在东南丘陵坡地农业区，硝态氮（NO3−-N）往往以淋溶形式流失到地表和地下水体中，造成了水体的富营养化，破坏了水生生态系统的平衡。研究坡地农业面源氮素输移机理有助于在保障作物生产的前提下优化施肥方案，从而减少源头污染物的排放。在农业生产中，施肥措施和环境因子共同调控着土壤水分运动和氮素输移循环过程，进而影响作物生长和NO3−-N流失，但目前关于施肥措施和环境因子对作物产量和NO3−-N淋溶量的交互作用机制尚不明晰。     

基于此，中国科学院南京地理与湖泊研究所朱青研究员团队廖凯华副研究员以天目湖流域茶园坡地为对象开展研究。一是基于“天目湖生态观测研究站”长期原位观测试验，对比了施用传统复合肥（CF）和缓释肥（SF）条件下茶园土壤NO3−-N淋溶浓度的差异，发现在相同施肥水平下相较于CF处理，施用SF的茶园NO3−-N淋溶浓度减少了44.86~62.39%。二是利用生物地球化学模型模拟了2020-2022年茶园生产和土壤NO3−-N淋溶过程，并应用Morris、Sobol和蒙特卡洛方法评估了主要参数对模型输出的影响程度，发现影响茶园地上生物量和NO3−-N淋溶量的关键参数分别是“成熟作物中籽粒占总生物量之比”和“土壤黏粒含量”。三是结合流域尺度土壤采样分析、情景模拟和贡献率分析技术探究了施肥措施和环境因子对流域茶园产量和NO3−-N淋溶量的交互影响，研究发现对于NO3−-N淋溶过程，无论是CF还是SF条件下施肥量始终是影响NO3−-N淋溶的最主要因素（相对贡献率分别达到70%和53%）；但对于产量而言，CF条件下施肥量的相对贡献率最大（44%），而SF条件下为土壤饱和导水率（51%），且随着施肥量增加，施用SF时产量的增长幅度要高于CF。四是基于自组织映射和投影寻踪分类模型方法，分析了茶园产量、NO3−-N淋溶量和肥料投入成本等之间的权衡/协同关系，最终遴选出“SF+减施30%”为环境经济效益最优的茶园施肥方案。     

研究成果发表在国内外重要学术期刊 Agriculture Ecosystems & Environment、《水土保持研究》，博士研究生叶志成为论文第一作者，廖凯华副研究员为通讯作者。 

施肥措施和环境因子对流域茶园产量和NO3−-N淋溶量的交互影响     

基于坡地农业面源氮素输移机理与模拟研究工作，识别氮素流失的热点时间和区域，并集成地下汇流路径上的反硝化沟除氮技术、地表汇流路径上的表面流湿地以及植被缓冲带技术，靶向性提升壤中和地表的面源营养盐拦截效率；建立沉水与挺水植被相结合的立体水生植被生态系统，利用生态浮岛和曝气等设备进一步削减营养盐；最后，通过在茶园小流域出口布设石膏沸石拦截池，显著降低营养盐入河（湖）通量。 

 坡地农业面源污染控制技术（上：无人机航拍；中：近景拍摄；下：流程示意图）     

该研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导科技专项“美丽中国生态文明建设科技工程”、中国科学院青年创新促进会、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项等项目的联合资助。     

相关成果： 

 1.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880924001063 

 2.https://doi.org/10.13869/j.cnki.rswc.2023.04.001 

 3.https://doi.org/10.13869/j.cnki.rswc.2024.02.015 

 4.坡面二维土壤水分运动模拟系统（简称：HSW-2D）V1.0. 中国科学院南京地理与湖泊研究所（廖凯华，朱青） 

 5.《关于江苏低山丘陵区茶园面源污染风险防控与治理修复的建议》（朱青，廖凯华，赖晓明，2023） 

 6.《湖库水源地小流域茶园集中开发区氮磷综合削减工程实施方案》（朱青，廖凯华，赖晓明，2020）