丹江口庫區典型坡面不同土地利用硝態氮水平運移特征

吳 薇，姚 娜，趙書華，郭忠錄

（1.湖北安源安全環?？萍加邢薰?，武漢430040；2.華中農業大學 水土保持研究中心，武漢430070）

丹江口水庫分布于河南省淅川縣和湖北省丹江口市之間，主要由漢江庫區和丹江庫區組成，是我國南水北調中線工程的水源區。南水北調中線工程要求水源地丹江口水庫的水質要達到國家地表水類以上的水質標準（GB3838—2002）。根據1995—2009年水質監測資料，丹江口水庫總體水質良好，部分區域和支流水質總氮總磷指標超過或接近Ⅱ類水質標準［1］。丹江口水庫流域內屬于農業主產區，種植業占農業總產值的55%［2］。為了增加產出，農業生產過程中投入了大量農業生產資料，這可能是近年來庫區部分區域和支流水質超標的重要原因。

國內外研究結果表明農業非點源污染是湖庫水體富營養化的主要原因［3－7］。農田土壤中氮磷的流失是造成地表水體富營養化的決定性因素，降水條件下過量的氮素隨地表徑流流失是旱地農田氮素損失的重要途徑，而硝態氮被發現是地表徑流氮流失的最主要形態［8－10］。鑒于此，本研究基于庫區坡地氮流失及引發的湖庫富營養化問題，借鑒現有研究方法［11］，以水庫生態屏障帶典型坡面不同土地利用方式為研究對象，以硝酸鹽溶液為示蹤劑，比較研究土壤硝酸鹽水平運移規律以及空間變化過程，以期為庫區水土保持、水質安全及土地管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

前期調查發現，丹江口庫區庫周土地利用模式從坡腳到坡頂主要為：河漫灘—撂荒地／草地—坡耕地／草地—坡耕地／撂荒地—柑橘園地—灌木林地。考慮庫岸水文情勢，本研究從坡腳到坡頂，在消落帶生態恢復區（河漫灘DS1，撂荒地／草地DS2）、庫濱緩沖區（坡耕地／草地DS3）和生態農業區（柑橘園地DS4）4個區域采用“S”形法分層采集土壤樣品，層次為0—5cm，5—15cm，15—25cm，每種土地利用采集10個樣點。土壤樣品混合后帶回實驗室，一部分風干，剔除雜質，研磨過2mm篩和0.149mm篩，測定土壤基本性質見表1；另一部分用蒸餾水清洗，直至可溶性的硝酸根離子完全清除為止，然后風干，研磨過2mm篩，備用。

樣品采集于2011年6月，消落區河漫灘有少量草本植物，消落區撂荒地近年來種植過油菜和玉米，庫濱緩沖區耕地種有芝麻，生態農業區下部分種有玉米和上部分栽植柑橘。由于水庫的反季節性調度，河漫灘夏季出露、冬季淹沒，庫濱緩沖區處于高水位臨界區，主要受生態農業區降水的影響。

1.2 硝態氮水平運移試驗

借鑒國內外硝態氮水平運移研究裝置，本研究水平擴散裝置規格：100cm（長）×15cm（寬）×10cm（高），材料為有機玻璃，由馬氏瓶、水平槽組成。槽體分為三部分：水室段（10cm）、石英砂濾層段（10cm）和土樣段（80cm）組成。

根據野外測定土壤容重裝填土柱，100mg／L的硝酸鹽溶液作為示蹤劑，馬氏瓶控制恒定水頭。溶液在運移過程中忽略水平方向上的重力勢，土壤層中干土和濕土之間的硝酸鹽濃度水勢和基質勢是水平土柱中硝酸鹽運移的推動力。

在水平土柱上標記刻度，當土柱濕潤到5cm，10 cm，15cm，20cm，30cm，35cm，50cm 時，記錄達到該刻度所用的時間，土柱濕潤到50cm時，停止加入硝酸鹽溶液。將土柱分成2cm長的小段，每段分成4份，2份測定土壤濕度，2份測定硝態氮含量。測定值減去背景值，得到吸附或解吸的量。硝態氮的運移速度通過溶液運移時間和擴散距離獲取。4個土地利用3個土層，每層土壤樣品重復2次。

2 結果與分析

2.1 土壤基本性質

地形部位和土地利用方式對土壤性質沿垂直剖面的分布具有重要影響（表1）。從下坡位至上坡位，土壤有機質含量呈現先增加后減少的趨勢，最大值出現在庫濱緩沖區坡耕地上（DS3），0—5cm土層有機質量含量為8.67g／kg，河漫灘有機質量含量最低6.75g／kg，消落區撂荒地（DS2）和生態農業區（柑橘園地）土壤有機質量含量介于之間，為7.89，7.42 g／kg。沿坡面從下往上，土壤容重沒有明顯的變化趨勢，但5—15cm和15—25cm土層中坡位和上坡位明顯高于下坡位。沿著坡面向上，DS1和DS2三個土層土壤砂粒含量均明顯高于DS3和DS4，而粉粒和黏粒含量呈現相反的趨勢。從0—5cm到15—25 cm土層，4種土地利用土壤有機質量均隨著土層深度增加而減少，而土壤容重表現為5—15cm和15—25cm土層高于表層，土壤粒徑分布隨著土層深度增加沒有明顯的變化趨勢，土壤孔隙度除河漫灘（DS1）外，基本呈現土壤深度增加減小的趨勢。

表1 土壤基本性質

2.2 硝態氮水平運移特征

在整個硝態氮水平運移試驗過程中，硝態氮溶液在水平土槽中作水平運移，利用馬氏瓶來控制恒定水頭，消除重力勢和壓力勢的影響。硝態氮溶液在水平土槽中做水平運移時，忽略各質點之間的重力勢差，可以認為硝態氮水平運移的推動力主要是硝態氮的濃度梯度、土壤的基質勢和干濕土層之間的水勢梯度。

硝態氮濃度隨著運移距離的增加而降低，DS1，DS2，DS3和DS4四種土地利用3個土層趨勢相似，呈對數衰減（圖1）。統計分析可知，硝態氮濃度與運移距離表現為極顯著相關關系。DS1的0—5cm，5—15cm和15—25cm 3個土層相關系數分別為r＝0.931 1＊＊，r＝0.873 5＊＊，r＝0.836 7＊＊，n＝22。DS2的3個土層相關系數依次為r＝0.960 7＊＊，n＝19；r＝0.979 8＊＊，n＝21；r＝0.872 4＊＊，n＝22。DS3的3個土層相關系數依次為r＝0.961 8＊＊，n＝19；r＝0.937 0＊＊，n＝18；r＝0.923 0＊＊，n＝21。DS4的3個土層相關系數為r＝0.945 5＊＊，n＝22；r＝0.942 3＊＊，n＝22；r＝0.943 9＊＊，n＝21，由圖1還可以看出，DS1的0—5cm，5—15cm和15—25cm 3個土層硝態氮濃度在整個運移過程中差異較大，而DS2，DS3和DS4在運移至15cm左右，3個土層土壤硝態氮濃度趨于相近。值得注意的是DS1的15—25 cm土層與DS3的5—15cm和15—25cm土壤硝態氮濃度運移至20cm時濃度均低于其他處理，且低于150mg／kg。

圖1 不同運移距離硝態氮濃度變化

2.3 硝態氮水平運移速率與運移距離的關系

硝態氮水平運移的推動力主要是干濕土層之間的水勢梯度和土壤基質勢［12］。在硝態氮水平運移過程中，其運移速率與運移距離并不是直線線性關系，而是呈現冪函數關系（圖2）?；貧w分析知，DS1，DS2，DS3和DS4四種土地利用3個土層深度硝態氮運移速率與運移距離的相關關系均達到了極顯著水平，r值均在0.90以上。各層中硝態氮運移速率均表現為短距離（0—5cm）運移速率最大，隨著距離的增加，運移速率迅速下降。DS1和DS4的3個土層在20cm以后，隨著運移距離增加，硝態氮水平運移速率基本接近并開始聚集；而DS2和DS3各土層直到35cm以后，運移速率的變化趨于緩慢，且沒有像DS1和DS4隨著運移距離增加逐步聚集。由于沿著坡面不同土地利用不同層次土壤物理性狀差異，硝態氮運移曲線發生了分異，DS1土壤中硝態氮運移速率大小依次為：15—25cm＞5—15cm＞0—5cm，DS2和DS3土壤硝態氮運移速率隨著土層深度的增加逐漸減小，DS4土壤中硝態氮運移速率大小趨勢基本與DS1一致。

2.4 土壤濕度對硝態氮水平運移濃度的影響

土壤含水量對硝態氮水平運移速率有較大的影響［12－13］，本研究中四種土地利用3個土層土壤硝態氮運移濃度均隨土壤含水量增加而減?。▓D3）。當土壤含水量低于0.3cm3／cm3時，硝態氮的濃度變化較大，但土壤含水量大于0.3cm3／cm3到接近土壤水分飽和時，硝態氮濃度變化較小。4種土地利用各土層之間的濃度值有差異，但變化趨勢基本一致，曲線呈負冪函數（y＝axb）變化，硝態氮運移濃度與土壤含水量相關關系達到了極顯著水平。

圖2 硝態氮水平運移速率與運移距離的關系

圖3 土壤含水量對硝態氮水平運移濃度的影響

硝酸鹽離子在隨水分遷移過程中，具有很強的移動性，在其濃度梯度和水勢梯度的影響下，在水分所到達的干濕交界面（濕潤峰面）上富集，濃度在濕潤峰面上達到最大值。不同土地利用各土層濕潤峰處最大值：河漫灘（DS1）244.91mg／kg（0—5cm），153.32 mg／kg（5—15cm），93.97mg／kg（15—25cm）；撂荒地（DS2）228.53mg／kg，194.59mg／kg，177.02mg／kg。坡耕地（DS3）168.38，137.02，129.46mg／kg。柑橘園（DS4）259.69，233.65，162.04mg／kg。

3 討 論

山地坡面地形部位和土地利用方式綜合影響著土壤的物理化學性質包括對干擾擴散的影響，對水土流失和養分流失的影響。研究認為水土流失作用下，下坡位是坡面養分的匯集處，養分含量高于中坡位和上坡位［14］。Gregorich和Anderson發現土壤有機質含量從坡頂到坡腳逐漸增加［15］。本研究結果有所不同，下坡位河漫灘有機質最低，這主要是水庫蓄水時該區侵蝕沉積泥沙養分釋放到水體造成的。中坡位的消落區撂荒地和庫濱帶坡耕地較高有機質含量更多是前期農業種植施肥的結果，而上坡位柑橘園地較低的含量可能是開墾種植時間較短且肥料投入較少造成的，進一步證實了土壤養分在不同坡位的含量更取決于土地利用方式差異。

硝態氮是一種非專性吸附陰離子，通過靜電力與土壤膠體雙電層外層發生作用，通常情況下不易被帶負電的土壤膠體所吸附，主要以溶質的形式存在于土壤溶液中，其運移速率隨土壤含水量的不同而相應地變化著［12］。本研究中土壤含水量顯著影響到硝態氮水平運移速率和運移濃度，當土壤含水量低于0.3 cm3／cm3時，硝態氮濃度變化較大，但土壤含水量接近飽和時，硝態氮濃度變化無明顯變化。杜臻杰等［16］對典型紅壤旱地硝態氮水平運移規律研究結果表明，當土壤含水量小于0.1cm3／cm3時，硝態氮水平運移速率隨土壤含水量增加緩慢增加；大于0.1 cm3／cm3時，硝態氮水平運移速率隨土壤含水量增加而急劇增加。Chen等［11］對水稻土研究表明，當土壤含水量小于0.5cm3／cm3時，硝態氮運移濃度緩慢變化，而土壤含水量大于0.5cm3／cm3時，硝態氮運移濃度對含水量變化劇烈。這主要是不同土壤類型土壤物理化學性質迥異，從而會影響到硝態氮運移濃度。

本試驗中河漫灘土壤中硝態氮運移速率隨著土壤深度的增加而逐漸增大，柑橘園地土壤中硝態氮運移速率大小趨勢基本與河漫灘一致；而消落區撂荒地和庫濱帶坡耕地土壤硝態氮運移速率隨著土壤深度的增加逐漸減小。河漫灘0—5cm土層黏粒含量較高，相對粘重；黏粒遇水膨脹，其膨脹結果影響了水分在土壤中的分配；柑橘園地長期未翻耕影響到沙粒級配分布，從而影響了硝態氮運移速率；與其他研究相似，消落區撂荒地和庫濱帶坡耕地表層的運移速度最大，主要受土壤孔隙大小和土粒之間的水勢梯度影響，且隨土壤深度增加，土壤質地越緊實，溶液運移速度越?。?1－13］。這也進一步證實了硝態氮的運移速率大小還和對土壤水分含量有影響的土壤質地類型和土壤有機質含量等有關。

4 結 論

（1）沿著坡面的4個土地利用3個層次土壤硝態氮運移速率有所不同，但總體變化趨勢一致；土壤中硝態氮水平運移速率和運移距離的關系呈現出冪函數關系，隨著運移距離增加而減小，且均達到了極顯著水平。

（2）土壤物理性質影響了土壤中硝態氮運移速率。沿著坡面從坡腳向上，河漫灘土壤硝態氮運移速率15—25cm＞5—15cm＞0—5cm，消落區撂荒地和庫濱帶坡耕地土壤硝態氮運移速率隨著土層深度增加逐漸減小，柑橘園與河漫灘基本一致。

（3）在水平運移過程中，硝酸鹽濃度在土壤的濕潤峰面上達到最大值；隨土壤含水量的增加而減小，變化趨勢符合負冪函數關系，相關關系極顯著；土壤含水量0.3cm3／cm3是為一個分界線，當土壤含水量大于0.3cm3／cm3至接近土壤水分飽和時，硝態氮濃度變化較??；當土壤含水量小于0.3cm3／cm3時，濃度變化較大。

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