【毕业学位论文】（Word原稿）黄浦江上游水源保护区不同农田种植 模式的环境效应研究硕士论文

密级 论文编号 中国农业科学院 学位论文 黄浦江上游水源保护区不同农田种植 模式的环境效应研究 o. N I 中文摘要 近 年来，随着种植业结构调整力度的逐渐加大，我国农田种植模式有了很大的变化，而不同农田种植模式的施肥情况及养分平衡状况具有很大的差异，因此深入研究不同作物及不同种植模式的养分吸收规律、养分平衡状况及其环境效应对于指导农业生产、减少农业环境污染具有重要意义。本文通过对上海黄浦江上游水源保护区 35 个地块、 37 种种植作物的周年监测，对试区主要作物的养分吸收规律及主要种植模式的养分平衡状况进行了系统的研究，并综合降雨、气温、作物覆盖、养分盈余等多种因素对不同作物及不同轮作方式的环境效应进行了初步评价。主要研究结果如下： 在各茬作物的主要生育期取样，对茄果类、瓜类、豆类、叶菜类、苗木及其它几种常见作物 N、 P、 K 吸收特性进行了系统的研究，得出 20 种常见作物的养分吸收特性。 通过对黄浦江上游水源保护区 23 种蔬菜水果可食部位硝酸盐含量的分析得出：不同种类蔬菜可食部位硝酸盐含量差异很大，其高低顺序为非结球叶菜类 根茎类 葱蒜类 结球叶菜类 花菜类 豆类 茄果类 瓜果类 薯芋类；适当晚收可以降低蔬菜硝酸盐含量；随着氮肥施用量的增加，蔬菜可食部位硝酸盐含量升高。 不同种植模式对土壤速效养分含量具有明显的影响， 0壤 积在主要种植模式中的排列顺序为：菜地（ 果园 苗圃 粮田（ 与 0壤 含量顺序基本相同。不同土壤剖面 N、 P、 K 含量具有很大的差异，土壤中全氮、全磷、有机质、 N、 量随土层深度的增加而下降，而速效钾含量随土层深度的增加略微上升。 不同种植模式养分平衡状况表现为：大田作物 N 盈余 缺 2O 亏缺 菜作物 N 盈余 余 缺 66.1 果树的 N、 P、 K 均有盈余，分别为 木 N、 P、 K 稍有盈余，但其 N、 P 的盈余量比蔬菜、果树等经济作物小的多。 从轮作周年来看，不同轮作方式养分平衡状况差异很大。大田作物之间轮作呈现 N 盈余、P 稍有盈余或基本平衡， K 亏缺较严重的状况。蔬菜作物之间周年轮作平衡状况差异很大。 在本试验条件下，综合降 雨、气温、作物覆盖、 N、 P 总盈余、 N、 P 天盈余等各种因素，对试区不同作物及不同种植模式的环境效应进行综合评价，并对试区每种监测作物及每种轮作方式的环境污染风险进行等级，将监测作物的环境污染风险分为 4 个等级，轮作的环境污染风险分为 3 个等级。综合对经济效益的分析，我们给出如下种植作物推荐，草皮、雪菜、香樟、含笑等可以在一级水源保护区内种植，毛豆、水稻、土豆、番茄、黄杨、丁香、豇豆等可以在准水源保护区内适量种植。 关键词：种植模式，养分吸收，蔬菜硝酸盐，土壤养分，环境效应 n of in of in a In to of in 5 of 7 of in of of of as in in ,P,K of of of of in of is of in of of on ,P of ,P,K in N ,N, AP to of in K to of of of is as N 8.9 P(81.1 N,P(K(N, P(K( (is in a in N P or K in of of of in is as so so 录 中文摘要 . 录 . 一章 绪论 . 1 研究背景 . 1 . 1 况 . 1 国内外研究概况 . 2 . 2 . 3 . 6 . 8 . 9 . 9 . 10 第二章 试验材料与方法 . 11 . 11 . 11 . 12 . 12 . 12 . 14 备及保存 . 16 . 16 . 16 . 16 . 17 . 17 . 17 . 17 . 18 第三章 黄浦江上 游水源保护区常见作物养分吸收特性研究 . 19 . 19 . 19 . 23 . 26 . 28 . 31 耗量 . 34 . 35 . 35 . 36 . 37 . 38 . 40 第四章 黄浦江上游水源保护区常见蔬菜硝酸盐污染状 况分析 . 41 . 41 . 41 . 42 的差异 . 43 . 43 . 44 . 44 . 44 . 45 . 45 第五章 不同农田种植模式土壤剖面氮磷钾分布特征分 析 . 46 . 46 状况 . 46 N 与 分布状况 . 46 . 50 V . 50 布特征分析 . 50 影响 . 51 . 52 . 52 . 52 . 53 . 53 第六章 不同农田种植模式养分平衡及环境效应初析 . 55 . 55 . 55 . 55 . 57 . 57 . 59 . 59 . 60 . 61 . 62 . 64 . 64 . 66 . 68 . 69 第七章 结论与展望 . 70 . 70 . 72 参考文献 . 73 致谢 . 79 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 研究背景 自从化肥问世以来，农业生产得到了飞速发展。本世纪世界粮食产量增加的一半以上来自于施用化学肥料（ 1994）。但肥料的不合理施用同时也带来了一系列的负面效应，目前出现的水体富营养化、地下水硝酸盐含量超标及土壤生产能力下降等与肥料施用 不当及配比不平衡有密切的关系（周健民， 2000）。随着农业的迅速发展，不合理的田间水肥管理对资源和生态环境产生的负面效应已受到世界各国的关注（ 1993；王家玉等， 1996）。大量调查、研究结果表明，在农业生产中长期大量、不合理的使用化肥使生态系统遭到破坏，农田 N、 谦， 1996）。 近年来，随着市场经济的发展，种植业调整力度逐渐加大，我国农田利用方式有了很大的变化。 1980 到 1997 年间经济作物面积逐渐增大。其中瓜菜类播种面积增加 ，果树增加了 ， 而同期粮食的播种面积由 降到 下降了约 10 个百分点（中国农业统计年鉴， 1998）。目前我国不同种植模式的肥料用量、肥料利用率及养分盈余状况显著不同，前人研究表明粮食作物单位面积施肥量往往比经济作物低，对我国吉林、山东、陕西、四川、湖北、广西、江苏等 7 个省、自治区的调查结果表明， 1996 年在粮食作物上的化肥用量为 济作物为 济作物的化肥用量要高出粮食作物 李家康等， 2000）。大量的农田养分通过各种途径损失而进入环境，这不仅造成重大的经 济损失，而且还给环境带来了巨大的压力。毫无疑问，种植结构调整是农民增收的主要途径，但是我国在进行种植结构调整时更多考虑的是由此带来的经济效应，而忽视了其可能带来的环境问题。因此，兼顾不同种植模式的农业环境效益和经济效益是目前亟待解决的问题。 上海郊区农业作为依托于现代化大城市的一类特殊的农业，近年来其种植业结构调整力度越来越大（上海统计年鉴， 2002），粮食油料面积逐年下降，蔬菜、苗木等经济作物所占的比重逐年上升。 2001 年与 1998 年相比，种植业用 地中农业用地的比重由 85%下降到 79%。林地、园地由 5%上升到 10%。全市粮经作物的播种面积比由 6 4 调整为 4 6。夏粮播种面积由 134千公顷减为 45 千公顷，水稻面积由 200 千公顷减少为 公顷，西甜瓜面积由 14 千公顷增加到 公顷。 1978 年上海的粮食作物播种面积占总播种面积的 64%， 而到 2000 年粮食作物的播种面积仅占 50%。有关部门规划未来的上海农业形态将逐渐分化为三大类型，一类是以经济功能为主、体现实力和水平的不同投入水准的设施化农业生产基地，第二类是以生态、休闲功能为主兼有经济功能的 林果、花草基地等，第三类是一般农业用地。大约在 10 15 年时中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 - 2 - 间内，这三类农业用地会逐渐形成各占 1/3 的格局（卞关涛， 2001） 黄浦江是上海的母亲河，全市 80%以上的生活用水来自黄浦江。为了保护黄浦江上游水源，保障全市人民健康和经济发展，上海市政府根据相关法规制定的上海黄浦江上游一定距离的环境保护区域，称为黄浦江上游水源保护区（包括一级水源保护区、水源保护区及准水源保护区三部分）。鉴于黄浦江上游水源保护区在上海的重要地位，应当使水源保护区内种植结构调整向环境友好的方向倾斜。但是，上海“十五计划”仅仅从植结构 调整带来的经济效益出发，将上海郊区的农业种植结构按片划分，基本上没有考虑到不同种植模式的环境效应，也没有考虑到种植业结构调整可能到来的环境问题。因此，深入的了解水源保护区不同作物的养分吸收特性及不同农田种植模式的环境效应是目前保护黄浦江水源的当务之急。 国内外研究概况 农田生态系统是一个养分大量输入输出的系统，养分通过不同途径进入农田生态系统，再经过相互转化和移动后，又不同程度地离开这一系统，构成农田生态系统中的养分循环。养分平衡的本质就是养分被作物消耗 （生物退化过程）和施肥投入（养分重建过程）之间的平衡（鲁如坤， 2000）。农田养分的发展趋向（退化和重建）从根本上说决定于农田养分的平衡状况（鲁如坤， 1996）。 农田生态系统的养分循环包括养分收入、养分支出、养分再循环和系统内部养分流动 4 个基本环节。养分再循环是衡量系统稳定水平的重要指标之一，种植业中返回的有机肥形态以农作物秸秆为主。系统内部养分流动是指农业生态系统中各亚系统间和亚系统内部养分的流动（黄绍文， 2001）。随着农业生产的发展，人为因素在农业生态系统中所起的控制作用越来越明显，在这种农业生态系 统中，养分循环是建立持续农业的物质基础。化学肥料的大量投入，在促进农业迅速发展的同时，造成了化肥的巨大浪费，也引起了一系列的环境和社会问题。因此，农业的环境不能只靠化肥和能量的投入，还必须研究养分的循环和平衡，使循环向有利于人类需要的方向发展。 农田养分平衡的计算方法自 20 世纪 50 年代已开始应用于了解农田养分，尤其是农田 N 素的利用状况，并用于与之有关的环境效应的研究。现在已被作为一种常规的方法广泛应用于评价农田生产对生态及环境的影响。 目前研究农田养分收支平衡的方法很多。鲁如坤等（ 1996）根据土壤肥力状况 ，作物对养分的反应等提出了利用养分允许平衡盈亏率（ B%）对农田养分平衡状况进行评价的方法和原则。养分允许平衡盈亏率是指在当地条件下养分平衡计算所得结果虽有亏缺或盈余也是允许的，这意味着养分亏缺时并不会影响作物的产量，盈余时也不致造成养分浪费。它的定义是： B%=(1E 100% 式中， B%某养分允许平衡盈亏率； E某养分肥料利用率，用相对值表示。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 - 3 - 壤养分自然供给力或称土壤养分贡献率，它的定义是： 100% D某养分平均相对增产率，用相对产量表示。 现 在，通常以系统养分的总输入量与总输出量之差（ 示养分亏盈量，养分的总输入量与总输出量之比（ I/O）表示养分亏盈程度，其盈余程度越大，表明对环境的污染风险越大（秦祖平， 1989）。一般当农田 N 素平衡盈余超过 20%可能引起 N 素对环境的潜在威胁（鲁如坤，2000）。养分的总输入可以大于、等于或小于总输出，因而出现不同程度的平衡状况，影响土壤养分水平的发展趋向（李忠佩等， 1998），从而对环境造成不同程度的污染。 国外在农田土壤养分平 衡方面进行过相当数量的研究 （ 1981； 1981；1981； 1995； 1996； 1996）。 20 世纪七八十年代，发达国家 N、 P、 K 养分整体呈现盈余状况；但到八十年代末，氮肥稍有盈余，磷肥尤其是钾肥呈现亏缺状态。而发展中国家养分平衡状况的变化趋势与之完全不同，现在 N、 P 盈余，而 K 素亏缺，表现出严重的收支不平衡的状况（ 2000；林葆等， 1989；鲁如坤等， 2000）。 农田养分输入输出的主要途径可以用如下公式表示： 输入方 =施肥 +土壤供肥 +生物 固 定 +干湿沉降 +灌水补给 +作物归还 +种苗； 输出方 =作物吸收 +土壤固定 +侵蚀径流 +淋洗 渗漏 +气态损失。 （江苏太湖地区农田生态协作研究组， 1983；傅庆林等， 1994）。 总结前人的研究成果，养分输入输出各途径每年向农田贡献分别如下（ ， 1978； 2000； 1986）： 施肥： 目前施肥是农田养分输入的主要途径，也相对易于得到较为准确的数据。 2001 年全世界单位耕地面积化肥用量为 欧洲为 国 为 中国为 高于世界平均水平，也高于发达国家水平（中国农业统计年鉴， 2002）。 降雨及灌溉 ：雨水及灌溉带入的养分较少，且养分含量随地区及时间的不同有一定的差异，英国的 地降雨对 N 素的输入量为每年 1976）。总结前人的研究结果，我国每年通过雨水带入的 N、 P、 K 的量分别为： N： P： ： 溉水带入的 N、 P、 K 的量分别为： N： P： K： 经荣等， 1994；鲁如坤等， 1996；刘元昌， 1984；罗良国等，1999） 其它： 生物固氮是豆科作物重要的有机氮源，可以用豆科作物吸收总 N 量的 60%作为其生物固氮量（ 1993）。在国内，对不同作物的固氮量曾有过一些估计，一般豆科作物的年固氮量为 60秆还田也是养分输入的重要途径 （鲁如坤， 1996； 刘荣乐，2000； 陈国平， 1994） 。另外，作物的根茬或落叶、落花或种苗带入等也可以向土壤归还一部分养分。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 - 4 - 收获物带出： 是养分输出的主要形式，收获物带出的养分量与农田种植作物及作物各部位养分含量有密切的关系，关于不同作物及作物各部位养分的含量前人已经作了一部分研究，但是前人的研究大 部分集中在粮食作物中，对于蔬菜、瓜果类作物只是作为大类来研究，各种大类内部具体作物研究的很少，并且所收集到的数据大都来自 80 年代的文献，对近年来高度集约化种植及管理情况下各作物不同部位的养分含量及其养分吸收特性没有系统的研究。现将前人研究的部分结果总结为表 元昌， 1984；赵强基， 1982； 叶厚专等， 1999）： 表 出了部分国外农作物各部位养分含量。 另外，作物养分吸收特性受品种特性、生产栽培措施、气候特点以及生长季节等多种参数的影响，不同作物及不同品种养分吸收规律明显不同。 作物 位 2 5 2 作物 位 2 5 2 % % 水稻 谷粒 类 果实（鲜） 稻 秸秆 生 荚果