三峽庫區紫色土坡耕地不同桑樹-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶

尚二鳳，史　書，林　曉，羅柏林，王　法，木志堅，2，3*，倪九派，2，3，謝德體，2，3（.西南大學資源環境學院，重慶 40076；2.重慶市三峽庫區農業面源污染控制工程技術研究中心，重慶 40076；3.教育部三峽庫區生態環境重點實驗室，重慶 40075）

三峽庫區紫色土坡耕地不同桑樹-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶

尚二鳳1，史書1，林曉1，羅柏林1，王法1，木志堅1，2，3*，倪九派1，2，3，謝德體1，2，3
（1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.重慶市三峽庫區農業面源污染控制工程技術研究中心，重慶 400716；3.教育部三峽庫區生態環境重點實驗室，重慶 400715）

利用混合離子交換樹脂填埋吸附法對重慶市涪陵區王家溝小流域內4種不同桑樹-作物配置模式下的坡地土壤氮磷淋溶量進行了定量化研究。試驗所設置的4個處理分別為橫坡農作、橫坡農作+三帶桑樹、橫坡農作+四邊桑樹、橫坡農作+等高桑樹+四邊桑樹。各處理耕作、施肥措施均保持一致，作物種植制度為玉米-榨菜輪作。結果表明，玉米季各處理土壤總氮（TN）的淋溶量在10.19～11.37 kg·hm-2之間，榨菜季在11.06～12.23 kg·hm-2之間，同一季不同處理間或同一處理不同季間土壤TN的淋溶量差異均不顯著（P＞0.05）。硝態氮（NO-3-N）和銨態氮（NH+4-N）對TN年淋溶量的平均貢獻率分別為63.9%和36.1%，說明NO-3-N是氮素垂直淋失的主要形式。同一處理土壤在榨菜季的NO-3-N淋溶量均高于玉米季，NH+4-N則相反；不同處理土壤總磷（TP）年淋溶量范圍為0.19～0.21 kg·hm-2，處理間無顯著差異（P＞0.05）。不同桑樹配置模式對土壤氮磷淋溶攔截效果的差異并不明顯，可能是由本試驗中的桑樹種植年限較短及根系還不發達所致。

三峽庫區；坡耕地；氮；磷；淋溶

尚二鳳，史書，林曉，等.三峽庫區紫色土坡耕地不同桑樹-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶［J］.農業環境科學學報，2016，35（8）：1559-1564.

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三峽庫區是我國重要的淡水資源庫，但自2003年蓄水以來，局部地區水體富營養化頻發，目前已有22條支流出現不同程度的“水華”現象［1］。氮、磷是水體富營養化的主導因子，降雨和灌溉等會導致土壤中的氮磷通過地表徑流和淋溶等方式向水體釋放，進而影響庫區水質。已有學者［2-3］對三峽庫區不同水體中氮磷濃度的動態變化及土壤中氮磷的徑流流失特征進行了研究，但有關三峽庫區農田土壤氮磷淋溶損失的研究仍較少。土壤氮磷淋溶不僅降低肥料利用率，還可造成地下水污染。劉宏斌等［4］在北京地區研究發現農田土壤氮素主要通過地下淋溶途徑損失；黃沈發等［5］研究指出在上海郊區麥地淋溶損失的氮是地表徑流的3倍以上，菜地淋溶損失的氮是地表徑流的1.5倍左右；袁玲等［6］對三峽庫區紫色土的研究也表明，氮素徑流損失遠遠低于氮素的淋溶損失。此外，雖然磷在土壤中濃度很低，大多以難溶化合物形態存在，但對農田土壤磷素淋溶的研究中同樣發現其淋溶損失量與徑流損失量相當或者更大［7-8］。因此，無論從農業生產角度，還是環境保護角度，對農田土壤中氮、磷的地下淋溶情況進行研究均顯得尤為必要。

土壤養分淋溶研究已成為農業與環境科學工作者關注的熱點問題。由于土壤養分具有較大的空間異質性，采用何種方法才能反映農田土壤養分淋溶損失的真實情況，是研究這一熱點的關鍵環節。目前，國內外采用的方法主要有多孔吸盤法［9-11］和滲漏計法［11-18］。Pampolino等［11］利用多孔吸盤法、滲漏計法和離子交換樹脂法研究土壤-N的淋溶情況，結果表明，利用混合陰陽離子交換樹脂法收集的-N濃度最接近田間真實濃度。混合陰陽離子交換樹脂法是一種很有前途的技術，有研究表明該方法不僅可以密集布點、原位定點研究土壤養分動態變化，而且所獲得的數據還可以有效反映田間的實際情況［6，10-12，19-20］。

桑樹在三峽庫區擁有較大的種植面積，農作-桑樹系統作為一種農林復合模式在西南丘陵地區已經廣泛推廣應用［21］，其在紫色土坡耕地水土保持及面源污染控制方面有著突出貢獻［22-23］。謝雪東等［24］研究指出，桑-作系統能夠有效控制三峽庫區坡耕地土壤氮磷的徑流流失。那么，不同桑樹配置模式是否也會影響土壤氮磷的淋溶損失？哪種桑樹配置模式的效果最佳？對此，本研究在三峽庫區涪陵珍溪鎮王家溝小流域內，通過橫坡農作與不同桑樹種植方式相結合的方式，利用陰陽離子交換樹脂收集土壤淋溶液，旨在了解三峽庫區紫色土旱坡地農田氮磷養分滲漏淋失的實際情況，為治理三峽庫區農業面源污染及土壤養分資源管理提供更加全面的科學依據。

1　材料與方法

1.1田間試驗處理概況

研究基地修建于重慶市三峽庫區涪陵珍溪鎮王家溝小流域（29°30′N，107°18′E，海拔330m）的坡腰位置。該流域屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫22.1℃，年均降水量1130 mm，夏秋季降雨量多，冬春季次之。

試驗共設4個處理：橫坡農作（CT）；橫坡農作+三帶桑樹（T1）；橫坡農作+四邊桑樹+等高桑樹（T2）；橫坡農作+四邊桑樹（T3）。每個處理設2個重復（對照處理CT除外），共7個小區，各處理小區統一修建坡度為9°，坡向西北，四周用水泥墻分割，長、寬、高分別為12、4、0.75 m的斜坡。四邊桑帶寬0.5 m，橫坡桑樹帶間距5.25 m，具體設計見參考文獻［24］。各處理桑樹均為2011年10月種植。各處理的農作方式均為玉米-榨菜輪作，各試驗田的化肥施用量均相同，即：玉米季氮肥（N）313 kg·hm-2，磷肥（P2O5）94 kg·hm-2，鉀肥（K2O）131 kg·hm-2；榨菜季N 341 kg·hm-2，P2O5206 kg·hm-2，K2O 184 kg·hm-2。其他田間管理措施與當地農民一致。

試驗區土壤類型為紫色土，試驗開始前對試驗區土壤基本理化性質進行測定，結果見表1。

1.2氮磷淋失量的測定

考慮到桑樹與農作物對土壤氮磷淋溶的整體影響，采樣點并沒有刻意設置在桑樹植株附近，而是在小區內部采用“S”型布點。每個采樣點安裝1個氮磷收集裝置，共安裝42個。埋設收集裝置時，從樣點側面移開土壤，于60 cm深度處將收集裝置由側面水平放入，然后將土壤恢復原狀。于2013年3月埋入第一批收集裝置，9月玉米收獲后挖出，隨后埋入第二批收集裝置，并于2014年2月榨菜收獲后挖出。土壤下滲液中氮磷收集裝置的外部為內徑×高=5 cm×10 cm的塑料管，中間放置12 g陰陽離子交換樹脂（DowenTMMarathonTMMR-3 Mixed Ion Exchange Resin），在其兩端用尼龍紗布攔截，樹脂兩邊填充清潔的石英砂（砂粒直徑約為3 mm），最后將裝置的上下端用尼龍紗布封口（圖1）。

表1　土壤基本理化性質Table 1 Basic properties of tested soil

圖1　土壤滲漏液收集吸附裝置示意圖Figure 1 Apparatus for collecting leaching solution in soil

將每個采樣點收集的陰陽離子交換樹脂放置于三角瓶中，加入200 mL濃度為2 mol·L-1的KCl，振蕩8 h（室溫），取出靜置后，提取一部分浸提液，經堿性過硫酸鉀密閉消化（121℃，30 min）后，分別采用紫外比色法（于220 nm波長處）和鉬藍比色法（于880 nm波長處）測定溶液中的TN和TP；另一部分經0.2 μm醋酸纖維濾膜（日本東洋濾紙株式會社）過濾，然后分別用流動注射分析法和靛酚藍比色法測定濾液中的和。此外，在實驗室將12 g陰陽離子交換樹脂放入收集裝置中，然后取兩種不同濃度梯度的氮磷標液（氮標液濃度為9、14 mg·L-1，磷標液濃度為0.25、0.5 mg·L-1）均勻淋于樹脂上，3 d后按照上述方法提取并測定樹脂吸附的和TP，計算回收率。其中，硝態氮回收率為0.84，銨態氮回收率為0.9，總磷回收率為0.85。

假設土壤氮磷的淋溶液只通過垂直滲漏的方式進入收集裝置，單位面積的氮磷淋失量可按下式計算：

Y=100q×（α×π×R2）

式中：Y為氮（磷）素淋失量，kg·hm-2；q為樹脂吸附量，mg；R為收集管上端口半徑，cm；α為回收率。

每個處理有2個重復，共計12個采樣點。下文中土壤氮、磷淋失量為這12個樣點的平均值，對照處理為6個樣點的平均值。

1.3數據分析

不同處理間土壤氮、磷淋失量差異性比較采用單因素方差（One-way ANOVA）分析結合Fisher′s LSD檢驗法（SPSS Version 20，IBM）。

2　結果與討論

2.1不同桑樹配置模式下土壤氮素的滲漏淋失

圖2　不同桑樹配置模式下土壤TN淋失量Figure 2 Leaching amount of TN in different crop-mulberry systems

由圖2可見，CT、T1、T2和T3在玉米季土壤TN的淋失量為10.19～11.37 kg·hm-2，均值為10.66 kg· hm-2。這與黃沈發等［5］研究的麥地氮素滲漏淋失量13.98 kg·hm-2相近，而高于易時來等［13］研究的小麥生長期氮素淋失量4.81 kg·hm-2，可能與供試土壤類型、肥力特性和作物種類有關。在榨菜季土壤TN的淋失量為11.06～12.23 kg·hm-2，均值為11.76 kg·hm-（2圖2），高于易時來等［14］研究的油菜季TN淋失量3.35 kg·hm-2，低于黃沈發等［5］研究的菜地TN滲漏流失量34.05 kg·hm-2。這可能與作物種類、氮肥用量、降雨量、氣溫以及土壤性質等有關，因為這些因素均會影響氮素在土壤中的遷移和滲漏淋失。

CT、T1、T2、T3四個處理中TN的年淋失量變化范圍為21.25～23.43 kg·hm-2，均值為22.42 kg·hm-2（圖2）。該淋失量低于袁玲等［6］對三峽庫區坡耕地40 cm土層氮素淋失量的研究結果（46.01 kg·hm-2·a-1），可能與收集土壤滲漏液的深度有關。吳家森等［15］研究指出不同深度土壤滲漏液中TN濃度變化呈上高下低的趨勢。土壤滲漏液中TN淋失量與其濃度變化具有高度一致性［16］，故本研究結果（將淋溶至60 cm以下的氮素視為淋溶損失）低于袁玲等的研究結果。

圖3　不同桑樹配置模式下土壤-N淋失量Figure 3 Leaching amount of-N in different crop-mulberry systems

有研究結果顯示，植物籬能很好地改善土壤理化性質，有效控制水土流失，對地表徑流產生一定的攔截效應［24］。然而，本研究中，無論在玉米季還是在榨菜季，各個處理之間土壤TN、-N及-N的淋失量均無顯著差異（P＞0.05），說明不同的桑樹配置模式對紫色土旱坡地土壤氮素滲漏淋失的影響效應并不明顯。這可能與桑樹的種植年限有關，因為對于2年生的幼桑來說，其根系還不發達，對土壤氮磷滲漏流失的攔截效果還不明顯。

2.2不同桑樹配置模式下土壤磷素的滲漏淋失

圖4　不同桑樹配置模式下土壤-N淋失量Figure 4 Leaching amount of-N in different crop-mulberry systems

從不同作物種植季來看，各個處理中土壤TP淋失量均較?。▓D5）。不同處理下土壤TP的年淋失量在0.19～0.21 kg·hm-2之間變化，均值為0.20 kg·hm-2，該淋失量略低于李學平等［27］研究的紫色土稻田磷素淋失量0.262 kg·hm-2。顯著性分析結果表明，無論玉米季或榨菜季，不同處理之間土壤TP淋失量均無顯著差異（P＞0.05），說明不同的桑樹配置模式對該流域農田土壤磷素滲漏淋失的影響效應并不明顯。土壤對于磷素的固定能力很強，有研究表明磷肥大多施用在耕作層，下層土壤含磷量很低，而且可以吸持和容納大量磷素，所以磷沿土壤剖面下滲的可能性不大［28-29］，即使60 cm以下土壤溶液中的磷全部淋溶出來，其淋溶量也很小。

圖5　不同桑樹配置模式下土壤TP滲漏淋失量Figure 5 Leaching amount of TP in different crop-mulberry systems

玉米季各處理土壤TN、TP淋失量的變異系數分別在4.90%～17.72%、30.01%～80.03%之間，榨菜季在19.77%～29.74%、31.62%～70.74%之間，說明土壤TP淋失量的變異性大于TN淋失量的變異性。這一結果可能是由兩種原因產生的：其一、假設土壤氮磷的淋溶液只通過垂直滲漏的方式進入收集裝置，那么施肥不均以及氮磷礦化量的不同可能導致不同采樣點之間氮磷的淋溶量有差異，而有機氮的礦化量與氮素淋溶量有密切關系［30］。紫色土坡耕地氮素礦化量變幅較?。?1］，可能導致土壤氮素淋失量的變異比較小。其二、變異系數是原始數據標準差與平均數的比值。無論在玉米季還是在榨菜季，各處理土壤TN、TP淋失量的標準差均相差不大，但前者的平均值遠遠大于后者，則可能導致TP淋失量的變異性大于TN淋失量的變異性。但是具體原因還需要做進一步的研究。

本研究結果顯示，土壤TN的年淋失量為TP的101.2～123.3倍，說明不同桑樹配置模式下紫色土旱坡地土壤養分滲漏淋失以氮素為主。因此，控制該流域農業面源污染應著重控制氮肥施用量。氮磷化肥配施有機肥可以提高氮肥利用效率，抑制硝化作用，進而降低氮素淋失量。也可以將研究基地下坡的稻田作為一種緩沖帶攔截氮磷的滲漏流失，進而減少三峽庫區農業小流域氮磷的面源污染。

盡管目前國內關于土壤氮磷養分淋溶的研究較多，但大多采用滲漏計的方法，利用陰陽離子交換樹脂吸附法鮮有報道，因此缺少大量可比較和借鑒的資料，研究范圍有限，故試驗結果有待進一步檢驗。

3　結論

（1）不同桑樹配置模式下紫色土旱坡地土壤總氮的年淋失量變化范圍為21.25～23.43 kg·hm-2，總磷的年淋失量變化范圍為0.19～0.21 kg·hm-2。土壤硝態氮和銨態氮對總氮年淋失量的平均貢獻率分別為63.9% 和36.1%，硝態氮是土壤氮素滲漏淋失的主要形式。

（2）不同桑樹配置模式對三峽庫區紫色土旱坡地土壤氮磷滲漏淋失的影響效應并不明顯，可能是因為桑樹種植年限較短，其根系還不發達所至。

（3）土壤總氮的年淋失量為總磷的101.2～123.3倍，不同桑樹配置模式下紫色土旱坡地的養分滲漏淋失以氮素為主。

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Leaching losses of nitrogen and phosphorus from arable hillslope purple soils under different mulberry-crop combinations in Three Gorges Reservoir Region

SHANG Er-feng1，SHI Shu1，LIN Xiao1，LUO Bai-lin1，WANG Fa1，MU Zhi-jian1，2，3*，NI Jiu-pai1，2，3，XIE De-ti1，2，3
（1.College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China；2.Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three-Gorges Reservoir Area，Chongqing 400716，China；3.Key Laboratory of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education，Chongqing 400715，China）

A field monitoring was carried out at the Wanjiagou catchment of Fuling District in the Three Gorges Reservoir Region，to quantify the vertical leaching losses of nitrogen（N）and phosphorus（P）from arable hillslope purple soils under different mulberry-crop systems by employing mixed ion exchangeable resin burying and adsorption method.The experiment consisted of four treatments，i.e.，contour cultivation，contour cultivation with mulberry trees planted on the upper，middle and lower slopes，contour cultivation with mulberry trees planted on the four sides of the slope，and contour cultivation with mulberry trees planted on the four sides of the slope and the middle slope.All experimental plots-2for the maize-croppingseason and from 11.06 to 12.23 kg·hm-2for the mustard-cropping season.The loss of TN was not significantly different among different treatments during the same cropping seasons or between different cropping seasons for the same treatments（P＞0.05）.The contribution of nitrate-N and ammonium-N to the annual TN loss averaged 63.9%and 36.1%，respectively，indicating that nitrate dominated in the N leaching loss.For the same treatments，the leaching loss of nitrate-N was greater during the mustard season than during the maize season，and vice versa for the loss of ammonium-N.The annual leaching loss of total P（TP）from soils ranged from 0.19～0.21 kg·hm-2，and no significant differences were found among different treatments（P＞0.05）.The poor development of mulberry-root systems associated with the short planting duration may fail in differentiating the retention capacity of N and P leaching loss among different treatments.

the same tillage and fertilization treatments and were subjected to a maize-mustard rotation system.Results showed that leaching rates of total N（TN）from soils under different treatments varied from 10.19 to 11.37 kg·hm

Three Georges Reservoir Region；upland soil；nitrogen；phosphorus；leaching loss

S157.2

A

1672-2043（2016）08-1559-06

10.11654/jaes.2016-0213

2016-02-23

國家自然科學基金項目（41371275，41371301）；國家水體污染控制與治理科技重大專項課題：三峽庫區及上游流域農村面源污染控制技術與工程示范（2012ZX07104-003）

尚二鳳（1991—），女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事水環境保護研究。E-mail：1197331078@qq.com

木志堅E-mail：muzj@swu.edu.cn