甬江流域氮素收支估算及驱动因素分析

近年来,大量农业氮肥施用、化石燃料使用等人为活动的扰动增加了生态系统的氮输入,导致河流硝酸盐超标、湖库与近岸海域富营养化和土壤酸化等环境问题。长江口-杭州湾是我国近岸海域劣四类水质分布的主要区域,甬江作为汇入杭州湾的重要河流之一,近年来其入海断面总氮浓度和氮通量反弹明显,开展甬江流域的氮收支估算是开展流域氮污染治理与管控、改善近岸海域水质的重要前提。本文利用2021年甬江流域的基本统计数据和相关参数对该区域氮的收支进行估算,阐明了氮收支的主要驱动因素及其对环境的影响。结果表明:2021年甬江流域氮输入量为5.1×10^(4 )t;氮盈余量高达2.17×10^(4) t,占氮输入量的42.56%;流域氮负荷[172.56 kg/(hm^(2)·a)]和陆地氮通量[105.8 kg/(hm^(2)·a)]均高于全国平均水平。氮输入源主要包括人畜排泄、化学氮肥、大气沉降,占比依次为39.11%、26.33%、20.91%;氮输出中,有48%被作物收获带走,有26.98%通过反硝化、氮挥发进入大气,有21.47%以径流的形式进入水环境;从空间分布上,鄞州、镇海等地区面临较为严峻的氮污染潜势。冗余分析(RDA)显示,人口密度、人口数量、农作物种植面积、畜禽数量以及与人类活动有关的工业企业总产值、城镇化程度和GDP是甬江流域氮盈余、氮负荷以及陆地氮通量的主要驱动因素。鉴于甬江流域显著的氮盈余状况,建议采用氮素源头减排治理管控措施以消除氮素盈余对甬江流域氮平衡造成的负面影响。甬江流域氮收支平衡估算可为合理制定氮污染治理管控措施,科学调控流域氮收支和改善近岸海域水环境质量提供科学依据和支撑。

长江三角洲氮收支的估算及其环境影响

根据2002年基本统计数据和相关参数,对长江三角洲经济区氮的收支及人为扰乱了的氮循环对环境的影响进行了估算与分析.结果表明,2002年长江三角洲经济区输入的氮量达2.94Tg.a-1(1Tg=1012g),单位国土面积接收的氮量(291kg.hm-.2a-1)4.5倍于全国平均水平,陆地氮通量(224kg.hm-.2a-1)不仅高于全国和长江流域,也远远高于北大西洋沿岸的欧美国家.大部分输入氮源与农业有关.2002年该经济区支出氮量1.66～1.95Tg.a-1,盈余氮0.99～1.28Tg.a-1.可以预测,长江三角洲经济区将面临氮过量引发的严重环境问题.

减量施氮与大豆间作对蔗田土壤温室气体排放的影响

采用静态箱气相色谱法对常规施氮(N2,525 kg·hm-2)y和减量施氮(N1,300 kg·hm-2)处理下甘蔗与大豆按行数比1∶1(SB1)和1∶2(SB2)间作、甘蔗单作(MS)、大豆单作(MB)种植模式下蔗田土壤CO2、N2O、CH4排放通量及土地当量比(LER)进行观测和对比分析,以探讨不同间作模式及施氮水平下甘蔗//大豆间作农田土壤温室气体排放的动态变化规律及对作物产量的影响,为制定农田温室气体减排措施提供合理的依据。研究结果表明,减量施氮处理甘蔗//大豆(1∶2)间作模式(SB2-N1)农田土壤CO2排放总量较甘蔗单作(MS)显著降低35.58%,N2O累积排放总量较甘蔗单作降低56.36%,CH4累积排放总量较甘蔗单作升高7.02%;不同种植模式和施氮处理蔗田土壤均表现为CO2和N2O的排放源,CH4吸收汇,追施氮肥后土壤对CH4的吸收速率降低,但CO2和N2O的排放速率增加。MS-N1、SB1-N1、SB2-N1、MS-N2、SB1-N2、SB2-N2和MB处理土壤CO2年累积排放总量(kg·hm-2·a-1)分别为5 096.89、6 422.69、3 283.20、4 103.29、4 475.84、4 775.31和4 780.35,土壤N2O年累积排放总量(kg·hm-2·a-1)分别为4.61、5.11、2.15、3.13、3.72、5.60和3.11,土壤CH4年累积排放总量(kg·hm-2·a-1)分别为13.68、21.78、12.72、5.53、11.36、4.77和9.97。甘蔗//大豆间作系统2009—2012年土地当量比(LER)均大于1,且减量施氮水平下,甘蔗//大豆(1∶2)间作模式优势最明显。

西辽河流域不同土地利用结构硝酸盐氮输出通量模拟

采用土槽模型渗流试验方法,结合土地利用结构现场调查资料研究了西辽河流域不同土地利用结构耕层土壤NO3--N淋溶输出通量的时空变化规律.结果表明,不同土地利用结构NO3--N淋溶输出通量的空间分布规律为农田〔50.23kg/(hm2.a)〕>沙荒地〔12.77kg/(hm2.a)〕>林地〔8.68 kg/(hm2.a)〕>草地〔4.17 kg/(hm2.a)〕,农田和沙荒地对NO3--N输出起源作用,林地和草地起汇作用;西辽河流域沙土区耕层土壤NO3--N输出总量为13.86×104 t/a,不同土地利用结构的NO3--N输出比例为农田(95.31%)>沙荒地(4.69%),农田是西辽河流域氮素营养管理的重点结构;NO3--N输出量夏季(65%)>秋季(25%)>春季(8%)>冬季(2%),夏季是流域氮素营养管理的重点时段;NO3--N淋溶输出通量与土壤硝态氮含量呈极显著正相关.

太湖地区典型轮作与休耕方式对稻田水稻季N_(2)O和CH_(4)排放量的影响

轮作休耕是实现"藏粮于地、藏粮于技"的重要途径之一,目前在太湖稻田区域主要推广紫云英(Astragalus sinicus L.)-水稻(Oryza sativa L.)、油菜(Brassica napus L.)-水稻和休耕-水稻典型轮作与休耕方式。在太湖地区典型稻田水稻生长季设置了6个处理:(1)紫云英-水稻轮作,不施N肥处理,MRN0;(2)紫云英-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^(-2),以纯氮计,下同),MRN300;(3)油菜-水稻轮作,不施N肥处理,RRN0;(4)油菜-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^(-2)),RRN300;(5)休耕-水稻轮作,不施N肥处理,FRN0;(6)休耕-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^(-2)),FRN300。通过田间试验,研究了不同轮作与休耕方式对水稻产量、氮肥利用率及稻田温室气体CH_(4)和N_(2)O排放的影响,从而为综合评价轮作休耕方式提供科学依据。田间试验结果显示,与不施氮肥处理相比,在不同轮作休耕方式下施氮300 kg·hm^(-2),可增加53.7%—60.0%的水稻产量,以MRN300处理水稻产量最高,与RRN300和FRN300处理相比,水稻产量分别提高了1.6%和6.0%。在不施氮水平下,MRN0、RRN0和FRN0各轮作处理间N_(2)O排放通量和累积排放量均值差异不显著(P>0.05)。而在施氮300 kg·hm^(-2)下,紫云英-水稻轮作可降低N_(2)O排放通量和累积排放量,与RRN300和FRN300处理相比,N_(2)O排放通量分别降低了36.0%(P<0.05)和2.1%(P>0.05)。在同一施氮水平下,紫云英-水稻轮作CH_(4)排放通量和累积排放量最小,与RRN300和FRN300处理相比,MRN300处理CH_(4)排放通量分别降低了1.1%和6.7%,CH_(4)和N_(2)O的全球增温潜势(GWP)分别降低了3.3%和6.5%,单位水稻产量温室气体排放强度(GHGI)分别降低了4.6%和11.6%。综上,紫云英-水稻轮作对提高水稻产量,降低温室气体排放效果最好。

陕南后沟小流域泥沙与总氮随径流输移特征

以2011-2012年汛期野外降雨资料为基础,分析陕南后沟小流域泥沙和总氮(TN)随径流流失特征。研究结果表明,坡耕地、退耕地、菜地泥沙流失通量与径流量拟合方程采用S形曲线方程表达较为合适;果园采用线性函数反映两者之间的关系。坡耕地和菜地径流量与TN浓度采用倒数曲线表达,而果园和退耕地采用线性函数表达;汛期不同土地利用类型土壤流失通量顺序为:菜地(4 011.7kg/hm2)>坡耕地(1 720.0kg/hm2)>退耕地(1 606.3kg/hm2)>果园(776.3kg/hm2);径流中TN流失通量顺序为:菜地(15.29kg/hm2)>退耕地(7.20kg/hm2)>坡耕地(4.92kg/hm2)>果园(1.37kg/hm2)。2011-2012年汛期后沟小流域出口径流动能与泥沙量流失量采用线性函数和幂函数描述两者之间关系,而TN流失量与径流动能采用对数函数和幂函数表示。汛期末期阶段泥沙和TN流失风险最大。

湛江湾区域氮收支估算

利用2010年湛江湾区域的自然条件、人口、农业、工业、环保等基本统计数据和相关参数对该区域氮的收支进行估算,分析其产生原因和环境影响。结果表明,2010年湛江湾区域氮的输入总量为53 718.55 t,各氮源按输入量大小排序为化肥氮、人畜排泄物氮、大气沉降氮、农田自身固氮、作物残体氮、农田共生固氮和工业废水氮;区域氮输出量为44 536.75 t,其中34.12%由水体输送到湛江湾,33.53%通过反硝化和17.13%经挥发进入大气,作物收获氮带走了剩余的15.22%;盈余氮量9 181.80 t储存于区域内。湛江湾区域氮负荷为249.99kg·hm-2·a-1,陆地氮通量为200.11 kg·hm-2·a-1,远高于北江流域、珠江三角洲地区,仅稍低于经济发达的长江三角洲地区。

土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出的影响--以贵州普定沙湾模拟试验场为例

耦联水生光合作用的碳酸盐岩风化碳汇是全球碳循环研究的关键问题,生物碳泵效应不仅能够稳定碳酸盐风化碳汇,也有利于改善水环境,而过量输入氮、磷会导致水环境变差。土地利用变化作为全球变化重要内容之一,对流域碳氮磷的输出具有重要影响,但关于土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出影响的研究有待进一步加强。本研究以贵州普定沙湾喀斯特试验场为研究对象,以研究土地利用变化对水文、水化学、溶解无机碳汇通量、总氮通量和总磷通量的影响。结果表明,流量、径流深、土壤CO_(2)浓度、pCO_(2)、HCO_(3)^(-)浓度和电导率呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,与pH变化相反。样地间,土壤CO_(2)浓度、pCO_(2)、HCO_(3)^(-)浓度和电导率表现为草地>灌丛地>农耕地>裸土地>裸岩地,与pH变化相反。参与岩溶作用的土壤CO_(2)是造成水化学变化的主要原因。溶解无机碳汇通量和总氮通量呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,总磷通量秋季最高、春季最低。样地间,草地溶解无机碳汇通量最大,HCO_(3)^(-)浓度是决定溶解无机碳汇通量大小的主导因素。有植被覆盖的土地利用方式的总氮、总磷浓度及其通量明显低于无植被生长的类型,总氮通量灌丛地最小,总氮浓度是决定总氮通量大小的主导因素,总磷通量草地最小,而流量是决定总磷通量大小的主导因素。综上,我们认为可以通过调整土地利用方式来达到增加岩溶碳汇和改善水环境双赢的目标。

平原感潮河网地区不同土地利用下营养盐迁移特征

分别在南通平原河网地区选择典型非圩区开展野外原位试验,用野外观测和室内分析相结合的方法,研究平原非圩区典型试验小区不同土地利用下营养盐在自然降雨—径流驱动下迁移的时空分布特征。结果表明,导致营养盐迁移时空分布存在显著差异的主要原因为不同的土地利用类型、施肥条件及植被覆盖度等,不同土地利用下的径流量差异是导致营养盐迁移通量存在显著差异的主导因素。

石盘丘小流域不同土地利用方式下土壤氮磷流失形态及通量

为了解三峡库区小流域不同土地利用方式下土壤氮、磷流失特征,为农业非点源污染防控提供科学依据;采用田间试验的方法,研究了三峡库区石盘丘小流域水田、旱坡地、林地、柑橘园和菜地这5种土地利用方式下地表径流不同形态氮、磷流失浓度与通量的特征.结果表明:全氮流失通量的顺序为水田[17.73 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>柑橘园[4.86 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>旱坡地[4.33 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>菜地[4.00 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>林地[2.41 kg·(hm^(2)·a)^(-1)];全磷流失通量的顺序为菜地[4.97 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>柑橘园[1.87 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>水田[0.93 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>林地[0.27 kg·(hm^(2)·a)^(-1)]>旱坡地[0.19 kg·(hm^(2)·a)^(-1)];5种土地利用方式下氮、磷流失主要集中在降雨频繁的4~5月,占全年氮、磷流失总负荷的53.80%~96.52%和56.03%~87.78%;氮流失主要以硝态氮(16.16%~52.70%)的形态流失,全氮流失通量与径流量呈现出显著正相关关系(R2=0.9826);在菜地中颗粒磷是磷流失的主要形态(83.30%),但在其他土地利用方式中表现不显著.不同土地利用方式下不同形态氮、磷流失存在显著差异,其中菜地应针对强降雨情况下颗粒磷流失的问题采取措施,水田应避免在降雨集中时期施肥;科学施肥和合理地土地利用方式配置是治理小流域农业非点源污染的重要途径.