自然降雨和施用缓释肥对北运河上游大田氮磷径流流失的影响

刘自飞, 李红波, 陶增蛟, 霍珊珊, 张蕾, 颜芳, 吴文强, 王胜涛

中国农学通报. 2024, 40(5): 74-79

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中国农学通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (5) : 74-79. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0217
资源·环境·生态·土壤·气象

自然降雨和施用缓释肥对北运河上游大田氮磷径流流失的影响

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Effects of Natural Rainfall and Application of Slow-release Fertilizers on Nitrogen and Phosphorus Runoff Loss in the Upper Beiyun River Watershed

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摘要

在北运河上游流域,通过大田监测试验,研究了自然降雨条件下不施肥(T1)、传统施肥(T2)、缓释肥(T3) 3种不同施肥处理玉米生长季氮磷径流流失的影响。结果表明:当流域内12 h内降雨量超过 30 mm时,土壤含量水呈饱和状态,由此地表径流液产生;若在1 h内降雨量超过30 mm,则会加剧径流的产出。与T2处理相比,T3处理的总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失量均偏低,分别低15.3%、24.2%、10%和12%,但未达到显著性差异。T3处理的总氮流失率为0.07%,较T2处理减少46.2%;T3处理的总磷流失率为0.13%,较T2处理减少71.7%;T3处理的硝态氮流失率为0.06%,较T2处理减少25%。综上,与传统施肥相比,施用缓释肥在减少氮磷流失方面能起到一定的减排作用,对科学推广缓释肥和评估缓释肥对氮磷流失的减排效果提供了数据支撑。

Abstract

A field monitoring experiment was conducted to study the effects of non-fertilization (T1), traditional fertilization (T2) and slow-release fertilization (T3) on nitrogen and phosphorus runoff loss during maize growing season in the upper reaches of the Beiyun River watershed. The results showed that when the rainfall exceeded 30 mm in 12 hours, the soil water content was saturated, and the surface runoff was produced, and if the rainfall exceeded 30 mm in 1 hour, the runoff would be intensified. Compared with T2 treatment, T3 treatment had lower TN, TP, ammonium N and nitrate N loss by 15.3%, 24.2%, 10% and 12%, respectively, but there was no significant difference. The TN loss rate of T3 treatment was 0.07%, which was 46.2% less than that of T2 treatment, the TP loss rate of T3 treatment was 0.13%, which was 71.7% less than that of T2 treatment, and the nitrate N loss rate of T3 treatment was 0.06%, which was 25% less than that of T2 treatment. In conclusion, compared with traditional fertilization, the application of slow-release fertilizer could reduce the loss of nitrogen and phosphorus, which provided data support for scientific promotion of slow-release fertilizer and evaluation of the effect of slow-release fertilizer on the loss of nitrogen and phosphorus.

关键词

自然降雨 / 缓释肥 / 北运河 / 径流 / 氮磷损失

Key words

natural rainfall / slow-release fertilizer / Beiyun River watershed / runoff / nitrogen and phosphorus loss

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刘自飞 , 李红波 , 陶增蛟 , 霍珊珊 , 张蕾 , 颜芳 , 吴文强 , 王胜涛. 自然降雨和施用缓释肥对北运河上游大田氮磷径流流失的影响. 中国农学通报. 2024, 40(5): 74-79 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0217
LIU Zifei , LI Hongbo , TAO Zengjiao , HUO Shanshan , ZHANG Lei , YAN Fang , WU Wenqiang , WANG Shengtao. Effects of Natural Rainfall and Application of Slow-release Fertilizers on Nitrogen and Phosphorus Runoff Loss in the Upper Beiyun River Watershed. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2024, 40(5): 74-79 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0217

0 引言

农业面源污染已经成为中国水环境污染的主要因素[1],第二次全国污染源普查公报数据显示,在中国主要污染物排放量中,农业源(种植业、畜牧养殖、水产养殖)排放的总氮、总磷分别占排放总量的46.6%和67.2%,其中种植业源在三类农业源总氮和总磷排放总量的占比又分别达到50.9%和35.9%[2],可以看出,种植业对农业面源污染的贡献不容小觑。
2000年以来,国内外在种植业面源污染防控领域取得了诸多研究成果,其中作为种植业面源污染源头控制的缓控释肥施用技术在国内一直是研究和推广应用的重点[1,3-5],但以往研究多数集中在中国南方河湖网地区[6-8],主要原因在于种植业生产中由于不合理施肥产生的面源污染物需要在降雨或灌溉条件下通过地表径流或农田排水等方式进入附近水体,进而导致水体富营养化等污染现象[9-10],南方地区的降雨和便利灌溉条件为开展相关研究提供了良好的试验基础。
北运河上游流域主要分布于北京市昌平区和海淀区境内,其气候类型属于温带大陆性季风气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,多年平均降雨量在500~600 mm,年内分布不均,主要集中在6—9月。流域内,传统种植夏玉米一般不进行人工灌溉,通常于6月中旬种肥同播,7月中下旬追施1次尿素,追肥阶段若遇强降雨,极易造成氮磷养分随径流流失。近年来,北京市农技人员在流域内推广应用了夏玉米缓释肥一次性底施技术,本研究通过在流域内典型区域设置大田径流监测试验,研究自然降雨条件下缓释肥施用对氮磷径流损失的影响,以期为进一步推荐科学施肥和评估缓释肥施用对氮磷流失减排效果提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在北京市海淀区农业科学研究所基地(116.222076oE、40.047215oN)进行,试验地前茬撂荒,地形坡度小于2°。玉米施肥播种前表层土壤的基本性状为:全氮1.52 g/kg、有机质15.9 g/kg、碱解氮235 mg/kg、有效磷100 mg/kg、速效钾147 mg/kg、pH 7.43;玉米种植于2020年6—9月进行。在试验区设置一体化遥测雨量站(北京易科立德生态环境科技有限责任公司生产),全年进行雨量自动计量。

1.2 试验材料

供试作物为玉米,品种为‘郑单958’。供试肥料为复合肥(N:P2O5:K2O=18:12:15)、尿素(N,46%)、缓释肥(N:P2O5:K2O=25:10:10,其中N为缓释型),3种肥料均由北京绿得利工贸有限公司提供。

1.3 试验设计

依据施肥不同,设置空白对照(不施肥,T1)、传统施肥(T2)、缓释肥(T3) 3个处理,每个处理设置3次重复,随机排列设置,共9个小区,每小区面积为20 m2。玉米采用种肥同播,具体施肥用量及施肥方式见表1,肥料用量参考《农业部玉米、小麦、水稻三大粮食作物区域大配方与施肥建议》和《中国主要作物施肥指南》[11]。玉米于2020年6月12日播种,其中T2处理于7月20日进行追肥,9月28日所有处理的玉米收获。
表1 不同施肥处理的肥料投入量及施肥方式 kg/hm2
处理 基肥(种肥同播) 追肥(表层撒施) 氮磷养分投入量
品种 用量 品种 用量 N P2O5
T1 0 0
T2 复合肥 495 尿素 132 150 60
T3 缓释肥 600 150 60
注:“—”代表不施肥。
径流监测参考了刘宏斌等[12]《农田面源污染监测方法与实践》中相关技术规范。本研究本着易于操作,简便实用原则,进行了适当调整,实际监测依据刘自飞等[13]《一种农田地表径流收集装置》实用新型专利进行设置,各小区之间均以PP隔板隔开,防止相互串水,板埋深40 cm,高出地面20 cm,每个小区对应设置1套径流收集装置。监测设置示意图和实景图见图1图2
图1 径流监测设置示意图

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图2 径流监测设置实景图

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1.4 样品采集及指标测定

利用一体化遥测雨量站观测记录降雨量和当日间歇性降水时长(Tr),每次降雨后6 h内观察集液桶内径流液收集情况,有径流液产生时,通过集液桶水位刻度变化,用体积法求得径流量,并根据小区面积将径流量换算成降雨量;收集径流液时,每个处理各采集两份500 mL水样(其中一份备用),水样采集后,立即送往实验室至于冰箱冷藏室保存待测;每次取样后,利用抽水泵将集液桶内液体抽排干净,供下次监测使用。总氮测定采用过硫酸钾消解紫外分光光度法,总磷测定采用钼锑抗分光光度法,硝态氮和铵态氮采用连续流动分析仪测定。
氮磷流失量和流失率的计算公式如式(1)所示。
Pt=i=1n(Ci×Vi)
(1)
其中:PT为污染物t的流失量;Ci为整个监测周期内第i次收集到的径流水中的污染物的浓度(mg/L);Vi为整个监测周期内第i次收集到的径流水的体积(L);n为整个监测周期内产流的次数。
以本研究缓释肥处理总氮流失率为例,其计算公式如式(2)所示。
 总氮流失率 = 缓释肥处理总氮流失量  空白对照处理总氮流失量  缓释肥处理氮素投人量 ×100%
(2)

1.5 数据处理与分析

试验数据的整理和计算采用WPS office软件,采用SPSS15.0单因素方差分析进行显著性检验(P<0.05)。受降雨条件及农业管理措施的影响,场次降雨径流氮磷流失量波动较大,实际应用中常用养分年流失量表征某一流域降雨径流养分流失状况,本研究根据试验实际,选择整个玉米生长周期内的氮磷流失量进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同降雨量和降雨时长对径流产生的影响

根据一体化遥测雨量站数据记录,如图3所示,试验区2020年全年降雨总量达到610 mm,其中6—9月累计降雨量511 mm,占全年降雨总量的83.8%,符合北运河上游流域历年降雨规律[14]
图3 2020年全年各月份降雨量

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图4所示,2020年6—9月,记录降雨天数为36 d。其中降雨量25 mm以下(气象部门降水强度等级划分标准,中雨以下级别)的天数为30 d,Tr在0.08~18.5 h之间,全部无径流产生;降雨量在25~30 mm(中到大雨级别)天数为1 d,Tr为11.5 h,无径流产生;降雨量在30 mm以上天数为5 d,均产生了地表径流,时间分别为7月3日、7月9日、8月9日、8月12日和8月24日,对应的当天降雨量和Tr分别为50 mm和5.5 h、 43.5 mm和13.25 h、38 mm和0.67 h、143 mm和11 h、33.5 mm和12.25 h,按照气象部门降水强度等级划分,初步判断,流域内降雨一定时间内在达到大雨及以上级别时,大田有地表径流产生。
图4 2020年6—9月期间降雨量、径流量和降雨当日间歇性降水时长(Tr)情况

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与7月3日(降雨量50 mm,Tr为5.5 h)和7月9日(降雨量43.5 mm,Tr为13.25 h)降雨相比,8月9日(降雨量38 mm,Tr为0.67 h)的降雨量分别减少24.0%和12.6%,但径流产生量分别高出29.8%和74.3%;由此可推断,降雨量在短时间内达到一定级别可以加剧径流的产出;从6月24日(降雨量10 mm,Tr为0.5 h)和8月18日(降雨量25 mm,Tr为11.5 h)可以看出,即便短时出现一定的降雨量,或达到相对高的降雨量,但当日间歇性降水时段分散,也未达到径流产生的降雨条件;与8月9日(降雨量38 mm,Tr为0.67 h)降雨相比,8月24日(降雨量33.5 mm,Tr为12.25 h)的降雨量仅减少11.8%,但径流产生量减少近50%,由此可判断,若降水时段分散,即当日间歇性降水时长跨度越长,雨水在土壤中的渗透则越多,进而会减少径流的产生;与8月18日(降雨量25 mm,Tr为11.5 h)相比,8月24日(降雨量33.5 mm,Tr为12.25 h)当日间歇性降水时长较为接近,均跨度较大,但8月24日有径流产生,由此判断,12 h内降雨量超过30 mm时,土壤含水量达到饱和状态,从而产生了地表径流。

2.2 不同施肥处理对氮磷径流损失的影响

表2可知,总氮、总磷、铵态氮、硝态氮的流失量总体呈T2>T3>T1。与T1相比,T2处理的总氮和硝态氮流失量为分别0.58 kg/hm2和0.25 kg/hm2,流失量分别增加了48.7%和92.3%,均呈显著性差异;T2处理的总磷和铵态氮流失量分别为0.33 kg/hm2和0.20 kg/hm2,流失量分别增加57.1%和5.3%,但差异不显著。与T1相比,T3处理的总氮流失量为0.49 kg/hm2,流失量增加了25.6%,但差异不显著;T3处理硝态氮流失量为 0.22 kg/hm2,流失量增加了69.2%,呈显著性差异;T3处理总磷流失量为0.25 kg/hm2,流失量增加了19%,差异不显著;T3处理的铵态氮流失量基本与T1处理相当,在0.18~0.19 kg/hm2之间。与T2相比,T3处理的总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失量均偏低,分别低15.3%、24.2%、10%和12%,但未达到显著性差异。
表2 不同施肥处理的氮磷流失情况
注:同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05);流失量为五次径流液样品的总和。
表2还可知,总氮、总磷、硝态氮的流失率均呈T2>T3。与T2相比,T3处理的总氮流失率为0.07%,流失率减少46.2%;T3处理的总磷流失率为0.13%,流失率减少71.7%;T3处理的硝态氮流失率为0.06%,流失率减少25%;以上结果说明,与常规施肥相比,施用缓释肥在减少氮磷流失方面能起到一定的减排作用。

3 结论与讨论

地表径流是土壤氮磷养分流失的主要途径,而影响土壤径流氮磷流失的因素很多,包括土壤质地、降水量、灌水量、施肥类型、施肥量、作物类型等。本研究区域属于较为典型的冬小麦-夏玉米轮作体系,玉米种植过程基本不进行人工灌溉,基于此,笔者主要考虑了自然降雨和肥料投入情况对氮磷径流损失的影响。
黄满湘等在北京地区的研究表明,降雨强度是影响农田地表养分损失的最重要的气象因子[15]。以往研究人员对降雨强度的表述主要分两类,一类是单位时段(气象部门一般采用的12 h或24 h)内的降雨量(以mm计量),另一类是单位时间(每min或每h)内降雨量(以mm计量)。对于典型农田,降雨首先被作物的冠层截留,冠层截留量饱和以后,雨水便降落至土壤表面,在初始土壤含水量较低的情况下,大部分的降雨下渗到下层土壤,随降雨的持续,土壤入渗率逐渐减少直至降雨强度大于土壤入渗率,开始产生径流[16]。但是短时强降雨,会使得部分雨水来不及下渗到土壤中,同样会产生径流。这表明径流量除跟降雨总量有关外,还受到玉米生长情况以及降雨缓急程度等因素的影响,导致径流量与降雨量之间很难呈典型的线性或相关关系。因此,在本研究中,主要分析了当日间歇性降水时长(Tr)内的降雨量对径流产生的影响。
本研究发现,在北运河上游流域内Tr为12 h内的降雨量达到33.5 mm以上时,根据气象学降水强度等级划分标准,即大雨及以上级别时,大田有地表径流产生,与之相比,当Tr为0.67 h内的降雨量达到38 mm时,径流产生量增加近1倍;当Tr为11 h内的降雨量达到143 mm时,径流产生量增加5倍以上,这与刘操等[17]研究发现在北运河流域内只有达到暴雨级别才会产生径流的结果趋于一致。在本次研究中,6—9月期间降雨36次,降雨概率约25%,这种连续降水也会造成土壤水分长期处于近饱和状态,可能也是造成径流产生的影响因素。上述结果,可以得到的启示是,在玉米种植过程中,遇极端干旱条件下,需要灌溉时,可以适当控制灌溉量和灌溉时间,避免灌水过量产生径流。北运河流域属于半干旱地区,雨水常年较少,而且比较集中,降雨虽然会产生径流,但是降雨量与径流之间的关系还不明确,本次研究表明,降雨的随机性使得农田氮磷流失量的差异比较大,因此要更加准确地评估流域内土壤氮磷地表径流损失情况仍需要长期的观测研究。
降雨是造成地表径流最主要的驱动因子,在夏季雨量大时,农田径流雨水产生的快,径流中养分被土壤植物吸附时间短,较易从农田流失。降雨造成的地表径流带走了颗粒态和水溶态的养分,使得氮磷养分迁出农田系统。高强度的降雨对土壤的冲刷强度较大,雨滴溅蚀破坏了土壤团聚体结构,土壤颗粒被净流水携带进入径流液收集装置,导致产流中的氮磷养分含量升高[18]。优化肥料品种和施肥方式则是决定影响氮磷养分流失量的最直接因素。优化施肥减少径流量的原因主要是在于通过科学合理的肥料运筹一方面促进了作物的生长,提高了作物截留降雨的能力,减少了雨滴直接打击和径流冲刷的动能,从而延缓和阻碍了径流的形成和传递[19],另一方面满足作物对养分的适时需求,避免作物来不及消耗带来的养分损失。施用缓释肥是常用的优化施肥技术之一。王睿等[20]研究证明,使用缓释掺混肥能能够在保证作物养分需求的条件下,降低土壤氮磷流失。姚金玲等[21]研究发现径流总氮和总磷流失量缓释肥处理比常规施肥处理分别降低了10.72%~28.80% 和17.13%~47.87%;李堃等[22]研究也发现,与普通复合肥相比,施用控释肥可以有效减少降雨季节玉米的氮磷流失38%左右;在本研究中,总氮、总磷、铵态氮、硝态氮的流失量总体呈T2>T3>T1,与T2相比,T3处理的总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失量分别低15.3%、24.2%、10%和12%,与前人研究结果趋于一致。施用缓释肥土壤径流氮磷流失小,这是由缓释肥释放的特点所决定,在田间条件下缓释肥料中养分的释放高峰期与作物养分需求高峰期比较吻合, 养分的释放供应量前期不过多,后期不缺乏,满足了作物全生育期对养分的需求,减少了氮磷养分的径流流失。T2处理的总氮流失量显著高于T1处理,可能与7月中旬表层撒施尿素有关,也说明了传统撒施尿素的施用方式不合理。
在流失率或流失系数方面,本研究中总氮、总磷、硝态氮的流失率均呈T2>T3,其中缓释肥处理的氮磷流失率均低于第一次、第二次全国污染源普查数据[23-24],仅传统施肥T2处理总磷的流失率偏高,可能与肥料溶解缓慢,部分未溶解的肥料在雨水的冲刷下直接通过径流损失,导致径流总磷含量升高。
减少种植业面源污染,不仅要加强农田施肥管理,注意施肥量和施肥方式,还应当采取适当的水土保持措施,减少农田产流产沙,尤其是泥沙的流失。近几年,在北运河流域内除推广应用玉米缓释肥一次性底施技术外,秸秆还田也是一项重点推广的技术,此外,在北京景观农业建设过程中,农田缓冲带的打造也是重点。有研究表明,植物篱、秸秆还田对降低土壤氮磷径流损失有较好的阻控效果。植物篱主要通过降低径流流速,增加入渗时间以及改善土壤的理化性状,增加入渗率来实现控制养分流失[25];秸秆还田能够增加土壤孔隙度,减弱雨滴对土壤表面的打击和冲刷,延长了产流的时间,从而增加了入渗量,从而增加对水分的吸收[19,26];在今后的研究中,可以将缓释肥施用与秸秆还田及设置农田缓冲带综合考虑,从而获得更为高效的氮磷流失控制能力。此外,本研究重点探讨了自然降雨条件下不同施肥处理对农田养分径流损失的影响,今后还应补充开展氮磷淋溶损失研究以全面评估养分损失情况。
综上所述,本研究中,当流域内12 h内降雨量达到30 mm以上时,可能是产生农田径流的临界雨量;在北运河上游流域夏玉米种植中推广应用缓释肥一次性底施技术对降低氮磷径流损失是一种较好的选择。

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为了探讨缓/控释肥侧条施用技术在宁夏引黄灌区水稻上的应用效果。通过田间试验研究了不施肥(CK)、自研制水稻缓释复合肥(SRF1)、商品铁杆缓释复合肥(SRF2)、自研制水稻控释掺混肥(BB1)、商品掺混肥(BB2)和农民习惯(CON)6个施肥处理对水稻产量和农学性状的影响,并评价了其氮肥生产效率。结果表明,不同施肥处理下水稻籽粒产量为6622~10761 kg/hm<sub>2</sub>,收获指数为0.42~0.54,分别以BB1和BB2处理最高。与CON处理相比,缓/控释肥侧条施用可使水稻显著增产15.7%~18.0%(SRF2处理除外),空秕率降低0.5%~3.2%,同时提高了株高、穗长和穗粒数。缓/控释肥侧条施用下氮肥农学效率为15.6~18.4 kg/kg,氮肥偏生产力为45.0~47.8 kg/kg,分别显著高于CON处理的6.7 kg/kg和24.3 kg/kg。因此,缓/控释肥侧条施用能够改善水稻农学性状,提高其籽粒产量和肥料生产效率,值得在宁夏引黄灌区水稻种植上大面积推广应用。
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姚金玲, 郭海刚, 倪喜云, 等. 洱海流域不同轮作与施肥方式对农田氮磷径流损失的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2019, 36(5):600-613.
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【目的】探究秸秆还田对巢湖地区油菜-水稻两熟制农田径流氮磷流失的影响,为源头控制巢湖流域面源污染提供科学依据。【方法】开展连续3年(2017—2019年)的田间小区实验,设置无秸秆+无施肥(CK)、常规施肥(F)、秸秆还田+常规施肥(SF)和秸秆还田+常规施肥减15%(SDF)4个处理。通过测定油菜-水稻轮作下农田地表径流中氮磷浓度和流失量,油菜水稻作物收获时土壤养分、作物氮磷养分吸收和产量,探讨秸秆还田对农田径流养分流失规律及土壤养分含量的影响。【结果】秸秆还田配施化肥降低了农田径流中氮的质量浓度,增加了磷的质量浓度。SF较F处理油菜和水稻季总氮(TN)平均质量浓度减少15.6%和26.0%,总磷(TP)增加12.5%和8.1%。SF、SDF处理降低了油菜-水稻轮作农田氮磷流失量。2017—2019年F处理的油菜和水稻径流TN、TP的流失量分别为11.9—26.7、1.3—2.8和15.6—27.0和0.8—2.0 kg·hm<sup>-2</sup>,较F相比,SF处理的油菜和水稻季TN显著降低18.4%—29.7%和21.9%—28.1%,TP流失量则降低1.3%—4.0%和1.0%—6.6%。秸秆还田能够增加土壤有机质等养分含量,短期内均能够降低土壤pH值,与F相比,SF处理的油菜和水稻季有机质、全氮、全磷、速效磷、碱解氮平均含量增幅分别6.2%、8.4%、27.3%、19.5%、5.0%和7.0%、10.9%、17.7%、7.5%、5.1%。秸秆还田配施化肥能够提高作物地上部氮磷累积量。F处理的油菜和水稻地上部作物氮素、磷素累积量均值分别为105.0、20.4和134.3、36.7 kg·hm<sup>-2</sup>,SF较F处理油菜和水稻季氮素累积量增加28.9%和7.8%,磷素增加12.1%和5.9%。秸秆还田提高了油菜-水稻轮作的周年产量,其中SF较F处理显著提高7.8%(2017年)和6.4%(2019年)。【结论】油菜-水稻轮作模式下秸秆还田配施化肥能够在保证作物产量的同时提高土壤养分含量,降低氮磷流失负荷。

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“十三五”水体污染控制与治理国家科技重大专项“北运河上游水环境治理与水生态修复综合示范”(2017ZX07102-001)
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