长江流域磷可持续利用研究

长江流域氮磷可持续利用研究主要内容长江流域农业生产与氮磷的重要性长江流域磷平衡与演变规律在长江流域水水、水旱、旱旱轮作体系中的氮磷循环特征未来的工作方向与目标长江流域是我国人口密集区和集约化农业区这12个省份长江流域面积占长江流域总面积的91%总面积占全国总面积的41%（390万平方千米）耕地面积占全国的30%（3395万公顷，2012年）总人口占全国总人口的40%（5.38亿人，2014年）长江流域的粮食总产在2014年时达到2.24亿吨，占当年世界粮食（谷物）总产量的7.2%、中国的36.2%，是肯尼亚粮食总产的46.5倍、英国的8.2倍、澳大利亚的5.3倍、非洲全部国家总和的1.1倍，达到欧盟粮食总产的60%，美国粮食总产的46%。长江流域粮食产量、氮磷肥消费量的变化长江流域中可溶性磷与氮含量增加与化学磷肥投入有显著的正相关关系(HaygarthandShenetal.,2014ETS)(Muelleretal.,2012.GBC)如何定量评价长江流域农业生产中氮磷输入输出平衡、去向及主控因素？（系统）如何评估长江流域不同种植体系氮磷素利用效率及其优化潜力？（田块）如何评估不同种植体系氮磷素去向及其水体和大气环境效应？（环境）关键科学问题Thephosphoruscyclenutrients、water、root、soilbiotaarchitecture提高氮磷的效率是“绿色增长”的根本OptimizenutrientinputandmaximizeinternalefficiencyFertilizerLoss主要内容长江流域农业生产与氮磷的重要性长江流域氮磷平衡与演变规律在长江流域水水、水旱、旱旱轮作体系中的氮磷循环特征未来的工作方向与目标长江流域中可溶性磷含量增加与化学磷肥投入有显著的正相关关系ComponentPfluxesusedincalculatingthenetannualPinputsforthethreeriverbasins(MaumeeR.USA,ThamesR.UK,YangtzeR.China)Pnet

=Pin

-PoutBasin-levelnetannualPinput(Pnet,massperyear)asPin=Pfert,in+Psewage,in+PprecipPout

=Pfood/feed,out

+PriverPfluxesusedinthreecatchmentsGrossPinputdecreaseandgrossPoutputincreaseinMaumeeRiverSincethelate1990s,grossPinputandoutputhaveconvergedtowardsacommonvaluebetween15and20ktyr-1GrossPinputtoThamesBasingreatlyexceededoutputuntilthe1990s/pub_releases/2016-04/asu-flt041116.phpLong-termaccumulationofPinthreeriverbasinsThenetannualPinputinThamesandMaumeedecreasefrom1950sand1980s,shiftedtomodestdepletionaround2000s.YangtzeBasinnetannualPinputof940kgkm-2yr-1in2010approachesthemaximumhistoricalrateofPaccumulationinMaumeeBasin(1300kgkm-2yr-1in1981)andexceedsthemaximumhistoricalrateofThamesBasin(820kgkm-2yr-1in1950)Accumulation-depletionframeworkforunderstandinglandscapePdynamicsoverthelong-term(decadestocenturies)(ModifyfromHaygrathandShenetal.,2014)体系磷输出量的峰值具有“延后性”长江流域的磷平衡类型处于积累阶段，而泰晤士河流域已进入消耗阶段高磷输出或者是较长时间的磷损失，导致磷环境风险加剧，长江流域未来存在巨大的磷损失风险提高区域内磷的循环再利用，挖掘土壤磷自身利用潜力，是避免磷环境风险的重要途径水旱轮作是长江流域重要的种植体系，其对区域的产量贡献与磷资源利用的影响如何？主要内容长江流域农业生产与氮磷的重要性长江流域磷平衡与演变规律在长江流域水水、水旱、旱旱轮作体系中的氮磷循环特征未来的工作方向与目标江津试验站50m27m32m36m55m50m旱地水旱轮作冬水田H283.99mH285.70m重庆市江津区永兴镇黄庄村E106˚11ʹ22ʺN29˚03ʹ51ʺ不同种植体系与磷供应强度对磷平衡及土壤剖面中磷时空分布的影响不同种植体系与磷供应强度田间试验概况水水(冬水田-水稻)、水旱(小麦-水稻)、旱旱(小麦-玉米)三种轮作体系揭示长江流域不同轮作体系中的氮磷平衡与损失途径从而实行农业生产与环境效应的可持续利用15N示踪氮肥残留率氮肥损失率对氮利用损失比例对比氮肥吸收率不同轮作体系的土壤磷平衡与空间位移体系磷平衡土壤磷含量土壤干湿交替为主的水旱轮作体系中的磷变化规律生物量土壤磷空间位移三种不同氮磷供应水平（Control/Opt./High）不同轮作体系的氮平衡与损失途径体系氮平衡通气密闭法氨挥发不同轮作体系的氮平衡与损失途径生物量静态箱法N2O损失Opt.-NHighOpt.-P-NHigh-PHighOpt.-N-PWheatgrowthofRice-Wheatrotationplot田间采样方法通气密闭法采集氨挥发干湿沉降仪+Delta系统采集氮沉降原位渗漏盘法测定土壤氮磷淋洗静态箱法测定N2O排放(Tangetal.,2009;Luoetal.,2013;胡克林，2011)轮作体系处理体系总产量(t/ha)体系总生物量(t/ha)收获指数MWN05.1±1.1c15.0±4.4c0.35±0.06c

Ncon7.6±0.7b20.0±3.4b0.38±0.07bc

Nopt7.3±0.9b19.0±4.5b0.41±0.07bcRWN08.0±1.0b17.9±1.7bc0.45±0.06b

Ncon9.9±1.8a23.8±1.7a0.42±0.08bc

Nopt9.0±2.2ab20.9±4.3ab0.44±0.09bRFN05.7±0.9c10.7±1.0d0.53±0.05a

Ncon7.7±0.7b14.5±1.9c0.53±0.03a

Nopt7.4±0.7b13.4±1.6cd0.55±0.03a施肥和轮作对不同体系生产力的影响(江津)＊

不同体系的Ncon和Nopt的作物年产量相比均没有显著差异，N0产量均显著低于施氮处理，

Nopt收获指数最高；＊RW（稻麦）体系总产量显著高于MW（玉米-小麦）体系。况福虹博士论文(2016)不同种植体系氮肥的去向(15N示踪法)处理地上部吸收非肥料氮(kgha-1)非肥料氮比例(%)地上部吸收15N(kgha-1)地上部15N利用率(%)15N土壤及地下部残留(kgha-1)15N残留比例(%)15N损失量(kgha-1)15N损失比例（%）MW-Nopt210±23a69.691.5±9.4c37.278.7±10.3c32.075.8±18cd30.8MW-Ncon210±9.9a60.0140±16.2a34.5123.0±9.6a30.4142±22b35.2RW-Nopt181±10.1b63.5104±4.9b42.368.8±5.2cd28.073.2±8.8cd29.8RW-Ncon172±12.1b56.5133±4.0a32.892.4±5.1b22.8180±8.3a39.2RF-Nopt108±7.7c66.554.3±4.7d36.257.2±4.9e38.138.5±9.4d25.7RF-Ncon109±7.5c65.357.7±3.5d25.765.6±6.0de29.1102±7.9c45.2＊所有种植体系，Ncon对15N地上部吸收、土壤及地下部（根系）残留及损失均显著高于Nopt＊地上部吸收的氮平均有36.4%来自于化肥氮，15N利用率以Nopt>Ncon，说明优化施氮可以降低氮肥用量、提高利用率轮作处理肥料氮氮沉降土壤矿化种子秧苗N总收入作物吸收NH3挥发N2O排放渗漏损失Nr总损失N总支出N素平衡MWN00

38.7853.1126.8121.41.73.26.711.6133.0-6.2

Nopt24638.7853.1372.8304.03.27.716.427.3331.341.5

Ncon40538.7853.1531.8352.24.412.825.042.2394.4137.4RWN0

038.7852.8116.5115.01.11.13.75.9120.9-4.4

Nopt24638.7852.8362.5287.34.41.911.918.2305.557.0

Ncon40538.7852.8521.5308.76.33.38.418.0326.7194.8RFN0

038.7850.2123.959.40.90.50.01.460.863.1

Nopt15038.7850.2273.9165.83.30.80.34.4170.2103.7

Ncon22538.7850.2348.9171.35.11.30.77.1178.4170.5不同轮作体系氮素输入、输出平衡(kgNha-1)＊N素损失未包括反硝化中的N2和NOx损失，地表径流、壤中流、侧渗等，因此本表中的氮素平衡实际反映了其他损失途径之和；＊不施化肥，MW和RW均呈现轻微氮亏损的情况，即使环境氮输入水平较高，持续种植而不施化肥氮会使系统氮亏缺加剧；＊相比Ncon,Nopt处理作物吸氮量变化不大，氮素损失和平衡均大幅度下降，表明各种植体系Ncon水平太高，均存在优化空间。MWRWRF

:施肥时期

:晒田时期不同种植体系N2O排放动态(江津，2012-14)宿敏敏博士论文(2016)MWRWRF

:施肥时期

:晒田时期不同种植体系CH4

排放动态(江津，2012-14)宿敏敏博士论文(2016)不同磷处理下三中种植体系作物产量供磷可以显著提高小麦（2013）与玉米（2014）的产量，但对水稻无明显效果水稻的单产显著高于小麦与玉米在三种体系当中，水旱轮作具有最大的生产力小麦水稻或玉米轮作体系处理肥料投入磷沉降种子秧苗P总输入作物吸收渗漏损失P总输出P平衡小麦-玉米P000.50.81.330.00.330.3-29.0Popt.104.80.50.8106.153.70.554.251.9PHigh209.20.50.8210.561.10.561.6148.9小麦-水稻P000.50.61.199.90.4100.3-99.2Popt.104.80.50.6105.997.61.599.16.8PHigh209.20.50.6210.3103.31.5104.8105.5冬水田-水稻

P000.50.20.772.91.274.1-73.4Popt.52.40.50.253.176.31.277.5-24.4PHigh104.80.50.2105.582.81.284.021.5肥料投入与植株吸收是影响磷平衡的主要因素水稻对于土壤磷的挖掘与获取能力最强，磷平衡在26.2kgPhm-2season-1的条件下仍然处于亏缺状态供磷显著提高了小麦-玉米体系土壤中累积态磷含量不同轮作体系田块中，磷的输入、输出与平衡（两周年）（kgPhm-2）不同轮作体系在各时期土壤分层有效磷含量（优化供磷）Wheat-MaizeFallow-RiceWheat-Rice供磷显著提高旱季作物表层土壤有效磷含量随着时间的推移，三种体系中的下层（50-60cm）的土壤磷含量均有一定增加，但程度有所不同水旱轮作体系磷下移显著2014Soildepth2013第一季施磷后第一季收获后第二季施磷后第二季收获后小麦-水稻轮作体系中不同磷处理各时期土壤分层有效磷含量20132014不同磷处理中，下层或者中层土壤的有效磷含量都有不同程度的升高高磷投入处理下层有效磷含量增加幅度更为显著不同轮作体系中土壤磷平衡与不同土层中有效磷改变程度相关性水旱轮作体系盈余的磷淋失到深层土壤（50-60cm）的风险大水旱轮作体系每100kgPhm-2的盈余使下层土壤有效磷的浓度提高0.95mgPkg-1，旱地轮作为0.48mgPkg-1水田连作体系磷的下移趋势不明显4.00

mgPkg-13.57

mgPkg-13.53

mgPkg-10.48

mgPkg-10.95

mgPkg-1ChangesinsoilOlsen-P(mgPkg-1soil)Pbalances(kgPhm-2)0-10cm表层50-60cm下层PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP淹水条件下的土壤磷状况大量的根分泌物活化土壤磷(有机酸,酸性磷酸酶等)淹水氧化还原电位降低干旱氧化还原电位升高PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP禾本科旱作条件下的土壤磷状况豆科旱作条件下的土壤磷状况耕层深层土壤磷有效性较高扩散能力强团粒结构破碎有机质积累土壤通气性差厌氧性细菌增生pH稳定Fe2+，Mn2+土壤磷有效性较低扩散能力弱团粒结构形成有机质矿化消耗土壤通气性好需氧性细菌增生pH相对不稳定Fe3+，Mn4+水稻根系较浅，主要分布在耕层以吸收耕层中的磷为主旱作禾本科作物根系较深，可达60cm，吸收下层土壤磷淹水条件下相关土壤理化性状特征旱地条件下禾本科作物根际土壤相关理化性状特征旱地条件下豆科作物根际土壤相关理化性状特征土壤磷有效性提高扩散能力弱团粒结构形成有机质矿化消耗土壤通气性好需氧性细菌增生pH相对不稳定Fe3+，Mn4+水旱轮作体系加速磷下移在季节性干湿交替的背景下，综合利用各作物根际特征，优化根系与根际管理，提高磷利用效率水稻禾本科旱作(如玉米、小麦)豆科旱作(如蚕豆、鹰嘴豆)区域与体系磷平衡及对生产力的影响各体系土壤特征不同体系作物根系根际特征红色字体磷高效特征水旱轮作：根系-根际-土壤--磷的有效性磷肥对不同轮作体系中水稻的增产效应从不同产量水平的磷肥效率来看，两种轮作方式下的水稻磷肥增产效果都随着基础产量的增加而下降，其中不同产量水旱轮作中水稻在施肥后肥效变化不显著，而水田连作中的水稻当不施磷处理的水稻单产低于3487kghm-2时，其磷肥肥效显著增加P=0.0008P=