华北菜地硝酸盐淋失调控研究

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氮肥在农业生产中具有重要作用。氮肥的大量施用导致氮(NH3,NO3,NO,N2O,N2)的损失增加。氮(N)可以显著地提高作物的产量和品质。为满足作物生长需求,农业生产中氮肥的投入增加,进而造成N的额外损失。为此,相关农业部门修订了氮肥的使用标准。但由于N的固有损失,特别是硝酸盐淋溶,导致氮肥利用效率仍低于50%。近几十年来,由于采用现代施肥技术,中国农业生产能力大幅提高。然而,中国高产区的氮肥利用效率仍低于35%,硝酸盐的淋溶损失是氮素损失的主要途径之一。硝酸盐和粘土颗粒都携带负电荷,因此粘土颗粒不能长时间吸附硝酸盐,硝酸盐被根际区域以外的水溶解并随之移动,即为硝酸盐的淋溶。大量的研究表明硝酸盐淋溶对地下和地表水质有负面的影响。氮肥的增施还造成蔬菜中硝酸盐浓度的增加,从而对人类健康产生不利影响。许多专家指出,硝酸盐的淋溶以及蔬菜中硝酸盐的积累引起人类对健康问题的担忧。硝酸盐与高铁血红蛋白血症有关,还有许多目前尚无定论的人类健康问题,如癌症(通过细菌产生N-亚硝基化合物)、高血压、中枢神经系统出生缺陷、糖尿病、自然流产、呼吸道感染和免疫系统异常变化等。此外,在少数情况下,硝酸盐的大量消耗对动物产生不利影响。相关研究表明,农业生产造成的硝酸盐淋溶仍然是地下水污染的主要的来源。目前,有关硝酸盐的淋溶的改良措施有同程度的局限性。了解土壤中氮素的存在形态对减少硝酸盐的淋溶有重要意义。本文通过田间和蒸渗仪实验以及分析华北平原的相关案例(NCP),阐明了菜地中硝酸盐的淋溶规律并提出了减少华北地区菜地硝酸盐淋溶的措施。
  本文研究了白菜种植和非种植情况下,不同肥料处理(硝酸钾,尿素,有机肥)的菜地土壤中铵态氮和硝态氮浓度随时间的变化规律,测定了肥料处理前后的土壤pH和EC等基础指标。本研究中的菜地位于北京市顺义区,大田实验设置5个小区(25×3.75m2),每小区设有3行(1.75m间距),实验处理为:不施肥种植(NVP),不施肥白菜种植(CTP),尿素白菜种植(URP),硝酸钾白菜种植(KNP)和鸡粪白菜种植(CMP)5个处理。URP,KNP和CMP处理在白菜种植前7天施用相同的N量(300kg N/ha)。与CTP相比,URP,CMP和KNP处理的白菜产量显著增加。分析施肥前、施肥期间(施肥后1个月和2个月)和收获后(施肥后3个月)土壤剖面(0-100cm)中pH,EC,硝酸盐,氨和植物有效氮(PAN)。结果表明,除KNP外,所有施肥处理前后土壤剖面(0-100cm)中pH值和EC的初始值(施肥前)均未显著变化。施肥处理后,硝酸盐,氨态氮和PAN随时间变化显著。其中,URP处理下,PAN的最大值为白菜生长时期60-100cm土层和白菜收获后的0-60cm土层。因此,除土壤pH值外,0-100cm的土层中所有测定指标在白菜种植期或收获后可能略有不同,表明该菜地土壤中不同氮素形态变化受施肥种类的影响。
  本文通过蒸渗仪实验研究半田间条件下连续种植两季作物(Brassica Campristris Var.Chinensis)在尿素施用后植物吸收,土壤固定和淋溶的情况。收集不同土层渗滤溶液,测定了日蒸散量(ET)以及土壤pH、EC、总氮、土壤容重和土壤水分含量等指标。该研究选用尿素研究硝酸盐的淋溶,基于尿素被广泛地应用于农业生产中,尿素易溶于水,在土壤中能够快速转化为无机氮等植物可吸收利用形态。然而,尿素的该特点也增加了潜在的N损失,特别是硝酸盐淋溶。在全球范围内,硝酸盐淋溶是施用肥料后矿物氮(N)损失的重要途径并且导致水体污染。生物炭是一种有益的土壤改良剂。为了减少硝酸的盐淋溶并提高氮素和水的利用率,本研究设置三个处理,生物炭15N尿素(300kg/ha)、不含生物炭15N尿素(300kg/ha)、对照不施肥。在渗透仪(直径30cm,高35cm)中装满土,重33kg,连续种植两种植物甘蓝型油菜(Brassica Camprestis Var.)和(Chinensis.)。每个蒸渗仪都配有称重仪和水分含量检测器,以确定每日蒸发蒸腾量(ET)和水分含量。与WB相比,BC显著降低了矿质氮淋溶,如硝酸盐含量,增加了EC和水分含量,而平均油菜产量(15.98%),蒸散(8.33%),干物质(6.89%)均无显著增加,渗滤液量(7.63%)下降。此外,BC在第一季和第二季后表现出较高的N吸收,水分利用效率(WUE),生长速率和N累积,而土壤pH,容重和总氮无显著差异。因此,生物炭改良剂可以调节土壤理化性质,提高水和氮的保蓄能力和作物产量,减少农田氮素淋失。
  华北平原(NCP)是全国最大的冲积平原,包括河南、河北和山东省的大部分地区,面积为409500平方公里,海拔近50米,平原人口密集。硝酸盐淋溶是NCP地区地下水污染最重要的原因之一。在NCP地区,地下水是主要的饮用水来源,硝酸盐污染可能给人类造成严重的健康威胁。为了减少硝酸盐的淋溶,解析硝酸盐淋溶的相关因子有重要意义。本研究通过查阅相关文献,分析了华北平原的硝态氮淋失和积累模式。根据研究人员以前的工作得到了影响硝酸盐淋溶和积累的主要因素,包括土壤类型、质地、EC和pH等。并利用这些因素评估NCP地区不同气候因素下硝态氮淋失的风险和农业用地在不同地方如林地,草原和商业耕地等的管理策略。从分析中可以看出,硝态氮淋溶风险随着时间的推移而增加,应采取适当的措施(控制氮肥施用量、改变灌溉调度模式、覆盖种植)来减少林地,牧草地,奶牛养殖场和商业园艺等的硝态氮淋失。
  硝酸盐淋溶与许多因素相互关联,如土壤性质(土壤类型和分层、pH、EC、质地、容重、初始总氮、C/N、有机物和营养元素含量),地下水位,土地利用(农业、森林、草地、商业园艺、温室和畜牧业),管理因素(种植类型、施肥种类、施肥量、施肥时间和地点、苗床准备、灌溉及其类型和时间)和气候因素(降水类型、强度和时间、温度和太阳辐射)。大量的实践已经证明施用生物炭可以有效减少硝酸盐的淋溶。
  硝酸盐淋溶不是造成环境问题的唯一因素,必须与其他可能因素联合治理。以下预防措施在所有作物-土壤系统中都是有益的:
  优化施肥方法可显著减少氮的淋溶。此外,施肥管理(最佳剂量,在土壤中的准确投入和最佳灌溉)最多可降低40%的损失。
  在作物轮作系统中,休耕期间的非豆类作物可以减少硝酸盐的淋失达50%。
  生物炭,有机肥和平衡土壤养分等处理可以减少硝酸盐的淋溶。
  同样,部分的牧场或草地上对奶牛的管理方式,可以减少硝酸盐淋失的可能性如下:
  割草喂食家中饲养动物或不让动物直接放牧会因为没有尿液而显著减少硝酸盐淋失。
  动物种群(牛、羊、山羊等)应与草地总面积成适当的比例。因为过度放牧会在土壤表面留下大量的硝酸盐,从而造成淋溶。
  林地中自然或人为造成的森林砍伐会造成硝态氮的淋失,因此森林的再生可能会减少硝态氮的淋失。
  在生产中应控制高氮的供应,过多的氮肥不能被植物吸收造成额外的氮以硝酸盐的形式淋失。
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