暴雨條件下紫色土區(qū)玉米季坡耕地氮素流失特征

馮小杰，鄭子成，李廷軒，范麗

（1四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都 611130；2成都土壤肥料測試中心，成都 611130）

0 引言

【研究意義】暴雨過程中伴隨著較高能量的雨滴對土壤顆粒擊打，易于使表層土壤氮素隨徑流和侵蝕泥沙進入水體，不僅導致土地生產(chǎn)能力下降，也是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一[1-2]。坡耕地是土壤侵蝕的主要策源地，系統(tǒng)探究暴雨條件下坡耕地徑流和侵蝕泥沙中氮素流失特征，可為研究區(qū)氮素流失預測評價和有效防控提供科學理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】近年來，許多學者對坡耕地土壤侵蝕和氮素流失規(guī)律等方面開展了相關(guān)研究，但主要集中于降雨條件下地表徑流和侵蝕產(chǎn)沙特征，以及氮素隨地表徑流和侵蝕產(chǎn)沙流失規(guī)律的探討[3-4]。研究表明，地表徑流是氮素流失的優(yōu)先途徑，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是地表徑流中氮素流失的主要形態(tài)[5]；侵蝕泥沙中，大量的銨態(tài)氮等陽離子吸附在土壤顆粒表面隨之流失，表現(xiàn)出氮素流失的富集現(xiàn)象[6-7]。壤中流的產(chǎn)生對地表徑流的變化有較大影響[8]，隨研究的逐漸深入，壤中流對氮素流失的影響備受關(guān)注[9-10]。趙越等[11]研究發(fā)現(xiàn)紅壤區(qū)壤中流為氮素流失的主要途徑，且以可溶性總氮為主。馬波等[12]指出植被覆蓋可以消減雨滴的動能，減少地表徑流量和侵蝕產(chǎn)沙量，不同植被類型、冠層結(jié)構(gòu)以及作物生育期對土壤侵蝕均具有不同的調(diào)控作用[13]。張鐵鋼等[14]研究也證實覆蓋度較高花生地的土壤侵蝕量和氮素流失量均低于覆蓋度較低的玉米地。可見，植被覆蓋度對徑流和侵蝕產(chǎn)沙以及氮素流失影響較大?！颈狙芯壳腥朦c】紫色土是一種高生產(chǎn)力巖性土，土層淺薄，極易發(fā)生土壤侵蝕[15]。川中丘陵紫色土區(qū)降雨主要集中于5—9月，暴雨較多。根據(jù)30年氣象資料分析，該區(qū)域最大小時降雨量達93.0 mm，最大10分鐘降雨量達 30.3 mm，每年單次降雨量 50—100 mm 的有 3.7次[16]。而玉米作為當?shù)刂髟院灯碌刈魑镏唬渖L期與區(qū)域降雨侵蝕期相重?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以紫色土區(qū)坡耕地為研究對象，從玉米全生育期角度，系統(tǒng)探討1.5 mm·min-1降雨強度下玉米季地表徑流、壤中流和侵蝕產(chǎn)沙及其氮素流失特征，闡明氮素流失量與地表徑流量、壤中流量和侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系，以期為紫色土區(qū)坡耕地尋求合理防護氮素流失時期提供理論基礎，服務于紫色土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江上游沱江水系花椒溝小支流和響水灘上端（104′12″—104°35′19″E，30°05′12″—30°06′44″N），屬四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村與花椒村，平均海拔395 m，年均降雨量965.8 mm，全年80%的降雨集中在5—9月，年平均溫度16.8℃。研究區(qū)坡耕地以玉米種植為主，種植密度約 40 000株/hm2，輔以種植白菜、芋頭、辣椒等。土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥，質(zhì)地較輕，砂粒、粉粒和黏粒占總質(zhì)量的比例分別為49%、29%和22%。土壤有機質(zhì)含量 11.62 g·kg-1、全氮 0.73 g·kg-1、堿解氮 40.13 mg·kg-1、有效磷 14.08 mg·kg-1、速效鉀 86.64 mg·kg-1，土壤肥力較低。

1.2 試驗設計

根據(jù)研究區(qū)多年降雨及暴雨特點，設計降雨強度為1.5 mm·min-1，降雨歷時為產(chǎn)流開始計時42 min，

分別在玉米苗期（5月1日）、拔節(jié)期（5月26日）、抽雄期（6月27日）和成熟期（8月4日）進行，共計4次人工模擬降雨?；谝巴鈱嵉卣{(diào)查，結(jié)合研究區(qū)坡耕地面積小、分布零散等特點，試驗小區(qū)設計為1 m×2 m的微小區(qū)。小區(qū)下墊面用混泥土固化防滲形成相對不透水層，并鋪10 cm厚石英砂，上面覆土60 cm。每個小區(qū)坡面下部用水泥砌成“V”形集水槽，集水槽通過PVC管連接到徑流收集桶。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)耕習慣，在每一小區(qū)布設兩個橫坡壟作，壟高30 cm，壟寬50 cm，壟距90 cm。依據(jù)紫色土區(qū)坡度的分布特點，試驗坡度設置為15°，所有試驗重復3次。

供試玉米（Zea mays L.）品種正紅6號，于2016年4月壟上單行直播，行距90 cm，株距25 cm（圖1）。播種前每微小區(qū)基施尿素（N 46.4%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）分別為30、60和30 g，于5月下旬追施尿素（N 46.4%）60 g。其他管理措施與當?shù)剞r(nóng)耕習慣一致。

圖1 徑流小區(qū)平面圖Fig. 1 The plan of runoff plots

采用人工模擬降雨方法，人工降雨裝置采用中國科學院水土保持研究所生產(chǎn)的 SR型降雨機，裝置噴頭系統(tǒng)為美國V-80100。降雨機高度為6 m，降雨均勻系數(shù)在85%以上。降雨前進行儀器調(diào)試與降雨率定，試驗中準確記錄坡面產(chǎn)流時間。

1.3 樣品采集與分析

用塑料桶收集地表徑流和壤中流，每6 min收集一次，直至降雨結(jié)束。產(chǎn)流結(jié)束后，將徑流收集桶放置3 h，待澄清后將徑流和泥沙分開，并于105℃條件下烘干泥沙至恒重，待測。分別用體積法和烘干稱重法測定徑流體積和侵蝕產(chǎn)沙量。收集徑流上部清液于250 mL塑料瓶中，加硫酸調(diào)pH ≤ 2，存放冰箱（≤ 4℃）冷凍，待測。徑流中總氮（TN）和可溶性總氮（DTN）采用堿性過硫酸鉀氧化-間斷化學分析儀測定；硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）直接采用間斷化學分析儀測定。侵蝕產(chǎn)沙中全氮采用半微量凱氏定氮法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

徑流中氮素流失量（mg·m-2）=流出液中氮素濃度（mg·L-1）×徑流量（L·m-2）；

侵蝕泥沙中氮素流失量（mg·m-2）=侵蝕泥沙中氮素濃度（g·kg-1）×侵蝕產(chǎn)沙量（g·m-2）；

氮素流失率（mg·m-2·min-1）=氮素流失量（mg·m-2）/收集時間（min）。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用DPS11.0軟件，多重比較選擇LSD法，圖表制作采用Excel 2010。

2 結(jié)果

2.1 徑流和侵蝕產(chǎn)沙特征

L·m-2·min-1；玉米苗期產(chǎn)沙率在降雨 12 min和 36 min左右出現(xiàn)峰值，且顯著高于其他生育時期，平均值為0.70 g·m-2·min-1。壤中流在降雨 18 min 左右產(chǎn)生，在玉米拔節(jié)期和成熟期隨降雨時間延長而緩慢增加，苗期和抽雄期則在降雨30 min左右基本穩(wěn)定，在玉米各生育時期表現(xiàn)為抽雄期最大，平均值為0.81 L·m-2·min-1。

圖2 降雨條件下玉米季地表徑流產(chǎn)流率（A）、壤中流產(chǎn)流率（B）和產(chǎn)沙率（C）動態(tài)變化特征Fig. 2 Dynamic variation characteristics of the rate of surface runoff (A), the rate of interflow (B) and the rate of sediment yield (C) under simulated rainfall during maize growth stage

由圖2可知，玉米各生育時期地表徑流產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率總體表現(xiàn)為隨降雨時間延長而呈增加的變化趨勢。地表徑流產(chǎn)流率在苗期最大，平均值為 0.36

地表徑流作為侵蝕產(chǎn)沙的載體，其變化趨勢與侵蝕產(chǎn)沙量一致，由相關(guān)分析可知：在玉米各生育時期，侵蝕產(chǎn)沙量與地表徑流量呈現(xiàn)極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達0.969（圖3）；通過方程斜率可知，產(chǎn)沙量在玉米苗期隨徑流增加變化最快，而抽雄期則變化最慢。將玉米全生育期侵蝕產(chǎn)沙量與地表徑流量進行相關(guān)性分析得出：Y=2.1344X-0.6684（R2=0.8765，P＜0.01）。其中Y是侵蝕產(chǎn)沙量（g·m-2），X是地表徑流量（L·m-2）。

2.2 地表徑流中氮素流失特征

由圖4可知，玉米各生育時期地表徑流中總氮流失率總體表現(xiàn)為隨降雨時間延長而呈增加的變化趨勢，在降雨36 min后基本穩(wěn)定，且表現(xiàn)為苗期最大，平均值為 5.24 mg·m-2·min-1。玉米苗期和抽雄期地表徑流中可溶性總氮流失率分別在降雨30 min和36 min達到最大，拔節(jié)期和成熟期地表徑流中可溶性總氮流失率隨降雨時間延長而緩慢增加，在玉米各生育時期間表現(xiàn)為苗期最大，平均值為4.74 mg·m-2·min-1。玉米全生育期地表徑流中硝態(tài)氮流失率則在降雨 30 min后基本穩(wěn)定，在玉米各生育時期間表現(xiàn)以拔節(jié)期最大，平均為3.90 mg·m-2·min-1。玉米全生育期地表徑流中銨態(tài)氮流失率呈現(xiàn)波動性，平均流失率在玉米拔節(jié)期最高。在地表徑流中，可溶性總氮為流失的主要形態(tài)，其中硝態(tài)氮為可溶性總氮流失的主要形態(tài)。

圖3 降雨條件下玉米季侵蝕產(chǎn)沙量與地表徑流量相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Relationship between the sediment yield and surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage

圖4 降雨條件下玉米季地表徑流中總氮流失率（A）、可溶性總氮流失率（B）、硝態(tài)氮流失率（C）和銨態(tài)氮流失率（D）動態(tài)變化特征Fig. 4 Dynamic variation characteristics of the rate of TN loss (A), the rate of DTN loss (B), the rate of NO3--N loss (C) and the rate of NH4+-N loss (D) in surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage

地表徑流作為氮素流失的載體，由相關(guān)分析可以看出（圖 5）：在玉米全生育期，地表徑流中氮素流失量與地表徑流量呈現(xiàn)極顯著線性關(guān)系，且在苗期斜率最大。對于不同氮形態(tài)而言，可溶性總氮和硝態(tài)氮流失量在玉米全生育期與地表徑流量呈現(xiàn)出極顯著線性關(guān)系，且均在拔節(jié)期隨徑流量增加變化最快，而銨態(tài)氮則在抽雄期變化最快。

2.3 壤中流中氮素流失特征

由圖6可知，玉米全生育期壤中流中總氮流失率隨降雨時間延長呈緩慢增加的變化趨勢，在玉米各生育時期總體表現(xiàn)為拔節(jié)期最大，平均值為25.04 mg·m-2·min-1。玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期壤中流中可溶性總氮和硝態(tài)氮流失率隨降雨時間延長增加，抽雄期則在降雨30 min左右達到最大，在玉米各生育時期分別在拔節(jié)期和抽雄期最大，平均值為20.34和16.20 mg·m-2·min-1。玉米全生育期壤中流中銨態(tài)氮流失率呈現(xiàn)波動性，平均流失率表現(xiàn)為玉米拔節(jié)期最大。在壤中流中，可溶性總氮為流失的主要形態(tài)，其中硝態(tài)氮為可溶性總氮流失主要形態(tài)。

壤中流作為氮素流失的載體，由相關(guān)分析可以看出（圖 7）：在玉米全生育期，壤中流中氮素流失量與壤中流量呈現(xiàn)極顯著線性關(guān)系。對于不同氮形態(tài)而言，可溶性總氮和硝態(tài)氮流失量在玉米全生育期與壤中流量呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系，壤中流中總氮，可溶性總氮，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失量均在玉米拔節(jié)期隨徑流的增加變化最快。

圖5 降雨條件下玉米季總氮流失量（A）、可溶性總氮流失量（B）、硝態(tài)氮流失量（C）、銨態(tài)氮流失量（D）與地表徑流量相關(guān)關(guān)系Fig. 5 Relationship between TN loss (A), DTN loss (B), NO3--N loss (C), NH4+-N loss (D) and surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage

圖6 降雨條件下玉米季壤中流中總氮流失率（A）、可溶性總氮流失率（B）、硝態(tài)氮流失率（C）、銨態(tài)氮流失率（D）動態(tài)變化特征Fig. 6 Dynamic variation characteristics of the rate of TN loss (A), the rate of DTN loss (B), the rate of NO3--N loss (C) and the rate of NH4+-N loss (D) in interflow under simulated rainfall during maize growth stage

2.4 侵蝕泥沙中氮素流失特征

玉米各生育時期侵蝕泥沙中氮素流失率均隨降雨時間延長而增加，但其增幅在不同生育時期差異較大（圖8）。玉米苗期侵蝕泥沙中氮素流失率在降雨12 min和36 min出現(xiàn)峰值，與其余各生育時期相比增加速率更大，且平均流失率最大，為0.92 mg·m-2·min-1。而拔節(jié)期、抽雄期和成熟期侵蝕泥沙中氮素流失率則與產(chǎn)沙率變化趨勢一致。

侵蝕泥沙作為氮素流失的載體，其變化趨勢對氮素流失量影響較大，由相關(guān)分析得出：玉米各生育時期侵蝕產(chǎn)沙中氮素流失量與侵蝕產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系（表 1）?？梢?，侵蝕產(chǎn)沙量為影響玉米全生育期侵蝕泥沙中氮素流失量的主要因素，在玉米拔節(jié)期，侵蝕泥沙中氮素流失量隨產(chǎn)沙量增加變化最快，在成熟期增加最慢。

2.5 氮素流失量

由表2可知，壤中流為玉米季氮素流失的主要途徑。地表徑流中總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失量均在玉米苗期和拔節(jié)期最大；而壤中流中總氮流失量則在玉米拔節(jié)期和抽雄期最大，可溶性總氮流失量在拔節(jié)期最大，而硝態(tài)氮流失量卻在玉米苗期和抽雄期最大；侵蝕泥沙中氮素流失量在玉米苗期最大。

表1 降雨條件下玉米季氮素流失量與侵蝕產(chǎn)沙量相關(guān)關(guān)系Table 1 Relationship between the nitrogen loss (y) and sediment yield (x) under simulated rainfall during maize growth stage

3 討論

植被覆蓋是影響坡耕地土壤侵蝕的重要因素之一，植株對降雨進行再分配影響徑流，其根系則可通過改變土壤結(jié)構(gòu)，增加水分入滲和土壤的抗蝕性。因此，最適植被覆蓋度有利于水土保持[18]。在本研究中，玉米苗期地表徑流產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨降雨時間延長出現(xiàn)兩個峰值，而其他生育時期則呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，這主要由于玉米苗期植株冠層對降雨截留能力弱，加之暴雨條件下雨滴動能較大，雨滴的擊打能力增強了徑流紊動性，徑流侵蝕力增加，破壞土體結(jié)構(gòu)，而在降雨后期坡面出現(xiàn)了細溝，導致產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的增加[19]，因此玉米苗期可在橫坡壟作條件下用作物秸稈覆蓋地表，不僅減小雨滴動能及對土壤顆粒的破壞，又能攔截徑流和泥沙，進而減少產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率。地表徑流量在玉米苗期最大，而壤中流量則在抽雄期最大，這主要是因為苗期植被覆蓋度小，雨滴直接擊打土壤表面，濺散土壤顆粒阻塞土壤孔隙，阻礙水分下滲[20]。在玉米抽雄期，一方面植被覆蓋度大，徑流動能小，雨水與土壤表面接觸時間長[21]，加之紫色土本身入滲率大[22]，導致雨水大量下滲；另一方面玉米根系體積較大[23]，土壤內(nèi)部易于形成裂隙，促使壤中流增加。因此，在玉米抽雄期可通過間作紅苕，同時施入一定量的有機肥，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，以增強表層土壤的持水性[24-25]，進而減少壤中流的產(chǎn)生。而在植被覆蓋度最小的玉米苗期，其壤中流量大于玉米成熟期，經(jīng)試驗過程中觀察可知，這可能是由于在玉米成熟期，小區(qū)表層易形成生物結(jié)皮層，阻礙了雨水下滲，故壤中流有所減少[26]。侵蝕產(chǎn)沙量在玉米苗期最大，抽雄期最小，這主要原因可能有兩個方面：一是玉米葉片和莖稈降低了雨滴的動能，從而增加地表徑流在土壤表層停留的時間；二是玉米根系增加了土壤結(jié)構(gòu)的強度，使其不容易發(fā)生侵蝕[27]。

圖7 降雨條件下玉米季總氮流失量（A）、可溶性總氮流失量（B）、硝態(tài)氮流失量（C）和銨態(tài)氮流失量（D）與壤中流量相關(guān)關(guān)系Fig. 7 Relationship between TN loss (A), DTN loss (B), NO3--N loss (C), NH4+-N loss (D) and interflow under simulated rainfall during maize growth stage

圖8 降雨條件下玉米季侵蝕泥沙中氮素流失率動態(tài)變化特征Fig. 8 Dynamic variation characteristics of the rate of nitrogen loss in sediment yield under simulated rainfall during maize growth stage

可溶性氮和顆粒態(tài)氮，隨降雨徑流和侵蝕泥沙遷移，造成坡耕地土壤氮素流失[28]。本研究中，地表徑流和壤中流中氮素流失率在產(chǎn)流初期均增加，但壤中流中氮素流失率達到穩(wěn)定時間早于地表徑流6 min左右，且遠高于地表徑流中氮素流失率，這與彭圓圓等[29]研究結(jié)果較為相似，表明在1.5 mm·min-1降雨強度下，壤中流的形成加速了土壤氮素流失。而地表徑流和壤中流中銨態(tài)氮流失率則呈波動性變化，主要原因是銨根離子隨著徑流移動時，易被帶負電荷的土壤顆粒所吸附，在暴雨條件下，雨滴擊濺和徑流持續(xù)破壞土壤大粒級團聚體，分散為比表面積大、吸附能力強的小粒級團聚體使銨根離子易于流失[30-31]。地表徑流和壤中流中氮素流失量均在玉米拔節(jié)期達到最大，而玉米拔節(jié)期的徑流量卻小于苗期和抽雄期，表明在玉米拔節(jié)期追肥，土壤氮素濃度的增加可能是影響徑流中氮素流失的主要因素。KOTHYARI等 研究發(fā)現(xiàn)徑流量和養(yǎng)分流失量具有線性相關(guān)關(guān)系，且 LIU等[33]和WANG等[34]研究均表明暴雨條件下徑流量與氮素流失量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，本研究中也證實了這些結(jié)論。此外，侵蝕泥沙中氮素流失率與產(chǎn)沙率變化趨勢一致，均在玉米苗期最大，抽雄期最小，通過分析可知，侵蝕產(chǎn)沙量與氮素流失量呈現(xiàn)極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，與XING等[35]研究結(jié)果相似，表明在1.5 mm·min-1降雨強度下，侵蝕產(chǎn)沙量是侵蝕泥沙中氮素流失量的主控因素。

表2 降雨條件下玉米季徑流和侵蝕泥沙中氮素流失量Table 2 Nitrogen loss in runoff and sediment under simulated rainfall during maize growth stage

徑流為氮素流失的主要途徑，可溶性總氮為流失主要形態(tài)，而可溶性總氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮兩部分[36]。本研究中，地表徑流中總氮和可溶性總氮流失總量均表現(xiàn)為玉米苗期最大，原因可能有兩個方面：一是在玉米苗期基肥的施入增加了土壤氮素含量，二是玉米苗期植被覆蓋度小于其他生育時期，地表徑流量較大[37]；而硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失總量均表現(xiàn)為拔節(jié)期最大，這可能是由于該時期植株根系土壤pH變化和土壤微生物作用使土壤中產(chǎn)生大量的硝酸根和銨根離子供植物吸收利用所致[38]。就壤中流而言，總氮和可溶性總氮流失總量均在玉米拔節(jié)期最大，表明在玉米拔節(jié)期追肥，土壤氮素濃度增加成為氮素流失主控因素；而硝態(tài)氮流失總量則在抽雄期最大，壤中流是影響該時期硝態(tài)氮流失主要因素。莫明浩等[39]指出，在暴雨條件下，紅壤坡地氮素流失以壤中流為主（占 55.28%—95.30%），本研究結(jié)果也表明在暴雨條件下，紫色土區(qū)壤中流中氮素流失量占氮素流失總氮的 64.07%—83.39%，是氮素流失的主要途徑。

4 結(jié)論

4.1 玉米季各生育時期地表徑流產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率表現(xiàn)為苗期最大，而壤中流產(chǎn)流率表現(xiàn)為抽雄期最大。

4.2 地表徑流和壤中流中氮素流失率分別在苗期和拔節(jié)期最大，徑流中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失總量表現(xiàn)為在拔節(jié)期最高，可溶性總氮為流失的主要形態(tài)，硝態(tài)氮為可溶性總氮流失主要形態(tài)。侵蝕泥沙中氮素流失率表現(xiàn)為苗期最大。在玉米全生育期，氮素流失量與徑流量和侵蝕產(chǎn)沙量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系。地表徑流和壤中流中氮素流失濃度分別在玉米苗期和拔節(jié)期最大，壤中流為氮素流失的主要途徑。

4.3 在1.5 mm·min-1降雨強度下，玉米苗期和拔節(jié)期均存在對水體的污染潛在風險；玉米苗期控制地表徑流量，拔節(jié)期控制壤中流，可減少紫色土區(qū)氮素流失量。

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