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(xué)研究院，江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330029）

徑流是坡地土壤養(yǎng)分遷移傳輸?shù)闹匾緩脚c載體，在降雨和徑流沖刷作用下，坡地土壤養(yǎng)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(yǎng)分的流失和水體的污染［2］。隨著地表徑流對(duì)土壤養(yǎng)分流失影響研究的日趨成熟，壤中流影響土壤養(yǎng)分流失的研究已成為熱點(diǎn)［1］。近年來，國外在壤中流的觀測方法［3］、產(chǎn)流特征［4］、發(fā)生機(jī)制［5-6］、預(yù)測模擬［7-8］、溶質(zhì)運(yùn)移［9］及其與地表徑流關(guān)系［10］方面進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了較大的進(jìn)展；國內(nèi)則側(cè)重于紫色土和喀斯特地區(qū)壤中流的形成、產(chǎn)流特征、影響因素、養(yǎng)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(shí)，雖然地表徑流是氮素等養(yǎng)分遷移的主要途徑，隨壤中流流失的氮素等養(yǎng)分對(duì)湖泊和河流富營養(yǎng)化的作用也不容忽視［15-19］。如Jia等［16］研究了不同水文機(jī)制下紫色土地區(qū)的氮損失，發(fā)現(xiàn)壤中流中硝態(tài)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(nóng)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(yàn)或單場自然降雨試驗(yàn)，長期的野外原位觀測研究相對(duì)薄弱，對(duì)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(jī)理等有待深入研究；大部分研究關(guān)注于硝態(tài)氮損失，對(duì)其他形態(tài)氮素（如有機(jī)氮）損失關(guān)注較少。

我國東南部紅壤丘陵區(qū)遍及10?。▍^(qū)），面積為113萬km2，占紅壤區(qū)土地總面積的51.8%，占全國土地總面積的11.8%［20］。該區(qū)域降水充沛，加上紅壤自身性質(zhì)的影響，壤中流普遍發(fā)生［15,21］。國內(nèi)學(xué)者對(duì)紅壤坡地壤中流養(yǎng)分運(yùn)移特征已進(jìn)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(yǎng)分濃度垂向變化特征；莫明浩等［23］基于單場自然降雨產(chǎn)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(yǎng)分流失特征。但受試驗(yàn)觀測手段等的限制，前人對(duì)自然降雨條件下壤中流長時(shí)期持續(xù)產(chǎn)流及其運(yùn)移養(yǎng)分過程的觀測與研究尚不充分；而且，由于紅壤區(qū)的降水分配特征和土壤垂向結(jié)構(gòu)區(qū)別于紫色土和喀斯特地區(qū)，紅壤坡地土壤水文狀況也與上述兩地區(qū)明顯不同。為此，本文利用野外大型土壤水分滲漏試驗(yàn)裝置，長期觀測自然降雨條件下紅壤坡地不同徑流的產(chǎn)流過程及其氮素含量，研究紅壤坡地不同形態(tài)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(duì)不同形態(tài)氮流失的貢獻(xiàn)和差異，探索氮素徑流流失量、形態(tài)與機(jī)制，為該地區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在江西省北部德安縣的江西水土保持科研創(chuàng)新基地 （115°42′38″E～115°43′06″E，29°16′37″N～29°17′40″N）內(nèi)。該基地屬鄱陽湖流域博陽河水系，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，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(shí)數(shù)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(jì)紅黏土發(fā)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(gòu)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(xiàn)為：Ah ＞ Bs＞ Bsv，故在各分層土壤中存在壤中流現(xiàn)象。該土壤在我國東南部紅壤丘陵區(qū)具有代表性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(yàn)裝置詳細(xì)布置參見文獻(xiàn)［21, 24］。設(shè)置3個(gè)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(duì)照（地表不擾動(dòng)，及時(shí)清除雜草保持地表完全裸露）。各處理小區(qū)彼此相鄰且坡度均為14°，每個(gè)小區(qū)寬5 m、長15 m（水平投影）。小區(qū)于2000年建成，經(jīng)過15 a的沉降穩(wěn)定，已接近自然土體。小區(qū)內(nèi)各項(xiàng)處理措施保存良好，目前土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表1（土壤采樣時(shí)間為2015年5月22日施肥前）。

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤養(yǎng)分背景Table 1 Chemical properties of the soils in the three treatment plots

1.3 觀測指標(biāo)與方法

鑒于3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)土壤氮素背景值含量較低（表1），于2015年5月22日參照當(dāng)?shù)鼗ㄉ灯碌氐适┯脴?biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(yàn)區(qū)旁設(shè)置的虹吸式自計(jì)雨量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測；徑流量通過徑流池池壁的搪瓷水尺讀數(shù)，由預(yù)先率定的公式計(jì)算得到；每次產(chǎn)流結(jié)束后，將各徑流池中的水充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笱杆俨杉?00 mL水樣于塑料瓶中，現(xiàn)場加酸穩(wěn)定立即帶回實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰箱保存，在48 h內(nèi)分析完畢，主要測定總氮含量 ρ（TN）、溶解態(tài)總氮含量 ρ（DTN）、溶解態(tài)無機(jī)氮含量 ρ（DIN）、銨態(tài)氮含量 ρ和硝態(tài)氮含量 ρ等指標(biāo)。分析檢測時(shí)，首先將水樣充分搖勻取適量檢測 ρ（TN）（含顆粒態(tài)和溶解態(tài)），然后將剩余水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后測定溶解態(tài)總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)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(shù)據(jù)整理與計(jì)算

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

各分層徑流不同形態(tài)氮輸出通量計(jì)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(shù)；Wkj為第 k 類徑流第 j 種形態(tài)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(tài)氮輸出的質(zhì)量濃度，mg·L-1；Qik為第 i 次降雨、第 k 類徑流所對(duì)應(yīng)的徑流量，m3；A為試驗(yàn)小區(qū)的面積，本文為75 m2。

2 結(jié) 果

2.1 徑流液中不同形態(tài)氮濃度

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

試驗(yàn)觀測期不同處理各分層徑流中氮素輸出質(zhì)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(tài)氮輸出濃度總體呈現(xiàn)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(tài)氮輸出濃度呈現(xiàn)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(xiàn)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(guī)律。

從處理類型來看（表2），總體上植草覆蓋小區(qū)的氮素濃度低于裸露對(duì)照小區(qū)，而干草覆蓋小區(qū)的氮素濃度高于裸露對(duì)照小區(qū)?？梢?，保留草被覆蓋對(duì)于坡地徑流氮素濃度有著明顯的削減效應(yīng)，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(fēng)險(xiǎn)。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)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(tài)氮素輸出質(zhì)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(yàn)觀測期不同處理各分層徑流的氮素輸出通量如圖2所示?？梢钥闯?，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(tài)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(yàn)觀測期3種處理的TN、DIN、DON和PN輸出總通量由大到小排序?yàn)楦刹莞采w、裸露對(duì)照、植草覆蓋。由于徑流中氮輸出通量與產(chǎn)流量及其氮質(zhì)量濃度相關(guān)，不同處理間徑流中的氮輸出通量差異與不同處理間產(chǎn)流差異和氮質(zhì)量濃度差異類似。

圖2 分層徑流不同形態(tài)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(tài)及其貢獻(xiàn)

坡地徑流中的氮素通常以溶解態(tài)和顆粒態(tài)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(tài)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(duì)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(tài)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(zhì)量濃度明顯高于植草覆蓋處理有關(guān)。

上述分析表明，徑流溶解態(tài)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(jìn)一步分析溶解態(tài)總氮DTN的輸出形態(tài)。根據(jù)表4可知，對(duì)于地表徑流，裸露處理地表徑流中DTN輸出以有機(jī)態(tài)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(jī)態(tài)為主，占60%～76%左右。對(duì)于各層次壤中流，3種處理下DTN隨徑流均以無機(jī)態(tài)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(guān)。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(tài)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(tài)來看（表3和表4），對(duì)于干草覆蓋和裸露處理小區(qū)，監(jiān)測期內(nèi)-N是壤中流氮素流失的主要形態(tài)（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(duì)于植草覆蓋處理小區(qū)，監(jiān)測期內(nèi)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(tài)特征

國內(nèi)外有關(guān)坡地氮素流失途徑和形態(tài)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(tài)的研究還較少。本研究利用土壤徑流收集系統(tǒng)詳細(xì)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(duì)氮素地表及深層流失規(guī)律的理解。本研究結(jié)果表明，在侵蝕不明顯的第四紀(jì)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(jié)論相似，他們發(fā)現(xiàn)：在覆蓋度較大、少量或無侵蝕發(fā)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(yǎng)分流失的主要途徑；氮素流失不僅體現(xiàn)在地表徑流，更多地還體現(xiàn)在壤中流。百喜草根系較發(fā)達(dá)，深達(dá)80 cm左右，受根系吸收土壤養(yǎng)分的影響，植百喜草覆蓋坡地徑流中不同形態(tài)氮輸出濃度總體表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減小；通常土壤中不同形態(tài)氮素的淋溶損失強(qiáng)度由大至小依次為硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有機(jī)氮，本研究中干草覆蓋和裸露坡地移動(dòng)性氮素輸出濃度表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增大，這主要與氮素發(fā)生淋溶損失下移有關(guān)。

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

至于氮素流失形態(tài)，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(tài)氮隨地表徑流遷移輸出既有以有機(jī)氮為主的也有以無機(jī)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(fā)現(xiàn)紅壤坡地氮素隨地表徑流遷移輸出的上述特征，但還發(fā)現(xiàn)總氮深層流失（隨壤中流輸出）除無機(jī)氮外還有溶解態(tài)有機(jī)氮和泥沙顆粒態(tài)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(jī)氮外基本以溶解態(tài)有機(jī)氮為主的試驗(yàn)結(jié)果不完全一致，主要是因?yàn)楦咧蚁嫉龋?2］僅考慮無植被覆蓋的裸地且未考慮懸移泥沙顆粒態(tài)氮。

3.2 覆蓋方式對(duì)各分層徑流不同形態(tài)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(yǎng)分流失的常見水土保持措施，已被廣泛應(yīng)用［21,33］。近年來，有學(xué)者［34-35］研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋措施、植物籬等水土保持措施在減少養(yǎng)分地表流失的同時(shí)，也同樣增加了養(yǎng)分滲漏損失。但本研究僅在干草覆蓋小區(qū)中發(fā)現(xiàn)氮素滲漏損失增加的現(xiàn)象，在覆蓋度大的植草覆蓋小區(qū)則不然。本研究結(jié)果表明：與裸露對(duì)照相比，植草覆蓋所產(chǎn)生的地表徑流及其不同形態(tài)氮流失的攔截能力與干草覆蓋相當(dāng)，但干草覆蓋和植草覆蓋對(duì)壤中流及其氮流失的作用不同，即保留草被覆蓋對(duì)于坡地壤中流量及其氮流失有著明顯的削減效應(yīng)，而采取干草覆蓋的坡地有增大氮深層損失的風(fēng)險(xiǎn)（表5）。草被對(duì)于坡地的氮素保持具有十分重要的價(jià)值：一方面，草被覆蓋可以有效減少降雨對(duì)于坡面土壤打擊，攔蓄徑流，減少徑流的氮素質(zhì)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(tài)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(yǎng)分流失，但又引起了滲漏損失增加等問題。因此，應(yīng)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(duì)各分層徑流不同形態(tài)氮的攔截效應(yīng)Table 5 Interception effect of different nitrogen fractions in runoff on grass cover/straw mulch plot /%

4 結(jié) 論

不同形態(tài)氮徑流輸出濃度在紅壤干草覆蓋坡地呈現(xiàn)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(xiàn)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(tài)氮淋溶損失下移是減少農(nóng)業(yè)氮素流失的關(guān)鍵所在。與裸露對(duì)照相比，保留草被覆蓋對(duì)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(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)。因此，在紅壤坡地農(nóng)林開發(fā)中，活地被物覆蓋措施和死地被物覆蓋措施相結(jié)合，才能達(dá)到保持土壤肥力、減少侵蝕和預(yù)防農(nóng)業(yè)面源污染的效果。