变化环境对农业水资源配置的影响研究进展

变化环境下农业水资源系统正经历着深刻的变化,特别是气候变化和人类活动加剧了降水、蒸散、径流、渗漏、耗水等农田水文要素的演变过程,进而影响农业水资源供、用、耗、排、回的全过程。在对我国农业用水过程与特点进行分析的基础上,系统梳理了国内外变化环境对灌区农业供水量、需水量、供需水平衡、水循环及水资源承载力影响的研究进展,系统分析了现有研究存在的不足,提出了未来我国农业水资源配置及水安全保障应对环境变化影响的研究重点:重视变化环境下灌区供水系统及运行模式研究,加强变化环境下作物需水规律研究,强化变化环境下灌区供需水平衡与水资源承载力研究,深化变化环境下灌区水循环与转化机理研究,拓展变化环境下节水灌溉对环境影响的机理研究。

减氮对麦玉轮作农田土壤反硝化细菌群落结构和多样性的影响

探究减氮对华北地区麦玉轮作农田土壤反硝化细菌群落结构和多样性影响,为华北地区麦玉轮作农田氮肥管理提供技术支持,本研究以不施氮为对照(CK),设置2个施氮量,分别为常规施氮量(纯氮300 kg·hm^(-2),N2)、减氮20%(纯氮240 kg·hm^(-2),N1),提取土壤DNA,用nirS(细胞色素cd1-亚硝酸还原酶)、nirK(Cu-亚硝酸还原酶)引物扩增后采用MiSeq PE300测序技术,研究施氮量对麦玉轮作农田土壤性状及nirS、nirK反硝化细菌群落结构及多样性的影响。结果表明,3个处理nirS、nirK反硝化细菌α-多样性指数无显著差异,nirS反硝化细菌α-多样性高于nirK。减氮显著影响nirS、nirK反硝化细菌物种组成。减氮对nirS、nirK反硝化细菌门水平及nirK纲水平物种组成无显著影响,但显著降低了nirS反硝化细菌Deltaproteobacteria(δ-变形菌纲)相对丰度;减氮显著影响nirS、nirK属水平物种组成。硝态氮、速效磷、pH值是影响土壤nirS反硝化细菌属水平群落结构主要环境因子;pH值是影响土壤nirK反硝化细菌属水平群落结构的主要环境因子。研究表明,适量减氮不影响反硝化细菌α-多样性,但显著影响反硝化细菌属水平群落组成和群落结构,减氮主要是通过影响土壤性状及微生物群落结构进而影响农田土壤N2O排放。

减氮对华北地区麦玉轮作农田土壤N2O排放调控机理

【目的】探究减氮对华北地区麦玉轮作农田土壤N2O排放调控机制。【方法】冬小麦季和夏玉米季均以不施氮为对照(CK),设置2个施氮量,分别为常规施氮量(纯氮300 kg/hm2,N2)、减氮20%(纯氮240 kg/hm2,N1),研究施氮量对麦玉轮作农田土壤性质及N2O排放通量影响,基于逐步回归分析,研究减氮对麦玉轮作农田土壤N2O排放调控机制。【结果】(1)减氮有效降低了N2O排放通量,且夏玉米季N2O排放通量远高于冬小麦季,夏玉米季由施肥引起的N2O排放量较高。(2)冬小麦季N2O排放通量与环境因子逐步回归公式为:N2O排放通量=181.952+1.450×硝态氮+8.401×铵态氮-0.514×电导率;硝态氮、铵态氮会对冬小麦季N2O排放通量产生显著的正向影响,而电导率会对冬小麦季N2O排放通量产生显著的负向影响。(3)夏玉米季N2O排放通量与环境因子逐步回归公式为:N2O排放通量=-354.606+4.592×硝态氮+157.848×铵态氮;硝态氮、铵态氮会对夏玉米季N2O排放通量产生显著的正向影响。【结论】综上可知,适量减氮显著降低夏玉米季N2O累积排放量和增温潜势,应加强夏玉米季农田水肥管理。

黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析

为了解黄河流域九省区农业水资源利用现状,明晰提高九省区农业水资源利用效率障碍因子。基于熵权Topsis模型,以黄河流域九省区为评价单元,从资源利用效率、经济效益、生态效益准则层中选取14个评价指标,构建九省区的农业水资源利用效率的综合评价指标体系,评价黄河流域九省区2004年、2009年、2014年、2019年的农业水资源利用效率,并对九省区的农业水资源利用效率进行障碍因子诊断。结果表明:(1)2004—2019年,青海、内蒙古、河南、山东的农业水资源利用效率较高,陕西、甘肃、山西的农业水资源利用效率相对较低。(2)2004—2019年,各省区的农业水资源利用效率整体提高,且九省区之间的农业水资源利用效率差异逐渐减小。(3)地均水资源占有量(A 6)、人均生态环境用水量(A 13)是山西、山东、河南、四川、陕西、甘肃、宁夏的主要障碍因子,人均生态环境用水量(A 13)、农业水资源利用效率系数(A 4)是青海的主要障碍因子,地均水资源占有量(A 6)、用水的农业生产总值(A 9)是内蒙古主要障碍因子。因此,九省区水资源禀赋及生态环境用水量是影响其农业水资源利用效率的主要因素。

渠井用水比对灌区降水响应及其环境效应分析

渠井结合灌区适宜渠井用水比例关系灌区地下水环境和区域农业可持续发展。该文以人民胜利渠灌区为例,集合了灌区1954-2014年农业用水量及降水量、研究区域2008-2014年渠井用水比、地下水埋深、地下水水化学特征数据,分析了降雨量、地下水动态特征与渠井用水比例的相关性,以期探明渠井结合灌区渠井用水比对降雨的响应及其对土壤和地下水环境的影响。结果表明,典型渠井结合灌区渠井用水比与年降水量呈线性正相关;渠系上游地下水水位变化较下游更为剧烈,在用水水平、用水方式一致条件下,渠井用水比例越大,地下水埋深超过11 m区域增幅越小,较大的渠井用水比例对于上游地下水位下降减缓效果明显;平水期、枯水期,由于渠井用水比例不合理,地下水无序开采且超采严重,区域地下水碱化趋势明显;受气候变化影响,近5 a渠灌水量仅为多年均值的75.52%,未来区域降水量具有减小趋势,这势必进一步加剧农业水资源紧缺的形式。为了满足农业的正常生产,增加灌区地下水开采成为唯一解决途径,这势必加剧地下水的碱化趋势及地下水超采区的扩大。因此,确定灌区适宜的渠井用水比例对于灌区水资源的科学利用与农业的可持续发展具有重要意义。

气候变化对河南省冬小麦和夏玉米灌溉需水量的影响

利用河南省17个站点1961—2012年的气象资料,分析了降雨和潜在蒸散对冬小麦和夏玉米灌溉需水量的影响效应。结果表明,河南省冬小麦多年平均灌溉需水量为59.8~334.3 mm,夏玉米多年平均灌溉需水量为14.5~131.2mm,自南向北逐渐增大;各站点冬小麦和夏玉米灌溉需水量普遍呈下降趋势,其主要原因是生育期潜在蒸散减少和降雨量增加。降雨是影响作物灌溉需水量的首要因素,降雨在雨量和时间分布上均对灌溉需水量产生显著影响;而潜在蒸散的影响小于降雨,但不容忽视。在降雨和潜在蒸散共同影响下,冬小麦和夏玉米灌溉需水量在年际间呈现出更大的波动趋势。

暴雨对引黄灌区土壤与地下水环境影响研究

为了客观评估特大暴雨对人民胜利渠灌区土壤与地下水的环境效应,跟踪研究了2016年7月9—20日特大暴雨降雨过程,分析了暴雨作用下人民胜利渠灌区典型区域土壤盐分及地下水化学组成的演变特征。结果表明:与暴雨前相比,暴雨驱动了80 cm以上根层土壤脱盐,0~10、10~20、20~30 cm土层土壤盐分下降明显,分别较暴雨前降低了63.74%、68.20%、33.41%;典型区域暴雨后0~20 cm根层土壤盐分均值为0.1879 mS/cm;区域地下水埋深较暴雨前上升了0.18 m,区域地下水阳离子水文化学相的分类类型由暴雨前的钙-钠型转化为暴雨后的钠-钙型,区域地下水总溶解性固体含量较暴雨前增加了24.95%,达到1315.09 mg/L,区域地下水钠吸附比较暴雨前增加了54.05%,达到32.94。暴雨驱动了根层土壤盐分向下淋溶,导致0~100 cm根层土壤盐分呈现“扁平化”分布,由暴雨产生的淋溶补给加剧了地下水作为灌溉水的碱化危害风险。

黑麦草植株-土壤环境因子对铅污染的响应研究

采用盆栽根袋试验,研究了Pb胁迫（0、100、300、500、1 000mg/kg）对黑麦草植株生长发育状况和土壤环境特性的影响。结果表明,0-300、300-500、500-1 000mg/kg为不同Pb胁迫层次,其中Pb质量分数为300mg/kg和500mg/kg时有利于黑麦草根系生长。另外,根际土壤pH均较非根际土壤低,pH在生长50d时差距较大。黑麦草整个生长发育阶段内,根际土壤含Pb量均小于非根际土壤,生长50d时土壤Pb质量分数最低。黑麦草生长40-50d时,修复效果最明显。

生物质炭对冬小麦产量、水分利用效率及根系形态的影响

为了探讨生物质炭对冬小麦产量、水分利用效率及根系形态的影响,该文利用田间小区试验研究了生物质炭不同施用水平对冬小麦产量、水分利用效率、根形态的影响及差异性。结果表明：生物质炭显著增加了冬小麦茎蘖数、有效穗数和产量（P〈0.05）,与对照相比,其增加比例范围分别为1.6%~4.9%、0.7%~1.5%、1.0%~5.9%。冬小麦耗水量随着生物质炭施用量的增加而逐渐减小,水分利用效率由对照的17.06 kg/（hm2·mm）提高到17.69~19.57 kg/（hm2·mm）。生物质炭显著增加了冬小麦根系总根长和总表面积（P〈0.05）,在0~20和≥20~40 cm范围内,总根长的增加比例范围分别为2.8%~14.6%、8.4%~21.2%;总表面积增加比例范围分别为5.6%~19.5%、1.9%~13.6%。冬小麦根系形态特征与冬小麦产量呈极显著正相关（P〈0.001）。各处理中以生物质炭施用量为40 t/hm2的处理对冬小麦产量、水分利用效率及根系生长的促进作用最为显著。该研究可为科学施用生物质炭提供参考。

灌区水资源合理配置研究进展

灌区水资源合理配置是提高灌区水资源利用效率及保障粮食安全的重要途径,也是实现灌区水资源可持续利用的有效调控措施。从灌区水资源管理政策、水资源循环转化规律、水资源优化配置模型与方法和水文生态4个方面,对国内外该领域的研究现状进行了对比分析。研究发现,国内灌区水资源配置主要存在4个方面的问题:水资源合理配置与保护政策落实不到位、水资源的统一管理机制不健全、水资源优化配置模型实用性不强和水资源优化配置基础条件较为薄弱。建议加强灌区水资源的统一管理政策与机制、变化环境下水资源循环转化规律、水资源承载力基础理论与评价新方法、水文生态调控技术、水资源实时风险调度与智能化管理技术以及水资源优化配置耦合技术研究。

降雨和蒸散对夏玉米灌溉需水量模型估算的影响

为揭示降雨和蒸散年际波动对作物灌溉需水量的影响机理，以华北平原南部地区夏玉米为研究对象，基于土壤水分概率密度函数建立灌溉需水量计算模型，分析了降雨、蒸散和灌溉需水量的年际波动特征，结合蒙特卡洛方法探讨了降雨和蒸散对灌溉需水量年际波动的贡献。结果表明：研究区夏玉米降雨参数年际波动显著，平均降雨量波动于4.958～25.003 mm，变异系数为0.326；降雨频次波动于0.143～0.457 d-1，变异系数为0.170；平均降雨量和降雨频次均可采用Logistic分布描述：平均降雨量服从Logistic（11.273,2.022），降雨频次服从Logistic（0.318,0.029）。潜在蒸散量年际波动相对平稳，可采用对数正态分布描述：潜在蒸散量服从LogNormal（1.370,0.076）。灌溉需水量多年平均值为133.1 mm，波动于8.1～381.8 mm，变异系数为0.673，年际波动显著高于降雨和蒸散。平均降雨量对灌溉需水量年际波动的贡献率最大，其次为降雨频次，潜在蒸散量最小；在三者的共同作用下，灌溉需水量年际波动呈现出更大的不确定性。因此，在估算灌溉需水量时有必要对这种不确定性进行定量评估，针对不同降雨和蒸散条件制定合理的灌溉策略，为农业水资源管理和决策提供更可靠的科学依据。

黑麦草分泌有机酸的生物特性对铅污染修复的影响

为了揭示根系分泌有机酸对植物修复效果的影响,该文采用液培试验研究根系分泌有机酸对黑麦草生理特性及重金属Pb2+吸收转移的影响。结果表明,黑麦草根系分泌有机酸为草酸、酒石酸、苹果酸、冰乙酸和柠檬酸。0.1～1mmol/L的丙二酸和2～3mmol/L冰乙酸有利于黑麦草地上和根系干质量的增加。0.1mmol/L的酒石酸、0.5～1mmol/L的丙二酸、2～3mmol/L的冰乙酸促进耐性指数的增加。1～3mmol/L的丙二酸,酒石酸对地上部分Pb2+质量浓度起促进作用,1～3mmol/L的冰乙酸有利于黑麦草生物量的增加,同时也有利于根系重金属Pb2+质量浓度的增加。该研究可为重金属污染的植物修复技术提供参考。

猪场废水灌溉对土壤氮素时空变化与氮平衡的影响

利用地中渗透仪测坑开展了田间灌溉试验,研究了猪场废水和等氮投入清水处理土壤铵态氮、硝态氮含量在时间、剖面上的变化规律,根据氮平衡原理对不同处理氮输入和氮输出项进行对比分析,估算了不同处理的氮矿化量。结果表明:各处理土壤铵态氮和硝态氮含量在时间上的变化规律基本一致,表现为追肥期出现峰值,随后下降的趋势;土壤铵态氮含量随土层深度的增加而迅速下降,土壤硝态氮含量随土层深度的增加变化规律不明显,且易淋移至下层土壤并累积。PWH(猪场废水高氮)处理土壤铵态氮、硝态氮含量在追肥期出现峰值后下降的幅度较慢,而CKH(清水高氮)处理下降的幅度较快。猪场废水高氮处理PWH作物吸氮量及氮矿化量比等氮清水处理CKH分别高6.91%和21.29%,表明该处理有利于土壤有机氮的矿化,但同时硝态氮深层淋溶量也较大,比CKH高出11.82%。

再生水和养殖废水灌溉下土壤-植物系统养分和重金属迁移特征

再生水和养殖废水作为农业替代水源对土壤-植物系统养分和重金属迁移规律影响的研究已有很多,但在同等试验条件下对比二者优劣的研究相对较少。【目的】研究再生水和养殖废水灌溉对土壤-植物系统重金属迁移特征。【方法】利用根箱试验比较了再生水和养殖废水灌溉下土壤-植物系统养分和重金属迁移规律的差异。【结果】养殖废水灌溉处理植物生长状况优于再生水灌溉处理;再生水和养殖废水灌溉都可以增加土壤养分和植株养分,养殖废水灌溉增加幅度更大。与对照相比,土壤全N、全P、全K、全Mg、有效Fe、有效Mn、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质量分别增加了4.78%、8.76%、4.33%、7.62%、19.04%、8.99%、3.55%、29.40%、14.14%、21.63%,植株根的N、P、K、Ca、Mg量分别增加了49.83%、23.90%、15.44%、4.09%、8.65%;同时,养殖废水比再生水向土壤和植物体中带入了更多的重金属,尤其是Cu和Zn,其中养殖废水处理植株根和茎Zn量显著增加了102.35%和244.49%;但再生水灌溉相比于养殖废水提高了土壤电导率。【结论】养殖废水灌溉增加土壤养分和植株养分量的幅度大于再生水灌溉,但再生水灌溉会增加土壤发生次生盐渍化的风险,而养殖废水灌溉会增加土壤和植物累积重金属的风险。

不同钝化材料对污灌农田镉污染土壤修复效果研究

为了探讨不同钝化材料对镉污染土壤修复效果及其差异性,利用田间小区试验研究了5种钝化材料（赤泥、海泡石、过磷酸钙、钙镁磷肥和生物质炭）对夏玉米生长及其吸收镉的影响。结果表明,5种钝化剂及其施用量均对玉米各部位干物质量及其含镉量以及根际土壤有效态镉量均产生极显著影响（P〈0.001）。高量施用钝化剂对玉米各部位干物质增加比例最大,其中又以钙镁磷肥增加比例最大,根、茎叶、籽粒干物质量分别增加9.6%、7.0%、1.1%。5种钝化剂低量和高量处理均显著降低了玉米根、茎叶、籽粒含镉量以及根际土壤有效态镉量,其降低范围分别为10.8%～26.3%、9.0%～34.8%、15.7%～37.1%、5.1%～20.5%,其中高量赤泥处理降低玉米对镉的吸收效果最显著。

城市污水再生水灌溉对黑麦草生长及土壤磷素转化的影响

为了进一步明确城市污水再生水的农业利用价值,在温室条件下采用盆栽试验方法种植黑麦草,以自来水(clean water,CW)灌溉为对照,分别进行全再生水(reclaimed municipal wastewater,RW)和混合再生水(自来水+再生水,CW+RW,1∶1)灌溉处理,研究了再生水灌溉对黑麦草生长和土壤磷素的转化特征。结果表明,城市污水再生水灌溉显著增加了黑麦草地上部和根系的生物量,CW+RW处理黑麦草地上部和根系生物量在播种55 d后分别较对照(CW)增加18.92%和6.42%,RW处理分别增加26.79%和10.55%;黑麦草地上部磷含量分别显著增加8.48%和10.93%。再生水灌溉土壤全磷含量变化不大并有减少趋势,但土壤速效磷含量CW+RW和RW处理分别较对照(CW)增加29.15%和43.80%;CW+RW和RW处理显著增加了土壤有机磷组分中的活性有机磷和中活性有机磷,与对照CW相比,其中活性有机磷增幅分别为50.30%和81.57%,中活性有机磷增幅分别为7.66%和13.68%;也显著增加了无机磷组分中的Ca2-P和Ca8-P,CW+RW和RW处理Ca2-P含量由对照的12.90 mg·kg-1分别增加到16.42 mg·kg-1和15.49 mg·kg-1,与对照相比,增幅分别为27.29%和19.38%,Ca8-P增幅分别为19.94%和16.03%。再生水灌溉显著降低了土壤pH并显著增加了土壤有机质含量,这可能是增加土壤磷活性的原因之一。再生水灌溉对提高土壤磷素利用率有促进作用。

逆境条件下硅肥调控效应研究进展

硅(Si)元素被认为是N、P、K之后的第四大元素。硅肥有利于促进作物的生长和土壤环境的改善。为了给硅肥利用的研究提供一定参考,通过文献综述的方法,总结了逆境条件下硅肥对低温胁迫的调控作用、对植株病害的防效、对水分胁迫的调控作用以及对重金属胁迫的缓解效应。综合现有研究结果,认为增施硅肥具有提高植株的耐盐胁迫、耐重金属胁迫、抗低温、抗病害等能力。此外,不同硅肥的调控效果不同,而且配施其他肥料或者农艺措施等效果更佳。最后,对今后硅肥利用研究方面提出一些建议:(1)加强硅肥的相关机理研究,如硅是如何改善土壤微环境的,纳米硅材料在植物体内的运输、积累及其对植物抗逆性能的作用机理研究;(2)开展硅肥与非常规水资源安全利用的耦合研究,如何利用硅肥的特性来解决微咸水灌溉和再生水灌溉及其二者耦合灌溉的问题;(3)加强硅肥的提质效应研究。

养殖废水灌溉下施用生物质炭和果胶对土壤养分和重金属迁移的影响

【目的】养殖废水中含有丰富的养分,但也含有一定的重金属。本文研究了生物质炭和果胶对养殖废水灌溉下的土壤–植物系统养分和重金属迁移规律的影响,以利用养殖废水中的养分,并对其重金属进行调控。【方法】选取新乡市郊区农田土壤为供试土壤,采用根箱试验方法种植玉米。设置根箱土壤中添加1%的生物质炭和果胶,分别灌溉蒸馏水和养殖废水发酵产生的沼液。测定了土壤中养分和重金属的含量,探讨了其在土壤–植物系统的迁移规律。【结果】沼液灌溉的植株地上部生长与蒸馏水灌溉无显著差异。果胶相比于生物质炭可以促进植株生长。沼液灌溉时,果胶处理的根系和地上部生物量分别比对照增加了25.38%和31.21%。沼液灌溉普遍降低了根际和非根际土壤的p H,生物质炭处理和果胶处理与对照根际和非根际土壤的p H均无显著差异。沼液灌溉增加了非根际土壤的电导,生物质炭相比于果胶增加了土壤的电导。沼液灌溉增加了土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量。果胶根际土壤的全磷、碱解氮、有效磷、有效Fe、有效Mn均高于生物质炭处理,生物质炭处理根际和非根际土壤的全钾和速效钾含量均高于果胶处理。沼液灌溉相比于蒸馏水灌溉,增加了植株根、茎中N含量和Ca含量。生物质炭处理植株根茎叶N含量、根茎P含量、茎K含量、根茎叶Ca含量、根茎Mg含量高于果胶处理,但果胶处理养分的转运系数较高。养殖废水灌溉增加了根际和非根际土壤中有效Cu和Zn尤其是Zn的含量。与对照相比,生物质炭降低了根际土壤Cu、Pb、Ni的含量,而果胶增加了它们的含量。沼液灌溉增加了植株根茎叶中Cu、Zn、Pb含量,果胶处理植株根系Cu、Zn、Pb、Cd、Ni含量最高,但向地上部转运较少。【结论】在北方碱性土壤灌溉养殖废水发酵产生的沼液时,施用生物质炭和果胶可以提高土壤肥力和植株养分含量,生物质炭通过减少土壤中有效态重金属含量以减少重金属在植物体内累积,果胶虽然增加土壤有效态重金属含量,但可以降低其向地上部的转运,避免了重金属在植物体内的累积。

不同pH值对重金属Pb^(2+)形态的影响研究

采用Tissier同步提取法分析大pH值跨度范围内,不同pH值变化对重金属Pb2+存在形态的影响,研究表明,在pH值3～5,浓度小于200 mg/L的范围内,重金属Pb2+向易吸收的形态转变,生物有效性系数较大。随土壤重金属Pb2+浓度的增加,生物有效性系数先增大后减小,小于200 mg/L的浓度范围内,铁锰氧化物结合态含量最大,重金属Pb2+的生物有效性系数较大。在200～1 000 mg/L浓度范围内,残渣态含量远远大于其他形态,生物有效性较低。

猪场沼液灌溉对冬小麦生长和品质的影响

为制定合理的猪场沼液灌溉制度,保障作物安全,利用微生物厌氧发酵系统处理过的猪场沼液,通过田间小区试验,研究了不同灌溉量、不同灌溉次数的沼液与不同用量的氮肥配施对冬小麦生长、产量、水分利用效率以及籽粒品质的影响,并对冬小麦产量进行水肥耦合的回归分析。结果表明:施肥量相同时,猪场沼液高灌(灌水定额900 m3·hm-2)处理拔节期生长指标、产量及籽粒淀粉指标显著高于低灌(600 m3·hm-2)处理,其中产量差值达19.93%,淀粉差值达9%;灌水量相同时,猪场沼液的高肥处理与低肥处理的产量无显著性差异。水分利用效率表现为低灌处理高于高灌处理。综合来看,灌水定额900 m3·hm-2和施肥量30 kg N·hm-2为最优处理。