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氮(N)是作物生长必不可少的元素之一,其在地球大气圈、水圈和生物圈中的含量是最高的,但是,却是最难被生物体所直接吸收的,随着经济发展,为了缓解日益突出的人口增长与粮食需求之间的矛盾,人们增加了对氮肥的投入。人为氮肥的投入一方面提高了作物的产量,满足了人类对于食物和能源的需求;另一方面,氮肥利用率低,过量的氮肥会通过各种途径流失出农田,造成地表水体富营养化、地下水硝酸盐污染以及大气污染等各种环境问题。因此,研究农田系统中氮的收支平衡过程、防治手段以及影响因素等,针对性提出区域性氮流失防治对策与管理措施,对于提高氮肥利用率,改善周边环境,促进社会经济可持续发展具有重要意义。 太湖流域经济高度发达,对太湖流域典型区域的面源污染影响及排污系数的研究较多,且大多是针对特定氮损失途径(如氨挥发或反硝化等);有关于农田化肥氮去向以及通过不同损失途径的迁移通量以及农田土壤中氮输入、输出平衡关系的研究相对偏少,因而较难全面地同时定量评价化肥氮的农学效应和环境效应。鉴于此,本文选择太湖流域稻-麦轮作农田区作为研究区域,将农田系统中氮循环过程作为研究对象,以定量化农田氮收支平衡为研究主线,多角度、全面地分析了太湖流域稻-麦轮作系统的氮平衡特征,最后结合文献调研与本文已有研究结果,针对太湖流域水体不同氮污染源的贡献进行定量化研究,并对太湖流域农田氮肥管理提出建设性意见。本研究主要的结论如下: (1)太湖流域稻-麦轮作农田内的氮大气干沉降总量变化较为稳定,每年的秋、冬季(11月至次年1月)氮干沉降量较大,平均月干沉降总量为0.20 kgNha-1。不同耕作季内的月干沉降总量并没有显示出显著的差异。NO-3-N和NH+4-N的湿沉降浓度与降雨量显著相关,而当降雨量超过50mm时,雨水的稀释作用加强,氮湿沉降浓度随着降雨量的增加而明显减少。湿沉降中不同形态氮素沉降量变化的差异主要与其产生方式、迁移特性有关。 (2)在太湖流域稻-麦轮作农田,施肥活动带入农田的氮是最主要的氮源,占总输入氮量的84.27±2.73%。生物固氮作用的贡献次之,占总输入氮量的9.38±2.87%。大气沉降所带入的氮素约为固氮作用的一半,占总输入氮量的3.96±1.75%。其余氮源,如灌溉和种子带入的氮量较小,分别占总输入氮量的3.21±0.16%和0.77±0.53%。不同耕作季内氮输入的组成差异并不明显。 (3)农田中氮的径流流失过程受施肥活动和径流量的共同影响,波动较大,降雨过程紧随施肥活动发生,会导致径流中氮的浓度上升。在稻作季,氮径流流失总量在2.6 kg N ha-1到21.8 kg N ha-1之间;有33.4kgNha-1~58.7 kgNha-1的氮在麦作季通过径流过程流出麦田,NO-3-N是麦作季氮素径流流失的主要形态,占麦作季氮径流流失总量的56%到73%。 (4)氮的渗漏流失过程也是造成农田氮流失的主要途径之一。不同耕作季内土壤渗漏液中氮素形态有所差异,稻作季的淹水条件提供的厌氧环境使得反硝化活动剧烈,渗漏液中NO-3-N浓度总体偏低,氮渗漏流失总量在4.97 kgNha-1到9.76 kgNha-1之间。而在麦作季内,土壤渗漏液中氮素主要通过NO-3-N的形式流失的,氮渗漏流失总量在0.53kg N ha-1到10.4 kg N ha-1之间。 (5)太湖流域稻-麦轮作农田内氮的气态损失量也不容忽视。稻作季内,通过氨挥发过程流失的氮量约为76.4 kgN ha-1,通过反硝化流失的氮量约为79.4 kgNha-1,面在麦作季分别为22.6 kgNha-1和50.3kg N ha-1。作物收割是农田氮输出的最主要途径,约有117kg N ha-1(稻作季)和113 kg N ha-1(麦作季)的氮通过作物收割的过程流出实验田。 (6)从太湖流域稻-麦轮作农田氮素平衡状况分析来看,其表现出的主要特征是“高输入-高输出”,平均盈余量为-1 kg N ha-1,超过95%的氮通过各种途径离开农田,而其中48%的氮素随着作物收割作用被带出农田。通过对当前太湖流域水体氮负荷的估算,发现其主要来自于人和畜禽排泄物,所占比例为45.30%,其次为农田氮流失,占比约为38.90%,贡献最小的氮大气干湿沉降,仅占总负荷的15.80%。