CN103324851B - 一种用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法。该方法包括当1.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜2.0g/kg，且C₀/N₀＜10时，需对土壤增碳；当2.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量≤3.0g/kg，且C₀/N₀＜10时，需对土壤减氮；当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＞3.0g/kg，且C₀/N₀＜10时，需对土壤增碳减氮；当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜1.0g/kg，且C₀/N₀＜10时，需对土壤增碳增氮。该方法在保障作物正常生长下，能使土壤硝酸盐等、田面水总氮、无机氮、土壤100cm处渗滤水NO₃ ^--N浓度大幅度下降。

Description

一种用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法

技术领域

本发明涉及农业环保技术领域，具体是一种控制农田土壤氮素面源污染的以碳控氮方法。

背景技术

农田的面源污染问题已经成为了我国的一个重要的环境问题，农田的氮磷流失是引起水体富营养化的重要原因。现有技术对农田土壤氮素面源污染的控制主要是从减少氮素投入或者改变氮素形态入手，致使存在控制氮素面源污染效果不理想、有导致农作物减产的风险等缺陷和不足。

目前，很少将土壤碳素的研究应用到氮素的面源污染控制上来，研究利用土壤碳素管理来寻找协调作物高产、氮素高效利用、降低氮素污染源强的氮素管理措施。土壤有机碳既是植物营养的汇，也是源。通过土壤大量的碳素补充，可以形成一个地区特定时间和空间上的土壤“碳汇”，“碳汇”的存在可引起该区域土壤“氮汇”功能的增强，这可以在区域尺度的农田土壤中筑起了一道无形的“碳坝”，阻止了土壤中氮素的大量流失。本发明利用土壤碳素对氮素转化调节的功能，为土壤氮素管理提供了一个新的视角和技术支撑，提出了以碳控氮，即用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法。土壤碳素对氮素的保护与释放体现了土壤碳氮转化过程辩证统一的思想，这一方法有助于进一步揭示和理解土壤中复杂的碳氮关系和调控机制；本发明方法有别于以往方法更注重土壤氮素对碳素的影响，或只注重氮素本身，很少有将碳氮结合起来研究的现状，对农田土壤氮素的管理具有借鉴意义；针对目前我国发展低碳经济、节能减排方针，本发明为发展低碳农业提供了理论支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有农田氮素面源污染的控制技术主要是从减少氮素投入或者改变氮素形态等方面进行，存在控制氮素面源污染效果不理想、有导致农作物减产的风险等缺陷和不足，其目的是提供一种在不影响农作物正常生长的情况下，用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法。

本发明所提供的一种用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法，包括以下步骤：

（1）土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

土壤初始碳储量的计算公式为：C₀＝B×R×L×C_C（式1），

土壤初始氮储量的计算公式为：N₀＝B×R×L×C_N（式2），

土壤初始碳氮比的计算公式为：（式3），

式1、式2、式3中，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；B表示土壤容重，单位为t/m³，R表示农田面积，单位为m²，L表示土壤耕作层厚度，单位为m，L=0.3m，C_C表示土壤初始含碳量，以质量分数计，C_N表示土壤初始全氮含量，以质量分数计；

或（2）土壤增碳

当1.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜2.0g/kg，且时，需对土壤增碳，所述的土壤增碳是指通过向土壤施入外源的碳原材料来增加土壤中的碳素含量，增施的碳素量的计算公式为：（式4），

式4中，C_d为对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳源材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，N_碳源材料=M×K，M表示施入的碳源材料用量，单位为顿/公顷，G表示施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计；K表示施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；

为了保障作物正常生长，需保持氮素总量与实施区域农田作物习惯施入的氮素总量一致，需要在土壤中再补充纯氮，在土壤中再补充的纯氮的计算公式为：

N_补=N_c—N_碳源材料×A（式5），

式5中N_补为需要在土壤中再补充的纯氮量，单位为顿/公顷，N_c为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量，单位为顿/公顷；A为施入的碳源材料中的氮素量N_碳源材料在当季的同效当量；

同效当量：由于有机肥和无机肥的当季利用率不同，通过试验先计算出某种有机肥料所含的养分，相当于几个单位的化肥所含的养分的肥效，就称为“同效当量”。同效当量A的计算是：用等量的有机氮和无机氮两个处理，并以不施氮肥为对照，得出产量后，用下列公式计算：

同效当量A=（有机氮处理得出产量-无机氮处理得出产量）/（化学氮处理得出产量-无氮处理得出产量）。

常用有机肥同效当量：牛粪为0.4（A=0.4），猪粪为0.5（A=0.5），鸡粪为0.85（A=0.85），绿肥为0.8（A=0.8）。

或（3）土壤减氮

当2.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量≤3.0g/kg，且时（C0表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷），需对土壤减氮，所述的土壤减氮是与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少30%的氮素量的施入，其减少的氮素量的计算公式为：

N_r=N_c×30%（式6）

因此，土壤减氮所施入的氮素量的计算公式为：

N_d=N_c－N_r（式7），

式6、式7中，N_c表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为顿/公顷,N_r表示减少的氮素量，单位为顿/公顷,30%为系数；N_d为土壤减氮向土壤中施入的氮素量，单位为顿/公顷；

或（4）土壤增碳减氮

当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＞3.0g/kg，且时，需对土壤土壤增碳减氮，所述的土壤增碳减氮是通过向土壤施入外源碳原材料来增加土壤中的碳素含量，并与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少氮素量的施入，减少的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的50%，则，需要施入农田的氮素量的计算公式为：N_d＝50%×N_C（式8），

式8中，N_d表示施入土壤的氮素量，单位为吨/公顷；Nc表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，50%为系数；需要对土壤增施的碳素量的计算公式为：

（式9），

式9中，C_d为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示施入土壤的氮素量,单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C_d=M×G，N_碳源材料=M×K，C_氮源材料=U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计；

或（5）土壤增碳增氮

当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜1.0g/kg，且时，需对土壤增碳增氮，所述的土壤增碳增氮是指不仅要通过施入外源碳源材料来增加土壤中的碳素含量，并且在按实施区域农田作物习惯的纯氮投入量施入纯氮的基础上，增加氮素量的施入，增加施入的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的30%；增加施入的氮素量计算公式为：N_d=30%N_C（式10），

式10中，N_C表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，N_d表示增加施入的氮素量，单位为吨/公顷；30%为系数；

增施的碳素量的计算公式为：

（式11），

式11中，C_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增加施入的氮素量，单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C0表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；Cd=M×G，N_碳源材料=M×K，C_氮源材料=U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法除了能保障作物正常生长，并能促进作物增产4.43%-16.5%外，土壤无机氮残留、土壤硝酸盐、田面水总氮、田面水无机氮、土壤100cm处渗滤水NO₃ ^--N浓度均有大幅度下降，0-30cm耕作层的土壤硝酸盐浓度降低了6.6%-22.0%，0-30cm耕作层的土壤无机氮降低了17%-36%，田面水总氮下降了38%～42%、田面水无机氮含量降低了13%～47%，土壤无机氮残留量下降了3.7%-53%，土壤100cm处渗滤水NO₃ ^--N浓度下降了24%-44%。表明，当土壤及田面水流失时、土壤渗滤水渗滤时，本发明方法能使氮素面源污染大量减少，表明本发明方法在保证作物正常生长的生长情况下，或提高作物产量的情况下，还有效地、大幅度地控制了农田土壤氮素面源污染，达到了用碳素控制农田土壤氮素面源污染的目的，产生了预料不到的技术效果。

本发明方法还显著提高了土壤的微生物活性和有机质含量，显著改善了土壤的酸碱性，显著减少了作物肥料投入的生产成本，增加了收入。

本发明用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法通过补充土壤碳素的方法，让土壤中氮素更多的以有机的形态保存，避免了土壤中无机氮的过量积累，降低了因无机氮积累带来的环境污染风险，同时，由于土壤中有机态的氮素是一种缓释的过程，可以平稳而缓慢的为作物提供氮素养分，保证了氮素的持续而充足的供应。土壤补碳以后，可以明显增加土壤的有机质含量，培肥了土壤地力，增强了土壤的生产能力。土壤微生物活性得到了改善，对土壤退化的修复和污染的防治具有生物和生态的意义，可持续地提高了土壤的质量和生产能力。

具体实施方式

以下各实施例无特殊说明为常规方法。

实施例1：土壤增碳对控制农田土壤氮素面源污染风险的效果

（1）供试土壤、供试作物和碳源材料

供试土壤：多年种植水稻的红壤，属红壤性水稻土。

供试作物：水稻。

碳源材料：牛粪。供试牛粪取自当地农户（也可通过商业渠道购买），牛粪中碳含量按重铬酸钾容量法测定，牛粪中氮含量按凯氏定氮法测定，测定结果：以质量分数计，牛粪的碳含量为8.4%、氮含量为0.3%。

（2）土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

试验前按常规方法对土壤容重、土壤pH、农田0-30cm耕作层土壤初始含氮量、土壤初始含碳量进行测定，并对土壤初始碳储量、土壤初始氮储量及土壤初始碳氮比计算。

1）土壤样品的采集：

首先，在选定的操作区域内，以1hm²的农田面积作为土壤碳氮测定的基本单元（基本单元大小可以根据实际情况和工作量适当缩小或放大），采用划分空间网格的方式，纵向或者横向每100米的距离，采集一个土壤样品，在样品采集点四周10米的范围内，用圆筒型土钻采集0-30cm土壤样品，采集4-6个子样点，保证土壤样品量为0.5-1.0kg。采集的土壤样品去除杂质，如石块、根系、残茬等，用封口塑料袋装好，在塑料袋表面用记号笔写好标签，带回室内，在4℃冷藏备用。

2）测定农田0-30cm耕作层土壤初始含氮量、土壤初始含碳量

将采集的土壤样品按常规凯氏定氮法测定土壤全氮含量，即为土壤初始全氮含量。测得C_N=0.19%（等同于1.9g/kg），C_N表示土壤初始全氮含量，以质量分数计。

通过土壤有机质的测定，再通过有机质含量除以1.724转换而获得土壤有机碳的含量即土壤初始含碳量，以质量分数计。土壤有机质的测定按常规重铬酸钾容量法测定。测得C_C=1.78%（等同于17.8g/kg），C_C表示土壤初始含碳量，以质量分数计。

3）采用常规的环刀法测定土壤容重，测得B=1.31,B表示土壤容重，单位为t/m³，

4)测得土壤pH=6.64。

5）R表示农田面积，单位为m²，R=10000m²(以1公顷计算)

6）L表示土壤耕作层厚度，单位为m，L=0.3m。

7）按如下公式计算土壤初始碳储量、土壤初始氮储量、土壤初始碳氮比

土壤初始碳储量的计算公式为：C₀＝B×R×L×C_C（式1），

土壤初始氮储量的计算公式为：N₀＝B×R×L×C_N（式2），

土壤初始碳氮比的计算公式为：（式3），

式1、式2、式3中，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；B表示土壤容重，单位为t/m³，R表示农田面积，单位为m²，L表示土壤耕作层厚度，单位为m，L=0.3m，C_C表示土壤初始含碳量，以质量分数计，C_N表示土壤初始全氮含量，以质量分数计。C₀＝1.31(t/m³)×10000(m²)×0.3(m)×1.78%＝69.95（吨/公顷），N₀＝1.31(t/m³)×10000(m²)×0.3(m)×0.19%＝7.47（吨/公顷），

$\frac{C_0}{N_0}=\frac{69.95}{7.47}=9.36.$

（3）试验设计

本试验采取田间试验方式进行。试验共设2个处理：习惯施肥处理（对照）和土壤增碳处理，每个处理3次重复，共6个小区，小区面积30m²，采用随机区组排列，两个区组间留50cm作为水沟和过道，小区周围设2m以上保护行，小区田埂高20cm，宽20cm，为防止雨水冲刷使田埂倒塌和相互串肥，田埂用塑料薄膜包裹，插秧前翻耕灌水泡田。

（4）碳素和肥料的施用

氮肥施用上，习惯施肥处理施入的纯氮（氮素）为每公顷225kg（肥料为尿素）。

由上述测定和计算可知：土壤0-30cm初始全氮含量C_N=0.19%（等同于1.9g/kg）， $\frac{C_0}{N_0}=\frac{69.95}{7.47}=9.36<10.$

即由于1.0g/kg＜0-30cm耕作层土壤初始全氮含量C_N=1.9g/kg＜2.0g/kg，且因此，需对土壤增碳，所述的土壤增碳是指通过向土壤施入外源的碳原材料来增加土壤中的碳素含量，其对土壤增加施入的碳素量的计算公式为：（式4），式4中，C_d表示需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷。C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，

增碳的方式是通过施入牛粪（碳原材料）来实现的，为了增加土壤碳氮比，设需要施入的碳源材料牛粪用量为M，单位为吨/公顷，因此，C_d=M×G,G表示施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计；N_碳源材料=M×K,K表示施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计。

因此，公式4可以转化为下面的计算公式：

$\frac{C_0+M\&times;G}{N_0+M\&times;K}=\frac{C_t}{N_t}=10$

因C₀=69.95吨/公顷，N₀=7.47吨/公顷，前述测得牛粪的碳含量为8.4%、即G=8.4%，前述测得牛粪的氮含量为0.3%，即K=0.3%，

所以，

所以，增碳处理中，牛粪用量为87.96吨/公顷，即增施的碳素量C_d=M×G=87.96×8.4%≈7.56吨/公顷。

为了保障作物正常生长，需保持氮素总量与实施区域农田作物习惯施入的氮素总量一致，需要在土壤中再补充的纯氮的计算公式为：

N_补=N_c—N_碳源材料×A（式5），

式5中N_补为需要在土壤中再补充的纯氮量，单位为顿/公顷，N_c为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量，单位为顿/公顷；A为施入的碳源材料中的氮素量N_碳源材料在当季的同效当量；A=0.40，0.40为施入的牛粪碳源材料中的氮素量N_碳源材料在当季的同效当量。

由于增碳处理施入的碳源材料牛粪带入的氮素为每公顷0.2639（吨/公顷)[N_碳源材料=M×K=87.96×0.3%=0.2639（吨/公顷)]，碳源材料牛粪的当季同效当量为0.40，相当于在土壤中带入了每公顷105.6kg的氮素（即N_碳源材料×A=N_碳源材料×0.40=0.2639×0.40=0.1056(吨/公顷)=105.6kg/hm²）。

由于该实施区域农田水稻作物习惯的纯氮投入量为225kg/hm²（即0.225顿/公顷），即N_c=0.225顿/公顷，因此，需要在土壤中再补充的纯氮N_补=N_c—N_碳源材料×A=0.225-0.2639×0.40=0.1194（顿/公顷）=119.4kg/hm²，即需要在土壤中再每公顷补充119.4kg的纯氮。

施肥方式按常规：氮肥的底肥在秧苗返青后施入，氮素底肥按照40%施用，其余两次追肥分别在苗期后期和旺长期分别施用30%。其它农事措施按常规方法。插秧当天按常规方法将所有有机肥（牛粪）和化学磷钾肥作为底肥一次投入，并与耕层土壤充分混匀。磷钾肥用量按常规。收获时选择小区中央的6m²计产。

即两种处理的施肥：

习惯施肥处理：①施氮素量为每公顷225kg（施入尿素，以纯氮即氮素量计量）；②化学磷钾肥用量及施肥方式按常规。

增碳处理：①施入碳素量7.56吨/公顷(即投入碳源材料牛粪87.96吨/公顷)，②还施入的尿素，以纯氮计（氮素量）为119.4kg/hm²；③化学磷钾肥用量及施肥方式与习惯施肥处理相同。

（5）田面水及耕层土壤样品采集

插秧后，分别于苗期、拔节期和灌浆期采集田面水及0～15cm耕层土样，植株样品采集：在水稻收获时，每小区留出6m²，将其全部收获，并立即称量鲜重，秸秆和籽粒分开。

（6）相关指标的测定

分别测定下列指标：水稻产量、田面水总氮、田面水铵态氮、田面水硝态氮、土壤全氮、土壤速效氮、土壤铵态氮、土壤硝态氮。

实施例1效果详见表1。

表1中：

土壤铵态氮(mg/kg)的测定方法是纳氏比色法。

土壤硝态氮（mg/kg）的测定方法是紫外分光光度法。

田面水总氮（mg/kg）的测定方法为过硫酸钾氧化消煮，紫外分光光度发测定。

田面水硝态氮（mg/l）的测定方法是紫外分光光度法。

田面水铵态氮(mg/kg)的测定方法是纳氏比色法。

土壤微生物量碳的测定方法是氯仿熏蒸法。

土壤总有机碳（%）的测定方法是重铬酸钾容量法，土壤有机质的测定方法是重铬酸钾外加热法测定。

土壤全氮的测定方法是凯氏定氮法。

所述的有机肥、磷肥、氮肥和钾肥均为符合国家标准或行业标准的肥料，有机肥的有机质含量（以干基计）≥30%，总养分（N+P₂O₅+K₂O）含量（以干基计≥4.0%；（以质量分数计）。

表1实施例1土壤增碳处理与习惯施肥处理效果比较

（7)结果与分析

本发明土壤增碳处理表明：在保障作物正常生长的情况下，对土壤增加碳素的投入（施入），与习惯施肥处理（对照）相比，在作物的苗期、拔节期、灌浆期，土壤无机氮（铵态氮、硝态氮）含量有17%～36%的大幅度下降，田面水总氮、无机氮（铵态氮、硝态氮）含量也有13%～47%的大幅度下降，即表明：当土壤及其田面水流失时，氮素面源污染将大量减少，表明本发明土壤增碳方法在保证作物正常生长的生长情况下还提高了作物产量（作物产量增产7.69%），还有效地、大幅度地控制了农田土壤氮素面源污染，达到了用碳素控制农田土壤氮素面源污染的目的，产生了预料不到的技术效果。

实施例2土壤减氮对控制农田土壤氮素面源污染风险的效果

（1）供试土壤、供试作物和氮源材料

供试土壤：红壤性水稻土。

供试作物：大蒜（大蒜品种：四川温江红七星。）

氮源材料：尿素（N，46%）。

（2）土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

试验前按常规方法对土壤容重、土壤pH、农田0-30cm耕作层土壤初始含氮量、土壤初始含碳量进行测定（测定方法与实施例1相同），并对土壤初始碳储量、土壤初始氮储量及土壤初始碳氮比计算。

土壤容重B=1.37t/m³、农田面积R=10000m²，C_N=0.247%，C_C=2.34%。土壤耕作层厚度L=0.3m。

由土壤初始碳储量的计算公式：C₀＝B×R×L×C_C（式1），得:

C₀=1.37×10000×0.3×2.34%=96.17（吨/公顷）

由土壤初始氮储量的计算公式：N₀＝B×R×L×C_N（式2）,得:

N₀=1.37×10000×0.3×0.247%=10.15（吨/公顷）

土壤初始碳氮比 $\frac{C_0}{N_0}=\frac{96.17}{10.17}=9.47<10$

（3）试验设计

由上述测定和计算可知：本实施例0-30cm耕作层土壤初始全氮含量为0.247%（即2.47g/kg）、即由于2.0g/kg＜0-30cm耕作层土壤初始全氮含量2.47g/kg＜3.0g/kg，且需对土壤减氮，所述的土壤减氮是与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少30%的氮素量的施入，其减少的氮素量(N_r)的计算公式为：

N_r=N_c×30%（式6）

因此，土壤减氮所施入的氮素量的计算公式为：N_d=N_c－N_r，（式7），

式6、式7中，N_c表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为kg/hm²,N_r表示减少的氮素量，单位为顿/公顷,30%为系数；N_d为土壤减氮向土壤中施入的氮素量，单位为顿/公顷。

本试验区域大蒜作物习惯的纯氮投入量N_c=675kg/hm²；

所以：N_r=675kg/hm²×30%=202.5kg/hm²

因此，土壤减氮处理中施入的氮素量N_d=N_c—N_r=675—202.5=472.5kg/hm²=0.4725吨/公顷。

（3）试验设计

本试验采取田间试验方式进行。试验共设2个处理：习惯施肥处理（对照）和减氮施肥处理，两种处理除施入的氮肥量不同外，两种处理的其它栽培管理措施均与常规方法相同，其种植密度均为180万株/hm²，两处理均按常规施入过磷酸钙（P₂O₅，12%）用量750kg/hm²、硫酸钾（K₂O，50%）用量375kg/hm²。本实施例不施用有机肥。

每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积为4.8×5m²，垄宽30cm，高20cm，用塑料膜包裹，径流桶旁垄内设16cmPVC管作为汇流槽，用5cmPVC管外接径流桶，小区周围设置1m保护行。

习惯施肥处理（对照）：施入的氮素量（尿素，以纯氮计）的投入量为675kg/hm²。

减氮施肥处理：施入的氮素量（尿素，以纯氮计）为472.5kg/hm²（即0.4725吨/公顷）。

（4）试验结果和分析

试验结果详见表2。

试验结果表明：

减氮处理和习惯施肥处理产量分别为25.9t/hm²、24.8t/hm²，减氮处理不仅没有造成减产，还略增产4.43%。

整个生育期，与习惯施肥处理相比，本发明方法土壤减氮（减氮施肥处理）0-30cm耕作层的平均硝酸盐浓度降低了22.0%，0-30cm耕作层的平均土壤无机氮残留降低了53.0%，土壤100cm处渗滤水平均NO₃ ^--N浓度降低了44.5%，因此，当土壤表面及其土壤渗滤水流失时，氮素面源污染将大量减少，表明本发明方法在保障作物正常生长的情况下还提高了作物产量（作物产量增产4.43%），有效地、大幅度地控制了农田土壤氮素面源污染，达到了用碳素控制农田土壤氮素面源污染的目的，产生了预料不到的技术效果。

表2实施例2土壤减氮处理与习惯施肥处理效果比较

实施例3土壤增碳减氮对控制农田土壤氮素面源污染风险的效果

（1）供试土壤、供试作物、碳源材料、氮源材料

供试作物：水稻。

供试土壤：红壤性水稻土。

碳源材料：牛粪，供试牛粪取自当地农户，牛粪中碳含量按重铬酸钾容量法测定，牛粪中氮含量按凯氏定氮法测定，测定结果：以质量分数计，牛粪的碳含量为8.4%、氮含量为0.3%。牛粪也可通过商业渠道购买。

氮源材料：尿素（N，46%）（化学肥料）。

（2）土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

试验前按常规方法对土壤容重、土壤pH、农田0-30cm耕作层土壤初始全氮含量、土壤初始含碳量进行测定（测定方法与实施例1相同），并对土壤初始碳储量、土壤初始氮储量及土壤初始碳氮比计算。

土壤容重B=1.15t/m³、农田面积R=1000m²，C_N=0.31%（即等同于3.1g/kg），C_C=3.02%。土壤耕作层厚度L=0.3m。

由土壤初始碳储量的计算公式：C₀＝B×R×L×C_C（式1），得:

C₀=1.15×10000×0.3×3.02%=104.2（吨/公顷）。

由土壤初始氮储量的计算公式：N₀＝B×R×L×C_N（式2）,得:

N₀=1.15×10000×0.3×0.31%=10.7（吨/公顷）。

土壤初始碳氮比

（3）试验设计

由上述测定和计算可知：本实施例0-30cm耕作层土壤初始全氮含量为3.1g/kg、当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＞3.0g/kg，且时，需对土壤土壤增碳减氮，所述的土壤增碳减氮是通过向土壤施入碳原材料来增施碳，并与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少氮素量的施入，减少的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的50%，则，需要施入土壤的氮素用量公式为：N_d＝50%×N_C（式8），式8中，N_d表示施入土壤中的氮素用量，单位为吨/公顷；N_c表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，50%为系数。

需要对土壤增施的碳素量的计算公式为：

（式9），

式9中，C_d为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示需对土壤施入的氮素量（N_d＝50%×N_C（式8））,单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，Nt表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C_d=M×G，N_碳源材料=M×K，C_氮源材料=U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计。

由于该实施区域农田作物习惯的纯氮投入量N_c=0.210吨/公顷，因此，减少氮素量投入，其投入土壤的氮素用量：

N_d＝50%×N_C＝50%×0.210＝0.105(吨/公顷)，（式8）

由于测得牛粪的碳含量为8.4%、氮含量为0.3%，即：G=8.4%，K=0.3%，所以，C_d=M×G=M×8.4%，N_碳源材料=M×K=M×0.3%。

又由于施入的氮源材料为尿素，尿素中碳素含量极低，可忽略不计，即C_氮源材料=0。

而C₀==104.2（吨/公顷），N₀=10.7（吨/公顷），N_d=0.105（吨/公顷），

因此，

（式9），

得：M=71.3（吨/公顷)

所以，C_d=M×G=M×8.4%=71.3×8.4%≈6（吨/公顷）。

试验采取田间试验方式进行。共分2个处理，增碳减氮处理和习惯施肥处理（对照）。

增碳减氮处理：增碳施入的碳源材料牛粪的用量M为71.3（吨/公顷)（即增加投入的碳素量C_d为6吨/公顷），投入的氮素量N_d为0.105（吨/公顷）。

习惯施肥处理：施入的氮素量N_c=0.210吨/公顷（210kg/hm²）。

除上述处理措施外，为保证水稻作物的正常生长，两个处理的磷、钾用量相同，磷肥为P₂O₅(P)90kg/hm²，钾肥为K₂O(K)120kg/hm²；磷、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥分基肥（50%）、分蘖肥（30%）和孕穗肥（20%）3次施入。水稻基肥施肥日期为2011年5月23日，追肥日期为2011年7月1日。小区面积为25m²，采用随机排列，3次重复。除实验施肥处理设计不同外，其余管理措施均按常规方法且两个处理保持一致。

（4）试验结果（详见表3）和分析

表3实施例3土壤增碳减氮处理与习惯施肥处理效果比较

试验表明：与习惯施肥处理相比，在保证作物正常生长的情况下，本发明土壤增碳减氮方法不仅可以促进作物增产，水稻产量还增产11.3%，而且，田面水总氮浓度下降了38%，土壤无机氮残留量下降了10%，土壤100cm处渗滤水NO₃ ^--N浓度降低了39%，表明：当土壤及其田面水流失时，氮素面源污染将大量减少，本发明方法在保证作物正常生长的情况下，还提高了作物产量，还有效地、大幅度地控制了农田土壤氮素面源污染，达到了用碳素控制农田土壤氮素面源污染的目的，产生了预料不到的技术效果。

实施例4土壤增碳增氮对控制农田土壤氮素面源污染风险的效果

（一）供试土壤、供试作物、碳源材料、氮源材料

供试作物：大蒜（品种为四川温江红七星）。

供试土壤：红壤。

碳源材料：牛粪，供试牛粪取自当地农户（也可通过商业渠道购买），牛粪中碳含量按重铬酸钾容量法测定，牛粪中氮含量按凯氏定氮法测定，测定结果：以质量分数计，牛粪的氮含量为0.3%，碳含量为8.4%。

氮源材料：尿素（N，46%）（化学氮肥，）。

（2）土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

试验前按常规方法对土壤容重、土壤pH、农田0-30cm耕作层土壤初始全氮含量、土壤初始含碳量进行测定（测定方法与实施例1相同），并对土壤初始碳储量、土壤初始氮储量及土壤初始碳氮比计算。

土壤容重B=1.23t/m³、农田面积R=10000m²，C_N=0.096%，C_C=0.92%。土壤耕作层厚度L=0.3m。

由土壤初始碳储量的计算公式：C₀＝B×R×L×C_C（式1），得:

C₀=1.23×10000×0.3×0.92%=33.95（吨/公顷）。

由土壤初始氮储量的计算公式：N₀＝B×R×L×C_N（式2）,得:

N₀=1.23×10000×0.3×0.096%=3.54（吨/公顷）。

土壤初始碳氮比

（3）试验设计

由上述测定和计算可知：本实施例0-30cm耕作层土壤初始全氮含量为C_N=0.096%（即全氮含量为0.96g/kg）、当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜1.0g/kg，且时，需对土壤增碳增氮，所述的土壤增碳增氮是指不仅要通过施入外源碳源材料来增加土壤中的碳素含量，并且在按实施区域农田作物习惯的纯氮投入量施入纯氮的基础上，增加氮素量的施入，增加施入的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的30%。

增加施入的氮素量公式为：N_d=30%N_C（式10），式10中，N_C表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，N_d表示增加施入的氮素量，单位为吨/公顷，30%为系数。

增施的碳素量的计算公式为：

（式11），式11中，C_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增加施入的氮素量，单位为吨/公顷，N_C表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_d=M×G，N_碳源材料=M×K，C_氮源材料=U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计。

由于测得牛粪的碳含量为8.4%、氮含量为0.3%，即：G=8.4%，K=0.3%，所以，C_d=M×G=M×8.4%，N_碳源材料=M×K=M×0.3%。

又由于施入的氮源材料为尿素，尿素中碳素含量极低，可忽略不计，即C_氮源材料=0。

由于该实施区域农田大蒜作物习惯的纯氮投入量为600kg/hm²，即N_C=600kg/hm²=0.6吨/公顷，因此，增加施入的氮素量：N_d=30%N_C=30%×0.6=0.18（吨/公顷）=180（kg/hm²），（式10）。

而C₀=33.95（吨/公顷），N₀=3.54（吨/公顷），N_d=0.18（吨/公顷），因此，增施的外源碳素量为：

$=\frac{33.95+M\&times;8.4\%+0}{3.54+30\%\&times;0.6+M\&times;0.3\%}=10$

（式11），得，M=60.19（吨/公顷）。

C_d=M×8.4%=60.19×8.4%=5.06（吨/公顷）。

本试验采取田间试验方式进行，共设2个处理：习惯施肥处理（对照）和土壤增碳增氮处理，两种处理除施入的碳、氮肥量不同外，两种处理的其它栽培管理措施均与常规方法相同，其种植密度均为180万株/hm²，两处理均按常规施入过磷酸钙（P₂O₅，12%）用量750kg/hm²、硫酸钾（K₂O，50%）用量375kg/hm²。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积为4.8×5m²，垄宽30cm，高20cm，用塑料膜包裹，径流桶旁垄内设16cmPVC管作为汇流槽，用5cmPVC管外接径流桶，小区周围设置1m保护行。

习惯施肥处理（对照）：施入的氮素量为600kg/hm²。

本发明增碳增氮施肥处理：

施入的氮素量=习惯施肥处理施入的氮素量+增加施入的氮素量

=N_C+N_d=600+180=780（kg/hm²）。

增施的碳素量C_d=5.06（吨/公顷）。

试验表明(详见表4)：与习惯施肥处理相比，在保证作物正常生长的情况下，本发明土壤增氮增碳方法提高了大蒜作物产量16.5%，还使0-30cm耕作层平均土壤硝酸盐浓度降低了6.6%，0-30cm耕作层平均土壤无机氮残留量降低了3.7%，土壤100cm处渗滤水NO₃ ^--N浓度降低了24.4%，表明：当土壤及其土壤渗滤水流失时，氮素面源污染将大量减少，本发明方法在保证作物正常生长的情况下，还提高了作物产量，还有效地、大幅度地控制了农田土壤氮素面源污染，达到了用碳素控制农田土壤氮素面源污染的目的，产生了预料不到的技术效果。

表4实施例4土壤增碳增氮处理与习惯施肥处理效果比较

Claims (1)

1.一种用碳素控制农田土壤氮素面源污染的方法，包括以下步骤：

(1)土壤初始碳储量、氮储量及碳氮比的计算：

土壤初始碳储量的计算公式为：C₀＝B×R×L×C_C(式1)，

土壤初始氮储量的计算公式为：N₀＝B×R×L×C_N(式2)，

土壤初始碳氮比的计算公式为：

式1、式2、式3中，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；B表示土壤容重，单位为t/m³，R表示农田面积，单位为m²，L表示土壤耕作层厚度，单位为m，L＝0.3m，C_C表示土壤初始含碳量，以质量分数计，C_N表示土壤初始全氮含量，以质量分数计；

(2)土壤增碳

当1.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜2.0g/kg，且时，需对土壤增碳，所述的土壤增碳是指通过向土壤施入外源的碳原材料来增加土壤中的碳素含量，增施的碳素量的计算公式为：

式4中，C_d为对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳源材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C_d＝M×G,N_碳源材料＝M×K，M表示施入的碳源材料用量，单位为顿/公顷，G表示施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计；K表示施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；

为了保障作物正常生长，需保持氮素总量与实施区域农田作物习惯施入的氮素总量一致，需要在土壤中再补充纯氮，在土壤中再补充的纯氮的计算公式为：

N_补＝N_c—N_碳源材料×A(式5)，

式5中N_补为需要在土壤中再补充的纯氮量_，单位为顿/公顷，N_c为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量，单位为顿/公顷；A为施入的碳源材料中的氮素量N_碳源材料在当季的同效当量；

(3)土壤减氮

当2.0g/kg≤0-30cm耕作层土壤初始全氮含量≤3.0g/kg，且时，需对土壤减氮，所述的土壤减氮是与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少30％的氮素量的施入，其减少的氮素量的计算公式为：

N_r＝N_c×30％(式6)

土壤减氮所施入的氮素量的计算公式为：

N_d＝N_c－N_r(式7)，

式6、式7中，N_c表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为顿/公顷,N_r表示减少的氮素量，单位为顿/公顷,30％为系数；N_d为土壤减氮向土壤中施入的氮素量，单位为顿/公顷；

(4)土壤增碳减氮

当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＞3.0g/kg，且时，需对土壤土壤增碳减氮，所述的土壤增碳减氮是通过向土壤施入外源碳原材料来增加土壤中的碳素含量，并与实施区域农田作物习惯的纯氮投入量相比，减少氮素量的施入，减少的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的50％，则，需要施入农田的氮素量的计算公式为：N_d＝50％×N_C(式8)，

式8中，N_d表示施入土壤的氮素量，单位为吨/公顷；N_c表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，50％为系数；需对土壤增施的碳素量的计算公式为：

式9中，C_d为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示施入土壤的氮素量,单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C_d＝M×G，N_碳源材料＝M×K，C_氮源材料＝U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计；

(5)土壤增碳增氮

当0-30cm耕作层土壤初始全氮含量＜1.0g/kg，且时，需对土壤增碳增氮，所述的土壤增碳增氮是指不仅要通过施入外源碳源材料来增加土壤中的碳素含量，并且在按实施区域农田作物习惯的纯氮投入量施入纯氮的基础上，增加氮素量的施入，增加施入的氮素量为实施区域农田作物习惯的纯氮投入量的30％；增加施入的氮素量计算公式为：N_d＝30％N_C(式10)，

式10中，N_C表示实施区域农田作物习惯的纯氮投入量,单位为吨/公顷，N_d表示增加施入的氮素量，单位为吨/公顷；30％为系数；

增施的碳素量的计算公式为：

式11中，C_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增施的碳素量，单位为吨/公顷，N_d表示为达到0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，需对土壤增加施入的氮素量，单位为吨/公顷，N_碳源材料表示施入的碳原材料中的氮素量，单位为吨/公顷，C_氮源材料表示施入的氮原材料中的碳素量，单位为吨/公顷，C_t为0-30cm耕作层土壤目标碳储量，单位为吨/公顷，N_t表示0-30cm耕作层土壤目标氮储量，单位为吨/公顷，表示0-30cm耕作层土壤目标碳氮比，10为0-30cm耕作层土壤目标碳氮比值，C₀表示0-30cm耕作层土壤初始碳储量，单位为吨/公顷，N₀表示0-30cm耕作层土壤初始氮储量，单位为吨/公顷；C_d＝M×G，N_碳源材料＝M×K，C_氮源材料＝U×Q，M为施入的碳源材料的用量，单位为吨/公顷，G为施入的碳源材料中的碳含量，以质量分数计，K为施入的碳源材料中的氮含量，以质量分数计；U为施入的氮源材料的用量，单位为吨/公顷，Q为施入的氮源材料中的碳含量，以质量分数计，S为施入的氮源材料中的氮含量，以质量分数计。