馬 林，王洪媛，劉 剛，胡克林，梁 超，杜連鳳，郭勝利，柏兆海，王鳳花，李曉欣，王仕琴，胡春勝**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100081； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100193； 4.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽(yáng) 110016；5.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所 北京 100097； 6.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100；7.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

土壤裂隙和大孔隙所造成的優(yōu)先流對(duì)氮磷淋失污染通量的貢獻(xiàn)仍然是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。土壤優(yōu)先流是造成定量農(nóng)田氮磷淋失污染通量不確定性的主要原因。英國(guó)洛桑試驗(yàn)站利用田間滲濾技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了滲濾液與耕層土壤氮磷含量的相關(guān)性[2]，引起了眾多學(xué)者對(duì)農(nóng)田氮磷淋溶損失機(jī)理研究的關(guān)注。目前，對(duì)根層氮磷淋溶通量的研究很多，研究表明土壤中約70%～85%的水分和氮磷運(yùn)移與土壤大孔隙或裂隙產(chǎn)生的優(yōu)先流有關(guān)[3]。國(guó)內(nèi)外研究主要采用“半圓法”、數(shù)碼圖像分析法、電阻率斷層和CT 三維掃描等方法[4]等對(duì)裂隙或大孔隙進(jìn)行描述，但對(duì)于土壤裂隙或大孔隙優(yōu)先流引起的氮磷淋失機(jī)理還不十分清楚。

由農(nóng)田耕層向包氣帶到地下水的全過(guò)程氮磷淋失通量的拓展研究，由農(nóng)田水肥控制機(jī)制向多要素、多過(guò)程耦合的綜合阻控修復(fù)機(jī)制的深入研究，是國(guó)際上農(nóng)田氮磷淋失污染控制研究的重點(diǎn)。我國(guó)北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)地下水超采使得包氣帶厚度增加，長(zhǎng)期水肥過(guò)量造成包氣帶土壤硝酸鹽和磷大量累積[5]。多年觀測(cè)表明，氮肥施用已造成0～12 m 土壤剖面硝酸鹽大量累積[6]，監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的地下水“三氮”污染十分普遍[7]。國(guó)內(nèi)研究主要關(guān)注農(nóng)田氮磷淋洗及影響因素，研究方法上主要采用淋溶盤(pán)或lysimeter 對(duì)根層氮磷淋溶觀測(cè)，部分學(xué)者分析氣候、土壤類型、種植制度、水肥管理、耕作方式、秸稈還田等對(duì)農(nóng)田土壤氮磷遷移及淋溶過(guò)程的影響[8]。而關(guān)于氮磷淋溶阻控研究，正在從單一轉(zhuǎn)化過(guò)程向微生物、物理化學(xué)過(guò)程和隨土壤水流(飽和流、非飽和流、優(yōu)先流)向地下水遷移等多過(guò)程及多因素交互作用影響機(jī)理研究轉(zhuǎn)變[9]。近年來(lái)，提高包氣帶中微生物反硝化活性被逐漸證明是消減硝酸鹽淋溶的有效途徑[10]，但這一過(guò)程的微生物水平和分子水平的機(jī)制尚缺乏深入研究。

由農(nóng)田點(diǎn)污染控制向區(qū)域農(nóng)田氮磷淋失風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)控制及其相關(guān)氮磷消減政策法案的結(jié)合治理是當(dāng)前國(guó)際上農(nóng)田氮磷淋失污染控制的發(fā)展趨勢(shì)。歐盟先后制定硝酸鹽法案(Nitrate Directive)和水法案(Water Framework Directive)，規(guī)范了農(nóng)田肥料與灌溉水的用量和施用方式，提高了氮磷的利用效率，從而減少氮磷淋失[11-12]，還通過(guò)劃分硝酸鹽脆弱敏感區(qū)，重點(diǎn)防控農(nóng)田氮磷淋溶[13]。美國(guó)通過(guò)農(nóng)場(chǎng)養(yǎng)分最佳管理措施管理計(jì)劃和推廣使用地下瓦管排水技術(shù)，減少了氮磷淋溶對(duì)水體的污染[14-15]，并且利用流域模型評(píng)價(jià)區(qū)域氮磷阻控的效果，對(duì)最佳養(yǎng)分管理措施(BMPs)進(jìn)行反饋[16]。

我國(guó)北方黑土、潮土和褐土是氮磷淋溶易發(fā)區(qū)，典型厚包氣帶農(nóng)區(qū)超過(guò)50%的淺層地下水中硝酸鹽濃度超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，深層地下水污染程度也在逐年加劇[17]。然而，由點(diǎn)到面的氮磷淋溶空間規(guī)律和區(qū)域阻控途徑研究十分缺乏。近十年，我國(guó)啟動(dòng)了支撐計(jì)劃“北方集約化糧田污染綜合防控技術(shù)集成與示范”、行業(yè)專項(xiàng)“化肥面源污染農(nóng)田綜合治理技術(shù)方案” “主要農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與氮磷投入閾值研究” “環(huán)渤海區(qū)域農(nóng)田氮素淋失規(guī)律及調(diào)控技術(shù)研究”等項(xiàng)目，旨在通過(guò)優(yōu)化農(nóng)田氮磷管理，防控農(nóng)業(yè)面源污染。國(guó)家基金委啟動(dòng)了重點(diǎn)項(xiàng)目“厚包氣帶農(nóng)田土壤硝酸鹽污染反硝化自修復(fù)機(jī)理研究”，證明厚包氣帶對(duì)氮磷淋溶阻控、截留、消減意義重大。

十三五期間，科技部聯(lián)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部啟動(dòng)了“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)，“農(nóng)田氮磷淋溶損失污染與防控機(jī)制研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)： 2016YFD0800100)”屬于專項(xiàng)2016年首批啟動(dòng)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目之一。項(xiàng)目聚焦易產(chǎn)生農(nóng)田淋溶的黑土、潮土和褐土區(qū)，主要研究?jī)?nèi)容包括以下4 方面： 1)主要北方農(nóng)區(qū)農(nóng)田根層氮磷淋溶時(shí)空規(guī)律； 2)根層—深層包氣帶氮磷淋溶機(jī)制和主控因子； 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機(jī)制和效果； 4)典型農(nóng)區(qū)氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)與區(qū)域消減途徑?？傮w思路是以黑土、潮土、褐土農(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶時(shí)空規(guī)律為基礎(chǔ)，以包氣帶氮磷淋溶機(jī)理為重點(diǎn)，以構(gòu)建“根層截氮保磷、包氣帶脫氮固磷”的全剖面阻控系統(tǒng)為目標(biāo)，全面開(kāi)展農(nóng)田氮磷淋溶損失污染與防控機(jī)制研究(圖1)。本文將重點(diǎn)介紹該項(xiàng)目取得的主要研究進(jìn)展。

1 中國(guó)北方農(nóng)田氮磷淋溶時(shí)空規(guī)律

項(xiàng)目以全國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染國(guó)控監(jiān)測(cè)網(wǎng)中北方淋溶監(jiān)測(cè)為依托，以北方主要農(nóng)區(qū)典型種植模式為研究對(duì)象，選取代表性區(qū)域農(nóng)田增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，完善農(nóng)田氮磷淋溶監(jiān)測(cè)方法，搭建具有數(shù)據(jù)收集、處理、分析、展示等功能的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，構(gòu)建北方典型農(nóng)田氮磷淋溶監(jiān)測(cè)網(wǎng)和北方農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

1.1 中國(guó)北方農(nóng)田根層氮磷淋溶監(jiān)測(cè)網(wǎng)和時(shí)空規(guī)律

針對(duì)“中國(guó)北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶特征與時(shí)空規(guī)律”這一科學(xué)問(wèn)題，利用田間原位監(jiān)測(cè)和文獻(xiàn)薈萃分析方法，系統(tǒng)分析了中國(guó)北方主要農(nóng)區(qū)285個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年的4 種主要種植模式[春玉米(Zea mays)、冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米輪作、露地蔬菜、保護(hù)地蔬菜]農(nóng)田氮磷淋溶特征與時(shí)空規(guī)律。研究結(jié)果表明： 1)中國(guó)北方4 種主要種植模式的平均氮磷素淋溶強(qiáng)度分別為： 保護(hù)地蔬菜117.5 kg(N)·hm?2和0.74 kg(P)·hm?2，露地蔬菜51.7 kg(N)·hm?2和0.10 kg(P)·hm?2，小麥-玉米輪作49.9 kg(N)·hm?2和0.07 kg(P)·hm?2，春玉米30.7 kg(N)·hm?2和0.09 kg(N)·hm?2。施肥量和灌溉量均與氮素淋溶呈正相關(guān)關(guān)系。種植模式往往決定農(nóng)田水肥管理措施，因此，與糧田相比，蔬菜田的高水肥投入決定了其較高的氮磷淋溶量。2)同一種植模式下，總氮淋失強(qiáng)度為黑土區(qū)<褐土區(qū)<潮土區(qū)。造成這種差異的原因，一方面是由于土壤類型不同，同樣水肥管理措施下氮素淋溶量不同，褐土區(qū)春玉米氮素淋失量是黑土區(qū)春玉米淋失量的11.3 倍； 另一方面，同一種植模式不同區(qū)域間亦存在水肥管理差異，進(jìn)而導(dǎo)致淋溶量不同。潮土區(qū)的山東保護(hù)地監(jiān)測(cè)點(diǎn)水肥投入量較高[年均灌溉量2122 mm、施氮量2508 kg(N)·hm?2]，年均總氮淋溶量達(dá)344.8 kg(N)·hm?2，而褐土區(qū)寧夏保護(hù)地監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水肥投入為700 mm、2239 kg(N)·hm?2，年均總氮淋溶量為山東監(jiān)測(cè)點(diǎn)的1/2。3)農(nóng)田氮磷淋溶年際間變化主要受降雨強(qiáng)度的影響，總氮淋溶量與降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)線性關(guān)系，尤其前一年無(wú)淋溶事件發(fā)生背景下，下一年的淋溶量會(huì)急劇增加。4)空間尺度上，潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮素淋溶的主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，值得注意的是一些蔬菜種植面積尤其是保護(hù)地種植面積占比較大的省份表現(xiàn)出了較高的氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)以氮為主，但磷的淋溶風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視，潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮素淋溶的主要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，蔬菜種植帶來(lái)的氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于大田作物，但大田作物的種植面積遠(yuǎn)大于菜地，其總氮淋溶量也不容忽視[18]。

1.2 中國(guó)北方農(nóng)田地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)網(wǎng)和時(shí)空規(guī)律

2016—2019年期間，項(xiàng)目組在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分別對(duì)東北黑土、華北潮土、西北褐土主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)的淺層地下水進(jìn)行采樣與硝酸鹽測(cè)定，結(jié)合前人的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立了北方主要農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)了地下水水位和地下水硝酸鹽含量變化，測(cè)定了地下水及補(bǔ)給源中硝酸鹽氮、氧同位素的含量，對(duì)地下水硝酸鹽時(shí)空變化特征和地下水污染來(lái)源進(jìn)行了分析。結(jié)果表明： 北方主要農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)以東北黑土區(qū)最高，硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)40%左右，主要是由于東北地下水埋深較淺；其次為華北潮土區(qū)，淺層地下水超標(biāo)率為19%，華北地下水埋深大，需要關(guān)注厚包氣帶的氮淋溶的阻控； 西北褐土區(qū)的地下水硝態(tài)氮超標(biāo)率最低，超標(biāo)率為15%。隨時(shí)間的推移，不同區(qū)域地下水硝酸鹽污染呈現(xiàn)不同的變化，華北平原區(qū)域尺度淺層地下水硝酸鹽超標(biāo)率近20年有增長(zhǎng)趨勢(shì)，華北潮土區(qū)2016年至2018年403 個(gè)采樣點(diǎn)地下水超標(biāo)率為19%，高于1998年12%的地下水硝酸鹽超標(biāo)率。地下水硝酸鹽主要來(lái)源于有機(jī)肥和化肥，蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)率高于糧食作物種植區(qū)。氮氧同位素分析結(jié)果表明北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的地下水硝酸鹽以人為污染為主，進(jìn)一步證實(shí)了不合理的農(nóng)業(yè)管理措施已經(jīng)對(duì)地下水造成了威脅和污染[19]。

此外，受到土地利用類型、地下水埋深、包氣帶巖性、水文地質(zhì)條件等綜合因素的影響，黑土區(qū)、潮土區(qū)和褐土區(qū)根層氮磷淋溶規(guī)律與地下水硝酸鹽超標(biāo)率體現(xiàn)出空間不一致和較大差異性。黑土區(qū)雖然根層淋溶較小，由于受地形地貌影響，地下水水質(zhì)對(duì)淋溶響應(yīng)更強(qiáng)烈，應(yīng)該進(jìn)一步研究黑土區(qū)地下水水質(zhì)對(duì)淋溶的響應(yīng)機(jī)制。華北潮土區(qū)和褐土區(qū)厚包氣帶具有明顯氮阻控能力，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)厚包氣帶對(duì)氮磷淋溶減排機(jī)理與途徑研究。

2 我國(guó)典型農(nóng)田“根層—深層包氣帶”氮磷淋溶機(jī)制和主控因子

利用包氣帶觀測(cè)井、Geoprobe 深層取樣、三維CT 掃描和染色示蹤法等手段，研究農(nóng)田包氣帶氮磷垂向遷移機(jī)理、土壤大孔隙和裂隙的形成與發(fā)育過(guò)程，并且分析了降雨和灌溉對(duì)殘留態(tài)氮和累積態(tài)磷在根區(qū)遷移的影響。

2.1 我國(guó)典型農(nóng)田“根層—深層包氣帶”氮磷垂向淋溶機(jī)制

依托中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)和12 m 深觀測(cè)井，對(duì)包氣帶農(nóng)田土壤氮盈余累積特征和淋失規(guī)律進(jìn)行了分析，指出華北平原區(qū)的環(huán)境安全施氮量約為200 kg(N)·hm?2·a?1，超過(guò)環(huán)境安全閾值的多投入氮肥中有51%淋失到1 m根層以下，有進(jìn)入下層土壤的風(fēng)險(xiǎn)； 不合理灌溉和強(qiáng)降水是造成土壤硝酸鹽淋溶的主要因素，灌溉主要造成了3 m 以上土壤含水量增加； 不合理灌溉造成的硝態(tài)氮淋失可用通過(guò)減少灌溉量，調(diào)整灌溉時(shí)間控制，而強(qiáng)降水對(duì)包氣帶累積硝態(tài)氮的淋失作用可影響至6 m 以下土層。在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站的試驗(yàn)表明： 華北潮土氮素在地表—根層—深層包氣帶—地下水的垂直遷移過(guò)程受氣候、土壤和農(nóng)田管理措施的綜合影響，且具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異。超過(guò)高產(chǎn)作物需求的氮素投入導(dǎo)致土壤-作物體系的氮素盈余，主要表現(xiàn)為硝態(tài)氮在包氣帶的累積和遷移。冬小麥季硝態(tài)氮的遷移主要受灌溉影響，以非飽和流為主，且遷移距離較短； 春季單次灌溉量低于60～90 mm，可以有效控制水和硝態(tài)氮淋溶出根區(qū)[20]。

2.2 裂隙和大孔隙對(duì)“根層—深層包氣帶”氮磷淋溶的影響

在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站和上莊試驗(yàn)站，采用亮藍(lán)染色法和 WHCNS (soil water heat carbon nitrogen simulator)模型結(jié)合，對(duì)土壤裂隙和大孔隙的發(fā)育、特征及對(duì)水氮運(yùn)移的影響進(jìn)行了研究。研究表明： 華北潮土地表裂隙的發(fā)育主要由耕作擾動(dòng)和灌水(或降雨)后的干濕交替產(chǎn)生，耕層土壤經(jīng)過(guò)耕作、播種等擾動(dòng)后，造成土壤緊密結(jié)構(gòu)疏松化，單位體積內(nèi)的孔隙體積增加； 當(dāng)有一定量的水輸入，土壤團(tuán)粒在水力作用下再互相吸附和凝聚，擾動(dòng)疏松增加的空間體積就會(huì)形成裂隙，裂隙發(fā)育與土壤水分損失密切相關(guān)。冬小麥耕作和灌溉引起的地表裂隙對(duì)水氮運(yùn)移的貢獻(xiàn)不大。雨熱同期的夏玉米季，土壤水分經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，加上降雨導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶出根層進(jìn)入深層包氣帶。夏玉米季極易發(fā)生硝態(tài)氮淋溶事件(占全年總淋溶事件的81%左右)，硝態(tài)氮淋溶量占全年總淋溶量的80%左右，且單次淋溶事件的淋溶量較高。大孔隙優(yōu)先流對(duì)夏玉米季根區(qū)硝態(tài)氮淋溶的貢獻(xiàn)率在71%左右，這些硝態(tài)氮脫離了作物根系吸收范圍，只能靠反硝化作用對(duì)其進(jìn)行去除[20]。裂隙的存在導(dǎo)致了硝態(tài)氮淋溶的急劇增加，傳統(tǒng)施肥和優(yōu)化施肥情況下分別增加97.40%和256.43%，與優(yōu)化施肥模式相比，傳統(tǒng)施肥模式更容易造成硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險(xiǎn)。在模擬灌溉模式對(duì)硝態(tài)氮淋洗情況的影響時(shí)，其差異不明顯； 強(qiáng)降雨的設(shè)置同樣增加了硝態(tài)氮的淋失風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致硝態(tài)氮的年均淋洗量增加83.61%。裂縫的存在嚴(yán)重影響農(nóng)田作物對(duì)肥料的吸收和利用，通過(guò)優(yōu)化施肥量、更改灌溉模式以及避免強(qiáng)降雨前施肥都可以有效避免肥料的損失[21]。此外，明顯含有蟲(chóng)洞的免耕土壤入滲深度和染色面積均高于旋耕土壤； 免耕土壤的染色面積和穩(wěn)定入滲速率的 Pearson 相關(guān)系數(shù) P=0.68(>0.05)，染色示蹤不能定量化土壤穩(wěn)定入滲速率。同時(shí)WHCNS 模擬的0～100 cm 土層硝態(tài)氮淋洗量結(jié)果顯示： 大孔隙存在條件下，硝態(tài)氮淋洗量增加13.5%； 優(yōu)化施肥模式的硝態(tài)氮淋洗量比傳統(tǒng)施肥模式減少46.0%； 常規(guī)灌溉量下噴灌比漫灌處理的硝態(tài)氮淋洗量減少15.6%； 而強(qiáng)降雨導(dǎo)致硝態(tài)氮淋洗量增加119.4%。該研究為華北平原地區(qū)大孔隙存在條件下的農(nóng)田水肥管理措施優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)[22]。

3 黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機(jī)制

項(xiàng)目組以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，利用分子生物學(xué)方法(定量PCR、高通量測(cè)序等)研究典型厚包氣帶農(nóng)田土壤剖面各層次反硝化微生物群落的結(jié)構(gòu)特征，明確各層次反硝化優(yōu)勢(shì)菌群，研究反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)反硝化菌群對(duì)長(zhǎng)期不同施肥水平的響應(yīng)機(jī)制和硝酸鹽污染自修復(fù)機(jī)制，提出根層截氮保磷和包氣帶脫氮固磷阻控機(jī)理。以黑土、潮土和褐土3 個(gè)土類為研究對(duì)象，基于凍融循環(huán)、地下水消長(zhǎng)等特定自然條件，選擇小麥、玉米、蔬菜生產(chǎn)體系，研究了氮磷淋失與水肥響應(yīng)的關(guān)系，探索了控水、控肥和添加生物碳等措施對(duì)氮磷淋溶的阻控機(jī)制。

3.1 根層截氮保磷和包氣帶脫氮固磷阻控機(jī)理

針對(duì)根層和包氣帶氮磷淋溶阻控機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題，本項(xiàng)目初步探索了根層截氮包氣帶脫氮的淋溶阻控機(jī)理。利用深層取樣和生物學(xué)方法結(jié)合，分析了華北平原典型厚包氣帶0～10.5 m 原位土壤微生物的反硝化活性和微生物區(qū)系組成，結(jié)果表明，表層土壤是微生物進(jìn)行反硝化的主要場(chǎng)所，而深層土壤中反硝化作用顯著減弱，施加氮肥的包氣帶土壤反硝化活性要顯著高于不施加氮肥的土壤。明確了“碳饑餓”是限制底層土壤反硝化微生物豐度與活性的關(guān)鍵因素[23]。進(jìn)一步通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了添加碳源可有效地激活土壤微生物的反硝化活性，對(duì)深層土壤微生物的反硝化活性影響更為顯著。同時(shí)，添加碳源可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤反硝化微生物Pseudomonas 和Bacillus 等反硝化功能類群的生長(zhǎng)。調(diào)控厭氧環(huán)境主要是提高了N2O到N2的轉(zhuǎn)換率，但在短時(shí)間對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響不顯著。本研究從分子水平和微生物水平揭示了碳源和氧氣含量對(duì)底層包氣帶土壤微生物反硝化脫氮的影響機(jī)制[23]，為“根層截氮包氣帶脫氮”的淋溶阻控機(jī)理找到了突破口。此外也開(kāi)展了厚包氣帶土壤反硝化微生物的篩選工作，并成功分離到1 株具有完全反硝化能力的菌株，為后期人工強(qiáng)化治理厚包氣帶土壤硝酸鹽污染提供菌種資源[24]，也為技術(shù)研發(fā)類項(xiàng)目提供了理論依據(jù)。

與氮淋溶阻控機(jī)理不同，項(xiàng)目組在褐土區(qū)長(zhǎng)期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)： 盡管同樣可以看到產(chǎn)量隨施磷量提高而提高，但當(dāng)磷肥水平超過(guò)較低的閾值后，進(jìn)一步磷肥投入并不顯著提高作物產(chǎn)量，反而會(huì)導(dǎo)致土壤耕層中有效磷隨施磷量增加而出現(xiàn)積累現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步分析，可以得到3 個(gè)階段的土壤有效磷水平、作物產(chǎn)量/作物吸收量和有效磷三者耦合關(guān)系： 1)環(huán)境友好-資源高效階段： 這一階段土壤有效磷保持在20 mg·kg?1即可，在氮肥供應(yīng)充分的條件下即可達(dá)到最高產(chǎn)量； 2)環(huán)境低風(fēng)險(xiǎn)-資源低效階段： 該階段土壤有效磷開(kāi)始增加，但作物產(chǎn)量并不會(huì)顯著升高；3)環(huán)境有害-資源無(wú)效階段： 該階段土壤有效磷超過(guò)了土壤的緩沖容量，土壤磷素開(kāi)始向底層土壤遷移，同時(shí)作物產(chǎn)量不會(huì)升高。對(duì)土壤全磷、Olsen-P 以及水溶性磷的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤全磷或者Olsen-P 超過(guò)一定閾值時(shí)，土壤中水溶磷顯著增加，這意味著磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)增加，土、黑壚土、典型褐土的土壤，當(dāng)土壤Olsen-P 大于45 mg·kg?1時(shí)會(huì)出現(xiàn)磷素的淋失與遷移，此外還要考慮土壤殘留磷對(duì)水質(zhì)的污染具有滯后效應(yīng)[25]。

3.2 黑土氮磷淋溶阻控機(jī)制

黑土是我國(guó)重要的土壤資源，承載了全國(guó)50%以上的玉米產(chǎn)量，盡管黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮磷淋溶損失相對(duì)較低，但肥料殘留效應(yīng)致使其潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)。項(xiàng)目組綜合分析了環(huán)境因子和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶特征的影響規(guī)律，明確了黑土氮磷淋溶消減措施，并初步針對(duì)玉米農(nóng)田和蔬菜地提出消減策略[26]。為闡明黑土春玉米田氮素的淋溶風(fēng)險(xiǎn)與阻控機(jī)制，運(yùn)用田間原位15N 示蹤技術(shù)，設(shè)常規(guī)壟作(RT)、免耕無(wú)秸稈覆蓋和免耕100%秸稈覆蓋(秸稈量為7500 kg·hm?2) 3 個(gè)處理，量化了長(zhǎng)期免耕秸稈覆蓋措施下氮素在不同形態(tài)氮庫(kù)中的轉(zhuǎn)化特征、淋溶運(yùn)移規(guī)律和去向，明確了不同耕作措施對(duì)氮素積累與淋溶損失的阻控機(jī)制，免耕全量秸稈覆蓋處理提高了玉米的產(chǎn)量和肥料氮的利用效率，降低了肥料氮向深層土壤剖面淋溶運(yùn)移的速率[27]。設(shè)施黑土菜田由于過(guò)量施肥和灌溉導(dǎo)致磷素淋失嚴(yán)重，亟待優(yōu)化水肥管理模式以降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失，項(xiàng)目組依托黑土設(shè)施菜田淋溶監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)水肥處理相比，減少化肥施用量對(duì)磷素淋失量和淋失風(fēng)險(xiǎn)無(wú)明顯影響，但減少灌溉量能顯著減少磷素淋失量，降低磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果將為設(shè)施黑土菜田磷素淋溶阻控提供技術(shù)支撐，為新阻控技術(shù)的研發(fā)提供理論指導(dǎo)[28]。

凍融交替是中高緯度、高海拔和部分溫帶地區(qū)的自然現(xiàn)象，了解黑土區(qū)凍融交替如何影響土壤氮磷淋溶，對(duì)建立阻控養(yǎng)分淋溶的措施至關(guān)重要，項(xiàng)目組研究發(fā)現(xiàn)凍融交替對(duì)養(yǎng)分淋溶的影響機(jī)制主要通過(guò)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化影響可淋溶養(yǎng)分的含量、水分和淋溶通道。根據(jù)凍融對(duì)養(yǎng)分淋溶的作用機(jī)制，可以通過(guò)以下4 種措施降低凍融期間養(yǎng)分淋溶損失： 1)合理施肥，從“源頭”降低可淋溶的養(yǎng)分含量； 2)增施生物炭，通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)和微生物群落提高土壤對(duì)養(yǎng)分和水分的固持能力；3)種植覆蓋作物，作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分的吸收利用可減少可淋溶的養(yǎng)分含量和養(yǎng)分向下運(yùn)移的速度；4)實(shí)施免耕秸稈覆蓋的耕作制度，提高生長(zhǎng)季作物的氮素利用率，從而降低可淋溶養(yǎng)分含量，秸稈地表覆蓋可以減緩凍融的作用效果，通過(guò)對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物多方面變化的調(diào)控影響?zhàn)B分的淋溶[29]。

3.3 潮土氮磷淋溶阻控機(jī)制

華北平原潮土區(qū)是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，過(guò)去幾十年來(lái)該區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了以高水肥投入為主要特征的集約化進(jìn)程，相應(yīng)的氮淋失導(dǎo)致的面源污染不斷加劇。項(xiàng)目組針對(duì)華北平原潮土為主要類型的糧田，對(duì)過(guò)去40 多年間主要研究文獻(xiàn)進(jìn)行全面分析，并結(jié)合試驗(yàn)，梳理氮肥和水分投入與氮淋失之間的定量關(guān)系，比較主要農(nóng)田管理措施對(duì)氮淋失的阻控效果及其機(jī)理，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染提供決策支持。研究發(fā)現(xiàn)，氮肥和灌溉是影響華北平原潮土區(qū)糧田氮淋失的主要因素，其中氮淋失與氮盈余量之間的指數(shù)關(guān)系比與施氮量的關(guān)系更顯著。以緩控釋肥、尿酶和硝化抑制劑為代表的肥料增效劑可以降低約1/3 的氮淋失，值得重點(diǎn)推廣應(yīng)用。秸稈還田可以實(shí)現(xiàn)包括提高土壤有機(jī)物和微生物氮庫(kù)、增加無(wú)機(jī)氮緩沖容量等綜合效益，有利于降低氮淋失風(fēng)險(xiǎn)(<10%)，但免耕的阻控效應(yīng)較低且呈現(xiàn)較大不確定性[30]。

華北潮土區(qū)夏季降雨量占全年的60%～80%，由于夏季集中降雨導(dǎo)致該地區(qū)近岸農(nóng)田或地下水位埋深較淺農(nóng)田出現(xiàn)地下水波動(dòng)現(xiàn)象，項(xiàng)目組通過(guò)土柱試驗(yàn)，研究該區(qū)域農(nóng)田由于地下水位波動(dòng)導(dǎo)致-N在土壤和地下水運(yùn)移及淋失風(fēng)險(xiǎn)，研究表明水位上升和下降促進(jìn)土壤-N 隨著水流運(yùn)移到下層，增加了地下水-N 污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，在地下水位埋深較淺的農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行氮素污染防控時(shí)，不可忽視水位波動(dòng)對(duì)N 運(yùn)移的影響[31]。

3.4 褐土氮磷淋溶阻控機(jī)制

項(xiàng)目通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，典型褐土區(qū)關(guān)中平原過(guò)量施氮的土壤達(dá)到83%以上，大量土壤硝態(tài)氮已經(jīng)遷移到1 m 土層以下，15%的水井地下水硝態(tài)氮含量超過(guò)10 mg·L?1(WHO 飲用水標(biāo)準(zhǔn))。經(jīng)過(guò)40 余年的氮磷化肥投入，褐土區(qū)土壤氮磷的殘留量顯著增加，其中氮肥殘留以土體中硝態(tài)氮深層積累為特點(diǎn)，磷肥殘留以耕層顯著積累為特征，80%耕層土壤有效磷(Olsen-P)含量已超過(guò)20 mg·kg?1； 富磷土壤已出現(xiàn)可溶性磷素向耕層下遷移的現(xiàn)象[25]。糧田和菜田試驗(yàn)研究表明： 與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥投入量相比，在保證產(chǎn)量的前提下，化肥減量、降低灌溉量、施用生物炭或秸稈還田都可以降低氮磷淋失量； 其中化肥減量、降低灌溉可顯著降低氮磷淋失，其次是施用生物炭和秸稈[32-33]。施用秸稈條件下，阻控硝態(tài)氮淋失與微生物生物量碳氮提高、土壤硝化勢(shì)降低或反硝化勢(shì)升高有關(guān)。此外，需要關(guān)注褐土區(qū)糧果復(fù)合系統(tǒng)中土壤氮磷淋溶的環(huán)境效應(yīng)、地下水硝酸鹽污染的溯源等[25]。

4 北方農(nóng)田區(qū)域氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)與區(qū)域消減途徑

項(xiàng)目組以北方典型黑土、潮土和褐土區(qū)農(nóng)田為研究對(duì)象，通過(guò)建立地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)網(wǎng)(東北、華北、西北)，對(duì)地下水硝酸鹽時(shí)空變化特征和地下水污染來(lái)源進(jìn)行了分析[19]，在構(gòu)建根層、深層包氣帶和地下水的硝酸鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將NUFER (NUtrient flows in Food chains，Environment and Resources use)模型與地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境公報(bào)發(fā)布的水質(zhì)數(shù)據(jù)、分縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和土壤地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)結(jié)合，建立了區(qū)域農(nóng)業(yè)氮磷管理和評(píng)估體系，在縣域尺度定量了我國(guó)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分環(huán)境排放量，并對(duì)典型農(nóng)區(qū)的氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分區(qū)，提出了差異化的區(qū)域消減途徑，并以白洋淀流域?yàn)榘咐M(jìn)行了重點(diǎn)研究。

4.1 北方農(nóng)田養(yǎng)分損失脆弱區(qū)劃分和區(qū)域消減途徑

由農(nóng)田污染控制轉(zhuǎn)向區(qū)域氮磷淋失風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)及其相關(guān)區(qū)域氮磷淋溶消減是國(guó)際上氮磷淋失污染控制的研究熱點(diǎn)。項(xiàng)目基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、自然條件的空間數(shù)據(jù)和養(yǎng)分流動(dòng)模型(NUFER)模擬結(jié)果，劃分了我國(guó)養(yǎng)分管理脆弱區(qū)[34]，以此為依據(jù)提出了我國(guó)不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的氮磷淋溶區(qū)域削減草案和技術(shù)列單，并利用模型情景分析的方法評(píng)價(jià)了氮磷環(huán)境排放的削減效果[35]。結(jié)果表明： 養(yǎng)分管理脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)覆蓋了全國(guó)耕地面積的52%，廣泛分布于我國(guó)主要農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，呈現(xiàn)顯著的空間聚集特征； 分區(qū)養(yǎng)分管理可以削減51%的潛在脆弱區(qū)面積，削減潛力較大的區(qū)域集中在東北、長(zhǎng)江中下游和西南地區(qū)； 氮淋溶強(qiáng)度超過(guò)22.6 kg·hm?2的區(qū)域覆蓋耕地面積3.1×107hm2； 通過(guò)基于養(yǎng)分管理脆弱區(qū)的區(qū)域養(yǎng)分管理和環(huán)境阻控措施，氮淋溶超標(biāo)區(qū)內(nèi)耕地面積減少至1.9×107hm2，削減比例約為40%[36]。項(xiàng)目提出的養(yǎng)分損失脆弱區(qū)區(qū)劃和區(qū)域氮磷污染削減草案可為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 北方典型流域地下水硝酸鹽分布、來(lái)源和消減策略——以白洋淀流域?yàn)槔?/h3>

白洋淀流域是雄安新區(qū)主要的用水水源，但是白洋淀流域工業(yè)、生活污水、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)引起的硝酸鹽污染較為普遍，且來(lái)源多樣，造成人們對(duì)全流域尺度地下水硝酸鹽分布特征及來(lái)源仍不清楚。項(xiàng)目組通過(guò)總結(jié)和分析白洋淀流域2008—2017年地表水和地下水硝酸鹽濃度變化，解析了全流域地下水硝酸鹽分布的時(shí)空差異性特征和不同來(lái)源氮對(duì)地下水硝酸鹽的影響程度。結(jié)果表明： 1)白洋淀流域地下水硝酸鹽濃度分布存在從上游山區(qū)到山區(qū)平原區(qū)過(guò)渡帶增加的趨勢(shì)，主要與山區(qū)平原過(guò)渡帶較為頻繁的人類活動(dòng)有關(guān)。2)平原區(qū)從山前平原到淀區(qū)地下水硝酸鹽濃度變化具有較大空間差異性，隨著地貌類型從洪積扇、沖洪積扇、沖洪積平原到河道帶的變化，地下水硝酸鹽濃度呈下降趨勢(shì)，而硝酸鹽氮同位素值升高，說(shuō)明反硝化作用增強(qiáng)。3)湖泊和洼地區(qū)地下水硝酸鹽氧化和還原條件變化較大，大部分地下水硝酸鹽濃度較低，僅在受污染的河道周邊地下水硝酸鹽濃度較高，距離河道越近，地下水硝酸鹽濃度越高。針對(duì)以上污染特征，建議分別針對(duì)上游山區(qū)平原過(guò)渡帶、山前平原洪積扇和沖洪積扇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、下游淀區(qū)的面源污染特征和地表水、地下水硝酸鹽污染程度，評(píng)估上游山區(qū)水文條件變化對(duì)地下水水質(zhì)以及入庫(kù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的影響，明確補(bǔ)給源區(qū)水質(zhì)變化關(guān)鍵控制要素和評(píng)估指標(biāo)，特別要在洪積扇、沖洪積扇、下游排污河周邊等地下水硝酸鹽污染脆弱區(qū)，重點(diǎn)采取農(nóng)業(yè)面源污染防控和消減措施[37]。

5 結(jié)論與展望

本項(xiàng)目主要在以下4 方面取得進(jìn)展： 1)北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田根層氮磷淋溶時(shí)空規(guī)律； 2)根層—深層包氣帶氮磷淋溶機(jī)制和主控因子； 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機(jī)制和效果； 4)典型農(nóng)區(qū)氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)與區(qū)域消減途徑。主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)包括： 1)受土地利用類型、地下水埋深、包氣帶巖性、水文地質(zhì)條件等綜合因素影響，黑土、潮土和褐土區(qū)根層氮磷淋溶規(guī)律與地下水硝酸鹽超標(biāo)率體現(xiàn)出空間不一致和較大的差異性。黑土區(qū)雖然根層淋溶較小，由于受地形地貌影響，地下水水質(zhì)對(duì)淋溶響應(yīng)更強(qiáng)烈，應(yīng)該進(jìn)一步研究黑土區(qū)地下水水質(zhì)對(duì)淋溶的響應(yīng)機(jī)制。華北潮土區(qū)和褐土區(qū)厚包氣帶具有明顯氮阻控能力，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)厚包氣帶對(duì)氮磷淋溶減排機(jī)理與途徑研究。2)基于長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)和12 m 深觀測(cè)井，對(duì)包氣帶農(nóng)田土壤氮盈余累積特征和淋失規(guī)律進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)華北平原區(qū)的環(huán)境安全施氮量約為200 kg(N)·hm?2·a?1，超過(guò)環(huán)境安全閾值的多投入氮肥中有51%淋失到1 m 根層之外，不合理灌溉、強(qiáng)降水及土壤大孔隙和裂隙是造成土壤硝酸鹽淋溶的主要因素，對(duì)包氣帶累積硝態(tài)氮的淋失作用可影響至6 m 以下土層。3)利用深層取樣和生物學(xué)方法結(jié)合，分析了厚包氣帶0～10.5 m 原位土壤微生物的反硝化活性和微生物區(qū)系組成，結(jié)果表明，表層土壤是微生物進(jìn)行反硝化的主要場(chǎng)所，而深層土壤中反硝化作用顯著減弱，明確了“碳饑餓”是限制底層土壤反硝化微生物豐度與活性的關(guān)鍵因素；進(jìn)一步通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)證實(shí)了添加碳源可有效地激活土壤微生物的反硝化活性，為“根層截氮包氣帶脫氮”的淋溶阻控機(jī)理找到了突破口。4)利用黑土、潮土和褐土區(qū)氮磷淋溶阻控試驗(yàn)、全國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染國(guó)控監(jiān)測(cè)網(wǎng)、北方農(nóng)區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)網(wǎng)和NUFER 模型，項(xiàng)目提出了養(yǎng)分損失脆弱區(qū)區(qū)劃和區(qū)域氮磷污染削減草案，可為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和面源污染阻控提供科學(xué)依據(jù)。

基于本項(xiàng)目的研究結(jié)果和尚未完全解決該領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題，建議十四五期間繼續(xù)開(kāi)展以下幾方面研究：

1)流域/區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)面源污染綜合防控機(jī)理與技術(shù)。我國(guó)長(zhǎng)江流域、黃河流域等區(qū)域生態(tài)條件脆弱、單位土地養(yǎng)分負(fù)載高、農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，但是農(nóng)村源污染及城市和工業(yè)的點(diǎn)源污染等綜合源解析仍需進(jìn)一步明晰。目前存在的問(wèn)題是整個(gè)流域綜合考慮農(nóng)村源污染及城市和工業(yè)的點(diǎn)源污染、綜合考慮氮磷以外的農(nóng)藥及其他污染物的源解析仍需進(jìn)一步明晰，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、模型等多種手段的綜合研究。我國(guó)主要流域關(guān)于氮磷等農(nóng)業(yè)面源污染源防控的單項(xiàng)技術(shù)有所突破，但在多污染因子、多污染源、全流域綜合應(yīng)用的理論和技術(shù)突破及系統(tǒng)集成整合上亟待加強(qiáng)。當(dāng)前，流域和區(qū)域在多污染因子、多污染源防控的理論和技術(shù)上急需突破，在全流域綜合應(yīng)用系統(tǒng)集成整合上需要新的手段、模式和實(shí)踐。

2)基于面源污染防控的綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)與生態(tài)增值機(jī)理與技術(shù)。我國(guó)集約化農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)迅速發(fā)展導(dǎo)致了農(nóng)牧分離問(wèn)題凸顯，污染物排放增加，從而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、地下水污染和空氣質(zhì)量下降等環(huán)境問(wèn)題。畜禽糞便不能有效地作為養(yǎng)分資源還田，同時(shí)種植業(yè)又依賴大量的化肥投入來(lái)保障糧食安全。因此，近年來(lái)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)快速發(fā)展加重了我國(guó)資源短缺和環(huán)境污染壓力。急需研究綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)與生態(tài)增值機(jī)理，研發(fā)適宜的糧-飼-草復(fù)合種植技術(shù)，提升土地利用效率和改善農(nóng)區(qū)生態(tài)多樣性，研發(fā)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥和面源污染阻控，集成綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)與生態(tài)增值技術(shù)。