农田土壤重金属污染现状与安全利用技术研究进展

重金属污染农田直接影响粮食安全和农业可持续发展。安全利用技术主要通过降低土壤中重金属的生物有效性,以减少作物对重金属的吸收累积和消减重金属进入食物链的风险,其对解决我国重金属污染农田有效利用和保障粮食安全生产具有重要意义。因此,本文首先分析了农田土壤重金属污染成因与现状,然后综述了不同安全利用技术,如农艺调控措施(包括低累积作物品种筛选、水肥管理及间作或轮作耕作方式)、原位钝化改良和叶面阻控技术的研究进展,最后提出了强化重金属污染农田土壤安全利用研究及应用的对策。

耕地重金属污染与安全利用综述

耕地土壤是人类赖以生存的重要资源之一,为农作物生长提供必要的养分和物质基础。然而,随着工业化和农业现代化的快速发展,重金属污染耕地土壤的问题日益严重。重金属污染不仅影响农产品质量安全,还会通过食物链危害人类健康。本文简要介绍了耕地土壤重金属污染情况,详细阐述了重金属污染对土壤、植物环境和人类健康的影响,总结了重金属污染耕地的安全利用措施,以期为耕地土壤重金属污染治理修复和安全利用提供参考。

镉污染农田安全利用技术研究进展

镉是农田土壤污染较为突出的重金属元素之一,具有较高的毒性、移动性和生物有效性,对农产品安全生产造成严重影响。镉的生物有效性决定了植物根部对镉的吸收。土壤镉生物有效性调控技术成为近年来农业资源利用领域的研究热点。本文综合评述了镉污染农田安全利用技术,包括原位钝化技术、叶面阻控技术以及农艺调控技术,针对各种修复技术的特点,提出了镉污染农田土壤修复技术的研究和发展方向,以期为镉污染农田安全利用技术的研究提供参考。

南疆地区玉米和棉花的氮磷钾肥利用效率及影响因素

为探究南疆施肥效果以及土壤肥力与肥料利用效率之间的相关性,2021年,在南疆地区开展35个肥料利用率田间试验(玉米16个、棉花19个),设置缺素处理(NP、PK、NK)和全肥处理(NPK),分别对玉米、棉花施用氮、磷、钾肥的产量反应、农学效率、养分积累规律、土壤肥力和施肥对肥料利用效率的影响等开展针对性研究。结果显示:玉米和棉花的NPK处理平均产量分别为14020.3 kg/hm2和6582.7 kg/hm2,二者的平均农学效率分别为N 13.0 kg/kg、P2O513.3 kg/kg、K2O 10.7 kg/kg和N 6.1 kg/kg、P2O57.6 kg/kg、K2O 7.5 kg/kg,氮、磷、钾肥平均利用率分别为42.4%、21.2%、54.1%和41.7%、18.9%、58.2%,施氮、磷、钾肥分别增产30.6%、14.7%、6.5%和41.5%、21.1%、13.4%。施肥可显著提高玉米和棉花对氮、磷素的吸收,每形成100 kg玉米籽粒需要N 2.44 kg、P2O50.91 kg、K2O 2.87 kg,每形成100 kg棉花籽棉需要N 5.37 kg、P2O51.67 kg、K2O 4.36 kg。玉米磷肥利用率与磷肥施用量呈显著负相关,棉花磷钾肥利用率与磷钾肥施用量也均呈显著负相关。玉米产量与磷肥施用量呈显著负相关,与土壤有效磷含量又呈显著正相关,南疆地区玉米可能存在一定的过量施用磷肥问题。玉米、棉花的钾肥利用率与土壤有效磷含量呈显著负相关。土壤pH与棉花产量、玉米的氮磷肥利用率均呈显著负相关。结果表明,南疆地区土壤盐碱化是影响棉花产量及玉米氮、磷肥利用率提高的主要限制因素之一。

江苏省种植业碳排放的测算及达峰分析

在实现“碳达峰、碳中和”的目标背景下,明确农业温室气体排放现状,模拟预测峰值,为促进江苏省农业低碳减排提供科学依据。基于农业物资投入和农田土壤利用2类碳源,采用IPCC碳排放系数法和清单法综合测算江苏省1990—2020年间种植业碳排放量,运用Tapio脱钩模型对农业碳排放量与农业经济增长的脱钩关系进行分析,并根据灰色预测模型GM(1,1)对2021—2060年碳排放量进行预测。结果表明:(1)2020年江苏省种植业碳排放为1999.53万t,1990—2020年间呈现先增加后降低再增加然后趋于平稳的趋势;种植业碳排放主要来源于农田土壤利用,农田土壤利用碳排放占比为77.73%~86.95%,农资投入碳排放占比为13.05%~22.27%;(2)化肥是农资投入碳排放源中最主要的排放源,其占比为69.15%~79.20%,其次是农药和农膜,农机、灌溉、翻耕占比均较低;(3)水稻是农田土壤利用排放源中最主要的排放源,其占农田土壤利用碳排放的79.76%~87.23%,其次是小麦和蔬菜,大豆、玉米、棉花占比均较低;(4)脱钩关系以弱脱钩和强脱钩为主,表明随着种植业生产总值的提高,农业种植碳排放呈缓慢增长或递减的趋势;(5)分别以1990—2020(近30年)和1999—2020(近20年)年农业种植碳排放量数据为样本,预测2021—2060年江苏省农业种植碳排放呈持续增长趋势,2060年仍未达峰;以2010—2020(近10年)年农业种植碳排放量数据为样本预测,2021—2060年江苏省农业种植碳排放呈持续降低趋势,种植业碳排放已于2020年达到峰值,表明近年来江苏省在低碳绿色农业发展已初见成效。

磷石膏无害化改性及其在农田土壤改良中的应用研究进展

工业废弃物资源化利用是全球关注的热点问题,磷石膏(Phosphogypsum,PG)无害化改性及在土壤改良中的资源化应用是缓解磷化工产业废弃物大量堆积问题的重要途径之一。本文首先回顾了磷石膏在农田土壤改良中调控酸性及受污染土壤、补充土壤养分及提高氮素利用效率、缓解连作障碍和促进作物生长、降低农田温室气体碳排放等方面的应用和效果,并总结了存在的环境风险。进而,从物理、化学、生物及其他技术方面系统探讨了磷石膏在农业资源化应用过程中需进行的无害化改性措施,阐明了改性磷石膏的主要作用机理(阴离子吸附、调控pH、增效缓释、调控根区微生物环境等)。最后,提出了无害化改性磷石膏在农业资源化利用过程中尚待解决的科学问题及研究方向,以期为我国磷石膏资源化利用研究及磷化工产业的可持续发展提供科学依据。

旱地高标准农田建设中雨水资源高效利用的措施研究

为充分利用雨水资源应对旱地雨养农业区水土流失和干旱缺水等问题,发挥旱地在我国粮食生产中的重要地位,本文结合我国的气候条件以及作物种植实际,围绕高标准农田建设中如何增加雨水利用效率,从土壤内、土壤外和土壤内外结合3个角度提出了一些有效措施:(1)增加土壤蓄水库容,即深耕增加旱地土壤有效层厚度;(2)增加土壤有效水含量,即改善土壤结构增加土壤毛管孔隙;(3)增加补充水源,即兴建水窖、水池、水塘、小型堰坝、提水泵站等微小水源工程;(4)增加雨水灌溉利用效率,即增加配备有简易水肥一体化的微灌灌水设施。

旱地农田壤中防渗对灌溉水水分利用率的影响

在干旱半干旱地区,节水灌溉是农田增产的重要措施。为给壤中防渗措施在节水灌溉中应用提供理论依据。利用大型称重式蒸渗仪研究了两种防渗措施下冬小麦生育期灌溉水入渗再分布、蒸散、作物根系生长、产量和水分利用效率等。研究结果表明:在冬小麦生育期,采用壤中防渗措施能显著提高防渗层(0~40 cm)之上的土壤平均贮水量,壤中压实(C)和铺膜处理(P)分别比对照组(CK)提高6.8%和10.0%;明显提高蒸腾(T)在蒸散(ET)中的占比,促进作物对灌溉水的吸收利用;促进冬小麦根系生长发育,C和P处理0~100 cm根系生物量分别增加了10.4%和28.0%;C和P处理的产量分别比CK处理提高5.4%和18.3%,水分利用效率分别比对照提高0.94和3.19个百分点。在考虑环境因素的前提下,壤中压实防渗处理更适用于在西北旱地农业生产中应用。

绿洲化进程中不同利用强度农田对土壤质量的影响

土壤质量研究对于区域土地可持续利用及当地环境维护具有重要价值。以处于极端干旱背景下的塔里木盆地南缘策勒绿洲为研究区,以农田这一重要的土地利用类型为研究对象,探讨在绿洲化进程中不同农田利用强度对绿洲荒漠土壤的影响。2004年根据当地农民耕作习惯建立4块试验农田,分别代表当地典型的农田利用强度。通过土壤粒径分布分形特征,及基于土壤养分指标的土壤质量指数(SQI)、基于生产力数据的产量可持续性指数(SYI)分析,多角度探讨农田在不同利用强度下的土壤质量分异特征。研究表明农田位置与人为管理强度会对土壤质量产生重要影响,在绿洲边缘对农田开发利用应当采取谨慎的态度及合理的管理方式。研究在客观分析并揭示绿洲化进程中农田土壤质量分异的同时,也为绿洲农田可持续利用管理提供科学建议。

华北地区冬小麦-夏玉米轮作节水体系周年水分利用特征

【目的】定量研究华北地区冬小麦-夏玉米轮作节水体系的水分周年利用特征。【方法】在大田条件下,通过在小麦季设不灌水(W0)、拔节水(W1)、拔节水+扬花水(W2)和起身水+孕穗水+扬花水+灌浆水(W4)4个水分处理,进行了两个周期的研究。【结果】(1)小麦产量和周年最高产量两年分别在节水灌溉处理W1和W2获得,玉米产量在不同处理间无显著差异。小麦水分利用效率(WUE)与产量的表现相似,玉米WUE显著高于小麦,并随灌水量的增加显著降低;周年WUE则在W0或W1处理最高,而后随灌水量的增加显著降低。(2)W4处理的2 m土体土壤水分含量在各个阶段没有明显变化,其它处理则随小麦生育进程而不断降低(即土壤水分库容不断变大),且灌水次数越少降幅越大,至小麦收获期达到最低点;到玉米拔节期,由于降雨补充所有处理的土壤含水量趋于一致,相应地,2 m土体接纳汛期降雨分别为178—188 mm(W0)、124—160 mm(W1)、38—93 mm(W2)和-30—21 mm(W4)。(3)随灌水量增加,作物耗水强度和季节蒸散量变大;玉米拔节期后,作物耗水特性与土壤水分变化无差异。(4)降雨致使出现水分的深层渗漏,丰水年和平水年分别为163 mm(W0、W1)、181 mm(W2)、253mm(W4)和13 mm(W0、W1、W2)、45 mm(W4),丰水年小麦季W4处理也有54 mm水分深层渗漏。丰水年W0和W1处理实现了127 mm和57 mm对地下水的净回补。【结论】小麦节水栽培显著减少了对地下水的开采,大幅提高了降雨的利用效率,可实现作物对水资源的高效利用和丰水年降雨对地下水的净回补。丰水年W1处理或平水年W2处理有利于水分高效利用与高产的统一,对于华北地区农业的可持续发展具有重要意义。

栽培植物的耐镉性与镉污染土壤的农业利用

为了有效实施镉污染农田农业生态整治与安全高效利用策略 ,采用室外微区池栽培实验 ,对我国南方几种主要栽培植物耐土壤Cd污染能力进行了比较分析。指出禾谷类作物水稻和玉米虽然对Cd的生理耐受性较强 ,但其产品 (籽实 )易因Cd污染影响而丧失食用价值 ,属于污染敏感型作物 ,不宜在污染区种植 ;油菜、花生和甘蔗等对Cd的生理耐性较强 ,产品 (种子油、蔗糖 )中Cd存留量低 ,对食用品质影响较小 ,可考虑在轻污染区保留种植 ,但油料作物的秸秆和饼粕、蔗渣等应作为污染物妥善处理 ,不宜作肥料或饲料利用 ;纤维植物棉花、红麻、苎麻和蚕桑对土壤Cd污染都有不同程度的耐受性 ,产品质量基本不受Cd污染的影响 ,产品中的Cd不进入食物链 ,因此 ,在对污染农田实施农业生态整治与安全高效利用策略时 ,可作为改种改制的首选作物。

基于暗管埋设的农田生态工程对运东滨海盐碱地的改良原理与实践

我国具有丰富的盐碱地资源,滨海盐碱地是其重要组成。运东滨海平原盐碱地具有地下水埋深浅,土壤盐分重,土壤水盐季节性变化强烈等特点。基于上述特点,该区域农作物限制因子为盐分胁迫、干旱和涝渍害。针对限制因子总结了各种农田生态工程手段的实施及原理。通过对当地常见作物3种胁迫的敏感时期分析,结合农田生态工程原理,在河北省南大港管理区的荒地进行了农田生态工程改良盐碱地实践研究。结果显示,棉花、玉米的产量可分别达到2.23~3.98 t·hm-2和4.6~6.7 t·hm-2,接近当地耕地的平均水平。小麦-玉米一年两熟粮食总产量可达9.6~10.8 t·hm-2,小麦-谷子一年两熟粮食总产量达到9.1~11.9 t·hm-2。农田生态工程显著地增加了作物的种植适宜性,使多种轮作制度成为可能。但是单项的生态工程技术都有一定的局限性,如咸水结冰灌溉会增加土壤盐分,暗管工程会降低土壤养分含量和有效性,因此农田生态工程应系统化和体系化。多种技术手段互补,最终实现调整盐碱地土壤水分、盐分季节性分配,使作物避开盐分、水分胁迫敏感期,使作物生长与土壤水盐季节变化耦合,完成作物生命周期并形成产量,最后在周年内达到土壤积盐与排盐平衡。暗管工程必将取代明沟作为盐碱地区排水的基础,也是各项生态工程的基础。而农田生态工程技术的多样化、系统化和体系化是未来改良盐碱地的发展趋势。

土壤污染区耕地置换开发利用及防治对策探讨

分析概括了四类典型土壤污染区,即城市周边区、工业聚集区、矿冶集中区、交通干线两侧等,并对土壤污染区耕地的置换开发利用进行了探讨,提出了退耕还林优选区、中心居民点建设优选区、农地整理优选区、农业结构调整优选区、农用地流转优选区等。从三个方面提出了防治耕地污染的政策性建议。

镉污染农田土壤安全利用策略及其思考

我国农田土壤镉(Cd)污染形势日益严峻,已对粮食安全及人体健康构成威胁。该文分析了我国农田土壤Cd污染的来源、污染现状及主要危害,从Cd低积累作物品种筛选、原位钝化技术、农艺措施调控及综合防控-安全利用模式等角度总结了Cd污染农田土壤安全利用的相关技术应用现状。在此基础上,提出了在Cd污染农田土壤安全利用过程中尚存在区域差异显著、源头管控不足、过程拦截不到位、末端治理技术的局限性及修复治理评价机制缺失等问题,认为今后应当从建立分区分类污染防治体系,重视污染源解析与源头管控,规范农业生产过程管理、技术完善、集成与应用及建立健全的防治效果评估机制等方面推进Cd污染农田土壤安全利用工作。

慈溪1000年时间序列农田土壤氮矿化和硝化的变化

长时间序列土壤关键氮(N)转化过程和相关微生物的变化规律仍不清楚。以慈溪市滨海围垦农田土壤为研究对象,利用室内培养法研究了11个不同利用年限土壤(0~1000a)N矿化速率、硝化强度和硝化细菌数量。结果表明,随着利用年限的增加,土壤电导率和pH下降,而有机质和全氮逐渐积累,土壤性质在利用前50a内变化幅度较快;土壤N矿化速率的大小表现为:220~1000a>0~50a>60~200a;硝化强度大体随着利用年限的延长而增强,而土壤硝化细菌数量表现为在0~20a增加后逐渐降低的趋势,其中,20~60a达到最高;皮尔森相关和聚类推进树(ABT)分析表明,土壤利用年限(45%)、电导率(12%)和有机质(11%)是影响硝化强度的主控因子,土壤中NH4+-N和有效磷含量分别是影响N矿化速率(86%)和硝化细菌数量(42%)的关键限制因子。因此,海陆界面土壤在持续农业利用过程中,硝化强度及硝化细菌丰度得到一定加强,但同时受到历史条件和当代环境因素的共同影响。

基于CiteSpace的农田安全利用研究态势分析

【目的】开展基于CiteSpace的农田安全利用研究态势分析,为我国耕地资源的可持续利用提供参考依据。【方法】利用CiteSpace VI对2000—2022年来源于中国知网(CNKI)中农田安全利用研究领域的1419篇文献信息进行科学计量可视化分析,采用普赖斯理论计算核心作者群体,评估我国耕地资源的保护利用态势。【结果】2000—2022年我国农田受重金属污染问题愈发严重,安全利用研究领域的年发文量总体上呈波浪式快速上升,自2003年以后广大专家学者对该研究领域愈发重视。对主要研究力量的分析结果表明,中国科学院大学、中国科学院南京土壤研究所、农业农村部环境保护科研监测所、中国科学院地理科学与资源研究所和云南农业大学资源与环境学院是发文量排名前5位的研究机构,分别发表70、63、36、35和19篇文献,而其他研究机构之间连线密度较低,合作基础薄弱;陈同斌、宋波、骆永明、湛方栋和吴龙华是发文量排名前5位的高产作者,分别发表24、20、17、15和15篇文献,但发文量排名前10位作者的中心性较低,为0~0.06。关键词共现与聚类分析结果表明,源解析、钝化修复、钝化剂、生物炭、镉污染、小麦和健康风险是近几年的突现关键词,突现强度分别为5.30、5.19、4.57、4.75、4.64、3.34和3.81,与上述关键词相关的主题是我国农田安全利用研究领域当前及未来一段时间的主要研究方向;植物修复、农作物安全生产及农田土壤重金属污染与风险评价是广大专家学者研究的热点。【结论】2000—2022年我国农田受重金属污染问题愈发严重,农田安全利用研究领域的年发文量总体上呈波浪式快速上升,但发文量排名前10位作者的中心性均较低,大部分研究机构间的连线密度较低,合作基础薄弱。因此,建议进一步加强核心作者间的协同创新研究,持续推动研究机构间的合作交流,以促进我国耕地资源的保护和利用。

重金属污染农田安全利用:进展与展望

我国耕地土壤污染面积广,污染情况复杂,农产品重金属超标问题已经关系到国计民生。常用的物理化学修复方法成本高,不适用于大面积的中低污染农田。植物提取修复方法成本低,环境友好,但修复时间长,推广困难。总的来讲,基于重金属移除的诸技术在解决农田重金属污染方面还没有太大优势。相较而言,农田安全利用在不移除或缓慢移除土壤重金属的条件下,以生产安全农产品为目标,具有更加坚实的现实意义和推广价值。种植低吸收农作物是安全利用的重要措施,基因工程手段在低吸收农作物品种筛选中具有巨大的潜力,但其可能带来的生态环境风险使得这些通过基因工程得到的低吸收作物的田间种植面临着巨大挑战。土壤添加剂可以改变土壤重金属形态,降低重金属的生物有效性,但会对土壤质量产生影响。微生物尤其是土著微生物的利用越发受到关注,改变微生物的生存环境与基因工程手段能够强化微生物的钝化效果。施肥、水分管理、间作等农艺措施也能改变土壤重金属的形态,抑制作物对重金属的吸收。未来以加强推广为目的,多种技术手段的联合应用是重金属污染农田安全利用的重要发展方向,其中以生物技术为核心的利用模式具有十分重要的意义。

长江经济带测土配方施肥技术效果及其改进——基于滇、鄂、苏三省水稻种植的实证分析

基于长江经济带所属云南、湖北和江苏3省的农户调查数据,运用Trans-log形式随机前沿生产函数测算了水稻种植户的化肥施用效率,进而利用Tobit模型估计了农户采用测土配方施肥技术对其水稻化肥施用效率的影响。研究结果显示:在其他条件不变的情况下,长江经济带的水稻化肥施用效率仍存在31.5%的改进潜力,长江上游地区(云南)的水稻化肥施用效率低于长江中游地区(湖北)和长江下游地区(江苏);长江经济带的水稻化肥施用效率要低于水稻生产技术效率,说明现阶段减少化肥用量不仅不会导致水稻产量下降,反而有助于提高化肥施用效率;农户采纳测土配方施肥技术显著提高了水稻化肥施用效率,但对于化肥施用效率处于较高水平的农户,测土配方施肥技术对化肥施用效率的提升作用有所减弱。研究结果表明,通过高标准基本农田建设促成土地连片化经营能够提高测土配方施肥技术对化肥施用效率的改进作用。

镉污染农用地安全利用技术研究与运用

我国农业发展面临着严重的镉污染问题,研究减少镉进入食物链的安全利用技术或模式,对有效地利用现有土地资源并保障食品安全具有重要意义。本文综述了镉污染耕地安全利用的主要技术,包括农艺调控措施、合理施用土壤改良剂、叶面阻控技术、种植结构调整,介绍了镉污染耕地安全利用技术的研究进展以及在实际运用中需要考虑的问题。

贵州非农业建设占用耕地耕作层剥离利用研究

探讨贵州省非农业建设用地占用耕地时,剥离耕地耕作层土壤用于新增耕地、劣质耕地土壤培肥的必要性、可行性,并提出初步剥离与利用的技术流程与原则。结果表明:贵州特殊的地貌和地质条件决定了其宜耕耕地的质和量上呈现出明显在空间错位,耕地后备资源匮乏。随着贵州经济社会的跨越式发展,非农业建设占用耕地的刚性需求加剧,使得耕地保护形势将更加严峻。开展耕地耕作层土壤剥离与利用,是除耕地整理和废弃地复垦外一种新的增加耕地方式,是实现贵州省耕地占补平衡有效途径。