090.农田氮素向水体的流失特征概述及其防控措施

2.3 氮素流失量 因受地形地貌、土地利用、农田管理措施等多种因素的影响，报道中的氮素流失量差别很大。 不同国家之间，氮流失量有较大差异（表 1）。整体而言，世界各国氮素损失量均表现为随施氮量 增加而显著增加。中国设施蔬菜地过量施肥现象极为普遍，由此造成的氮流失问题尤为严重，氮 流失量高达 152-347 kg/hm2 [31]。中国粮田与菜地相比氮流失较少，但流失量也随施氮量的增加而 增加。跟中国相比，英、美、法、新西兰等发达国家农田氮流失量整体相对较少，可能与这些国 家较早地关注农业面源污染，并积极采取了防控措施有关，尤其是颁布的限制农田氮素施用的法 令，在减少氮流失方面效果显著。
诸多防控措施研究中，探索合理施氮量一直是农学领域科学研究的重点，测土配方施肥、“区 域平均适宜施氮量”等施氮方案也都是基于作物产量和氮肥高效利用提出的，并未直接关注氮素 对环境尤其是水环境的影响，农业部面源污染控制重点实验室一直从事面源污染控制研究，并从 水环境保护的角度提出了确定基于水体保护的施氮阈值的思路。
162(2): 145-73. [4] HOWARTH R W. An assessment of human influences on fluxes of nitrogen from the terrestrial landscape to the
表 2 世界典型国家、地区农田氮损失量
地区 中国
土壤类型 种植模式 施氮量（kg/hm2） 流失量（kg/hm2） 文献
水稻土 水稻-小麦
0 180+135 255+191
13.7
25.6ห้องสมุดไป่ตู้[27]
36.3
330+245
48.1
190+170
154
207+154
152
砂质粉土 设施蔬菜
300+166 328+186 391+240 504+185
2 氮素向水体的迁移
2.1 氮素流失 农田氮素除去被作物吸收利用部分，一部分残留于土壤或通过表观硝化-反硝化和氨挥发以气 体形式损失[17]，一部分通过径流或淋溶迁移出土壤进入水体，成为水体富营养化的主要成分[3, 18]。 农田中施用的化肥氮一部分以化合物(硝态氮、铵态氮)的形式，随着地表径流及水分扰动产生的 悬浮土壤颗粒迁移流失[19]，一部分溶解态氮素通过淋溶垂直向下迁移出根区[16]。氮素迁移过程中， 还伴随着其他的氮形态转化过程，如土壤固定、作物吸收、铵挥发、硝化和反硝化等。
-3-
等管理措施是导致氮素流失量变化的直接原因。 降雨是产生氮流失的先决条件，雨强、时长等直接决定了径流或淋溶量的大小。氮素流失主
要发生在降雨或灌溉集中的季节，强降雨和大水漫灌会为氮素迁移提供便利条件[20, 21]。地形影响 地表水热条件的重新分配，尤其坡度能直接支配地表径流，是影响土壤氮素流失最重要的地形因 素。当坡度较小时，氮主要通过随水向下渗透而淋失，随径流流失量较少；当坡度较大时，表层 土壤易遭到侵蚀，氮主要通过随地表水流动迁移而发生径流流失，向下淋失较少。在一定范围内， 坡度越大，氮素随水土流失越严重[22]。此外，氮素流失量与坡度的关系还受植被覆盖、坡长、径 流时间等多种因素影响[23, 24]。
2.2 流失影响因素 氮素在土壤中的残留和累积是其流失的前提和物质基础。进入农田的水分携带或溶解土壤氮 向不同方向运移，最终将其带出农田或根区从而导致氮素流失。影响农田氮素流失发生的因素很 多[20]，农田固有的特点如地形地貌、土壤质地等影响氮素的本底流失，而种植模式、施肥、灌溉
第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集
表 3 氮素流失防控措施
类别
措施
流失降低比例
文献
优化种植结构
豆科作物间作
82%
[37]
农田合理管理
优化施氮 保护耕作
薄膜覆盖、垄背施肥 免耕、起垄耕作、留茬耕作
15%-36%
[38]
16%-69%
[39]
节水灌溉
多次少量、按需灌溉
15%-92%
[17]
迁移过程控制
缓冲带
植被缓冲带
50%
[40]
第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集
第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集
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农田氮素向水体的流失特征概述及其防控措施
张亦涛 1 刘 剑 1,2 王洪媛 1 刘宏斌 1 （1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部面源污染控制重点实验室,北京 100081；2 美国宾夕法尼亚州立大学/农业部牧场系统与流域管理实验室,宾夕法尼亚,16802）
0 120 120
199
261
8
12
24
[32]
43
58
4-45 [33]
17-87
5-52 [34]
11-107
8-36 [35]
8-77
14-102
[36]
9.6-14.4 [16]
9.6-14.4
3 氮素流失防控
鉴于农田氮素流失是目前诸多水体水质恶化的主要原因，通过平衡农田氮素投入与支出，减 少土壤氮素盈余，提高氮素利用率是减少氮素面源污染的有效途径。优化农艺管理措施，在源头 上避免土壤扰动，减少农田尾水排放，可显著减少氮素流失；在氮素出田至进入水体迁移过程中， 利用人工湿地、缓冲带等工程措施，可以进一步减少进入水体的氮量。研究表明，合理的农田管 理措施如优化施肥和种植结构、保护耕地、节水灌溉等可减少 15%-82%的氮素流失，而缓冲带、 人工湿地、径流拦截等迁移过程控制措施可减少 50%-77%的氮素损失（表 3）。
[M]//SPARKS D L. Advances in Agronomy, Vol 101. 2009: 123-81. [3] CAMERON K C, DI H J, MOIR J L. Nitrogen losses from the soil/plant system: a review [J]. Ann Appl Biol, 2013,
摘 要：农田氮素流失造成了氮肥利用率过低和资源浪费，进入水体后还引起水体富营养化和地下水 硝酸盐超标，进而威胁饮用水安全。本文论述了农田氮施用现状、氮流失影响因素及防控措施效果， 指出氮肥过量施用是导致农田氮向水体大量流失的最主要原因，采取相应措施，如合理施肥、径流拦 截等均可有效降低氮流失，而确定基于水质保护的施氮阈值是根本解决农田氮流失的有效方式，应作 为面源污染防控体系研究的重点。 关键词：氮肥流失，面源污染防控，施氮阈值
-5-
人工湿地 径流拦截
水平流、垂直流湿地 河岸林、缓冲带
77%
[41]
46%
[42]
4 研究展望
农田氮素流失造成的水环境污染问题引起人们的广泛关注，防控技术的开发应用将成为未来 研究的重点。氮在土壤中的累积和活跃的水分运移是决定农田氮流失的两个最主要因素，因此氮 素损失防控措施的制定应主要针对氮源控制和过程削减。确定不同农业生态条件下基于水环境保 护的施氮阈值和合理施氮量，并加强合理施氮技术的研究和推广尤为重要。此外，今后研究还要 综合考虑造成氮流失的多种因素，着眼于多学科交叉，重视氮流失过程中的水动力学特征研究。
土壤质地决定了水分的渗透性[25]，土壤大孔隙是氮素迁移的主要通道，土壤质地越粗、孔隙 越多，淋溶损失越严重；卵石和砂砾土中氮素的流失量较大，而粘质和粉砂质土壤反硝化作用较 强，加之氮淋溶速度很慢，因而淋失量较小[25]。偶尔在粘质土壤中观测到的较大的硝态氮淋失可 能也是由于大孔隙的存在造成的[25]。不同的土地利用方式导致水土和养分流失程度不同，相同土 壤类型下，粮田的氮负荷高于果园和林地，而菜地流失量也明显高于粮田轮作[25]。
表 1 主要粮食作物氮素投入量、作物当季利用率和土壤残留率
国家或地区 作物 施氮量（kg/m2）
氮素利用率（%）
土壤残留率（%） 文献来源
小麦
326
18
中国
玉米
263
16
45.7
[11]
33.9
[12]
美国
玉米
103
37
37
[13, 14]
小麦
117
54
世界
玉米
102
63
15
[8, 15, 16]
15
施氮量、氮肥种类、施用时期等都与氮流失量密切相关，施氮量对氮素径流的发生起主导作 用[26]，正常水文年，施氮量的增加会显著增加径流水中氮含量[27]。施用适当有机肥处理氮流失量 比化肥处理显著降低，缓控释肥可以控制氮素释放，提高氮素利用率，进一步降低氮素流失风险 [28]。氮素流失多发生在多雨季节，施肥时间与产流时间越近，径流硝态氮浓度越高，避开雨期施 肥可显著降低氮素流失量[29]，此外，水肥耦合也能明显减少氮素流失，优化施肥的同时优化灌溉 更能实现经济和环境效益双赢[30]。
1 氮肥施用
化肥尤其是氮肥为我国粮食持续增产做出了重要贡献（图 1）。全国粮食产量由 1979 年的 3.32 亿吨增加到 2012 年的 5.90 亿吨，单产也从 2237 kg/hm2 增加到 3608 kg/hm2。2012 年，全球化肥 和氮肥消费量分别为 1.70 亿吨和 1.03 亿吨，单位面积用量分别为 87.5 kg/hm2 和 52.9 kg/hm2；我 国化肥和纯氮用量分别为 5839 万吨、2698 万吨，单位面积化肥（357.3 kg/hm2）和氮肥（165.1 kg/hm2）施用量均远高于世界平均用量。全球主要粮食作物（水稻、小麦、玉米）产量 25.5 亿吨， 中国贡献了 5.41 亿吨[7]，由此可见，我国以占世界 26.3%的氮肥消费量生产了世界粮食产量的 21.3%，较低的氮肥利用率，造成了资源浪费和潜在环境风险。
158 [31]
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