1.2.6　農業面源氮磷污染特征研究

1.2.6.1　農田生態系統氮污染效應

氮是大氣圈含量最豐富的元素，也是農業和自然陸地生態系統植物光合作用和初級生產力過程最受限制的元素之一（Mooney et al.，1987），農田生態系統氮素循環過程中產生重要的環境污染效應（Vitousek et al.，1997）。農田生態系統氮循環包含生物和非生物過程，主要包括作物含氮，土壤有機氮的礦化、硝化、反硝化、分解、吸附、淋溶、徑流等，而這些過程又涉及氮的多種形態和化合物，整個循環具有復雜的途徑和轉移路線（圖1-1）。農田生態系統中氮素平衡的盈虧是決定土壤養分水平消長的直接表現，因此，農田氮平衡被認定是土壤養分水平發展趨向的根本依據（魯如坤等，1996）。現在農田生態系統氮素輸入主要以施肥為主，作物殘體還田為輔，并因不同地域與生態類型區有自生固氮和干濕沉降氮向農田生態系統輸入數量不等的少量氮素。氮素的輸出除作物吸收外，還通過氨揮發、反硝化、淋溶、徑流等多種途徑進入大氣或水體中。

圖1-1　農田生態系統氮循環與污染途徑

長期不合理施肥導致農田土壤生態環境惡化，資源利用率下降，最終會引發農田生態系統可持續生產力減弱和區域生態環境質量降低等一系列問題（楊林章等，2008）。近20多年來，由于我國農田養分施用不平衡、施用方法不合理，致使我國農田面源污染問題日益嚴重，很多地區地下水出現了不同程度的硝酸鹽污染，河流的富營養化問題也日趨嚴重，尤其是沿海發達地區。農業面源污染嚴重影響了土壤、水體和大氣的環境質量。Novotny和Chesters（1981）指出農業面源污染是導致水環境惡化的重要原因。Daniel等（1998）也指出，農業面源污染是湖泊和河流污染物的主要來源之一，其污染源占湖泊和河流營養物質負荷總量的60%～80%，農業生態系統中的養分流失是水體硝酸鹽污染的主要來源，也是磷的第二大來源（全為民等，2002）。

1.2.6.2　農田生態系統磷污染效應

磷是典型的沉積型循環物質，陸地生態系統天然植被系統磷循環是封閉的。對于農田生態系統來說，磷素循環是開放的（圖1-2）。為了獲得持續穩定的作物產量，人們需要不斷地施用磷肥，肥料進入土壤后分成兩部分，其中大部分因土壤的固定作用而積累起來，其余部分存在于土壤中，當可溶性磷因作物吸收或因雨水淋溶而損失后，由土壤中的化學平衡以及土壤生物的溶解和礦化作用會迅速進行補充。而被土壤固定的磷則會有相當一部分被淋溶或徑流到水體中，使磷循環變成了不完全循環，帶來一系列的環境問題（周志紅，1996；Gaudreau，2002；Turner et al.，2015），同時農業生產加速了磷素從農田生態系統向水生態系統的轉移和流動（Shigaki et al.，2006；李瑞鴻等，2010；郭智等，2019）。土壤-作物系統的磷素轉化與循環在研究的徑流磷流失與平衡的機理中十分重要，并為預測土壤磷素流失的潛在可能性以及控制磷的流失源方面提供理論依據。

圖1-2　農田生態系統磷循環與污染途徑

土壤中的磷主要通過地表徑流、土壤侵蝕及滲漏淋溶途徑進入水體。地表徑流種磷素按流失方式分為徑流攜帶和侵蝕泥沙兩大類（Zheng et al.，2004）。有研究表明，農田中磷肥約5%擴散到大氣中，植物吸收7%～15%，土壤固定55%～75%，隨徑流流失5%～10%，滲漏流失<1%（Waddell et al.，1988）。磷還可以通過滲漏淋溶進入地下水，但由于土壤，特別是下層土壤有足夠的吸持磷的能力，對作物的有效性很低，實際上進入地下水的磷很少（Qin et al.，2013）。也有研究表明，有機磷在土壤中較易移動，有可能隨灌溉水移動到較深的底層土壤（晏維金等，1999），不同的施肥類型和施肥方式對磷的損失影響較大（陳秋會等，2016；焉莉等，2018）。此外，由于磷肥由磷礦石加工而成，因此磷肥中含有Cd、F、Pb和As等重金屬元素和放射性物質，長期施用也會導致土壤污染。