我国农业面源污染现状及对策分析非点源污染

1、会计学1我国农业面源污染现状及对策分析非点我国农业面源污染现状及对策分析非点源污染源污染1. 相关概念及定义相关概念及定义 点源污染点源污染（Point Source Pollution）是指集中由排污口排入水体的污染）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、废渣堆等如工厂、矿山、医院、居民点、废渣堆等)和和移动的点污染源移动的点污染源(如轮船、汽车、飞机、火车等如轮船、汽车、飞机、火车等)。 面源污染面源污染（Diffuse Source Pollution），是指溶解和固体的污染物从非），是指溶解和固体的污染物从非特定地点

2、，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（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。化或有毒有害等其他形式的污染。 又称为又称为非点源污染非点源污染(Non-point Source Pollution)，应该更准确，因为与，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体源污染（Tridimension Pollution）。）。 线

3、源污染线源污染（Linear Source Pollution）, 是呈线状分布的污染源。如输油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。管道、污水沟道以及公路、铁路的交通工具所排放的污染物。 农业非点源污染农业非点源污染（ANPSP）是）是指从事农业生产活动中的农地或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，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地下渗漏，进入水体而形成的污染。染。非点源污染可以分为城镇和农

4、业非点源污染两大类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。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。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。 2. 农业非点源污染的主要污染物农业非点源污染的主要污染物 氮、磷、氮

5、、磷、农药（有机氯、有机磷）、农药（有机氯、有机磷）、沉积物、沉积物、抗生素等抗生素等. 污染物具有溶解性污染物具有溶解性：氮（氨氮、铵氮、：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷）、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。和地下水，从而对水体造成污染。 污染物能被土壤颗粒吸附污染物能被土壤颗粒吸附：氮（氨氮、：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷

6、）、农药等被土壤颗粒物吸附，通过土机磷）、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，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。土壤对无机磷酸盐吸附能力较强。 部分污染物具有挥发性部分污染物具有挥发性：氨氮、农药等：氨氮、农药等具有挥发性，可通过挥发进入大气，随后通具有挥发性，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。过干湿沉降进入水体，从而对水体造成污染。 3. 农业非点源污染的特征农业非点源污染的特征 随机性：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，非点源污染受降雨以及降雨形成径流或者排水的过

7、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。机性。 广泛性：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。表和地下存在径流产流和汇流过程，就会发生污染。 潜伏性：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

8、的增加，非点源污染的贡献就会显著提高。加，非点源污染的贡献就会显著提高。 滞后性：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。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：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。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非点源污染的研究和控制难度大3. 农业非点源污染的特征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

9、东西差别明显气候类型南北差异显著，干湿变化东西差别明显3. 农业非点源污染的特征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种养强度区域分布不均杨胜天等，杨胜天等，2006 Sun et al., 2012European Union USA，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农业非点源污染的贡献4. 农业非

10、点源污染的贡献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的贡献率分别为的贡献率分别为43.7%、57.2%、67.4%?Mueller et al. (2012) Nature 490: 254-257.全球单位面积氮肥施用量分布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我国的非点源污染治理压力大化肥施用量（化肥施用量（ Mt/yr）粮食总产量（粮食总产量（M t）化肥施用强度（化肥施用强度（kg/ha）粮食单产（粮食单产（kg/ha）我国与发达国家的化肥使用与粮食生

11、产对比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农业过分依赖化肥投入国家国家/地区地区玉米玉米小麦小麦水稻水稻输入输入输出输出利用率利用率输入输入输出输出利用率利用率输入输入输出输出利用率利用率非洲非洲493178814589583967亚洲（中亚洲（中国除外）国除外）115524814850401576241中国中国2728330290933233610531欧洲欧洲172110681871045716110364拉丁美洲拉丁美洲191573121064351457053北美洲北美洲20914670119594929512141大洋洲大洋洲263101473833897714

12、7191全球全球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农业养分利用率低(Wu et al., 2018, PNAS)分散性种植模式降低化肥利用率分散性种植模式降低化肥利用率（Ju et al., 2016, Global Environmental Change）化肥氮磷化肥氮磷6000万吨万吨/年年氮磷排放氮磷排放2300万吨万吨地下水地下水环境迁移环境迁移大型水体污染大型水体污染饲料饲料3.0亿吨亿吨/年年农业结构性问题农业结构性问题（种（种- -养养-

13、-加分离，循环利用措施缺位）加分离，循环利用措施缺位）我国主要畜禽养殖粪便的还田率目前只有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左右，剩余的可能直接或间接的进入环境。接的进入环境。我国主要畜禽粪便资源量和养分含量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畜禽养殖粪便循环利用率低5. 农业非点源污染研究的总体发展趋势农业非点源污染研究的总体发展趋势 截止截止2016年，年，Web of Science核核心集关于农业非点源污染的文献心集关于农业非点源污染的文献共计共计2478篇篇 上世纪上世纪90年代初开始文献数量年代初开始文献数量快速增加快速增加截止截

14、止2016年年Web of Science核心集核心集关于农业非点源污染文献数量关于农业非点源污染文献数量1991检索数据库：检索数据库：Web of Science核心集核心集 检索主题：检索主题： Agricultural non-point source Pollution；Agricultural non-point pollution；Agricultural non-point source; Agricultural nonpoint source Pollution；Agricultural nonpoint pollution；Agricultural nonpoint so

15、urce部分国家和地区农业非点源污染文献数量部分国家和地区农业非点源污染文献数量 在在64个国家个国家/地区中，发表论文：地区中，发表论文： - 美国最多，超过总量的美国最多，超过总量的50% - 中国，约占总量的中国，约占总量的20% - 加拿大、德国约占总量的加拿大、德国约占总量的10%5. 农业非点源污染研究的总体发展趋势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（年首次发表关于农业非点源污染的文章（2篇）篇） - Nonpoint source pollution from agricultural runoff 发表于发表于Journal of th

16、e Environmental Engineering Division-ASCE - Economic trade-offs to limit nonpoint sources of agricultural pollution发表于发表于Water Air and Soil Pollution发表的主要期刊发表的主要期刊发表论文的主要关键词发表论文的主要关键词最高引的最高引的5篇论文篇论文5. 农业非点源污染研究的总体发展趋势农业非点源污染研究的总体发展趋势涉及的学科门类涉及的学科门类二、农业非点源污染过程及其影响因素二、农业非点源污染过程及其影响因素1. 农地农地/农场氮磷的收支平衡农场

17、氮磷的收支平衡三种农地三种农地/农场的氮磷收支平衡估算方法农场的氮磷收支平衡估算方法农场界面（农场界面（a）、土壤界面（）、土壤界面（b）、土壤系统（）、土壤系统（c）氮磷平衡示意图）氮磷平衡示意图农场界面的氮磷收支平衡估算方法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土壤系统的氮磷收支平衡估算方法Surplus N=（化肥（化肥+饲料饲料+有机肥有机肥+幼崽幼崽+草垫草垫+生物固氮生物固氮+大气沉降）大气沉降）-（牛奶（牛奶/蛋蛋+动物动物产品产品+畜禽粪便畜禽粪便+饲料用作物）饲料用作物） ()+ (losses

18、：反硝化：反硝化+氨挥发氨挥发+流失流失)Surplus P=（化肥（化肥+饲料饲料+有机肥有机肥+幼崽幼崽+草垫草垫+大气沉降）大气沉降）-（牛奶（牛奶/蛋蛋+动物产品动物产品+畜禽畜禽粪便粪便+饲料用作物）饲料用作物） ()+ (losses：流失：流失)Surplus N=（化肥（化肥+有机肥有机肥+生物固氮生物固氮+作物残留作物残留+大气沉降大气沉降+作物种子作物种子+灌溉水）灌溉水）-（作（作物吸收）物吸收） ()+ (losses：反硝化：反硝化+氨挥发氨挥发+流失流失)Surplus P=（化肥（化肥+有机肥有机肥+作物残留作物残留+大气沉降大气沉降+作物种子作物种子+灌溉水）灌

19、溉水）-（作物吸收）（作物吸收） ()+ (losses：流失：流失)Budget N=化肥化肥+有机肥有机肥+生物固氮生物固氮+作物残留作物残留+大气沉降大气沉降+作物种子作物种子+灌溉水灌溉水+ ()-(作作物吸收物吸收+反硝化反硝化+氨挥发氨挥发+流失流失) 0Budget P=化肥化肥+有机肥有机肥+作物残留作物残留+大气沉降大气沉降+作物种子作物种子+灌溉水灌溉水+ ()-(作物吸收作物吸收+流流失失) 0氮磷收支平衡估算的时空尺度效应氮磷收支平衡估算的时空尺度效应Mark A. Sutton & Albert Bleeker, Nature, 2016 全球化肥施用及氮损失全球化肥

20、施用及氮损失全球年均化肥（全球年均化肥（N、P、K）施用情况）施用情况全球年均氮损失情况全球年均氮损失情况王敬国等，王敬国等，2016 中国农地系统氮收支平衡中国农地系统氮收支平衡中国农地系统磷平衡中国农地系统磷平衡曹宁等，曹宁等，2009 全球农田磷的收支平衡全球农田磷的收支平衡 (Sattari et al., 2012)化肥化肥磷磷有机有机肥磷肥磷输入磷输入磷作物收获磷作物收获磷Bouwman et al., PNAS, 2013全球农田氮平衡全球农田氮平衡Sarah E. Hobbie et al. PNAS 2017;114:4177-4182Nitrogen and phospho

21、rus budgets in urban watersheds流域氮磷收支平衡估算方法流域氮磷收支平衡估算方法NANI和和NAPI大气沉降磷大气沉降磷化肥磷施用化肥磷施用洗涤剂磷洗涤剂磷净食物和饲料净食物和饲料输入输入人类消费磷人类消费磷畜禽消费磷畜禽消费磷作物产品磷作物产品磷畜禽产品磷畜禽产品磷+ + + + +- - -+ + + +氮氧化物沉降氮氧化物沉降化肥氮施用化肥氮施用农田系统固氮农田系统固氮净食物和饲料净食物和饲料输入输入人类消费氮人类消费氮畜禽消费氮畜禽消费氮作物产品氮作物产品氮畜禽产品氮畜禽产品氮+ + + + +- - -+ + +净人为氮输入净人为氮输入 (Net Ant

22、hropogenic Nitrogen Input，NANI)+ +净人为磷输入净人为磷输入 (Net Anthropogenic Phosphorus Inputs，NAPI)种子种子种子种子全球流域尺度全球流域尺度NANI（ Billen et al., 2017 ）NANI高的流域集中了全球高的流域集中了全球84%的的NANI，但面积仅占了，但面积仅占了43%Groundwater化肥化肥48%农业生物固氮农业生物固氮5%大气沉降大气沉降39%地下水地下水净食物饲料净食物饲料输入输入8%河流河流反硝化反硝化作物作物人类人类畜禽畜禽种子种子1%林地林地木材输出木材输出非收获性植物非收获性植

23、物吸收吸收14%反硝化反硝化47% (36.4-48.2% agricultural land + 10-35% river system)持留持留25%河流输出河流输出13%永安溪流域永安溪流域31年累计年累计NANI (475,750 t N) 土壤土壤湿地湿地非收获性植物吸非收获性植物吸收和反硝化收和反硝化61%点源点源+非点非点源源点源点源+非点非点源源非点源非点源(Chen et al., 2014; Envrion Sci Technol; Water Resour Res; Chen et al., 2016, Agr Ecosyst Environ)Groundwater化肥化

24、肥72%非食物性磷非食物性磷输入输入5%大气沉降大气沉降4%地下水地下水净食物饲料净食物饲料输入输入18%河流河流作物作物人类人类畜禽畜禽种子种子8）会降低硝化菌的活性）会降低硝化菌的活性 4）土壤温度：土壤温度升高促进硝化速率）土壤温度：土壤温度升高促进硝化速率 当土壤温度高于当土壤温度高于23C时，硝化作用就不受温度的控制时，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不同土壤温度下归一化硝化速率Western Fertilizer Handbook, 2012 5）土壤湿度：土壤湿度过高或者过低都会抑制硝化作用）土壤湿度：土壤湿度过高或者过低都会抑制硝化作用 超过超过60%的土壤

25、空隙充水，硝化过程停止（左图）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）化菌的活性（右图） 6）生物炭）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：空白对照AP：种植苜蓿：种植苜蓿AP+1.5B：苜蓿：苜蓿+1.5%生物炭生物炭AP+3.0B：苜蓿：苜蓿+3.05%生物炭生物炭AP+6.0B：苜蓿：苜蓿+6.0%生物炭生物炭（Zhang et al., 2017）反硝化作用对土壤氮循环过程的影响

26、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：将土壤中的硝态氮还原为N2O或或N2，离开土壤，使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的，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。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总的反硝化过程的方程式表示 2 NO3- + 10 e- + 12 H+ N2+ 6 H2O, G = 333 kJ/mol 包括以下四个还原反应包括以下四个还原反应 硝酸盐（硝酸盐（NO3-）还原为亚硝酸盐（还原为亚硝酸盐（NO2-） 2 NO3-+

27、4 H+ + 4 e- 2 NO2-+ 2 H2O 亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2-）还原为一氧化氮（还原为一氧化氮（NO） 2 NO2-+ 4 H+ + 2 e- 2 NO + 2 H2O 一氧化氮（一氧化氮（NO）还原为一氧化二氮（还原为一氧化二氮（N2O） 2 NO + 2 H+ + 2 e- N2O + H2O 一氧化二氮（一氧化二氮（N2O）还原为氮气（还原为氮气（N2） N2O + 2 H+ + 2 e- N2 + H2O反硝化作用的影响因素反硝化作用的影响因素 1）碳源）碳源 土壤中碳源含量（特别是可溶性有机碳含量）会制土壤中碳源含量（特别是可溶性有机碳含量）会制约着异养反硝化作用过

28、程。因为反硝化细菌大多为异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，养细菌，C/N比提高，比提高，要消耗部分要消耗部分NO3-作为氮源，作作为氮源，作为（反硝化作用）电子受体的为（反硝化作用）电子受体的NO3-相对减少，因此相对减少，因此还原产生的还原产生的N2O量降低。量降低。 Cayuela et al., 2013添加不同类型的生物炭后土壤添加不同类型的生物炭后土壤N2O排放量的变化排放量的变化 土壤粘粒含量越高，通气条件越差，土壤粘粒含量越高，通气条件越差，氧气含量越低，有利于反硝化氧气含量越低，有利于反硝化砂砾砂砾沙土沙土壤土壤土砂砾砂砾沙土沙土壤土壤土Xiong et

29、al., 2015土壤质地和反硝化的关系土壤质地和反硝化的关系壤土的反硝化作用是壤土的反硝化作用是沙土和砂砾的沙土和砂砾的3.29倍和倍和12.84倍倍 土壤通气条件及水分含量对反硝化的影响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）土壤理化性状 土壤紧实度及厌氧条件对反硝化的影响土壤紧实度及厌氧条件对反硝化的影响（Li et al., 2014） 土壤越紧实，反硝化作用土壤越紧实，反硝化作用越强烈越强烈 - 压实土壤释放的压实土壤释放的N2O中有中有96%来自反硝化来自反硝化 - 未压实土壤释放的未压实土壤释放的N2O中中只有只有36%来自反硝化来自反硝化 - 压实土壤的反硝化速

30、率压实土壤的反硝化速率约为未压实土壤的约为未压实土壤的700倍倍 厌氧环境促进反硝化厌氧环境促进反硝化反硝化作用的影响因素反硝化作用的影响因素 3）地形特征）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海拔的负相关关系达到1%的显著性水平的显著性水平反硝化参数反硝化参数离河距离离河距离海拔海拔坡度坡度 未修正反硝化作用未修正反硝化作用0.210.54*0.26反硝化潜力反硝化潜力0.190.51*0.24Xiong et al., 2015全球玉米、水稻和小麦生产系统中收获物中全球玉米、水

31、稻和小麦生产系统中收获物中50年（年（1961-2010年）年）氮来源的总量氮来源的总量(Tg)（Ladha & Chakraborty, 2016）2.3 固氮作用及其影响因素固氮作用及其影响因素固氮作用对土壤氮循环过程的影响固氮作用对土壤氮循环过程的影响：将大气中的：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。自生固氮、共生固氮、联合固氮三种。2010年全球固氮情况年全球固氮情况（ Fowler et al., 2013）2.3 固氮作用及其影响因素固氮作用及其影响因素徐鹏霞等，徐鹏霞等，2017不同生

32、态系统生物固氮率估算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固氮作用及其影响因素固氮作用的影响因素固氮作用的影响因素 1）土壤氮磷的含量）土壤氮磷的含量 土壤低硝态氮含量（土壤低硝态氮含量（ 1mM ），增加），增加P，提高豆科作物的根瘤形成和固氮，提高豆科作物的根瘤形成和固氮作用；土壤高硝态氮含量（作用；土壤高硝态氮含量（ 10mM ），增加），增加P，不能促进豆科作物的根，不能促进豆科作物的根瘤形成和固氮作用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生长硝态氮含量与根瘤数量硝态氮含量与根瘤数量硝态氮含量与根瘤大小硝态氮含量与根瘤大小固氮作用的影响因素固氮作用的影响因

33、素 1）土壤氮的含量）土壤氮的含量 土壤硝态氮含量和生物固氮量成反比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硝态氮含量与生物固氮量宋勇生等，宋勇生等，2011铵态氮含量与生物固氮量铵态氮含量与生物固氮量宋勇生等，宋勇生等，2011固氮作用的影响因素固氮作用的影响因素 2）土壤生物炭含量）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。当增加生物炭可以显著提高豆类苗，根和根瘤的生物量。当增加15t ha-1生物炭生物炭后，豆类的根瘤生物量平均增加后，豆类的根瘤生物量平均增加3757%，固氮平均增加，固氮平

34、均增加2626% Gerea et al., 2015固氮作用的影响因素固氮作用的影响因素 3）固氮菌）固氮菌 固氮菌促进非豆科作物的固氮固氮菌促进非豆科作物的固氮 Santi et al., 2013固氮作用的影响因素固氮作用的影响因素 4）固氮酶）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，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常温常压下高效的将N2转化为转化为NH3，起催化作用，起催化作用 固氮作用的影响因素固氮作用的影响因素 5）土壤

35、容重和）土壤容重和pH 土壤容重和生物固氮量成反比土壤容重和生物固氮量成反比 土壤土壤pH和生物固氮量成正比和生物固氮量成正比 土壤容重与生物固氮量土壤容重与生物固氮量宋勇生等，宋勇生等，2011pH与生物固氮量与生物固氮量宋勇生等，宋勇生等，20112.4 矿化过程及其影响因素矿化过程及其影响因素影响因素影响因素 1）施肥方式）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）耕

36、作措施 免耕、少耕等耕作方式降低土壤有机氮矿化。免耕、少耕等耕作方式降低土壤有机氮矿化。常规耕作常规耕作免耕免耕常规耕作和免耕农田常规耕作和免耕农田的矿物态氮含量的矿物态氮含量（Li et al., 2015）2.4 矿化过程及其影响因素矿化过程及其影响因素影响因素影响因素 3) 土壤质地土壤质地 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越小，稳定性越弱，起有机质越容易被微生物所降解 4）土壤）土壤pH pH升高，硝化作用增强，进而促进了有机氮的矿化升高，硝化作用增强，

37、进而促进了有机氮的矿化 5）湿度）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矿化迅速下降，且水分波动能增加氮矿化 土壤水势在土壤水势在-1.500.03MPa时，氮矿化与土壤湿度呈线性相关，氮矿化时，氮矿化与土壤湿度呈线性相关，氮矿化的最佳水分含量在的最佳水分含量在-0.50-0.03MPa6）土壤温度和质地）土壤温度和质地粘壤土粘壤土粘壤土粘壤土砂壤土砂壤土砂壤土砂壤土Roberts et al., 20172.4 矿化过程及其影响因素矿化过程及其影响因素周吉利，周吉利，2

38、015农田生态系统磷循环农田生态系统磷循环3. 农田磷的循环农田磷的循环3. 农田磷的循环农田磷的循环n磷循环主要过程的影响因素磷循环主要过程的影响因素 - - 土壤微生物、酶活性土壤微生物、酶活性 - - 土壤质地、理化性状土壤质地、理化性状 - - 养分含量养分含量 - - 耕作措施耕作措施 - - 环境条件环境条件 - - 3.1 磷的矿化作用及影响因素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，主要取决效态磷的过程就是有机磷的矿化。矿

39、化是分解过程的一部分，主要取决于土壤微生物活性。于土壤微生物活性。 有机磷矿化公式为：有机磷矿化公式为： Pmin为有机磷矿化量，为有机磷矿化量，mg/（kg a）；）；Cmin为有机碳年矿化速率，为有机碳年矿化速率，%； P为总有机磷，为总有机磷，mg/kg。 总矿化包括净矿化和微生物固定总矿化包括净矿化和微生物固定 有机磷矿化量有机磷矿化量=微生物净矿化微生物净矿化+土壤有机物中有机磷矿化量（灭菌的土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）壤或者微生物可以忽略的土壤） 微生物净矿化微生物净矿化=有机磷总矿化量有机磷总矿化量-磷总固定量磷总固定量=减少的微生物磷量减少的

40、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 有机磷总矿化有机磷总矿化= 土壤有机物质中有机磷的减少土壤有机物质中有机磷的减少= 总有机磷的减少总有机磷的减少= 无无机磷的增加量机磷的增加量( 无微生物活动无微生物活动) 。Pmin=（CminP）/1003.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 1) 土壤微生物土壤微生物 微生物固定土壤中有机磷微生物固定土壤中有机磷 微生物死亡后其残体释放到土壤中的有机磷微生物死亡后其残体释放到土壤中的有机磷 微生物的代谢产物能够分解和催化有机磷的转化微生物的代谢产物能够分解和催

41、化有机磷的转化Richardson & Simpson, 2011影响因素影响因素 2) 土壤酶活性土壤酶活性 - 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；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，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

42、百年；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。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磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 3) 土壤理化性状土壤理化性状 土壤温度土壤温度 - 土温升高，土壤有机磷矿化速率加快，当温度高于土温升高，土壤有机磷矿化速率加快，当温度高于30时，矿化迅速，时，矿化迅速，低于低于30 时，矿化较慢；时，矿化较慢； - 土温低于土温低于30时，微生物的活动对土壤有机磷的矿化起决定性作用，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，当温度高于酶的活性起次要作用，当温

43、度高于30，酶的活性开始增强，微生物活动，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；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。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磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 3) 土壤理化性状土壤理化性状 土壤湿度土壤湿度 - 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；有研究表明土壤在淹水

44、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；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。体，干燥造成稳定有机物质和细胞的分解

45、，有机磷溶解性增加。3.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 3) 土壤理化性状土壤理化性状 土壤通气土壤通气 - 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；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；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

46、六磷酸盐矿化，核酸磷矿化和固定作用较为活跃。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磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 3) 土壤理化性状土壤理化性状 土壤土壤pH - pH 影响有机磷的溶解性、微生物群体和酶。影响有机磷的溶解性、微生物群体和酶。 - 在土壤在土壤pH 为为5.57.0 范围内，大部分土壤磷有效性最大，且土壤有范围内，大部分土壤磷有效性最大，且土壤有机磷的矿化速率随机磷的矿化速率随pH的增加而增加；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

47、分子量有机酸其分子量有机酸其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，较低的环境下，Al3+和和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。至失活。3.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 3) 土壤理化性状土壤理化性状 土壤土壤C/P 和磷含量和磷含量 - 一般来说，有机碳的含量高，有机磷矿化速率就大；一般来说，有机碳的含

48、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；机磷起到保护作用，减小有机磷的矿化速率； - 磷含量磷含量0.2%，净生物固定作用为主，净生物固定作用为主，0.3%时，净矿化作用为主；时，净矿化作用为主； - 通过通过C/P可以判断有机磷是矿化还是固定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当加入土壤中

49、植物残体的C/P小于小于200时，植物残体磷进行净矿化，时，植物残体磷进行净矿化， C/P在在200-300之间，植物残体磷既不矿化也不固定；当之间，植物残体磷既不矿化也不固定；当C/P大于大于300时，植物残体时，植物残体磷进行净生物固定，磷进行净生物固定，C/P为为550时是影响磷净矿化量的一个关键因素时是影响磷净矿化量的一个关键因素; 有机磷有机磷的矿化速率也与的矿化速率也与C/P 及有机磷含量之间显著相关。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磷的矿化作用及影响因素3.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素TreatmentTime (d)Cumulativ

50、e gross P mineralization (mg P kg1)Daily gross P mineralization (mg P kg1 d1)Daily net P mineralization (mg P kg1 d1)NK148 1249.7 12.620.3 7.5363 1521.6 5.28.9 3.6560 2112.2 4.24.6 3.0865 168.2 2.02.7 1.02267 333.1 1.51.0 1.13267 162.1 0.50.6 0.4NPK110 410.3 4.52.8 3.0317 35.8 1.12.0 1.4524 44.9 0.8

51、1.8 0.3825 163.1 2.10.9 1.82244 72.0 0.30.8 0.23253 71.7 0.20.5 0.3Significance level (p) Treatment0.0000.0000.000 Day0.0030.0000.000 Treatment day0.3330.0000.000未施用无机磷肥的土壤，无论是累计总矿化磷量还是日总矿化磷量和日净矿化未施用无机磷肥的土壤，无论是累计总矿化磷量还是日总矿化磷量和日净矿化磷量都高于施用无机磷肥的土壤（磷量都高于施用无机磷肥的土壤（Bneman et al., 2012）。）。影响因素影响因素 4) 农田管理措

52、施农田管理措施 耕作耕作 耕作易破坏土壤粒级结构，改变土壤通气状况，有利于微生物活动，促耕作易破坏土壤粒级结构，改变土壤通气状况，有利于微生物活动，促进了土壤中的气体的流通和有机物质转化，影响土壤有机磷的含量，进了土壤中的气体的流通和有机物质转化，影响土壤有机磷的含量，其矿化量也随之改变；其矿化量也随之改变； 一般来说，耕作土壤有机磷含量比荒地的少。一般来说，耕作土壤有机磷含量比荒地的少。 有机物料、肥料和有机酸的输入有机物料、肥料和有机酸的输入 有机物料为微生物提供了丰富的碳源和矿物质，提高微生物和磷酸酶的有机物料为微生物提供了丰富的碳源和矿物质，提高微生物和磷酸酶的活性，促进有机磷的转化；

53、活性，促进有机磷的转化； 土壤中添加葡萄糖丙氨酸能使总磷的矿化速率提高土壤中添加葡萄糖丙氨酸能使总磷的矿化速率提高2031倍，磷酸酶的倍，磷酸酶的活性提高了活性提高了46 倍。倍。3.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素影响因素影响因素 4) 农田管理措施农田管理措施 植被植被 当土壤中供给植物所需的磷不足时，植物会在胁迫环境下分泌一些能够当土壤中供给植物所需的磷不足时，植物会在胁迫环境下分泌一些能够溶解有机磷的根际沉淀，比如低分子量有机酸、磷酸酶，从而影响磷溶解有机磷的根际沉淀，比如低分子量有机酸、磷酸酶，从而影响磷酸酶活性，降低土壤中的有机磷含量；酸酶活性，降低土壤中的有机磷含

54、量； 栽种燕麦、野豌豆和玉米豇豆轮作，以及三叶草和苜蓿的土壤可以增栽种燕麦、野豌豆和玉米豇豆轮作，以及三叶草和苜蓿的土壤可以增加有机磷的含量；加有机磷的含量； 哥伦比亚热带草原土壤中采用草哥伦比亚热带草原土壤中采用草-豆轮作可以增加土壤有机磷含量，种豆轮作可以增加土壤有机磷含量，种植水稻则降低土壤有机磷含量。植水稻则降低土壤有机磷含量。3.1 磷的矿化作用及影响因素磷的矿化作用及影响因素3.2 磷的固定作用及影响因素磷的固定作用及影响因素 定义定义 磷的固定作用是水溶性磷酸盐与土壤中的铁、铝、锰、钙和粘粒相互磷的固定作用是水溶性磷酸盐与土壤中的铁、铝、锰、钙和粘粒相互作用生成难溶性磷酸盐的过程。