三峽庫區(qū)王家溝小流域不同坡度土壤氮素流失特征研究

蘭木羚，高 瑗，高 明，李 東

(1.西南大學 資源環(huán)境學院/重慶市三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制研究中心， 重慶 北碚 400715；2.中山大學 數(shù)學與計算科學學院，廣東 廣州 510275 )

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，近十年來化肥施用量一直位于世界前列，其中氮肥的施用量尤為突出。在流域面積較大的水域，菜、果、花等經(jīng)濟作物種植面積大幅度增長，長期施用大量的氮肥成為水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因素之一，而這種高氮肥集約化農(nóng)業(yè)模式的發(fā)展，也使得水質(zhì)惡化的程度日益嚴重[1]。氮素徑流流失即氮素以礦質(zhì)氮形態(tài)溶解于徑流水中，或以無機和有機態(tài)氮形式附著于泥沙顆粒表面通過地表或地下徑流而產(chǎn)生的損失[2]。三峽庫區(qū)以山地丘陵為主，降雨充沛，人地矛盾突出，致使其水土流失面積達5.1萬km2，每年流失的泥沙量達1.4億t，占長江上游泥沙流失量的26%，平均土壤侵蝕模數(shù)達3 000 t/(km2·a)，其中中度和極強烈侵蝕量占43.5%[3]。目前，國內(nèi)外學者對流域土壤氮素流失特征、坡耕地地表徑流氮素流失機理及其對環(huán)境造成的危害進行了大量研究[4-6]，詹艷慧等[7]研究了消落帶土壤氮素的吸附釋放規(guī)律，Grant等[8]研究了農(nóng)田氮素流失對海洋環(huán)境的影響，而針對不同坡度土壤氮素流失特征的研究很少。因此，我們以三峽庫區(qū)王家溝小流域為研究對象，研究在不同地形坡度下土壤氮素隨地表徑流與侵蝕泥沙流失的特征，旨在為庫區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境建設、降低農(nóng)業(yè)面源污染等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)王家溝小流域，地處涪陵東北部，位居長江北岸，瀕臨長江黃金水道。該區(qū)地貌為山地丘陵，整個地勢北部高、南部低，海拔152—320 m，呈緩坡狀傾斜；屬亞熱帶季風氣候，常年平均氣溫18.1 ℃，年均降水量1 072 mm，一年中降水以夏秋兩季最多，占全年降水量的66%。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)按不同臺面坡度設置，臺面坡度的選取根據(jù)流域測繪數(shù)據(jù)確定。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)自然坡度的差異情況，選取臺面坡度為4°、9°和17°的地塊布設試驗小區(qū)。試驗小區(qū)采用M7.5漿砌磚結(jié)構(gòu)修建，每個小區(qū)長10 m、寬6 m，面積60 m2。

小區(qū)供試作物為玉米，品種為渝單15，2009年2月27日開始育秧，3月17日移栽并施基肥(每小區(qū)施2.7 kg)。移栽時，玉米植株行距0.9 m、株距0.5 m，離頂距0.5 m、離底距0.5 m，共計7行19列。4月16日各試驗小區(qū)施追肥(每小區(qū)施6.75 kg)，供試玉米于7月26日收割。于玉米移栽前采集各小區(qū)內(nèi)0—20 cm混合土樣測定小區(qū)土壤理化性質(zhì)背景值(表1)。

表1 試驗小區(qū)供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集

2009年3月17日在試驗小區(qū)施基肥前采用梅花形四分法對每個小區(qū)取表層(0—20 cm)土樣，此后分別于4月17日、4月24日、5月5日、5月13日、6月3日、6月13日、6月25日、7月2日、7月26日、8月5日、8月27日、9月3日、9月15日、10月9日進行采樣和分析工作，共取得14次徑流水和侵蝕泥沙樣。每次采樣后洗凈沉沙池，以備下次再用。

每次取柱狀水樣2～3個(總量1 000～3 000 mL)，混合后滴入4 mL濃硫酸終止微生物活動，置于4 C°以下保存并在一周內(nèi)完成分析工作。待水樣采集完成后，經(jīng)清池、靜置過濾后將徑流泥沙收集，帶回實驗室。

1.3.2 測定指標及計算方法

(1)水樣。 全氮采用開氏法；銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法；硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法[9]。

(2)泥沙。全氮采用開氏消煮法；銨態(tài)氮采用2 mol/L KCl溶液浸提-靛酚藍比色法；硝態(tài)氮采用2 mol/L KCl溶液浸提-酚二磺酸比色法[9]。

(3)地表徑流氮素流失量。采用下式計算

(1)

式中：Ww為單位面積的地表徑流氮素流失量，mg/m2；Wwi為第i次采樣的徑流水量，m3；Cwi為第i次采樣的徑流水氮素濃度，kg/m3；S為不同坡度的試驗小區(qū)面積，m2；106為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(4)侵蝕泥沙氮素流失量。采用下式計算

(2)

式中：Ws為單位面積的侵蝕泥沙氮素流失量，mg/m2；Wsi為第i次采樣的侵蝕泥沙量，kg；Csi為第i次采樣的侵蝕泥沙氮素含量，g/kg；S為不同坡度的試驗小區(qū)面積，m2；103為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

試驗區(qū)降雨量用虹吸式自記雨量計測定。試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0軟件，制表主要采用Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度下地表徑流氮素流失特征

土壤氮素隨地表徑流流失主要有兩種形式，一是以溶解于徑流中的可溶態(tài)氮隨地表徑流流失，二是吸附于侵蝕泥沙表面以無機態(tài)和有機態(tài)形式存在的氮素隨泥沙流失，且以第二種形式為主要的流失形式[10]。

表2為不同坡度小區(qū)地表徑流氮素流失量。由表2可知，單場降雨坡度4°的小區(qū)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮隨地表徑流流失量變化范圍分別為0.03～0.46 、0.14～1.72 和0.59～7.06 mg/m2；坡度9°的小區(qū)變化范圍分別為0.02～1.06、0.07～4.29和0.30 ～17.32 mg/m2；坡度17°小區(qū)變化范圍分別為0.05～1.38、0.16～7.26和0.68～28.12 mg/m2。地表徑流氮素流失量相對較小，變幅不大，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮總流失量均呈現(xiàn)17°>9°>4°的趨勢，說明單場降雨條件下坡度對地表徑流氮素流失量的影響隨著坡度的增大而增大，其中坡度9°較坡度4°銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮總流失量分別高出70%、88%、83%，坡度17°較坡度4°分別高出2.3、3.0、2.9倍，說明坡度越大坡度對地表徑流氮素流失量的影響就越明顯。張亞麗等[11]對黃土高原坡度對坡面土壤礦質(zhì)氮素水蝕流失負荷影響的研究表明，地表徑流氮素流失量表現(xiàn)為25°>20°>15°>10°>5°，本研究結(jié)果與其相似。

表2 不同坡度小區(qū)地表徑流氮素流失量 mg/m2

從表2還可看出，對于地表徑流氮素流失形態(tài)來說，單場降雨條件下坡度4°、9°和17°均表現(xiàn)出硝態(tài)氮流失量高于銨態(tài)氮流失量的現(xiàn)象，總流失量分別高出3.2、3.6、4.0倍，說明硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更易隨地表徑流流失，坡度越大差異就越明顯。袁玲等[12]對三峽庫區(qū)典型農(nóng)耕地的氮素淋溶與評價研究表明，在淋失的氮素中硝態(tài)氮占90%以上，其原因可能是土壤自身銨態(tài)氮含量較低，銨態(tài)氮在土壤中容易被土壤膠體吸附而不易被淋失。

2.2 不同坡度徑流小區(qū)侵蝕泥沙氮素流失特征

表3為不同坡度徑流小區(qū)侵蝕泥沙氮素流失量。由表3可知，單場降雨條件下坡度4°小區(qū)侵蝕泥沙銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮的流失量變化范圍為0.20～1.32、0.31～1.98和14.72 ～ 100.71 mg/m2，坡度9°小區(qū)變化范圍分別為0.28～1.88、0.42～2.81和20.64～141.02 mg/m2，坡度17°小區(qū)變化范圍分別為0.39～2.61、0.59～3.90和27.99～189.06 mg/m2。單場降雨條件下小區(qū)侵蝕泥沙氮素流失量變幅不大，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮總流失量均呈現(xiàn)出17°>9°>4°的趨勢，其中坡度9°小區(qū)較坡度4°小區(qū)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮總流失量分別高出35%、34%、35%，坡度17°小區(qū)較坡度4°小區(qū)分別高出79%、76%、76%，這說明坡度對侵蝕泥沙氮素流失的影響是隨著坡度的增大而增大的。

表3 不同坡度徑流小區(qū)侵蝕泥沙氮素流失量

mg/m2

從表3還可以看出，對于侵蝕泥沙氮素流失形態(tài)來說，單場降雨條件下坡度4°、9°和17°小區(qū)均表現(xiàn)出硝態(tài)氮流失量高于銨態(tài)氮流失量的現(xiàn)象，總流失量分別高出51%、50%、49%，這說明硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更易隨侵蝕泥沙而流失，但隨著坡度的增大其差值有減少的趨勢，這與地表徑流氮素流失特征相反。

綜合表2、表3可知，單場降雨不同坡度小區(qū)地表徑流氮素流失量和侵蝕泥沙氮素流失量均呈現(xiàn)17°>9°>4°的趨勢；坡度4°、9°和17°小區(qū)的侵蝕泥沙全氮流失量分別占總流失量的94.4%、92.5%和88.4%，說明土壤流失氮素主要隨侵蝕泥沙流失，比值隨坡度的增大略有減少。袁東海等[13]對紅壤區(qū)小流域不同土地利用方式下氮磷流失特征研究發(fā)現(xiàn)，流失的土壤氮素以泥沙結(jié)合態(tài)為主。

2.3 不同坡度小區(qū)地表徑流量、泥沙流失量與降雨量的關系

2.3.1 不同坡度小區(qū)地表徑流量與降雨量的關系

降雨是導致農(nóng)田產(chǎn)生地表徑流的主要因素，坡度能影響地表徑流對坡面的沖刷能力[14]。圖1是不同坡度小區(qū)地表徑流量與降雨量的關系。由圖1可知，同一坡度小區(qū)地表徑流量與降雨量之間存在著顯著的線性相關性(P<0.05)，且坡度4°時相關系數(shù)最小(其值為0.635 1)，隨著坡度的增大相關系數(shù)增大，坡度17°時最大(其值為0.885 5)。汪濤等[15]對紫色土坡耕地徑流特征研究得出回歸方程為y=2.597 2x+18.129，說明降雨量是地表徑流量的主控因子，地表徑流量與降雨量呈顯著線性相關。

圖1 不同坡度小區(qū)地表徑流量與降雨量的關系

從地表徑流量與降雨量線性回歸方程的斜率看，坡度4°小區(qū)斜率值為0.003 1，坡度9°值為0.005 5，坡度17°值為0.007 6，說明在相同降雨強度下地表徑流量隨著坡度的增大而增大，這與前面對不同坡度下地表徑流氮素流失特征的研究結(jié)果一致。

2.3.2 不同坡度小區(qū)泥沙流失量與降雨量的關系

在泥沙流失過程中，水和沙是物質(zhì)運移的主要載體,土壤養(yǎng)分隨泥沙遷移造成流失及淋失[16]。產(chǎn)沙量受降雨量、土壤母質(zhì)、土地利用方式和地形等因素的綜合影響[17]。圖2是不同坡度小區(qū)泥沙流失量與降雨量的關系。由圖2和計算值可知，泥沙流失量與降雨量存在著顯著的線性相關性(P<0.05)，相關系數(shù)隨坡度的增大而減小，這和地表徑流量與降雨量的關系相反。由于影響泥沙流失量的因素更為復雜，所以這有待于進一步研究。陳月紅等[18]通過對黃土高原呂二溝流域水土流失的研究發(fā)現(xiàn)，場產(chǎn)沙量和場徑流量之間存在顯著的冪函數(shù)相關關系(P<0.05)，相關系數(shù)r>0.8。

圖2 不同坡度徑流小區(qū)泥沙流失量與降雨量的關系

從小區(qū)泥沙流失量與降雨量擬合方程的斜率看，其斜率值為17°>9°>4°，說明在相同降雨強度下，坡度越大侵蝕泥沙量就越大。羅專溪等[19]對紫色土坡地泥沙養(yǎng)分與泥沙流失的耦合特征研究發(fā)現(xiàn)，在相同降雨量下，不同坡度泥沙流失量呈現(xiàn)顯著差異性(P<0.05)，說明坡度對泥沙流失量影響巨大，且坡度與泥沙量存在著顯著線性相關性(R2= 0.775，P<0.01)，說明泥沙流失量隨坡度的增大而增大，本研究的結(jié)果與其相似。

3 結(jié)果與討論

(1)就不同坡度小區(qū)氮素流失特征看，地表徑流與侵蝕泥沙氮素流失量總體不大，單場降雨最大值分別為28.12、189.06 mg/m2，侵蝕泥沙氮素流失量明顯高于地表徑流氮素流失量，坡度4°、9°和17°小區(qū)的侵蝕泥沙全氮流失量分別占總流失量的94.4%、92.5%和88.4%，說明土壤中流失的氮素以泥沙結(jié)合態(tài)為主[12]，比值隨坡度的增大有減少的趨勢；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮總流失量均呈現(xiàn)17°>9°>4°的趨勢，說明氮素流失量隨坡度的增大而增大；銨態(tài)氮流失量<硝態(tài)氮流失量，坡度越大兩者隨地表徑流流失量的差值就越大，隨侵蝕泥沙流失量的差值有減小趨勢，這可能與土壤含氮差異、作物生長情況等因素有關。

(2)就不同坡度小區(qū)對地表徑流量、泥沙流失量的影響來看，在不同坡度下，地表徑流量、泥沙流失量與降雨量均呈現(xiàn)顯著線性相關性(P<0.05)，但地表徑流量隨著坡度的增大與降雨量相關性增強，而泥沙流失量表現(xiàn)則相反，這可能與土壤母質(zhì)、作物生長情況等因素有關。

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