白洋淀流域种植结构及氮盈余的时空变化特征

针对种植业氮素过量投入造成的流域农业面源污染问题,该研究以白洋淀流域核心区域粮食作物和经济作物为研究对象,以粮经比为种植结构评价指标,从氮素平衡角度考虑,探究白洋淀流域种植结构变化对区域水环境的影响。研究结果显示:1)白洋淀流域种植结构时空变化明显,时间上,研究期内白洋淀流域粮经比总体呈小幅度上升趋势(4.47~5.72);空间上,距白洋淀淀区距离越大,区域内粮经比越小,临白洋淀区粮经比(15.11~19.23)明显高于白洋淀上游粮经比(2.44~2.64);2)白洋淀流域种植业氮盈余量时空分异特征明显,时间上,研究期内白洋淀流域种植业氮盈余量总体呈下降趋势((26.29~18.49)×10^(4)t);空间上,各区域种植业氮盈余量表现为:白洋淀中游((10.39~14.48)×10^(4)t)、白洋淀下游((4.35~7.09)×10^(4)t)、临白洋淀((2.24~2.64)×10^(4)t)、白洋淀上游((1.51~2.58)×10^(4)t);3)白洋淀流域种植业氮盈余强度与粮经比呈显著负相关关系(P<0.05),其中,研究期内某一区域粮经比基础值越小,其上升幅度越大,种植业氮盈余强度下降幅度越大;4)通过调控粮经比可明显改变区域内种植业氮盈余强度,如将白洋淀中游粮经比调整到12.13~17.79,其区域内种植业氮盈余强度可由Ⅳ级水平(>220~260kg/hm^(2))降低到Ⅱ级水平(≥140~180 kg/hm^(2))。因此,基于区域种植结构与氮盈余强度的关系,可通过调整种植结构来调控氮盈余强度,从而控制氮盈余量以降低种植业氮素投入的环境风险。研究结果可为白洋淀流域和其他流域种植业氮素污染控制提供科学依据。

长期施用有机肥小麦玉米轮作土壤系统氮盈余及损失量估算

以连续10年长期定位试验数据为依据,研究不同有机肥(以纯N计)0、120、240、360、600 kg/hm^(2)处理在冬小麦-夏玉米轮作土壤系统的氮素吸收利用和土壤氮库变化,利用氮素平衡法估算氮损失量,计算氮素利用率、残留率和损失率,探讨利用氮素平衡法计算氮效率作为有机肥合理施用的评价指标。结果表明:(1)随着试验年限的增加,有机肥氮0、120、240 kg/hm^(2)处理的氮盈余逐年增加,然后趋于稳定状态;有机肥氮360、600 kg/hm^(2)处理每年都存在超过有机肥氮投入量一半的氮盈余。(2)施用有机肥处理土壤氮库逐年增加,且施氮量越大增量越大;10年后各有机肥氮处理土壤氮库趋于稳定。(3)10年后,有机肥氮120 kg/hm^(2)处理氮素利用率在75%左右;有机肥氮240、360和600 kg/hm^(2)处理氮素利用率分别维持在60%、45%和30%左右;各有机肥氮处理的氮素残留率在10%~15%之间;有机肥氮120 kg/hm^(2)处理氮素损失率为10%左右,有机肥氮240 kg/hm^(2)处理氮素损失率为30%左右,360和600 kg/hm^(2)处理氮素损失率为45%和60%左右。在华北地区冬小麦夏玉米一年两熟条件下,长期施用有机肥10年后,土壤系统趋于稳定状态,每季作物施用有机肥氮240 kg/hm^(2),周年氮素盈余为250 kg/hm^(2)左右,氮素表观残留量为80 kg/hm^(2)左右,氮素损失量为180 kg/hm^(2)左右,相应的氮素平衡法计算的氮素利用率、残留率、损失率分别为60%、10%、30%左右。利用氮素平衡法计算氮效率可以作为评价有机肥合理施用的指标。

海南典型稻菜轮作区和香蕉园氮磷盈余及土壤硝态氮累积

【目的】海南省是我国稻菜轮作和香蕉种植面积较大的省份,农户投入的氮(N)和磷(P)肥远超过了作物的养分需求,对海南生态环境可能造成不利影响。研究海南典型作物体系氮磷输入、输出、盈余及土壤硝态氮累积,为评价其养分损失及环境影响、提高养分管理水平提供科学依据。【方法】2021—2022年选取海南稻菜轮作和香蕉种植典型区域澄迈县为研究区,确定20个稻菜轮作田块和15个香蕉园。采用跟踪记录的方法获取所有地块的化肥施用量、有机肥施用量和秸秆还田方式及还田量等信息。采用跟踪采样的方法测定作物生物量及其养分含量。采用文献调研的方法获取研究区域土壤-作物体系养分沉降和生物固氮等其他来源数据。选取5个旱地香蕉园,采用土钻法采集土壤并测定0—400 cm土壤剖面硝态氮累积量。【结果】海南典型稻菜轮作区氮肥和磷肥投入量分别为1308 kg N·hm^(-2)(化肥和有机肥分别为975和333 kg N·hm^(-2))和515 kg P·hm^(-2)(化肥和有机肥分别为385和130 kg P·hm^(-2)),作物地上部吸氮量和吸磷量分别为248 kg N·hm^(-2)和48 kg P·hm^(-2),稻菜轮作区氮素和磷素盈余分别为1196 kg N·hm^(-2)和484 kg P·hm^(-2)。香蕉园氮肥和磷肥投入量分别为1340 kg N·hm^(-2)(化肥和有机肥分别为1293和47 kg N·hm^(-2))和447 kg P·hm^(-2)(化肥和有机肥分别为442和5 kg P·hm^(-2)),香蕉地上部吸氮量和吸磷量分别为242 kg N·hm^(-2)和23 kg P·hm^(-2),氮素和磷素盈余分别为1271 kg N·hm^(-2)和435 kg P·hm^(-2)。香蕉园0—400 cm土壤剖面硝态氮累积量为1131 kg N·hm^(-2)。【结论】过量施用氮肥和磷肥,导致海南典型区土壤-作物体系存在大量的养分盈余,旱地土壤也累积了大量的硝态氮。海南以较大的养分损失和环境代价生产热带高值水果和蔬菜,未来必须优化农田养分管理措施以保障其生态环境安全。

雄安新区化肥使用及氮磷盈余空间分布特征研究

近年来,随着白洋淀内源污染与点源污染逐渐得到控制,农业面源污染逐渐成为制约白洋淀水质改善的重要因素。改善白洋淀生态环境状况,加强农业面源污染防控至关重要。然而,当前对雄安新区农业面源污染的认识尚待提高,尤其需要加强对种植业化肥使用及其氮磷盈余空间分布特征研究。因此,本研究以雄安新区主要种植模式小麦—玉米为研究对象,采用农田养分平衡方法,分析2016年雄安新区小麦—玉米氮、磷养分输入、输出与盈余情况,为雄安新区农业面源污染防控提供科学依据。结果表明:(1)雄安新区农田氮磷养分的输入以化肥为主,输出以籽粒为主,总体化肥氮、磷投入水平为446.82 kg/hm^(2)、84.23 kg/hm^(2),籽粒输出氮、磷养分水平为312.71 kg/hm^(2)、42.79 kg/hm^(2);(2)雄安新区小麦—玉米农田氮磷养分均表现为盈余状况,且氮磷养分盈余与氮肥、磷肥投入极显著正相关;(3)雄安新区氮素、磷素盈余强度分别为273.74 kg/hm^(2)、44.99 kg/hm^(2),不同县市氮磷养分盈余量从高到低为安新县>雄县>容城县。建议进行合理的农田养分管理,开展养分平衡长期观测,实现化肥减量增效。

中国生猪养殖的环境效率估算——以粪便中氮盈余为例

本文利用中国生猪养殖的成本收益资料和排污系数普查数据,分析了各地区不同规模生猪养殖个体的技术效率与环境效率状况。实证分析结果表明,我国西南和华北地区生猪养殖的环境效率较高,而西北和东北地区环境效率较低;同时,各地区养殖小区的环境效率高于规模化养殖场,但养殖小区的环境效率呈现下降的趋势,而规模化养殖场的环境效率在逐年提高。同时,本文还发现,生猪养殖的环境效率与技术效率存在较高的正相关性,技术效率较高的个体倾向于拥有较高的环境效率,反之亦然。另外,本文还测算了各投入要素的产出弹性,测算结果显示:养殖小区具有更高的资本产出弹性,技术进步更快,生产过程中存在规模报酬递增的现象。但是,全氮盈余量对生猪产量产生抑制作用,并且对养殖小区的抑制作用更强,可能是养殖小区规模过大、生猪密度过高,使得排泄物及时有效处理的难度增大,导致排泄物中全氮盈余抑制了产量的增长。

猪场废水施用对设施白菜地土壤氮盈余的影响

为降低丹江口水源涵养区养殖业面源污染,高效合理将猪场废水还田利用,促进库区种养结合下绿色发展。本研究在丹江口水源涵养区,连续4茬进行猪场废水施用设施白菜定位试验,设置不施肥处理、优化施肥处理和猪场废水替代化肥(废水氮量分别为281、374和561 kg/hm^(2))5个处理,研究猪场废水施用对设施白菜产量、氮吸收利用和土壤氮盈余的影响。结果表明,较优化施肥,猪场废水施用后白菜产量显著增加,废水施用处理平均增产率达13.73%~39.45%。在4茬白菜种植中,猪场废水氮等量替代化肥氮处理(每茬白菜废水氮施用量281 kg/hm^(2))的氮表观利用率显著高于其他施氮处理,平均为27.68%,而高量废水氮施入处理(每茬白菜废水氮施用量561 kg/hm^(2)),显著增加了土壤氮盈余。研究表明,综合白菜产量、植株氮吸收利用和土壤氮盈余,每茬白菜废水氮施用量为281 kg/hm^(2)是较合理的处理,能够提高白菜氮表观利用率,减少土壤氮盈余,降低硝酸盐淋失的风险。

灌溉和修剪对沟叶结缕草生长、土壤无机氮及氮平衡的影响

作为城市绿地生态系统中的主要景观类型,城市草坪频繁受到人为管理措施的强烈干扰。本研究以沟叶结缕草(Zoysia matrella)为对象,通过控制3个灌溉水平(I_(1):4.00 L·m^(-2)、I_(2):5.71 L·m^(-2)、I_(3):7.43 L·m^(-2))和3个修剪水平(M_(1):不修剪、M_(2):留茬2 cm、M_(3):留茬6 cm)的盆栽试验,探究不同灌溉和修剪水平对草坪草生长、土壤无机氮及氮素表观平衡的影响。结果表明:相同灌溉水平下,M_(2)处理草坪草地上生物量显著低于M_(1)和M_(3)处理,但M_(2)处理草坪草地上部分和地下部分氮含量均显著高于M_(1)处理(P<0.05)。在草坪草生长末期,相同灌溉水平下M_(2)处理土壤无机氮(N_(min))含量较M_(1)、M_(3)处理下降了0.6%~54.1%。各处理淋溶液中N_(min)均以铵态氮(NH_(4)^(+)-N)为主要形式,不过,N_(min)淋失量仅占氮输出总量的0.4%~1.3%。相同灌溉水平下,M_(2)处理的氮平衡相较于M_(3)处理表现出更为明显的盈余特征(P<0.05),但M_(3)处理在高灌溉量下会更趋于氮素收支平衡。综上可知,重度修剪(M_(2)处理)显著抑制了草坪草生长,增加了氮素损失风险,但却提高了草坪草氮素吸收量,因此,在本研究条件下,建议灌溉量(5.71~7.43 L·m^(-2))略高于一般灌溉水平,同时适度修剪(保持留茬高度为6 cm),既可以保证草坪草良好的生长状况,也可维持土壤氮素基本收支平衡,提高氮素利用效率。

赣南脐橙园氮素投入特点及氮素平衡研究

以赣南脐橙种植户果园调查和叶片营养分析数据为基础，分析了脐橙园生产体系中的氮肥施用和氮素平衡状况．结果表明：赣南不同区域脐橙园的氮投入量差异大，果园氮素投入量为485.27～1581.75 kg／hm2，平均值为792.74 kg／hm2，其中无机氮投入量为429.14 kg／hm2，主要来源于复合肥和尿素；有机肥投入的氮素量为363.60 kg／hm2，主要来源于花生粕、商品有机肥和畜禽粪．不同区域脐橙园的氮盈余量差异较大，氮盈余量为467.37～1093.89 kg／hm2，平均值为688.14 kg／hm2，大余县、于都县和信丰县的氮盈余量较高．果园氮素投入量与氮养分盈余量极显著正相关，相关系数 R＝0.9436．随氮投入量的增加，脐橙叶片氮的质量分数上升，大部分脐橙园叶片氮的质量分数偏高或过量，表明氮肥施用过量是氮盈余量高和叶片氮的质量分数高的主要原因．

华北平原五省冬小麦产量和氮素管理的时空变异

【目的】通过对华北地区冬小麦产量及氮素管理时空变化的分析,明确华北平原五省2005-2014年冬小麦产量、效率及环境效益的演变规律。【方法】基于2005-2014年农户调研数据,分析华北平原产量、产量差与氮素管理的时间和空间变异趋势,从粮食安全、资源高效和环境保护3个维度设计了华北地区氮素可持续管理评价体系,并据此对该区目前氮素管理现状进行评价。【结果】(1)2005-2014年华北冬小麦产量均值为6.5 t·hm^-2,呈逐年递增趋势,10年增幅达7%,产量从高到低依次为河南、安徽北部、山东、河北、江苏北部。10年产量差均值为1.4 t·hm^-2,整体呈下降趋势,10年降幅高达47%,产量差从高到低依次为山东、河北、江苏北部、河南、安徽北部。安徽北部产量差降幅最大,产量差最小;山东省内产量差差异较大,呈东部高于西部的趋势。(2)2005-2014年华北冬小麦施氮量均值为226 kg·hm-^2,除江苏北部外均呈增加趋势,10年平均增幅为3%,施氮量从高到低依次为江苏北部、河北、山东、安徽北部、河南。同省施氮量差异较小而省间差异明显。(3)2005-2014年华北冬小麦氮素利用效率(NUE)均值为44%,从高到低依次为河南、安徽北部、山东、河北、江苏北部。空间差异大,施氮量高的地区NUE较低。(4)2005-2014年华北冬小麦氮盈余均值为165 kg·hm^-2,从高到低依次为江苏北部、河北、山东、河南、安徽北部。施氮量高的地区氮盈余较高。(5)2005-2014年华北冬小麦满足华北地区氮素可持续管理评价体系安全边界的县数仅占总体的2%。以该区域氮盈余及产量均值分区,其中河南省均值位于低氮盈余高产量区;山东及安徽北部均值位于低氮盈余低产量区;河北及江苏北部均值位于高盈余低产量区。【结论】2005-2014年华北地区冬小麦产量增加,产量差减小;同时氮肥投入增加,氮盈余较高,氮素利用效率低。五省中河南氮素管理较为合理,山东和安徽北部氮盈余较低,产量提升空间大;河北及江苏北部氮肥投入量高、效率低、环境压力大,将是未来华北氮素管理的重点地区。

鲁中山区桃园土壤养分状况评价与氮磷负荷风险研究

鲁中山区是我国桃果的重要产区,了解鲁中山区桃园土壤养分特征,并进一步探讨氮磷盈余情况,对指导桃园氮磷养分管理具有重要意义。以鲁中山区桃园土壤养分分析、农户投入调查等统计数据为基础,运用盈余法从区域角度分析桃园生产体系中的氮磷输出特点及氮磷盈余状况,估计土壤氮磷负荷风险。结果表明,桃园土壤有机质、速效氮磷钾含量0~20 cm土层均高于20~40 cm;整体上,速效磷属于丰富状态,有机质和速效氮钾基本处于中等水平;不同地区土壤有效养分存在显著差异,其中肥城桃园土壤养分含量较高,兰山次之,蒙阴最低。总体上90.91%的桃园超过了氮素盈余临界点,全部的桃园土壤处于磷素盈余状态。其中,兰山氮、磷盈余量均最高,分别为：1388.61 kgN.hm-2、2058.96 kgP2O5.hm-2,蒙阴和肥城氮磷盈余量为兰山的50%左右。鲁中山区氮磷的高量投入使得桃园氮磷负荷量加大,对土壤环境和周围水体造成很大的威胁。

栖霞市苹果园氮磷养分平衡及环境风险评价

栖霞市是中国最主要的苹果产区之一,近年来果园单位面积养分的大量投入造成了区域氮、磷元素的过量富集,进而对当地的土壤、水资源、大气等环境要素造成一定的污染。因此,了解苹果主产区施肥现状,并科学评价其环境风险具有重要的现实意义。以栖霞市为研究区域,通过实地调研、田间试验、室内模拟等方法,分析了苹果园氮磷养分的输入量及输出量,进而构建养分平衡模型,对区域环境风险进行了综合评价。研究结果表明:1)2018年栖霞市苹果园养分投入量为:有机质5360.28 kg/hm^2,N 545 kg/hm^2,P2O5568.76 kg/hm^2,K2O 712.57 kg/hm^2;2)氮素的气态损失、果实及枝条带走量各占输入总量的6.49%、24.34%、3.12%,盈余率达66.04%(402.97 kg/hm^2);磷素被果实和枝条带走量分别占输入总量的12.33%和2.55%,盈余率达85.12%(484.75 kg/hm^2);栖霞市氮、磷盈余量均超出环境安全的阈值,分别属于中风险和高风险范围。因此,在保证果园产量与品质的前提下,适当减少化肥使用量、逐步建立水肥一体化的果园施肥模式、提升果农科学的管理经验,应成为果园可持续发展的主攻方向。

河北地区小麦生产系统碳排放分析

针对河北地区化肥投入高、温室气体排放多、环境污染风险日益增加等问题,本研究基于河北统计年鉴等数据对小麦集约化过程中产量、氮肥投入、温室气体排放及净温室效应等进行年际动态分析。化肥的使用保证了小麦产量,从2005—2018年,化肥投入量增加了27.8%,小麦产量提高了30.8%(达6772.3 kg/hm^(2))。随年际变化,小麦生产导致的总温室气体排放从2005年的4662.7 kg CO_(2)-eq/hm^(2)逐渐增到2018年的6698.4 kg CO_(2)-eq/hm^(2),而间接温室气体排放量占总量的92.2%~95.2%,其中化肥、电力和燃油为主要排放源。从2014年开始施氮量呈下降趋势,氮肥偏生产力(PFP)逐渐增加。从2005年开始温室气体排放强度呈二项变化。说明在保证粮食产量的同时,进一步优化氮肥施用量是减少温室气体排放、土壤氮素盈余和提升生产可持续性的主要手段。

天然增效剂与化学抑制剂复配对小麦/玉米轮作体系产量、氮素利用及氮平衡的影响

脲酶抑制剂和硝化抑制剂可以通过调控尿素氮转化的全过程延长氮肥肥效,提高氮肥利用效率,但目前所用脲酶抑制剂和硝化抑制剂多为化学合成材料,成本高,且其抑制效果受土壤性质、气候条件和作物体系等多方面因素的影响。本研究采用田间小区试验,以冬小麦-夏玉米轮作种植体系为研究对象,设置不施氮肥(CK)、单施尿素(N)、尿素+双氰胺(ND)、尿素+腐植酸(NH)、尿素+沸石(NP)、尿素+N-丁基硫代磷酰三胺+双氰胺(NUD)、尿素+腐植酸+双氰胺(NHD)、尿素+沸石+双氰胺(NPD)8个处理,探讨在等施氮量条件下腐植酸或沸石两种天然增效剂及其与化学硝化抑制剂双氰胺(DCD)复配对小麦和玉米轮作体系周年产量、氮素利用效率、土壤硝态氮累积及土壤-植物系统氮平衡的影响。结果表明:与NH或NP处理相比,腐植酸和沸石分别与DCD复配(NHD和NPD)后,玉米季产量(11268和11397 kg·hm^(-2))及周年总产量(20494和20582 kg·hm^(-2))均显著提高,且达到了与化学脲酶抑制剂和硝化抑制剂复配处理(NUD)基本相当的产量水平;与N处理相比,NHD和NPD处理小麦季、玉米季和周年的氮素利用效率均明显提高,两季的80~100 cm土层土壤硝态氮累积量显著降低,且与NUD处理差异不显著,而土壤氮素盈余量分别较NH和NP处理下降了10.7%和13.9%。表明腐植酸或沸石与化学硝化抑制剂复配可提高作物产量和氮素利用效率,同时符合现代农业绿色环保要求的有效途径。

三峡库区小流域农户氮循环和排放特征

中国农业生产是以农户为单位进行的,农户氮素利用及平衡对农业生产和农村环境有非常重要的影响.本研究选择三峡库区秭归县张家冲小流域,对农户农田氮肥施用量、农户购买的饲料与食物、人畜粪便排放等进行了调查,并对农户氮素循环特征进行了分析.结果表明,根据该流域农户氮素流动的特点,可将其分为养殖型农户、柑橘种植户、茶叶种植户、蔬菜种植户、传统种植户5种类型;其氮素负荷大小顺序为养殖型农户>蔬菜种植户>柑橘种植户>茶叶种植户≈传统种植户,以氮计分别为(363±129)、(355±127)、(345±107)、(152±60)和(151±73)kg.(hm2.a)-1;不同农户农田氮素循环分析表明,单位面积农田氮盈余变化在(102±68)^(303±134)kg.(hm2.a)-1之间,大小顺序为蔬菜种植户>柑橘种植户>茶叶种植户>养殖型农户≈传统种植户,分别为(303±134)、(262±100)、(111±46)、(102±68)和(103±67)kg.(hm2.a)-1;在农户氮负荷中,居民生活排放的氮占28%,农田氮盈余占72%,说明农田是主要的氮污染源,生活污染也是不可忽视的.该地区的养殖型农户、蔬菜种植户和柑橘种植户对水体质量威胁较大,是氮素污染重点防治对象;实地调查农户生产与生活的方法能清晰地明确农业生态系统中氮循环的不同环节和估算循环流量,有利于揭示区域氮素循环特征.