基于文献研究法的中国农田面源污染研究及主要种植体系的氮利用与排放

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面源污染越来越来成为社会发展和人类健康的重要威胁和障碍。把握世界面源污染研究发展态势,认识我国面污染研究与发达国家面源污染研究的差异与差距,可为我国科研工作者和政策制定者提供有益的参考。而农业面源污染日趋成为水体污染的主要因素,特别是农田高量氮肥的施用已经成为水体富营养化的主要原因之一。要防控由氮肥施用引起的面源污染问题,首要的是了解目前我国农田作物对氮肥的利用效率,以及氮肥施用引起的农田面源污染排放,以寻找协调粮食安全和环境安全的适宜施氮量,从节能减排出发,实现面源污染的“源头减量”。鉴于当前我国农田面源污染长期监测数据的缺乏及数据共享的限制,而零散、短期的已发表试验数据较多,利用本人在职编辑的特殊身份及文献获取的便利性,本研究采用文献研究法(包括:文献计量学方法和内容分析法),通过数据挖掘和统计分析,对上述问题进行了探讨,得到的主要结果如下:  1)世界面源污染研究自20世纪90年代开始迅速发展,美国是面源污染研究开始较早的国家,其研究成果得到了世界面源污染研究同行的认可,可供我国面源污染研究借鉴和参考。我国面源污染研究较世界及美国面源污染研究晚至少10年,但在世界面源污染研究成果中占有重要地位。我国的面源污染防治对策目前较多的还是单项技术的防治,集成技术体系的综合防治措施研究,如美国的“BMPs”还有待加强。  2)我国目前农田土壤氮素肥力较高,水稻、小麦、玉米三大粮食作物施氮的增产率平均仅为32.1%~44.7%,不施氮肥条件下的基础产量可达到施氮条件下最高产量的67.9%~75.9%。近30年来,我国氮肥的表观利用率经历了一下先降低再上升的过程,目前三大粮食作物的氮肥表观利用率分别为39.0%、34.8%和29.1%,平均为34.3%,较2001-2005年的统计结果提高6.8百分点,基本回升至20世纪80年代的平均水平。根据我国对粮食产量的需求,从节能减排、提高氮肥利用率出发,180~240 kghm-2的施氮量可能是全国尺度下实现三大粮食作物氮肥高产高效相对比较适宜的用量范围。与目前全国三大粮食作物的平均施氮量相比,在氮肥投入过量地区可平均减少氮肥投入水稻为0~22.1%、小麦为0~21.4%、玉米为0~18.2%。即在全国尺度下,若当前施肥方式等影响氮肥利用率的因素不发生大的变化,氮肥的减量空间不超过22%。  3)太湖流域稻麦种植体系氮肥的表观利用率在全国处于较高的水平,但由氮肥施用导致的面源污染问题仍十分严峻。本研究结果显示,当前太湖流域稻季和麦季的氮肥表观利用率分别平均为40.4%和51.4%;稻季的氨挥发量均值为31.78 kghm-2,占当季施氮量的15.11%,麦季为10.30 kghm-2,占当季施氮量的7.29%,稻季大于麦季;稻季的淋溶损失氮量均值为5.18 kghm-2,占当季施氮量的2.48%,麦季为7.55 kghm-2,占当季施氮量的4.64%,麦季大于稻季;稻季的径流损失氮量均值为10.49kg·hm-2,占当季氮肥施用量5.18%,麦季为19.43 kghm-2,占当季氮肥施用量10.60%,麦季大于稻季。稻季氮素损失为氨挥发>径流>淋溶,共计47.45 kg·hm-2,占当季施氮量的22.77%;麦季氮素损失为径流>氨挥发>淋溶,共计37.38 kghm-2,占当季施氮量的22.53%;全年损失氮量共计84.83 kghm-2,约占全年施氮量的23%。综合考虑氮肥的产量效应、面源污染排放以及氮肥利用率,稻季200 kghm-2和麦季180 kghm-2的平均施氮量可能是实现太湖流域稻麦体系氮肥高产、高效、低污染的安全用量。相较本研究得到的最高产量施氮量(水稻271kg·hm-2,小麦246 kghm-2),该安全施氮量可实现稻季减施氮肥26.2%,而减产仅4%,麦季减施氮肥26.8%,而减产仅5%。与流域内当前的习惯施氮量相比,稻季可减少施氮35.5%~42.9%,麦季可减少施氮10.9%~40.0%。
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