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东北黑土区农田氮磷淋溶消减的阻控方法及草案

来源:原创论文网 添加时间:2020-11-25

  摘    要: 黑土是我国重要的土壤资源, 承载了全国50%以上的玉米产量。但过量的化肥施入和不合理的农业管理造成黑土土壤氮磷大量残留, 氮磷淋溶风险增强。相关研究表明, 尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低, 但肥料残留效应致使其潜在淋溶风险增强。因此, 本研究综合分析了环境因子和农业管理措施对黑土区农田氮磷淋溶特征的影响规律, 明确了黑土氮磷淋溶消减措施, 并针对玉米农田和蔬菜地提出消减策略。具体结果如下: 施肥和降水是影响黑土农田氮磷淋溶的重要因素, 灌溉是影响蔬菜地氮磷淋溶的关键农田管理措施; 按需施肥、有机无机配施、避免雨热同期追肥、节水灌溉、免耕秸秆覆盖、不同作物轮作和添加生物炭等均是适合于当地气候和土壤条件的氮磷淋溶阻控措施; 建议玉米农田采用一次性基肥施入, 有机肥占比50%~70%, 采用免耕秸秆覆盖技术; 蔬菜地在常规施肥和灌溉频次下分别降低20%的施肥量和灌溉量, 推荐蔬菜秋季收获后秸秆粉碎深埋等管理措施。本研究明确了黑土区农田氮磷淋溶消减策略, 有助于实现黑土区农业绿色可持续发展和绿色生态环境的构建。

  关键词: 氮磷淋溶; 黑土; 阻控措施; 玉米农田; 蔬菜地;

  Abstract: Black soil, classified as Mollisol, is characterized as fertile and productive. The black soil region, which is mainly located in the Northeast China, is known as a key grain base with nearly half of China’s maize production. Large amount of synthetic fertilizer is applied to meet the increasing demands for cereal production with low efficiency. Thus, excessive nitrogen and phosphorus remained in soils exert potential risks for agricultural non-point pollution and thus result in the degradation of black soils and pollutions of surface water and underground water, which further threaten the water security of drinking. The studies in the black soil region indicate that the leaching intensities of nitrogen and phosphorus are relatively low for the croplands cultivated with cereals in comparison with other regions, especially those in North China Plain. But the nitrogen and phosphorus remained in soils due to high fertilizer additions still increase the potential of nitrogen and phosphorus leaching, especially under intensive precipitation. Thus, based on analyzing the effects of environmental factors and field managements on the leaching of nitrogen and phosphorus in the black soil region, this study was to identify the effective measures for controlling the nitrogen and phosphorus leaching and propose the strategies to reduce the potential leaching for both rain-fed maize and vegetation fields in the black soil region. Fertilization and precipitation are primary drivers of the nitrogen and phosphorus leaching for the cultivated black soils, and irrigation is an important field management closely related with leaching intensity for the vegetation fields. To mitigate the leaching corresponding to the primary drivers, strategies of setting maximum threshold of fertilizer doses based on crop demands, adjusting the time of fertilization to avoid continuous and intensive precipitation and water-saving irrigation in vegetation fields are suggested to be adopted for the cultivated black soils. In addition, other field managements are also put forward to alleviate nitrogen and phosphorus leaching and reduce the risk of water pollution under the climate and soil conditions in the black region, such as replacing synthetic fertilizer with manure, combined application of inorganic and organic fertilizers, no-tillage with maize stover mulching, crop rotation and biochar addition. In order to control the nitrogen and phosphorus leaching intensities for the rain-fed maize croplands, i) fertilizer is suggested to be totally applied as basal fertilizer without dressing fertilizer to avoid largely active nitrogen and phosphorus remained in soils under intensive precipitation during growing season; ii) organic fertilizer is advised to be applied in combination with synthetic fertilizer with the proportion of 50%—70%; iii) no-tillage with maize stover mulching is also proposed. Reducing the amount of fertilizer and irrigation water by 20% under same frequency and burying the crushed straw deeply after vegetation harvest in autumn are also recommended for the vegetation fields to reduce the potential leaching of nitrogen and phosphorus. Therefore, the targeted advices on nitrogen and phosphorus pollution prevention and control are beneficial for realizing the sustainable and green development of agriculture and establishing green ecological environment in the black soil region.

  Keyword: Leaching of nitrogen and phosphorus; Black soil; Mitigation; Cropland; Vegetable field;
 

东北黑土区农田氮磷淋溶消减的阻控方法及草案
 

  黑土是最肥沃的土壤。我国的黑土区位于东北松辽流域, 主要分布在黑龙江、吉林, 辽宁和内蒙古4省(区)[1,2], 是我国第二大粮食作物——玉米(Zea mays)的重要生产基地[3,4]。20世纪80年代以来, 为了保障粮食安全和提高作物单产, 过量化肥投入的现象十分普遍, 远超世界先进国家的肥料投入水平, 但其利用率却很低[5,6]。尽管黑土区较高的土壤肥力使得东北春玉米氮肥利用效率达到32%, 明显高于我国其他地区, 但仅为发达国家氮肥利用效率的一半[6,7]。因此, 大量的化肥施入和不合理的农业管理措施共同导致氮磷残留在土壤, 或进入大气和水体, 造成黑土退化, 肥力降低, 并引起一系列的大气和水体污染等问题。氮磷从土体中淋失是氮磷损失的主要途径, 农田生态系统氮磷的迁移转化是造成农业面源污染的重要根源[6]。目前农田氮磷淋溶损失造成的地下水污染问题在农区日益严重, 我国80%以上的水井监测点地下水“三氮”(氨氮、亚硝态氮和硝态氮)超标, 为IV和V类, 严重威胁饮水安全和人体健康[5,8]。研究显示, 1990—2012年, 粮食生产造成我国氮磷损失热点面积分别扩大3倍和24倍[9]。因此, 针对我国不同农业生产区域的气候、土壤和种植特点, 建立相应的氮磷淋溶消减草案, 对于控制农业面源污染具有重要意义。所以, 本研究通过明确黑土区农田氮磷淋溶现状及影响因素, 进而探讨氮磷淋溶的消减策略并形成草案, 最终为黑土区精准实施氮磷淋溶阻控措施, 有效控制氮磷淋溶潜在风险提供科学参考。

  1、 黑土区农田氮磷淋溶现状

  黑土区是典型的雨养农业区, 地势平坦, 地下水埋深5~20 m。年平均气温和降水分别为0.5~6.0 ℃和500~600 mm, 雨热同期, 80%的降水集中在4—9月的作物生长季, 属于温带大陆性季风气候[2]。土壤成土母质以第四纪黄土状沉积物为主。春玉米连作是黑土区典型的种植模式之一。公主岭站点的春玉米农田观测研究表明, 黑土区的氮素淋溶以硝态氮为主, 铵态氮的淋失是一个缓慢的过程, 且存在一个导致铵态氮淋失的氮肥施用临界阈值[6]。黑土区不同旱地农田观测站点的硝酸盐淋失主要发生在雨季, 1.2 m土体的硝酸盐淋失强度为4.5~7.2 kg(N)?hm-2?a-1, 约占施氮量的1%~12%[6,10,11,12,13]。随着玉米种植年限的增加, 黑土区春玉米种植区土壤全磷和有效磷(Olsen-P)含量不断增加, 当Olsen-P含量大于磷素淋失临界值(79 mg?kg-1)时, 41%的黑土存在磷素淋失风险[14]。基于不同方法对全国县级尺度氮淋溶强度的模拟结果表明, 无论是质量平衡模型、经验模型还是生物地球化学过程模型, 黑土区旱地农田氮淋溶强度为0~5 kg(N)?hm-2?a-1, 只有少数排放热点大于10 kg(N)?hm-2?a-1[6,13,15,16](图1)。质量平衡模型NUFER的模拟结果表明, 磷淋溶强度的特征与氮淋溶一致; 与1990年相比, 2012年黑土区磷淋溶热点面积显着增加, 且大部分位于吉林省南部[9]。尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低, 但当遇到强降水时, 肥料的残留效应仍会导致较大的潜在淋溶风险[6,10]。

  土壤氮磷淋溶的发生主要取决于土壤中的氮磷含量和土壤水分的运动情况[10](图1)。为了追求高产, 过量的氮磷肥料施入土壤, 但氮肥的利用效率仅为30%左右, 磷肥因为易被土壤固定, 当季利用率一般仅为10%~25%[7,17], 导致土壤中残留大量的氮磷。研究表明, 土壤中氮磷的残留量与氮磷淋溶强度存在显着正相关关系, 进而造成潜在的淋失风险[18]。而且, 长期施肥导致黑土农田土壤氮素大量残留, 农田本底氮淋失占总淋失量的70%[10]。所以, 过量的化肥施用是黑土农田氮磷淋溶发生的驱动力。此外, 土体内水分的垂直迁移是氮磷淋溶发生的重要条件。黑土区农田以雨养农业为主, 因此降水是土壤水分运动的主要贡献者, 所以旱地农田的氮磷淋溶主要集中在6—8月, 占全年淋溶频次的2/3[6,10,11]。对于以高水高肥为管理特点的蔬菜地而言, 土壤氮磷淋溶同时还与灌溉事件密切相关[19]。再者, 黑土主要分布在我国中高纬度地区, 秋冬季节和初春存在明显的冻融交替过程。研究表明, 冻融交替次数是导致土壤氮磷浓度变化的主要原因, 频繁的冻融交替破坏土壤团聚体, 增强土壤释水性和水分渗透性, 同时促进微生物细胞溶解释放养分元素, 再者融化阶段氮素的矿化和硝化使得溶解性有机氮向硝态氮转化, 造成土壤中氮磷养分浓度增加, 进而影响黑土农田的氮磷淋溶过程[20,21]。因此, 冻融交替是黑土区特有且对氮磷淋溶产生重要影响的物理过程。

  图1 黑土区氮磷淋溶特征和影响因素示意图
图1 黑土区氮磷淋溶特征和影响因素示意图

  Fig. 1 Characteristics of nitrogen and phosphorus leaching in the black soil region and related controlling factors

  2、 黑土区农田氮磷淋溶消减阻控措施

  2.1、 施肥量和施肥时间

  过量施肥和较低的肥料利用效率共同导致土壤中氮磷元素的累积, 是土壤氮磷淋溶的根本驱动。研究表明, 黑土玉米农田氮淋溶强度随施肥量的增加表现出“平台加线性”的相关关系。当施肥量小于180 kg(N)?hm-2?a-1, 氮淋溶强度变化不显着, 但当施肥量高于180 kg(N)?hm-2?a-1, 氮淋溶强度与施肥量呈显着正相关关系, 即施肥量每增加100 kg(N)?hm-2, 氮淋失强度增加2.4 kg(N)?hm-2[10]。蔬菜生长周期短, 养分需求大, 为保证产量, 施入大量化肥。田雨等[19]在黑土区露天菜地的研究结果表明, 减肥20%没有显着降低蔬菜产量和硝酸盐淋溶, 说明黑土露天菜地仍有一定的减肥空间。龚蓉等[22]对玉米-小白菜(Brassica rapa)轮作农田的研究发现, 磷肥减施10%~30%分别可以减少18%~32%和33%~47%总磷和可溶性磷的淋失量。此外, 施肥方式和施肥时间也会影响土壤氮磷的动态变化特征。孙宏德等[11]在黑土区旱地玉米农田的研究发现, 尽管一次性基肥施入和基肥追肥配施的不同施肥方式会造成硝态氮动态移动特征不同, 但硝态氮移动总量并没有显着性差异。降水引起的土壤水分运移是雨养农田氮磷淋溶的重要条件, 所以在雨热同季时期应严格控制肥料施用且避免雨前施肥[10]。因此, 根据作物的养分需求科学施肥, 设定作物最大施肥限量, 实行测土配方施肥, 有效利用土壤耕层残留氮磷养分, 同时合理安排施肥时间, 有效规避连续或较强降雨, 是降低农田土壤氮磷淋溶风险的有效措施。

  2.2 、肥料种类

  无机肥养分含量高, 释放快, 是保证产量的关键因子, 但养分易随淋溶进入地下水, 特别是在连续降雨或雨量较大时期[6,23]。与无机肥相比, 有机肥易被微生物利用, 更多的氮磷被固定在微生物体内, 增强土壤肥力, 宜作基肥, 具有缓释性, 从而避免前期土壤无机氮磷过剩而流失[17,24]。此外, 有机肥孔隙小, 有利于土壤保墒, 不易形成优先流, 因此氮磷垂直迁移量呈减少趋势[12]。再者, 有机肥矿化分解过程中微生物消耗了土壤部分氮素, 使得矿质氮被固持, 土壤中硝态氮累积降低[23,25]。如果有机肥完全替代无机肥, 由于有机肥的长效性, 当季利用率较低, 不能充分满足作物前期正常生长的需要, 因此有机无机配施更有利于作物生长[6,23]。高洪军等[4]在公主岭玉米农田的研究结果表明, 在适宜用氮量下, 粪肥替代70%或秸秆替代30%化肥氮素, 既减少化肥氮投入, 又增加土壤供氮能力, 降低淋失风险。此外, 同位素研究表明, 高碳氮比的玉米秸秆可以加快肥料氮向土壤有机氮和黏土矿物固定态铵的转化, 减少土壤氮残留, 提高肥料利用效率, 降低肥料氮从作物根层淋失的风险[26]。习斌等[23]在华北地区玉米季的研究结果表明, 有机肥替代50%的化肥用量, 可以增产10%, 降低氮淋溶, 但因有机肥带入大量磷素, 导致土壤中磷的大量累积, 引起磷淋溶的环境风险。因此, 为了实现同时保证作物产量和减少土壤氮磷残留及淋溶风险, 应调整化肥施用结构, 有机肥替代化肥, 采用有机无机合理搭配的方式, 充分发挥其供肥和改土的双重效应[5,6,11,12,24]。

  缓释肥和控释肥是从肥料学的角度调节肥料施入土壤后的释放速率, 使得养分供应规律与作物的生长需求一致, 满足作物不同生长阶段对养分的需求。焉莉等[3]在黑土玉米农田的研究结果表明, 控释肥可以在保证作物产量的前提下显着降低氮损失, 但在降水量低的条件下残留较高, 应适当降低施肥量。王曰鑫等[27]研究发现, 缓释磷肥的释放规律与作物生长需求一致, 既不烧苗, 还能满足作物需求, 保证稳产和高产, 降低土壤磷残留。然而, 由于生产成本较高, 包膜材料的环保性等因素, 缓控肥还未得到大范围的普及[24]。

  2.3、 灌溉

  在黑土区, 与广泛分布的雨养春玉米不同, 蔬菜除了养分需求大, 还耐旱性弱, 需要充足的土壤水分, 所以灌溉是蔬菜地常规的管理措施。当大量的水肥施入土壤却不能被蔬菜完全吸收, 不仅造成水肥资源浪费, 还显着降低水肥增产效果[28]。田雨等[19]在黑土区露天菜地的研究结果表明, 减水20%灌溉既减少了土壤铵态氮和硝态氮的淋溶, 又未影响白菜的产量, 是经济收益最大和环境影响风险最小的可行水分管理措施。此外, 相对于大水漫灌, 采用节水灌溉技术也可以有效控制氮磷随水分的淋失。骆晓声等[29]研究发现, 适当减量施肥配合畦灌可显着降低硝态氮和总磷的淋溶。因此, 通过采用节水灌溉技术, 有效提高水分利用效率是控制蔬菜地氮磷淋溶的重要阻控措施。

  2.4、 耕作制度和种植方式

  耕作对于土壤的扰动会改变土壤的结构和通气性以及养分状况, 进而影响氮磷的累积特征和淋溶过程。国际上广泛推广和应用的免耕技术, 对于保障粮食安全和维护农业生态系统的可持续性具有重要意义。滕珍珍等[30]研究结果表明, 与常规垄作相比, 免耕秸秆覆盖促进耕作层的肥料氮转化为有机氮和黏土矿物固定态铵, 增强耕层土壤的供氮能力, 提高土壤肥力, 减少硝态氮在深层土壤剖面的残留, 进而降低肥料氮的淋溶损失风险。此外, 秸秆作为有机肥还田, 其还田方式也会影响淋溶过程。黑土区露天菜地的研究发现, 与常规处理相比, 减水减肥配施秸秆深埋显着降低淋溶液中硝态氮和铵态氮的含量, 但会造成蔬菜产量的降低[18]。连作农田系统不仅不利于土壤肥力的保持, 还会影响养分的淋失。赵伟等[12]在黑土旱地农田的研究发现, 玉米与大豆轮作可以明显降低玉米连作的土壤氮素淋溶。此外, 间作和套种也可以降低氮淋溶。因此, 合理的农田耕作和秸秆处理方式以及种植模式均有利于阻控黑土区农田的氮磷淋溶。

  2.5 、生物炭

  生物炭是生物质原料在无氧或低氧条件下, 经高温裂解形成的炭[31]。生物炭呈多孔结构, 阳离子交换量高, 吸水性和吸附能力强, 施入土壤后可以改变土壤孔隙的大小分配, 增强土壤的氮磷固定能力[32]。研究表明, 生物炭的吸水性和保水性可以有效阻控硝酸盐随水分的垂直迁移, 同时对硝酸盐和有效磷具有吸附保蓄作用, 增强土壤提供氮磷养分的能力, 进而降低硝态氮和有效磷的淋失风险[21,31,32,33]。因此, 通过添加生物炭改善土壤理化性质, 提高土壤养分固持能力, 已经成为目前极具潜力的黑土区农田氮磷消减阻控措施。

  3 、黑土区农田氮磷淋溶消减草案

  3.1 、玉米农田

  根据公主岭和梨树试验站的长期研究结果[4,10,23,30], 建议黑土区雨养玉米农田采用一次性基肥施入, 避免在雨热同期追肥, 施肥量控制在180~240 kg(N)?hm-2?a-1; 有机无机配施, 有机肥比例占50%~70%; 采用免耕秸秆覆盖技术, 玉米秋季收获后留茬30 cm, 其他整株秸秆沿与垄垂直方向均匀覆盖地表, 覆盖量为5 000~7 500 kg?hm-2, 春季不整地直接播种, 免耕播种机将整株秸秆切断, 播种深度7~10 cm, 肥料条施, 施肥深度为15 cm。

  3.2、 蔬菜地

  根据黑龙江五常市典型蔬菜地研究结果[18,28], 建议黑土区蔬菜地在常规施肥频次下降低施肥量20%; 常规灌溉频次下降低灌溉量20%; 推荐蔬菜秋季收获后秸秆粉碎深埋, 秸秆用量15 000 kg?hm-2左右。

  4、 结论和展望

  近些年黑土区农田氮磷淋溶相关研究表明, 黑土区旱地农田氮磷淋溶量相对较低, 施肥和降水是影响淋溶的重要因素, 灌溉是影响黑土区蔬菜地氮磷淋溶的关键农田管理措施。冻融交替作为黑土区特有的物理过程, 其对农田土壤氮磷淋溶的影响有待进一步深入研究。针对黑土区农田氮磷淋溶现状, 根据作物的养分需求科学施肥, 设定作物最大施肥限量, 合理安排施肥时间, 有效规避连续或较强降雨, 对蔬菜地采用节水灌溉技术, 提高水分利用效率, 是从根源上降低黑土区农田土壤氮磷淋溶风险的有效措施。此外, 调整化肥施用结构, 有机肥替代化肥, 有机无机配施, 免耕秸秆覆盖, 不同作物轮作和添加生物炭等管理措施均是黑土区农田多年来探索, 并实施推广的适宜当地气候和土壤环境条件的氮磷淋溶消减措施。今后一方面要将行之有效的阻控措施进一步推广应用, 另一方面需要进一步明确多种阻控机制的综合效应, 进而完善本文基于黑土区典型玉米农田和蔬菜地研究结果而提出的黑土区农田氮磷淋溶消减草案。

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