土壤氮素隨地表徑流遷移規律研究進展

拜得珍

（青海省環境科學研究設計院，青海 西寧 810007）

氮素（尤其是硝態氮）極易隨地表徑流遷移，引起地表水環境惡化和地下水硝酸鹽含量過高等環境問題。土壤氮素的遷移與流失規律已成為土壤學、水文學、環境科學等多個學科領域的交叉點和研究熱點，徑流是土壤養分遷移的主要動力，而水土流失則是土壤氮素遷移的主要載體。開展土壤氮素隨地表遷移規律的研究，闡明氮素在地表徑流和土壤中的遷移過程及影響因素，對于探討土壤退化機理、保護水體環境安全具有重要的理論和生產意義。

1 氮素遷移規律的研究方法

1.1 傳統研究方法

土壤生態系統中養分地表徑流損失是降雨產流和土壤侵蝕的結果，對于自然降水引起的地表徑流養分流失的研究，過去多采用流域的質量平衡法，如今人工模擬降雨試驗成為研究地表徑流中氮素損失的重要手段。其優點是可以縮短周期，靈活地控制降雨強度、降雨時間及其他影響因素，并便于在野外和室內應用。

氮素遷移規律的研究方法由定性研究轉變到污染模型研究上，模型以產污機理為理論基礎，模擬污染物的遷移轉化并反映時空分布特征。非點源污染模型研究經歷了從統計模型階段到機理模型為基礎的定量化階段，再到實用性階段。通常用流域水文模型與次暴雨徑流污染負荷估算模型來定量估計一定時段內非點源污染產生的負荷量。其中單次暴雨非點源污染負荷定量化模型常用兩種方法：一種是通過對降雨徑流、水土流失和污染物遷移的模擬，估算污染物的輸出量；另一種是立足于受納水體水質分析，建立匯水區域污染物的輸出量經驗統計模型。

1.2 新技術的應用研究

改進的遙感技術運用帶間參照和一系列算法可鑒定低氮區或缺氮區，近地量化氮素流失及需要量。由于氮素隨地表遷移具有隨機性大、分布范圍廣、形成機理模糊、潛伏性強、滯后發生和管理控制難度大的特點，而運用計算機強大的模擬功能和計算功能，結合GIS的空間數據處理分析能力和遙感技術可提供數據源的能力，建立新的模型模擬營養元素在土壤和水體中的遷移轉化特征成為常用方法。

2 土壤氮素遷移規律及影響因素

2.1 土壤氮素的形態特征及遷移機理

降雨條件下坡地土壤溶質遷移是一個復雜的物理化學過程，受到眾多因素的影響，但直接決定因素是化學元素、土壤和水三者。其中，化學元素是土壤溶質的組成成分，土壤是供給源，水是驅動者。氮素的非點源污染主要機理是擴散和遷移，其中擴散包括污染物在土壤圈中的擴散和污染物在外界條件下（降水、灌溉等）從土壤向水體的擴散兩種。污染物遷移主要有兩種，一種是結合在懸浮顆粒上，隨土壤流失進入水體發生遷移，另一種是水溶性較強的污染物被淋溶而進入徑流。一般來說，氮源施入土壤后，通過化學與微生物過程，轉化為銨態氮（NH+4—N）和硝態氮（NO-3-N），NH+4-N呈球形擴散，NO-3-N以質流方式遷移。由于銨態氮（NH+4-N）呈球形擴散容易被土壤膠體所吸附，除吸附達到飽和外，一般不易發生遷移；而NO-3-N不易被土壤顆粒吸附，易于被淋洗進入水體隨徑流發生遷移。

研究結果表明，徑流中的氮形態和濃度同表層土壤中氮的組成有關。在未施大量有機肥和化肥的礦質土壤中，表層土壤中無機態氮很少，主要為銨態氮和硝態氮。在降雨徑流條件下，雨水及徑流相互作用的土層甚薄，只與0～2.5cm土層密切相關，可溶性較強的銨態氮、硝態氮以及可溶性的有機氮被淋溶進入徑流水體，隨水土流失的顆粒態氮成為地表徑流氮流失的主要形式[1]。而在坡地農田利用方式中，流失的氮磷中60%以上是被泥沙帶走。分析徑流的顆粒物粒徑，徑流中流失的顆粒物以0.25mm以下的團聚體為主[2]。

2.2 土壤氮素隨地表遷移的影響因素

2.2.1 降雨及徑流的影響特征

強降雨形成的地表徑流是氮流失的主要途徑，研究表明：地表徑流氮流失量與徑流量成正相關，累積氮流失量與累積徑流量之間存在冪函數關系：TN=aRb[3]。氮的輸出速率與降雨徑流過程呈遞減變化，總氮與徑流量對地表的侵蝕能力成正相關，其濃度的遞減規律呈拋物線形，并隨降雨強度的增大而增大.在降雨歷時、降雨量、最大雨強3個參數中，降雨量與污染物輸出量也呈較好的冪指數相關關系[4]，流域非點源污染的季節變化與流域降水的季節變化基本一致，非點源污染主要發生在降雨豐富的時段[5]。

在少量或無侵蝕發生的土地利用類型中，徑流水成為養分流失的主要途徑，部分氮磷以液態形式隨地表徑流遷移。坡面養分以泥沙結合態流失為主，磷鉀的水溶態是養分流失的重要途徑[6]，而氮、磷、鉀在流失泥沙中有明顯的養分富集現象[7]，在降雨產沙最初階段，氮的富集系數很高，隨后逐漸降低，并隨徑流泥沙損失量的增加，徑流泥沙對氮的富集系數逐漸減少。粒徑＜0.045mm團聚體對氮的富集作用最強，富集系數也最大，而0.1—0.045mm團聚體對氮的富集作用最弱，富集系數也最小[2]。

2.2.2 土壤物理狀況與地形條件

土壤類型、結構、物理和化學性質都會影響地表徑流量和污染物遷移速度，不同的土壤水分含量和質地對氮素遷移有很大影響，長期利用地表排水系統的水田，土壤狀況能得以改善，土壤鹽漬化程度降低，有助于NH4+被粘土吸附，控制銨態氮（NH4+—N）隨質流的運移流失。同時土壤明顯的干濕交替，促進了硝化和反硝化作用，也容易造成硝態氮（NO3——N）隨地表排水流失，有機質和速效氮、磷、鉀養分的流失強度與坡長呈指數函數關系。

2.2.3 土地利用方式和土地管理措施

土地利用類型對徑流中氮素的含量有著顯著的影響，徑流N、P的流失量與肥料投入水平有一定的正相關性，同時與研究區的土地利用方式、水肥管理及種植制度有關[8]。

田間管理方式也與農田氮流失有關，特別是耕作時間和耕作方式，旱地地表徑流中總氮平均濃度順坡種植＞平板種植＞聚土壟作。通過對土地利用類型的優化配置，合理采用水土保持耕作法，控制施肥量和適宜的農田耕作方式，可減少地表徑流中氮的含量[9]。耕作方式對土壤侵蝕和地表徑流有著重要的作用，犁耕農田的地表徑流量是免耕農田的1 185倍，水平溝與傳統耕作方法相比，每年可以減少6 157kg/km2礦質氮流失[10]。

大規模造林以及水保耕作措施對土壤N素合理分配均產生重要影響，水保耕作措施在降低地表徑流引起的顆粒態氮損失的同時有利于硝態氮的淋失，而集約化農業氮素以淋溶和氣體損失為主[11]。張興昌等模擬天然降雨，研究不同植被覆蓋度對流域氮素流失的影響，發現植被覆蓋度上升可以增加徑流液中礦質氮的濃度，徑流和侵蝕量隨植被覆蓋度增加呈遞減趨勢，而NH+4—N 和 NO－3—N 流失卻呈遞增趨勢[12]。

3 土壤氮素地表徑流遷移的調控措施

在了解土壤氮素隨地表徑流遷移的形態特征及影響因素的基礎上，評價氮素遷移的環境效應，開展土壤氮素地表徑流遷移的調控工作。從眾多的研究結果來看，調控措施大體可以分為兩大類，即“源”防治和“匯”防治，通過源區養分管理，減緩水速，促進流水顆粒沉淀，從而減少氮的流失，達到氮素地表徑流遷移調控的目的。

3.1 “源”的調控措施

主要是加強養分管理和耕地管理，開展科學施肥。實踐經驗證明，施氮量與氮素利用之間存在明顯的負相關關系，過多的氮肥施用起不到增加產量的目的，相反會起到浪費資源、污染環境的效果。要依據作物需肥規律、土壤供肥特性與肥料效應，采用平衡施肥等科學施肥方法，推廣施用緩釋性肥料，可最大限度地避免養分流失。耕作管理，主要是對耕作技術上的要求，主要包括帶狀農作、作物輪作、保護性耕種以及覆蓋種植，研究表明這些耕作技術可有效調控徑流污染物的遷移進程。在“源”的調控措施中要加強對面源污染源的整治，尤其是對牲畜糞便污染物的管理和整治不容忽視。

3.2 “匯”調控措施

地表徑流是污染源遷移的主要動力，徑流中的顆粒物是污染物的主要載體。因而進行徑流中污染物的調控，可通過對地表徑流進行調控來實現。地表徑流調控的最終目的是改變下墊面狀況，阻止雨滴直接打擊裸露的地面，分散地表徑流，削弱水土流失動力，利用地表徑流分散和聚集相結合的手段達到控制水土流失和保護水土資源的雙重目標。目前常用生物措施、耕作措施和工程措施、化學措施以及小流域綜合治理體系來調控降雨徑流，增加土壤水庫貯存能力，消除土壤流失動力。通過修建梯田、水平構、魚鱗坑等工程措施來進行徑流調控是常見的“匯”調控措施。

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[12]李振聲，朱兆良，章申，等.挖掘生物高效利用土壤養分潛力保持土壤環境良性循環[M].中國農業大學出版社，2004：345－350.