三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地不同桑樹(shù)-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶

尚二鳳，史　書(shū)，林　曉，羅柏林，王　法，木志堅(jiān)，2，3*，倪九派，2，3，謝德體，2，3（.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 40076；2.重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制工程技術(shù)研究中心，重慶 40076；3.教育部三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 40075）

三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地不同桑樹(shù)-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶

尚二鳳1，史書(shū)1，林曉1，羅柏林1，王法1，木志堅(jiān)1，2，3*，倪九派1，2，3，謝德體1，2，3
（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制工程技術(shù)研究中心，重慶 400716；3.教育部三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715）

利用混合離子交換樹(shù)脂填埋吸附法對(duì)重慶市涪陵區(qū)王家溝小流域內(nèi)4種不同桑樹(shù)-作物配置模式下的坡地土壤氮磷淋溶量進(jìn)行了定量化研究。試驗(yàn)所設(shè)置的4個(gè)處理分別為橫坡農(nóng)作、橫坡農(nóng)作+三帶桑樹(shù)、橫坡農(nóng)作+四邊桑樹(shù)、橫坡農(nóng)作+等高桑樹(shù)+四邊桑樹(shù)。各處理耕作、施肥措施均保持一致，作物種植制度為玉米-榨菜輪作。結(jié)果表明，玉米季各處理土壤總氮（TN）的淋溶量在10.19～11.37 kg·hm-2之間，榨菜季在11.06～12.23 kg·hm-2之間，同一季不同處理間或同一處理不同季間土壤TN的淋溶量差異均不顯著（P＞0.05）。硝態(tài)氮（NO-3-N）和銨態(tài)氮（NH+4-N）對(duì)TN年淋溶量的平均貢獻(xiàn)率分別為63.9%和36.1%，說(shuō)明NO-3-N是氮素垂直淋失的主要形式。同一處理土壤在榨菜季的NO-3-N淋溶量均高于玉米季，NH+4-N則相反；不同處理土壤總磷（TP）年淋溶量范圍為0.19～0.21 kg·hm-2，處理間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。不同桑樹(shù)配置模式對(duì)土壤氮磷淋溶攔截效果的差異并不明顯，可能是由本試驗(yàn)中的桑樹(shù)種植年限較短及根系還不發(fā)達(dá)所致。

三峽庫(kù)區(qū)；坡耕地；氮；磷；淋溶

尚二鳳，史書(shū)，林曉，等.三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地不同桑樹(shù)-作物配置模式下土壤氮磷的淋溶［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（8）：1559-1564.

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三峽庫(kù)區(qū)是我國(guó)重要的淡水資源庫(kù)，但自2003年蓄水以來(lái)，局部地區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化頻發(fā)，目前已有22條支流出現(xiàn)不同程度的“水華”現(xiàn)象［1］。氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子，降雨和灌溉等會(huì)導(dǎo)致土壤中的氮磷通過(guò)地表徑流和淋溶等方式向水體釋放，進(jìn)而影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)。已有學(xué)者［2-3］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同水體中氮磷濃度的動(dòng)態(tài)變化及土壤中氮磷的徑流流失特征進(jìn)行了研究，但有關(guān)三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)田土壤氮磷淋溶損失的研究仍較少。土壤氮磷淋溶不僅降低肥料利用率，還可造成地下水污染。劉宏斌等［4］在北京地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤氮素主要通過(guò)地下淋溶途徑損失；黃沈發(fā)等［5］研究指出在上海郊區(qū)麥地淋溶損失的氮是地表徑流的3倍以上，菜地淋溶損失的氮是地表徑流的1.5倍左右；袁玲等［6］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫色土的研究也表明，氮素徑流損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氮素的淋溶損失。此外，雖然磷在土壤中濃度很低，大多以難溶化合物形態(tài)存在，但對(duì)農(nóng)田土壤磷素淋溶的研究中同樣發(fā)現(xiàn)其淋溶損失量與徑流損失量相當(dāng)或者更大［7-8］。因此，無(wú)論從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度，還是環(huán)境保護(hù)角度，對(duì)農(nóng)田土壤中氮、磷的地下淋溶情況進(jìn)行研究均顯得尤為必要。

土壤養(yǎng)分淋溶研究已成為農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于土壤養(yǎng)分具有較大的空間異質(zhì)性，采用何種方法才能反映農(nóng)田土壤養(yǎng)分淋溶損失的真實(shí)情況，是研究這一熱點(diǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外采用的方法主要有多孔吸盤法［9-11］和滲漏計(jì)法［11-18］。Pampolino等［11］利用多孔吸盤法、滲漏計(jì)法和離子交換樹(shù)脂法研究土壤-N的淋溶情況，結(jié)果表明，利用混合陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法收集的-N濃度最接近田間真實(shí)濃度。混合陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法是一種很有前途的技術(shù)，有研究表明該方法不僅可以密集布點(diǎn)、原位定點(diǎn)研究土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化，而且所獲得的數(shù)據(jù)還可以有效反映田間的實(shí)際情況［6，10-12，19-20］。

桑樹(shù)在三峽庫(kù)區(qū)擁有較大的種植面積，農(nóng)作-桑樹(shù)系統(tǒng)作為一種農(nóng)林復(fù)合模式在西南丘陵地區(qū)已經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用［21］，其在紫色土坡耕地水土保持及面源污染控制方面有著突出貢獻(xiàn)［22-23］。謝雪東等［24］研究指出，桑-作系統(tǒng)能夠有效控制三峽庫(kù)區(qū)坡耕地土壤氮磷的徑流流失。那么，不同桑樹(shù)配置模式是否也會(huì)影響土壤氮磷的淋溶損失？哪種桑樹(shù)配置模式的效果最佳？對(duì)此，本研究在三峽庫(kù)區(qū)涪陵珍溪鎮(zhèn)王家溝小流域內(nèi)，通過(guò)橫坡農(nóng)作與不同桑樹(shù)種植方式相結(jié)合的方式，利用陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂收集土壤淋溶液，旨在了解三峽庫(kù)區(qū)紫色土旱坡地農(nóng)田氮磷養(yǎng)分滲漏淋失的實(shí)際情況，為治理三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染及土壤養(yǎng)分資源管理提供更加全面的科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1田間試驗(yàn)處理概況

研究基地修建于重慶市三峽庫(kù)區(qū)涪陵珍溪鎮(zhèn)王家溝小流域（29°30′N，107°18′E，海拔330m）的坡腰位置。該流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫22.1℃，年均降水量1130 mm，夏秋季降雨量多，冬春季次之。

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：橫坡農(nóng)作（CT）；橫坡農(nóng)作+三帶桑樹(shù)（T1）；橫坡農(nóng)作+四邊桑樹(shù)+等高桑樹(shù)（T2）；橫坡農(nóng)作+四邊桑樹(shù)（T3）。每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù)（對(duì)照處理CT除外），共7個(gè)小區(qū)，各處理小區(qū)統(tǒng)一修建坡度為9°，坡向西北，四周用水泥墻分割，長(zhǎng)、寬、高分別為12、4、0.75 m的斜坡。四邊桑帶寬0.5 m，橫坡桑樹(shù)帶間距5.25 m，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［24］。各處理桑樹(shù)均為2011年10月種植。各處理的農(nóng)作方式均為玉米-榨菜輪作，各試驗(yàn)田的化肥施用量均相同，即：玉米季氮肥（N）313 kg·hm-2，磷肥（P2O5）94 kg·hm-2，鉀肥（K2O）131 kg·hm-2；榨菜季N 341 kg·hm-2，P2O5206 kg·hm-2，K2O 184 kg·hm-2。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民一致。

試驗(yàn)區(qū)土壤類型為紫色土，試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2氮磷淋失量的測(cè)定

考慮到桑樹(shù)與農(nóng)作物對(duì)土壤氮磷淋溶的整體影響，采樣點(diǎn)并沒(méi)有刻意設(shè)置在桑樹(shù)植株附近，而是在小區(qū)內(nèi)部采用“S”型布點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)安裝1個(gè)氮磷收集裝置，共安裝42個(gè)。埋設(shè)收集裝置時(shí)，從樣點(diǎn)側(cè)面移開(kāi)土壤，于60 cm深度處將收集裝置由側(cè)面水平放入，然后將土壤恢復(fù)原狀。于2013年3月埋入第一批收集裝置，9月玉米收獲后挖出，隨后埋入第二批收集裝置，并于2014年2月榨菜收獲后挖出。土壤下滲液中氮磷收集裝置的外部為內(nèi)徑×高=5 cm×10 cm的塑料管，中間放置12 g陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（DowenTMMarathonTMMR-3 Mixed Ion Exchange Resin），在其兩端用尼龍紗布攔截，樹(shù)脂兩邊填充清潔的石英砂（砂粒直徑約為3 mm），最后將裝置的上下端用尼龍紗布封口（圖1）。

表1　土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soil

圖1　土壤滲漏液收集吸附裝置示意圖Figure 1 Apparatus for collecting leaching solution in soil

將每個(gè)采樣點(diǎn)收集的陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂放置于三角瓶中，加入200 mL濃度為2 mol·L-1的KCl，振蕩8 h（室溫），取出靜置后，提取一部分浸提液，經(jīng)堿性過(guò)硫酸鉀密閉消化（121℃，30 min）后，分別采用紫外比色法（于220 nm波長(zhǎng)處）和鉬藍(lán)比色法（于880 nm波長(zhǎng)處）測(cè)定溶液中的TN和TP；另一部分經(jīng)0.2 μm醋酸纖維濾膜（日本東洋濾紙株式會(huì)社）過(guò)濾，然后分別用流動(dòng)注射分析法和靛酚藍(lán)比色法測(cè)定濾液中的和。此外，在實(shí)驗(yàn)室將12 g陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂放入收集裝置中，然后取兩種不同濃度梯度的氮磷標(biāo)液（氮標(biāo)液濃度為9、14 mg·L-1，磷標(biāo)液濃度為0.25、0.5 mg·L-1）均勻淋于樹(shù)脂上，3 d后按照上述方法提取并測(cè)定樹(shù)脂吸附的和TP，計(jì)算回收率。其中，硝態(tài)氮回收率為0.84，銨態(tài)氮回收率為0.9，總磷回收率為0.85。

假設(shè)土壤氮磷的淋溶液只通過(guò)垂直滲漏的方式進(jìn)入收集裝置，單位面積的氮磷淋失量可按下式計(jì)算：

Y=100q×（α×π×R2）

式中：Y為氮（磷）素淋失量，kg·hm-2；q為樹(shù)脂吸附量，mg；R為收集管上端口半徑，cm；α為回收率。

每個(gè)處理有2個(gè)重復(fù)，共計(jì)12個(gè)采樣點(diǎn)。下文中土壤氮、磷淋失量為這12個(gè)樣點(diǎn)的平均值，對(duì)照處理為6個(gè)樣點(diǎn)的平均值。

1.3數(shù)據(jù)分析

不同處理間土壤氮、磷淋失量差異性比較采用單因素方差（One-way ANOVA）分析結(jié)合Fisher′s LSD檢驗(yàn)法（SPSS Version 20，IBM）。

2　結(jié)果與討論

2.1不同桑樹(shù)配置模式下土壤氮素的滲漏淋失

圖2　不同桑樹(shù)配置模式下土壤TN淋失量Figure 2 Leaching amount of TN in different crop-mulberry systems

由圖2可見(jiàn)，CT、T1、T2和T3在玉米季土壤TN的淋失量為10.19～11.37 kg·hm-2，均值為10.66 kg· hm-2。這與黃沈發(fā)等［5］研究的麥地氮素滲漏淋失量13.98 kg·hm-2相近，而高于易時(shí)來(lái)等［13］研究的小麥生長(zhǎng)期氮素淋失量4.81 kg·hm-2，可能與供試土壤類型、肥力特性和作物種類有關(guān)。在榨菜季土壤TN的淋失量為11.06～12.23 kg·hm-2，均值為11.76 kg·hm-（2圖2），高于易時(shí)來(lái)等［14］研究的油菜季TN淋失量3.35 kg·hm-2，低于黃沈發(fā)等［5］研究的菜地TN滲漏流失量34.05 kg·hm-2。這可能與作物種類、氮肥用量、降雨量、氣溫以及土壤性質(zhì)等有關(guān)，因?yàn)檫@些因素均會(huì)影響氮素在土壤中的遷移和滲漏淋失。

CT、T1、T2、T3四個(gè)處理中TN的年淋失量變化范圍為21.25～23.43 kg·hm-2，均值為22.42 kg·hm-2（圖2）。該淋失量低于袁玲等［6］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)坡耕地40 cm土層氮素淋失量的研究結(jié)果（46.01 kg·hm-2·a-1），可能與收集土壤滲漏液的深度有關(guān)。吳家森等［15］研究指出不同深度土壤滲漏液中TN濃度變化呈上高下低的趨勢(shì)。土壤滲漏液中TN淋失量與其濃度變化具有高度一致性［16］，故本研究結(jié)果（將淋溶至60 cm以下的氮素視為淋溶損失）低于袁玲等的研究結(jié)果。

圖3　不同桑樹(shù)配置模式下土壤-N淋失量Figure 3 Leaching amount of-N in different crop-mulberry systems

有研究結(jié)果顯示，植物籬能很好地改善土壤理化性質(zhì)，有效控制水土流失，對(duì)地表徑流產(chǎn)生一定的攔截效應(yīng)［24］。然而，本研究中，無(wú)論在玉米季還是在榨菜季，各個(gè)處理之間土壤TN、-N及-N的淋失量均無(wú)顯著差異（P＞0.05），說(shuō)明不同的桑樹(shù)配置模式對(duì)紫色土旱坡地土壤氮素滲漏淋失的影響效應(yīng)并不明顯。這可能與桑樹(shù)的種植年限有關(guān)，因?yàn)閷?duì)于2年生的幼桑來(lái)說(shuō)，其根系還不發(fā)達(dá)，對(duì)土壤氮磷滲漏流失的攔截效果還不明顯。

2.2不同桑樹(shù)配置模式下土壤磷素的滲漏淋失

圖4　不同桑樹(shù)配置模式下土壤-N淋失量Figure 4 Leaching amount of-N in different crop-mulberry systems

從不同作物種植季來(lái)看，各個(gè)處理中土壤TP淋失量均較?。▓D5）。不同處理下土壤TP的年淋失量在0.19～0.21 kg·hm-2之間變化，均值為0.20 kg·hm-2，該淋失量略低于李學(xué)平等［27］研究的紫色土稻田磷素淋失量0.262 kg·hm-2。顯著性分析結(jié)果表明，無(wú)論玉米季或榨菜季，不同處理之間土壤TP淋失量均無(wú)顯著差異（P＞0.05），說(shuō)明不同的桑樹(shù)配置模式對(duì)該流域農(nóng)田土壤磷素滲漏淋失的影響效應(yīng)并不明顯。土壤對(duì)于磷素的固定能力很強(qiáng)，有研究表明磷肥大多施用在耕作層，下層土壤含磷量很低，而且可以吸持和容納大量磷素，所以磷沿土壤剖面下滲的可能性不大［28-29］，即使60 cm以下土壤溶液中的磷全部淋溶出來(lái)，其淋溶量也很小。

圖5　不同桑樹(shù)配置模式下土壤TP滲漏淋失量Figure 5 Leaching amount of TP in different crop-mulberry systems

玉米季各處理土壤TN、TP淋失量的變異系數(shù)分別在4.90%～17.72%、30.01%～80.03%之間，榨菜季在19.77%～29.74%、31.62%～70.74%之間，說(shuō)明土壤TP淋失量的變異性大于TN淋失量的變異性。這一結(jié)果可能是由兩種原因產(chǎn)生的：其一、假設(shè)土壤氮磷的淋溶液只通過(guò)垂直滲漏的方式進(jìn)入收集裝置，那么施肥不均以及氮磷礦化量的不同可能導(dǎo)致不同采樣點(diǎn)之間氮磷的淋溶量有差異，而有機(jī)氮的礦化量與氮素淋溶量有密切關(guān)系［30］。紫色土坡耕地氮素礦化量變幅較?。?1］，可能導(dǎo)致土壤氮素淋失量的變異比較小。其二、變異系數(shù)是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。無(wú)論在玉米季還是在榨菜季，各處理土壤TN、TP淋失量的標(biāo)準(zhǔn)差均相差不大，但前者的平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，則可能導(dǎo)致TP淋失量的變異性大于TN淋失量的變異性。但是具體原因還需要做進(jìn)一步的研究。

本研究結(jié)果顯示，土壤TN的年淋失量為TP的101.2～123.3倍，說(shuō)明不同桑樹(shù)配置模式下紫色土旱坡地土壤養(yǎng)分滲漏淋失以氮素為主。因此，控制該流域農(nóng)業(yè)面源污染應(yīng)著重控制氮肥施用量。氮磷化肥配施有機(jī)肥可以提高氮肥利用效率，抑制硝化作用，進(jìn)而降低氮素淋失量。也可以將研究基地下坡的稻田作為一種緩沖帶攔截氮磷的滲漏流失，進(jìn)而減少三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)小流域氮磷的面源污染。

盡管目前國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤氮磷養(yǎng)分淋溶的研究較多，但大多采用滲漏計(jì)的方法，利用陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂吸附法鮮有報(bào)道，因此缺少大量可比較和借鑒的資料，研究范圍有限，故試驗(yàn)結(jié)果有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3　結(jié)論

（1）不同桑樹(shù)配置模式下紫色土旱坡地土壤總氮的年淋失量變化范圍為21.25～23.43 kg·hm-2，總磷的年淋失量變化范圍為0.19～0.21 kg·hm-2。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對(duì)總氮年淋失量的平均貢獻(xiàn)率分別為63.9% 和36.1%，硝態(tài)氮是土壤氮素滲漏淋失的主要形式。

（2）不同桑樹(shù)配置模式對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫色土旱坡地土壤氮磷滲漏淋失的影響效應(yīng)并不明顯，可能是因?yàn)樯?shù)種植年限較短，其根系還不發(fā)達(dá)所至。

（3）土壤總氮的年淋失量為總磷的101.2～123.3倍，不同桑樹(shù)配置模式下紫色土旱坡地的養(yǎng)分滲漏淋失以氮素為主。

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Leaching losses of nitrogen and phosphorus from arable hillslope purple soils under different mulberry-crop combinations in Three Gorges Reservoir Region

SHANG Er-feng1，SHI Shu1，LIN Xiao1，LUO Bai-lin1，WANG Fa1，MU Zhi-jian1，2，3*，NI Jiu-pai1，2，3，XIE De-ti1，2，3
（1.College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China；2.Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three-Gorges Reservoir Area，Chongqing 400716，China；3.Key Laboratory of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education，Chongqing 400715，China）

A field monitoring was carried out at the Wanjiagou catchment of Fuling District in the Three Gorges Reservoir Region，to quantify the vertical leaching losses of nitrogen（N）and phosphorus（P）from arable hillslope purple soils under different mulberry-crop systems by employing mixed ion exchangeable resin burying and adsorption method.The experiment consisted of four treatments，i.e.，contour cultivation，contour cultivation with mulberry trees planted on the upper，middle and lower slopes，contour cultivation with mulberry trees planted on the four sides of the slope，and contour cultivation with mulberry trees planted on the four sides of the slope and the middle slope.All experimental plots-2for the maize-croppingseason and from 11.06 to 12.23 kg·hm-2for the mustard-cropping season.The loss of TN was not significantly different among different treatments during the same cropping seasons or between different cropping seasons for the same treatments（P＞0.05）.The contribution of nitrate-N and ammonium-N to the annual TN loss averaged 63.9%and 36.1%，respectively，indicating that nitrate dominated in the N leaching loss.For the same treatments，the leaching loss of nitrate-N was greater during the mustard season than during the maize season，and vice versa for the loss of ammonium-N.The annual leaching loss of total P（TP）from soils ranged from 0.19～0.21 kg·hm-2，and no significant differences were found among different treatments（P＞0.05）.The poor development of mulberry-root systems associated with the short planting duration may fail in differentiating the retention capacity of N and P leaching loss among different treatments.

the same tillage and fertilization treatments and were subjected to a maize-mustard rotation system.Results showed that leaching rates of total N（TN）from soils under different treatments varied from 10.19 to 11.37 kg·hm

Three Georges Reservoir Region；upland soil；nitrogen；phosphorus；leaching loss

S157.2

A

1672-2043（2016）08-1559-06

10.11654/jaes.2016-0213

2016-02-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371275，41371301）；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題：三峽庫(kù)區(qū)及上游流域農(nóng)村面源污染控制技術(shù)與工程示范（2012ZX07104-003）

尚二鳳（1991—），女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境保護(hù)研究。E-mail：1197331078@qq.com

木志堅(jiān)E-mail：muzj@swu.edu.cn