紅壤坡地氮的徑流輸出通量及形態組成*

鄭海金 左繼超 奚同行 聶小飛 王凌云 劉 昭

（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，南昌 330029）

徑流是坡地土壤養分遷移傳輸的重要途徑與載體，在降雨和徑流沖刷作用下，坡地土壤養分主要通過地表徑流和壤中流等途徑匯入受納水體［1］，從而引起土壤中養分的流失和水體的污染［2］。隨著地表徑流對土壤養分流失影響研究的日趨成熟，壤中流影響土壤養分流失的研究已成為熱點［1］。近年來，國外在壤中流的觀測方法［3］、產流特征［4］、發生機制［5-6］、預測模擬［7-8］、溶質運移［9］及其與地表徑流關系［10］方面進行了廣泛的研究，并取得了較大的進展；國內則側重于紫色土和喀斯特地區壤中流的形成、產流特征、影響因素、養分輸出特征及其與地表徑流的差異分析［11-14］；越來越多的研究證實，雖然地表徑流是氮素等養分遷移的主要途徑，隨壤中流流失的氮素等養分對湖泊和河流富營養化的作用也不容忽視［15-19］。如Jia等［16］研究了不同水文機制下紫色土地區的氮損失，發現壤中流中硝態氮的濃度為地表徑流的20多倍；林超文等［11,17］多次證明紫色土農田氮損失的主要途徑是壤中流。盡管如此，已有研究主要采用模擬降雨試驗或單場自然降雨試驗，長期的野外原位觀測研究相對薄弱，對坡地氮素隨徑流入滲至地下的再分配過程、氮素隨壤中流的遷移途徑和機理等有待深入研究；大部分研究關注于硝態氮損失，對其他形態氮素（如有機氮）損失關注較少。

我國東南部紅壤丘陵區遍及10省（區），面積為113萬km2，占紅壤區土地總面積的51.8%，占全國土地總面積的11.8%［20］。該區域降水充沛，加上紅壤自身性質的影響，壤中流普遍發生［15,21］。國內學者對紅壤坡地壤中流養分運移特征已進行了初步研究，如褚利平等［22］研究了烤煙紅壤坡耕地壤中流氮素等養分濃度垂向變化特征；莫明浩等［23］基于單場自然降雨產流的觀測分析了紅壤坡地地表徑流和壤中流及其氮素等養分流失特征。但受試驗觀測手段等的限制，前人對自然降雨條件下壤中流長時期持續產流及其運移養分過程的觀測與研究尚不充分；而且，由于紅壤區的降水分配特征和土壤垂向結構區別于紫色土和喀斯特地區，紅壤坡地土壤水文狀況也與上述兩地區明顯不同。為此，本文利用野外大型土壤水分滲漏試驗裝置，長期觀測自然降雨條件下紅壤坡地不同徑流的產流過程及其氮素含量，研究紅壤坡地不同形態氮隨徑流垂向分層輸出濃度與輸出通量變化特征，以期深入了解紅壤坡地不同徑流對不同形態氮流失的貢獻和差異，探索氮素徑流流失量、形態與機制，為該地區水土流失和農業面源污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗布設在江西省北部德安縣的江西水土保持科研創新基地 （115°42′38″E～115°43′06″E，29°16′37″N～29°17′40″N）內。該基地屬鄱陽湖流域博陽河水系，屬于亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量1 399 mm，主要集中在4—9月，占全年降水量的70%以上；多年平均氣溫16.7℃，多年平均無霜期249 d，年日照時數1 650～2 100 h；地貌為淺丘崗地，海拔30～100 m，坡度5°～25°，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。土壤主要為第四紀紅黏土發育的紅壤，呈酸性至微酸性，土層厚度約105 cm，土壤剖面從上至下典型土體構型為Ah-Bs-Bsv-Csv［21］。其中：Ah層厚度約為0～30 cm，土壤容重為1.05～1.32 g·cm-3；Bs層厚度約為30～60 cm，土壤容重為1.48 g·cm-3；Bsv層厚度約大于60 cm，土壤容重為1.53 g·cm-3［24］，土壤入滲率大小表現為：Ah ＞ Bs＞ Bsv，故在各分層土壤中存在壤中流現象。該土壤在我國東南部紅壤丘陵區具有代表性。

1.2 試驗設計

試驗采用大型土壤水分滲漏裝置，可觀測地表徑流以及30 cm、60 cm和105 cm壤中流。試驗裝置詳細布置參見文獻［21, 24］。設置3個處理，即植草覆蓋（種植百喜草，覆蓋度100%，定期刈割使草叢高度保持在30 cm）、干草覆蓋（將刈割的百喜草橫向覆蓋于地表，覆蓋度100%，厚度約5 cm）和裸露對照（地表不擾動，及時清除雜草保持地表完全裸露）。各處理小區彼此相鄰且坡度均為14°，每個小區寬5 m、長15 m（水平投影）。小區于2000年建成，經過15 a的沉降穩定，已接近自然土體。小區內各項處理措施保存良好，目前土壤基本化學性質見表1（土壤采樣時間為2015年5月22日施肥前）。

表1 試驗小區土壤養分背景Table 1 Chemical properties of the soils in the three treatment plots

1.3 觀測指標與方法

鑒于3個試驗小區土壤氮素背景值含量較低（表1），于2015年5月22日參照當地花生旱坡地氮肥施用標準施以尿素300 kg·hm-2（約合總氮140 kg·hm-2），施肥后開展逐場次自然降雨條件下的氮素隨分層徑流輸出濃度和輸出通量的試驗觀測，觀測周期為2015年5月22日—2016年5月21日。降雨量采用試驗區旁設置的虹吸式自計雨量計進行監測；徑流量通過徑流池池壁的搪瓷水尺讀數，由預先率定的公式計算得到；每次產流結束后，將各徑流池中的水充分攪拌均勻后迅速采集500 mL水樣于塑料瓶中，現場加酸穩定立即帶回實驗室置于4℃冰箱保存，在48 h內分析完畢，主要測定總氮含量 ρ（TN）、溶解態總氮含量 ρ（DTN）、溶解態無機氮含量 ρ（DIN）、銨態氮含量 ρ和硝態氮含量 ρ等指標。分析檢測時，首先將水樣充分搖勻取適量檢測 ρ（TN）（含顆粒態和溶解態），然后將剩余水樣經0.45 μm微孔濾膜過濾后測定溶解態總氮、銨態氮和硝態氮質量濃度。ρ（TN）和 ρ（DTN）采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定；ρ采用水楊酸分光光度法測定；ρ（采用硫酸肼還原法測定［11,17,25］。

1.4 數據整理與計算

由于各試驗小區侵蝕泥沙量低，文中ρ（TN）是指徑流中溶解態和懸浮顆粒態氮量，未涉及推移質泥沙所吸附的氮量；因ρ較低，故忽略不計。ρ（DON）（溶解態有機氮質量濃度，mg·L-1）ρ（PN）、（懸浮泥沙顆粒態氮質量濃度，mg·L-1）、ρ（DIN）（溶解態無機氮質量濃度，mg·L-1）通過計算得到：

各分層徑流不同形態氮輸出通量計算公式如下：

式中，i=1, 2, …, Np，表示第i次降雨；Np為總降雨次數；Wkj為第 k 類徑流第 j 種形態氮的輸出通量，kg·hm-2；Cikj表示第i次降雨、第 k 類徑流、第j 種形態氮輸出的質量濃度，mg·L-1；Qik為第 i 次降雨、第 k 類徑流所對應的徑流量，m3；A為試驗小區的面積，本文為75 m2。

2 結 果

2.1 徑流液中不同形態氮濃度

本文采用的數據是2015年5月22日—2016年5月21日28次自然降雨產流事件下采集水樣的監測結果。試驗觀測期總降雨量為1 246 mm，植草覆蓋小區地表徑流、30和60 cm壤中流以及105 cm壤中流產流量分別為28.94、21.06、13.82、393.0 mm；干草覆蓋小區地表徑流、30和60 cm壤中流以及105 cm壤中流產流量分別為27.48、39.36、20.51、647.1 mm；裸露對照小區分別為89.97、17.89、10.18、473.9 mm（圖1）。

試驗觀測期不同處理各分層徑流中氮素輸出質量濃度的平均值如表2所示。由表2可知，植草覆蓋坡地徑流中不同形態氮輸出濃度總體呈現出隨土層深度的增加而減小的趨勢，除 ρ（PN）外，其壤中流輸出的ρ（TN）、ρ（DIN）和ρ（DON）分別為地表徑流氮素輸出值的36.5%～56.4%、23.8%～47.0%和10.5%～46.5%；干草覆蓋坡地徑流中不同形態氮輸出濃度呈現出隨土層深度的增加而增大的趨勢，其壤中流輸出的ρ（TN）、ρ（DIN）、ρ（DON）和 ρ（PN）分別為地表徑流氮素輸出值的2.72倍～8.16倍、5.07倍～14.55倍、1.83倍～8.62倍和1.09倍～2.94倍；裸露坡地徑流中輸出的 ρ（TN）和 ρ（DIN）也呈現出隨土層深度的增加而增大的趨勢，其壤中流輸出的 ρ（TN）和 ρ（DIN）分別為地表徑流氮素輸出值的1.59倍～4.38倍和5.01倍～15.04倍，但裸露坡地各分層徑流中 ρ（DON）和 ρ（PN）隨土層深度變化無明顯規律。

從處理類型來看（表2），總體上植草覆蓋小區的氮素濃度低于裸露對照小區，而干草覆蓋小區的氮素濃度高于裸露對照小區。可見，保留草被覆蓋對于坡地徑流氮素濃度有著明顯的削減效應，而采取干草覆蓋的坡地有增大氮素徑流損失尤其是深層損失的風險。

圖1 試驗小區分層徑流輸出量Fig. 1 Runoff from the plot relative to treatment and soil depth

表2 分層徑流不同形態氮素輸出質量濃度平均值Table 2 Mean mass concentration of different fractions of nitrogen in runoff relative to soil depth/(mg·L-1)

2.2 氮隨徑流垂向分層輸出通量

試驗觀測期不同處理各分層徑流的氮素輸出通量如圖2所示。可以看出，無論何種覆蓋措施，紅壤坡地105 cm壤中流中TN、DIN、DON和PN輸出通量分別占徑流輸出總通量的76.6%～95.9%、78.0%～97.3%、72.9%～96.6%和71.8%～94.4%；30和60 cm壤中流中TN、DIN、DON和PN輸出通量分別占徑流輸出總通量的1.3%～5.0%、0.4%～4.1%、1.0%～6.0%和2.1%～4.8%；地表徑流中TN、DIN、DON和PN輸出通量分別占0.5%～15%、0.4%～21.1%、0.2%～16.8%和1.3%～23.2%。這表明不同形態氮徑流輸出均以105 cm壤中流為主，占徑流輸出總通量的71%以上，而地表徑流和其他層次壤中流輸出分別不足23%和6%。

從處理類型來看（圖2），試驗觀測期3種處理的TN、DIN、DON和PN輸出總通量由大到小排序為干草覆蓋、裸露對照、植草覆蓋。由于徑流中氮輸出通量與產流量及其氮質量濃度相關，不同處理間徑流中的氮輸出通量差異與不同處理間產流差異和氮質量濃度差異類似。

圖2 分層徑流不同形態氮素輸出通量Fig. 2 Output flux of different nitrogen fractions in runoff relative to soil depth

2.3 氮隨徑流垂向分層輸出形態及其貢獻

坡地徑流中的氮素通常以溶解態和顆粒態的形式遷移輸出。從總氮輸出形式來看（表3），裸露紅壤坡地地表徑流輸出的氮以泥沙顆粒吸附為主，占地表徑流TN輸出通量的64.4%；采取死地被物覆蓋處理后，泥沙顆粒吸附氮PN的輸出比例下降至54.2%，與徑流溶解態總氮DTN的輸出比例（45.9%）相差不明顯；而采取活地被物覆蓋處理后，DTN為地表徑流氮輸出的主要形式，占TN輸出通量的64.9%。對于壤中流，3種處理下徑流中54.8%～86.9%的氮以DTN輸出，表明壤中流氮的輸出均以徑流溶解態為主，且干草覆蓋和裸露處理下壤中流的DTN輸出通量高于植草覆蓋處理，這與干草覆蓋和裸露處理下壤中流中DTN輸出質量濃度明顯高于植草覆蓋處理有關。

上述分析表明，徑流溶解態攜帶是紅壤坡地徑流尤其是壤中流氮素輸出的主要形式，故進一步分析溶解態總氮DTN的輸出形態。根據表4可知，對于地表徑流，裸露處理地表徑流中DTN輸出以有機態為主，約占64%；采取死地被物覆蓋和活地被物覆蓋措施后，DTN隨地表徑流輸出則以無機態為主，占60%～76%左右。對于各層次壤中流，3種處理下DTN隨徑流均以無機態輸出為主，DIN占57.8%～97.1%，且干草覆蓋和裸露處理下各層次壤中流中DIN輸出量均高于植草覆蓋處理，這與干草覆蓋和裸露處理下各層壤中流中輸出的 ρ（DIN）尤其是 ρ的濃度明顯高于植草覆蓋處理有關。在DIN中，由于NN更易遷移，各分層徑流輸出的 ρ均要顯著高于 ρ（，植草覆蓋、干草覆蓋和裸露處理-N輸出量分別為-N輸出量的2.89倍、72.79倍、15.37倍。

表3 總氮隨各分層徑流輸出形態Table 3 Composition of TN in runoff relative to soil depth

此外，從不同組分總氮TN的輸出形態來看（表3和表4），對于干草覆蓋和裸露處理小區，監測期內-N是壤中流氮素流失的主要形態（占TN流失的56.2%～76.7%），除去占有很少比例的-N外（不足5%），其余為PN（占TN流失的13.1%～37.4%）和DON（占TN流失的1.8%～12.5%）。但對于植草覆蓋處理小區，監測期內壤中流中PN占TN流失的39.2%～45.2%，其次為-N和DON，分別占TN流失的24.1%～31.6%和1 0.6%～2 4.4%；-N比例較少，為9.3%～15.6%。這表明3種處理下壤中流TN輸出除DIN外還有DON和PN。

3 討 論

3.1 氮隨徑流垂向分層輸出形態特征

國內外有關坡地氮素流失途徑和形態的研究較多［26-31］，但這些研究主要集中在地表徑流，將氮素在地表和地下各層綜合分析其流失途徑和形態的研究還較少。本研究利用土壤徑流收集系統詳細分析了自然降雨條件下紅壤坡地氮素隨地表徑流和壤中流的輸出特征，有助于深化對氮素地表及深層流失規律的理解。本研究結果表明，在侵蝕不明顯的第四紀紅壤坡地，氮素主要隨徑流尤其是壤中流流失，這與前人［23,26-27］已有研究結論相似，他們發現：在覆蓋度較大、少量或無侵蝕發生的土地利用類型下，由于其侵蝕泥沙量少，徑流成為氮素等養分流失的主要途徑；氮素流失不僅體現在地表徑流，更多地還體現在壤中流。百喜草根系較發達，深達80 cm左右，受根系吸收土壤養分的影響，植百喜草覆蓋坡地徑流中不同形態氮輸出濃度總體表現為隨土層深度的增加而減小；通常土壤中不同形態氮素的淋溶損失強度由大至小依次為硝態氮、銨態氮、有機氮，本研究中干草覆蓋和裸露坡地移動性氮素輸出濃度表現為隨土層深度的增加而增大，這主要與氮素發生淋溶損失下移有關。

表4 溶解態總氮（DTN）隨各分層徑流輸出形態Table 4 Composition of DTN in runoff relative to soil depth

至于氮素流失形態，已有研究表明，氮素隨地表徑流遷移輸出既有以泥沙顆粒吸附攜帶為主的也有以徑流溶解攜帶為主的，而溶解態氮隨地表徑流遷移輸出既有以有機氮為主的也有以無機氮為主的，在不同的土地利用方式等條件下，坡地氮素隨地表徑流遷移輸出的主要形式各不相同［28-31］。本研究也發現紅壤坡地氮素隨地表徑流遷移輸出的上述特征，但還發現總氮深層流失（隨壤中流輸出）除無機氮外還有溶解態有機氮和泥沙顆粒態氮，這與高忠霞等［32］利用大型回填土滲漏池研究得出淋溶水樣中除無機氮外基本以溶解態有機氮為主的試驗結果不完全一致，主要是因為高忠霞等［32］僅考慮無植被覆蓋的裸地且未考慮懸移泥沙顆粒態氮。

3.2 覆蓋方式對各分層徑流不同形態氮輸出的影響

干草覆蓋和植草覆蓋是攔截坡面徑流、增加水分入滲、減少地表養分流失的常見水土保持措施，已被廣泛應用［21,33］。近年來，有學者［34-35］研究發現，覆蓋措施、植物籬等水土保持措施在減少養分地表流失的同時，也同樣增加了養分滲漏損失。但本研究僅在干草覆蓋小區中發現氮素滲漏損失增加的現象，在覆蓋度大的植草覆蓋小區則不然。本研究結果表明：與裸露對照相比，植草覆蓋所產生的地表徑流及其不同形態氮流失的攔截能力與干草覆蓋相當，但干草覆蓋和植草覆蓋對壤中流及其氮流失的作用不同，即保留草被覆蓋對于坡地壤中流量及其氮流失有著明顯的削減效應，而采取干草覆蓋的坡地有增大氮深層損失的風險（表5）。草被對于坡地的氮素保持具有十分重要的價值：一方面，草被覆蓋可以有效減少降雨對于坡面土壤打擊，攔蓄徑流，減少徑流的氮素質量濃度，降低氮素流失通量；另一方面，草被可以有效吸收坡地土壤中多余的溶解態氮素，減少流失。可見，單純采用干草覆蓋措施雖能有效控制地表養分流失，但又引起了滲漏損失增加等問題。因此，應該綜合多種措施，形成一種或幾種綜合性的覆蓋模式是十分必要的。

表5 不同覆蓋措施對各分層徑流不同形態氮的攔截效應Table 5 Interception effect of different nitrogen fractions in runoff on grass cover/straw mulch plot /%

4 結 論

不同形態氮徑流輸出濃度在紅壤干草覆蓋坡地呈現出隨土層深度的增加而增大的趨勢，而在植草覆蓋坡地總體呈現出隨土層深度的增加而減小的趨勢。控制紅壤坡地各層次壤中流的形成和減少硝態氮淋溶損失下移是減少農業氮素流失的關鍵所在。與裸露對照相比，保留草被覆蓋對于紅壤坡地的氮素保持具有重要意義，主要是通過草被覆蓋削減徑流氮素濃度和攔蓄徑流產生的；而采取干草覆蓋的坡地有增大氮素徑流損失尤其是深層損失的風險。因此，在紅壤坡地農林開發中，活地被物覆蓋措施和死地被物覆蓋措施相結合，才能達到保持土壤肥力、減少侵蝕和預防農業面源污染的效果。