摘要：水稻是我国首要的食粮作物之一。水稻出产进程中泥土和肥猜中的部门氮磷元素以溶质或颗粒形态经由过程淋溶、径流迁徙至四周水体，造成地下水污染和水体富营养化。稻田泥土中氨挥发发生的氨气和反硝化反映发生的氧化亚氮气体进入年夜气，加重了温室效应。笔者环绕稻田氮磷的气体挥发、径流和淋溶3个流掉路子介绍了国表里经常使用的监测方式，并进一步会商了针对径流和淋溶这2种流掉路子的监测指标、监测频率和监测深度等问题，总结了2种流掉路子的首要氮磷流掉形态，按照产流特点和施肥时候肯定监测时候节点，综合斟酌植物接收和地下水深度肯定淋溶监测深度，以期为稻田氮磷流掉监测供给相干手艺撑持和科学根据。

农田面源污染是今朝产生面最广、影响最年夜的面源污染,是面源污染的首要情势。农田面源污染是指在农业出产勾当中氮和磷等营养物资、农药、重金属和其他有机和无机污染物资、泥土颗粒等沉积物以降雨为载体并在降雨的冲击和淋溶感化下,经由过程农地步表径流和地下淋溶进程对年夜气、泥土和水体等情况构成的污染。从素质上讲,农田面源污染物是来自在农田泥土中的农业化学物资,是以,它的发生、迁徙与转化进程本色上是污染物从泥土圈向其他圈层,特殊是水圈分散的进程。

氮、磷是植物发展发育需要量较年夜的营养元素,曩昔几十年里施用化肥一向是提高世界食粮产量的主要办法。我国是世界化肥第一消费年夜国,化肥消费量到达5562万t以上,约占世界化肥总消费量的34%,我国稻田契季氮肥用量平均为180kg.hm-2,比世界平均施氮程度高75%。施入农田的氮肥、磷肥不克不及完全被作物接收操纵,年夜部门氮肥、磷肥经由过程地表径流进入河道、湖泊或经由过程非饱和区渗入进入地下水,造成水体富营养化和地下水污染。我国水稻出产中氮肥平均操纵率为30%~35%,高产地域更低,磷肥操纵率低至15%~25%。美国60%摆布的地表水情况问题是由农业出产引发的,农业面源污染被美国情况庇护总署列为河道和湖泊的第一污染源。欧洲国度农业出产勾当中排放的氮磷量占地表氮磷总负荷的24%~71%。日当地下水源查询拜访成果显示约90%的地下水源中ρ(硝酸盐)跨越3mg.L-1。我国北方京、津、唐等地69个不雅测点数据显示50%以上硝酸盐超标,最高可达67.7mg.L-1。

持久以来,针对稻田氮磷流掉的情况效应问题国表里已展开年夜量监测工作,按照稻田氮磷流掉路子可将监测划分为稻田氮素气态损掉、氮磷径流流掉和氮磷淋溶流掉3类。笔者就稻田氮磷流掉研究中采取的监测方式和监测内容进行论述。

1 稻田氮素气态损掉监测

氮素的挥发损掉以氨氮为主,氮肥表施时氨挥发损掉占总施氮量的10%~60%。稻田氨挥发的监测方式可分为直接法和间接法。直接法中较为经常使用的方式首要有密闭发展箱法、微景象形象法和风洞法。间接法是按照稻田生态系统氮素均衡,由施肥量、植物接收量、泥土残留量和淋掉量来估算氨挥发量,该方式不斟酌反硝化感化,误差较年夜。

密闭发展箱法是将被测植物放置在密闭装配中,用酸或碱性物资置换气体的方式收集植物释放的氨,然后定量测定。该装配布局简单,可以或许直接捕捉泥土排放的挥发氨,但密闭前提下氨挥发进程分歧在天然透风前提下,而且植物蒸腾的水汽在发展室内壁被吸附,氨在置换诞生长室前可能被这些水汽接收,从而影响测定成果。有学者针对密闭箱法的透风问题做出改良。王朝辉等设计了原位测定田间泥土氨挥发的一种通气装配,该方式中氨捕捉器由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组成。泥土概况经海绵与外界情况的空气畅通,海绵上层接收空气中的氨,基层接收装配内泥土挥发氨,测定成果的正确度和切确度较高,氨收受接管率达99.51%,变异系数仅为0.77%。

微景象形象法首要成长为涡度相干法、梯度分散法和质量均衡法3种方式。涡度相干法是按照垂直风速脉动和被测气体浓度脉动来取得气体通量的方式,该方式要求被测气体的程度浓度梯度可疏忽不计和不雅测时代年夜气前提不变。可是涡度相干法要求利用快速响应的气体检测器,丈量频率要求达5~10Hz,且因为氨的易吸附性和易溶性,今朝还没有靠得住的利用在涡度相干法的高频率测定装备。梯度分散法起首假定在风速和NH3浓度均一的年夜面积农田上空存在一个NH3浓度梯度不随时候转变的剖面,经由过程测定NH3的揣流分散系数(K)和垂直标的目的上NH3浓度梯度来计较NH3的垂纵贯量,所以该方式需要面积庞大的平均下垫面。质量均衡法要求必需在几个高度处同时测定风速和年夜气中氨浓度,设置的最后高度该当在试区半径长度的1/10处,一般最少要测5个高度层面,实验区外作物的笼盖应与实验区内不异。

风洞法在欧洲国度利用较多,由采样箱、采样系统和节制系统3个部门组成,采取流过风洞的风速平均值代表现实田间风速,从而较正确地估量氨挥发量,几种常见风洞法的收受接管率:Lockyer风洞收受接管率为77%~87%,Moal风洞收受接管率为70%~80%,Braschkat风洞收受接管率为97%~103%。但是,风洞法没法解决不克不及摹拟静风和降水前提的问题,当风速低在0.3m.s-1时误差较年夜,固然风洞表里风速能连结高度一致,可是半岛体育因为风洞鸿沟的影响,会高估氨挥发速度。稻田泥土中的硝化和反硝化感化会发生N2O和N2气体,此中,N2O约占稻田N2O和N2排放量的2/3,N2约占1/3。但是,今朝水稻田的硝化和反硝化感化尚缺少适合的田间原位监测方式。

2 氮磷径流流掉监测

2.1 监测方式

降雨事务和分蘖末期的排水晒田是稻田产生径流、发生氮磷径流流掉的直接驱动力。今朝,稻田氮磷径流流掉依照监测标准分为田间小区监测、农田多点位监测和平方千米网格监测。

田间小区监测是构建相互隔离、自力封锁浇灌和排水系统的莳植小区,同时监测降雨发生的径流的水质和水量,从而肯定氮磷的单元负荷量,经由过程单元面积氮磷负荷量乘以田间小区面积来估算氮磷流掉负荷量。操纵人工节制的田间小区展开监测是定量研究农田营养流掉的经常使用方式。BARTON等在云南省设置分歧坡度田间小区研究传统耕耘、免耕、秸秆笼盖、聚乙烯地膜笼盖和间作的水土连结结果。WON等为研究秸秆笼盖和泥土改进剂对韩国坡地泥土径流和非点源污染影响展开了多种处置的砂壤土场的田间小区尝试。

农田多点位监测指在农田和周边水沟、河流等要害点位进行水质和水量监测,以研究农田地点的小面积区域氮磷输出特点。例如,崇高高贵等在太湖何家浜流域2次典型降雨事务中以单块封锁水稻田直入河点和汇流水沟入河点为采样点,探讨非点源污染物在降雨进程中早期冲洗效应。SHARPLEY等监测阿肯色州Discovery农场的作物莳植区水道水量和水质环境,以评估庇护性耕耘对农场情况的影响。

平方千米网格监测指在平方千米网格标准上,斟酌降雨、施肥等身分,拔取水沟、河流系统完全的田块作为氮磷污染监测点,研究分歧操纵类型农田氮磷迁徙进程。KUPKANCHANAKUL等在印度邦帕通盆地收集河道、水产养殖场和稻田水样和底泥样本并连系数学模子阐发首要河道污染物来历。陈成龙等拔取三峡库区涪陵段封锁性较好的王家沟小流域,收集各点位地表径流样品,探讨稻田空间款式对氮磷流掉的影响。

2.2 监测指标

泥土营养进入地表径流的首要内涵驱动力年夜致可以归纳为对流分散感化、雨滴击溅搅动和水流冲洗感化等。泥土中氮磷以2种形态进入径流:一种是消融态,营养消融在泥土溶液中,经由过程水份互换进入地表径流;另外一种是吸附态,部门营养被吸附在泥土颗粒概况,经由过程解吸或陪伴腐蚀泥沙进入地表径流。

部门学者认为氮以消融态情势流掉到径流中的营养占比力高。例如,邱卫国等在上海郊区经由过程测坑和水稻田年夜田尝试发现氮素径流损掉以消融态为主。叶玉适等经由过程水肥耦合对杭州稻田氮磷迁徙影响尝试研究发现,消融性氮(DN)是自然降雨径流流掉氮素的首要形态,约占TN的70%~92%;NO3--N约占40%~80%,NH4+-N浓度较低,仅占3.4%~27%。但是也有学者认为稻田径流中氮素流掉形态以颗粒态氮(PN)为主。陈颖等对天然降雨前提下海河道域水稻地步表径流的研究发现,PN是农田径流损掉的首要情势,其流掉量与径流量呈较着正相干。在兴建等研究西苕溪流域分歧地盘操纵类型泥土氮径流流掉进程发现,TN和PN浓度随降雨进程逐步下降,稻田径流排放中PN占TN的比例不变在66.9%~83.6%。

降雨或浇灌会冲击泥土表层,使表层泥土富集的磷颗粒年夜量析出而随径流流掉,颗粒态磷(PP)是泥土磷径流损掉的首要形态。别的,施磷肥会将磷素带入泥土,施肥后因短时间内降雨而流掉的首要磷形态是可溶性磷(DP)。施入稻田的磷会当即水解,释放出年夜量无机磷酸盐,使得施磷后短时间内以消融态为主的磷素流掉潜能不竭增添。按照研究统计,PP和DP在径流流掉磷素中的比例别离可达59.35%~80.04%和19.96%~40.65%。统一次径流中,初期径流液中磷以PP为主,尔后期DP比例加年夜。

2.3 监测频率

降雨是稻田氮磷流掉的主要驱动力。焦少俊等的研究注解,1/3~1/2的稻田氮素径流损掉由施肥后的随机性年夜雨致使。一次降雨内,因为早期冲洗效应,常常在径流起涨时代径流水质较差,各污染物浓度较高;在径流回落阶段,径流水中各污染物浓度常常有所降落。径流发生早期,采纳径流水样的时候距离较短,频次较多。管毓堂等在太湖流域水稻田降雨径流尝试中水田径流发生时收集水样1次,尔后,在5、10、20、30、60和120min时采样并同步记实流量;120min后每2h采样1次。崇高高贵等在太湖流域水稻田排污尝试中设置采样时候为农田径流构成时,前期采样时候距离为10min,中后期随时候推移采样频率逐步下降,采样时候距离慢慢延长至60min以上。径流水样收集频率也可按水样体积计。张继宗等在太湖流域稻田施基肥后第3和第16天进行摹拟降雨尝试,在径流发生早期每一个样品体积为10L,在单元时候发生的径流量不变后,每一个样品体积为50L。降雨竣事后径流采样频率可下降,一般隔天收集1次。梁新强等在太湖流域稻田浇灌、降雨后第1、3和5天收集稻田径流水样,发现浇灌复水后短时间内径流水中NO3--N浓度呈现岑岭期,乃至高在穗肥施用后的最高值,产生暴雨事务后稻田排水监测需增添取样频率。

3 氮磷淋溶流掉监测

3.1 监测方式

淋溶是因为降水的自然下渗某人工浇灌使表层泥土中一些矿物盐类或有机物资消融并转移到基层泥土中的进程。今朝,监测农田氮磷淋溶污染的方式首要有泥土溶液提取法、渗漏池尝试法和同位素示踪法。

泥土溶液提取法指按照负压道理,用某一类定点溶液提取器搜集田间某一深度泥土淋溶液,测定泥土溶液现实营养浓度。今朝,应用最多的首要有排水收集器法和吸力杯测渗计法。排水收集器法可以直接测定淋掉的营养浓度和体积,但其安装复杂，保护坚苦,不但会对原状泥土发生较年夜扰动,并且可能发生边际优先流,影响淋溶水的构成。吸力杯测渗计法安装操作便利,对原状泥土的粉碎性较小,可是只能测定淋溶液营养浓度,淋溶液体积需要按照景象形象数据操纵水份均衡道理或按照本地淋溶水淋溶速度进行估算。

渗漏池尝试法用在监测跨越作物根系操纵深度的泥土剖面中的氮磷进入地下水体的环境。现实操作中起首在选定地址挖出必然深度的方形坑,开挖时尽可能分层保留挖出的泥土,用水泥等建筑材料成立渗漏池,并留出分歧深度的采样孔,分层回填泥土,待泥土性质不变后展开渗漏监测。渗漏池监测可以研究分歧深度渗漏流掉环境,可是因为只能监测点位,难以反应区域氮磷流掉负荷。

同位素示踪法具有正确、平安和不干扰天然的特征,被普遍应用在监测氮磷的接收、转化和分派状态。张惠采取15N示踪法研究黄河上游灌区稻田系统氮肥去向和稻田氮素均衡,发现当季残留在泥土中的年夜部门肥料氮富集在深度为0~30cm的耕层。谢学俭等应用32P标识表记标帜方式研究稻季施肥后磷的垂直迁徙,成果注解磷在施入水田后年夜部门滞留在0~5cm表层土中,32P浓度随土层深度增添而下降。因为Br-化学性质不变,泥土中微生物不介入Br-转化,利用Br-作为标识表记标帜物更能反应泥土氮磷淋溶流掉潜力。

3.2 监测指标

泥土颗粒和泥土胶体带负电,所以对NH4+-N有强吸附感化,这使得年夜部门可互换态NH4+-N得以保留在泥土中。但在特定前提下,存在NH4+-N经由过程质流或水份下渗在泥土中迁徙的环境;泥土对NO3--N的吸附甚微,故NO3--N易蒙受雨水或浇灌水淋洗而进入地下水或经由过程径流、腐蚀等汇入地表水中。

氮素淋溶形态以NO3--N为主,NO2--N和NH4+-N占小部门。NH4+-N散布在泥土上层和中层,NO3--N多散布在泥土基层。叶玉适等在杭州余杭区取30cm深度稻田淋溶水样阐发发现,该深度水样中各形态氮以NH4+-N为主,占TN的70.1%,NO3--N占13.0%,NO2--N占1.3%。李娟对临安市水稻莳植区分歧深度淋溶液的阐发发现,60cm深度处NH4+-N和NO3--N流掉量别离占TN的13.41%~24.34%和34.11%~75.84%。谢育平经由过程在南通市展开的稻田营养迁徙尝试发现,NO3--N为该地90cm深度淋溶液中氮素首要形态。

泥土对磷素的固定能力较强,磷在泥土剖面中向下迁徙很少,一般移动速度每一年不跨越0.1mm;泥土施磷100a后磷素仍集中在40mm土层内。除一些有机土之外,即便在过量施肥的泥土或地下水位较高的砂质泥土中,大都环境下淋溶水中磷浓度仍较低。可是也有学者认为当泥土中磷素到达必然程度时,泥土中较强的磷吸附位就会被占有,从而致使泥土对磷素的吸持能力接近饱和,此时磷素流掉量就会随泥土磷素的增添而急剧增添。

泥土磷素淋溶形态分为PP和DP。PP包罗含磷矿物、含磷有机质和被吸持在泥土颗粒上的磷,在必然前提下被消融和吸持。DP包罗钼酸盐反映磷(MRP)和可溶性有机磷(DOP)。依照淋溶时候挨次,最早淋溶出泥土的磷是附着在藐小泥土颗粒上的PP,其次是DOP。跟着水份的增添和淋溶的延续,更多的MRP被消融而随水流出泥土。所以PP、DOP和MRP都可能是淋溶磷的首要构成形态。Lü等在洛桑尝试站抽取施加过磷酸钙的12块稻田小区65cm深度淋溶水,发现淋溶水中PP占TP的33.8%~87.3%,是淋溶水中磷的最首要构成形态。王小治等操纵太湖地域长江岸边砂质渗育性水稻土进行尝试,发现各施肥处置90cm处泥土溶液中的磷均以DOP为主,占DP的56%~100%。项鼎力等操纵淋溶池举措措施研究3个浇灌程度对泥土磷素淋掉的影响,成果注解泥土中磷淋掉形态均以DP为主,MRP约占DP的50%。

3.3 监测频率

水稻出产勾当中,施肥后一段期间内年夜量氮磷经由过程淋溶进入情况。现有研究注解,施肥后在没有产生降雨的环境下,稻田淋溶水中TN、NH4+-N和NO3--N浓度均在10d内到达岑岭,然后逐步降落,淋溶TP和DP浓度转变趋向也不异,均在施肥后7d到达最高值,然后逐步降落。淋溶水中NO3--N浓度岑岭可能呈现在施肥后稍迟时候,且浓度转变环境复杂,受硝化前提、水份前提等多种身分影响。施肥后必然期间内淋溶水中各形态氮磷浓度转变幅度较其他期间年夜。为领会淋溶水中氮磷转变纪律,该期间内监测采样频率一般设置为隔天监测,监测时候跨度通常是7~10d。但是,有研究者发现海相沉积物发育土30、60和90cm深度淋溶液中NO3--N浓度均在施肥后10~15d前后升高到峰值,然后逐步降落。杨梢娜在杭嘉湖平原稻田监测到施基肥14d后淋溶水中NO3--N浓度到达峰值。以上2项研究中NO3--N峰值呈现时候滞后,需要耽误施肥后氮淋溶流掉监测时候。

3.4 监测深度

关在农田氮磷的淋溶损掉,分歧学者的研究成果相差较年夜。今朝,氮磷淋掉研究中淋溶量的正确获得还是一个难点,这也是由分歧的天气前提、泥土特征、作物类型、耕耘轨制、浇灌体例和施肥治理,和淋溶水采样深度这些要害身分酿成的。李卫华等在福建闽侯县将淋溶水搜集装配设置在稻田田间正下方40cm处,是斟酌到该深度以下的氮磷不会被作物接收。王德建等斟酌到太湖地域地下水水位在80cm摆布，故取太湖地域80cm深度土层淋溶液作为稻田氮素淋洗到地下水中的量。鉴在磷素的移动性小,谢育平认为30cm深处泥土淋溶水中DP浓度转变环境可以代表进入情况的磷素转变环境。为研究进入情况的氮磷淋溶量,设置取样深度时需要斟酌植物接收、地下水深度和氮磷移动特征等身分。

4 瞻望

水稻是我国最首要的食粮作物,播种面积约占食粮莳植总面积的30%,稻田面源污染具有分离面广、随机性强、不容易监测和难以量化等特点,这些身分使得稻田氮磷流掉监测工作显现难度年夜且紧急性强的特点。现有的稻田氮磷污染监测方式多办事在科学研究,在现实监测利用中需要按照本地作物、泥土、降水和耕耘轨制等环境对监测指标、监测频率等监测内容进行调剂。别的,将GIS和RS手艺应用在稻田氮磷流掉监测工作可以或许实现点位监测与区域监测的连系,年夜幅提高区域氮磷流掉负荷计较精度,这是此后的研究标的目的。

（编纂:Wendy）