效缓控释肥料的施用等措施是减少土壤硝态氮淋溶,提高氮素利用率的有效途径。

不同施氮水平下小麦田氨挥发规律研究

为了研究施氮水平对农田土壤氨挥发的影响机制,依据北京房山农田土壤类型,结合当地农民种植与施氮习惯,设定N0～N7共8个施氮水平,施肥量分别为0、50、100、150、200、250、300、400 kg·hm^-2,利用田间试验原位测定的方法,研究分析了京郊冬小麦田种植体系氨挥发损失的规律及氮肥剂量效应。结果表明,冬小麦种植体系在施入氮肥后发生了明显的氨挥发,且氨挥发主要发生在施肥后1～2周内,在施肥后2～3d出现氨挥发速率峰值,基肥与追肥后氨挥发速率最大分别达到2.41、1.42kg·hm^-2·d^-1,基肥期氨挥发量在0.81～14.29 kg·hm^-2,追肥期氨挥发量在2.20～6.91kg·hm^-2。在整个冬小麦生长期间,高施氮量处理的氨挥发量均高于低施氮量处理。当施氮量超过150 kg·hm^-2时,由于氨挥发增加导致农田氮损失显著提高,优化施肥量能明显降低冬小麦种植过程中的氨挥发损失。施氮水平为150 kg·hm^-2的冬小麦产量为5 493.63 kg·hm^-2,高于其他施氮水平处理的小麦产量。可见,合理的氮肥用量能够兼顾产量和生态环境,本研究中在150 kg·hm^-2的氮肥水平下,小麦产量最高且氨挥发损失较低。

添加硝化抑制剂双氰胺对油菜生长及品质的影响

在盆栽条件下,研究了尿素中添加硝化抑制剂DCD为施入纯氮量的1%、2%、3%、4%、5%不同剂量时对油菜生长和品质的影响。结果表明,添加DCD能显著提高油菜产量并降低植株体内硝酸盐含量,其增产幅度为22.77%～33.50%,硝酸盐含量降低14.90%～30.51%,同时不同程度提高了油菜Vc、全氮、全磷含量。植株可溶性糖含量在DCD3%用量范围内呈上升趋势,用量大于4%时呈一定下降趋势。油菜吸氮量和氮素利用率在DCD3%水平达到最高。