区域农业面源氮磷迁移转化过程及其污染特征

1.环境领域的重要研究方向，农业面源污染研究与耕地保护、粮食安全，人类健康息息相关，响应了国家新增千亿斤粮食计划，通过研究物质迁移转化过程揭示氮磷运移的影响，进而从微观角度把握污染机制，有利于解决农业面源污染问题。 2.参考性，本书对研究实验分析过程进行了详细的描述，对相关领域国内外先进研究成果进行了综述，有助于从事农业源污染研究的专业人士把握该领域的研究进展，加深对农业面源污染的理解。 3.专业性，本书将农业生产和水文过程、土壤氮磷迁移转化过程相结合，从不同尺度范围分析了土壤氮磷转化迁移过程，提出了农田氮磷的优化措施，为相关研究提出了一种新颖的视角。

由于农业发展所引发的生态环境问题已在世界范围内引起高度重视，特别是化肥农药的过量施用，造成大量氮磷等随降水或灌溉用水进入水体，形成面源污染。在国内外诸多流域中，面源污染负荷甚至已经超过点源污染，成为水体污染的主要来源之一。我国由于人口众多而耕地有限，为满足巨大的粮食需求，党的十七届三中全会提出“加快落实全国新增千亿斤粮食生产能力建设规划”“全国大粮仓，拜托黑龙江”等。为配合国家新增千亿斤粮食计划，在《黑龙江省千亿斤粮食生产能力战略工程规划》中指出，以加快推进水利化、农机化、水稻大棚育秧、中低产田改造、耕地保护与土地整理等专项工程建设作为主要手段，不断新增水田灌溉面积。同时化肥施用量的提高、灌溉条件的改善等，进一步加大了土地开发力度，通过农业发展扩张改变了区域生态系统结构，进而引发了农业面源污染问题。
本书以农业发展扩张过程为背景，从田间、流域及区域尺度探讨农业生产过程中土壤氮磷迁移转化过程及其污染特征。将地面定点实验监测、室内实验和模型模拟技术相结合探明区域的土壤氮磷运移过程，通过物质迁移转化过程描述农业活动对土壤、水和大气环境的作用机理，将微观和宏观对象结合以研究人类活动对氮磷运移的影响及其污染特征是本书的特色。本书内容主要包括区域农田土壤氮磷平衡及其优化调整、农业活动对土壤氮磷迁移转化的影响、氮磷在土水界面的迁移转化过程、氮磷迁移转化的污染特征以及优化管理措施等。具体内容如下：
① 建立土壤氮磷平衡核算方法，分析氮磷平衡状态，探讨土壤氮磷失衡原因并提出优化调整方案。通过研究揭示区域农业生产中农田土壤氮磷平衡状态；以三江平原为研究对象，展开农田土壤氮磷平衡的实例分析及找出失衡原因。
② 土壤质量是区域粮食安全及农业可持续发展的保障。近几十年来，大规模农业开发带来了大规模的土地利用/覆被和景观格局变化，土壤氮磷迁移对土地利用和植被类型变化产生响应，并发生转化。研究内容为：土地利用变化和植被类型变化对土壤氮磷异质性分布的影响；在土壤微生物作用下土壤碳氮元素发生转化的潜力。
③ 在区域和流域尺度自然降水条件下，研究不同土地利用方式下的降雨地表径流氮磷流失情况；以典型农田生态系统水文特征为研究对象，探明土壤水分的分布特征，分析土壤水对氮磷的迁移机制，分析作物生长季农田土壤氮磷流失潜能。
④ 以农业面源氮磷迁移转化为基础，分析其污染特征，主要包括气温变化、全球变暖潜势，生态服务价值功能变化，水环境承载力评价以及土壤环境质量的变化情况等。
⑤ 通过氮磷迁移转化污染特征研究，借鉴欧洲、美国、加拿大和日本等国家和地区农业面源氮磷治理经验，为区域农业面源污染治理和农业生态系统的可持续发展提供科学依据。
本书将农业生产和水文过程与土壤氮磷迁移转化相结合来分析土壤氮磷平衡情况；从区域、流域和农田尺度探明土壤氮磷迁移转化过程，并分析环境效应；最终提出农田氮磷的优化管理措施，为人们全面、科学、客观地认识农业活动与区域氮磷迁移转化及其污染特征的关系提供了新的研究方向和视角。
本书由来雪慧著；卫新峰、单玉书、陈思杨、周晔等参与了资料收集和整理等工作。在此特别感谢郝芳华教授、欧阳威教授，图书内容涉及的诸多科研是在他们的谆谆教导下完成的，并受到他们对待科研工作严格要求、认真负责的态度和一丝不苟的敬业精神的影响。同时感谢太原工业学院环境与安全工程系的同事在工作中的支持以及对图书撰写的协助。
本书的主体内容源于山西省高等学校科技创新项目“汾河流域农业面源氮磷迁移转化过程及其污染特征研究（2019L0917）”“农业活动影响下的寒地土壤氮和有机碳运移机制及规律研究（2014151）”以及国家自然科学基金项目“三江平原农业活动胁迫下的区域生态环境过程及安全调控研究（40930740）”等科研项目的成果，并得到其资助出版。
本书从农田面源污染的角度描绘了农田土壤氮磷在水体作用下的迁移转化，是涉及环境科学、土壤学、生态学的跨学科研究。限于著者水平及编写时间，书中存在不足和疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

著者
2020年6月

来雪慧，太原工业学院环境与安全工程系副教授，北京师范大学环境学院博士研究生，从事农业面源研究，承担了农业活动影响下的寒地土壤氮和有机碳运移机制及规律研究、汾河流域农业面源氮磷迁移转化过程及其污染特征研究等项目，发表SCI、EI论文4篇，核心期刊以上论文10篇。

本书以农业发展扩张过程为背景，从田间、流域及区域尺度探讨农业生产过程中土壤氮磷迁移转化过程及其污染特征，主要内容包括绪论、区域农田土壤氮磷平衡、农业活动影响下的土壤氮磷迁移转化、土水界面的氮磷迁移研究、区域农业面源污染特征及环境效应、结论和污染防治分析等。
本书具有较强的系统性和针对性，可供从事农业面源污染防控等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程及相关专业师生参阅。

第1章绪论1
1.1农业面源污染情况与研究意义1
1.1.1农业面源污染情况1
1.1.2农业面源污染研究意义2
1.2国内外研究现状4
1.2.1氮磷养分资源管理4
1.2.2氮磷在土水界面的迁移转化研究5
1.2.3土壤碳氮转化研究6
1.2.4区域农业面源污染研究7
1.2.5氮磷运移的模型模拟研究8
1.2.6农业面源氮磷污染特征研究9
1.3研究目标与内容11
1.3.1研究目标11
1.3.2研究内容11
1.4研究方法12
1.4.1资料收集与实地调查12
1.4.2实验监测方案12
1.4.3样品采集及实验测定13
1.4.4数学模型与统计方法13
1.5技术路线14
1.6研究特色14

第2章区域农田土壤氮磷平衡16
2.1研究区概况16
2.1.1自然环境状况16
2.1.2社会经济现状19
2.2土壤氮磷平衡核算研究20
2.2.1核算方法构建20
2.2.2氮磷输入项21
2.2.3氮磷输出项22
2.2.4土壤氮磷平衡核算结果分析26
2.3土壤氮磷平衡核算结果对比分析33
2.3.1方法对比33
2.3.2土壤养分审计方法结果34
2.4土壤氮磷平衡核算结果与试验结果的对比分析37
2.4.1长期监测数据对比分析37
2.4.2与农业开发前土壤氮磷含量变化结果对比验证39
2.5土壤氮磷失衡分析41
2.5.1氮磷输入和输出量特征41
2.5.2吸收输入比特征43
2.5.3氮磷比特征分析44
2.6土壤氮磷输入的优化管理措施44
2.6.1氮磷吸收模拟方程44
2.6.2作物吸收、吸收输入比、残留和损失量与氮磷输入量的响应关系45
2.6.3氮磷输入调整的优化方案47
2.7不确定性分析48

第3章农业活动影响下的土壤氮磷迁移转化52
3.1研究区概况52
3.1.1自然环境状况52
3.1.2社会经济现状58
3.2农业耕作下的土壤氮磷含量变化特征59
3.2.1土壤氮磷含量的特征分析59
3.2.2土地利用变化的驱动因子的选择60
3.2.3土壤氮磷对土地利用变化的响应67
3.2.4土地利用变化对土壤氮磷迁移转化的影响69
3.3土壤呼吸作用80
3.3.1土地利用变化下的土壤呼吸作用80
3.3.2农作物类型变化下的土壤呼吸作用95
3.4土壤硝化作用106
3.4.1实验方法106
3.4.2土地利用变化下的土壤硝化作用107
3.4.3农作物类型变化下的土壤硝化作用116

第4章土水界面的氮磷迁移研究125
4.1不同下垫面降雨径流污染特征研究125
4.1.1样品采集和实验方法125
4.1.2不同下垫面降雨径流污染负荷126
4.1.3径流污染与其他区域的比较129
4.2流域降雨地表径流的氮磷流失研究130
4.2.1流域概况130
4.2.2采样点选择131
4.2.3径流样品采集和实验分析131
4.2.4模型方法133
4.2.5结果分析135
4.3田间水文特征影响下的氮磷流失研究143
4.3.1作物生长季土壤氮磷迁移特征研究143
4.3.2作物生长季吸氮和土壤氮磷储量变化特征研究149

第5章区域农业面源污染特征及环境效应155
5.1气候变化及全球变暖潜势155
5.1.1气候变化特征分析155
5.1.2全球变暖潜势动态变化160
5.2生态系统服务价值164
5.2.1生态系统服务价值的分配164
5.2.2生态系统服务价值的计算166
5.2.3结果分析166
5.3水资源承载力172
5.3.1评价方法172
5.3.2评价结果与分析176
5.4土壤环境质量179
5.4.1土壤肥力质量空间变异179
5.4.2土壤质量综合评价183
5.5区域生态安全指数分析185
5.5.1研究框架185
5.5.2评价指标体系的构建185
5.5.3数据来源和处理186
5.5.4权重的确定187
5.5.5生态安全指数188
5.5.6结果与分析189
5.6农业面源污染特征191
5.6.1农业面源污染压力负荷估算191
5.6.2农业面源污染物绝对排放量193
5.6.3农业面源污染物等标排放量193
5.6.4农业面源污染物相对排放系数195
5.6.5农业面源污染情况195
5.7农业面源污染管理的国际经验196
5.7.1美国197
5.7.2欧盟198
5.7.3日本199
5.7.4其他国家199

第6章结论及污染防治分析201
6.1结论201
6.1.1农田土壤氮磷平衡201
6.1.2土壤氮磷的迁移转化202
6.1.3土水界面的氮磷迁移203
6.1.4农业面源污染特征204
6.2污染防治分析205
6.2.1农田面源污染防治205
6.2.2畜禽养殖污染治理206
6.2.3流域农业面源污染防控206
6.2.4新型氨氮材料207
6.2.5农业面源污染综合防治战略207

参考文献208