土壤碳氮循環(huán)綜合研究支撐農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展
中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 長(zhǎng)江三角洲跨越江蘇、浙江、上海3省(直轄市),是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)和糧食生產(chǎn)高度集約化的地區(qū),其中太湖平原是長(zhǎng)江三角洲的主體。得益于優(yōu)越的水熱條件,該地區(qū)農(nóng)田主要實(shí)行以水稻為中心的水旱輪作制。由于所處地區(qū)江河湖泊水網(wǎng)密布,土壤主要由河湖沖積物形成,地勢(shì)低洼,歷史上曾面臨漬澇、沙化等問題,造成土壤物理性狀不良、養(yǎng)分有效性低,嚴(yán)重阻礙糧食生產(chǎn)。早在1956年,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所在常州、蘇州、無(wú)錫等地陸續(xù)開展了農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與試驗(yàn)研究,寫出了一系列具有重要價(jià)值的專著。20世紀(jì)80年代,由熊毅院士主持“六五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃“太湖地區(qū)高產(chǎn)土壤的培育與合理施肥的研究”,從土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)特征等科學(xué)數(shù)據(jù)多角度論證了當(dāng)時(shí)盛行的雙季稻三熟制的弊端,用“三三得九,不如二五一十”(將“早稻/晚稻/麥一年三熟”調(diào)整為“稻麥一年兩熟制”)的通俗諺語(yǔ)詮釋了熟制合理運(yùn)籌的重要性,在區(qū)域長(zhǎng)期糧食穩(wěn)增產(chǎn)中發(fā)揮了舉足輕重的作用。“六五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃攻關(guān)結(jié)束后,李慶逵院士、熊毅院士、趙其國(guó)院士、朱兆良院士等提出須建立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的試驗(yàn)站,作為水稻土、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境變化的研究基地。在此背景下,中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(原名中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所太湖農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站,1992年更名,以下簡(jiǎn)稱“常熟站”)于1987年6月應(yīng)運(yùn)而生。
建站后,尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后,面向國(guó)家、區(qū)域?qū)r(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要需求,常熟站依托試驗(yàn)平臺(tái),在土壤物質(zhì)循環(huán)與功能演變、農(nóng)田養(yǎng)分高效與精準(zhǔn)施肥、農(nóng)區(qū)土壤健康與生態(tài)環(huán)境提升等領(lǐng)域開展了卓有成效的科學(xué)觀測(cè)與試驗(yàn)示范工作,逐漸形成了極具特色的土壤氮素循環(huán)、農(nóng)田固碳減排、農(nóng)業(yè)面源污染等優(yōu)勢(shì)研究方向,主持承擔(dān)了大批國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目,取得了一系列有國(guó)際影響力、國(guó)內(nèi)引領(lǐng)性的創(chuàng)新成果,持續(xù)推進(jìn)土壤碳氮循環(huán)理論與技術(shù)向深度和廣度拓展延伸,助力我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。
開展“田塊—區(qū)域—國(guó)家”多尺度長(zhǎng)期、系統(tǒng)觀測(cè)研究,創(chuàng)新和發(fā)展了稻田優(yōu)化施氮的基礎(chǔ)理論與技術(shù)
氮肥既是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)必不可少的農(nóng)用化學(xué)品,又是環(huán)境污染物的主要來(lái)源之一。中國(guó)是水稻大國(guó),種植面積約3 000萬(wàn)公頃,稻谷年產(chǎn)超2億噸,但投入化學(xué)氮肥也高達(dá)630萬(wàn)噸,占全球水稻氮肥消耗1/3,對(duì)大氣、水體等產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)相當(dāng)于水稻施氮增產(chǎn)收益的52%。因此,如何優(yōu)化施氮,協(xié)調(diào)氮肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng)是我國(guó)水稻生產(chǎn)面臨的關(guān)鍵科學(xué)命題。圍繞這一命題,開展稻田氮肥去向及損失規(guī)律、氮肥利用與損失區(qū)域差異及機(jī)制、適宜施氮量確定和推薦方法的研究一直是常熟站長(zhǎng)期堅(jiān)持的基礎(chǔ)性科研工作。
量化了稻田殘留化肥氮的長(zhǎng)期去向
農(nóng)田氮肥有三大去向:作物吸收、土壤殘留和損失。國(guó)內(nèi)圍繞氮肥去向雖然已開展了大量15N示蹤試驗(yàn),但缺少對(duì)殘留氮長(zhǎng)期去向的追蹤。國(guó)際上在長(zhǎng)時(shí)間尺度上追蹤殘留氮去向的研究亦非常罕見,僅見法國(guó)學(xué)者M(jìn)athieu SeBilo等基于甜菜-小麥輪作旱地的30年結(jié)果報(bào)告。該文指出,化肥氮土壤殘留對(duì)地下水環(huán)境影響長(zhǎng)達(dá)百年。對(duì)于稻田,因耕作制與水熱條件不同,其土壤殘留氮肥對(duì)后續(xù)作物氮吸收與環(huán)境影響一直是學(xué)界普遍關(guān)心的問題。
常熟站利用2003年建立的原狀土柱滲漏池,進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)17年的肥料去向追蹤。觀測(cè)結(jié)果確認(rèn)了2個(gè)事實(shí):一方面,如果僅考慮肥料氮的當(dāng)季吸收,會(huì)大幅低估化肥氮的真實(shí)貢獻(xiàn);另一方面,殘留于土壤中的化肥氮大多能被后續(xù)作物持續(xù)利用,再遷移進(jìn)入環(huán)境并產(chǎn)生明顯影響可能性較小。基于此,提出了提高稻田氮肥利用率的“兩步走”原則:阻控當(dāng)季氮肥損失、提高氮吸收;增強(qiáng)土壤保氮能力。上述原則為優(yōu)化施氮、提高氮肥利用率的技術(shù)研發(fā)提供了落腳點(diǎn)(圖1)。
揭示了水稻氮肥利用與損失的區(qū)域差異及原因
我國(guó)水稻種植分布廣,因水肥耕種等管理因素的不同,氮肥利用與損失及其環(huán)境影響迥異。以東北、華東稻區(qū)為例,二者水稻種植面積、稻谷產(chǎn)量合占全國(guó)36%和38%。兩地水稻單產(chǎn)基本相當(dāng),但諸多田間結(jié)果表明東北氮肥利用率要高于全國(guó)其他稻區(qū),這一差異被學(xué)者所熟知,但其背后原因并不清楚。
利用區(qū)域數(shù)據(jù)整合—田塊與土壤互置盆栽觀測(cè)—室內(nèi)示蹤等綜合研究方法,在明確水稻氮肥利用與損失的區(qū)域差異(圖2),量化氣候、土壤、管理(施氮量)對(duì)氮利用與損失的影響貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,揭示出東北水稻氮肥利用率優(yōu)于華東的主要原因。東北水稻維持高產(chǎn)所需吸氮量低,而對(duì)吸收氮形成稻谷產(chǎn)量的生理效率高;東北水稻土礦化、硝化弱,損失少,能提高土壤銨態(tài)氮存留,契合水稻的銨偏好,且肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)明顯,可提供更多礦化氮和保持較高土壤供保氮水平。這些新認(rèn)識(shí),解答了東北水稻氮肥利用率高于華東水稻的主要原因,為高氮投入地區(qū)稻田優(yōu)化施氮、降低環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)提供方向依據(jù)。
創(chuàng)建了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化的水稻適宜氮量分區(qū)確定方法
優(yōu)化施氮是推動(dòng)農(nóng)田氮素良性循環(huán)的關(guān)鍵,確定作物的氮肥適宜施用量是優(yōu)化施氮的前提。現(xiàn)行施氮量?jī)?yōu)化途徑有兩類:通過(guò)土壤和/或植株測(cè)試直接確定滿足作物所需的適宜施氮量,但我國(guó)以小農(nóng)戶種植和分散經(jīng)營(yíng)為主,田塊小而多,復(fù)種指數(shù)高茬口緊,該途徑耗時(shí)耗力,投入較高,當(dāng)前較難大面積推行;以產(chǎn)量/施氮量田間試驗(yàn)為基礎(chǔ),確定邊際效應(yīng)最大化的平均適宜施氮量作為區(qū)域推薦,具有綱舉目張、簡(jiǎn)便易掌握的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),但多以產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益為施氮量確定依據(jù),忽略了環(huán)境效益,不符合水稻可持續(xù)生產(chǎn)的新時(shí)代要求。動(dòng)員數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的小農(nóng)戶氮肥減施是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn),也需要對(duì)小農(nóng)戶氮肥優(yōu)化面臨的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境影響進(jìn)行權(quán)衡分析,以滿足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益多目標(biāo)協(xié)同。
針對(duì)這一難題,常熟站研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了以經(jīng)濟(jì)(ON)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)(EON)指標(biāo)為優(yōu)化依據(jù)的水稻適宜氮量分區(qū)確定方法。區(qū)域施氮量?jī)?yōu)化可保障我國(guó)2030年2.18億噸水稻總產(chǎn)能需求下,減少氮肥投入10%—27%,減排活性氮7%—24%。大范圍田塊驗(yàn)證表明,區(qū)域氮量?jī)?yōu)化可在85%—90%的點(diǎn)位上實(shí)現(xiàn)水稻基本平產(chǎn)或增產(chǎn),90%—92%點(diǎn)位上做到收益大體持平或增加,93%—95%點(diǎn)位上實(shí)現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益無(wú)明顯降低或提高,同時(shí)提高氮肥利用率30%—36%。此外,從科技、管理、政策3個(gè)層面提出了構(gòu)建全國(guó)尺度產(chǎn)量—施氮量動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)和“控氮”決策智能管理系統(tǒng),建立氮肥配額管理與實(shí)名購(gòu)買定額使用制度,出臺(tái)普遍優(yōu)化氮量激勵(lì)補(bǔ)貼(面向全國(guó)水稻種植戶的補(bǔ)貼總額僅為水稻產(chǎn)值、增產(chǎn)收益和環(huán)境收益的3%、11%和65%)等建議,為國(guó)家推動(dòng)農(nóng)業(yè)減肥增效與綠色發(fā)展提供自上而下的決策依據(jù)(圖3)。
系統(tǒng)開展我國(guó)主糧生產(chǎn)體系碳減排技術(shù)途徑研究,為推動(dòng)農(nóng)業(yè)碳中和實(shí)現(xiàn)提供科技支撐
糧食生產(chǎn)是我國(guó)重要的溫室氣體排放(簡(jiǎn)稱“碳排放”)源,主要?dú)w因稻田甲烷(CH4)排放,氮肥施用引起的土壤氧化亞氮(N2O)排放,以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致的二氧化碳(CO2)排放。“雙碳”戰(zhàn)略背景下,針對(duì)碳中和碳達(dá)峰國(guó)家重大需求,解析我國(guó)糧食生產(chǎn)碳排放的調(diào)控機(jī)制和時(shí)空特征,量化固碳減排措施的潛力,明確碳中和實(shí)現(xiàn)路徑,對(duì)于發(fā)展綠色低碳農(nóng)業(yè)和緩解氣候變化具有重要意義。
明確了我國(guó)主糧生產(chǎn)碳排放的時(shí)空格局
水旱輪作(夏季水稻—冬季小麥)是太湖地區(qū)主要的水稻生產(chǎn)輪作制度。當(dāng)前氮肥大量施用及秸稈直接還田在保證糧食產(chǎn)量的同時(shí),促進(jìn)了CH4和N2O的大量排放。常熟站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果顯示,長(zhǎng)期秸稈還田下,太湖地區(qū)稻田CH4排放量高達(dá)290—335 kg CH4 hm-2,高于國(guó)內(nèi)其他水稻產(chǎn)區(qū)的排放量。雖然秸稈還田能夠提高稻田土壤有機(jī)碳固定速率,但從綜合溫室效應(yīng)分析,秸稈還田引起的稻田CH4排放溫室效應(yīng)的增幅是土壤固碳效果的2倍多,因此顯著加重了溫室效應(yīng)。即使在旱地(小麥季)還田,秸稈對(duì)土壤N2O排放的促進(jìn)效應(yīng),也能夠抵消掉30%的土壤固碳效果。稻季N2O的直接和間接排放則隨著化學(xué)氮肥施用量增加而呈現(xiàn)指數(shù)式增加。
在全國(guó)層面,常熟站研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了主糧作物碳排放估算模型。2005年我國(guó)水稻、小麥和玉米生產(chǎn)過(guò)程的碳排放總量為5.8億噸CO2當(dāng)量,占農(nóng)業(yè)源總排放量的51%。2018年碳排放總量增加到6.7億噸,排放占比增加到56%(圖4)。不同作物排放差異巨大,水稻生產(chǎn)貢獻(xiàn)最大(占比57%),其次是玉米(29%)和小麥(14%)生產(chǎn)。按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)分類,稻田CH4排放是我國(guó)主糧生產(chǎn)碳排放的最大貢獻(xiàn)源,占比38%,其次是化學(xué)氮肥生產(chǎn)過(guò)程能耗CO2排放(占比31%)和氮肥施用引起的土壤N2O排放(占比14%)。我國(guó)主糧生產(chǎn)碳排放呈現(xiàn)顯著的空間差異,整體呈現(xiàn)“東重西輕”和“南重北輕”的格局(圖4)。稻田CH4排放及氮肥用量的區(qū)域差異是驅(qū)動(dòng)碳排放空間變異的主要因素。稻田甲烷排放和氮肥施用等引起的強(qiáng)碳源效應(yīng)是土壤固碳效應(yīng)的12倍,表明亟需采取合理的農(nóng)田管理措施減少稻田甲烷排放,優(yōu)化氮肥管理,提高土壤固碳效果。
提出了我國(guó)糧食生產(chǎn)碳中和的技術(shù)路徑
優(yōu)化秸稈和動(dòng)物有機(jī)肥還田方式,降低有機(jī)物料中易分解碳含量,提高木質(zhì)素等難分解碳含量,能夠有效控制稻田甲烷排放,并提高土壤固碳效果。如果綜合考慮溫室效應(yīng),在稻田施用作物秸稈和動(dòng)物有機(jī)肥,單位有機(jī)物碳輸入分別顯著促進(jìn)了凈碳排放1.33和0.41 t CO2-eq·t-1,旱地施用則分別減少了凈碳排放0.43和0.36 t CO2-eq·t-1·yr-1。如果將秸稈和有機(jī)肥碳化成生物炭還田會(huì)將其對(duì)稻田凈碳排放的正效應(yīng)轉(zhuǎn)為負(fù)效應(yīng),并大幅提升旱地土壤的碳匯能力。除此以外,基于“4R”策略(適宜氮肥類型,合理施用量、施用時(shí)期、施用方法)的氮肥優(yōu)化管理措施,如高效氮肥、氮肥深施及測(cè)土配方施肥等,能夠通過(guò)有效協(xié)同土壤氮和肥料氮供應(yīng)與作物需氮之間的關(guān)系,大幅減少N2O直接和間接排放。
糧食生產(chǎn)溫室氣體排放之間存在的此消彼長(zhǎng)效應(yīng),表明碳氮耦合優(yōu)化管理是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳減排協(xié)同的關(guān)鍵。常熟站研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加秸稈還田比例(從當(dāng)前的44%提高到82%)、采用間歇灌溉及氮肥優(yōu)化管理的3個(gè)減排措施集合(減排方案1),我國(guó)主糧生產(chǎn)總碳排放能夠從2018年的6.7億噸CO2當(dāng)量減少到5.6億噸,減排比例為16%,無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳中和。如果進(jìn)一步優(yōu)化減排措施,將減排方案1中的秸稈炭化為生物炭還田并保持其他措施不變(減排方案2),我國(guó)主糧生產(chǎn)總碳排放將從5.6億噸降低至2.3億噸,減排比例提高到59%,但仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳中和。如果在減排方案2的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將生物炭生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的生物油和生物氣捕獲后發(fā)電實(shí)現(xiàn)能源替代(減排方案3),主糧生產(chǎn)總碳排放將從2.3億噸降低至—0.4億噸,可實(shí)現(xiàn)碳中和(圖5)。未來(lái)需要完善和規(guī)范碳交易市場(chǎng),優(yōu)化生物炭熱解工藝,建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,激勵(lì)農(nóng)民采用生物炭及氮肥優(yōu)化管理措施,推動(dòng)農(nóng)業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)。
開展了南方多水體面源污染成污機(jī)制、模型模擬與決策支持研究,助力美麗田園建設(shè)與鄉(xiāng)村振興
我國(guó)南方地區(qū)氮肥施用強(qiáng)度大、降雨豐沛、水系發(fā)達(dá),農(nóng)業(yè)面源污染防控一直是區(qū)域環(huán)境領(lǐng)域熱點(diǎn)科學(xué)問題。常熟站是我國(guó)最早開展面源污染研究的站點(diǎn)之一,馬立珊等早在20世紀(jì)80年代就開展田間實(shí)驗(yàn)與野外調(diào)查,完成了《蘇南太湖水系農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮污染及其控制對(duì)策研究》。2003年,由朱兆良院士主持的中國(guó)環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)項(xiàng)目“中國(guó)種植業(yè)的非點(diǎn)源污染控制對(duì)策研究”,首次對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀、問題、對(duì)策進(jìn)行了梳理。結(jié)合“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(以下簡(jiǎn)稱“水專項(xiàng)”)和太湖地區(qū)面源污染防控的長(zhǎng)期實(shí)踐,楊林章等率先在全國(guó)提出面源污染治理的“4R”理論,源頭減量(Reduce)、過(guò)程阻斷(Retain)、養(yǎng)分再利用(Reuse)和生態(tài)修復(fù)(Restore)。這些實(shí)踐與技術(shù)為我國(guó)面源污染治理與水環(huán)境改善作出杰出的貢獻(xiàn)。
第二次污染普查結(jié)果表明,我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染依然嚴(yán)重,尤其是南方多水體地區(qū)。針對(duì)當(dāng)前面源污染防控存在的效率不高、技術(shù)效果不穩(wěn)定等問題,深入理解我國(guó)南方多水體區(qū)域面源氮成污機(jī)制,構(gòu)建本土化的面源污染模型,進(jìn)而提出高效的管控決策具有重要意義。
明確了水體反硝化消納的影響機(jī)制
小微水體(溝渠、池塘、溪流等)廣泛分布是我國(guó)南方稻作農(nóng)業(yè)流域的典型特點(diǎn),也是面源氮消納的主要場(chǎng)所。反硝化作用是水體氮素消納的主要過(guò)程,但水體反硝化受到水力和生物因素共同影響,過(guò)程較為復(fù)雜。基于前期構(gòu)建的淹水環(huán)境膜進(jìn)樣質(zhì)譜方法,研究首先明確了靜態(tài)條件下反硝化速率的影響因素。結(jié)果表明,小微水體氮素去除能力由水體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和人為管理措施共同決定,處于上游的水體(溝渠)氮素去除能力大于處于下游的水體(池塘和河流),植被的存在會(huì)增強(qiáng)水體氮素去除能力,半硬化和完全硬化都降低溝渠氮素去除能力(圖6)。幾乎所有水體氮素去除速率都與水體硝態(tài)氮濃度(NO3?)顯著相關(guān),表明一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程可以較好地模擬小微水體氮素去除過(guò)程。但是,不同水體類型一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)常數(shù)k變異顯著,k由水體DOC和DO濃度共同決定。基于上述研究,常熟站研究團(tuán)隊(duì)分別估算了太湖和洞庭湖環(huán)湖區(qū)小微水體的氮素去除能力,發(fā)現(xiàn)小微水體可以去除太湖流域43%、洞庭湖環(huán)湖區(qū)68%的水體氮素負(fù)荷,是氮素去除的熱區(qū)。
為了進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)條件下的水力因子(如流速等)對(duì)水體反硝化速率的影響,自主研發(fā)了水動(dòng)力調(diào)控裝置,結(jié)合氣體擴(kuò)散系數(shù)估算水體反硝化速率的方法,研究發(fā)現(xiàn)在0—10 cm·s?1的流速范圍內(nèi),隨流速增加,水體反硝化速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。無(wú)論是否種植植物,反硝化速率的最大值均出現(xiàn)在流速為4 cm·s?1時(shí),最小值均出現(xiàn)在流速為0 cm·s?1時(shí)。流速增大引起的溶解氧飽和率升高是限制水體反硝化速率的關(guān)鍵因子。此外,由于植物的光合作用和呼吸過(guò)程,夜間水體的反硝化速率顯著高于白天。
構(gòu)建了南方稻作流域農(nóng)業(yè)面源污染本土化模型
基于上述研究,現(xiàn)有面源污染模型由于不能充分模擬小微水體,尤其是水體位置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)氮素消納與負(fù)荷的影響,可能導(dǎo)致模型模擬的不精準(zhǔn)。為了進(jìn)一步證明和量化水體位置的影響,構(gòu)建了包含水體位置和面積因子的流域面源負(fù)荷概念模型。通過(guò)流域內(nèi)水體分布的隨機(jī)數(shù)學(xué)試驗(yàn),結(jié)果表明,不管水體的消納速率如何,水體位置的重要性都要高于面積的重要性,該結(jié)論得到了句容農(nóng)業(yè)流域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。
為進(jìn)一步耦合水體位置和水體消納過(guò)程,實(shí)現(xiàn)流域面源污染全過(guò)程的分布式模擬,開發(fā)了面源污染“農(nóng)田排放—沿程消納—水體負(fù)荷”模型新框架。該模型框架可以考慮各個(gè)小微水體和污染源之間的層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和空間相互作用,模型以圖文理論和拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ),提出基于“源→匯”遷移路徑的沿程線狀水體(溝、河)和面狀水體(塘、庫(kù))表征方法,以及基于“匯→源”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的土地利用之間連通性和包含關(guān)系表征方法(圖7)。可以實(shí)現(xiàn)多水體農(nóng)業(yè)流域面源污染負(fù)荷量與消納量分布式模擬。該方法所需參數(shù)少、操作簡(jiǎn)單、模擬結(jié)果可靠,尤其適合多水體農(nóng)業(yè)復(fù)雜流域。
目前,該模型已經(jīng)申請(qǐng)流域面源污染模擬、評(píng)價(jià)、管理平臺(tái)[NutriShed SAMT] V1.0 軟件著作權(quán)專利。在全國(guó)10余個(gè)區(qū)域開展應(yīng)用驗(yàn)證,為流域面源污染的智慧管理如生態(tài)濕地選址、農(nóng)場(chǎng)選址、污染物路徑追蹤、減排策略分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、水質(zhì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等提供新的途徑。同時(shí),浙江大學(xué)與常熟站研究團(tuán)隊(duì)合作,應(yīng)用拓展該模型模擬我國(guó)城市化、大氣沉降等對(duì)水體污染的影響。相關(guān)研究推動(dòng)了南方農(nóng)業(yè)流域面源污染精細(xì)化源解析與決策支持的實(shí)現(xiàn)。
為重大科技任務(wù)順利實(shí)施提供重要保障
作為長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的重要野外基地,常熟站始終堅(jiān)持“觀測(cè)、研究、示范、共享”的野外站功能,為該區(qū)域一大批國(guó)家重大科技任務(wù)的實(shí)施提供科研儀器、觀測(cè)數(shù)據(jù)與支撐保障。近10年來(lái),常熟站堅(jiān)持科學(xué)觀測(cè)研究契合國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的目標(biāo),積極爭(zhēng)取承擔(dān)相關(guān)國(guó)家科技任務(wù),依托常熟站先后獲批并實(shí)施了包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A、B類)、國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)聯(lián)合基金及國(guó)際合作項(xiàng)目、江蘇省重大創(chuàng)新載體建設(shè)項(xiàng)目等在內(nèi)的多項(xiàng)科研項(xiàng)目。當(dāng)前,常熟站充分發(fā)揮自身在土壤養(yǎng)分調(diào)控與固碳減排方面的研究?jī)?yōu)勢(shì),積極組織力量承擔(dān)相關(guān)專項(xiàng)工作,正在開展的蘇北濱海鹽堿地消障提質(zhì)與產(chǎn)能提升科技攻關(guān),可為蘇北濱海鹽堿地高效治理與特色利用提供有效方案。未來(lái),常熟站將繼續(xù)努力在積極服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和地方發(fā)展中不斷展現(xiàn)新?lián)?dāng)、實(shí)現(xiàn)新作為。
結(jié)語(yǔ)
近年來(lái),常熟站發(fā)揮傳統(tǒng)科研觀測(cè)優(yōu)勢(shì),在我國(guó)農(nóng)田綠色可持續(xù)生產(chǎn)面臨的優(yōu)化施氮、固碳減排與面源污染防治基礎(chǔ)理論與技術(shù)創(chuàng)新方面取得原始突破,顯著提升了野外臺(tái)站的競(jìng)爭(zhēng)力,為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了重要科技支撐。
未來(lái),常熟站將秉持“貢獻(xiàn)、責(zé)任、無(wú)私、情懷、專注、極致、創(chuàng)新、引領(lǐng)”精神,針對(duì)“美麗中國(guó)”“藏糧于地、藏糧于技”“鄉(xiāng)村振興”和“雙碳”等國(guó)家戰(zhàn)略需求,聚焦長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境問題,繼續(xù)整合資源,優(yōu)化布局,集聚多學(xué)科人才,持續(xù)深化土壤物質(zhì)循環(huán)與功能演變、農(nóng)田養(yǎng)分高效與精準(zhǔn)施肥、農(nóng)區(qū)土壤健康與生態(tài)環(huán)境提升3方面觀測(cè)研究,力爭(zhēng)建成國(guó)際知名、國(guó)內(nèi)一流的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤與生態(tài)環(huán)境科學(xué)監(jiān)測(cè)、研究、示范與科普服務(wù)平臺(tái),為區(qū)域乃至全國(guó)土壤健康、糧食安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科技創(chuàng)新支撐。
(作者:趙旭、夏永秋、顏曉元,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所 中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)南京學(xué)院;夏龍龍,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿)