滇中高原不同土地利用類型土壤水氮變化試驗研究

楊翠萍，脫云飛*，沈方圓 ，馬繼敏，吳耀中

滇中高原不同土地利用類型土壤水氮變化試驗研究

楊翠萍1，脫云飛1*，沈方圓1，馬繼敏1，吳耀中2

（1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院，昆明 650224；2.云南省昆明市晉寧區(qū)水務(wù)局，昆明 650607）

【】研究不同土地利用類型土壤水氮變化特征及其相關(guān)性，為滇中高原農(nóng)田紅壤土水肥流失和治理提供科學(xué)依據(jù)。通過2018年6—10月自然降水條件下標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的試驗數(shù)據(jù)分析，對林地、園地、荒草地、坡耕地和裸地土壤水氮各指標(biāo)進(jìn)行測定，并分析其相關(guān)性，其中裸地作為對照。在土壤深度方向上，土壤含水率隨土層深度的增加而增大；5種地類土壤全氮的量均值分別為1.67、0.76、0.70、0.52和0.67 g/kg。土壤硝態(tài)氮在0～100 cm土層平均量最高園地為13.39 mg/kg，最低裸地為5.13 mg/kg；林地、坡耕地、荒草地土壤銨態(tài)氮量隨土壤深度先減少后增加。在時間上，土壤含水率呈波動性變化；土壤全氮量在6—10月平均值最大為園地（0.92 g/kg），最小為坡耕地（0.50 g/kg）；林地、荒草地、坡耕地土壤硝態(tài)氮量隨時間延長逐漸減小；園地和裸地土壤銨態(tài)氮量隨時間延長減少。土壤含水率和土壤銨態(tài)氮量與土層深度呈極顯著相關(guān)關(guān)系（<0.01），土壤硝態(tài)氮和土壤銨態(tài)氮與時間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.440，=0.028和-0.442，=0.027，變化呈顯著相關(guān)關(guān)系。滇中高原農(nóng)田紅壤土壤水分垂直運移規(guī)律為隨土壤深度增加而增大，不同土地利用類型土壤氮素時空差異較大，土壤全氮的量與土壤深度和時間相關(guān)性不顯著（>0.05）。

土地利用類型；土壤氮素；土壤含水率；滇中高原

0 引言

氮素是植物生長的必需元素，在實施水肥管理和氮素遷移研究中都需明確氮素空間分布及其變化特征，其遷移量和含量直接制約著土壤生產(chǎn)力，自然狀態(tài)下土壤養(yǎng)分量完全取決于物質(zhì)基礎(chǔ)及環(huán)境條件[1-2]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組分，土壤與生物生存和發(fā)展密切相關(guān)，其C、N、P元素是生物體體內(nèi)元素本質(zhì)組分與主要來源，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)及多元素平衡過程中發(fā)揮著重要作用[3-4]。土壤含水率的高低影響著植物根系生長[5-6]及其對土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化[7-8]。土地利用方式對土壤養(yǎng)分量存在顯著影響，是人類利用土地的綜合性反映，直接影響土壤氮磷元素[9]。國內(nèi)外學(xué)者在土壤水氮運移及其模型做了大量研究。土壤水分特征曲線、土壤水分?jǐn)U散率、飽和導(dǎo)水率等土壤水力學(xué)參數(shù)是模擬水分和溶質(zhì)在土壤中運移的必要參數(shù)[10]。Joseph等[11]發(fā)現(xiàn)在同樣地類和氣候條件下，種植模式不同會產(chǎn)生水肥輸入差異，導(dǎo)致土壤氮素遷移、轉(zhuǎn)化和吸收利用產(chǎn)生變化，從而使得土壤氮素淋失特征不同。Brady等[12-13]研究表明不同耕地類型對土壤養(yǎng)分的流動與轉(zhuǎn)化，可以通過改變土壤水熱條件實現(xiàn)，合理利用耕地資源可以提高土壤質(zhì)量。呂麗華等[14]研究了不同水肥水平下華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的水氮配合措施。劉海濤等[15]利用系統(tǒng)模型方法模擬了華北平原地區(qū)不同土壤剖面水氮過程和作物動態(tài)。吳德勇等[16]對德陽旌陽區(qū)土壤氮素空間變異特征進(jìn)行分析，研究表明土壤全氮空間變異主要受母質(zhì)、地形等綜合影響因素，而人為活動是堿解氮空間變異的主控因素。訾偉等[17]對貴州中部典型喀斯特高原地貌類型的陳家寨小流域土壤養(yǎng)分空間變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同土地利用方式下養(yǎng)分量有很大差異。目前，國內(nèi)外針對農(nóng)田土壤水分和土壤氮素運移轉(zhuǎn)化已有大量研究，但滇中高原紅壤區(qū)土壤水氮隨土層深度和時間變化的研究尚少，本研究通過分析滇中高原大春河小流域不同土地利用類型土壤水氮隨土壤深度和時間的變化，揭示滇中紅壤土壤含水率、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮隨土壤深度和時間變化情況，以防治土壤水分和養(yǎng)分流失，提高土地利用率和土地生產(chǎn)力，同時為制定相關(guān)的水土保持措施提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗在晉寧縣大春河小流域水土保持生態(tài)科技示范園生態(tài)試驗區(qū)內(nèi)進(jìn)行。大春河小流域位于云南省晉寧縣城西南寶峰鎮(zhèn)境內(nèi)，位于東經(jīng)102°33′—102°38′，北緯24°33′—24°37′。屬于低緯度高原亞熱帶氣候區(qū)，年均氣溫14.9 ℃，年均降水量950 mm，干濕季分明[18]。流域內(nèi)土壤主要類型有紅壤、紫色土、沖積土、巖土和水稻土5大類。大春河流域是長江中上游地區(qū)水土流失嚴(yán)重區(qū)域，是云南高原紅土區(qū)水土流失的重要代表類型，云南省將其列為水土流失治理重點示范區(qū)。

1.2 土壤樣品采集

試驗共布設(shè)了10個徑流小區(qū)，其中，每2個徑流小區(qū)為相同土地利用類型，共有林地（柏樹）、園地（梨樹）、裸地、坡耕地（玉米和土豆）和荒草地5種土地利用類型，其中裸地作為對照。為了分析土壤水氮分布特征，分別在徑流小區(qū)的坡上部、中部和下部0～100 cm土層的測定土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝態(tài)氮量和土壤銨態(tài)氮量，按分層取樣法（20、40、60、80、100 cm）取樣，采樣時間為2018年6―10月，每個樣點重復(fù)取3個樣，3個重復(fù)取樣之間水平距離5 m。所取土樣帶回實驗室后一部分用烘干法測定土壤含水率，另一部分將鮮土樣在室內(nèi)鋪在牛皮紙上，自然風(fēng)干后去除石塊、根莖及各種新生體和侵入體、研磨，過0.25 mm和1.00 mm篩后測定土壤全氮量、土壤硝態(tài)氮量和土壤銨態(tài)氮量。

1.3 土壤樣品測定及數(shù)據(jù)分析

土壤全氮量采用凱式蒸餾法測定；土壤含水率采用烘干法測定土壤含水率；土壤NO3-_N和土壤NH4+-N量采用可見分光光度計法測定；采用Excel 2016、SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤水氮垂直變化

圖1、圖2、圖3和圖4分別表示不同土地利用類型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝態(tài)氮量和土壤銨態(tài)氮量隨土層深度的變化。

由圖1可知，園地、荒草地、裸地和坡耕地的土壤含水率變化特征是一致的，均為隨土壤深度的增加而增大；林地土壤含水率隨土壤深度的增加而減小。林地、園地、荒草地、坡耕地和裸地的平均土壤含水率分別為21.42%、23.74%、20.00%、19.10%和18.26%，裸地的平均土壤含水率最低為18.26%，園地最高為23.74%。其原因為園地內(nèi)種植樹木，林冠幅大，枯枝落葉層比較厚，并且樹木的根系發(fā)達(dá)，能夠截留降水并促進(jìn)入滲，還能有效地減少陽光直接照射，從而減少土壤水分的蒸發(fā)，使得土壤含水率較高；裸地的冠幅較小，枯枝落葉層薄，且植被根系不發(fā)達(dá)，水分蒸發(fā)量大。由于樹木發(fā)達(dá)的根系對土壤水分強烈的吸收作用，使得林地在土層深度達(dá)到60 cm以后，土壤含水率減少。

圖1 不同土地利用類型土壤含水率隨土層深度的變化

圖2 不同土地利用類型土壤全氮隨土層深度的變化

由圖2可知，園地、荒草地和裸地的土壤全氮的量隨土層深度先增加后減少，林地為逐漸減少。在林地、園地、荒草地、坡耕地、裸地0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土壤全氮的量分別為1.12、0.66、0.49、0.51、0.53 g/kg；1.07、0.83、0.77、0.48、0.70 g/kg；1.02、0.99、1.04、0.44、0.86 g/kg；0.81、0.85、0.84、0.51、0.79 g/kg；0.60、0.70、0.64、0.58、0.71 g/kg。土壤全氮量的變化受到氮素輸入和輸出量影響，植物枯枝落葉歸還、生物固氮以及水的輸入是氮素的主要來源，因此林地和園地的土壤氮量較高；而土壤的分解和侵蝕，使得氮素被植物吸收利用，還有一部分NH+3離子經(jīng)過硝化、反硝化作用或者揮發(fā)到大氣中，導(dǎo)致土壤全氮量減少。

圖3 不同土地利用類型土壤硝態(tài)氮隨土層深度的變化

圖4 不同土地利用類型土壤銨態(tài)氮隨土層深度的變化

由圖3可知，林地、荒草地、坡耕地土壤硝態(tài)氮量隨土層增加而減小，裸地呈先增加后減小，園地為逐漸增大。其中，園地的平均土壤NO3-_N量最高，為13.39 mg/kg；裸地的平均土壤NO3-_N量最低，為5.13 mg/kg。其原因可能是土壤NO3-_N與土壤膠體都是帶負(fù)電荷，NO3-_N在土壤中隨水分向下運移的過程中受到土壤膠體的作用，土壤對NO3-_N的吸附力減弱，使得土壤NO3-_N量隨土層增加而減少，裸地地表無植被覆蓋，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，土壤NO3-_N變化顯著。

由圖4可知，不同土地利用類型下土壤NH4+-N量隨土層深度的變化為林地、坡耕地和荒草地均呈先減少后增加，裸地和園地則逐漸減少。林地、園地、荒草地、坡耕地、裸地的土壤NH4+-N平均量分別為5.80、10.25、8.74、8.48、7.22 mg/kg。土壤NH4+-N的量高說明了有機氮的分解作用比較明顯，而有植物群落生長的土壤環(huán)境NH4+-N量較低，林地的土壤銨態(tài)氮量最低，主要原因與樹木發(fā)達(dá)的根系對土壤NH4+-N的吸收和轉(zhuǎn)化作用有關(guān)。

2.2 不同土地利用類型土壤水氮隨時間的變化

圖5、圖6、圖7和圖8分別表示不同土地利用類型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝態(tài)氮量和土壤銨態(tài)氮量隨時間的變化。

圖5 不同土地利用類型土壤含水率隨時間的變化

圖6 不同土地利用類型土壤全氮隨時間的變化

圖7 不同土地利用類型土壤硝態(tài)氮隨時間的變化

由圖5可知，林地、園地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率的變化趨勢基本相同，具有相關(guān)規(guī)律性且均呈余弦波動變化。9月林地、園地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率達(dá)到峰值，分別為29.56%、26.16%、26.60%、29.08%、27.14%。8月的5種土地利用類型土壤含水率最小，分別為 18.60%、19.31%、18.81%、17.86%、18.18%。其原因為受氣候的影響，8月為夏季，氣溫高，太陽輻射強烈，使得土壤水分的蒸發(fā)強烈，并且這一時期降水較少，土壤含水率低，進(jìn)入9月，降雨量明顯增加，林地、園地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率均達(dá)到峰值。由于裸地表層無植被覆蓋，土壤裸露，水土流失嚴(yán)重，水分蒸發(fā)快，土壤含水率變化顯著。

表1 不同土地利用類型土壤水氮與土壤深度和時間相關(guān)性

注 **表示在0.01級別（雙尾），相關(guān)性顯著；*表示在0.05級別（雙尾），相關(guān)性顯著。

Note **. At level 0.01 (double-tailed), the correlation was significant; *. At the level of 0.05 (two-tailed), the correlation was significant.

由圖6可知，林地、坡耕地和裸地的土壤全氮量先增加后降低，在8月達(dá)到峰值分別為1.02、0.44、0.86 g/kg，8月以后逐漸降低；坡耕地和園地土壤全氮的量則隨季節(jié)增加。林地、園地、荒草度、坡耕地和裸地月均土壤全氮量分別為0.92、0.81、0.76、0.50、0.72 g/kg，坡耕地最低，林地最高。土壤全氮量變化主要為作物吸收、地表徑流、土壤侵蝕和淋溶作用。受降雨條件的影響，進(jìn)入8月以后降水增多，土壤氮素流失量也增加，土壤全氮量下降。

圖8 不同土地利用類型土壤銨態(tài)氮隨時間的變化

由圖7可知，林地、荒草地、坡耕地的土壤NO-3_N量隨時間逐漸減少，園地則逐漸增大，裸地則先增大后減小。6—10月園地的月均土壤NO-3_N量最高為13.65 mg/kg；裸地最小為6.96 mg/kg。園地種植果樹，具有一定的固氮作用，對土壤NO-3_N的吸收較少，且能有效遮擋陽光直射和降水對地面的沖刷，保持水土，使得NO-3_N量隨季節(jié)變化不明顯。坡耕地和荒草地植被對于土壤養(yǎng)分的保持作用很小，進(jìn)入雨季后，雨水沖刷地表，土壤NO-3_N量減少。

由圖8可知，荒草地、坡耕地和林地土壤NH4+-N量變化均為先減少后增加；園地和裸地土壤NH4+-N量隨季節(jié)減少。其原因可為由于季節(jié)變化，氣溫升高，土壤溫度也上升，促進(jìn)NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3-_N，土壤NH4+-N量有所降低，而且樹木在6—8月吸收NH4+-N較強，也是導(dǎo)致NH4+-N量較低的原因之一。

2.3 不同土地利用類型土壤水氮與土壤深度和時間相關(guān)性分析

表1為不同土地利用類型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝態(tài)氮量和土壤銨態(tài)氮量與土壤深度和時間的相關(guān)性。由表1可知，土壤含水率、全氮量、硝態(tài)氮量和銨態(tài)氮量與土層深度相關(guān)系數(shù)分別為0.622、0.079、-0.164、-0.546，其中土壤含水率和土壤銨態(tài)氮量與土層深度呈極顯著相關(guān)關(guān)系，而土壤全氮的量、土壤NO-3_N量與土層深度的相關(guān)性不明顯（>0.05）。土壤NO-3_N（相關(guān)系數(shù)為-0.440，=0.028）、土壤NH4+-N（相關(guān)系數(shù)為-0.442，=0.027）與時間變化呈顯著相關(guān)性。土壤全氮的量與土層深度和時間的相關(guān)性不顯著（>0.05），土壤含水率與土壤全氮量、土壤NO-3_N量和土壤NH4+-N量的相關(guān)性不顯著（>0.05），全氮與土壤硝態(tài)氮、土壤銨態(tài)氮量的相關(guān)性不顯著（>0.05），土壤NO-3_N和土壤NH4+-N呈極顯著相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.578，=0.001）。

3 討論

不同土地利用方式影響土壤養(yǎng)分和土壤含水率的分布，將自然土壤開墾為耕作土壤會導(dǎo)致有機碳的降低，從而降低土壤養(yǎng)分的庫容[19]。郭旭東等[20]研究表明引起土壤養(yǎng)分及有效性變異的主要因素是土地利用的變化。土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要指標(biāo)，本研究表明對于不同土地利用方式下，土壤含水率隨土層深度增加逐漸增大，樹木發(fā)達(dá)的根系可以吸收土壤中的水分，因此，當(dāng)土層深度大于60 cm，土壤含水率開始降低，并且土壤含水率隨時間呈波動性變化，這與黃鵬等[21]關(guān)于黃土丘陵區(qū)不同地類土壤含水率空間和時間變化的研究結(jié)果一致。本研究表明在土層深度為60 cm時，林地、園地和裸地土壤全氮量達(dá)到最大值，之后則逐漸遞減。土壤全氮量隨時間的變化是在8月份出現(xiàn)最大值，但是坡耕地的變化卻與之相反，其原因是坡耕地受人為因素影響大，而且作物生長吸收利用土壤氮素。張亞娟等[22]關(guān)于不同土地利用類型土壤養(yǎng)分垂直分布的研究表明土壤養(yǎng)分具有表聚性，本研究中土壤NO-3-N、土壤NH4+-N量均表現(xiàn)出該特性。林地、園地、裸地、坡耕地和荒草地表層土壤（0～20 cm）土壤全氮量分別為1.12、0.66、0.53、0.51、0.49 g/kg，這是受植被的蓋度、郁閉度等因素的影響。土壤養(yǎng)分主要來自地表枯枝落葉層的分解，其垂直分布特征取決于有機質(zhì)和腐殖質(zhì)淋溶、遷移和淀積過程。隨著土層深度的增加，土壤枯枝落葉和動植物殘體減少，而深層土壤性質(zhì)更接近于母質(zhì)，土壤養(yǎng)分量減少，而表層土壤結(jié)構(gòu)疏松、通氣性和微生物活動強烈，有機質(zhì)分解快[23-24]。土地利用類型的不同決定了土壤養(yǎng)分具有高度的空間變異性，本文研究表明不同土地利用類型對土壤水氮具有較大影響，這有利于不同土地利用類型采取不同施肥技術(shù)，保持和提高土壤肥力，促進(jìn)土壤養(yǎng)分恢復(fù)和利用。

4 結(jié)論

1）土壤含水率隨土層增加逐漸增大。園地和林地平均土壤含水率較高分別為23.74%和21.42%。園地、荒草地和裸地土壤全氮量隨土壤深度先增大后減小，林地的平均土壤全氮量最大為1.67 g/kg，坡耕地最低，為0.52 g/kg。林地、荒草地、坡耕地土壤NO-3-N量逐漸減少。林地、坡耕地和荒草地土壤銨態(tài)氮量隨土壤深度均呈先減少后增加，裸地和園地則逐漸減少。林地、園地、荒草地、坡耕地、裸地的土壤NH4+-N平均量分別為5.80、10.25、8.74、8.48、7.22 mg/kg。

2）在時間上，5種土地利用類型的土壤含水率的變化趨勢基本一致，呈波動性變化。林地、坡耕地和裸地土壤全氮量隨時間延長先增加后降低，坡耕地和園地隨時間延長而增加，林地的平均土壤全氮量最大，為0.92 g/kg，坡耕地最小，為0.50 g/kg。林地、荒草地、坡耕地土壤硝態(tài)氮量隨時間延長逐漸減小，園地反之?；牟莸亍⑵赂睾土值氐耐寥繬H4+-N量變化隨時間延長先減少后增加，園地和裸地的則逐漸減少。

3）土壤含水率和土壤NH4+-N量與土層深度呈極顯著相關(guān)性（<0.01），而土壤全氮量、土壤NO-3-N量與土層深度的相關(guān)性不明顯（>0.05）。土壤NO-3-N（相關(guān)系數(shù)為-0.440，=0.028）、土壤NH4+-N（相關(guān)系數(shù)為-0.442，=0.027）與時間變化呈顯著相關(guān)性。土壤含水率與土壤全氮、土壤NO-3-N和土壤NH4+-N量的相關(guān)性不顯著（>0.05），全氮與土壤硝態(tài)氮、土壤銨態(tài)氮量的相關(guān)性不顯著（>0.05），土壤NO-3-N和土壤NH4+-N呈極顯著相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.578，=0.001）。

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Experimental Study on Water and Nitrogen Dynamics in Soil Under Different Land Usages in Central Yunnan Plateau

YANG Cuiping1, TUO Yunfei1*,SHEN Fangyuan1, MA Jimin1, WU Yaozhong2

(1. Ecology and Environment Department in Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Water Resources Bureau, Jinning District, Kunming 650607, China)

【】Water and nitrogen dynamics in soil was modulated by land use and cropping, and this paper aims to investigate the change and correlation of soil water and nitrogen under different land use in attempts to provide guidance for water and fertilizer management in red loam farmland in central Yunnan plateau.【】The experiment was conducted in plots with contrasting land use under natural precipitation from June to October in 2018. The land use we studied included forest, garden, barren grass, slopes, with bare soil serving as the control. In each plot, we measured the water and nitrogen in the soil.【】In all treatments, water content increased with soil depth, and the mean total soil nitrogen under forest, garden, barren grass, slopes and bare soil was 1.67, 0.76, 0.70, 0.52 and 0.67 g/kg, respectively. Garden had the highest Nitrate content, being 13.39mg/kg in the 0~100 cm soil. Bare soil stored least nitrogen at 5.13 mg/kg. Ammonium content decreased first and then increased along the soil depth in both the forest and slope. The highest average total nitrogen from June to October was 0.92 g/kg, found in garden, and the lowest was 0.50 g/kg, found in the slope. Nitrate in forest, grass and slope, as well as ammonium in garden and bare soils, have all been declining with time. Both soil moisture and ammonium were correlated with soil depth at significant level (<0.01), and nitrate and ammonium were correlated with time with their correlation coefficient being -0.440 and -0.442, andbeing 0.028 and 0.027, respectively.【】Soil moisture in red load farmland in central Yunnan plateau increased with soil depth. The spatiotemporal difference in soil nitrogen between different land use was significant. Soil total nitrogen content was not correlated to soil depth and time at significant level (>0.05).

types of land usage; soil nitrogen; soil water content; central Yunnan plateau

S157.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190126

1672 - 3317（2020）01 - 0077 - 07

2019-03-20

國家自然科學(xué)基金項目（51279157）；云南省教育廳科學(xué)研究基金項目（2015Y295）；云南省高校優(yōu)勢特色重點學(xué)科（生態(tài)學(xué)）建設(shè)項目資助；云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室資助

楊翠萍（1995-），女。碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與控制方面的研究。E-mail：17853482159@163.com

脫云飛（1976-），男。副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃和利用方面的研究。E-mail：tyunfei@163.com

楊翠萍, 脫云飛, 沈方圓, 等. 滇中高原不同土地利用類型土壤水氮變化試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報, 2020, 39(1):77-83.

YANG Cuiping, TUO Yunfei, SHEN Fangyuan, et al. Experimental study on water and nitrogen dynamics in soil under different land usages in central yunnan plateau [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 77-83.

責(zé)任編輯：趙宇龍