外源铁输入对水田氮素面源污染输出影响的同位素示踪研究

三江平原是国家重要的优质商品粮生产基地，大规模水田化使农业面源污染加剧，存在影响界江界湖水质安全的风险。三江平原稻田灌溉以抽取地下水为主要方式，该区域地下水中可溶性铁含量较高，由于铁和氮在氧化还原过程中存在着耦合关系，采用含高铁地下水灌溉可能会降低氮肥利用率、促进氮素流失。本研究依托国家生态系统研究网络台站，采用小区实验与模拟实验相结合的方法，借助15N同位素示踪技术，系统研究外源铁作用下水稻各器官在不同生长期对氮肥的利用情况以及氮素通过暴雨径流、人工排水和侧渗等途径输出的形态、负荷及贡献。项目预期将揭示采用高铁地下水灌溉后水田氮肥利用率以及面源污染输出形态和负荷的变化程度，阐明铁胁迫对氮素利用与流失影响的作用机制。研究成果将为含高铁地下水灌溉前是否有必要先除铁提供理论依据；同时，研究成果对预防和控制面源污染、实现区域粮食生产和水资源保护协调发展具有重要意义。

三江平原地下水中可溶性总铁浓度范围在0.46-37.02 mg•L-1之间，整体偏高，且空间分布不均匀，以富锦市、同江市浓度最高；铁形态以二价铁为主；深井中可溶性铁浓度高于浅井，水田灌溉多为20-30 m深井，灌溉过程中将携带相当数量的铁进入稻田系统，参与并影响稻田系统中元素间的地球化学过程。低浓度外源铁输入后，对稻田氮素的面源输出影响不明显，但高浓度外源铁作用下，水田氮素面源输出的总氮和硝态氮负荷有所增加，氨氮负荷略有降低。低浓度外源铁输入对水稻生物量、产量及氮肥利用率的影响与对照组差异不大，但高浓度外源铁输入后，抑制了水稻根、茎、叶的生长，使水稻株高和各器官干重均低于同期对照处理组，并降低了氮肥利用率。地下水中的铁随着灌溉水进入农田系统后，最终有一部分将随径流、侧渗水等途径进入农田排水沟渠中，在这一过程中，铁自身的形态也发生较大变化。模拟实验结果表明，外源铁进入水田土壤后，将影响土壤中铵态氮和硝态氮的含量及氮素转化过程，且外源铁对氮素转化的影响并非呈线性相关关系；外源铁对水田土壤转化酶表现出刺激作用，对脲酶时而抑制时而刺激；外源铁可降低土壤pH，提高氧化还原电位和电导率。