氮淋溶是氮素损失的主要途径之一,土壤硝态氮通过淋溶进入水体会造成人体中毒和水体富营养化,对人体健康和生态环境产生严重危害。为探明我国冬小麦-夏玉米轮作体系化肥施氮量、作物种类和监测方法等因素对硝态氮淋溶量的影响,利用中国知网期刊全文数据库(CNKI)和Web of Science核心合集英文数据库(WoS),收集1980—2020年冬小麦-夏玉米轮作体系硝态氮淋溶领域的相关文献,采用回归方程和T检验等统计学方法分析不同施氮水平、作物种类和监测方法对冬小麦-夏玉米轮作体系硝态氮淋溶的影响。结果表明,随着化肥施氮量的增加,小麦季和玉米季硝态氮淋溶量均呈指数增长趋势。小麦季和玉米季平均施氮量差异不显著,但小麦季硝态氮淋溶量和淋溶率显著低于玉米季(P<0.01)。在施氮量接近的条件下,采用渗漏计法和溶液提取器法测得的硝态氮淋溶量和淋溶率没有显著差异,两种方法均可作为监测硝态氮淋溶的可靠方法在田间应用。回归方程对施氮量和硝态氮淋溶量的拟合在施氮量低于300 kg∙hm^(−2)时较好,随着施氮量的增加拟合精确度降低。玉米季硝态氮淋溶风险大于小麦季,冬小麦-夏玉米轮作体系中玉米季的硝态氮淋溶现象需要引起重视。
当前,设施蔬菜生产系统由于氮肥的过量施用以及频繁的灌溉所引起氧化亚氮(N2O)排放和硝态氮(NO3--N)淋溶特征的研究尚不明确,不同田间管理措施如何同时影响两者的消涨不清晰,且缺乏保障产量基础上共同减少两者的措施探索。因此,本研究以北京郊区典型设施蔬菜地(果菜-叶菜种植类型)为研究对象,通过三个轮作周期连续7个蔬菜生长季(记为P1、P2……P7)的原位田间试验,并结合生物地球化学循环模型DNDC(Denitrification-Decomposition)进行研究,主要结论如下:(1)农民传统施氮肥处理(FP)、减氮施肥处理(R)、减氮施肥且添加硝化抑制剂处理(双氰胺,R+DCD)和不施氮肥处理(CK)三个轮作周期N2O累积排放量分别为18.71–26.58,9.58–15.96,7.11–13.42和1.66-3.73 kg N ha-1;与FP相比,R和R+DCD处理分别显著减少38.1%-48.8%和49.5%-62.0%的N2O排放(P<0.05)。氮肥施用、灌溉次数和土壤温度是影响设施蔬菜地土壤N2O排放的环境因子。(2)根据田间监测的数据,主要确定了DNDC模型中土壤参数(容重、初始土壤氮含量、有机碳、土壤质地、田间持水量等),校正了不同种类蔬菜的生理学参数(目标产量、生长积温和需水量等)以及硝化抑制剂效率和作用时间等,利用田间监测的数据全面检验了该模型在设施蔬菜生产系统中的模拟能力。DNDC模型作物产量模拟值和实测值之间表现为较好的一致性,RMSE为0.2-32.7;N2O季节排放总量的模拟值与观测值之间存在线性回归关系(slope=1.03,R2=0.945,P<0.001),RMSE为6.2-71.5;模型同时能够较好模拟5cm深度土壤温度、土壤表层水分含量、表层土壤NO3--N含量和土壤溶液中NO3--N浓度的季节变化动态和量级,表明校验后的模型能够模拟设施蔬菜地的氮素循环过程。(3)从三个轮作周期的模拟结果来看,设施蔬菜地整体氮平衡表现为盈余,氮素输入远大于氮素输出,氮素输入主要是由于氮肥的投入;FP处理氮素输出(三个轮作周期均值)中蔬菜吸收为305 kg N ha-1(占17.37%),NO3--N淋溶为1180 kg N ha-1(占67.17%),NH3为89 kg N ha-1占(5.09%),N2O和NO排放分别为22和3 kg N ha-1,占1.25%和0.20%。(4)用检验后的模型评价设施蔬菜地不同水氮管理措施对N2O排放和NO3--N淋溶的影响(P4-P7时期)。与FP相比,大多数减少氮肥施用量的情景并没有引起蔬菜产量的显著变化,但可以显著降低各蔬菜生长季N2O排放(4.50-97.96%)和NO3--N淋溶量(4.36–99.25%)。添加DCD对蔬菜产量影响较小,但是且能够减少0-37.35%N2O排放和0.03-52.98%NO3--N淋溶。相比较漫灌,滴灌能增加蔬菜产量,但在不同蔬菜生长季对两者的作用效果有所差别。(5)以FP处理为例,N2O累积排放量与NO3--N淋溶量之间存在指数回归关系(n=14;R2=0.500)。以协调产量和环境效应为目标,在不同蔬菜生长季提出了减氮施肥、配合施用DCD和改变灌溉方式的优化管理措施,可以保障产量的同时减少设施蔬菜地N2O排放90%以上,减少NO3--N淋溶80%以上。
通过3年田间定位试验和区域调查,结合试验室分析,研究了黑河中游边缘绿洲区沙质土壤在不同灌溉、施肥、轮作等管理方式下和不同种植模式下硝态氮在土壤剖面的积累特征、水肥利用效率及作物生产力;分析了绿洲区域地下水硝态氮的污染状况和影响因子。主要结论如下:\n 1.由于灌溉、施肥、耕作等土壤管理的差异,导致不同农田利用方式下硝态氮在土壤剖面中的积累的不同。不同农田利用方式土壤硝态氮积累分布特征的调查研究结果表明,大棚蔬菜地各土层NO3--N含量均显著高于其他农田利用类型。土壤NO3--N累积量表现为大棚蔬菜地>番茄地>棉花地>制种玉米连作田>小麦/玉米间作田>小麦-玉米轮作田>苜蓿地>枣树园。大棚蔬菜地对地下污染的威胁较为严重,番茄地和棉花地土壤剖面NO3--N累积量次之,这主要由于大棚蔬菜地、番茄和棉花的经济价值高,氮肥施用量较大,加之种植历史较短,平衡施肥技术的应用和研究也相对滞后,导致土壤硝态氮大量积累;粮田、苜蓿地和枣树园土壤剖面NO3--N累积量较小,粮食作物种植历史悠久,平衡施肥技术已基本普及。大量的试验研究也较为深入,加之粮价长期偏低,肥料价格上涨,过量施肥问题并不十分突山,但其污染潜力仍不容忽视。因此,在该区域因注重区域种植结构调整,对地下水污染威胁较强的大棚蔬菜因适当控制发展规模:扩大苜蓿、枣园污染威胁较低的土地利用方式面积:对于番茄、棉花作物则应从控制氮肥用量,平衡施肥.使用缓释肥等方面减少土壤硝态氮的积累:而对于种植历史较长的粮田则因深入研究量化施肥和灌溉用量。配方施肥使肥料利用率最大化,减少其潜在污染威胁。\n 2.冬灌储水是河西绿洲农田将遍采川的一种传统灌溉方式,但对于持水能力较低的沙质土壤容易通过土壤水分的下渗导致土壤氮素淋失。沙地农田冬浠前后土壤水分变化和土壤硝态氮分布特征的研究结果表明,冬灌后水分迅速下渗至土壤深层,不同灌溉量之间表层土壤含水量无明显差异,说明通过土壤冬灌米蓄水保墒,增加土壤含水量的传统灌溉方式对沙质土壤效果并不明显。冬浠降低了0-100 cm土层NO3--N含量,增加了100-300 cm土层NO3--N含量,灌溉量越高。这种趋势越明显:冬灌前后土壤剖面NO3--N积累量的损失情况分析表明,冬灌造成土壤0-100 cm土层的NO3--N向100-300 cm土层淋容。因此,在沙地农田因建议通过实施免冬灌或减少冬灌数量来减少农田氮素淋失。\n 3.合理的水氮管理是保证农田生态系统作物生产力和减少区域水资源污染的重要途径。过量的水氮投入使氮肥利用率降低,增加土壤硝态氮的淋溶损失。沙质土壤不同灌溉和氮肥用量配合试验研究结果表明.施氮处理较不施氮处理玉米产量增加48.22%-108.6%,籽棉产量增加33.9%-50.9%:随施氮量增加,作物总吸氮量和氮收获指数增加,氮的农学利用率降低,而灌溉的影响较小.施氮量超过225 kg ha-1时,地上部植株氮肥吸收利用率和籽粒氮肥吸收利用率趋于下降。土壤剖面不同层次土壤粒级分布的差异,导致土壤硝态氮含量土壤中呈“W”型分布,即土壤硝态氮含量在0-20 cm、140-160 cm和1260-300 cm土层均出现峰值,并随施氮量增加,峰值增高。低量灌溉处理下土壤硝态氮在土壤浅层累积较多,而高灌溉处理使更多的硝态氮淋溶至土壤深层。土壤硝态氮累积量和氮素表观损失量与施氮量均呈线性相关,即随施氮耸增加,土壤硝态氮累积量和氮素表观损失量均增加,相关系数R2介于0.79-0.99之间,相关均显著。综合考虑产量、经济因素和土壤硝态氮淋溶,从环境效益和经济效益双赢的角度出发,玉米灌溉量从当地实际灌溉量12000 m3 hm-2下调至9600-10800 m3hm-2,最佳经济施氮量为287 kg Nhm-2:棉花灌溉量应在8100 m3 hm-2以下,最佳经济施氮量为316 kg N hm-2。\n 4.长期均衡施肥是提高农田生产力的主要途径。沙质土壤不同施肥管理研究结果表明,施用有机肥显著增加作物产量,但与化肥单施相比,有机肥更易导致土壤中硝态氮的积累,从持续农业发展及保护生态环境等方面考虑,有机无机肥配合施川是增加绿洲农田土壤生产力,维持和提高土壤质量的有效途径。与当地农户普遍采用的施肥量相比.22.500 kg hm-2的有机肥施用量下,减少化肥投入33%(N-P2O5-K2O,225-135-135)是合理的玉米施肥对策,而N-P2O5-K2O-M,75-60-60-22500 kg hm-2的施肥推荐是即能减少土壤硝态氮的积累风险.又能够发挥大豆最佳的生产潜力的优化施肥方式。\n 5.河西绿洲农田普遍采用传统的二耕两耱(春耕-耙耱保墒,中耕除草-耙耱保墒,冬耕灌溉)、地膜覆盖和制种玉米连
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