1.2.6　农业面源氮磷污染特征研究

1.2.6.1　农田生态系统氮污染效应

氮是大气圈含量最丰富的元素，也是农业和自然陆地生态系统植物光合作用和初级生产力过程最受限制的元素之一（Mooney et al.，1987），农田生态系统氮素循环过程中产生重要的环境污染效应（Vitousek et al.，1997）。农田生态系统氮循环包含生物和非生物过程，主要包括作物含氮，土壤有机氮的矿化、硝化、反硝化、分解、吸附、淋溶、径流等，而这些过程又涉及氮的多种形态和化合物，整个循环具有复杂的途径和转移路线（图1-1）。农田生态系统中氮素平衡的盈亏是决定土壤养分水平消长的直接表现，因此，农田氮平衡被认定是土壤养分水平发展趋向的根本依据（鲁如坤等，1996）。现在农田生态系统氮素输入主要以施肥为主，作物残体还田为辅，并因不同地域与生态类型区有自生固氮和干湿沉降氮向农田生态系统输入数量不等的少量氮素。氮素的输出除作物吸收外，还通过氨挥发、反硝化、淋溶、径流等多种途径进入大气或水体中。

图1-1　农田生态系统氮循环与污染途径

长期不合理施肥导致农田土壤生态环境恶化，资源利用率下降，最终会引发农田生态系统可持续生产力减弱和区域生态环境质量降低等一系列问题（杨林章等，2008）。近20多年来，由于我国农田养分施用不平衡、施用方法不合理，致使我国农田面源污染问题日益严重，很多地区地下水出现了不同程度的硝酸盐污染，河流的富营养化问题也日趋严重，尤其是沿海发达地区。农业面源污染严重影响了土壤、水体和大气的环境质量。Novotny和Chesters（1981）指出农业面源污染是导致水环境恶化的重要原因。Daniel等（1998）也指出，农业面源污染是湖泊和河流污染物的主要来源之一，其污染源占湖泊和河流营养物质负荷总量的60%～80%，农业生态系统中的养分流失是水体硝酸盐污染的主要来源，也是磷的第二大来源（全为民等，2002）。

1.2.6.2　农田生态系统磷污染效应

磷是典型的沉积型循环物质，陆地生态系统天然植被系统磷循环是封闭的。对于农田生态系统来说，磷素循环是开放的（图1-2）。为了获得持续稳定的作物产量，人们需要不断地施用磷肥，肥料进入土壤后分成两部分，其中大部分因土壤的固定作用而积累起来，其余部分存在于土壤中，当可溶性磷因作物吸收或因雨水淋溶而损失后，由土壤中的化学平衡以及土壤生物的溶解和矿化作用会迅速进行补充。而被土壤固定的磷则会有相当一部分被淋溶或径流到水体中，使磷循环变成了不完全循环，带来一系列的环境问题（周志红，1996；Gaudreau，2002；Turner et al.，2015），同时农业生产加速了磷素从农田生态系统向水生态系统的转移和流动（Shigaki et al.，2006；李瑞鸿等，2010；郭智等，2019）。土壤-作物系统的磷素转化与循环在研究的径流磷流失与平衡的机理中十分重要，并为预测土壤磷素流失的潜在可能性以及控制磷的流失源方面提供理论依据。

图1-2　农田生态系统磷循环与污染途径

土壤中的磷主要通过地表径流、土壤侵蚀及渗漏淋溶途径进入水体。地表径流种磷素按流失方式分为径流携带和侵蚀泥沙两大类（Zheng et al.，2004）。有研究表明，农田中磷肥约5%扩散到大气中，植物吸收7%～15%，土壤固定55%～75%，随径流流失5%～10%，渗漏流失<1%（Waddell et al.，1988）。磷还可以通过渗漏淋溶进入地下水，但由于土壤，特别是下层土壤有足够的吸持磷的能力，对作物的有效性很低，实际上进入地下水的磷很少（Qin et al.，2013）。也有研究表明，有机磷在土壤中较易移动，有可能随灌溉水移动到较深的底层土壤（晏维金等，1999），不同的施肥类型和施肥方式对磷的损失影响较大（陈秋会等，2016；焉莉等，2018）。此外，由于磷肥由磷矿石加工而成，因此磷肥中含有Cd、F、Pb和As等重金属元素和放射性物质，长期施用也会导致土壤污染。