馬琳杰，霍曉蘭，靳東升，劉 平，霍 晨，惠 薇，李麗君**

(1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院 太原 030006； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原030031)

近年來(lái)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于施肥量逐年增加，地下水污染程度愈發(fā)加重，污染面積日益擴(kuò)大[1]。全國(guó)地下水污染調(diào)查結(jié)果表明： 我國(guó)超過90%的地下水受到一定程度污染，約60%地下水污染嚴(yán)重[2]。氮磷污染則是我國(guó)地下水污染最普遍和突出的問題之一[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥和農(nóng)藥的過量及不當(dāng)使用是造成地下水污染的主要原因之一[4]。袁麗金等[5]對(duì)河北省定州市設(shè)施菜地養(yǎng)分累積對(duì)地下水污染研究指出，設(shè)施栽培區(qū)20 m 表層地下水受硝態(tài)氮污染嚴(yán)重，超標(biāo)率和嚴(yán)重超標(biāo)率分別為39.3%和7.1%； 而40 m 深層地下水硝態(tài)氮含量7.4 mg·L?1和9.6 mg·L?1，超標(biāo)率分別為25.0%和37.5%。由于氮磷化肥的大量投入，農(nóng)田或蔬菜地土壤氮磷殘留顯著，當(dāng)土壤中的氮磷積累到一定程度時(shí)，則會(huì)通過淋溶、徑流的方式隨降雨、灌溉進(jìn)入周邊環(huán)境，造成養(yǎng)分流失，帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問題[6]。目前盡管有大量研究報(bào)道了地下水中氮磷含量的變化，但針對(duì)包氣帶不同土層的氮磷淋溶研究鮮見報(bào)道。

褐土分布面積大，一般分布在海拔500 m 以下，地下潛水位在3 m 以下，總面積約2561 萬(wàn)hm2[7-8]。典型褐土的發(fā)生層包括耕層、淋溶層、鈣積層、黏化層和母質(zhì)層。耕層和淋溶層有機(jī)質(zhì)積累多，顏色深暗，植物根系和微生物也最集中，多具團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)疏松； 鈣積層多為粉砂質(zhì)黏土或黏壤土，具有極強(qiáng)發(fā)育的屑粒狀和次棱塊狀結(jié)構(gòu)，干時(shí)硬、濕時(shí)堅(jiān)實(shí)，結(jié)構(gòu)體面上具有<100 mm 的白色碳酸鈣質(zhì)結(jié)核，有極強(qiáng)的石灰反應(yīng)； 黏化層為粉砂質(zhì)黏土，具有極強(qiáng)發(fā)育的棱塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體面上有20%～80%的黏粒膠膜和<20 mm 的白色碳酸鈣質(zhì)結(jié)核，無(wú)石灰反應(yīng)； 母質(zhì)層處于土體最下部，沒有產(chǎn)生明顯成土作用，由不同程度的巖石風(fēng)化物和地質(zhì)沉積物構(gòu)成[9]。從地表耕層到地下水的包氣帶中，由于土層理化性質(zhì)的變化，致使氮磷等溶質(zhì)運(yùn)移呈現(xiàn)顯著差異。不同質(zhì)地的土壤中水分的運(yùn)移速率不同，是因?yàn)椴煌耐寥蕾|(zhì)地造成了透水性的差異。一般黏粒含量低的土壤透水性好，比黏性土壤氮磷淋溶嚴(yán)重。同延安等[10]對(duì)陜西3 種類型土壤剖面中硝酸鹽的累積、分布與土壤質(zhì)地的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，含黏粒量少的土壤土體疏松，更易造成硝酸鹽的淋失。細(xì)質(zhì)地土壤的中小孔隙發(fā)達(dá)，相同含水率條件下土壤吸力更大； 而粗質(zhì)地土壤較細(xì)質(zhì)地土壤水分和硝態(tài)氮運(yùn)移深度明顯較大，易造成水氮淋失[11]。沈仁芳等[12]對(duì)黃淮海地區(qū)潮土石灰性土壤的磷吸附試驗(yàn)表明，黏粒和碳酸鈣含量是影響土壤吸附能力的主要因素； 但也有研究表明，土壤中影響磷吸附固定的主要土壤組分為0.01 mm 物理性黏粒，碳酸鈣只起次要作用[13]。郭曉冬等[14]研究發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子交換量越大，土壤吸附磷的數(shù)量越多。除土壤本身黏粒含量、碳酸鈣和陽(yáng)離子交換量等因素外，有機(jī)質(zhì)含量也是影響土壤氮磷淋溶的主要因素。隨著有機(jī)質(zhì)的增加，土壤固銨量會(huì)降低[15]。因此，研究氮磷在不同土壤發(fā)生層中的遷移轉(zhuǎn)化差異，對(duì)于阻控氮磷淋失和保護(hù)地下水安全有重要意義。

褐土區(qū)是我國(guó)農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，在山西省分布的面積最大，歷史最久。本試驗(yàn)以山西省典型褐土為研究對(duì)象，利用土柱模擬試驗(yàn)研究不同特征的土層中氮磷遷移轉(zhuǎn)化的特征及其與土壤性狀的關(guān)系，辨識(shí)不同土層影響氮磷遷移轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)因素，以期建立科學(xué)的水、肥調(diào)控技術(shù)體系，為阻控氮磷淋溶提供科學(xué)參考，使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐漸向綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，真正做到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效，實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自山西省晉城市澤州縣高都鎮(zhèn)東頓村(112°56′18″E，35°36′51″N)，土壤類型為石灰性褐土。采樣點(diǎn)位于晉東南黃土丘陵塬上，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，海拔780 m，年平均氣溫10～11 ℃，年均降水量為618.3 mm，其中60%降水主要分布在夏季。土地利用類型為耕地，主要作物為玉米(Zea mays)。按照土壤發(fā)生層段，分別采集耕層、淋溶層、鈣積層、黏化層和母質(zhì)層，避光自然風(fēng)干，磨碎過5 mm 篩備用。供試土壤基本性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)石灰性褐土不同土壤發(fā)生層的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of different soil occurrence layers of calcareous cinnamon soil in the study area

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)利用自制簡(jiǎn)易淋溶裝置。淋溶土柱采用直徑為20 cm 的PVC 管，管體長(zhǎng)80 cm，下端接底蓋(均勻分布有15 個(gè)5 mm 孔)，淋溶液經(jīng)漏斗到收集瓶中。管內(nèi)底部鋪兩層尼龍濾布，上鋪3 cm 厚的石英砂，按實(shí)地測(cè)得容重?fù)Q算，土壤稱重后裝入模擬土柱，土壤高度為30 cm，并壓實(shí)土壤，避免管壁效應(yīng)。并在土壤表層上鋪3 cm 厚的石英砂，石英砂與土壤之間鋪有一層濾布，防止加水淋洗時(shí)破壞土柱的表層土壤，也可以使淋溶水均勻地滲入土壤。最后在PVC 管頂端加裝蓋子，防止水分蒸發(fā)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用間歇淋溶法，試驗(yàn)用水為蒸餾水。試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理： 1)耕層； 2)鈣積層； 3)黏化層； 4)淋溶層； 5)母質(zhì)層。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。將過5 mm 篩的各層土壤分別填充進(jìn)相應(yīng)土柱后，于翌日(2020年5月8日)將溶有25 g 尿素和25 g 磷酸二氫鉀的700 mL 蒸餾水加入土柱中，并在隨后的兩日內(nèi)補(bǔ)加1050 mL 蒸餾水。淋溶液用收集瓶收集，待不再有淋溶液流出時(shí)，測(cè)量淋溶液體積，并進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。在施肥后的第11 d (2020年5月19日)進(jìn)行第1 次淋洗，共加水1450 mL 至土壤飽和有濾液滲出，收集淋溶液。于施肥后第21 d (2020年5月29日)開始第2 次淋洗，淋洗水量為700 mL； 之后每隔11 d淋洗1 次，共淋洗5 次。每次收集到的淋溶液量如表2 所示。

表2 每次試驗(yàn)不同土壤形成層收集的淋溶液量Table 2 Leachate amounts of different soil occurrence layers in each leaching test mL

1.4 測(cè)定方法

試驗(yàn)采用《農(nóng)田面源污染監(jiān)測(cè)方法與實(shí)踐》中水樣分析測(cè)試方法?？扇苄钥偟?TDN)、硝態(tài)氮(-N )、銨態(tài)氮(-N )采用連續(xù)流動(dòng)注射儀法；可溶性總磷(TDP)采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法；正磷酸鹽(-P)由水樣經(jīng)定性濾紙過濾再由0.45 μm 濾膜過濾后采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

使用Microsoft Excel 2007 對(duì)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采用SPSS 20 軟件的單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)氮磷淋溶指標(biāo)在不同發(fā)生層的差異；圖表利用Origin 9.0 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤發(fā)生層可溶性總氮、總磷淋溶總量

由表3 可知，進(jìn)行5 次淋溶試驗(yàn)，不同土壤發(fā)生層可溶性總氮和可溶性總磷的淋溶總量呈現(xiàn)不同的變化。不同土層可溶性總氮淋溶量的大小為： 黏化層>母質(zhì)層>淋溶層>耕層>鈣積層，黏化層的可溶性總氮淋溶量最大，為3648.99 mg·L?1，較耕層顯著增加51.25%； 鈣積層的可溶性總氮淋溶量最小，僅為244.16 mg·L?1，較耕層顯著減少89.88%； 而淋溶層和母質(zhì)層可溶性總氮淋溶量分別較耕層顯著增加25.55%和39.12%。5 種不同發(fā)生層土壤淋溶液中可溶性總氮淋溶量與施氮量的比值最高為黏化層(31.3%)，最低為鈣積層(2.1%)，氮在5 種發(fā)生層土壤中淋溶差異顯著，說明土壤本身的理化性質(zhì)是影響氮淋溶的主要因素。

不同土層可溶性總磷淋溶量大小為： 耕層>淋溶層>母質(zhì)層>鈣積層>黏化層，耕層可溶性總磷淋溶量最大，為0.52 mg·L?1，顯著高于其他各層； 黏化層可溶性總磷淋溶量最低，僅0.25 mg·L?1，較耕層顯著減少51.92%； 淋溶層、母質(zhì)層和鈣積層可溶性總磷淋溶量則分別較耕層顯著減少 28.85%、42.31%和48.08%。5 種發(fā)生層土壤的可溶性總磷淋溶量與施磷量的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可溶性總氮與施氮量比值，最高僅為0.0092%，說明磷素在土壤中垂直向下淋溶能力遠(yuǎn)低于氮素，但也存在淋失風(fēng)險(xiǎn)。

表3 間歇淋溶試驗(yàn)5 次淋洗的可溶性總氮和可溶性總磷的淋溶總量Table 3 Leaching amount of soluble total nitrogen and soluble total phosphorus for five leaches of the intermittent leaching test

2.2 不同土壤發(fā)生層氮素淋溶特征

2.2.1 銨態(tài)氮淋溶特征

從圖1A 可知，土壤發(fā)生層不同，銨態(tài)氮淋溶量變化趨勢(shì)也有較大差異。耕層、鈣積層和淋溶層變化趨勢(shì)一致，初次淋溶時(shí)銨態(tài)氮淋溶量相對(duì)較高，第2 次淋溶時(shí)有所降低，在第3 次淋溶時(shí)出現(xiàn)峰值，分別為0.43 mg·L?1、0.52 mg·L?1和0.71 mg·L?1，之后開始降低； 而黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量則隨試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行逐漸增加。在第1、2 次淋溶時(shí)，銨態(tài)氮淋溶量大小為： 母質(zhì)層>黏化層>淋溶層>鈣積層>耕層，兩次淋溶母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量較耕層分別顯著增加166.68%和727.24%，黏化層銨態(tài)氮淋溶量較耕層分別顯著增加150.58%和674.91%，而淋溶層、鈣積層和耕層銨態(tài)氮淋溶量差異不顯著。第3、4 次銨態(tài)氮淋溶量大小為： 黏化層>母質(zhì)層>淋溶層>鈣積層>耕層，兩次淋溶黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量較耕層顯著增加，而淋溶層、鈣積層和耕層間的銨態(tài)氮淋溶量差異不顯著。第5 次銨態(tài)氮淋溶量大小為：母質(zhì)層>黏化層>鈣積層>淋溶層>耕層，母質(zhì)層和黏化層銨態(tài)氮淋溶量達(dá)最大值，分別為9.14 mg·L?1和8.70 mg·L?1，是耕層銨態(tài)氮淋溶量的39 倍和38 倍，而耕層、鈣積層和淋溶層間的銨態(tài)氮淋溶量差異不顯著。由此可見，黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量顯著高于耕層、鈣積層和淋溶層。

2.2.2 硝態(tài)氮淋溶特征

如圖1B 所示，耕層、淋溶層硝態(tài)氮大體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，鈣積層、黏化層、母質(zhì)層則出現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)。在第1、2 次淋溶時(shí)，硝態(tài)氮淋溶量大小為： 耕層>淋溶層>鈣積層>黏化層>母質(zhì)層，兩次淋溶母質(zhì)層硝態(tài)氮淋溶量較耕層分別顯著減少93.41%和97.39%，黏化層硝態(tài)氮淋溶量較耕層分別顯著減少90.94%和95.98%，鈣積層較耕層分別顯著減少85.74%和88.01%，淋溶層和耕層硝態(tài)氮淋溶量在第1 次淋溶時(shí)差異顯著，而在第2 次淋溶時(shí)差異不顯著。第3 次硝態(tài)氮淋溶量大小為： 淋溶層>耕層>黏化層>母質(zhì)層>鈣積層，淋溶層硝態(tài)氮淋溶量較耕層顯著增加56.79%，黏化層、母質(zhì)層、鈣積層的硝態(tài)氮淋溶量分別顯著減少 96.52%、97.07%和98.00%。在第4、5 次淋溶，淋溶層、母質(zhì)層和黏化層硝態(tài)氮淋溶量較耕層增加顯著，而鈣積層和耕層硝態(tài)氮淋溶量無(wú)顯著性差異。由此可知，在試驗(yàn)初期，耕層和淋溶層硝態(tài)氮淋溶量顯著較高，隨著淋溶試驗(yàn)的進(jìn)行，黏化層和母質(zhì)層硝態(tài)氮淋溶量開始逐漸增加，且顯著高于其他3 層。

2.2.3 可溶性總氮淋溶特征

可溶性總氮是水樣中的溶解態(tài)氮，包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無(wú)機(jī)銨鹽和溶解態(tài)有機(jī)氮。由圖1C 可知，耕層、黏化層、淋溶層和母質(zhì)層可溶性總氮淋溶量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，鈣積層則出現(xiàn)與其相反的趨勢(shì)，淋溶量先降低后升高。在第1次淋溶時(shí)，可溶性總氮淋溶量大小為： 淋溶層>耕層>母質(zhì)層>黏化層>鈣積層，母質(zhì)層、黏化層和鈣積層可溶性總氮淋溶量較耕層分別顯著減少65.65%、65.84%和76.80%，淋溶層和耕層差異不顯著。第2次淋溶，淋溶層可溶性總氮淋溶量較耕層顯著增加15.24%，黏化層、母質(zhì)層和鈣積層則分別顯著減少55.74%、67.46%和95.94%。第3、4 次淋溶，可溶性總氮淋溶量大小為： 黏化層>母質(zhì)層>淋溶層>耕層>鈣積層，黏化層和母質(zhì)層可溶性總氮淋溶量較耕層增加量顯著。在第5 次淋溶，母質(zhì)層可溶性總氮淋溶量達(dá)最高，為960.67 mg·L?1，顯著高于耕層；而淋溶層、鈣積層和耕層可溶性總氮淋溶量無(wú)顯著差異。因此，在試驗(yàn)初期，耕層、淋溶層可溶性總氮淋溶量較鈣積層、黏化層和母質(zhì)層增加量顯著，而隨著試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，耕層和淋溶層可溶性總氮淋溶量大幅降低，黏化層和母質(zhì)層中可溶性總氮隨水大量淋溶，鈣積層可溶性總氮淋溶量大幅降低后又逐漸增加。

2.3 不同土壤發(fā)生層磷素淋溶特征

2.3.1 正磷酸鹽淋溶特征

由圖2A 可知，不同土壤發(fā)生層的淋溶液中正磷酸鹽淋溶量呈相同的變化趨勢(shì)。在第1 次淋溶時(shí)，正磷酸鹽淋溶量大小為： 耕層>淋溶層>母質(zhì)層>黏化層>鈣積層，淋溶層、母質(zhì)層、黏化層和鈣積層正磷酸鹽淋溶量較耕層分別顯著減少 68.33%、68.45%、72.67%和72.91%。各發(fā)生層在第2 次淋溶量均為最小，黏化層、鈣積層和母質(zhì)層正磷酸鹽淋溶量較耕層分別顯著減少 36.86%、37.29%和46.61%，而淋溶層和耕層正磷酸鹽淋溶量差異不顯著。第3 次淋溶，鈣積層、黏化層和母質(zhì)層正磷酸鹽淋溶量達(dá)最大值，分別為 0.0493 mg·L?1、0.0489 mg·L?1和0.0542 mg·L?1。第4 次淋溶，各發(fā)生層正磷酸鹽淋溶量均有所降低，且母質(zhì)層正磷酸鹽淋溶量顯著高于淋溶層。淋溶至第5 次，各發(fā)生層間正磷酸鹽淋溶量無(wú)顯著差異。因此，在試驗(yàn)初期，耕層比鈣積層、淋溶層、黏化層和母質(zhì)層正磷酸鹽淋溶量高且差異顯著，但在第2 次淋溶開始后，各發(fā)生層間的差異逐漸減小，至第5 次淋溶，各土壤發(fā)生層間正磷酸鹽淋溶量無(wú)顯著差異。

2.3.2 可溶性總磷淋溶特征

如圖2B 所示，不同土壤發(fā)生層可溶性總磷淋溶量的變化表現(xiàn)為先降低后升高，均在第1 次淋溶時(shí)可溶性總磷淋溶量達(dá)最大，不同之處在于耕層、鈣積層和淋溶層在第3 次淋溶時(shí)降至最低，而黏化層和母質(zhì)層可溶性總磷淋溶量最小值出現(xiàn)在第2 次淋溶時(shí)。在5 次淋溶中，耕層可溶性總磷淋溶量相較于其他發(fā)生層均為最高，且差異性顯著(P<0.05)，在第 3 次淋溶時(shí)可溶性總磷淋溶量降至最低，為0.0719 mg·L?1，但較淋溶層、母質(zhì)層、黏化層和鈣積層分別顯著增加44.0%、47.0%、67.1%和69.3%。鈣積層、淋溶層可溶性總磷淋溶量在第3 次淋溶時(shí)最小，分別為0.0425 mg·L?1和0.0499 mg·L?1； 而黏化層、母質(zhì)層在第2 次淋溶時(shí)可溶性總磷淋溶量最低，分別為0.0359 mg·L?1和0.0392 mg·L?1，之后隨試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，其可溶性總磷淋溶量又小幅增加，但均顯著低于耕層(P<0.05)。

2.4 不同土壤發(fā)生層氮磷淋溶形態(tài)

2.4.1 氮淋溶形態(tài)組成

土壤氮素的淋溶形態(tài)主要是硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和其他形態(tài)的氮，其他形態(tài)氮包括溶解態(tài)有機(jī)氮和少量亞硝態(tài)氮[16]。由表4 可知，不同理化性質(zhì)的土壤發(fā)生層氮素的淋溶有顯著性差異。硝態(tài)氮淋溶量在耕層、淋溶層、鈣積層、黏化層和母質(zhì)層的淋溶液中分別占可溶性總氮的68.96%、41.27%、85.38%、5.08%和4.59%，且耕層和淋溶層硝態(tài)氮淋溶量顯著大于其他3 個(gè)發(fā)生層； 銨態(tài)氮淋溶量在5 個(gè)發(fā)生層淋溶液中占可溶性總氮分別為 0.06%、0.10%、0.95%、0.71%和0.66%，并且黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量顯著高于其他發(fā)生層，5 種土壤發(fā)生層均表現(xiàn)為硝態(tài)氮的淋溶大于銨態(tài)氮淋溶。

2.4.2 磷淋溶形態(tài)組成

磷在土壤中的淋溶形態(tài)主要有溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷，溶解態(tài)磷又包括無(wú)機(jī)態(tài)正磷酸鹽和部分有機(jī)態(tài)磷[16]。由表4 可知，耕層正磷酸鹽淋溶量顯著高于其他土壤發(fā)生層，且正磷酸鹽淋溶量在耕層、淋溶層、鈣積層、黏化層和母質(zhì)層的淋溶液中分別占可溶性總磷淋溶量的63.25%、49.74%、71.47%、75.94%和69.55%，均表現(xiàn)為可溶性總磷中以正磷酸鹽淋溶為主。

表4 不同發(fā)生層土壤氮磷淋溶形態(tài)特征Table 4 Morphology of nitrogen and phosphorus leaching in different soil occurrence layers

2.5 不同土壤發(fā)生層氮磷淋溶濃度與土壤性狀的關(guān)系

除碳酸鈣與各形態(tài)氮磷元素?zé)o明顯相關(guān)性外，陽(yáng)離子交換量、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量均與各形態(tài)氮磷的淋溶量存在一定的相關(guān)性。陽(yáng)離子交換量與銨態(tài)氮淋溶量在第2～5 次淋溶時(shí)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在第5 次淋溶時(shí)與硝態(tài)氮淋溶量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在第4、5 次淋溶時(shí)與可溶性總氮淋溶量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。黏粒含量與硝態(tài)氮在第1、2 次淋溶時(shí)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與正磷酸鹽在第2、5 次淋溶時(shí)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與可溶性總磷在第2、4、5 次淋溶時(shí)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)在第1、2 次淋溶時(shí)與硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，在第2 次淋溶時(shí)與正磷酸鹽呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與可溶性總磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。由此可說明，土壤中陽(yáng)離子交換量、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)氮磷的淋溶遷移有明顯影響。

3 討論

3.1 不同土壤發(fā)生層對(duì)氮淋失的影響

褐土不同土壤發(fā)生層養(yǎng)分的淋溶量是研究養(yǎng)分淋溶的主要指標(biāo)，對(duì)防止養(yǎng)分淋溶流失和地下水污染有重要意義。養(yǎng)分在土壤中的淋溶過程是由吸附—解吸—遷移交替的緩慢發(fā)生過程[17]，不同土壤發(fā)生層的結(jié)構(gòu)不同，引起土壤氮淋溶情況也有差異[18]。同時(shí)，氮淋溶也受土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量和顆粒組成的影響，養(yǎng)分含量大小表現(xiàn)為耕層>淋溶層>鈣積層>母質(zhì)層>黏化層，且各土壤發(fā)生層土壤顆粒組成差異也較大。

在進(jìn)行第1 次淋溶試驗(yàn)時(shí)，由于加入肥料量大且時(shí)間較長(zhǎng)，氮肥在施入土壤后，在脲酶作用下分解成銨態(tài)氮[19]，銨態(tài)氮帶正電荷，易被土壤顆粒吸附固定，因而在淋溶初期各發(fā)生層銨態(tài)氮淋溶量較少。大部分銨態(tài)氮被土壤膠體吸附后通過土壤的硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，不易被同樣帶負(fù)電荷的土壤膠體所吸附，主要以溶質(zhì)的形式存在于土壤溶液中[16]，所以在初次進(jìn)行淋溶試驗(yàn)時(shí)，5 個(gè)發(fā)生層土壤會(huì)有大量硝態(tài)氮淋出。有研究表明，氮素遷移轉(zhuǎn)化主要受土壤質(zhì)地、孔隙度、有機(jī)質(zhì)和氮素含量等影響[20]。耕層和淋溶層的有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)30.60 g·kg?1和25.77 g·kg?1，有機(jī)質(zhì)含量高能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通透性[21]，腐殖質(zhì)等形成的膠體在黏土礦物和各種氧化物上會(huì)形成各種不同粒徑的團(tuán)聚體，有利于銨態(tài)氮的吸附[22]。通過相關(guān)性分析，在第1、2 次淋溶試驗(yàn)中，有機(jī)質(zhì)與硝態(tài)氮淋溶量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此在初期耕層和淋溶層的硝態(tài)氮淋溶量較大。有研究表明土壤質(zhì)地與土壤透氣性密切相關(guān)，硝化作用是好氧過程[19]。質(zhì)地黏重的土壤透氣性差，不利于微生物的生存和活動(dòng)，抑制硝化作用的進(jìn)行，并且土壤的硝化率與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)[23]。黏粒含量越高其土壤質(zhì)地越黏重，土壤孔隙越細(xì)小，不動(dòng)水體含量越高，優(yōu)勢(shì)流不明顯，其溶質(zhì)的運(yùn)移速度較慢。硝態(tài)氮在田間不易被土壤吸附，且主要隨優(yōu)勢(shì)流運(yùn)動(dòng)[24]。鈣積層、黏化層和母質(zhì)層黏粒含量高，質(zhì)地黏重透氣性差，持水性高但導(dǎo)水能力低，所以在前3 次淋溶時(shí)硝態(tài)氮淋溶量較耕層和淋溶層明顯較低。隨著試驗(yàn)淋溶次數(shù)的增加，黏化層和母質(zhì)層土壤銨態(tài)氮淋溶量逐漸增加，其原因可能是黏化層和母質(zhì)層土壤的陽(yáng)離子交換量較低，土壤膠體對(duì)銨態(tài)氮的吸附易達(dá)到飽和，銨態(tài)氮會(huì)解吸至土壤溶液里，在每次淋溶時(shí)隨水向下發(fā)生淋失[25]。這與本試驗(yàn)結(jié)果相一致，通過相關(guān)性分析，黏粒含量與銨態(tài)氮淋溶量呈顯著相關(guān)關(guān)系，所以黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量顯著高于耕層、鈣積層和淋溶層。耕層、淋溶層和鈣積層土壤膠體對(duì)銨態(tài)氮的吸附還未達(dá)到飽和，土壤溶液中的銨態(tài)氮與膠體存在動(dòng)態(tài)解吸過程，所以此3 種發(fā)生層在第3 次淋溶達(dá)到解吸平衡后，銨態(tài)氮淋溶量達(dá)到最大。5 個(gè)發(fā)生層土壤pH 呈微堿性，有利于土壤中銨態(tài)氮在亞硝化和硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，造成土壤中硝態(tài)氮的大量累積，為硝態(tài)氮大量淋溶提供可能[26]。

表5 不同淋溶試驗(yàn)土壤氮磷淋溶量與土壤性狀的相關(guān)性Table 5 Correlation between nitrogen and phosphorus leaching and soil properties of different leaching test

對(duì)于土壤氮素淋溶流失的不同形態(tài)養(yǎng)分組成而言，淋溶液中硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)大于銨態(tài)氮含量，這與夏天翔等[27]對(duì)撫仙湖北岸有機(jī)與常規(guī)種植菜地土壤氮磷淋溶研究結(jié)果一致，土壤氮素淋溶以硝態(tài)氮為主。有研究表明，施入土壤中的氮肥僅有30%～40%被植物所利用，約20%～50%主要以硝態(tài)氮形式經(jīng)土壤淋溶進(jìn)入地下水[28]。這可能是由于礦化和硝化作用使硝態(tài)氮積累在土壤中，硝態(tài)氮不易被土壤膠體吸附而易溶于水，銨態(tài)氮帶負(fù)電荷，易被土壤膠體所吸附，從而導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶量大于銨態(tài)氮。

3.2 不同土壤發(fā)生層對(duì)磷淋溶的影響

農(nóng)田土壤磷流失的主要途徑有地表徑流、侵蝕和淋溶。磷素垂直向下淋溶主要是通過土壤中的大孔隙進(jìn)行，除受磷肥施用量的影響外，還與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)； 由于不同性質(zhì)的土壤對(duì)磷的吸附和解吸能力不同，因而在相同磷素水平下土壤的磷素淋溶量會(huì)出現(xiàn)差異[29]。土壤對(duì)磷素的吸附性強(qiáng)，一般磷素較氮素不易發(fā)生淋失，只有當(dāng)土壤有效磷含量超過某一臨界值后，磷才會(huì)隨水遷移出土壤，因此本試驗(yàn)中磷淋溶量明顯少于氮淋溶量，這與王甜等[30]研究結(jié)果一致。耕層在試驗(yàn)初期的正磷酸鹽淋溶量較其他各發(fā)生層明顯偏大，但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)其差異逐漸減小。通過相關(guān)性分析可知，正磷酸鹽淋溶量與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，耕層有機(jī)質(zhì)和有效磷含量高，在試驗(yàn)初期占據(jù)了磷的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致土壤對(duì)磷的固持能力下降，并且耕層砂粒含量高而黏粒少，土質(zhì)疏松，大孔隙多，導(dǎo)水能力好，因而在初期耕層正磷酸鹽淋溶量顯著高于其他各層。但在初期耕層土壤的緩沖性能尚未體現(xiàn)出來(lái)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤逐漸趨于穩(wěn)定，緩沖能力得以體現(xiàn)，從而使得差異減小[31]。在淋溶試驗(yàn)中，每次澆水后收集到的耕層和淋溶層的淋溶液中，可溶性總磷淋溶量均顯著高于鈣積層、黏化層和母質(zhì)層。通過相關(guān)性分析可知，可溶性總磷淋溶量與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。耕層和淋溶層土壤以砂粒為主，有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量較大，導(dǎo)致土壤對(duì)磷的吸附固定降低[32]，從而淋溶液中可溶性總磷含量較高； 而鈣積層、黏化層和母質(zhì)層則以黏粒含量為主，具有較大的比表面積且活性強(qiáng)[33]，因此該發(fā)生層土壤對(duì)磷吸附能力強(qiáng)，其淋溶液中可溶性總磷淋溶量少。

就本試驗(yàn)各發(fā)生層磷淋溶的形態(tài)及其比例而言，其淋失磷以可溶性磷為主，而在可溶性磷中又以無(wú)機(jī)態(tài)正磷酸鹽為主，所占比例達(dá)可溶性總磷的75.9%。Heckrath 等[34]從總磷、顆粒態(tài)磷和總?cè)芙鈶B(tài)磷(又分為反應(yīng)性無(wú)機(jī)磷和溶解性有機(jī)磷)等形態(tài)對(duì)土壤剖面65 cm 下排出水研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不同施肥土壤排水中總?cè)芙鈶B(tài)磷和顆粒態(tài)磷占總磷比例的順序?yàn)椋?總?cè)芙鈶B(tài)磷(66%～71%)>顆粒態(tài)磷(23%～35%)；而在總?cè)芙鈶B(tài)磷中，反應(yīng)性無(wú)機(jī)磷占絕大多數(shù)，約為總磷含量的66%～86%。楊學(xué)云等[35]用原狀土柱模擬灌溉進(jìn)行 塿土磷淋失研究發(fā)現(xiàn)，塿土中磷淋溶的主要形態(tài)為可溶性磷，其含量占總磷的82.5%； 在可溶性磷中以反應(yīng)性無(wú)機(jī)磷居多，占總磷的77.1%。

4 結(jié)論

1)不同土壤發(fā)生層氮磷淋溶量存在差異。可溶性總氮淋溶量的大小為： 黏化層>母質(zhì)層>淋溶層>耕層>鈣積層，黏化層、母質(zhì)層和淋溶層可溶性總氮淋溶量顯著高于耕層，鈣積層可溶性總氮淋溶量較耕層顯著減少?？扇苄钥偭琢苋芰看笮椋?耕層>淋溶層>母質(zhì)層>鈣積層>黏化層，耕層可溶性總磷淋溶量顯著高于其他各層。

2)不同土壤發(fā)生層各形態(tài)氮磷淋溶特征存在差異。在試驗(yàn)初期，耕層、淋溶層的硝態(tài)氮、可溶性總氮和正磷酸鹽淋溶量顯著高于黏化層和母質(zhì)層，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，黏化層、母質(zhì)層的硝態(tài)氮和可溶性總氮大量淋溶，且顯著高于其他3 層，而各發(fā)生層間正磷酸鹽淋溶量無(wú)顯著差異； 5 次淋溶黏化層和母質(zhì)層銨態(tài)氮淋溶量顯著高于耕層、淋溶層和鈣積層，而耕層可溶性總磷淋溶量始終顯著高于其他各層。

3)不同土壤發(fā)生層中氮磷淋溶形態(tài)存在差異。在耕層和鈣積層的淋溶液中氮淋溶主要是硝態(tài)氮，其占可溶性總氮比例分別為68.96%和85.38%； 在耕層、淋溶層、鈣積層、黏化層和母質(zhì)層的磷素淋溶中，正磷酸鹽則是可溶性磷的主要淋溶形態(tài)。

4)土壤中氮磷的遷移轉(zhuǎn)化與土壤有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量、黏粒含量密切相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量與氮磷淋溶量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而陽(yáng)離子交換量和黏粒含量則與氮磷淋溶量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

致謝本試驗(yàn)特別感謝西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所郭勝利教授的悉心設(shè)計(jì)和傾力幫助。