邱澤東

摘要：綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田土壤氮素流失方面的研究成果，重點(diǎn)探討了農(nóng)田土壤氮素流失規(guī)律、遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理與模型研究進(jìn)展，同時(shí)，提出了該領(lǐng)域存在的問題及展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；氮素流失；遷移轉(zhuǎn)化；模型

中圖分類號(hào)：S158.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0011-02

1 引言

氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，施用氮肥是補(bǔ)給土壤氮素和維持土地生產(chǎn)力的主要措施。但是由于我國科學(xué)施肥水平整體不高、部分地區(qū)盲目施肥現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效益，而且還造成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如土壤養(yǎng)分失衡、地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽含量增加等[1]。為了進(jìn)一步弄清土壤氮素行為對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響程度，定量描述農(nóng)田氮素地表徑流流失問題，為面源污染治理與防治提供理論支撐，近年來，土壤氮素流失規(guī)律的研究逐步成為一個(gè)熱門。本文通過探討氮素在土壤中的橫向和縱向遷移規(guī)律，以及農(nóng)田氮素流失的模型化研究方法，為示范區(qū)面源污染治理與防治，減少地表水體富營養(yǎng)化問題提供理論依據(jù)。

2 土壤氮素流失規(guī)律及研究進(jìn)展

土壤中的氮素來源有多種渠道，主要來自于施肥、生物固氮、雨水和農(nóng)業(yè)灌溉水，后二項(xiàng)對(duì)土壤氮素含量貢獻(xiàn)一般很小，施肥是農(nóng)業(yè)耕作土壤中氮素的主要來源，對(duì)于自然土壤而言，微生物固氮是土壤氮素的主要來源。農(nóng)田中施用的化肥一部分被作物吸收，一部分殘留在土壤中轉(zhuǎn)化成有機(jī)氮或被土壤吸附形成固定態(tài)銨[2]，另外一部分則通過不同的方式流失掉。土壤氮素流失過程實(shí)質(zhì)是土壤表層土壤與降雨、徑流的相互作用過程，表現(xiàn)為兩種形式：①由于降雨引起地表徑流，土壤中的可溶性氮素隨著徑流流失，最終匯入河道中造成水體富營養(yǎng)化；②地表徑流中的水分下滲，土壤中的可溶性氮素隨之一起往土壤深層遷移，污染地下水，當(dāng)遇到不透水層時(shí)，滲漏淋溶的水流會(huì)以壤中流的方式流入地表水。

2.1 坡地地表徑流流失

影響土壤氮素徑流流失的因素有很多，包括自然因素和人為因素。自然因素包括氣候、地形地貌、土壤和植被等，是影響氮素徑流流失的主要因素，例如吳希媛等[3]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同坡度下，降雨強(qiáng)度與氮素徑流濃度和流失總量呈正比例關(guān)系，尤其在裸地，植被覆蓋度較低的情況下，這個(gè)關(guān)系更加明顯?；艉榻璠4]研究了不同坡度（7°，10°，18°）的徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流及氮素地表徑流輸出的形態(tài)及通量，結(jié)果顯示，坡度對(duì)徑流中氮素濃度的影響不明顯，但是對(duì)氮素流失通量影響顯著，其累積氮素流失量從大到小順序?yàn)?8°、10°、7°。Weier[5] 研究認(rèn)為植被覆蓋度可有效的減少土壤侵蝕，進(jìn)而減少地表養(yǎng)分的流失。張興昌等[6]在其研究不同植被覆蓋度對(duì)流域氮素流失的影響中指出，全氮流失量與植被覆蓋度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨植被覆蓋度從0%增加到60%，全氮流失量從7.51 t/km2減少到0.81 t/km2。這可以解釋為由于植被覆蓋增加了地面的粗糙度，使匯流速度減慢，增加了入滲時(shí)間，進(jìn)而減弱了徑流侵蝕能力造成的。

人為因素也是影響氮素徑流流失的重要原因，主要包括土地利用方式不同和耕作管理模式兩個(gè)方面。Mander等[7]的觀點(diǎn)是，不同尺度的區(qū)域下主要影響因子不同，在小流域中，氮素流失主要受農(nóng)業(yè)化肥的施用影響，在較大的流域面積中，土地的利用模式起決定作用，合理的優(yōu)化土地利用模式可以顯著減小流域內(nèi)氮素的流失量。在不同的土地利用類型，相同的降雨條件下，于興修等[8]的研究發(fā)現(xiàn)各種土地利用類型的初始產(chǎn)流時(shí)間、徑流增長率、積累徑流流量和氮素的流失過程等均有明顯不同，隨著時(shí)間的增加，積累徑流量依次是稻田>桑園>竹林>草地>菜地，地表徑流水中總氮的流失量桑林最大，水田最小。付偉章[9]通過實(shí)地監(jiān)測多場天然降雨下農(nóng)田養(yǎng)分流失情況，得出與空白不施肥相比，施肥會(huì)顯著增大農(nóng)田徑流中氮素濃度和流失量，與普通尿素相比控釋尿素可有效降低15%～25%的氮素流失量。

2.2 土壤氮素淋溶流失

土壤中氮素的淋溶流失是農(nóng)田氮素?fù)p失的重要途徑，全球施入土壤的氮肥中，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，大概有10%～40%是通過土壤淋溶的方式進(jìn)入地下水的。

氮素淋失受氣候、土壤、植物、施肥等多種因素的制約，但概括而言，受土壤水分下滲的影響最大。土壤中的水分是農(nóng)田氮素向下淋溶和遷移的載體，其主要受降雨和灌溉的影響。國外學(xué)者Sing and Sekhon[10]的研究表明，高水量灌溉且兩次灌溉之間間隔時(shí)間較長，可以導(dǎo)致大量未被作物利用的硝態(tài)氮淋失到根區(qū)土壤以下。Toufiq[11]研究了小麥地的硝態(tài)氮垂向和側(cè)向的滲漏規(guī)律，結(jié)果表明，在小麥播種期最易發(fā)生氮素的損失，且以土壤淋溶的方式為主，農(nóng)業(yè)灌溉模式增大了硝態(tài)氮在土壤中往下滲漏的強(qiáng)度。國內(nèi)學(xué)者王輝、王全九等[12]研究了黃土坡的氮素淋溶過程，發(fā)硝態(tài)氮的淋溶深度和累積淋失量與降雨量與呈正相關(guān)關(guān)系，大概每4 mm的降水量會(huì)使土壤中硝態(tài)氮往下遷移1 cm。

2.3 土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理與模型研究進(jìn)展

土壤中氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究是建立在土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論的基礎(chǔ)上的，Lapidus和Amundson在20世紀(jì)50年代初首次提出一個(gè)類似于對(duì)流-彌散方程的模擬模型，但未對(duì)模型的推導(dǎo)過程和物理意義做任何解釋。Scheidegg在假設(shè)土壤均質(zhì)和穩(wěn)態(tài)流條件下，推算出用概率密度函數(shù)來反映溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律[13]。20世紀(jì)60年代初，Nielson和Biggaz在總結(jié)前人理論的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的論述了對(duì)流-彌散方程的合理性，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)來解釋和說明土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程，由此奠定了CDE方程作為土壤溶質(zhì)遷移研究的基本方程和經(jīng)典方程的地位[14]。70年代開始，對(duì)于土壤溶質(zhì)運(yùn)移的研究從實(shí)驗(yàn)室走向了田間，在田間應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)了理論結(jié)果與實(shí)測值不吻合的問題。為解決這個(gè)問題，美國加州大學(xué)的Jury教授1982年提出了隨機(jī)傳輸函數(shù)模型，也稱為“黑箱模型”，用于模擬田間非飽和土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程[15]，該模型不能反應(yīng)土壤溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理，只是通過統(tǒng)計(jì)溶質(zhì)從土壤表面遷移到土壤剖面某一深度的時(shí)間，然后用所需時(shí)間的概率分布函數(shù)來推導(dǎo)在某一時(shí)刻某一剖面深度處溶質(zhì)的濃度，用概率函數(shù)的方法來描述溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移過程。由于土壤裂隙、蟲孔、不動(dòng)水體等事實(shí)存在，又在土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型中發(fā)展了動(dòng)水-不動(dòng)水體兩區(qū)模型等模型[16]。為完善CDE模型，如何求解溶質(zhì)遷移的關(guān)鍵參數(shù)成為一個(gè)重要課題，國外學(xué)者為此做了很多研究，提出用穿透曲線法估算水動(dòng)力彌散系數(shù)，用極大擬然法估算溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)等。

土壤水分和氮素遷移建模方面經(jīng)過多年研究，也取得很多成果。如美國鹽土實(shí)驗(yàn)室[17]開發(fā)的Hydrus-1D水氮聯(lián)合模型，可以模擬非飽和土壤中一維水分、熱和溶質(zhì)的運(yùn)移過程；美國康乃爾大學(xué)[18]研究開發(fā)的LEACHM模型，采用對(duì)流-擴(kuò)散方程作為控制方程，可以定量描述土壤中水分、氮素和農(nóng)藥的遷移轉(zhuǎn)化過程；美國國家鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的SWMS-2D模型[19]，主要功能是模擬飽和-非飽和土壤中水分和溶質(zhì)的二維運(yùn)移過程；以及專門用于評(píng)估氮循環(huán)對(duì)環(huán)境影響的SUNDIAL系統(tǒng)[20]等。但這些數(shù)學(xué)模型分別是在不同的試驗(yàn)條件下提出的，在模型的構(gòu)成和過程考慮上側(cè)重點(diǎn)各有不同，適用范圍都受到嚴(yán)格的限制。

3 存在問題與展望

國內(nèi)有關(guān)氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究起步較晚，在建模方面還處于模型引進(jìn)、應(yīng)用階段，少部分已經(jīng)達(dá)到了改進(jìn)階段，還沒有能力獨(dú)自建立適合中國現(xiàn)狀的機(jī)理模型。

農(nóng)田系統(tǒng)中氮素行為的研究已有近百年的歷史，涉及的內(nèi)容廣泛全面，但由于其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要地位，加之與人類生存環(huán)境密切相關(guān)，因而這方面的研究需要繼續(xù)深入。今后要重視以下幾方面的研究工作：①要重視田間實(shí)驗(yàn)的綜合研究，定量化研究氮素的各種轉(zhuǎn)化和去向；②定量化研究根系吸肥吸水的規(guī)律，了解根、水、肥三者的時(shí)空耦合性，確定植物生長期的最佳水氮條件；③土壤中氮素管理需協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、生態(tài)，為目標(biāo)；④加強(qiáng)對(duì)土壤—作物系統(tǒng)中氮素行為的模擬研究，建立完善的氮素模型；五是將氮素各過程綜合定量化研究并結(jié)合最新精準(zhǔn)施肥和配方施肥的研究成果直接對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]全為民， 嚴(yán)力蛟. 農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體富營養(yǎng)化的影響及其防治措施[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2002， 22（3）： 291～299.

[2]Luederitz V， Eckert E， Lange-Weber M， et al. Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands[J]. Ecological Engineering， 2001， 18（2）： 157～171.

[3]吳希媛，張麗萍，張妙仙， 等. 不同雨強(qiáng)下坡地氮流失特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2007（11）：4576～4582.

[4]霍洪江， 汪 濤， 魏世強(qiáng)，等. 三峽庫區(qū)紫色土坡耕地氮素流失特征及其坡度的影響[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（11）：112～117.

[5]Weier K L. Nitrogen use and losses in agriculture in subtropical Australia [J]. Fertilizer research， 1994， 39（3）： 245～257.

[6]張興昌，劉國彬，付會(huì)芳. 不同植被覆蓋度對(duì)流域氮素徑流流失的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2000（6）：16～19.

[7]Mander ， Kull A， Kuusemets V， et al. Nutrient runoff dynamics in a rural catchment： influence of land-use changes， climatic fluctuations and ecotechnological measures[J]. Ecological Engineering， 2000， 14（4）： 405～417.

[8]于興修，楊桂山，梁 濤. 西苕溪流域土地利用對(duì)氮素徑流流失過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2002（5）：424～427.

[9]付偉章，史衍璽.施用不同氮肥對(duì)坡耕地徑流中N輸出的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（12）：104～109.

[10]Singh B， Sekhon G S. Some measures of reducing leaching loss of nitrates beyond potential rooting zone[J]. Plant and Soil， 1976， 44（1）： 193～200.

[11]Toufiq L M. Study on vertical and lateral leaching of nitrate from a wheat field in China[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry， 2006， 30（1）：59～65.

[12]王 輝，王全九，邵明安.降水條件下黃土坡地氮素淋溶特征的研究[J].水土保持學(xué)報(bào)， 2005（5）：63～66.

[13]王艷芳.土壤氮素轉(zhuǎn)化與運(yùn)移理論的研究進(jìn)展[J].寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2004， 25（1）：53～56.

[14]趙常兵.溶質(zhì)運(yùn)移理論的發(fā)展[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2006， 12（8）：502～504.

[15]樊向陽， 龐鴻賓， 齊學(xué)斌， 等. 氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化機(jī)理研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國青年農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)術(shù)年報(bào)， 2004：172～176.

[16]同延安.土壤植物大氣連續(xù)體系中水運(yùn)移理論與方法[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 1998.