Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Losses in Different Crop Rotation Systems in the North of Erhai Lake Basin

[Objective] Nitrogen and phosphorus losses of surface runoff in various crop rotation systems in the north of Erhai Lake basin were studied with the objective to provide references for risk evaluation of environmental pollution and formulating countermeasures to control the nonpoint source pollution from agriculture.[Method] Water samples collected in four typical crop rotation systems distributed in seven towns（townships） in the north of Erhai Lake basin were investigated,as well as the fertilizer input,to explore the dynamic change of nitrogen and phosphorus content in surface water of farmland and ditch water,and the correlation between fertilizer input and the concentrations of nitrogen and phosphorus in the surface water of farmland and in the ditch water.[Result] The results showed that nitrogen loss in surface water of farmland in different crop rotation systems differed greatly,and the risk of nitrogen loss was 38% lower in broad bean-rice crop rotation than that in garlic-rice crop rotation.The water soluble nitrogen was the primary form of nitrogen loss.The content of water soluble nitrogen was significantly higher in garlic-rice crop rotation than that in the other rotation systems,and the concentrations of nitrogen in the surface water of farmland in different crop rotation systems followed the sequence below：garlic-rice crop rotationryegrass-rice crop rotationbroad bean-rice crop rotationrape-rice crop rotation.The loss of phosphorus in the surface water of farmland was relatively low and phosphorus combined with silt was the primary form for phosphorus loss.There was no significant difference of the loss of various forms of phosphorus in different crop rotation systems.The contents of total nitrogen and total phosphorus in the surface water of farmland were higher than that in ditch water,with increasing rates of total nitrogen and total phosphorus in ditch water of 72% and 82%,respectively.Topdressing was the critical reason for the high concentrations of nitrogen and phosphorus in the surface water,which also caused the increasing load to the ditch water.[Conclusion] Both the nitrogen and phosphorus loss were the highest in garlic-rice crop rotation.Reasonable crop rotation systems should be established based on both the environmental and economic benefits.This study provided references for controlling the nonpoint source pollution of farmland and improving the water quality of Erhai Lake.

典型挺水植物应用于湿地生态修复工程污染净化效应差异性研究

以洱海流域北部上游东湖片区库塘湿地中水生植物为研究对象,选取5种主要水生植物,寻求净化湿地水质的最佳植物组合。结果表明:东湖片区库塘湿地水体总磷、总氮、氨氮、化学需氧量分别为0.09~0.23、0.80~3.28、0.18~0.89、12.00~37.00 mg/L,总体符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类要求;综合比较发现,植物组合群落生物量和碳氮磷累积效应优于单一植物;植物组合对水体碳氮磷具有一定的吸收净化作用。

高原湖泊典型小流域农田氨挥发与近源沉降特征研究

氨(NH_(3))挥发是农田氮素损失的主要途径,进入大气的NH_(3)会通过干、湿沉降返回地表,成为湖泊外源营养盐输入的重要贡献源。针对近湖的农业生产区,系统定量农田NH_(3)挥发与大气氮沉降对优化农田氮素管理、防治水体面源污染等至关重要。以洱海流域典型近湖的古生片区农田为例,结合农户生产调研数据和大气氮沉降的连续监测数据,估算了2022年主要作物生长季(5-10月)农田NH_(3)挥发和大气NH_(3)及其他主要活性氮(如空气中硝酸、二氧化氮、颗粒态铵态氮和硝态氮;降水中铵态氮和硝态氮)的干、湿沉降通量,阐明农田NH_(3)挥发与NH_(3)干沉降之间的关系,明确大气NH_(3)干沉降在大气氮素总沉降中的贡献及近源的洱海湖区大气氮沉降量。结果表明,2022年主要作物生长季古生片区农田NH_(3)挥发总量为11.3 t,其中玉米生产的贡献最大,为4.7 t(约占挥发总量的41.7%),其次为烤烟和水稻(占比分别为34.0%和24.3%)。同一时期内,近湖监测点的大气无机氮沉降总量(干沉降与湿沉降之和)的月通量范围为0.66-1.57 kg·hm^(-2)(以N计,下同),总计为6.51 kg·hm^(-2)。不同月份大气NH_(3)干沉降量占相应月份大气无机氮沉降总量的42%-70%,说明气态NH_(3)是片区大气氮沉降的主要活性氮组分。此外,主要作物生长季NH_(3)干沉降总量占到农田NH_(3)排放的10.7%。据估算,在研究时期内,大气沉降监测点周边洱海水面的大气无机氮沉降量为35.9 t。这一结果表明大气氮沉降是洱海水体氮素的重要输入源。综上,减少农业NH_(3)排放将是降低大气氮沉降及洱海氮素入湖负荷的重要途径。

基于Google Earth Engine的洱海流域建成区范围及生态质量变化分析

以洱海流域为研究区,借助Google Earth Engine云平台,利用Landsat 8 OLI系列影像,合成研究区域的增强的指数型建筑指数(EIBI)并对洱海流域建成区进行提取,再对研究区域遥感生态指数进行合成,通过对建成区范围与流域范围内遥感生态指数进行空间相关分析,从而对2014—2021年洱海流域及其建成区进行生态评估。结果表明,EIBI可有效增强建筑信息,使用EIBI可有效、准确地提取研究区域建成区,经过EIBI提取,洱海流域2014—2021年建成区扩张面积共14.712 km2;2014—2021年洱海流域生态明显改善,遥感生态指数增加0.008,其上升速率为0.001/年,流域内超过65%的区域生态得到改善;洱海流域建成区与生态未得到改善区域大致匹配,建成区经过生态修复后生态质量未见显著提升,且建成区生态质量呈逐年下降趋势,说明建成区对环境改善具有阻力。

基于安德森模型的洱海流域小农户养老方式选择偏好及影响因素研究

为探索洱海流域小农户养老方式的选择偏好及影响因素,采用多阶段随机抽样方法抽取洱海流域40岁以上的村民290位,进行问卷调查获取数据;基于286份有效问卷运用卡方检验和二元Logistic回归,从40岁以上人员对养老相关问题的看法,分析小农户养老方式选择偏好的差异;以安德森行为模型为理论框架,探究倾向性因素、使能因素、需求性因素对洱海流域小农户养老方式选择偏好的影响。结果显示:洱海流域小农户目前以家庭养老作为主要的养老方式,倾向性因素是养老方式选择偏好最主要的影响因素,需求性因素次之。建议多方主体积极引导当地农户转变传统的养老观念,积极探索适合当地小农户的多元的养老方式,加大养老工作方面资金的投入力度。

洱海流域生态沟-库塘湿地系统对农田排水的净化效应

为探讨洱海流域生态沟-库塘湿地系统对农田排水氮、磷去除效应及其应用前景,在流域原位构建生态沟-库塘湿地系统对农田尾水进行了拦截净化,在分析流域雨季、旱季及全年3个时间段内系统进出水水质中化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)、总氮(Total nitrogen,TN)、总磷(Total phosphorus,TP)及铵态氮(Ammoniumnitrogen,NH_(4)^(+)-N)浓度变化特征基础上,引入改进灰色模式识别模型和综合平均污染指数对系统水质净化效果进行综合评价。结果表明,生态沟-库塘湿地系统对农田排水中TN、NH_(4)^(+)-N、TP和COD起到有效净化作用,全年对TN和COD去除率分别为15.20%~69.59%和4.46%~61.90%,出水最低浓度均可达地表水环境质量Ⅱ类标准;系统出水NH_(4)^(+)-N和TP全年平均分别达到地表水环境质量Ⅱ类和Ⅲ类标准。系统在雨季和旱季2个时间段平均出水分别为地表水环境质量Ⅲ类和Ⅳ类标准,全年平均出水可达地表水环境质量Ⅲ类标准,系统对农田排水中TN和COD的去除是影响出水水质变化的重要因数。该研究表明,生态沟搭配库塘湿地能明显提高对流域农田排水中氮、磷及COD去除效率,系统全年平均出水可达地表水环境质量Ⅲ类标准,同时具有运行稳定和环境经济效益的特点。

库塘湿地净化效果与植被分布的关系研究

该研究以洱海流域263座库塘湿地为研究对象,探讨了库塘湿地对氮、磷和有机质的净化效果,以及植被分布情况对库塘湿地净化效果的影响。结果表明:农田尾水、污水尾水和河流异位净化型库塘湿地对TN和TP的去除率高于COD,且3种功能类型库塘湿地对TN、TP和COD的净化效果表现为旱季高于雨季。库塘湿地植被种类单一,挺水植被是主要植被,超70%的库塘湿地挺水植被覆盖度范围为25%~75%,入侵植被分布广泛,总覆盖度超11%。物种数和覆盖度均与净化效果正相关,且物种数和覆盖度对TP的影响大于TN,覆盖度对TN、TP去除率的影响大于物种数。

洱海流域水稻氮足迹与减排潜力预测

协同环境保护和粮食安全对于流域农业高质量发展具有重要意义。水稻是我国第一大粮食作物,在高原湖泊流域内广泛种植,然而以往对全流域水稻氮的研究往往忽视了排放因子的空间异质性,且通过田间综合技术优化对水稻增产与减排潜力的影响尚不清楚。本研究以洱海流域为典型案例,基于洱海全域农户调研数据,运用生命周期评价与随机森林模型方法系统评估流域水稻生产氮足迹;并基于西南地区田间试验预测该流域水稻生产的减排潜力。结果表明:洱海流域水稻平均产量为8598.5 kg∙hm^(−2),平均氮肥投入量为222.0 kg(N)∙hm^(−2),主要以洱海北部和西部区域较高。平均活性氮损失为55.1 kg(N)∙hm^(−2),其中氧化亚氮(N2O)排放、氨(NH3)挥发、氮径流和氮淋洗占比分别为0.8%、61.3%、15.1%和22.9%;从空间分布特征来看,洱海北部和西部具有较高的环境风险。结合区域水稻种植面积,流域水稻活性氮损失为440.0 t。通过随机森林模型预测,洱海流域水稻种植可减少22.9%的活性氮损失,同时增加21.1%的产量。该研究可为探索高原湖泊流域内水稻绿色生产可持续氮素管理提供依据。

洱海流域土壤侵蚀强度时空变化及景观格局分析

采用改进的土壤流失方程(RUSLE)及热点分析研究了洱海流域2000—2020年的土壤侵蚀强度时空变化,并应用Fragstats软件从类型水平与景观水平分析土壤侵蚀影响下的景观格局变化趋势。结果表明:(1)20年间,年平均土壤侵蚀模数持续下降,微度侵蚀类型面积增加,而更强侵蚀类型的面积减少,说明洱海流域土壤侵蚀状况得到改善。(2)随着坡度增大,洱海流域年平均土壤侵蚀模数先增大后减小,在坡度为15°~25°时达到最大。(3)2000—2020年,洱海流域的景观格局也得到了优化。

洱海流域典型农灌区地下水水文地球化学特征

洱海流域位于澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带,属澜沧江—湄公河水系。近年来,流域快速城镇化、农村生活方式改变、高强度种植业增加、环湖旅游业“井喷式”无序发展等因素导致洱海流域污染负荷快速增加(张浩霞,2020)。洱海流域污染主要来源于工业、城镇生活、农村生活、养殖业、农业面源、服务业、水土流失、干湿沉降等(张浩霞,2020)。

洱海流域生态文化综合发展水平评价

洱海流域生态类型丰富多样,民族、生态和信仰多元共生,呈现出苍洱生态系统与本土文化耦合的生态文化内涵。当前洱海流域生态保护任务艰巨,民族传统文化的保护和发展也面临冲击。为给洱海流域高质量发展提供科学决策依据,本研究构建乡镇尺度生态与文化并重的生态文化评价体系。结果表明:洱海流域喜洲镇、凤羽镇、挖色镇的生态文化综合指数D值均在0.5以上,是流域内生态文化综合发展最好的区域。邓川镇的生态文化综合指数D值较低,为0.26。文化子系统和生态子系统发展较好区域相交于洱海,最终形成了以凤羽镇—喜洲镇—挖色镇为核心轴,辐射洱海流域的生态文化发展空间格局。流域内各乡镇生态与文化子系统耦合协调情况均在中度失调和轻度失调水平。据此将洱海流域划分成四大发展类型区:生态文化协同保护区、生态文化协同发展区、生态保护优先区、文化发展优先区,并提出了具体的发展建议。

基于FSO算法的洱海流域土地利用分类适用性研究

精确提取土地利用类型是治理流域生态环境的重要途径,而分类算法繁多,针对分类的对象效果不一。洱海流域作为高原断陷湖泊具有其独有的特征,开展分类方法适用性研究具有重要意义。以洱海流域作为研究区,基于Sentinel-2影像数据,创新地融合了地物的光谱特征、几何结构和纹理特征,筛选出34个最优分类特征值,运用特征空间优化算法,对比分析支持向量机、随机森林和决策树3种分类方法在洱海流域的适用性。结果表明,在特征重要性排名中,红边指数(NDREI)相对于归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)表现出更为显著的优势,在所有特征中贡献率排名居首位;在优化特征空间后,支持向量机(SVM)的分类总体精度和Kappa系数效果最好,提高3.75和5.06个百分点,决策树(DT)效果最差,仅提高了1和1.17个百分点;相对于其他两种分类方法,优化特征空间的随机森林(RF)分类总体精度和Kappa系数最高,达到90.63%和88.87%,并且在细节上更符合真实地物分布,如在地物分布的细碎区域、区分湿地、水体和建设用地的效果明显。利用特征空间优化算法提高了分类方法的精度,随机森林对洱海流域的土地利用分类具有最强的适用性。

洱海流域污水治理历程与治理对策分析

污水治理是洱海保护治理中的重要组成部分,通过收集整理洱海水污染治理相关资料,回顾和总结洱海流域各个时期污水治理措施与成效,分析当前洱海污水治理存在的问题,提出相应的意见建议,以期助力洱海污水治理工作的推进。

洱海流域灌水模式对稻田可溶性氮磷浓度的影响

面源污染是全球水环境污染治理面临的严峻挑战之一,氮磷污染是面源污染重要的组成部分。为了探索洱海流域水稻种植较优的灌水模式以促进农业生产和减少面源污染,开展了稻田不同灌水模式施肥后地表水、土壤水和地下水的氮磷浓度变化试验研究。结果表明,相同施肥量处理下,稻田地表水中铵态氮和磷酸盐浓度在施肥后1 d达到峰值,7 d达到最低值,之后趋于相对稳定。土壤水和地下水的峰值滞后2 d。与常规淹灌模式相比,控制灌溉模式同一指标浓度总体较高,有利于提高水肥利用率,同时渗漏量较低,使得通过渗漏进入地下水中的污染物降低。

不同轮作模式对大理烤烟生产的影响

在大理州土地流转区域内,结合气候和土壤特点以烟草为中心作物,研究轮作周期内作物养分供应技术对植烟土壤及烤烟生产的影响。研究结果表明:(1)洱海流域烤烟—豌豆(莴笋)—水稻—豌豆(莴笋)—烤烟的轮作模式下,前作为豌豆时,2年4茬作物采收后的土壤pH值下降了0.11个单位,有机质含量增加0.14%,碱解性氮含量下降了14.17%,有效磷含量下降了49.96%,速效钾含量下降了63.79%;前作为莴笋时,土壤pH值下降了0.05单位,有机质含量增加0.11%,碱解性氮含量下降了40.79%、有效磷含量下降了21.82%、速效钾含量下降了52.81%;前作为豌豆,后作烤烟(红花大金元)的产量、产值、上等烟比例、中上等烟比例分别为228.5 kg/667 m^(2)、6900.70元/667 m^(2)、64.6%、91.5%,较前作为莴笋分别增加4.05%、3.36%、3.3个百分点、0.9个百分点,且中部烟叶的化学成分协调性良好;(2)非洱海流域烤烟—豌豆(大蒜)—水稻—豌豆(大蒜)—烤烟轮作模式下,前作为豌豆的2年4茬作物采收后的土壤pH值下降了0.07个单位,有机质含量增加1.22%,碱解性氮含量增加16.15%,有效磷含量下降了13.70%,速效钾含量增加84.76%;前作为大蒜的土壤pH值下降了0.8个单位,有机质含量减少1.00%,碱解性氮含量增加42.19%,有效磷含量增加216.07%,速效钾含量增加118.94%;前作为豌豆,后作烤烟(云烟87)的产量、产值、上等烟比例、中上等烟比例分别为223.4 kg/667 m^(2)、6474.00元/667 m^(2)、70.5%、90.8%,较前作为大蒜分别增加4.68%、9.96%、2.0个百分点、2.3个百分点;(3)整体而言,以豌豆和水稻构建的大理州特色烤烟轮作模式,对烤烟生产、烟农收入、环境保护等方面均具有积极的影响。

基于土地利用动态变化的洱海流域上游生态系统服务价值分析

为探究洱海流域上游土地利用动态变化趋势及其与生态系统服务价值(ESV)的关系,以Landsat TM/OLI遥感影像为基础,解译得到2000年、2005年、2010年、2015年和2019年共计5期土地利用数据,运用转移矩阵、土地利用动态度、改进的生态系统服务价值当量因子等方法,分析洱海流域上游土地利用变化规律、生态系统服务价值动态趋势及其相互影响。结果显示:(1)耕地、林地和草地是研究区主要的土地利用类型和土地转换类型,其他用地动态度最高(13.76%),草地最低(-2.17%);(2)运用改进的价值当量因子核算研究区ESV,其一级服务功能为调节服务>支持服务>供给服务>文化服务,二级服务功能中,水文调节的ESV最高,维持养分循环最低;(3)20 a洱海流域上游林地和草地的ESV最高,总体呈上升趋势,林地、草地和水域是主要的贡献因子和敏感因子。林地、草地和水域分别在2000-2005年、2010-2015年、2015-2019年生态贡献率最高,为62.62%、64.12%、53.66%;(4)各地类转入转出变化与其ESV变化呈线性关系,林地、草地和水域面积的转入和转出是影响洱海流域上游ESV变化的主要原因。研究表明,洱海流域上游总体土地利用开发需求相对较低,生态环境不断改善,ESV呈现不断上升趋势。

洱海流域高肥力土壤的碳磷比特征及调控途径

为提高高肥力土壤磷素安全可持续利用,探究高肥力土壤碳磷比特征。选取洱海流域3种典型作物类型(粮食作物—玉米、地方特色高值经济作物—烤烟和高值高投入作物—蔬菜)作为研究对象,采集27个样点土壤,测定土壤碳磷含量并计算碳磷比。结果表明:(1)土壤有机碳(SOC)含量为31.91 g/kg,种植不同作物类型土壤SOC含量无显著差异;(2)土壤有效态无机磷(NaHCO_(3)提取态无机磷,简称NaHCO_(3)-Pi)含量为156.7 mg/kg,有效态有机磷(NaHCO_(3)提取态有机磷,简称NaHCO_(3)-Po)含量为63.43 mg/kg,种植不同作物类型的土壤有效态无机磷/有机磷含量(NaHCO_(3)-Pi/NaHCO_(3)-Po)无显著差异,均表现为蔬菜地>烤烟地>玉米地;(3)洱海流域农田土壤C/NaHCO_(3)-Pi比为321.42,C/NaHCO_(3)-Po比为1138.25,土壤C/NaHCO_(3)-Pi比显著低于全国和西南地区,种植不同作物类型土壤中,蔬菜地碳磷比(C/NaHCO_(3)-Pi)显著低于玉米地。综上所述,洱海流域土壤碳磷含量较高,尤其磷含量高,造成土壤碳磷比显著降低,投入高的蔬菜地碳磷比显著低于玉米地,影响土壤微生物对磷的转化,同时也带来磷污染问题。因此,可通过调控碳磷比实现高肥力土壤中磷素的安全可持续利用,添加高碳磷比物料以提高土壤碳磷比,增加微生物对土壤磷的固持,将土壤磷储存在微生物磷库中,减少土壤磷素向水体的流失。

施肥管理对洱海流域烤烟产质量及氮磷养分径流损失的影响

优化施肥管理措施,实现洱海流域植烟区农田氮磷养分资源高效利用,有利于协同提升烤烟的经济、品质和环境效益。通过在不同类型烟田(洱海西部银桥镇和洱海北部三营镇)设置径流收集装置,明确了洱海流域烤烟K326和红花大金元品种在不同处理(不施肥-CK、有机肥-FP、复合肥-CF和有机无机肥配施-OAI)下烟叶品质、产值、肥料利用率、氮磷养分径流损失量以及土壤无机氮动态等指标,明确协同实现高产出与低径流损失的施肥种类及用量。结果表明:洱海流域烟田径流量与降水量间均有显著线性正相关关系(P<0.05)。无机氮素流失的主要形态是硝态氮,磷素流失的主要形态是可溶性磷。与FP处理相比,OAI处理在银桥分别减少总氮、总磷径流流失量42.61%、4.81%,在三营减少总氮、总磷流失量30.17%、25.00%。并且OAI处理在各项经济性状和内在品质指标上均表现较优,在洱海西部银桥烤烟的产量、产值获得最大值,分别高于FP处理3.61%、12.85%;在洱海北部三营,产量、产值分别高于FP处理4.30%、14.87%。同时,银桥和三营OAI处理成熟期表层土壤(0~20 cm)无机氮残留分别低于FP处理50.39%和15.75%,有效降低养分资源浪费。本试验结果为实现洱海流域植烟区面源污染防治和农田养分资源高效利用提供了理论基础和技术途径。

洱海流域坝区马铃薯绿色高效栽培技术

马铃薯是耐旱、耐贫瘠作物,是落实洱海保护、农业转型发展、发展绿色生态农业和有效控制农业面源污染的可行作物。近年来,经过政府部门、农业科技人员及薯农的不断探索和实践,在大理白族自治州洱海流域坝区形成了一套比较成熟的马铃薯绿色高效栽培技术。文章对洱海流域坝区马铃薯生产情况、品种及种薯选择、整地及播种、田间管理和适时收获五个方面进行了详细介绍,旨在为洱海流域坝区马铃薯生产提供技术指导,并供相似地区参考。

不同种类有机肥替代化肥对烟田氮、磷养分流失及烤烟生长的影响

采用田间原位实时收集水样方法,探究了不同前作(大蒜和蚕豆)条件下施用不同有机肥种类替代化肥对烤烟生长和烟叶的产量、产值、内在品质以及烟田氮磷养分流失等的影响。结果表明:牛粪和油枯有机肥配合有机液体肥处理的烟草农艺性状均优于化肥处理。2种有机肥处理的烟草产量和产值较化肥处理显著增加,其产量增幅分别为10.95%~13.91%和8.58%~10.99%,产值增幅分别为16.22%~22.18%和12.51%~20.54%,烟叶化学成分含量均较为适宜。2种有机肥处理的径流水和渗漏水的总氮、总磷、硝态氮等流失量均显著低于化肥处理,但其径流水和渗漏水的铵态氮流失量与化肥处理之间差异不显著。因此,洱海流域采用牛粪或油枯有机肥配合有机液体肥替代化肥,能促进烤烟的生长,提升烟叶的产量、产值及其内在品质,可降低烟田氮磷养分的流失,减少洱海流域的面源污染。