坡地氮素輸移特征及其對土壤水文過程響應研究述評

，，(江西省水土保持科學研究院，江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

坡地氮素輸移特征及其對土壤水文過程響應研究述評

莫明浩，涂安國，宋月君
(江西省水土保持科學研究院，江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

綜合目前坡地氮素輸移研究進展，論述了坡地氮素地表輸移特征、坡地氮素地下輸移特征、坡地氮素輸移對土壤水文過程的響應和植被覆蓋對氮素輸移的影響。針對當前氮素流失及其影響因素研究中存在的不足，指出研究坡地氮素輸移對土壤水文過程的響應，不僅是土壤侵蝕和土壤溶質運移研究的基礎，也是非點源污染控制研究的重要內容，建議加強坡地氮素的垂直遷移途徑及在土壤各層中的形態特征、不同形態氮素對土壤水文過程的特征響應及其機理的研究。

坡地；氮素；輸移特征；土壤水文過程

坡地土壤侵蝕不僅導致坡地農業土壤質量的退化，也是農業非點源污染的重要來源。氮是構成生命體的必需元素，是土壤肥力的重要因素之一，在農業生產中發揮著重要的作用[1]。隨著全球農業生產的大發展，旱坡地氮肥的使用量越來越大，但是，過量氮肥的施用及不合理的農業管理措施導致氮素以揮發、反硝化及淋溶等途徑轉化和輸移，不僅造成經濟損失，而且導致了地下水污染[2-4]。在我國，氮肥一般只有30%～50%被作物利用，淋溶損失被認為是旱地農田氮素損失的主要途徑，也是導致地下水資源氮素污染的重要原因，已被廣泛關注[5-6]。然而，由于壤中流的存在，坡地土壤水文過程復雜，氮素垂直遷移形態受水文過程影響呈現地表徑流、壤中流和地下徑流不同的分層特征，氮素淋失成為了氮循環研究中的薄弱環節。本文通過述評坡地氮素分層輸移對土壤水文過程的響應，旨在為土壤氮素徑流和淋溶損失的控制提供重要的理論依據，有利于從源頭上減少坡地氮素損失和防治非點源污染。

1 坡地氮素輸移特征

國內外自19世紀晚期就開始觀察和定性描述坡地侵蝕，到20世紀80年代由于對非點源污染的普遍關注，開始重視坡地表層土壤中營養物質的遷移規律研究[7-8]。氮素在土壤中的存在形式是多種多樣的，土壤的氮含量是土壤氮素礦化與積累作用平衡的結果[9]。

氮素遷移方式一種是土壤入滲量小于降雨量時，產生地表徑流，隨地表徑流或侵蝕泥沙遷移；另一種則是土壤內部的可溶性物質隨入滲的水分沿垂直方向遷移[10]；坡面氮素以溶質形式輸出受降雨徑流影響呈現地表徑流、壤中流和地下徑流不同的分層特征。受坡地土壤侵蝕影響，氮素在遷移轉化過程中呈不同的形態，歸結起來主要有坡面地表徑流、壤中流、地下徑流和侵蝕泥沙等幾種輸移途徑。關于坡地氮素的輸移規律，國內外學者開展了大量的相關觀測和試驗研究。

1.1 坡地氮素地表輸移特征

在氮素的地表輸移方面，袁東海等[11]采用徑流小區法研究了6 種不同農作方式土壤氮素的流失特征，表明坡耕地土壤氮素的流失途徑主要為徑流流失，又以水溶態氮素為主。蔡崇法等[12]的人工模擬降雨試驗表明，養分隨地表徑流流失與泥沙流失趨勢一致，初期流失量小，此后逐漸增加，一段時間后，在一定幅度內波動穩定。研究還發現土壤養分在流失泥沙中具有富集現象，張興昌和邵明安[13]認為，隨著降雨侵蝕力R的增大，泥沙有機質和全氮的富集率逐漸減少；坡度愈小，富集率愈大。對于坡地氮素地表流失及其與降雨和水文條件關系的研究還有許多，所得結論類似，但仍需將氮素在地表和地下各層結合分析其輸移途徑。

1.2 坡地氮素地下輸移特征

在氮素的地下輸移方面，氮素淋溶是養分流失的重要途徑，國際上有關土壤氮素的淋溶研究認為，根據作物、施肥量、土壤質地、降水和灌溉方式的不同，由淋溶引起的氮素損失可占施氮量的5%～15%[14]。馬立珊等[15]采用15N同位素示蹤技術進行農田氮素流失模擬試驗得出，氮素污染負荷量隨年降水量和灌溉量的增加而增大，淺層地下水硝態氮的污染負荷量與氮肥的施用量呈正相關，與其他研究結論一致[16-17]。張亞麗等[18]對黃綿土的試驗發現降雨強度增大，土壤礦質氮素淋溶量相應增大，硝態氮入滲深度加深。Toufiq[19]對不同氮肥處理小麥地硝態氮垂向和側向滲漏的研究結果表明，在小麥播種期硝態氮淋溶損失是氮素損失的主要途徑，灌溉使得硝態氮下移滲漏加強。

許多研究表明，氮素的淋溶形態以硝態氮為主，銨態氮則易被土壤顆粒吸附，而亞硝酸鹽作為硝化和反硝化過程的中間產物存在時間有限[9,20]。王輝等[1]的研究發現，黃土坡地土壤硝態氮淋溶是二維遷移, 即隨著入滲水既向土體深層遷移, 又向坡底遷移。由農田氮素造成的農業非點源污染日益突出，降雨—徑流—淋溶是造成非點源污染輸出的主要動力[21]，而滲漏淋溶以及壤中流遷移是氮素污染物的主要移動方式，關于氮素淋溶損失的研究大多是通過室內試驗或田間觀測與試驗的方法，多局限于探討農田氮素淋失量產生的污染負荷，而其形成機理和輸移規律與土壤水文過程密切相關。

2 坡地氮素輸移對土壤水文過程的響應

土壤水是農田氮素徑流和淋溶損失的載體，降雨在土壤中的入滲、運移和再分配等各種水文過程均對侵蝕和氮素遷移產生影響[22]，土壤水分飽和、壤中流的形成對農業非點源污染有重要貢獻。化學物質在土壤剖面中的數量、滯留時間、位置以及土壤與化學物質之間的相互作用(如吸附與解吸)等是決定泥沙和壤中流(或徑流)攜帶化學物質濃度的關鍵因素[23-24]。

在氮素輸移與土壤水文關系的研究方面，Galloway[25]的研究發現，淋溶過程氮素形態受土壤水分運動的影響，硝態氮淋溶量隨施肥量和降水量的增加而增加；銨態氮被土壤膠體所吸附，不易淋溶，但當土壤對銨態氮的吸附達到飽和時，也會被淋洗而進入水體，但主要對象是水田。Zhang等[26]研究顯示，土壤含水量高時，氮素硝化作用強烈，當土壤含水量低于15%時，硝化作用受到抑制。

近地表土壤水分條件對化學物質的遷移和地表水質有很大的影響，壤中流對侵蝕泥沙搬運和農業非點源污染有重要影響。研究表明，隨著前期含水量的增加，侵蝕產流產沙過程中土壤氮養分流失濃度和流量均隨之增大，在自由入滲、壤中流和土壤水分飽和三個土壤水文條件下，雨滴打擊增大了硝態氮的淋失，但對銨態氮幾乎無影響[27-29]。張亞麗等[30]利用地下供水和前期降雨措施改變坡面近地表土壤水分條件，通過室內模擬降雨試驗研究坡面水土流失和土壤溶質的遷移特征，表明土壤初始含水量較高的地下供水和前期降雨坡地徑流遷移深度較大。

土壤水流的研究歷程一直伴隨著溶質運移的研究，溶質與土壤發生吸附或者解吸的相互作用，同時土壤水分的運動又提供了溶質運移的驅動力和化學反應環境。目前，對于坡面氮素輸移在不同含水量等近地表土壤水文條件下的模擬研究較多，而對于降雨、徑流和含水量變化等土壤水文過程下氮素的輸移響應和機理研究正在進一步探討中。

3 植被覆蓋對氮素輸移的影響

植被的覆蓋能夠促進壤中流，減緩表面流，從而對營養元素遷移產生影響。在植被覆蓋對氮素輸移影響方面，張興昌等[31]的研究表明，隨著植被蓋度的增加，泥沙全氮和有機質流失量呈遞減趨勢，而銨態氮和硝態氮流失卻呈遞增趨勢，植被覆蓋并不能減少土壤礦質氮的流失。耕作方式的不同對坡耕地土壤水分運動、溶質遷移會產生直接影響，改變了農田養分遷移和非點源污染輸出過程。張宇等[32]按不同生長期探討了在自然降雨條件下地表秸稈覆蓋種植大豆對地表徑流和土壤氮素流失的影響，表明其對減少徑流水中的銨態氮、總氮和水溶性氮流失量具有明顯的效果。很多研究表明，隨著植被蓋度的增加，坡地土壤侵蝕和養分流失總量減少[33-35]，但總體而言，植被覆蓋對土壤氮素輸移的影響集中在狀態量上，對其機制的研究正在深入展開。

4 結語

坡地在農業生產中占有重要地位，坡地水土流失既導致土壤質量退化，也是農業非點源污染的重要來源，其土壤中營養物質伴隨水土流失的遷移對水環境產生重要的影響，引起了國內外的高度重視。氮素是水污染和水體富營養化的重要因素，非點源氮的輸移過程受到越來越多的關注，加強坡地氮素輸移對土壤水文過程響應的研究，不僅是土壤侵蝕和土壤溶質運移研究基礎，也是非點源污染控制研究的重要內容。

國內外對氮素流失及其影響因素方面做了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。目前，在坡地尤其是坡耕地氮素的垂直遷移途徑、不同形態氮素對土壤水文過程的特征響應及其機理等方面有待深入研究。建議采用野外觀測與模擬實驗相結合的方法，加強坡地氮素輸移特征對土壤水文過程響應及機理的研究。

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AReviewofNitrogenTransportationResponsetoSoilHydrologicalProcessesinSlopeLand

MO Ming-hao,TU An-guo,SONG Yue-jun
(Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Nanchang Jiangxi 330029 ,China)

Nitrogen loss associated with soil loss not only lead to land degradation, but also behave as a source of non-point source pollution. Nitrogen played an important role on crop growth and water pollution. Nitrogen transportation was affected by soil hydrological processes such as surface runoff, infiltration and soil moisture. This paper reviewed nitrogen transport research progress, discussed its surface transport characteristics, underground transport characteristics, nitrogen transportation response to soil hydrological processes, and vegetation covered effects in slope land. According to the shortage of researchoncurrent nitrogen loss and its impact factors, this paper showed that the research of nitrogen transportation response to soil hydrological processes was not only the basis of soil erosion and soil solute transport research, but also was an important content of nonpoint source pollution control. This paper proposed to strengthen the research of nitrogen vertical transport path and forms characteristics in different soil layers and different nitrogen forms response to soil hydrological processes and its mechanism.

slope land; nitrogen; transport; soil hydrological processes

2017-06-03

國家自然科學基金(41501300，41401311)；江西省自然科學基金(20161BAB216148)；江西省水利科技項目(KT201420，KT201521)。

莫明浩(1981-)，男，江西撫州人，高級工程師，博士，主要從事水土保持和生態環境研究。

X143

A

1673-9655(2017)06-0001-04