稻田氮、磷损失与过程监测方法研究进展

来源:《生态与农村环境学报》2018年9期

作者:胡冰涛1,2,张龙江1,杨士红2,陈玉东1,周慧平1

单位:1.环境保护部南京环境科学研究所;2.河海大学水利水电学院

摘要:水稻是我国主要的粮食作物之一。水稻生产过程中土壤和肥料中的部分氮磷元素以溶质或颗粒形态通过淋溶、径流迁移至周围水体，造成地下水污染和水体富营养化。稻田土壤中氨挥发产生的氨气和反硝化反应产生的氧化亚氮气体进入大气，加剧了温室效应。笔者围绕稻田氮磷的气体挥发、径流和淋溶3个流失途径介绍了国内外常用的监测方法，并进一步讨论了针对径流和淋溶这2种流失途径的监测指标、监测频率和监测深度等问题，总结了2种流失途径的主要氮磷流失形态，根据产流特征和施肥时间确定监测时间节点，综合考虑植物吸收和地下水深度确定淋溶监测深度，以期为稻田氮磷流失监测提供相关技术支持和科学依据。

农田面源污染是目前发生面最广、影响最大的面源污染,是面源污染的主要形式。农田面源污染是指在农业生产活动中氮和磷等营养物质、农药、重金属以及其他有机和无机污染物质、土壤颗粒等沉积物以降雨为载体并在降雨的冲击和淋溶作用下,通过农田地表径流和地下淋溶过程对大气、土壤和水体等环境形成的污染。从本质上讲,农田面源污染物是来自于农田土壤中的农业化学物质,因此,它的产生、迁移与转化过程实质上是污染物从土壤圈向其他圈层,特别是水圈扩散的过程。

氮、磷是植物生长发育需要量较大的营养元素,过去几十年里施用化肥一直是提高世界粮食产量的重要措施。我国是世界化肥第一消费大国,化肥消费量达到5562万t以上,约占世界化肥总消费量的34%,我国稻田单季氮肥用量平均为180kg·hm-2,比世界平均施氮水平高75%。施入农田的氮肥、磷肥不能完全被作物吸收利用,大部分氮肥、磷肥通过地表径流进入河流、湖泊或通过非饱和区渗透进入地下水,造成水体富营养化和地下水污染。我国水稻生产中氮肥平均利用率为30%~35%,高产地区更低,磷肥利用率低至15%~25%。美国60%左右的地表水环境问题是由农业生产引起的,农业面源污染被美国环境保护总署列为河流和湖泊的第一污染源。欧洲国家农业生产活动中排放的氮磷量占地表氮磷总负荷的24%~71%。日本地下水源调查结果显示约90%的地下水源中ρ(硝酸盐)超过3mg·L-1。我国北方京、津、唐等地69个观测点数据显示50%以上硝酸盐超标,最高可达67.7mg·L-1。

长期以来,针对稻田氮磷流失的环境效应问题国内外已开展大量监测工作,根据稻田氮磷流失途径可将监测划分为稻田氮素气态损失、氮磷径流流失和氮磷淋溶流失3类。笔者就稻田氮磷流失研究中采用的监测方法和监测内容进行阐述。

1稻田氮素气态损失监测

氮素的挥发损失以氨氮为主,氮肥表施时氨挥发损失占总施氮量的10%~60%。稻田氨挥发的监测方法可分为直接法和间接法。直接法中较为常用的方法主要有密闭生长箱法、微气象法和风洞法。间接法是根据稻田生态系统氮素平衡,由施肥量、植物吸收量、土壤残留量和淋失量来估算氨挥发量,该方法不考虑反硝化作用,误差较大。

密闭生长箱法是将被测植物放置在密闭装置中,用酸或碱性物质置换气体的方法采集植物释放的氨,然后定量测定。该装置结构简单,能够直接捕获土壤排放的挥发氨,但密闭条件下氨挥发过程不同于自然通风条件下,并且植物蒸腾的水汽在生长室内壁被吸附,氨在置换出生长室前可能被这些水汽吸收,从而影响测定结果。有学者针对密闭箱法的通风问题做出改进。王朝辉等设计了原位测定田间土壤氨挥发的一种通气装置,该方法中氨捕获器由1个聚氯乙烯硬质塑料管和2片浸过磷酸甘油溶液的海绵构成。土壤表面经海绵与外界环境的空气流通,海绵上层吸收空气中的氨,下层吸收装置内土壤挥发氨,测定结果的准确度和精确度较高,氨回收率达99.51%,变异系数仅为0.77%。

微气象法主要发展为涡度相关法、梯度扩散法和质量平衡法3种方法。涡度相关法是根据垂直风速脉动和被测气体浓度脉动来获得气体通量的方法,该方法要求被测气体的水平浓度梯度可忽略不计以及观测期间大气条件稳定。但是涡度相关法要求使用快速响应的气体检测器,测量频率要求达5~10Hz,且由于氨的易吸附性和易溶性,目前还没有可靠的应用于涡度相关法的高频率测定设备。梯度扩散法首先假设在风速和NH3浓度均一的大面积农田上空存在一个NH3浓度梯度不随时间变化的剖面,通过测定NH3的揣流扩散系数(K)和垂直方向上NH3浓度梯度来计算NH3的垂直通量,所以该方法需要面积巨大的均匀下垫面。质量平衡法要求必须在几个高度处同时测定风速和大气中氨浓度,设置的最后高度应当在试区半径长度的1/10处,一般至少要测5个高度层面,试验区外作物的覆盖应与试验区内相同。

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