中國北方農田氮磷淋溶損失污染與防控機制*

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.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022； 2.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)農村部面源污染控制重點實驗室 北京100081； 3.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院 北京 100193； 4.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 沈陽 110016；5.北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所 北京 100097； 6.西北農林科技大學水土保持研究所 楊凌 712100；7.中國科學院大學 北京 100049)

土壤裂隙和大孔隙所造成的優(yōu)先流對氮磷淋失污染通量的貢獻仍然是國際上研究的熱點與難點[1]。土壤優(yōu)先流是造成定量農田氮磷淋失污染通量不確定性的主要原因。英國洛桑試驗站利用田間滲濾技術，發(fā)現(xiàn)了滲濾液與耕層土壤氮磷含量的相關性[2]，引起了眾多學者對農田氮磷淋溶損失機理研究的關注。目前，對根層氮磷淋溶通量的研究很多，研究表明土壤中約70%～85%的水分和氮磷運移與土壤大孔隙或裂隙產生的優(yōu)先流有關[3]。國內外研究主要采用“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]等對裂隙或大孔隙進行描述，但對于土壤裂隙或大孔隙優(yōu)先流引起的氮磷淋失機理還不十分清楚。

由農田耕層向包氣帶到地下水的全過程氮磷淋失通量的拓展研究，由農田水肥控制機制向多要素、多過程耦合的綜合阻控修復機制的深入研究，是國際上農田氮磷淋失污染控制研究的重點。我國北方主要農業(yè)區(qū)地下水超采使得包氣帶厚度增加，長期水肥過量造成包氣帶土壤硝酸鹽和磷大量累積[5]。多年觀測表明，氮肥施用已造成0～12 m 土壤剖面硝酸鹽大量累積[6]，監(jiān)測位點的地下水“三氮”污染十分普遍[7]。國內研究主要關注農田氮磷淋洗及影響因素，研究方法上主要采用淋溶盤或lysimeter 對根層氮磷淋溶觀測，部分學者分析氣候、土壤類型、種植制度、水肥管理、耕作方式、秸稈還田等對農田土壤氮磷遷移及淋溶過程的影響[8]。而關于氮磷淋溶阻控研究，正在從單一轉化過程向微生物、物理化學過程和隨土壤水流(飽和流、非飽和流、優(yōu)先流)向地下水遷移等多過程及多因素交互作用影響機理研究轉變[9]。近年來，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]，但這一過程的微生物水平和分子水平的機制尚缺乏深入研究。

由農田點污染控制向區(qū)域農田氮磷淋失風險分區(qū)控制及其相關氮磷消減政策法案的結合治理是當前國際上農田氮磷淋失污染控制的發(fā)展趨勢。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]，還通過劃分硝酸鹽脆弱敏感區(qū)，重點防控農田氮磷淋溶[13]。美國通過農場養(yǎng)分最佳管理措施管理計劃和推廣使用地下瓦管排水技術，減少了氮磷淋溶對水體的污染[14-15]，并且利用流域模型評價區(qū)域氮磷阻控的效果，對最佳養(yǎng)分管理措施(BMPs)進行反饋[16]。

我國北方黑土、潮土和褐土是氮磷淋溶易發(fā)區(qū)，典型厚包氣帶農區(qū)超過50%的淺層地下水中硝酸鹽濃度超過國際標準，深層地下水污染程度也在逐年加劇[17]。然而，由點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，我國啟動了支撐計劃“北方集約化糧田污染綜合防控技術集成與示范”、行業(yè)專項“化肥面源污染農田綜合治理技術方案” “主要農區(qū)農業(yè)面源污染監(jiān)測預警與氮磷投入閾值研究” “環(huán)渤海區(qū)域農田氮素淋失規(guī)律及調控技術研究”等項目，旨在通過優(yōu)化農田氮磷管理，防控農業(yè)面源污染。國家基金委啟動了重點項目“厚包氣帶農田土壤硝酸鹽污染反硝化自修復機理研究”，證明厚包氣帶對氮磷淋溶阻控、截留、消減意義重大。

十三五期間，科技部聯(lián)合農業(yè)農村部啟動了“農業(yè)面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發(fā)”重點專項，“農田氮磷淋溶損失污染與防控機制研究項目(項目編號： 2016YFD0800100)”屬于專項2016年首批啟動的基礎研究項目之一。項目聚焦易產生農田淋溶的黑土、潮土和褐土區(qū)，主要研究內容包括以下4 方面： 1)主要北方農區(qū)農田根層氮磷淋溶時空規(guī)律； 2)根層—深層包氣帶氮磷淋溶機制和主控因子； 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機制和效果； 4)典型農區(qū)氮磷淋溶風險與區(qū)域消減途徑?？傮w思路是以黑土、潮土、褐土農區(qū)農田氮磷淋溶時空規(guī)律為基礎，以包氣帶氮磷淋溶機理為重點，以構建“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，全面開展農田氮磷淋溶損失污染與防控機制研究(圖1)。本文將重點介紹該項目取得的主要研究進展。

1 中國北方農田氮磷淋溶時空規(guī)律

項目以全國農業(yè)面源污染國控監(jiān)測網中北方淋溶監(jiān)測為依托，以北方主要農區(qū)典型種植模式為研究對象，選取代表性區(qū)域農田增設監(jiān)測點位，完善農田氮磷淋溶監(jiān)測方法，搭建具有數(shù)據(jù)收集、處理、分析、展示等功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，構建北方典型農田氮磷淋溶監(jiān)測網和北方農區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測網。

1.1 中國北方農田根層氮磷淋溶監(jiān)測網和時空規(guī)律

針對“中國北方主要農區(qū)農田氮磷淋溶特征與時空規(guī)律”這一科學問題，利用田間原位監(jiān)測和文獻薈萃分析方法，系統(tǒng)分析了中國北方主要農區(qū)285個監(jiān)測點年的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、保護地蔬菜]農田氮磷淋溶特征與時空規(guī)律。研究結果表明： 1)中國北方4 種主要種植模式的平均氮磷素淋溶強度分別為： 保護地蔬菜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關系。種植模式往往決定農田水肥管理措施，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，進而導致淋溶量不同。潮土區(qū)的山東保護地監(jiān)測點水肥投入量較高[年均灌溉量2122 mm、施氮量2508 kg(N)·hm?2]，年均總氮淋溶量達344.8 kg(N)·hm?2，而褐土區(qū)寧夏保護地監(jiān)測點的水肥投入為700 mm、2239 kg(N)·hm?2，年均總氮淋溶量為山東監(jiān)測點的1/2。3)農田氮磷淋溶年際間變化主要受降雨強度的影響，總氮淋溶量與降雨強度呈現(xiàn)正相關線性關系，尤其前一年無淋溶事件發(fā)生背景下，下一年的淋溶量會急劇增加。4)空間尺度上，潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮素淋溶的主要風險區(qū)，值得注意的是一些蔬菜種植面積尤其是保護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險。綜上所述，北方主要農區(qū)農田氮磷淋溶風險以氮為主，但磷的淋溶風險也不容忽視，潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮素淋溶的主要風險區(qū)，蔬菜種植帶來的氮磷淋溶風險遠高于大田作物，但大田作物的種植面積遠大于菜地，其總氮淋溶量也不容忽視[18]。

1.2 中國北方農田地下水硝酸鹽監(jiān)測網和時空規(guī)律

2016—2019年期間，項目組在統(tǒng)一標準的基礎上分別對東北黑土、華北潮土、西北褐土主要農業(yè)種植區(qū)的淺層地下水進行采樣與硝酸鹽測定，結合前人的采樣點數(shù)據(jù)，建立了北方主要農區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測網，監(jiān)測了地下水水位和地下水硝酸鹽含量變化，測定了地下水及補給源中硝酸鹽氮、氧同位素的含量，對地下水硝酸鹽時空變化特征和地下水污染來源進行了分析。結果表明： 北方主要農區(qū)地下水硝酸鹽超標以東北黑土區(qū)最高，硝酸鹽超標率達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)，淺層地下水超標率為19%，華北地下水埋深大，需要關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)氮超標率最低，超標率為15%。隨時間的推移，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率近20年有增長趨勢，華北潮土區(qū)2016年至2018年403 個采樣點地下水超標率為19%，高于1998年12%的地下水硝酸鹽超標率。地下水硝酸鹽主要來源于有機肥和化肥，蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽超標率高于糧食作物種植區(qū)。氮氧同位素分析結果表明北方農業(yè)生產區(qū)的地下水硝酸鹽以人為污染為主，進一步證實了不合理的農業(yè)管理措施已經對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，地下水水質對淋溶響應更強烈，應該進一步研究黑土區(qū)地下水水質對淋溶的響應機制。華北潮土區(qū)和褐土區(qū)厚包氣帶具有明顯氮阻控能力，應該進一步加強厚包氣帶對氮磷淋溶減排機理與途徑研究。

2 我國典型農田“根層—深層包氣帶”氮磷淋溶機制和主控因子

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

2.1 我國典型農田“根層—深層包氣帶”氮磷垂向淋溶機制

依托中國科學院欒城農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站長期施肥定位試驗和12 m 深觀測井，對包氣帶農田土壤氮盈余累積特征和淋失規(guī)律進行了分析，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，有進入下層土壤的風險； 不合理灌溉和強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)氮淋失可用通過減少灌溉量，調整灌溉時間控制，而強降水對包氣帶累積硝態(tài)氮的淋失作用可影響至6 m 以下土層。在中國農業(yè)大學曲周實驗站的試驗表明： 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程受氣候、土壤和農田管理措施的綜合影響，且具有強烈的時空變異。超過高產作物需求的氮素投入導致土壤-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“根層—深層包氣帶”氮磷淋溶的影響

在中國農業(yè)大學曲周實驗站和上莊試驗站，采用亮藍染色法和 WHCNS (soil water heat carbon nitrogen simulator)模型結合，對土壤裂隙和大孔隙的發(fā)育、特征及對水氮運移的影響進行了研究。研究表明： 華北潮土地表裂隙的發(fā)育主要由耕作擾動和灌水(或降雨)后的干濕交替產生，耕層土壤經過耕作、播種等擾動后，造成土壤緊密結構疏松化，單位體積內的孔隙體積增加； 當有一定量的水輸入，土壤團粒在水力作用下再互相吸附和凝聚，擾動疏松增加的空間體積就會形成裂隙，裂隙發(fā)育與土壤水分損失密切相關。冬小麥耕作和灌溉引起的地表裂隙對水氮運移的貢獻不大。雨熱同期的夏玉米季，土壤水分經常處于飽和狀態(tài)，加上降雨導致硝態(tài)氮淋溶出根層進入深層包氣帶。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)先流對夏玉米季根區(qū)硝態(tài)氮淋溶的貢獻率在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其進行去除[20]。裂隙的存在導致了硝態(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)氮的淋失風險。在模擬灌溉模式對硝態(tài)氮淋洗情況的影響時，其差異不明顯； 強降雨的設置同樣增加了硝態(tài)氮的淋失風險，導致硝態(tài)氮的年均淋洗量增加83.61%。裂縫的存在嚴重影響農田作物對肥料的吸收和利用，通過優(yōu)化施肥量、更改灌溉模式以及避免強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WHCNS 模擬的0～100 cm 土層硝態(tài)氮淋洗量結果顯示： 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%； 而強降雨導致硝態(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田水肥管理措施優(yōu)化提供了理論指導[22]。

3 黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機制

項目組以長期定位試驗為研究對象，利用分子生物學方法(定量PCR、高通量測序等)研究典型厚包氣帶農田土壤剖面各層次反硝化微生物群落的結構特征，明確各層次反硝化優(yōu)勢菌群，研究反硝化微生物群落結構及優(yōu)勢反硝化菌群對長期不同施肥水平的響應機制和硝酸鹽污染自修復機制，提出根層截氮保磷和包氣帶脫氮固磷阻控機理。以黑土、潮土和褐土3 個土類為研究對象，基于凍融循環(huán)、地下水消長等特定自然條件，選擇小麥、玉米、蔬菜生產體系，研究了氮磷淋失與水肥響應的關系，探索了控水、控肥和添加生物碳等措施對氮磷淋溶的阻控機制。

3.1 根層截氮保磷和包氣帶脫氮固磷阻控機理

針對根層和包氣帶氮磷淋溶阻控機理這一科學問題，本項目初步探索了根層截氮包氣帶脫氮的淋溶阻控機理。利用深層取樣和生物學方法結合，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，結果表明，表層土壤是微生物進行反硝化的主要場所，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鍵因素[23]。進一步通過室內培養(yǎng)試驗，證實了添加碳源可有效地激活土壤微生物的反硝化活性，對深層土壤微生物的反硝化活性影響更為顯著。同時，添加碳源可改變土壤微生物群落結構，促進土壤反硝化微生物Pseudomonas 和Bacillus 等反硝化功能類群的生長。調控厭氧環(huán)境主要是提高了N2O到N2的轉換率，但在短時間對微生物群落結構影響不顯著。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底層包氣帶土壤微生物反硝化脫氮的影響機制[23]，為“根層截氮包氣帶脫氮”的淋溶阻控機理找到了突破口。此外也開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]，也為技術研發(fā)類項目提供了理論依據(jù)。

與氮淋溶阻控機理不同，項目組在褐土區(qū)長期試驗中發(fā)現(xiàn)： 盡管同樣可以看到產量隨施磷量提高而提高，但當磷肥水平超過較低的閾值后，進一步磷肥投入并不顯著提高作物產量，反而會導致土壤耕層中有效磷隨施磷量增加而出現(xiàn)積累現(xiàn)象。通過進一步分析，可以得到3 個階段的土壤有效磷水平、作物產量/作物吸收量和有效磷三者耦合關系： 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，在氮肥供應充分的條件下即可達到最高產量； 2)環(huán)境低風險-資源低效階段： 該階段土壤有效磷開始增加，但作物產量并不會顯著升高；3)環(huán)境有害-資源無效階段： 該階段土壤有效磷超過了土壤的緩沖容量，土壤磷素開始向底層土壤遷移，同時作物產量不會升高。對土壤全磷、Olsen-P 以及水溶性磷的動態(tài)變化進一步分析，發(fā)現(xiàn)當土壤全磷或者Olsen-P 超過一定閾值時，土壤中水溶磷顯著增加，這意味著磷素淋失風險增加，土、黑壚土、典型褐土的土壤，當土壤Olsen-P 大于45 mg·kg?1時會出現(xiàn)磷素的淋失與遷移，此外還要考慮土壤殘留磷對水質的污染具有滯后效應[25]。

3.2 黑土氮磷淋溶阻控機制

黑土是我國重要的土壤資源，承載了全國50%以上的玉米產量，盡管黑土區(qū)旱地農田氮磷淋溶損失相對較低，但肥料殘留效應致使其潛在淋溶風險增強。項目組綜合分析了環(huán)境因子和農業(yè)管理措施對黑土區(qū)農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，并初步針對玉米農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險與阻控機制，運用田間原位15N 示蹤技術，設常規(guī)壟作(RT)、免耕無秸稈覆蓋和免耕100%秸稈覆蓋(秸稈量為7500 kg·hm?2) 3 個處理，量化了長期免耕秸稈覆蓋措施下氮素在不同形態(tài)氮庫中的轉化特征、淋溶運移規(guī)律和去向，明確了不同耕作措施對氮素積累與淋溶損失的阻控機制，免耕全量秸稈覆蓋處理提高了玉米的產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移的速率[27]。設施黑土菜田由于過量施肥和灌溉導致磷素淋失嚴重，亟待優(yōu)化水肥管理模式以降低設施黑土菜田磷素淋失，項目組依托黑土設施菜田淋溶監(jiān)測試驗，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)水肥處理相比，減少化肥施用量對磷素淋失量和淋失風險無明顯影響，但減少灌溉量能顯著減少磷素淋失量，降低磷素淋失風險，研究結果將為設施黑土菜田磷素淋溶阻控提供技術支撐，為新阻控技術的研發(fā)提供理論指導[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，對建立阻控養(yǎng)分淋溶的措施至關重要，項目組研究發(fā)現(xiàn)凍融交替對養(yǎng)分淋溶的影響機制主要通過土壤物理、化學和生物性質的變化影響可淋溶養(yǎng)分的含量、水分和淋溶通道。根據(jù)凍融對養(yǎng)分淋溶的作用機制，可以通過以下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，通過影響土壤理化性質和微生物群落提高土壤對養(yǎng)分和水分的固持能力；3)種植覆蓋作物，作物生長過程中對養(yǎng)分的吸收利用可減少可淋溶的養(yǎng)分含量和養(yǎng)分向下運移的速度；4)實施免耕秸稈覆蓋的耕作制度，提高生長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，通過對土壤物理、化學、生物多方面變化的調控影響?zhàn)B分的淋溶[29]。

3.3 潮土氮磷淋溶阻控機制

華北平原潮土區(qū)是我國重要的糧食主產區(qū)，過去幾十年來該區(qū)農業(yè)經歷了以高水肥投入為主要特征的集約化進程，相應的氮淋失導致的面源污染不斷加劇。項目組針對華北平原潮土為主要類型的糧田，對過去40 多年間主要研究文獻進行全面分析，并結合試驗，梳理氮肥和水分投入與氮淋失之間的定量關系，比較主要農田管理措施對氮淋失的阻控效果及其機理，以期為我國農業(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)關系比與施氮量的關系更顯著。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，值得重點推廣應用。秸稈還田可以實現(xiàn)包括提高土壤有機物和微生物氮庫、增加無機氮緩沖容量等綜合效益，有利于降低氮淋失風險(<10%)，但免耕的阻控效應較低且呈現(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致該地區(qū)近岸農田或地下水位埋深較淺農田出現(xiàn)地下水波動現(xiàn)象，項目組通過土柱試驗，研究該區(qū)域農田由于地下水位波動導致-N在土壤和地下水運移及淋失風險，研究表明水位上升和下降促進土壤-N 隨著水流運移到下層，增加了地下水-N 污染風險。因此，在地下水位埋深較淺的農業(yè)區(qū)進行氮素污染防控時，不可忽視水位波動對N 運移的影響[31]。

3.4 褐土氮磷淋溶阻控機制

項目通過調研發(fā)現(xiàn)，典型褐土區(qū)關中平原過量施氮的土壤達到83%以上，大量土壤硝態(tài)氮已經遷移到1 m 土層以下，15%的水井地下水硝態(tài)氮含量超過10 mg·L?1(WHO 飲用水標準)。經過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，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]。糧田和菜田試驗研究表明： 與當?shù)爻Ｒ?guī)水肥投入量相比，在保證產量的前提下，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、土壤硝化勢降低或反硝化勢升高有關。此外，需要關注褐土區(qū)糧果復合系統(tǒng)中土壤氮磷淋溶的環(huán)境效應、地下水硝酸鹽污染的溯源等[25]。

4 北方農田區(qū)域氮磷淋溶風險與區(qū)域消減途徑

項目組以北方典型黑土、潮土和褐土區(qū)農田為研究對象，通過建立地下水硝酸鹽監(jiān)測網(東北、華北、西北)，對地下水硝酸鹽時空變化特征和地下水污染來源進行了分析[19]，在構建根層、深層包氣帶和地下水的硝酸鹽監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，將NUFER (NUtrient flows in Food chains，Environment and Resources use)模型與地下水硝酸鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境公報發(fā)布的水質數(shù)據(jù)、分縣農業(yè)統(tǒng)計資料和土壤地質信息等數(shù)據(jù)結合，建立了區(qū)域農業(yè)氮磷管理和評估體系，在縣域尺度定量了我國農牧系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分環(huán)境排放量，并對典型農區(qū)的氮磷淋溶風險進行分區(qū)，提出了差異化的區(qū)域消減途徑，并以白洋淀流域為案例進行了重點研究。

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

由農田污染控制轉向區(qū)域氮磷淋失風險分區(qū)及其相關區(qū)域氮磷淋溶消減是國際上氮磷淋失污染控制的研究熱點。項目基于水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、文獻數(shù)據(jù)、自然條件的空間數(shù)據(jù)和養(yǎng)分流動模型(NUFER)模擬結果，劃分了我國養(yǎng)分管理脆弱區(qū)[34]，以此為依據(jù)提出了我國不同農業(yè)生態(tài)區(qū)的氮磷淋溶區(qū)域削減草案和技術列單，并利用模型情景分析的方法評價了氮磷環(huán)境排放的削減效果[35]。結果表明： 養(yǎng)分管理脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)覆蓋了全國耕地面積的52%，廣泛分布于我國主要農產品主產區(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、長江中下游和西南地區(qū)； 氮淋溶強度超過22.6 kg·hm?2的區(qū)域覆蓋耕地面積3.1×107hm2； 通過基于養(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，氮淋溶超標區(qū)內耕地面積減少至1.9×107hm2，削減比例約為40%[36]。項目提出的養(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業(yè)綠色發(fā)展提供科學依據(jù)。

4.2 北方典型流域地下水硝酸鹽分布、來源和消減策略——以白洋淀流域為例

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、農業(yè)和畜牧業(yè)引起的硝酸鹽污染較為普遍，且來源多樣，造成人們對全流域尺度地下水硝酸鹽分布特征及來源仍不清楚。項目組通過總結和分析白洋淀流域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空差異性特征和不同來源氮對地下水硝酸鹽的影響程度。結果表明： 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)過渡帶增加的趨勢，主要與山區(qū)平原過渡帶較為頻繁的人類活動有關。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，而硝酸鹽氮同位素值升高，說明反硝化作用增強。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。針對以上污染特征，建議分別針對上游山區(qū)平原過渡帶、山前平原洪積扇和沖洪積扇高風險區(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，評估上游山區(qū)水文條件變化對地下水水質以及入庫水質風險的影響，明確補給源區(qū)水質變化關鍵控制要素和評估指標，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)，重點采取農業(yè)面源污染防控和消減措施[37]。

5 結論與展望

本項目主要在以下4 方面取得進展： 1)北方主要農區(qū)農田根層氮磷淋溶時空規(guī)律； 2)根層—深層包氣帶氮磷淋溶機制和主控因子； 3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控機制和效果； 4)典型農區(qū)氮磷淋溶風險與區(qū)域消減途徑。主要科學發(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，地下水水質對淋溶響應更強烈，應該進一步研究黑土區(qū)地下水水質對淋溶的響應機制。華北潮土區(qū)和褐土區(qū)厚包氣帶具有明顯氮阻控能力，應進一步加強厚包氣帶對氮磷淋溶減排機理與途徑研究。2)基于長期施肥定位試驗和12 m 深觀測井，對包氣帶農田土壤氮盈余累積特征和淋失規(guī)律進行了研究分析，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方法結合，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，結果表明，表層土壤是微生物進行反硝化的主要場所，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鍵因素；進一步通過室內培養(yǎng)試驗證實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、全國農業(yè)面源污染國控監(jiān)測網、北方農區(qū)地下水硝酸鹽監(jiān)測網和NUFER 模型，項目提出了養(yǎng)分損失脆弱區(qū)區(qū)劃和區(qū)域氮磷污染削減草案，可為農業(yè)綠色發(fā)展和面源污染阻控提供科學依據(jù)。

基于本項目的研究結果和尚未完全解決該領域的科學問題和技術難題，建議十四五期間繼續(xù)開展以下幾方面研究：

1)流域/區(qū)域尺度農業(yè)面源污染綜合防控機理與技術。我國長江流域、黃河流域等區(qū)域生態(tài)條件脆弱、單位土地養(yǎng)分負載高、農業(yè)面源污染嚴重，但是農村源污染及城市和工業(yè)的點源污染等綜合源解析仍需進一步明晰。目前存在的問題是整個流域綜合考慮農村源污染及城市和工業(yè)的點源污染、綜合考慮氮磷以外的農藥及其他污染物的源解析仍需進一步明晰，必須加強監(jiān)測、模型等多種手段的綜合研究。我國主要流域關于氮磷等農業(yè)面源污染源防控的單項技術有所突破，但在多污染因子、多污染源、全流域綜合應用的理論和技術突破及系統(tǒng)集成整合上亟待加強。當前，流域和區(qū)域在多污染因子、多污染源防控的理論和技術上急需突破，在全流域綜合應用系統(tǒng)集成整合上需要新的手段、模式和實踐。

2)基于面源污染防控的綠色循環(huán)農業(yè)與生態(tài)增值機理與技術。我國集約化農業(yè)和畜牧業(yè)迅速發(fā)展導致了農牧分離問題凸顯，污染物排放增加，從而引起水體富營養(yǎng)化、地下水污染和空氣質量下降等環(huán)境問題。畜禽糞便不能有效地作為養(yǎng)分資源還田，同時種植業(yè)又依賴大量的化肥投入來保障糧食安全。因此，近年來農業(yè)和畜牧業(yè)快速發(fā)展加重了我國資源短缺和環(huán)境污染壓力。急需研究綠色循環(huán)農業(yè)與生態(tài)增值機理，研發(fā)適宜的糧-飼-草復合種植技術，提升土地利用效率和改善農區(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，實現(xiàn)有機肥替代化肥和面源污染阻控，集成綠色循環(huán)農業(yè)與生態(tài)增值技術。