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    农业活动—作物轮作体系变化是胶州湾流域面源氮污染的主要驱动力

    发表日期:2019-08-30 12:14:51    阅读次数:386   来源:海湾生态环境973项目

           

            大沽河是胶州湾最大入湾河流,其汇水区域是胶州湾陆源营养物质的重要来源。近年来,在经济发展驱动下,大沽河流域蔬菜生产逐渐成为当地农民增加收入的重要渠道。然而,由于胶州湾流域耕地面积有限,蔬菜种植面积的增加必然导致其他作物种植面积减少,从而造成作物轮作体系发生变化。该流域主要作物轮作方式包括传统作物间轮作、蔬菜间轮作、蔬菜与传统作物轮作、以及温室蔬菜体系。研究人员从温室蔬菜、露天蔬菜和传统作物玉米、小麦和花生的化肥使用量和施肥种类,灌溉频率,作物产量和氮肥利用效率等角度,探讨了作物轮作体系的变化对胶州湾流域面源营养物质输入的影响。研究结果发现,自1995年到2015年,不同作物轮作体系氮盈余中,温室蔬菜轮作体系从371.1±41.5 kg N ha-1 yr-1增加到580.3±99.4 kg N ha-1yr-1;蔬菜作物间轮作体系从228.2± 81.1 kg N ha-1 yr-1增加到 418.4±160.7 kg N ha-1yr-1;蔬菜和传统作物轮作体系从107.7±68.4 kg N ha-1 yr-1增加到239.2±99.5 kg N ha-1yr-1;传统作物间轮作体系从91.0±62.8 kg N ha-1yr-1增加到137.8±41.1 kg N ha-1 yr-1(图1)。蔬菜种植面积增加导致传统作物间轮作体系种植比例从74.6%下降到40.5%,蔬菜和传统作物轮作体系从13.1%增加到26.8%,蔬菜间轮作体系从11.1%增加到26.7%,温室蔬菜体系从1.2%增加到6.1%;流域耕地土壤中氮素负荷从5.2 ×107 kg N ha-1 yr-1增加到12.0×107kg N ha-1 yr-1,增长幅度为133.3%,其中蔬菜轮作体系氮盈余贡献比例从39.3%增加到79.1%。

           研究人员又将大沽河流域划分成11个子流域,建立地表水体污染空间分布与污染因素的空间对应关系。发现各子流域耕地面积与地表水中氮浓度呈显著正相关,蔬菜的耕种比例与地表水中氮浓度呈显著正相关,蔬菜的耕种比例与夏季河流中有机氮所占比例呈显著正相关(图2)。大沽河属于季节性河流,冬季保持基流或是断流状态,营养物质通过河流向胶州湾输送主要发生在降雨集中的夏季。蔬菜种植施用大量以畜禽粪便为主的有机肥,增加土壤中有机氮含量。然而,粪肥肥效缓慢,不能及时被作物吸收。在降雨集中的夏季,大沽河夏季氮浓度为11.2-22.3 mg N L-1,其中有机氮浓度7.9-18.2mg N L-1,硝态氮浓度2.5-5.1 mg N L-1。利用氮 (δ15N)、氧(δ18O)同位素示踪量化大沽河中硝态氮来源,发现不同氮素来源呈现畜禽粪便(20.6-69.0%)>土壤有机质(19.5-53.2%)>无机肥(5.5-34.3%)>大气沉降(1.3-18.8%)。

            包含蔬菜作物的轮作体系显著增加河流氮负荷,增加河流有机氮输送的同时,也为无机氮的形成提供反应底物。因此,加强农业种植结构调整,合理作物种植的空间布局,是控制胶州湾面源氮污染的重要措施。本研究结果有助于深入认识高强度的农业活动对胶州湾面源营养物质输送的影响,对胶州湾生态环境保护和管理提供了重要的科学依据。系列研究成果发表在Environmental Scienceand Pollution Research和Environmental Science: Processes & Impacts。



    图1 不同作物轮作体系氮素盈余

    图2 农业活动对河流氮素负荷的影响


    上一主题课题联合研讨会在广州举行

    下一主题研究人员证实:氮是调控大亚湾浮游植物生长的关键因子

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