長(zhǎng)江流域磷可持續(xù)利用研究

長(zhǎng)江流域氮磷可持續(xù)利用研究主要內(nèi)容長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氮磷的重要性長(zhǎng)江流域磷平衡與演變規(guī)律在長(zhǎng)江流域水水、水旱、旱旱輪作體系中的氮磷循環(huán)特征未來的工作方向與目標(biāo)長(zhǎng)江流域是我國(guó)人口密集區(qū)和集約化農(nóng)業(yè)區(qū)這12個(gè)省份長(zhǎng)江流域面積占長(zhǎng)江流域總面積的91%總面積占全國(guó)總面積的41%（390萬平方千米）耕地面積占全國(guó)的30%（3395萬公頃，2012年）總?cè)丝谡既珖?guó)總?cè)丝诘?0%（5.38億人，2014年）長(zhǎng)江流域的糧食總產(chǎn)在2014年時(shí)達(dá)到2.24億噸，占當(dāng)年世界糧食（谷物）總產(chǎn)量的7.2%、中國(guó)的36.2%，是肯尼亞糧食總產(chǎn)的46.5倍、英國(guó)的8.2倍、澳大利亞的5.3倍、非洲全部國(guó)家總和的1.1倍，達(dá)到歐盟糧食總產(chǎn)的60%，美國(guó)糧食總產(chǎn)的46%。長(zhǎng)江流域糧食產(chǎn)量、氮磷肥消費(fèi)量的變化長(zhǎng)江流域中可溶性磷與氮含量增加與化學(xué)磷肥投入有顯著的正相關(guān)關(guān)系(HaygarthandShenetal.,2014ETS)(Muelleretal.,2012.GBC)如何定量評(píng)價(jià)長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷輸入輸出平衡、去向及主控因素？（系統(tǒng)）如何評(píng)估長(zhǎng)江流域不同種植體系氮磷素利用效率及其優(yōu)化潛力？（田塊）如何評(píng)估不同種植體系氮磷素去向及其水體和大氣環(huán)境效應(yīng)？（環(huán)境）關(guān)鍵科學(xué)問題Thephosphoruscyclenutrients、water、root、soilbiotaarchitecture提高氮磷的效率是“綠色增長(zhǎng)”的根本OptimizenutrientinputandmaximizeinternalefficiencyFertilizerLoss主要內(nèi)容長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氮磷的重要性長(zhǎng)江流域氮磷平衡與演變規(guī)律在長(zhǎng)江流域水水、水旱、旱旱輪作體系中的氮磷循環(huán)特征未來的工作方向與目標(biāo)長(zhǎng)江流域中可溶性磷含量增加與化學(xué)磷肥投入有顯著的正相關(guān)關(guān)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)體系磷輸出量的峰值具有“延后性”長(zhǎng)江流域的磷平衡類型處于積累階段，而泰晤士河流域已進(jìn)入消耗階段高磷輸出或者是較長(zhǎng)時(shí)間的磷損失，導(dǎo)致磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加劇，長(zhǎng)江流域未來存在巨大的磷損失風(fēng)險(xiǎn)提高區(qū)域內(nèi)磷的循環(huán)再利用，挖掘土壤磷自身利用潛力，是避免磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑水旱輪作是長(zhǎng)江流域重要的種植體系，其對(duì)區(qū)域的產(chǎn)量貢獻(xiàn)與磷資源利用的影響如何？主要內(nèi)容長(zhǎng)江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氮磷的重要性長(zhǎng)江流域磷平衡與演變規(guī)律在長(zhǎng)江流域水水、水旱、旱旱輪作體系中的氮磷循環(huán)特征未來的工作方向與目標(biāo)江津試驗(yàn)站50m27m32m36m55m50m旱地水旱輪作冬水田H283.99mH285.70m重慶市江津區(qū)永興鎮(zhèn)黃莊村E106?11?22?N29?03?51?不同種植體系與磷供應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磷平衡及土壤剖面中磷時(shí)空分布的影響不同種植體系與磷供應(yīng)強(qiáng)度田間試驗(yàn)概況水水(冬水田-水稻)、水旱(小麥-水稻)、旱旱(小麥-玉米)三種輪作體系揭示長(zhǎng)江流域不同輪作體系中的氮磷平衡與損失途徑從而實(shí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)的可持續(xù)利用15N示蹤氮肥殘留率氮肥損失率對(duì)氮利用損失比例對(duì)比氮肥吸收率不同輪作體系的土壤磷平衡與空間位移體系磷平衡土壤磷含量土壤干濕交替為主的水旱輪作體系中的磷變化規(guī)律生物量土壤磷空間位移三種不同氮磷供應(yīng)水平（Control/Opt./High）不同輪作體系的氮平衡與損失途徑體系氮平衡通氣密閉法氨揮發(fā)不同輪作體系的氮平衡與損失途徑生物量靜態(tài)箱法N2O損失Opt.-NHighOpt.-P-NHigh-PHighOpt.-N-PWheatgrowthofRice-Wheatrotationplot田間采樣方法通氣密閉法采集氨揮發(fā)干濕沉降儀+Delta系統(tǒng)采集氮沉降原位滲漏盤法測(cè)定土壤氮磷淋洗靜態(tài)箱法測(cè)定N2O排放(Tangetal.,2009;Luoetal.,2013;胡克林，2011)輪作體系處理體系總產(chǎn)量(t/ha)體系總生物量(t/ha)收獲指數(shù)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施肥和輪作對(duì)不同體系生產(chǎn)力的影響(江津)＊

不同體系的Ncon和Nopt的作物年產(chǎn)量相比均沒有顯著差異，N0產(chǎn)量均顯著低于施氮處理，

Nopt收獲指數(shù)最高；＊RW（稻麥）體系總產(chǎn)量顯著高于MW（玉米-小麥）體系。況福虹博士論文(2016)不同種植體系氮肥的去向(15N示蹤法)處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土壤及地下部殘留(kgha-1)15N殘留比例(%)15N損失量(kgha-1)15N損失比例（%）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＊所有種植體系，Ncon對(duì)15N地上部吸收、土壤及地下部（根系）殘留及損失均顯著高于Nopt＊地上部吸收的氮平均有36.4%來自于化肥氮，15N利用率以Nopt>Ncon，說明優(yōu)化施氮可以降低氮肥用量、提高利用率輪作處理肥料氮氮沉降土壤礦化種子秧苗N總收入作物吸收NH3揮發(fā)N2O排放滲漏損失Nr總損失N總支出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不同輪作體系氮素輸入、輸出平衡(kgNha-1)＊N素?fù)p失未包括反硝化中的N2和NOx損失，地表徑流、壤中流、側(cè)滲等，因此本表中的氮素平衡實(shí)際反映了其他損失途徑之和；＊不施化肥，MW和RW均呈現(xiàn)輕微氮虧損的情況，即使環(huán)境氮輸入水平較高，持續(xù)種植而不施化肥氮會(huì)使系統(tǒng)氮虧缺加??；＊相比Ncon,Nopt處理作物吸氮量變化不大，氮素?fù)p失和平衡均大幅度下降，表明各種植體系Ncon水平太高，均存在優(yōu)化空間。MWRWRF

:施肥時(shí)期

:曬田時(shí)期不同種植體系N2O排放動(dòng)態(tài)(江津，2012-14)宿敏敏博士論文(2016)MWRWRF

:施肥時(shí)期

:曬田時(shí)期不同種植體系CH4

排放動(dòng)態(tài)(江津，2012-14)宿敏敏博士論文(2016)不同磷處理下三中種植體系作物產(chǎn)量供磷可以顯著提高小麥（2013）與玉米（2014）的產(chǎn)量，但對(duì)水稻無明顯效果水稻的單產(chǎn)顯著高于小麥與玉米在三種體系當(dāng)中，水旱輪作具有最大的生產(chǎn)力小麥水稻或玉米輪作體系處理肥料投入磷沉降種子秧苗P總輸入作物吸收滲漏損失P總輸出P平衡小麥-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小麥-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肥料投入與植株吸收是影響磷平衡的主要因素水稻對(duì)于土壤磷的挖掘與獲取能力最強(qiáng)，磷平衡在26.2kgPhm-2season-1的條件下仍然處于虧缺狀態(tài)供磷顯著提高了小麥-玉米體系土壤中累積態(tài)磷含量不同輪作體系田塊中，磷的輸入、輸出與平衡（兩周年）（kgPhm-2）不同輪作體系在各時(shí)期土壤分層有效磷含量（優(yōu)化供磷）Wheat-MaizeFallow-RiceWheat-Rice供磷顯著提高旱季作物表層土壤有效磷含量隨著時(shí)間的推移，三種體系中的下層（50-60cm）的土壤磷含量均有一定增加，但程度有所不同水旱輪作體系磷下移顯著2014Soildepth2013第一季施磷后第一季收獲后第二季施磷后第二季收獲后小麥-水稻輪作體系中不同磷處理各時(shí)期土壤分層有效磷含量20132014不同磷處理中，下層或者中層土壤的有效磷含量都有不同程度的升高高磷投入處理下層有效磷含量增加幅度更為顯著不同輪作體系中土壤磷平衡與不同土層中有效磷改變程度相關(guān)性水旱輪作體系盈余的磷淋失到深層土壤（50-60cm）的風(fēng)險(xiǎn)大水旱輪作體系每100kgPhm-2的盈余使下層土壤有效磷的濃度提高0.95mgPkg-1，旱地輪作為0.48mgPkg-1水田連作體系磷的下移趨勢(shì)不明顯4.00

mgPkg-13.57

mgPkg-13.53

mgPkg-10.48

mgPkg-10.95

mgPkg-1ChangesinsoilOlsen-P(mgPkg-1soil)Pbalances(kgPhm-2)0-10cm表層50-60cm下層PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP淹水條件下的土壤磷狀況大量的根分泌物活化土壤磷(有機(jī)酸,酸性磷酸酶等)淹水氧化還原電位降低干旱氧化還原電位升高PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP禾本科旱作條件下的土壤磷狀況豆科旱作條件下的土壤磷狀況耕層深層土壤磷有效性較高擴(kuò)散能力強(qiáng)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破碎有機(jī)質(zhì)積累土壤通氣性差厭氧性細(xì)菌增生pH穩(wěn)定Fe2+，Mn2+土壤磷有效性較低擴(kuò)散能力弱團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成有機(jī)質(zhì)礦化消耗土壤通氣性好需氧性細(xì)菌增生pH相對(duì)不穩(wěn)定Fe3+，Mn4+水稻根系較淺，主要分布在耕層以吸收耕層中的磷為主旱作禾本科作物根系較深，可達(dá)60cm，吸收下層土壤磷淹水條件下相關(guān)土壤理化性狀特征旱地條件下禾本科作物根際土壤相關(guān)理化性狀特征旱地條件下豆科作物根際土壤相關(guān)理化性狀特征土壤磷有效性提高擴(kuò)散能力弱團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成有機(jī)質(zhì)礦化消耗土壤通氣性好需氧性細(xì)菌增生pH相對(duì)不穩(wěn)定Fe3+，Mn4+水旱輪作體系加速磷下移在季節(jié)性干濕交替的背景下，綜合利用各作物根際特征，優(yōu)化根系與根際管理，提高磷利用效率水稻禾本科旱作(如玉米、小麥)豆科旱作(如蠶豆、鷹嘴豆)區(qū)域與體系磷平衡及對(duì)生產(chǎn)力的影響各體系土壤特征不同體系作物根系根際特征紅色字體磷高效特征水旱輪作：根系-根際-土壤--磷的有效性磷肥對(duì)不同輪作體系中水稻的增產(chǎn)效應(yīng)從不同產(chǎn)量水平的磷肥效率來看，兩種輪作方式下的水稻磷肥增產(chǎn)效果都隨著基礎(chǔ)產(chǎn)量的增加而下降，其中不同產(chǎn)量水旱輪作中水稻在施肥后肥效變化不顯著，而水田連作中的水稻當(dāng)不施磷處理的水稻單產(chǎn)低于3487kghm-2時(shí)，其磷肥肥效顯著增加P=0.0008P=