褐土區(qū)氮磷在土壤發(fā)生層中淋溶的差異性*

馬琳杰，霍曉蘭，靳東升，劉 平，霍 晨，惠 薇，李麗君**

(1.山西大學生物工程學院 太原 030006； 2.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院/山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點實驗室 太原030031)

近年來，在我國農(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，污染面積日益擴大[1]。全國地下水污染調(diào)查結(jié)果表明： 我國超過90%的地下水受到一定程度污染，約60%地下水污染嚴重[2]。氮磷污染則是我國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)藥的過量及不當使用是造成地下水污染的主要原因之一[4]。袁麗金等[5]對河北省定州市設施菜地養(yǎng)分累積對地下水污染研究指出，設施栽培區(qū)20 m 表層地下水受硝態(tài)氮污染嚴重，超標率和嚴重超標率分別為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，當土壤中的氮磷積累到一定程度時，則會通過淋溶、徑流的方式隨降雨、灌溉進入周邊環(huán)境，造成養(yǎng)分流失，帶來嚴重的環(huán)境問題[6]。目前盡管有大量研究報道了地下水中氮磷含量的變化，但針對包氣帶不同土層的氮磷淋溶研究鮮見報道。

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。耕層和淋溶層有機質(zhì)積累多，顏色深暗，植物根系和微生物也最集中，多具團粒結(jié)構(gòu)，土質(zhì)疏松； 鈣積層多為粉砂質(zhì)黏土或黏壤土，具有極強發(fā)育的屑粒狀和次棱塊狀結(jié)構(gòu)，干時硬、濕時堅實，結(jié)構(gòu)體面上具有<100 mm 的白色碳酸鈣質(zhì)結(jié)核，有極強的石灰反應； 黏化層為粉砂質(zhì)黏土，具有極強發(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，無石灰反應； 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)運移呈現(xiàn)顯著差異。不同質(zhì)地的土壤中水分的運移速率不同，是因為不同的土壤質(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重。同延安等[10]對陜西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。細質(zhì)地土壤的中小孔隙發(fā)達，相同含水率條件下土壤吸力更大； 而粗質(zhì)地土壤較細質(zhì)地土壤水分和硝態(tài)氮運移深度明顯較大，易造成水氮淋失[11]。沈仁芳等[12]對黃淮海地區(qū)潮土石灰性土壤的磷吸附試驗表明，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、碳酸鈣和陽離子交換量等因素外，有機質(zhì)含量也是影響土壤氮磷淋溶的主要因素。隨著有機質(zhì)的增加，土壤固銨量會降低[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，對于阻控氮磷淋失和保護地下水安全有重要意義。

褐土區(qū)是我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，在山西省分布的面積最大，歷史最久。本試驗以山西省典型褐土為研究對象，利用土柱模擬試驗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系，辨識不同土層影響氮磷遷移轉(zhuǎn)化的主導因素，以期建立科學的水、肥調(diào)控技術體系，為阻控氮磷淋溶提供科學參考，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。采樣點位于晉東南黃土丘陵塬上，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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 試驗裝置

試驗利用自制簡易淋溶裝置。淋溶土柱采用直徑為20 cm 的PVC 管，管體長80 cm，下端接底蓋(均勻分布有15 個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，按實地測得容重換算，土壤稱重后裝入模擬土柱，土壤高度為30 cm，并壓實土壤，避免管壁效應。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 試驗設計

試驗采用間歇淋溶法，試驗用水為蒸餾水。試驗設5 個處理： 1)耕層； 2)鈣積層； 3)黏化層； 4)淋溶層； 5)母質(zhì)層。每個處理設3 個重復。將過5 mm 篩的各層土壤分別填充進相應土柱后，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，測量淋溶液體積，并進行各項指標的測定。在施肥后的第11 d (2020年5月19日)進行第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 測定方法

試驗采用《農(nóng)田面源污染監(jiān)測方法與實踐》中水樣分析測試方法?？扇苄钥偟?TDN)、硝態(tài)氮(-N )、銨態(tài)氮(-N )采用連續(xù)流動注射儀法；可溶性總磷(TDP)采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法；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比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用Microsoft Excel 2007 對所測試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，采用SPSS 20 軟件的單因素方差分析(ANOVA)檢驗氮磷淋溶指標在不同發(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，進行5 次淋溶試驗，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遠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低于氮素，但也存在淋失風險。

表3 間歇淋溶試驗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)氮淋溶量變化趨勢也有較大差異。耕層、鈣積層和淋溶層變化趨勢一致，初次淋溶時銨態(tài)氮淋溶量相對較高，第2 次淋溶時有所降低，在第3 次淋溶時出現(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)氮淋溶量則隨試驗繼續(xù)進行逐漸增加。在第1、2 次淋溶時，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，鈣積層、黏化層、母質(zhì)層則出現(xiàn)先降低后升高趨勢。在第1、2 次淋溶時，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 次淋溶時差異顯著，而在第2 次淋溶時差異不顯著。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)氮淋溶量無顯著性差異。由此可知，在試驗初期，耕層和淋溶層硝態(tài)氮淋溶量顯著較高，隨著淋溶試驗的進行，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、無機銨鹽和溶解態(tài)有機氮。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，鈣積層則出現(xiàn)與其相反的趨勢，淋溶量先降低后升高。在第1次淋溶時，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顯著差異。因此，在試驗初期，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，而隨著試驗持續(xù)進行，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。在第1 次淋溶時，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顯著差異。因此，在試驗初期，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 次淋溶時可溶性總磷淋溶量達最大，不同之處在于耕層、鈣積層和淋溶層在第3 次淋溶時降至最低，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。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，之后隨試驗的繼續(xù)進行，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 個發(fā)生層； 銨態(tài)氮淋溶量在5 個發(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)磷又包括無機態(tài)正磷酸鹽和部分有機態(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系

除碳酸鈣與各形態(tài)氮磷元素無明顯相關性外，陽離子交換量、黏粒和有機質(zhì)含量均與各形態(tài)氮磷的淋溶量存在一定的相關性。陽離子交換量與銨態(tài)氮淋溶量在第2～5 次淋溶時呈顯著負相關關系，在第5 次淋溶時與硝態(tài)氮淋溶量呈極顯著負相關關系，而在第4、5 次淋溶時與可溶性總氮淋溶量呈顯著負相關關系。黏粒含量與硝態(tài)氮在第1、2 次淋溶時呈現(xiàn)顯著負相關關系，與正磷酸鹽在第2、5 次淋溶時呈顯著負相關關系，與可溶性總磷在第2、4、5 次淋溶時呈顯著負相關關系。有機質(zhì)在第1、2 次淋溶時與硝態(tài)氮呈極顯著正相關關系，在第2 次淋溶時與正磷酸鹽呈顯著正相關關系，與可溶性總磷呈極顯著正相關關系(表5)。由此可說明，土壤中陽離子交換量、黏粒和有機質(zhì)含量對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，對防止養(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，氮淋溶也受土壤基礎養(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。

在進行第1 次淋溶試驗時，由于加入肥料量大且時間較長，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)氮帶負電荷，不易被同樣帶負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]，所以在初次進行淋溶試驗時，5 個發(fā)生層土壤會有大量硝態(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、有機質(zhì)和氮素含量等影響[20]。耕層和淋溶層的有機質(zhì)含量高達30.60 g·kg?1和25.77 g·kg?1，有機質(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形成各種不同粒徑的團聚體，有利于銨態(tài)氮的吸附[22]。通過相關性分析，在第1、2 次淋溶試驗中，有機質(zhì)與硝態(tài)氮淋溶量呈極顯著正相關關系，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，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，抑制硝化作用的進行，并且土壤的硝化率與黏粒含量呈顯著負相關[23]。黏粒含量越高其土壤質(zhì)地越黏重，土壤孔隙越細小，不動水體含量越高，優(yōu)勢流不明顯，其溶質(zhì)的運移速度較慢。硝態(tài)氮在田間不易被土壤吸附，且主要隨優(yōu)勢流運動[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，持水性高但導水能力低，所以在前3 次淋溶時硝態(tài)氮淋溶量較耕層和淋溶層明顯較低。隨著試驗淋溶次數(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)層土壤的陽離子交換量較低，土壤膠體對銨態(tài)氮的吸附易達到飽和，銨態(tài)氮會解吸至土壤溶液里，在每次淋溶時隨水向下發(fā)生淋失[25]。這與本試驗結(jié)果相一致，通過相關性分析，黏粒含量與銨態(tài)氮淋溶量呈顯著相關關系，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銨態(tài)氮的吸附還未達到飽和，土壤溶液中的銨態(tài)氮與膠體存在動態(tài)解吸過程，所以此3 種發(fā)生層在第3 次淋溶達到解吸平衡后，銨態(tài)氮淋溶量達到最大。5 個發(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 不同淋溶試驗土壤氮磷淋溶量與土壤性狀的相關性Table 5 Correlation between nitrogen and phosphorus leaching and soil properties of different leaching test

對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)氮含量遠大于銨態(tài)氮含量，這與夏天翔等[27]對撫仙湖北岸有機與常規(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)氮帶負電荷，易被土壤膠體所吸附，從而導致硝態(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； 由于不同性質(zhì)的土壤對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出現(xiàn)差異[29]。土壤對磷素的吸附性強，一般磷素較氮素不易發(fā)生淋失，只有當土壤有效磷含量超過某一臨界值后，磷才會隨水遷移出土壤，因此本試驗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，但隨著試驗時間的延長其差異逐漸減小。通過相關性分析可知，正磷酸鹽淋溶量與黏粒含量呈顯著負相關關系，而與有機質(zhì)含量呈顯著正相關關系，耕層有機質(zhì)和有效磷含量高，在試驗初期占據(jù)了磷的吸附位點，導致土壤對磷的固持能力下降，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，隨著試驗的進行，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。通過相關性分析可知，可溶性總磷淋溶量與黏粒含量呈顯著負相關關系，而與有機質(zhì)含量呈顯著正相關關系。耕層和淋溶層土壤以砂粒為主，有機質(zhì)含量和陽離子交換量較大，導致土壤對磷的吸附固定降低[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[33]，因此該發(fā)生層土壤對磷吸附能力強，其淋溶液中可溶性總磷淋溶量少。

就本試驗各發(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機態(tài)正磷酸鹽為主，所占比例達可溶性總磷的75.9%。Heckrath 等[34]從總磷、顆粒態(tài)磷和總?cè)芙鈶B(tài)磷(又分為反應性無機磷和溶解性有機磷)等形態(tài)對土壤剖面65 cm 下排出水研究發(fā)現(xiàn)，長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為： 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，反應性無機磷占絕大多數(shù)，約為總磷含量的66%～86%。楊學云等[35]用原狀土柱模擬灌溉進行 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性無機磷居多，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?？扇苄钥偟苋芰康拇笮椋?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，隨著試驗的進行，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)化與土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、黏粒含量密切相關，有機質(zhì)含量與氮磷淋溶量呈顯著正相關關系，而陽離子交換量和黏粒含量則與氮磷淋溶量呈負相關關系。

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