三种集约化种植体系氮素平衡及其对地下水硝酸盐含量的影响

盐分对作物生长及氮素营养的影响研究作者：杨洪坤，周保平，王亚明，赵群喜来源：《新疆农垦科技》 2016年第10期摘要：南疆盐渍化地区土壤含盐量大。

盐害是农业生产上影响作物产量和品质最主要的非生物逆境之一。

在盐渍化地区，盐胁迫几乎会影响到植物所有的重要生命过程，如种子萌发出苗、生长、水氮吸收利用、光合作用等。

本文综述了盐分对作物种子萌发和作物生长的影响、对作物光合作用的影响以及对氮素营养的影响。

为盐渍化地区合理利用水肥资源，提高水氮利用效率，提高作物产量等提供一定的科学理论依据。

关键词：盐渍化；盐分；光合作用；氮素营养我国盐渍化地区的盐渍化土壤成分大多数为NaCl和Na2SO3，只有东北地区以Na2CO3和NaHCO3为主[1]。

氯化物毒害性大，其溶解度大于硫酸盐的溶解度对细胞的透性强。

在我国各个地区广泛分布着盐渍化土壤，从滨海地区到内陆，从干旱荒漠地区到湿润地区，均有大量盐渍土分布，从而限制了农业的可持续发展。

在干早、半干早地区，土壤盐碱化和次生盐碱化问题更为严重。

国内外学者对植物耐盐碱性的研究，对提高植物萌发率、改善盐碱地区生态环境和增强植物耐盐性起到了重要作用，所以综合治理盐渍土、合理利用盐碱地、开发利用盐生植物、提高植物的耐盐性是亟待解决的问题。

尽管几乎所有植物的生长在盐胁迫条件下都会受到抑制，但是不同植物对于致死盐浓度的生长降低率和耐受水平不同。

因此，在盐渍化地区研究盐碱胁迫对作物的影响以及作物的适应机制具有重要意义。

1盐分对种子萌发和作物生长的影响盐渍土条件下的作物生产是一个实践性问题。

在盐渍化地区盐碱胁迫的坏境中，作物种子的萌发和幼苗的生长是相对重要的阶段，因此，对盐渍化土壤进行高效的开发和利用，探究盐分胁迫下种子萌发的响应机制具有重要意义。

近年来，关于盐胁迫对农作物种子萌发以及作物生长状况的响应机制已有大量研究。

土壤盐碱化会对种子的萌发和作物的生长等产生相应的作用，郎志红研究发现，苦豆子、紫花苜蓿和芨芨草在盐胁迫下，随着复合盐碱的浓度增加种子的萌发会受到不同程度的抑制，低浓度的NaCl溶液更有利于种子的萌发。

次生盐渍化土壤硝酸盐分类一、引言随着全球气候变化和人类活动的日益频繁，土壤盐渍化问题日趋严重，其中次生盐渍化土壤作为一种特殊的土壤类型，其形成和演化过程受到了广泛关注。

硝酸盐作为土壤中的重要组成成分之一，在次生盐渍化土壤中的积累和转化对土壤性质及农业生产有着深远影响。

因此，对次生盐渍化土壤中硝酸盐的分类及其相关问题进行系统研究，具有重要的理论和实践意义。

二、次生盐渍化土壤概述次生盐渍化土壤是指在非盐渍土上由于人为活动或自然因素导致的土壤盐分积累，进而形成的盐渍化土壤。

这类土壤通常表现为盐分含量高、土壤结构差、肥力低下等特点。

次生盐渍化土壤的形成与地下水位的升降、灌溉水质、排水条件以及农业管理措施等因素密切相关。

三、硝酸盐在土壤中的存在形态与转化硝酸盐是土壤氮素循环中的重要环节，其在土壤中以多种形态存在，包括铵态氮、硝态氮等。

在次生盐渍化土壤中，由于盐分的影响，硝酸盐的转化过程受到一定程度的抑制或促进，导致其形态和含量发生变化。

四、次生盐渍化土壤中硝酸盐的分类根据硝酸盐在次生盐渍化土壤中的来源和性质，可将其分为以下几类：1. 原生性硝酸盐：这类硝酸盐主要来源于土壤母质和地下水，其含量和分布受地质条件和地下水文条件的影响。

在次生盐渍化土壤中，原生性硝酸盐的含量通常较高，是土壤盐分的重要组成部分。

2. 次生性硝酸盐：由于人为活动如不合理灌溉、化肥过量施用等导致的硝酸盐积累。

这类硝酸盐的含量和分布受人为活动的影响较大，是次生盐渍化土壤盐分增加的主要原因之一。

3. 转化性硝酸盐：在土壤氮素循环过程中，铵态氮通过硝化作用转化为硝态氮，或在反硝化作用下由硝态氮转化为氮气或氮氧化物。

在次生盐渍化土壤中，由于盐分的影响，硝化作用和反硝化作用可能受到抑制或促进，导致转化性硝酸盐的含量和形态发生变化。

五、不同硝酸盐种类对土壤生态系统和农业生产的影响1. 原生性硝酸盐：作为土壤盐分的重要组成部分，原生性硝酸盐对土壤性质和植物生长有一定影响。

饮用水中硝酸盐的来源及危害摘要：近年来，世界上许多地区的饮用水硝酸盐污染日益严重，本文主要介绍了地下水中的硝酸盐的污染现状，主要来源以及危害。

关键词：硝酸盐污染1. 我国地下水中硝酸盐污染状况随着经济的大力发展，大量作为饮用水和工业用水水源的地表水水体受到严重污染，水质恶化而达不到使用标准。

人们生活水平的提高又促使对饮用水水质的更高要求，于是人们转向了" 清洁" 的地下水源。

在美国，地下水提供了一半以上人口的饮用水源...。

在我国，据对北京、天津、上海21个省市和桂林、常州、海口等27个主要城市的统计，有一半以上的城市是以地下水为主要饮用水水源。

特别是我国北方干旱地区，大部分饮用水和工业用水来源于地下水。

我国取用地下水的许多城市和地区，由于过量开采不仅面临地下水枯竭，导致海水入侵、破坏地面设施和引起地面沉降等问题，而且很容易被人们所忽视的是：随着地表水水质的恶化，原先认为清洁的地下水( 主要是浅层地下水) 也逐渐受到污染。

深层地下水由于深埋于地下，受人类括动的影响较小，受污染相对较轻些。

在浅层地下水开发利用中，无论是工业发达国家或发展中国家，硝酸盐( 本文指硝酸盐及亚硝酸盐) 对地下水的污染已成为一个重要环境问题。

在一些国家和地区硝酸盐的污染已相当严重。

我国早在80年代对全国118个太中城市2 ～7 年的水质监测数据就表明，有76个城市地下水受到严重污染，占6 4 ％，39个城市地下水受轻度污染，占33％，仅有3个城市地下水资源未受污染。

我国地下水普遍的水质问题是硬度、硝酸盐等超标[ 1 ]。

目前，虽然硝酸盐超标不是很严重，但这些硝酸盐可以在地下水中持续几十年，并且随着污染的逐渐加重积累越来越多而可能至很高浓度，因此必须给予足够的重视。

2. 硝酸盐的危害饮用水中硝酸盐的污染问题在近年来受到越来越多的关注，因为饮用水中硝酸盐浓度过高，会诱发一些水体产生一些亚硝胺类的致癌物质，导致新生儿易患高铁血红蛋白症(又称"蓝婴综合症" )。

第４４卷第８期２０２４年４月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４４，Ｎｏ．８Ａｐｒ．，２０２４ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ基金项目：国家自然科学基金项目（４２０７７３４７）；第二次全国污染源普查项目（２１１０３９９）；农村与农业环境保护监督管理项目（２２１１０４０２００１００１）；生态环境遥感监测评估与应用项目（２２１１１１０１００２００１）收稿日期：２０２３⁃０７⁃２７；㊀㊀网络出版日期：２０２４⁃０１⁃３０∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｅｎｇ．ｒｕｎｚｈｅ＠ｐｒｃｅｅ．ｏｒｇＤＯＩ：１０．２０１０３／ｊ．ｓｔｘｂ．２０２３０７２７１６０１王萌，耿润哲．农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展．生态学报，２０２４，４４（８）：３１３２⁃３１４１．ＷａｎｇＭ，ＧｅｎｇＲＺ．ＡｒｅｖｉｅｗｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄａｓｓｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｉｍｅｌａｇｓｉｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｔｏＢｅｓｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒａｃｔｉｃｅｓ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２４，４４（８）：３１３２⁃３１４１．农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展王㊀萌，耿润哲∗生态环境部环境与经济政策研究中心，北京㊀１０００２９摘要：推广实施最佳管理措施（ＢＭＰｓ）被认为是防治农业面源污染的有效途径，然而许多流域实施ＢＭＰｓ后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标，导致人们对ＢＭＰｓ的有效性提出质疑㊂受流域内养分遗留效应影响，ＢＭＰｓ实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现（也即 滞后期 ），这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致，当来自外部的污染负荷减少时，这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响㊂鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用，滞后期的量化评估对于全面分析污染成因，科学配置ＢＭＰｓ，有效治理流域农业面源污染，提升水质改善效率非常重要㊂以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线，概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理，述评了氮污染滞后效应的量化评估方法，提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力，并对未来ＢＭＰｓ优化配置研究提出建议：（１）摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对ＢＭＰｓ控氮效益滞后期的影响，分析污染负荷削减的时空响应规律；（２）构建包含土壤㊁浅层含水层和地下水动力学组合的流域尺度ＢＭＰｓ控氮效益滞后期模型，分析不同管理情景下污染物减排和水质目标改善所需时间；（３）建立涵盖滞后效应的ＢＭＰｓ优化配置方案，以寻求短时间内实现治理效能最大化以及环境与经济效益双重协同的流域农业面源污染防治策略，有效提升资金使用效率，为相关管理措施和政策制定提供理论基础和数据支撑㊂关键词：农业面源污染；氮污染；最佳管理措施；滞后效应；遗留营养物质ＡｒｅｖｉｅｗｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄａｓｓｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｉｍｅｌａｇｓｉｎｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｔｏＢｅｓｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒａｃｔｉｃｅｓＷＡＮＧＭｅｎｇ，ＧＥＮＧＲｕｎｚｈｅ∗ＰｏｌｉｃｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｃｏｎｏｍｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｃｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅＰｅｏｐｌｅᶄｓＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＢｅｓｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒａｃｔｉｃｅｓ（ＢＭＰｓ）ｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｂｅａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｄｉｆｆｕｓｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＢＭＰｓｉｎｍａｎｙｗａｔｅｒｓｈｅｄｓｏｆｔｅｎｍａｋｅｓｉｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏａｃｈｉｅｖｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｇｏａｌｓｗｉｔｈｉｎａｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｗａｔｅｒｓｈｅｄｍａｎａｇｅｒｓａｎｄｅｘｐｅｒｔｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓｌｅｄｍａｎｙｔｏｑｕｅｓｔｉｏｎｔｈｅｅｆｆｉｃａｃｙｏｆｔｈｅｓｅＢＭＰｓ．Ｉｎｍａｎｙｃａｓｅｓ，ｔｈｉｓｌｉｍｉｔｅｄｒｅｓｐｏｎｓｅｈａｓｂｅｅｎｄｕｅｔｏｎｕｔｒｉｅｎｔｓｌｅｇａｃｙｉｎｔｈｅｂａｓｉｎ，ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｂｅｎｅｆｉｔｓａｆｔｅｒｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＢＭＰｓｍａｙｎｏｔｂｅｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙａｐｐａｒｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｘｃｅｓｓｎｕｔｒｉｅｎｔｓｉｍｐｏｒｔｅｄｂｙｐａｓｔｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄｂｉｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｓｉｎ．Ｗｈｅｎｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｌｏａｄｆｒｏｍｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｅｎｕｔｒｉｅｎｔｓｌｅｇａｃｙｍａｙｃｏｖｅｒｕｐｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｏｎｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎｔｈｅｋｅｙｒｏｌｅｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｓｌｅｇａｃｙｉｎｄｅｌａｙｉｎｇｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｉｍｅｌａｇｓｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃａｕｓｅｓ，ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＢＭＰｓ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｄｉｆｆｕｓｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｓｉｎ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄａｓｓｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｉｍｅｌａｇｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｔｏＢＭＰｓｉｎｔｈｅｂａｓｉｎ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｉｍｅｌａｇｓａｔｗａｔｅｒｓｈｅｄｓｃａｌｅａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｉｍｅｌａｇｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｍｏｓｔｗａｔｅｒｓｈｅｄｍｏｄｅｌｓｃａｎｎｏｔｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｔｉｍｅｌａｇｓｗｅｌｌａｎｄｌａｃｋｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｅｇａｃｙｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄｂｉｏｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＢＭＰｓ：（１）ＴｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄｂｉｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｎｔｉｍｅｌａｇｓｏｆＢＭＰｓｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｐａｔｉｏ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｌｏａｄｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；（２）Ｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｗａｔｅｒｓｈｅｄ⁃ｓｃａｌｅＢＭＰｓｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｌａｇｍｏｄｅｌｔｈａｔｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌ，ｓｈａｌｌｏｗａｑｕｉｆｅｒａｎｄｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｄｙｎａｍｉｃｓ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄｆｏｒｐｏｌｌｕｔａｎｔｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｔａｒｇｅｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｃｅｎａｒｉｏｓ；（３）ＴｏｅｓｔａｂｌｉｓｈＢＭＰｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｌｏｃａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｃｏｖｅｒｉｎｇｔｉｍｅｌａｇｓ，ｓｏａｓｔｏｓｅｅｋｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎａｓｈｏｒｔｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｄｕａｌｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｄｉｆｆｕｓｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓａｎｄｄａｔａｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓａｎｄｐｏｌｉｃｙｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｄｉｆｆｕｓｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ；ｂｅｓｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｒａｃｔｉｃｅｓ；ｔｉｍｅｌａｇｓ；ｌｅｇａｃｙｎｕｔｒｉｅｎｔｓ长期以来，在世界人口不断增长的同时，伴随着土地利用方式的大规模变化和农业生产实践的集约化，人类活动极大地加速了氮循环，过量的氮向地表和地下水淋溶，造成水体富营养化㊁水生生物毒性和饮用水污染等问题［１ ２］㊂我国以氮㊁磷为代表的营养性物质问题日益凸显，太湖㊁巢湖等湖泊蓝藻水华仍处于高发态势［３］，过量的养分排放导致的地下水硝酸盐超标和地表水富营养化问题，已成为制约我国水环境质量持续改善的首要因素［４］，也是 十四五 时期实现 有河有水㊁有鱼有草㊁人水和谐 的水生态环境治理目标制约因素之一㊂２０２３年４月，生态环境部等五部门联合印发‘重点流域水生态环境保护规划“，提出 到２０２５年面源污染防治取得突破，２０３５年水生态环境根本好转 ［５］㊂如何快速㊁高效的防治流域面源氮污染？如何制定能够统筹实现环境与经济效益的面源污染控制方案？这些问题的科学解答迫切需要对面源污染控制措施与水质改善的响应关系进行量化评估［６ ７］㊂当前，以流域为单元建立水污染物控制方案已成为各国开展水污染治理的共识㊂实施最佳管理措施（ＢＭＰｓ）被认为是防控农业面源污染的主要手段［８ ９］㊂美国农业部的ＢＭＰｓ数据库显示，仅农业面源污染治理措施的ＢＭＰｓ有２００多种类型㊂研究发现，受限于关键源区识别方法的尺度适应性㊁配置方案操作的难易程度以及不同区域自然地理特征影响，导致ＢＭＰｓ配置可操作性较差，存在诸多难点㊂尤其重要的是，在实施ＢＭＰｓ后，一些流域的水环境质量并未达到或未在预期时间内达到治理目标［１０ １２］㊂如英国政府自２０世纪８０年代以来开始实施化肥减量措施，然而河流中氮浓度并未出现明显降低［１３］㊂美国东海岸的萨斯奎汉纳河流域，在１９７１年至２００２年间保持化肥施用量不变，但河流中硝态氮浓度却出现持续上升［１４］㊂我国浙江永安溪流域自１９９９年起就实施了化肥减量措施，河流中氮浓度也出现持续上升［１５］㊂类似的情况还出现在切萨皮克湾［１６ １７］㊁密西西比河流域［１８］㊁佛罗里达近岸海域［１９］㊁艾利湖流域［２０］等研究区，有学者预测在部分流域ＢＭＰｓ实施后，甚至可能１００年后水质才得以实现显著改善［２１］㊂未能如期实现水质目标导致许多人质疑这些措施的有效性，以及是否被正确定位或足够的强度和规模实施，并呼吁采取更严格的土地和养分管理措施，这促使监管机构重新评估流域管理策略以及相关水质标准㊂研究表明，水质改善目标的实现受多种因素影响，包括但不限于治理措施的科学选择㊁治理措施的滞后期㊁农户对治理措施的接受度等［２２ ２３］㊂美国作为世界上最早实施ＢＭＰｓ的国家之一，经过多年研究发现，影３３１３㊀８期㊀㊀㊀王萌㊀等：农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展㊀ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ响预期水质目标实现的原因主要有４个方面［２４］：（１）ＢＭＰｓ未能布设在关键源区内；（２）河流中的泥沙来自河岸带侵蚀的输入量大于地表土壤侵蚀的输入量；（３）养分遗留效应导致的滞后期掩盖了ＢＭＰｓ实施后的水质改善效益；（４）部分ＢＭＰｓ可能会导致污染物之间的互斥效应，如免耕措施会显著降低农田土壤流失量，但会导致土壤中氮的累积量不断增加，加大了氮流失进入水体的风险［２５］㊂有学者研究表明，养分遗留效应导致的滞后期已成为影响水环境质量改善的最主要原因之一［２６ ２７］，人为活动输入的过量氮在流域水文传输和生物地球化学转化过程［２８］中大量累积，是导致ＢＭＰｓ效果出现滞后现象的主要原因［２９ ３２］㊂然而，我国目前对于滞后期的科学理解尚未充分转化为政策领域㊂考虑到遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用，如果在ＢＭＰｓ配置方案中不考虑滞后期的影响，可能出现大量经济投资之后水质仍然无法达到改善目标的情形，造成一定情形下流域水生态环境管理策略失效㊂综上所述，本文通过分析国内外关于流域农业面源氮污染控制措施滞后效应的最新研究成果，系统解析水文传输以及生物地球化学转化过程等滞后效应形成过程与机理，述评当前农业面源氮污染控制措施滞后效应的量化评估方法，提出未来流域尺度农业面源污染ＢＭＰｓ优化配置的研究重点，为制定最小化滞后时间和最大化环境效益的流域水质改善方案提供科学参考㊂１㊀滞后效应形成机理研究进展由于水文传输和生物地球化学转化过程的相互作用，过量的营养物质要经过很长时间（几年到几十年）才能通过流域进入受纳水体［３３］，遗留的营养物质主要来自过量的人为营养物质输入，这些营养物质暂时储存在流域内，如土壤㊁水汽带㊁地下水和沉积物中，并可能向大气㊁生物和水体贡献营养物［３４］㊂遗留的营养物质可以被释放和传输，作为下游水体数年㊁数十年甚至数百年营养物质的持续来源［２９］㊂当流向河流㊁湖泊或海湾的外部污染负荷减少时，遗留的营养物质可能掩盖或抵消ＢＭＰｓ实施后产生的环境质量改善效益㊂因此，就产生了ＢＭＰｓ实施与目标水体可监测到的水质改善之间的时间间隔，即ＢＭＰｓ效益的滞后期，包括已实施的ＢＭＰｓ产生预期效果所需的时间㊁效果传递到水体所需的时间㊁水体对效果作出反应所需的时间以及监测程序测量响应的有效性［３５］㊂产生的原因主要是水文传输过程的滞后效应以及生物地球化学转化过程的滞后效应，接下来将对这两部分内容分别进行论述㊂１．１㊀水文传输过程的滞后效应流域水文循环过程是导致ＢＭＰｓ效益存在滞后期的因素之一，地表径流和地下径流共同构成了污染物由产污单元向流域出口运移的水文循环过程㊂流域内各景观单元产生的氮素以地表径流和地下径流（包括淋溶）为载体，流经类型复杂的流域景观单元后，最终进入受纳水体［３６］，其中相当数量的污染物会滞留在不同位置的流域景观单元中，不断向下游释放，造成ＢＭＰｓ污染物削减效益与水质改善之间的响应过程存在明显的滞后期㊂地表径流中氮的传输通常受流域空间尺度㊁地貌结构㊁河网密度㊁水文节律㊁冻融过程以及排水沟渠等多因素影响［３７］，地势越平坦的区域，地表径流对污染物的输送能力越弱，水文传输时间相应增加，滞后时间就越长，通常为数小时至几天［３８］㊂地下水中氮的传输受到非饱和含水层的影响，降低了地下水和溶质的运移速率，氮元素的传输时间通常比地表更慢，并且地下水水文过程具有较为明显的时间差异性，其中浅层地下水中氮元素的水文滞后期通常是几个月至１年，而深层地下水中氮元素的水文滞后期可长达数年至１０年以上［３８］㊂不同形态污染物在水文传输过程中体现出一定的差异，地下水文传输过程通常对硝酸盐氮的滞后期影响更加明显㊂例如，切萨皮克湾大约有４０％的氮是通过地下淋溶过程传输［３９］，爱荷华州ＢＭＰｓ对地下水中硝态氮的滞后期长达２５年之久［４０］㊂污染物在地下水中传输时间通常还受到土壤类型的影响，不同土壤类型对污染物的吸附量㊁吸附时间以及吸附速率差异较大，也会影响地下水中污染物的传输速率［４１］㊂在强降雨的驱动下，面源污染物在流域中通过数年的反复沉积㊁传输以及再沉积过程进入下游水体，受到土壤颗粒吸附和解吸附效应影响，这个过程可能会持续１００年以上［２１］㊂因此，ＢＭＰｓ措施对颗粒态污染物发挥削减作用所需的滞４３１３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ后期可能会更长［４２］㊂综上所述，水文传输过程导致的ＢＭＰｓ效益滞后期具有普遍性，且主要受地下水输移时间的影响㊂因此，如何以流域为单元开展基流分割㊁刻画不同景观单元间地下水水文传输时间分布特征（ＧＴＴＤ），对科学识别与评估氮污染控制措施滞后效应，并制定合理的治理方案至关重要㊂１．２㊀生物地球化学转化过程的滞后效应面源污染物在流域内各景观单元中的生物地球化学转化过程是导致ＢＭＰｓ效益存在滞后期的第二个主要因素㊂营养物通过流域内各景观单元从源头输送至流域出口的过程中，受到一系列生物地球化学过程的影响㊂生物地球化学转化对流域尺度营养物质的停留时间在不同的自然生态系统中有所差异，例如在表层土壤的停留时间从小于１０年到７０年不等，水生沉积物的停留时间从小于１０年到１００年不等［４０，４３］㊂当前，生物化学地球转化作用对磷的滞后效应已得到了学界的广泛认可［３６，４４ ４５］㊂流域尺度生物地球化学转化过程对氮的累积效应以及由此导致的ＢＭＰｓ效益滞后期研究还不多㊂氮的迁移转化是土壤系统中最重要的生物地球化学循环过程之一，与凋落物或植物根部分解㊁土壤有机质的氨化降解㊁植物生长所需营养的可利用性㊁土壤微生物的活性和功能以及土壤机械组成等因素密切相关［４６ ４７］㊂具体过程包括但不限于含氮有机质矿化㊁硝化⁃反硝化㊁腐殖质形成㊁豆科植物固氮以及微生物对有效态氮的吸收利用等㊂其中，含氮有机质矿化和豆科植物固氮是导致氮元素在土壤中累积的主要过程［４８］㊂含氮有机质的矿化作用可将施用的有机氮转化为可溶性氮，供植物生长所用或通过微生物反硝化作用转变为氨气去除㊂但是，当含氮有机质的矿化和植物固定作用之间达到均衡状态时，这部分可溶性氮被土壤颗粒吸附，随着地表凋落物或植物根系在土壤中累积，最终通过淋溶或侧渗流进入到地下水中［２５，４９ ５０］㊂含氮有机质的矿化作用受到包括土壤温／湿度㊁ｐＨ㊁土壤有机质碳氮比（Ｃ／Ｎ）以及人为农业构筑物建设等诸多因素影响㊂例如土壤温／湿度的变化会导致团聚体的破裂，增加土壤有机质流失㊁降解和矿化作用，导致土壤中累积的氮向下游水体持续释放，从而影响水质㊂捷克伏尔塔瓦河的研究表明，设置农田排水措施后，会加剧含氮有机质的矿化作用，增加土壤有机质流失量［５１ ５２］㊂此外，在不同的介质内ＢＭＰｓ对氮的削减效益滞后期差异明显，如在表层土壤中污染物滞留时间为１０ ７０年，在水体泥沙中滞后期范围为１０ １００年，具有显著的 零存整取 属性，这使得大多数地区土壤污染物含量远超其承载能力㊂流域上游土壤㊁冲积层和河床沉积物中储存的大量可溶态氮，在外源氮输入减少后，土壤和沉积物累积的氮可持续几十年向下游水体释放，导致ＢＭＰｓ实施后，即使不再向流域内增加氮的输入量，下游水体中氮的浓度并未在短期内出现明显的下降［２１，４３］㊂Ｓｈａｒｐｌｅｙ等在美国阿肯色州１１个农场内评估了包括保护性耕作㊁植被缓冲带㊁植草水道㊁人工湿地等在内的２１种不同ＢＭＰｓ措施削减效率，发现各类ＢＭＰｓ效益滞后期可达２０ ３０年，而对于硝酸盐的滞留时间最长可达上百年［５３］㊂总体来看，生物地球化学转化过程对ＢＭＰｓ控氮效益的影响主要体现在土壤含氮有机质的矿化作用和硝化⁃反硝化作用两个方面，反应过程多在相对独立的流域景观单元内发生，最终通过流域水文过程进入受纳水体㊂２㊀滞后效应评估方法研究进展定量理解流域尺度的水文传输和生物地球化学转化过程导致的养分遗留动态对于制定有效的污染治理措施至关重要㊂现阶段对ＢＭＰｓ效益的评估有实地监测㊁模型模拟㊁风险评估和养分平衡４种主要技术方法［５４］㊂由于巨大的时空异质性，利用实地监测评估ＢＭＰｓ需耗费大量的人力和物力，在大尺度流域进行推广的可操作性不高，几乎不可能实现这一目标㊂因此，数学模型就成为流域尺度养分输入并预测气候和土地利用变化影响的有效工具［５５］㊂然而，由于对滞后效应的认识有限，现行的许多模型对于ＢＭＰｓ滞后期的两个主要影响因素即水文传输过程和生物地球化学转化过程的表征不足或过于简化，滞后效应也没有得到很好的处理和表达㊂如基于空间的流域属性回归模型（ＳＰＡＲＲＯＷ）模型中就假定污染物在其能够模拟的时间尺度（如５３１３㊀８期㊀㊀㊀王萌㊀等：农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展㊀６３１３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀１年或５年）内处于相对稳定的状态，但是在中国永安江流域和美国安大略湖南部流域研究结果表明，流域内水文过程和生物地球化学转化过程所导致的流域内氮输入时间和可监测到的河流水质响应时间之间的滞后性可达１０ ２４．５年，显著高于集总式模型的模拟周期［１４ １５］㊂土壤和水评估工具模型（ＡｒｃＳＷＡＴ）中通常以ＧＷ＿ＤＥＬＡＹ参数来表征地下水滞留时间，虽然可以预测ＢＭＰｓ实施后最终可能实现的水质浓度降低幅度，但在现有参数体系下还不能预测实现水质浓度改善需要多长时间［５６］㊂２．１㊀考虑滞后效应的经验模型近年来，有学者改进或开发了考虑滞后效应的模型，主要包括经验模型和机理模型两类［５７］（表１）㊂其中，经验模型如统计模型ＳＰＡＲＲＯＷ，区域养分管理模型（ＲｅＮｕＭａ）以及基于质量守恒或氮平衡的模型等［５８ ６０，６９］㊂Ｍｃｌｓａａｃ等基于密西西比河流域长时间序列监测数据以及净人为氮输入（ＮＡＮＩ）数据，构建了河流氮输出与人为氮输入之间的统计模型，一定程度阐释了流域氮污染的滞后效应［７０］㊂随后，有学者对流域尺度养分累积量与流域出口水质变化之间的滞后期开展量化评估，有望为ＢＭＰｓ效益滞后期的量化评估提供一定的借鉴㊂例如陈丁江团队将稳定同位素技术㊁改进的ＮＡＮＩ模型和３０年时间序列监测数据结合，采用以交叉相关为主的统计学模型对华东永安溪流域氮污染控制措施的滞后期进行了评估并取得了不错的结果［７１］，为流域尺度氮元素滞后期的量化评估模型框架的构建提供了一种可行的思路㊂Ｗｅｌｌｅｎ等提出了两种利用ＳＰＡＲＲＯＷ模型估算污染负荷年际变化的方法并在加拿大安大略湖西侧的汉密尔顿港流域进行应用，结果表明营养盐衰减率与径流量成反比，并揭示了流域内营养盐在不同年份的分布特征［７２］㊂Ｓｃｈｍａｄｅｌ等也在ＳＰＡＲＲＯＷ模型的基础上开发了一种基于多尺度框架的季节性动态方法，并评估了美国东北部１９万个小流域的养分滞后效应［５９］㊂ＲｅＮｕＭａ模型结合了广义流域负荷函数模型与ＮＡＮＩ算法，可以估算食物㊁大气氮沉降㊁化肥以及生物固氮作用的氮贡献量，由于其对数据要求不高，被广泛应用于河流流量及氮时空变化的模拟研究［６０］㊂改进后的ＲｅＮｕＭａ加入了大气氮沉降的年际变化和氮淋溶滞后效应，可以估算河流氮素的长期变化［６１］㊂胡敏鹏基于质量平衡和等效替换原则，开发了一种新的流域氮污染过程动态模型，用于量化遗留氮及其产生的河流通量［６２］㊂这些方法可以向管理者提供与遗留的氮负荷㊁浓度或通量相关的静态或年度变化的变量，例如年度氮盈余，还有望作为筛选工具，评估一个流域内遗留氮可能存在的位置以及确定流域氮输入可能到达下游地表水的年份范围㊂经验模型的优点是易于应用于大尺度流域（通常依赖于一般可用的河流监测记录），可以很容易地量化模型参数㊂尽管其可以用于土壤和地下水中遗留氮的估算，但是并不能模拟系统行为的变化㊂许多经验模型通常假定流域内的水文和氮循环处于一个稳定状态，缺乏流域内源和汇分布的空间细节，浅层含水层和地下水氮循环过程通常被忽略或过度简化，实际上，大多数流域系统对水文和氮输入的响应会随着时间的推移而变化㊂因此，动态评估治理措施的变化如何导致长时间序列氮的趋势变化可能需要与机理模型相关联㊂２．２㊀考虑滞后效应的机理模型与经验模型相似，目前考虑滞后效应的机理模型还不多㊂考虑滞后效应的机理模型包括基于过程的遗留养分动态模拟模型（ＥＬＥＭｅＮＴ）［１４，３２，６４］㊁美国国家海洋和大气管理局（ＮＯＡＡ）的地球物理流体动力学实验室陆面模型ＬＭ３⁃ＴＡＮ［６５ ６６］㊁ＳＷＡＴ⁃ＬＡＧ［６７］以及二维坡面模型（Ｔｈｅ２Ｄｈｉｌｌｓｌｏｐｅｍｏｄｅｌ）［６８］等㊂Ｗａｎｇ等在地理信息系统（ＧＩＳ）中建立了一个简单的基于过程的方法来预测区域尺度的地下水位硝酸盐负荷，提供了一种易于推广的方法来估算面源污染物的峰值到达时间［６３］㊂ＶａｎＭｅｔｅｒ团队将模块化三维有限差分地下水流动模型（ＭＯＤＦＬＯＷ）㊁确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维质点示踪模型（ＭＯＤＰＡＴＨ）和土壤有机氮降解方程相结合，构建了一套相对简单的流域氮污染控制措施滞后期的评估模型框架，开发的ＥＬＥＭｅＮＴ模型能够模拟氮素沿地下路径的传输和滞留，并量化土壤和地下水中的遗留氮，利用该模型重建了美国密西西比河流域和萨斯奎汉纳河流域出口处的历史硝酸盐负荷量［１４，３２］㊂Ｃｈａｎｇ等在此基础上量化了遗留氮对降低氮负荷到实现切萨皮克湾的水质目标所需时间的影响，结果表明即使保持目前的治理措施不变，切萨皮克湾在未来的２０年中，整个区域氮负荷减少２５％的目标几乎可以实现，但是不同支流流域水质达到目标的滞后ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ表１㊀流域面源氮污染控制措施滞后效应评估模型Ｔａｂｌｅ１㊀Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓｆｏｒａｄｄｒｅｓｓｉｎｇｔｉｍｅｌａｇｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｄｉｆｆｕｓｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ类型Ｔｙｐｅｓ模型名称Ｍｏｄｅｌｓ空间尺度Ｓｐａｔｉａｌｅｘｔｅｎｔ模拟步长Ｔｉｍｅｓｔｅｐ模型简介Ｍｏｄｅｌｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ输出结果Ｐｒｉｍａｒｙｏｕｔｐｕｔｓ参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ经验模型ＥｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌＳＰＡＲＲＯＷ流域年该模型的核心由一个非线性回归方程组成，该方程描述了污染物从陆地上的点源和面源向河流以及通过河流和河网的非保守传输㊂能够预测河流中污染物的通量㊁浓度和产量，并被用来评估关于控制大尺度空间传输的重要污染源和流域特性的替代假设㊂氮通量㊁浓度［５８］经验模型Ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ改进的ＳＰＡＲＲＯＷ流域季节将储存释放与季节性动态水文气候驱动因素相结合的方法，把ＳＰＡＲＲＯＷ从一个长期平均年模型更新为一个长期平均季节模型，能够评估养分储存和滞后释放对河流的累积效应与流域季节性变化的养分反应性㊂氮通量㊁浓度［５９］经验模型ＥｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌＲｅＮｕＭａ大中型流域月一种水文驱动的准经验模型，可以较准确地模拟流域养分动态，广泛应用于不同气候㊁地质和土地利用的流域中，用来模拟河流流量及氮的时空变异性㊂包括水文模块和生物地球化学模块㊂氮浓度［６０］经验模型Ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ改进的ＲｅＮｕＭａ大中型流域月对大气氮沉降和生物地球化学循环部分进行改进，进一步提高了模拟效果㊂径流量和总氮负荷［６１］经验模型Ｅｍｐｉｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ流域氮污染过程动态模拟模型流域年假设每年新的净人为氮输入和遗留氮都经历相同过程，基于质量守恒定律和等效替换规则，遗留氮的变化由净人为氮输入与河流氮输出㊁反硝化㊁非收获性植物吸收以及木材产品输出决定㊂该模型表达了流域中遗留氮㊁当年净人为氮输入以及自然背景值氮负荷对年河流氮输出通量的比例㊂Ｆｔ＝［１－ｅｘｐ（－βｔΔｔ）］｛ＮＡＮＩｔ＋（Ｆｔ－１－Ｂｔ－１）ｅｘｐ（－βｔ－１Δｔ－θｔ－１Δｔ）／［１－ｅｘｐ（－βｔ－１Δｔ）］｝＋Ｂｔ遗留氮对河流氮输出的贡献量［６２］机理模型Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｍｏｄｅｌ基于栅格数据的时空ＧＩＳ模型网格化区域或流域年将硝酸盐输入函数㊁非饱和带厚度和硝酸盐非饱和带运移速率相结合，在ＧＩＳ系统中实现简单的基于过程的模型以预测区域尺度地下水硝酸盐负荷㊂通过将不同含水层运移速度和深度叠加到地下水数据集上，计算了非饱和带硝酸盐运移时间㊂ＶＮＩｎｘ，ｙ＝ｎ－Ｉｎｔｅｇｅｒ（ＴＴｘ，ｙ＋０．５）［１９２５，２０５０］０ｅｌｓｅ}硝酸盐到达地下水位的时间［６３］机理模型ＭｅｃｈａｎｉｓｍｍｏｄｅｌＥＬＥＭｅＮＴ流域年将源区动力学（包括土壤有机氮在根区的积累和损耗）与基于输移时间的方法相结合，考虑了遗留氮在土壤和地下水中有机和无机形态的积累，以及这些遗留物对流域氮负荷轨迹的贡献㊂Ｍｏｕｔ（ｔ）＝ʏ¥０Ｊｓ，ｗｓｈｄ（ｔ－τ）ｆ（τ）ｅ－γτｄτ＋ＳＵＲＦｂａｓｉｎ（ｔ）＋ＤＭＳＴＣｓｗ（ｔ）流域出口年硝态氮负荷［６４］机理模型ＭｅｃｈａｎｉｓｍｍｏｄｅｌＬＭ３⁃ＴＡＮ流域／陆面３０分钟该模型通过扩展ＮＯＡＡ的地球物理流体动力学实验室陆面模型ＬＭ３Ｖ⁃Ｎ，耦合陆地碳氮（Ｃ Ｎ）循环，包括新的氮循环过程和输入，如土壤反硝化过程㊁点源到河流运移过程以及水文过程和微生物过程，来评估人类直接影响和气候变化对陆地和水生氮（ＴＡＮ）循环的综合影响㊂该模型集成了生态学㊁水文学和生物地球化学过程，能够捕捉植被⁃土壤⁃河流氮储量季节和年代际变化㊂溶解性有机氮㊁铵态氮和硝态氮负荷［６５ ６６］机理模型ＭｅｃｈａｎｉｓｍｍｏｄｅｌＳＷＡＴ⁃ＬＡＧ流域日将ＳＷＡＴ⁃Ｍ与ＴＴＤ模型耦合，对碳⁃氮循环方程进行修改，开发了新的ＳＷＡＴ⁃ＬＡＧ模型㊂该模型考虑了土壤和地下水中遗留的营养物质积累所产生的时间滞后㊂流域出口的硝酸盐通量为通过表面流㊁侧向流㊁瓦流和滞后基流的硝酸盐通量之和㊂Ｊｂ，ｌａｇｇｅｄ（ｔ）＝ʏ¥０Ｊｂ（ｔ－τ）ｆ（τ）ｄτ流域出口硝酸盐负荷［６７］机理模型ＭｅｃｈａｎｉｓｍｍｏｄｅｌＴｈｅ２Ｄｈｉｌｌｓｌｏｐｅｍｏｄｅｌ流域周基于ＴＮＴ２⁃ＳＴＩＣＳ模型的土壤和植物氮素转化过程获取河流硝酸盐浓度时间序列，与长期的流量数据以及地下水年龄数据相结合，使用山坡模型来捕捉含水层流动的动态和演变的地表和地下对河流的贡献㊂硝酸盐浓度［６８］㊀㊀ＳＰＡＲＲＯＷ：基于空间的流域属性回归模型；ＲｅＮｕＭａ：区域养分管理模型；Ｆｔ：第ｔ年河流总氮输出通量；β：河流输出的一阶速率系数；ＮＡＮＩ：净人为氮输入；Ｆｔ－１：上一年河流总氮输出通量；Ｂ：自然背景值氮负荷值；θ：通过反硝化㊁非收获性植物吸收和木材输出损失的系数值；ＧＩＳ：地理信息系统；ＶＮＩｎｘ，ｙ：硝酸盐到达地下水位时，硝酸盐输入年份ｎ在（ｘ，ｙ）位置的网格值；ＴＴｘ，ｙ：硝酸盐在（ｘ，ｙ）位置的运移时间；ＥＬＥＭｅＮＴ：基于过程的遗留养分动态模拟模型；Ｊｓ，ｗｓｈｄ（ｔ－τ）：硝酸盐从包气带到地下水的负荷通量；γ：描述沿水文途径反硝化作用的一级速率常数；ＳＵＲＦｂａｓｉｎ（ｔ）：地表氮；ＤＭＳＴＣＳＷ（ｔ）：废水氮；ＮＯＡＡ：美国国家海洋和大气管理局；ＳＷＡＴ－Ｍ：改进的土壤和水评估工具模型；ＴＴＤ：运移时间分布；Ｊｂ，ｌａｇｇｅｄ）（ｔ）：滞后基流的硝酸盐通量；Ｔｈｅ２Ｄｈｉｌｌｓｌｏｐｅｍｏｄｅｌ：二维坡面模型；ＴＮＴ２：基于地形的氮的迁移和转化；ＳＴＩＣＳ：标准作物多学科模拟器７３１３㊀８期㊀㊀㊀王萌㊀等：农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展㊀。

植物的氮素营养与氮肥笔记第三章植物的氮素营养与氮肥第⼀节植物的氮素营养⼀、植物体内氮的含量与分布1. 含量：占植物⼲重的0.3～5％影响因素：植物种类：⾖科植物>⾮⾖科植物品种：⾼产品种>低产品种器官：种⼦>叶>根>茎秆组织：幼嫩组织>成熟组织>衰⽼组织，⽣长点>⾮⽣长点⽣长时期：苗期>旺长期>成熟期>衰⽼期，营养⽣长期>⽣殖⽣长期2. 分布：幼嫩组织>成熟组织>衰⽼组织，⽣长点>⾮⽣长点原因：氮在植物体内的移动性强在作物⼀⽣中，氮素的分布是在变化的：营养⽣长期：⼤部分在营养器官中（叶、茎、根）⽣殖⽣长期：转移到贮藏器官（块茎、块根、果实、籽粒），约占植株体内全氮的70％注意：作物体内氮素的含量和分布，明显受施氮⽔平和施氮时期的影响。

通常是营养器官的含量变化⼤，⽣殖器官则变动⼩，但⽣长后期施⽤氮肥，则表现为⽣殖器官中的含氮量明显上升。

⼆、植物体内含氮化合物的种类（氮的⽣理功能）1. 氮是蛋⽩质的重要成分（蛋⽩质含氮16～18％）——⽣命物质2. 氮是核酸和核蛋⽩的成分（核酸中的氮约占植株全氮的10％）——合成蛋⽩质和决定⽣物遗传性的物质基础3. 氮是酶的成分——⽣物催化剂4.氮是叶绿素的成分（叶绿体含蛋⽩质45～60％）——光合作⽤的场所5. 氮是多种维⽣素的成分（如维⽣素B1、B2、B6等）－－辅酶的成分6. 氮是⼀些植物激素的成分（如IAA、CK）－－⽣理活性物质7. 氮也是⽣物碱的组分（如烟碱、茶碱、可可碱、咖啡碱、胆碱－－卵磷脂－－⽣物膜）氮素通常被称为⽣命元素三、植物对氮的吸收与同化吸收的形态⽆机态：NO3-－N、NH4+－N （主要）有机态：NH2 －N、氨基酸、核酸等（少量）（⼀）植物对硝态氮的吸收与同化1. 吸收：旱地作物吸收NO3-－N为主，属主动吸收吸收后：10%～30%在根还原；70%～90%运输到茎叶还原；⼩部分贮存在液胞内(硝酸根在液泡中积累对离⼦平衡和渗透调节作⽤具有重要意义。

硝酸盐积累及淋洗
硝酸盐积累及淋洗
由硝酸盐淋洗而造成的地下水污染问题已备受关注。

据研究，蔬菜生产中氮肥的过量施用和频繁大量的灌水是导致硝酸盐向地下水
中的淋洗，造成地下水污染的主要原因之一。

由于饮用水中的硝酸盐是人体从外界摄人硝酸盐的另一个主要来源，因此，不合理的灌溉施肥对人体健康和生态环境都构成严重的威胁。

地下水硝酸盐污染与蔬菜生产中的频繁大量灌水密切相关，因为水分是硝态氮在土壤中运移的重要载体。

在水分供应有限的条件下，大部分氮素都集中在土壤表层，当灌溉量或降水量超过土壤田间持水量时，未来得及被作物吸收利用的硝态氮就会随水分下移而逐渐淋出有效根区范围，进一步被淋洗而污染地下水，尤其是在轻质土壤上这种硝酸盐淋失状况更为严重，这也是氮素损失的主要途径之一。

保护地蔬菜生产中，土壤的基础肥力普遍都很高，作物对氮素的吸收利用效率低，导致收获后的根层土壤中残留大量氮素。

这些氮素在下一茬蔬菜生长中仍可被有效利用，而超出根系有效吸收范围的这部分根层中的氮素，则因频繁的灌溉进一步淋洗渗人更深的土层中，造成实际上的氮素损失。

蔬菜耗水需肥量大，在实际生产过程中，传统方式是施人肥料后再进行大水漫灌，将根层中原有的大量硝态氮淋洗掉。

等到下一次施肥后灌溉时，又将上一次转化的硝态氮淋洗掉。

如此反复，根层中养
分含量始终不高，为保证作物的生长需求，农民又大量投人氮肥。

因此，菜田土壤中过量灌溉是造成根区养分淋失、增加养分投人的主要原因。

据研究，地下水硝酸盐含量超标的现象与氮肥的过量施用密切相关。

项目名称：典型集约种养系统氮磷养分循环高效利用关键技术与集成应用
主要完成人：陈留根、盛婧、沈明星、管永祥、刘红江、郭智、孙国峰、王海侯、寇祥明、胡乃娟、王子臣
主要完成单位：江苏省农业科学院，苏州市农业科学院，江苏省农业技术推广总站，南京农业大学，江苏里下河地区农业科学研究所
成果简介：长三角地区雨量丰沛、水网密布、农业生产集约化程度高，畜禽养殖、水产养殖、作物生产是该区典型的高度集约化种养系统，高投入带来高风险，种养系统氮磷排放量大，水体富营养化现象十分严重。

针对这一突出问题，江苏省农业科学院联合苏州市农业科学院、江苏省农业技术推广总站、南京农业大学、江苏里下河地区农业科学研究所等单位，依托国家支撑计划课题、公益性行业（农业）科研专项及江苏省自主创新项目，以循环农业4R理论为指导，以典型种养系统种养系统的猪场、蟹塘、农田的氮磷养分循环高效利用为主线，经十多年的系统研究和联合攻关，揭示了氮磷养分排放特征，突破氮磷养分循环利用的关键技术和装备，创建了“猪场--农田”、“蟹塘--净化塘--农田”、“农田--净化塘--农田”三类典型种养系统氮磷养分循环高效利用模式。

为长江三角洲种养系统氮磷养分的高效利用与生态防控提供了重大技术支撑。

我国农业氮污染问题及防治1不合理施用化肥氮对农业生态环境的污染施入农田中的氮主要通过淋溶、径流和气态逸出(包括氨挥发和反硝化脱氮)三种途径损失。

自1980年以来,我国化肥氮的用量增加迅速,至1998年,全国化肥氮的用量已达2233.5万t。

我国氮的利用率低(有些城郊蔬菜基地与高产地区氮肥利用率降至10%～20%),平均为35%左右(发达国家为50%～60%),损失则高达45%。

这意味着每年约有1000万t左右的氮通过不同的途径流失,对生态环境造成的污染或潜在污染已相当严重。

如在我国南方太湖周边地区氮肥用量高达526～600kg/hm22,其中嘉兴地区施氮量比之还高,每年盈余量为施氮总量的25.6%3。

研究表明,在苏南稻区径流、泡田弃水及淋洗合计年均N损失量21kg/hm2,通过农田输入湖泊的氮量占输入该湖氮总量的7%～35%4。

根据我国地表水环境质量标准,总氮或总磷含量不得超过0.1mg/L,江苏太湖地区地表水调查结果表明,各河流总氮含量超标率88%～100%,湖水样总氮超标率100%5。

太湖97%面积的水体已经呈中富营养状态,使近几年大面积蓝藻爆发6。

长期过量施用氮肥不仅使地面水体富营养化,而且导致地下水和饮用水硝酸盐污染。

据太湖流域调查,苏、浙、沪二省一市16个县内76个饮用井水硝态氮和亚硝态氮的超标率(地下水质量标准为硝态氮≤20mg/L,亚硝态氮≤0.02mg/L)已分别达38.2%和57.9%7。

杭州市郊农村井水NO3-N含量为35.6mg/L,最高达175mg/L,超标率为49.7%8。

为防止过量施N对生态环境的进一步污染,有专家提出在南方(浙江)将每季作物纯氮使用量应控制在150kg/hm2左右为宜,氮肥推荐安全施用量为315kg/(hm2a)9。

在北方过量施氮和高量灌溉或降水是导致硝态氮淋溶损失和污染地下水的主要原因。

陈子明等人在北京潮土上进行的春小麦、夏玉米连作试验表明,经济效益最高的施N量为75kg/hm2,产量最高的施N量为150kg/hm2,在冬春作物施氮量150kg/hm2时,灌水不要超过750m3/hm2,若灌水量超过900m3/hm2和旬降雨量超过100mm时,将有NO3-N淋洗到100cm以下,排出水NO3-N超过30mg/L10,夏玉米施氮量150kg/hm2时,7月、8月雨季时130cm土层以下NO3-N的淋失量达30mg/L左右11。

一、奖项类别：自然科学奖二、项目名称：集约旱作农田氮素循环机理与调控三、提名者及提名意见提名者：中国农学会提名意见：氮素是农业生产的关键元素。

理解农田氮素循环机理，是提高氮素增产效果并降低环境污染的理论基础。

该项目针对我国北方集约化旱作农田氮素利用率低、污染环境严重等突出问题，在土壤氮素转化特征、氧化亚氮(N2O)产生机制、氮肥去向及损失途径、推荐施氮量方法等相互联系的重要科学问题上，进行了长期系统的基础研究，取得了创新性成果。

揭示了我国北方集约化旱作农田土壤氮素转化特征，阐明了土壤硝态氮“持续累积与脉冲式淋洗”的机制。

发现铵态氮或酰胺态氮肥施入土壤后的强氨氧化过程导致亚硝态氮积累，进而引起土壤微域硝化细菌的反硝化作用是土壤N2O 产生的主要机制，提出了延缓强氨氧化过程是N2O减排的关键措施。

阐明了北方旱作农田氮肥去向和损失规律，发现残留肥料氮对土壤氮库的补偿是土壤氮素循环的重要环节，提出了“氮肥有效率”的概念和计算方法。

发现了集约化长期耕作农田在其他氮素输入和秸秆还田条件下，当季合理施氮量约等于作物地上部吸氮量的规律，提出并验证了基于目标产量和维持土壤氮素平衡的“理论施氮量”概念和计算方法。

完成了我国完整的活性氮来源和排放清单，揭示了农业面源污染严重的主要原因是氮素利用率和循环率低，为我国氮素综合管理和污染治理提供了科学基础。

8篇代表性论文总他引1223次，被SCI他引1015次，其中2篇被列入ESI 高被引论文。

成果受到国内外学术界高度关注的认可，获2018年度中国土壤学会科学技术一等奖。

提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

四、项目简介氮素是农业生产的关键元素。

理解农田氮素循环过程和机理，是提高氮素增产效果并降低环境污染的理论基础，也是全球集约化农业研究的重要科学问题。

氮肥对我国粮食增产起到了十分重要的作用，但不合理施用又带来一系列环境污染问题。

该项目以我国北方集约旱作农田为研究对象，针对氮素投入高、利用率低、污染环境严重等突出问题，在土壤氮素转化特征与机理、氧化亚氮(N2O)产生机制、氮肥去向及损失途径、推荐施氮量方法等相互关联的重要科学问题上，进行了长期系统的基础研究，取得的创新性成果概括为以下四个方面。

奶牛养殖氮排放对环境的影响和减排措施秦雯霄;白雪利;高腾云【摘要】In China,the nitrogen utilization rate of the dairy production is generally lower.A large number of nitrogen in manure and urine emissions to environment has caused pollution problems.How to effectively improve the utilization to reduce the pollution is a significant problem in a period transforming the animal husbandry to environment-friendly one.This paper summarized the current environmental impact and effective ways to improve nitrogen utilization,providing a reference for practical production.%我国奶牛养殖业的氮素利用率还普遍较低,大量未被利用的氮素随粪尿排放到环境中,对水体和空气都造成了很大的污染.如何有效提高奶牛对氮素的利用,减少氮素对环境的污染已成为当今畜牧业向环境友好型转变时必须解决的问题.本文就当前奶牛养殖对环境的影响以及改善奶牛氮素利用的措施进行综述,以期为实际生产提供参考.【期刊名称】《家畜生态学报》【年(卷),期】2013(034)006【总页数】4页(P5-7,84)【关键词】氮利用;奶牛;氮减排【作者】秦雯霄;白雪利;高腾云【作者单位】河南农业大学牧医工程学院,河南郑州 450002;河南农业大学牧医工程学院,河南郑州 450002;河南农业大学牧医工程学院,河南郑州 450002【正文语种】中文【中图分类】S811.6近几年来，我国奶牛养殖业迅猛发展，养殖规模和集约化程度都逐步提高，在国民经济中的地位也明显上升，提升了国民的生活水平。

氮肥施用现状及效应1我国农业生产中的氮肥施用和利用现状我国的氮肥生产量和消费量均居世界首位[4]。

据资料统计,在1990~2000年的10年间,我国氮肥施用量增长了40.8%,消耗量已达2500万吨/年(纯氮),占全世界氮肥施用总量的30%左右[5],而且还将呈现继续增加的趋势。

预计至2010年,我国氮肥需求量将达到3179~3295万吨[6]。

目前,中国高氮肥用量的集约化农田已占到农田总面积的15%以上,城市周边地带通常达30%以上。

在经济效益较高的蔬菜、果树、花卉生产中,氮肥用量(纯N)平均为569~2000kghm-2,为普通大田作物的数倍甚至数十倍,且超量使用问题十分普遍[7]。

1992~1994年间北京郊区菜田每年氮肥施用量已超过N1000kghm-2,河北省玉田县范庄在甘蓝-芹菜两茬轮作的菜地氮肥年施用量以纯氮计高达1894kghm-2,而作物吸收氮量只有398kghm-2,其余近1500kghm-2的氮是以包括硝酸盐淋溶在内的各种方式损失掉[8]。

超高量的氮肥施用,必然造成报酬递减和环境污染的风险。

据统计,在过去的30年中,氮肥利用率呈直线下降,上世纪70年代为50%~60%,80年代为40%,90年代后的表观利用率只有30%~35%,高产地区甚至在30%以下[9-10];马文奇等报道,山东寿光蔬菜产区氮磷钾的利用率都在10%以下,浪费的化肥每年使山东农民白白花掉12亿元人民币[11]。

面源污染严重的滇池流域菜果花的集约种植面积近年来发展很快,但由于氮肥的超高量施用,利用率仅在10%左右[7]。

1986~1996年间,中国投入的氮肥总量约为2.2亿吨氮,按氮肥利用率为35%和土壤残留率为20%计,12年间随雨水流失及进入大气的氮素损失近1亿吨,中国农民仅氮肥投入损失高达2000亿元,平均每年损失近170亿元[12]。

以上只是一笔经济帐,氮肥的超量施用所造成的资源浪费以及付出的环境代价更是不可估量的。

中国北方集约化蔬菜生产模式下硝酸盐的淋洗和氮的归宿宋晓宗，赵昌兴，王晓兰，李骥（中国农业大学，资源与环境学院，北京100193；山东省农业科学院，土壤肥料研究所，济南250100；青岛农业大学，农业和植物保护学院，山东省青岛266109；中国科学院，城市与区域生态研究中心，中国科学院生态环境国家重点实验室，北京100085）摘要：由于中国北方塑料大棚里的集约化蔬菜生产，硝酸盐淋失到地下水的潜在风险越来越明显，威胁着生态系统服务和粮食生产的可持续性。

本文中，在中国北方蔬菜基地的寿光市的原位壤质土菜地中，安装了九排空渗仪。

本实验对该地区硝酸盐淋洗到地下水的数量和变化进行定量，并研究总氮肥投入的迁移与转化。

结果表明：在传统农艺生产模式下，该菜地的1米土壤剖面中，观察到硝态氮淋洗浓度（17~457mg/L）和硝酸盐损失（152~347kgN/ha）有显著差异。

而且，高氮肥投入导致了低氮效率，平均只有总氮投入的(33.0±13)%被作物吸收，而另外近半数总氮投入中的部分氮素下落不明。

由此得出结论寿光的地下水污染与温室蔬菜生产有关已被证实，这对水质产生不利影响并导致一系列农业生态问题。

关键词：硝酸盐淋洗，地下水，硝酸盐含量，氮平衡，集约化蔬菜生产1. 引言过去四十年，世界上的合成氮肥消费量急剧增加[1~3]。

目前，为了满足13亿人的粮食需求，中国已经成为世界上最大的氮肥消费国，2002年的合成氮肥消费量为2200万吨。

大量施用氮肥造成了许多环境问题，比如地下水污染，这在中国集约化蔬菜种植区尤其严重。

硝酸盐污染地下水成为了当地居民的健康潜在的突出威胁[4~7]。

目前，人们清楚地知道，污染源主要来自农业生产区商业氮肥的过度使用。

然而，为了维持粮食、饲料和纤维的产量，氮又必须添加到土壤中。

目前，为了评价硝酸盐污染已经形成了一系列研究模式。

在众多案例中，蒸渗仪已成功应用于衡量农业生态系统的硝酸盐淋失[8~11]。

1一直位居世界第一。

据统计，2004年我国水产养殖总产量达到3209万吨，占世界水产养殖产量的三分之二以上。

但目前主要采用的集约化高密度养殖，如施肥给饵和密集轮养等养殖方式，会在养殖水体中积累大量的鱼类粪便、食物残渣和死亡的动植物尸体，导致水体氮素含量严重超标，富营养化情况严重，鱼虾病害频频发生，给水产养殖业尤其是高档精养池塘造成巨大损失。

作为水体氮素存在形式之一的亚硝酸盐的控制一直是水产科学工作者研究的热点。

这是因为它是水产动物致病的根源之一，其危害主要表现在它可以将鱼虾体内的亚铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，使其丧失运输氧的能力，从而造成鱼虾的窒息死亡。

我国淡水渔业用水标准规定,养殖水质中的亚硝酸盐氮应控制在0.2ppm以下，河蟹、对虾育苗水质的亚硝酸盐氮应控制在0.1ppm以下。

本项目研究的生物修复技术是一种治污新模式，通过定向富集，从污水处理池活性污泥中筛选出TIN去除率较高的好氧反硝化细菌，并在实验室条件下，对该菌株在天然水体中的反硝化活性进行系统的研究，制作出可用于生物脱氮的微生态菌剂在废水处理方面,同步硝化反硝化相对于传统的生物脱氮工艺具有明显的优势。

通过微生态制剂的直接投放，以及鱼类和水生植物的协同作用达到净水的目的。

它具有高效、无二次污染，成本低、投资省，使用简单易操作等特点。

本着消除污染，筛选高效去除水体富营养化的微生物菌剂，进而促进经济的可持续发展。

利用活性污泥筛选出TIN去除率较高的好氧反硝化细菌，不仅能减少工业废水对环境的污染，而且能充分利用资源，变废为宝，具有显著的环境效益。

2作品研究内容2.1研制目的本着充分利用资源、消除污染，制取可高效去除水体富营养化的微生物制剂，促进经济的可持续发展为目的。

而从活性污泥中筛选好氧反硝化细菌。

2.2实验材料和方法2.2.1实验主要仪器、原料及试剂主要仪器:超净工作台（SWCJ-A），高压蒸汽灭菌锅，恒温培养箱(SPX-160型)，摇床（HNY-200D），电子天平等。

CITY AND TOWN WATER SUPPLY・研究与探讨・70 城镇供水 NO.1 2013水中硝酸盐污染现状、危害及脱除技术延利军（阳城县环境保护局环境监测站，山西阳城 048100）摘要：世界范围内地下水硝酸盐的污染已越来越严重。

受硝酸盐污染后的地下水会以直接或间接的方式危害人们的健康，由于硝酸盐会在水体中沉积并不断地累积，会导致婴儿患上高铁血红蛋白症，已经成为世界性的环境问题。

随着硝酸盐污染的日益恶化，水体中硝酸盐污染问题不容乐观。

根据使用方法的不同，硝酸盐氮常规去除技术大体分为物理方法、生物脱氮法及化学还原法。

利用一系列方法将水中的硝酸盐还原为氮气是水中硝酸治理的根本方法。

关键词：水硝酸盐　污染现象　危害　脱除技术1 水中硝酸盐污染现状很久以来地球上每年的固氮量远远超过通过反硝化释放的氮素量，从而导致硝酸盐氮在地下水中的积累，使自然界的各种水体硝酸盐大大超标。

世界范围内地下水硝酸盐的污染已越来越严重。

例如，意大利的PRIN研究报告表明国家虽然努力从集约型农业方面减少硝酸盐的排放，但硝酸盐仍然是托斯卡纳地区重要污染物之一，约35%的井水硝酸盐浓度都超过50 mg/L 。

美国亚拉巴马州两年的地下水调查报告指出该州中部和东北部大部分地区硝酸盐都超过了63 mg/L，其他地区有的甚至超过了112 mg/L。

德国50%的农用井水硝酸盐浓度已经超过60 mg/L，法国巴黎附近部分地区硝酸盐浓度已经高达180 mg/L。

欧美地区水体硝酸盐超标现象如此严重，亚洲地区也不例外，集约化农业生产地区尤为严重。

印度克什米尔地区的地下水调查中，夏季85%的水样，冬季67%的水样硝酸盐浓度都超过了世界卫生组织的水质标准(50 mg/L)，污染主要来源于氮肥的大量施用。

通过采集孟加拉国中、东部地区的地下水和河水水样分析发现, 在浅层和深层地下水中硝酸盐浓度分别为中部最低为0.10 mg /L、最高为75.12mg /L;西部最低为0.10 mg /L、最高40.78mg /L。