我国农业面源污染现状及对策分析非点源污染

我国农业面源污染现状及对策分析非点源污染第1页/共82页一、农业非点源污染的定义及其贡献1.相关概念及定义点源污染（PointSourcePollution）是指集中由排污口排入水体的污染源。又分为固定的点污染源(如工厂、矿山、医院、居民点、废渣堆等)和移动的点污染源(如轮船、汽车、飞机、火车等)。面源污染（DiffuseSource

Pollution），是指溶解和固体的污染物从非特定地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等），从而引起水体有机污染或富营养化或有毒有害等其他形式的污染。又称为非点源污染(Non-point

Source

Pollution)，应该更准确，因为与点源相对的，进入受纳水体的过程是三维，也可以称为体源污染（TridimensionPollution）。线源污染（LinearSourcePollution）,是呈线状分布的污染源。如输油管道、污水沟道以及公路、铁路的交通工具所排放的污染物。第2页/共82页

农业非点源污染（ANPSP）是指从事农业生产活动中的农地或场地的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水或灌溉过程中，通过地表径流、壤中流、排水和地下渗漏，进入水体而形成的污染。非点源污染可以分为城镇和农业非点源污染两大类

城镇非点源污染是指在降水的条件下，雨水和径流冲刷城镇地面，污染通过汇流过程或排水系统的传输，使受纳水体水质污染。特别是在暴雨初期，由于降雨径流将城镇地表的、沉积在下水管网的污染物，在短时间内，突发性冲刷汇入受纳水体，而引起水体污染。

第3页/共82页2.农业非点源污染的主要污染物

氮、磷、农药（有机氯、有机磷）、沉积物、抗生素等…..

污染物具有溶解性：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷）、农药等可溶于水，其主要以水为载体，通过径流、淋溶、下渗和侧渗等途径进入地表水和地下水，从而对水体造成污染。

污染物能被土壤颗粒吸附：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷）、农药等被土壤颗粒物吸附，通过土壤流失随径流迁移至水体，污染水体。通常，土壤对无机磷酸盐吸附能力较强。

部分污染物具有挥发性：氨氮、农药等具有挥发性，可通过挥发进入大气，随后通过干湿沉降进入水体，从而对水体造成污染。第4页/共82页第5页/共82页3.农业非点源污染的特征随机性：非点源污染受降雨以及降雨形成径流或者排水的过程支配，而降雨径流具有随机性，所以由此产生的非点源污染从时空上都具有随机性。广泛性：非点源污染的产生可能是多源区的，只要在含有污染物的地表和地下存在径流产流和汇流过程，就会发生污染。潜伏性：污染物输入后，在降水或灌溉有限时或者土壤固持能力未达到饱和的时，所致非点源污染低，而在发生暴雨径流或随着污染物的增加，非点源污染的贡献就会显著提高。滞后性：污染物的输入与流失或迁移过程之间存在明显的时间。

非线性：非点源污染负荷随着污染物的输入量增加而增加，但在很多情况下两者之间不是线性关系。非点源污染的研究和控制难度大第6页/共82页3.农业非点源污染的特征区域气候特点、降水造成农业非点源污染发生环境条件迥异气候类型南北差异显著，干湿变化东西差别明显第7页/共82页3.农业非点源污染的特征经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大，畜禽养殖多集中在中东部地区种养强度区域分布不均第8页/共82页杨胜天等，2006Sunetal.,2012第9页/共82页EuropeanUnionUSA，2013/waters/ir/http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/wise_wfd.4.农业非点源污染的贡献第10页/共82页4.农业非点源污染的贡献2007年第一次全国污染源普查结果显示，我国农业非点源污染对水体COD、TN、TP的贡献率分别为43.7%、57.2%、67.4%????????第11页/共82页Muelleretal.(2012)Nature490:254-257.全球单位面积氮肥施用量分布我国的非点源污染治理压力大第12页/共82页化肥施用量（Mt/yr）粮食总产量（Mt）化肥施用强度（kg/ha）粮食单产（kg/ha）我国与发达国家的化肥使用与粮食生产对比农业过分依赖化肥投入第13页/共82页国家/地区玉米小麦水稻输入输出利用率输入输出利用率输入输出利用率非洲493178814589583967亚洲（中国除外）115524814850401576241中国2728330290933233610531欧洲172110681871045716110364拉丁美洲191573121064351457053北美洲20914670119594929512141大洋洲2631014738338977147191全球1717954159655018770412010年全球各地玉米、小面、水稻种植的氮肥输入、输出和利用率农业养分利用率低(Wuetal.,2018,PNAS)第14页/共82页分散性种植模式降低化肥利用率（Ju

et

al.,

2016,

Global

Environmental

Change）第15页/共82页化肥氮磷6000万吨/年氮磷排放>2300万吨地下水环境迁移大型水体污染饲料>3.0亿吨/年农业结构性问题（种-养-加分离，循环利用措施缺位）第16页/共82页我国主要畜禽养殖粪便的还田率目前只有50%左右，剩余的可能直接或间接的进入环境。我国主要畜禽粪便资源量和养分含量畜禽养殖粪便循环利用率低第17页/共82页第18页/共82页5.农业非点源污染研究的总体发展趋势

截止2016年，WebofScience核心集关于农业非点源污染的文献共计2478篇上世纪90年代初开始文献数量快速增加截止2016年WebofScience核心集关于农业非点源污染文献数量1991检索数据库：WebofScience核心集检索主题：Agriculturalnon-pointsourcePollution；Agriculturalnon-pointpollution；Agriculturalnon-pointsource;AgriculturalnonpointsourcePollution；Agriculturalnonpointpollution；Agriculturalnonpointsource部分国家和地区农业非点源污染文献数量

在64个国家/地区中，发表论文：

-美国最多，超过总量的50%

-中国，约占总量的20%-加拿大、德国约占总量的10%第19页/共82页5.农业非点源污染研究的总体发展趋势1976年首次发表关于农业非点源污染的文章（2篇）-Nonpointsourcepollutionfromagriculturalrunoff发表于JournaloftheEnvironmentalEngineeringDivision-ASCE-Economictrade-offstolimitnonpointsourcesofagriculturalpollution发表于WaterAirandSoilPollution第20页/共82页发表的主要期刊第21页/共82页发表论文的主要关键词第22页/共82页最高引的5篇论文第23页/共82页5.农业非点源污染研究的总体发展趋势涉及的学科门类第24页/共82页二、农业非点源污染过程及其影响因素1.农地/农场氮磷的收支平衡三种农地/农场的氮磷收支平衡估算方法农场界面（a）、土壤界面（b）、土壤系统（c）氮磷平衡示意图第25页/共82页农场界面的氮磷收支平衡估算方法土壤界面的氮磷收支平衡估算方法土壤系统的氮磷收支平衡估算方法SurplusN=（化肥+饲料+有机肥+幼崽+草垫+生物固氮+大气沉降）-（牛奶/蛋+动物产品+畜禽粪便+饲料用作物）≈∑(△)+∑(losses：反硝化+氨挥发+流失)SurplusP=（化肥+饲料+有机肥+幼崽+草垫+大气沉降）-（牛奶/蛋+动物产品+畜禽粪便+饲料用作物）≈∑(△)+∑(losses：流失)SurplusN=（化肥+有机肥+生物固氮+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水）-（作物吸收）≈∑(△)+∑(losses：反硝化+氨挥发+流失)SurplusP=（化肥+有机肥+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水）-（作物吸收）≈∑(△)+∑(losses：流失)BudgetN=[化肥+有机肥+生物固氮+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水+∑(△)]-(作物吸收+反硝化+氨挥发+流失)≈0BudgetP=[化肥+有机肥+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水+∑(△)]-(作物吸收+流失)≈0第26页/共82页氮磷收支平衡估算的时空尺度效应第27页/共82页MarkA.Sutton&

AlbertBleeker,Nature,2016全球化肥施用及氮损失全球年均化肥（N、P、K）施用情况全球年均氮损失情况第28页/共82页王敬国等，2016

中国农地系统氮收支平衡第29页/共82页中国农地系统磷平衡曹宁等，2009全球农田磷的收支平衡(Sattarietal.,2012)化肥磷有机肥磷输入磷作物收获磷第30页/共82页第31页/共82页Bouwmanetal.,PNAS,2013全球农田氮平衡第32页/共82页SarahE.Hobbieetal.PNAS2017;114:4177-4182Nitrogenandphosphorusbudgetsinurbanwatersheds第33页/共82页流域氮磷收支平衡估算方法—NANI和NAPI大气沉降磷化肥磷施用洗涤剂磷净食物和饲料输入人类消费磷畜禽消费磷作物产品磷畜禽产品磷++++--+++氮氧化物沉降化肥氮施用农田系统固氮净食物和饲料输入人类消费氮畜禽消费氮作物产品氮畜禽产品氮++++--++净人为氮输入(NetAnthropogenicNitrogenInput，NANI)+净人为磷输入(NetAnthropogenicPhosphorusInputs，NAPI)种子种子第34页/共82页全球流域尺度NANI（

Billenetal.,2017）NANI高的流域集中了全球84%的NANI，但面积仅占了43%第35页/共82页Groundwater化肥48%农业生物固氮5%大气沉降39%地下水净食物饲料输入8%河流反硝化作物人类畜禽种子<1%林地木材输出非收获性植物吸收14%反硝化47%(36.4-48.2%agriculturalland+10-35%riversystem)持留25%河流输出13%永安溪流域31年累计NANI(475,750tN)土壤湿地非收获性植物吸收和反硝化61%点源+非点源点源+非点源非点源(Chenetal.,2014;EnvrionSciTechnol;WaterResourRes;Chenetal.,2016,AgrEcosystEnviron)第36页/共82页Groundwater化肥72%非食物性磷输入5%大气沉降4%地下水净食物饲料输入18%河流作物人类畜禽种子<1%林地木材输出非收获性植物吸收1%NAPI

农业土壤持留40%NAPI河流输出5%NAPI永安溪流域31年累计NAPI(59871tP)土壤湿地点源+非点源点源+非点源非点源垃圾和污水处理24%NAPI湿地/底泥/其他景观土壤30%NAPI(Chenetal.,2015;Biogeochemistry;Chenetal.,2016,JHydrol)第37页/共82页全球氮循环过程（Fowleretal.,2013）全球氮的循环第38页/共82页农田生态系统氮循环2.农田氮的循环第39页/共82页氮循环主要过程-硝化过程-反硝化过程-固氮作用-矿化过程2.农田氮的循环氮循环主要过程的影响因素-碳源-土壤质地-养分含量-耕作措施-植物、微生物-环境条件-……第40页/共82页2.1硝化过程及其影响因素硝化过程对土壤氮循环过程的影响：降低土壤对N的持留能力，促进农田氮以硝态氮淋失和反硝化损失硝化过程的影响因素1）植物的影响：植物根系可以产生或者释放生物硝化抑制剂从而抑制土壤硝化细菌的活性，进而抑制土壤的硝化作用

无植物大豆土壤铵态氮氧化速率N2O累积释放通量杂交臂形草腐殖生臂形草Gunturetal.,2015第41页/共82页2.1硝化过程及其影响因素2）耕作措施-免耕、少耕降低土壤的硝化过程-未扰动生态系统中TN的硝化率不到10%，而在现代农业生产系统中

超过95%的TN通过硝化-反硝化途径损失-现代农业生产中，将近70%的氮肥通过硝态氮淋失或气态损失（N2O,NO,N2）3）土壤pH-土壤反硝化的最佳pH为6.5-8.8-酸性土壤会降低硝化速率，高pH条件（>8）会降低硝化菌的活性第42页/共82页2.1硝化过程及其影响因素4）土壤温度：土壤温度升高促进硝化速率

当土壤温度高于23ºC时，硝化作用就不受温度的控制不同土壤温度下归一化硝化速率WesternFertilizerHandbook,2012第43页/共82页2.1硝化过程及其影响因素5）土壤湿度：土壤湿度过高或者过低都会抑制硝化作用

超过60%的土壤空隙充水，硝化过程停止（左图）

土壤水分降低，导致土壤溶液中盐分浓度增加，降低硝

化菌的活性（右图）第44页/共82页2.1硝化过程及其影响因素6）生物炭

生物炭的增加能促进土壤潜在硝化速率，但是并不成线性相关

CK：空白对照AP：种植苜蓿AP+1.5B：苜蓿+1.5%生物炭AP+3.0B：苜蓿+3.05%生物炭AP+6.0B：苜蓿+6.0%生物炭（Zhangetal.,2017）第45页/共82页2.2反硝化过程及其影响因素反硝化作用对土壤氮循环过程的影响：将土壤中的硝态氮还原为N2O或N2，离开土壤，使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少，消除因硝酸积累对生物的毒害作用，使氮元素重新回到大气中。总的反硝化过程的方程式表示2NO3-

+10e-

+12H+

→N2+6H2O,ΔG=−333kJ/mol包括以下四个还原反应硝酸盐（NO3-）还原为亚硝酸盐（NO2-）2NO3-+4H+

+4e-

→2NO2-+2H2O亚硝酸盐（NO2-）还原为一氧化氮（NO）2NO2-+4H+

+2e-

→2NO+2H2O一氧化氮（NO）还原为一氧化二氮（N2O）2NO+2H+

+2e-

→N2O+H2O一氧化二氮（N2O）还原为氮气（N2）N2O+2H+

+2e-

→N2

+H2O第46页/共82页2.2反硝化过程及其影响因素反硝化作用的影响因素1）碳源土壤中碳源含量（特别是可溶性有机碳含量）会制约着异养反硝化作用过程。因为反硝化细菌大多为异养细菌，C/N比提高，要消耗部分NO3-作为氮源，作为（反硝化作用）电子受体的NO3-相对减少，因此还原产生的N2O量降低。

第47页/共82页Cayuelaetal.,2013添加不同类型的生物炭后土壤N2O排放量的变化第48页/共82页2.2反硝化过程及其影响因素土壤粘粒含量越高，通气条件越差，氧气含量越低，有利于反硝化砂砾沙土壤土砂砾沙土壤土Xiongetal.,2015土壤质地和反硝化的关系壤土的反硝化作用是沙土和砂砾的3.29倍和12.84倍土壤通气条件及水分含量对反硝化的影响2）土壤理化性状第49页/共82页2.2反硝化过程及其影响因素土壤紧实度及厌氧条件对反硝化的影响（Lietal.,2014）

土壤越紧实，反硝化作用越强烈

-压实土壤释放的N2O中有96%来自反硝化

-未压实土壤释放的N2O中只有36%来自反硝化-压实土壤的反硝化速率约为未压实土壤的700倍

厌氧环境促进反硝化第50页/共82页2.2反硝化过程及其影响因素反硝化作用的影响因素3）地形特征

土壤反硝化作用与离河距离、海拔、坡度等形成特征成反比，其中与海拔的负相关关系达到1%的显著性水平反硝化参数离河距离海拔坡度

未修正反硝化作用−0.21−0.54**−0.26反硝化潜力−0.19−0.51**−0.24Xiongetal.,2015第51页/共82页全球玉米、水稻和小麦生产系统中收获物中50年（1961-2010年）氮来源的总量(Tg)（Ladha&Chakraborty,2016）2.3固氮作用及其影响因素固氮作用对土壤氮循环过程的影响：将大气中的氮气还原成氨，增加土壤中的氮含量。固氮作用分自生固氮、共生固氮、联合固氮三种。第52页/共82页2.3固氮作用及其影响因素2010年全球固氮情况（Fowleretal.,2013）第53页/共82页2.3固氮作用及其影响因素第54页/共82页徐鹏霞等，2017不同生态系统生物固氮率估算2.3固氮作用及其影响因素第55页/共82页2.3固氮作用及其影响因素固氮作用的影响因素1）土壤氮磷的含量

土壤低硝态氮含量（1mM），增加P，提高豆科作物的根瘤形成和固氮作用；土壤高硝态氮含量（10mM），增加P，不能促进豆科作物的根瘤形成和固氮作用硝态氮含量与根瘤生长硝态氮含量与根瘤数量硝态氮含量与根瘤大小第56页/共82页2.3固氮作用及其影响因素固氮作用的影响因素1）土壤氮的含量

土壤硝态氮含量和生物固氮量成反比土壤铵态氮含量和生物固氮量成正比硝态氮含量与生物固氮量宋勇生等，2011铵态氮含量与生物固氮量宋勇生等，2011第57页/共82页固氮作用的影响因素2）土壤生物炭含量

生物炭可以显著提高豆类苗，根和根瘤的生物量。当增加15tha-1生物炭后，豆类的根瘤生物量平均增加3757%，固氮平均增加2626%

Güereñaetal.,2015第58页/共82页固氮作用的影响因素3）固氮菌

固氮菌促进非豆科作物的固氮

Santietal.,2013第59页/共82页固氮作用的影响因素4）固氮酶固氮酶能够将氮分子还原成氨的酶，由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和钼，称为钼铁蛋白

常温常压下高效的将N2转化为NH3，起催化作用

第60页/共82页固氮作用的影响因素5）土壤容重和pH土壤容重和生物固氮量成反比

土壤pH和生物固氮量成正比

土壤容重与生物固氮量宋勇生等，2011pH与生物固氮量宋勇生等，2011第61页/共82页2.4矿化过程及其影响因素影响因素

1）施肥方式

长期使用氮肥和有机肥可以提高氮矿化势，有研究表明，经过长期培肥和轮作，氮矿化势均有不同程度的增加，且有机肥的作用大于化肥2）耕作措施

免耕、少耕等耕作方式降低土壤有机氮矿化。常规耕作免耕常规耕作和免耕农田的矿物态氮含量（Lietal.,2015）第62页/共82页2.4矿化过程及其影响因素影响因素3)土壤质地

在相通外界条件下，砂土的氮矿化速率高于壤土和粘土，土壤团聚体越小，稳定性越弱，起有机质越容易被微生物所降解4）土壤pHpH升高，硝化作用增强，进而促进了有机氮的矿化5）湿度

氮矿化随着土壤水分的增加而增加，当土壤水分增加到一定值时，氮矿化迅速下降，且水分波动能增加氮矿化

土壤水势在-1.50~0.03MPa时，氮矿化与土壤湿度呈线性相关，氮矿化的最佳水分含量在-0.50-0.03MPa第63页/共82页6）土壤温度和质地粘壤土粘壤土砂壤土砂壤土Robertsetal.,2017第64页/共82页2.4矿化过程及其影响因素周吉利，2015第65页/共82页农田生态系统磷循环3.农田磷的循环第66页/共82页磷循环主要过程

-矿化作用

-固持作用

-吸附作用

-解吸作用3.农田磷的循环磷循环主要过程的影响因素-土壤微生物、酶活性-土壤质地、理化性状-养分含量-耕作措施-环境条件-……第67页/共82页3.1磷的矿化作用及影响因素土壤中有机磷经过物理、化学等过程转变成可以被植物吸收利用的有效态磷的过程就是有机磷的矿化。矿化是分解过程的一部分，主要取决于土壤微生物活性。

有机磷矿化公式为：

Pmin为有机磷矿化量，mg/（kga）；Cmin为有机碳年矿化速率，%；P为总有机磷，mg/kg。

总矿化包括净矿化和微生物固定

有机磷矿化量=微生物净矿化+土壤有机物中有机磷矿化量（灭菌的土壤或者微生物可以忽略的土壤）

微生物净矿化=有机磷总矿化量-磷总固定量=减少的微生物磷量在灭菌的土壤或者土壤微生物可以忽略的土壤中有机磷总矿化=土壤有机物质中有机磷的减少=总有机磷的减少=无机磷的增加量(无微生物活动)。Pmin=（Cmin×P）/100第68页/共82页3.1磷的矿化作用及影响因素影响因素1)土壤微生物①微生物固定土壤中有机磷②微生物死亡后其残体释放到土壤中的有机磷

③微生物的代谢产物能够分解和催化有机磷的转化Richardson&Simpson,2011第69页/共82页影响因素2)土壤酶活性

-土壤酶是有机磷矿化过程中的重要催化剂，主要来源于植物根系和微生物代谢物，以及由其他动植物残体分解过程中产生；

-土壤有机磷的矿化速率与磷酸酶活性呈正相关，其活性高低直接影响土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性，而在磷酸酶缺乏的情况下，有机磷的矿化需要几百年；

-土壤中存在多种酶，其混合在一起活性比单独存在要高。

3.1磷的矿化作用及影响因素第70页/共82页影响因素3)土壤理化性状①土壤温度-土温升高，土壤有机磷矿化速率加快，当温度高于30℃时，矿化迅速，低于30℃时，矿化较慢；

-土温低于30℃时，微生物的活动对土壤有机磷的矿化起决定性作用，酶的活性起次要作用，当温度高于30℃，酶的活性开始增强，微生物活动也增强，在微生物和酶共同作用下，矿化速率增高；

-净矿化和温度之间没有相关性，这是因温度提高刺激着养分总矿化量的增加，既引起微生物对养分的固定也使养分重新回到无机状态。3.1磷的矿化作用及影响因素第71页/共82页影响因素3)土壤理化性状

②土壤湿度

-有研究表明土壤在淹水或水分含量高的状态下矿化作用大；

-也有研究表明在干燥条件下矿化速率大，这是由于湿润的土壤里含有铁和铝较多，能将有机磷吸附在其表面，使有机磷积累在一起，而干燥土壤里有机磷化学组成发生了改变，有机磷的溶解增强；

-土壤干湿交替也有利于有机磷矿化，干湿交替破坏了土壤水稳性团聚体，干燥造成稳定有机物质和细胞的分解，有机磷溶解性增加。3.1磷的矿化作用及影响因素第72页/共82页影响因素3)土壤理化性状③土壤通气

-通气状况主要影响的是微生物活性、土壤氧化还原电位和有机物质分解状况；-土壤通气良好，有利于好氧微生物生理反应过程中对氧的需求，提高微生物活性，有利于核酸磷的矿化；-厌氧情况下，土体处于还原状态，有机磷的矿化速率增加，最有利于肌醇六磷酸盐矿化，核酸磷矿化和固定作用较为活跃。

3.1磷的矿化作用及影响因素第73页/共82页影响因素3)土壤理化性状④土壤pH

-pH影响有机磷的溶解性、微生物群体和酶。

-在土壤pH为5.5~7.0范围内，大部分土壤磷有效性最大，且土壤有机磷的矿化速率随pH的增加而增加；

-在低分子量有机酸对有机磷的活化研究试验中发现，相同浓度的低分子量有机酸其H+浓度越高，即酸性越强越有利于有机磷的活化，施用石灰也不一定能促进有机磷的矿化，其原因可能是在pH较低的环境下，Al3+和Fe3+会与磷酸盐结合从而阻止酶水解作用，此时微生物活动减弱甚至失活。3.1磷的矿化作用及影响因素第74页/共82页影响因素3)土壤理化性状⑤土壤C/P和磷含量

-一般来说，有机碳的含量高，有机磷矿化速率就大；

-从长时间看，有机碳含量高的土壤其有机碳主要为微生物提供碳源和能量，增强了微生物活性，从而增大有机磷矿化速率，而短时间内有机碳对有机磷起到保护作用，减小有机磷的矿化速率；

-磷含量＜0.2%，净生物固定作用为主，＞0.3%时，净矿化作用为主；

-通过C/P可以判断有机磷是矿化还是固定-当加入土壤中植物残体的C/P小于200时，植物残体磷进行净矿化，C/P在200-300之间，植物残体磷既不矿化也不固定；当C/P大于300时，植物残体磷进行净生物固定，C/P为550时是影响磷净矿化量的一个关键因素;有机磷的矿化速率也与C/P及有机磷含量之间显著相关。3.1磷的矿化作用及影响因素第75页/共82页3.1磷的矿化作用及影响因素TreatmentTime(d)CumulativegrossPmineralization(mgPkg−1)DailygrossPmineralization(mgPkg−1

d−1)DailynetPmineralization(mgPkg−1

d−1)NK148

±

1