五龍池小流域耕作土壤硝態氮淋失變化

任惠敏　李國慧　林成　宋婭妮

摘要? 選取丹江口庫區青塘河五龍池小流域坡耕地夏玉米黃棕壤為供試土壤，采用田間原位淋濕裝置，通過陰陽離子樹脂吸附法研究了3種耕作土壤硝態氮淋失的時空變化及其影響因素。結果表明，不同耕作方式土壤硝態氮累積淋失量存在明顯差異，平作可以減少0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量，而橫坡和順坡壟作均增加了10～20 cm和20～30 cm土層土壤硝態氮淋失量。研究結果可以量化土壤氮素循環機理，具有重要科學意義，并可為丹江口庫區農業非點源污染防控提供依據。

關鍵詞? 耕作方式;硝態氮淋失;影響因素;五龍池小流域

中圖分類號? S153??? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0067-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.022

Nitrate Nitrogen Leaching and Influencing Factors of Tillage Soils in Wulongchi Small Watershed

REN Hui-min，LI Guo-hui，LIN Cheng et al? （Faculty of Resources and Environmental Science， Hubei University， Wuhan，Hubei 430062）

Abstract? In this study， the yellow brown soil of summer maize in slope farmland of Wulongchi small watershed of Qingtang River in Danjiangkou Reservoir Area was selected as the test soil， and the spatio-temporal variation of nitrate nitrogen leaching loss in three tillage soils and its influencing factors were studied by means of anion-cation resin adsorption method using in-situ field wetting device. The results showed that there were significant differences in the cumulative nitrate nitrogen leaching loss of different types of cultivated soils. Flat tillage could reduce the nitrate nitrogen leaching loss of 0-10 cm soil layer， while ridge tillage on both the transverse slope and the slope increased the nitrate nitrogen leaching loss of 10-20 cm and 20-30 cm soil layer. The research results can quantify the mechanism of soil nitrogen cycling， which are of great scientific significance and provide basis for the prevention and control of agricultural non-point source pollution in Danjiangkou Reservoir Area.

Key words? Farming method;Nitrate nitrogen leaching;Influencing factor;Wulongchi small watershed

基金項目? 湖北省大學生創新訓練項目（201710512081，201810512114）;國家自然科學基金項目（41471227）。

作者簡介? 任惠敏（1998—），女，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：水土保持與面源污染。

收稿日期? 2019-04-30;修回日期? 2019-05-21

氮素是農業生產必需的營養元素[1]，氮肥的不合理施用和土壤氮素流失不僅降低氮肥的農業效益，而且對流域農業生態環境造成負面影響，尤其會對水環境造成污染[2-3]。土壤氮素流失的主要途徑有淋溶、侵蝕、硝化等，而硝態氮是氮素淋溶的主要形態[4-5]。由于硝態氮帶負電，自身吸附性較弱，其淋失速度較快，因此硝態氮淋失量的定量分析是流域生態環境效應評價的難點[6]。已有研究分析了不同種植模式、不同土地利用類型、不同施肥條件、不同降雨和灌溉模式等對農田土壤氮素淋失特征的影響[7-10]。但是，目前國內外關于硝態氮淋失強度的量化研究鮮見報道，尤其對于耕作土壤硝態氮淋失的量化研究更少[6，11]。不同耕作模式對土壤養分流失的影響存在很大差異，有些耕作模式在減少養分流失的同時卻增加了其他損失的途徑，因此尋找可以控制養分流失的有效耕作模式十分必要。

丹江口庫區是我國南水北調中線的重要水源地，農田氮素流失是庫區農業非點源污染的主要來源，然而不同耕作土壤中無機氮流失的研究機制尚不清楚。筆者采用陰陽離子吸附法，選取具有代表性的3種類型的五龍池小流域典型耕作方式，重點研究耕作土壤硝態氮淋失的動態特征并探討其原因，以期為丹江口庫區農田耕作土壤養分積累和環境效應的合理評價提供數據支撐，也為丹江口庫區水環境保護提供依據。

1? 研究區概況與研究方法

1.1? 研究區概況

五龍池小流域位于湖北省丹江口庫區習家店鎮（111°13′E，32°45′N），總面積約1.92 km2，屬于亞熱帶半濕潤季風氣候，多年年均氣溫16.10 ℃，多年平均年降雨量797.60 mm，降雨集中分布在4—10月。土壤類型以黃棕壤為主，局部具有紫色土和石灰土，土層分布不均勻。流域的土地利用類型以農地和林地為主，主要農作物有小麥、玉米、花生等，經濟作物有柑橘等。該流域坡耕地所占比重較大，土壤侵蝕以水力侵蝕為主。五龍池小流域在漢江北岸由北向南匯入丹江口水庫，是丹江口庫區非點源污染綜合治理的典型示范區。

1.2? 研究方法

試驗設平作、橫坡壟作、順坡壟作3組處理，每個處理重復3次，共計9個小區，小區面積為1.2 m×10.0 m。橫壟耕作下，壟長100 cm，壟寬40 cm，壟溝寬20 cm，壟高10 cm，壟向與等高線平行。順壟耕作壟向與等高線垂直，其他處理與橫壟一致。根據玉米生長狀況，劃分為苗期（4月1日—5月9日）、拔節期（5月10日—6月10日）、抽穗期（6月11日—7月8日）、成熟期（7月9日—8月6日）4個成長階段。氮素淋失試驗采用田間原位淋失裝置。陰、陽離子交換樹脂袋送回實驗室后用150 mL 2 mol/L KCl溶液浸提，采用雙波長系數法（HJ/T346-2007）和納氏試劑比色法（HJ535-2000）通過紫外可見分光光度計（UV-1200）測定硝態氮（土壤樣品和浸提液）含量。

土壤硝態氮淋失量計算公式：

L=C/m

m=ρ×V×10^-3

V=S×H

式中，L為硝態氮淋失量（mg/kg）;C為樹脂吸附的氮含量（mg）;m為所采集土壤的質量（kg）;ρ為土壤容重（g/cm3）;S為鋁合金管的底面積（cm2）;H為所取土層的厚度（cm）。

用Excel和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。

2? 結果與分析

2.1? 耕作土壤硝態氮累積淋失量

由表1可知，整個玉米生長期，不同耕作類型土壤硝態氮累積淋失量存在明顯差異，總體表現為橫壟比順壟的累積淋失量大。0～10 cm厚土層硝態氮的淋失量是平作>橫壟>順壟;10～20 cm和20～30 cm厚土層硝態氮淋失量均為橫壟>順壟>平作。

0～10 cm橫壟和順壟土壤硝態氮累積淋失量較平作少14.19%和14.96%;10～20 cm平作和順壟土壤硝態氮累積淋失量較橫壟少34.57%和20.28%;20～30 cm平作土壤硝態氮累積淋失量較橫壟和順壟少35.35%和31.42%。這表明改變壟向可減少0～10 cm土層土壤硝態氮累積淋失量，改變壟向可增加10～20 cm和20～30 cm土層土壤硝態氮的累積淋失量。

2.2? 耕作土壤硝態氮淋失動態

玉米生長期內，不同耕作類型不同層次土壤硝態氮淋失量的變化趨勢存在明顯差異。

平作耕作條件下，0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量呈現升高-降低-升高的變化趨勢，具體表現為土壤硝態氮淋失量在苗期較低，拔節期升至最高，淋失比例為30.10%;隨后緩慢降低，在抽穗期累積淋失量最低，淋失比例為21.51%，成熟后期淋失量又逐漸增大。橫壟耕作條件下，0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量呈現緩慢增加的變化趨勢，具體表現為土壤硝態氮淋失量在苗期出現最低值，淋失比例為17.18%;在拔節期和抽穗期均顯著升高，較苗期分別增加19.38%和54.41%，并在成熟期達到峰值，淋失比例為35.80%。順壟耕作條件下，0～10 cm土層土壤硝態氮淋失呈現升高-降低-升高的變化趨勢，具體表現為土壤硝態氮淋失量在苗期較低，在拔節期顯著升高達到峰值，淋失比例為37.74%;在抽穗期顯著降低，較拔節期減少75.20%;在成熟期顯著升高，淋失比例達37.21%。對比發現，橫壟和順壟耕作條件下苗期0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量均減少，成熟期0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量均增加。

玉米生長期內，10～20 cm土層3種耕作類型土壤硝態氮淋失量的變化趨勢大致相同，均表現為增加-減少-增加的變化趨勢。橫壟耕作條件下，土壤硝態氮淋失量在成熟期出現峰值，淋失比例為40.29%。順壟耕作條件下，土壤硝態氮淋失量在拔節期出現峰值，較橫壟峰值少18.96%。平作耕作條件下，土壤硝態氮淋失量在拔節期出現峰值，較橫壟和平作峰值少37.79%和23.24%。改變壟向增加了10～20 cm土層的硝態氮淋失量。

在玉米生長期內，平作耕作條件下，20～30 cm土層土壤硝態氮淋失量呈現先增加后減少再增加的變化趨勢，苗期的硝態氮變化幅度較為平緩;在拔節期顯著升高達到峰值，淋失比例為37.34%;在抽穗期顯著降低，達到最小值，淋失比例為14.99%，成熟期逐漸增加，較抽穗期增加104.26%。橫壟耕作條件下，20～30 cm土層土壤硝態氮淋失量呈現線性增加的變化趨勢，苗期淋失量最低，在成熟期達到峰值，變化為9.04～35.50 mg/kg。順壟耕作條件下，20～30 cm土層土壤呈現先增加后平緩再逐漸增加的變化趨勢，苗期硝態氮淋失量最低，僅占總淋失量的10.01%，在拔節期和抽穗期顯著增加，較苗期增加190.77%和257.06%。比較發現，改變壟向增加了抽穗期和成熟期20～30 cm土層的硝態氮淋失量。

3? 討論

農田土壤氮素淋失一方面導致農田養分損失，降低養分利用率;另一方面，淋失出土體的氮素大部分進入水體環境，威脅地下水飲用安全，也污染江河、湖泊等地面水體，是最為重要的農業面源污染源之一[12]。橫壟耕作可以更好地蓄水保墑、排澇通風以及防凍抗旱，還可以增大根部土壤厚度和土層溫度、提高土壤肥力，進一步減少水土流失[13-14]。

該研究顯示，玉米生長期內，0～10 cm土層土壤硝態氮累積淋失量總的趨勢是平作>橫壟>順壟;10～20 cm和20～30 cm土層土壤硝態氮累積淋失量總的趨勢均為橫壟>順壟>平作，說明壟作可以減少表層土壤硝態氮的淋失，這與劉前進等[14]的研究結果基本一致。其原因可能：一是橫壟耕作通過改變壟向，達到減緩坡度、縮短坡長的目的，進而影響硝態氮淋失量;二是構性好的土壤壟作以后產生大的土壤比表面積和短的彌散路徑可以攔蓄雨水，增大降雨入滲，從而減少硝態氮的淋失;三是橫壟耕作影響土壤的擾動程度和殘留物的存在，進一步影響土壤水分運動[15]。

4? 結論

改變壟向可以減少0～10 cm土層土壤硝態氮淋失量，對減少流域坡耕地的徑流和土壤流失具有明顯作用。而橫壟和順壟耕作均增加了10～20 cm和20～30 cm土層土壤硝態氮淋失量。

參考文獻

[1]李菊梅，王朝輝，李生秀.有機質、全氮和可礦化氮在反映土壤供氮能力方面的意義[J].土壤學報，2003，40（2）：232-238.

[2]CHANG C H，ENTZ T.Nitrate leaching losses under repeated cattle feedlot manure application in Southern Alberta[J].Journal of environmental quality，1996，25（1）：145-153.

[3]EMTERYD O，LU D Q，NYKVIST N.Nitrate in soil profiles and nitrate pollution of drinking water in the losses region of China[J].AMBIO，1998，27（6）：441-443.

[4]穆卉，王競，趙穎，等.流域中氮素遷移轉化的研究進展[J].山西科技，2019，34（2）：31-34.

[5]李宗新，董樹亭，王空軍，等.不同施肥條件下玉米田土壤養分淋溶規律的原位研究[J].應用生態學報，2008，19（1）：65-70.

[6]鄔真真，程紅光，王建童，等.生物炭添加比例及凍融對溝渠土壤氮素淋失的影響[J].環境科學學報，2019，39（4）：1295-1302.

[7]羅藝，吳福忠，楊萬勤，等.四川盆地紫色丘陵區不同種植模式下氮流失特征[J].環境科學學報，2010，30（11）：2221-2228.

[8] 高超，朱繼業，朱建國，等.不同土地利用方式下的地表徑流磷輸出及其季節性分布特征[J].環境科學學報，2005，25（11）：1543-1549

[9] HESKETH N， BROOKES P C.Development of an indicator for risk of phosphorus leaching [J]. Journal of environmental quality，2000，29（1）：105-110.

[10]鄔倫，李佩武.降雨-產流過程與氮、磷流失特征研究[J].環境科學學報，1996，16（1）：111-115.

[11]劉希玉，鄒敬東，徐麗麗，等.不同肥料種類對稻田紅壤碳氮淋失的影響[J]. 環境科學，2014，35（8）：3083-3090.

[12]王星光，符奎.三楊莊遺址所反映的漢代農田耕作法[J].中國農史，2013，32（1）：9-19.

[13]何淑勤，秦鳳，宮淵波，等.橫壟坡面地表糙度的變化特征及其對片蝕的響應[J]. 水土保持學報，2018，32（1）：54-58.

[14]劉前進.棕壤橫壟土壤侵蝕特征及其影響因素[D].武漢：華中農業大學，2014.

[15]張學軍，趙桂芳，朱雯清，等.菜田土壤氮素淋失及其調控措施的研究進展[J]. 生態環境，2004，13（1）：105-108.