季節(jié)性干濕氣候?qū)Σ鑸@坡面土壤硝態(tài)氮淋失的影響

柳菲 ，賴曉明，朱青* ，廖凱華

（1. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(guò)度的肥料施用使得土壤中大量營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)地表徑流和淋洗等途徑進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤質(zhì)量退化、地下水污染等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。硝態(tài)氮（NO3--N）淋失作為面源氮素流失的重要形式，是導(dǎo)致地表、地下水體硝酸鹽濃度升高的主要原因[3]。由于NO3--N淋失對(duì)地下水和人類(lèi)健康的影響，近年來(lái)NO3--N淋失成為土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)[4-5]。

由于硝酸根離子不易被土壤膠體吸附，極易溶于水，因此NO3--N的遷移與土壤水分運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[6]。影響NO3--N淋失的主要因素有氣象、地形、土壤性質(zhì)、土壤水文和土地管理措施等，其中尤以氣象因素為關(guān)注要點(diǎn)[7-8]。在全球變暖背景下，以降雨和氣溫異常為特征的極端天氣發(fā)生頻率和強(qiáng)度不斷增加，極端濕潤(rùn)或干旱等氣候變化驅(qū)動(dòng)著水文要素的變化，對(duì)NO3--N的淋失產(chǎn)生重大影響，因此關(guān)于極端氣候背景下氮素流失的研究也逐漸成為熱點(diǎn)[9]。例如，在美國(guó)愛(ài)荷華州的玉米—大豆輪作制度下，極端天氣年份的序列（如濕—干和干—濕）與正常的2年氣候序列情景相比，對(duì)NO3--N累積淋失通量的影響范圍為-93%～290%[10]；美國(guó)中西部河流經(jīng)歷2012年干旱之后，2013年硝酸鹽濃度顯著升高[11]。我國(guó)華北平原濕潤(rùn)年極端降水發(fā)生后天然植被和耕地中土壤NO3--N的累積量分別減少84%和43%[12]。然而，之前的研究大多集中于不同降水年型（如干旱年或濕潤(rùn)年）的淋失狀況，卻較少關(guān)注季節(jié)性干旱或濕潤(rùn)條件下NO3--N淋失的過(guò)程與機(jī)制。

太湖流域是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化發(fā)展程度最高的地區(qū)之一。近年來(lái)，該流域丘陵山區(qū)大面積的林地被開(kāi)發(fā)成經(jīng)濟(jì)用地（如茶園、果園等）[13]，土地利用的變化會(huì)改變下墊面的土壤孔隙結(jié)構(gòu)和土壤水文過(guò)程[14]，同時(shí)也加劇了氮肥施用和氮素的流失風(fēng)險(xiǎn)[15]。因此，本文基于近年來(lái)季節(jié)性干旱和暴雨的氣候背景[16-17]，選取太湖流域典型覆被類(lèi)型—茶園，采用DNDC模型（Denitrification-Decomposition model）模擬季節(jié)性干旱或濕潤(rùn)對(duì)NO3--N淋失的影響。研究對(duì)于預(yù)測(cè)氣候變化背景下丘陵山區(qū)面源NO3--N淋失及其對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響等方面具有一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取太湖流域丘陵山區(qū)典型茶園坡地（31°21′ N，119°03′ E），面積大小為0.4 hm2，坡度范圍為5%～20%，海拔變化范圍為80～88 m（圖1）。研究區(qū)屬于北亞熱帶和中亞熱帶過(guò)渡季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為15.9 ℃，年平均降水量為1 157 mm，年平均蒸散量約為880 mm，降雨夏季最多，然后是春季、秋季和冬季。研究區(qū)土壤類(lèi)型為薄層石質(zhì)土，質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土層厚度小于0.6 m，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤呈偏酸性（pH=6.47），土壤礫石含量多（體積比＞30%），導(dǎo)致保水保肥性能差。基巖層為風(fēng)化的砂巖，具有較高的滲透性，深度一般小于50 cm。茶園每年施肥2次，分別在每年3月下旬和10月下旬。3月下旬為催芽肥，施用尿素209 kgN/hm2；10月下旬為基肥，施用尿素174 kgN/hm2和有機(jī)肥120 kgN/hm2。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

本研究在茶園坡面不同坡位選取4個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)（TG01～TG04），采用土鉆法獲取0～20 cm深度的土樣，每個(gè)樣點(diǎn)附近采集3個(gè)土樣，充分混合后放入樣品袋，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，去除根系和動(dòng)植物殘?bào)w，研磨后過(guò)2 mm尼龍篩。對(duì)未過(guò)篩的礫石稱重獲取礫石含量比，對(duì)過(guò)篩的樣品一部分通過(guò)激光粒度儀（Malvern Instruments Inc., Worcestershire,UK）進(jìn)行粒度分析，另一部分繼續(xù)研磨過(guò)0.25 mm尼龍篩，采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。4個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)周?chē)謩e安裝美國(guó)Decagon公司（Decagon Devices Inc., Pullman WA, USA）生產(chǎn)的EC-5土壤水分和MPS-6土壤水勢(shì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)探頭，用于獲取土壤水分特征數(shù)據(jù)。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)周?chē)染啵s0.5 m）埋設(shè)3個(gè)自制的無(wú)負(fù)壓土壤滲漏液采集器，滲漏液樣品中的NO3--N濃度采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalar, Breda, The Netherlands）進(jìn)行測(cè)定。土壤 N2O 排放通量采集采用密閉靜態(tài)暗箱法，N2O濃度采用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。

由于土壤礫石含量較高，傳統(tǒng)的ROSETTA轉(zhuǎn)換函數(shù)[18]預(yù)測(cè)的土壤水力參數(shù)存在較大的問(wèn)題，之前的研究中已對(duì)ROSETTA預(yù)測(cè)的土壤水力參數(shù)進(jìn)行礫石校正并取得了較好的結(jié)果[19]。模型輸入的土壤數(shù)據(jù)為4個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為11.06%、72.70%和16.24%，礫石含量為0.28 cm3/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為1.84%，計(jì)算得到的飽和含水量（θs）、殘余含水量（θr）和飽和導(dǎo)水率（Ks） 分別為0.31 cm3/cm3，0.04 cm3/cm3和0.012 5 m/h。

本文對(duì)比分析了情景模擬年和后續(xù)年NO3--N的累積淋失通量，以及不同干濕情景下每個(gè)季節(jié)NO3--N累積淋失通量相對(duì)正常情景的變化率，該變化率的計(jì)算公式為：(X-X0)/X0，其中，X為不同干濕情景下每個(gè)季節(jié)NO3--N累積淋失通量，X0為正常情景下每個(gè)季節(jié)NO3--N累積淋失通量。

1.3 DNDC模型

DNDC模型由兩個(gè)部分組成，第一部分包含土壤氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)分解3個(gè)子模型，其作用是根據(jù)輸入的氣象、土壤性質(zhì)、土地利用和農(nóng)田管理措施等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)變化；第二部分包含硝化、反硝化和發(fā)酵等3個(gè)子模型，其作用是根據(jù)第一部分的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)模擬上述三個(gè)微生物參與的化學(xué)反應(yīng)的速率[20]。在該模型中，NO3--N淋失是由微生物的營(yíng)養(yǎng)底物濃度梯度驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量流和水勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)的水通量造成的[21]。由于深層土壤氮含量較低，因此通常只需要表層土壤參數(shù)便可用于整個(gè)土壤剖面的氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)模擬。

在之前的研究中，已在該坡面成功率定DNDC模型并取得較好的模擬精度[22]。由于土壤礫石含量較高，忽略礫石的影響可能高估NO3--N的淋失通量。因此對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行礫石體積含量的校正[23]。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)這一系列處理，DNDC在該坡面模擬10 cm深度的土壤含水率和溫度時(shí)決定系數(shù)R2均大于0.65，Nash-Sutcliffe系數(shù)均大于0.60；在模擬滲漏液NO3--N濃度和N2O通量時(shí)除了TG-04樣點(diǎn)，其它樣點(diǎn)R2均大于0.50，Nash-Sutcliffe均大于0.35。

1.4 情景模擬

基于研究區(qū)1960—2019年共計(jì)60年的氣象數(shù)據(jù)（國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心，https://data.cma.cn/），通過(guò)對(duì)每年春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取每個(gè)季節(jié)10年一遇濕潤(rùn)（W）、干旱（D）和最接近平均降雨量（N）的數(shù)據(jù)（表1），共組合構(gòu)建31種氣候情景。包括單季節(jié)干旱或濕潤(rùn)各4個(gè)情景，雙季節(jié)干旱或濕潤(rùn)各6個(gè)情景，三季節(jié)干旱或濕潤(rùn)各4個(gè)情景，以及所有季節(jié)均為干旱、濕潤(rùn)和最接近平均降雨量各1個(gè)情景。

表1 研究區(qū)1960—2019年各個(gè)季節(jié)十年一遇干旱、十年一遇濕潤(rùn)和平均狀況下的降雨量Table 1 Seasonal precipitation under decennial drought,decennial wetness and average condition from 1960-2019 in the study area

選用DNDC模型對(duì)NO3--N淋失通量進(jìn)行模擬，模擬周期為3年。第1年為模型預(yù)熱期，第2年為情景模擬年，第3年為后續(xù)年。第1年和第3年均采用每個(gè)季節(jié)最接近平均降雨量的數(shù)據(jù)，第2年采用情景設(shè)置的季節(jié)性干、平和濕的氣象數(shù)據(jù)。每種情景從左往右由4個(gè)字母依次表示第2年（情景模擬年）春、夏、秋和冬季的干、平和濕狀況。如DNNN表示春季干旱，但其余3個(gè)季節(jié)均為最接近平均降雨量的狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 單季節(jié)干/濕情景下土壤NO3--N淋失特征

單季節(jié)的干/濕對(duì)情景模擬年NO3--N的累積淋失通量產(chǎn)生明顯的影響。單季節(jié)干旱情景下（圖2a），秋季干旱（NNDN）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量最小，為71.6 kgN/hm2；春季干旱（DNNN）和冬季干旱（NNND）時(shí)居中，分別為75.6 kgN/hm2和78.2 kgN/hm2；夏季干旱（NDNN）時(shí)最大，為84.7 kgN/hm2。單季節(jié)濕潤(rùn)情景下（圖2c），秋季濕潤(rùn)（NNWN）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量最小，為91.5 kgN/hm2；冬季濕潤(rùn)（NNNW）和夏季濕潤(rùn)（NWNN）時(shí)居中，分別為95.8和97.5 kgN/hm2；春季濕潤(rùn)（WNNN）時(shí)最大，為107.2 kgN/hm2。

單季節(jié)干/濕情景下，該季節(jié)NO3--N淋失通量相對(duì)正常情景發(fā)生明顯變化。單季節(jié)干旱時(shí)，NO3--N的淋失通量相比正常情景在相應(yīng)的季節(jié)均有明顯減少 （圖2b）。秋季干旱（NNDN）時(shí)減幅最大，達(dá)84.4%；春季干旱（DNNN）和冬季干旱（NNND）時(shí)減幅居中，為55.7%～63.4%；夏季干旱（NDNN）時(shí)減幅最小，僅45.7%。單季節(jié)濕潤(rùn)時(shí)，NO3--N的淋失通量相比正常情景在相應(yīng)的季節(jié)均有所增加（圖2d）。春季濕潤(rùn)（WNNN）時(shí)漲幅最大（50.5%）；冬季濕潤(rùn)（NNNW）和夏季濕潤(rùn)（NWNN）時(shí)漲幅居中（22.6%～29.1%）；秋季濕潤(rùn)（NNWN）時(shí)漲幅最?。?.8%）。

2.2 雙季節(jié)干/濕情景下NO3--N淋失特征

雙季節(jié)干/濕對(duì)情景年NO3--N的累積淋失通量也產(chǎn)生了明顯的影響。雙季節(jié)干旱情景下（圖3a），春秋季干旱（DNDN）和秋冬季干旱（NNDD）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量較?。ǎ?0 kgN/hm2）；夏秋季干旱（NDDN）時(shí)居中（65.2 kgN/hm2）；春夏季干旱（DDNN）、夏冬季干旱（NDND）和春冬季干旱（DNND）時(shí)較高（70.8～74.6 kgN/hm2）。雙季節(jié)濕潤(rùn)情景下（圖3c），夏秋季濕潤(rùn)（NWWN）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量最?。?1.9 kgN/hm2）；夏冬季濕潤(rùn)（NWNW）和秋冬季濕潤(rùn)（NNWW）時(shí)基本一致（97.0～97.2 kgN/hm2）；春夏季濕潤(rùn)（WWNN）和春秋季濕潤(rùn)（WNWN）時(shí)較高（101.3～101.4 kgN/hm2）；春冬季濕潤(rùn)時(shí)（WNNW）最大（105.7 kgN/hm2）。

雙季節(jié)干/濕情景下，NO3--N淋失通量的季節(jié)變化規(guī)律相比正常情景較為復(fù)雜（圖3b和圖3d）。春季干旱時(shí)（如DDNN、DNDN和DNND）NO3--N的淋失通量在春季減少63.4%；夏季干旱時(shí)（如DDNN、NDDN和NDND）在夏季分別減少了53.4%、46.1%和45.8%；秋季干旱時(shí)（如DNDN、NDDN和NNDD）在秋季減少約84.1%；冬季干旱時(shí)（如DNND、NDND和NNDD）在冬季同比減幅差異較大，DNND情景下NO3--N的淋失通量在冬季減少了4.4%，NNDD情景下減少了11.7%，NDND情景下減少了55.8%。春季濕潤(rùn) 時(shí)（如WNNW、WNWN和WWNN）NO3--N的淋失通量在春季增長(zhǎng)50.5%；夏季濕潤(rùn)時(shí)（如NWNW、NWWN和WWNN）在夏季分別增長(zhǎng)了22.5%～25.3%；秋季濕潤(rùn)時(shí)（如NNWW、NWWN和WNWN）在秋季分別增長(zhǎng)2.8%、減少5.7%和增加2.4%；冬季濕潤(rùn)時(shí)（如NNWW、NWNW和WNNW）分別增長(zhǎng)28.2%～31.4%。

2.3 三季節(jié)干/濕情景下NO3--N淋失特征

三季節(jié)干/濕情景下，情景年NO3--N的累積淋失通量發(fā)生如下變化。一個(gè)季節(jié)正常、三個(gè)季節(jié)干旱的情景下（圖4a），夏季正常（DNDD）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量最?。?4.4 kgN/hm2）；冬季正常（DDDN）以及春季正常（NDDD）時(shí)居中（均約51.8 kgN/hm2）；秋季正常（DDND）時(shí)最大（58.8 kgN/hm2）。一個(gè)季節(jié)正常、三個(gè)季節(jié)濕潤(rùn)的情景下（圖4c），春季正常（NWWW）時(shí)NO3--N的全年累積淋失通量最?。?7.5 kgN/hm2）；冬季正常（WWWN）時(shí)居中（101.7 kgN/hm2）；夏季正常（WNWW）和秋季正常（WWNW）時(shí)較大（均約106.9 kgN/hm2）。

三季節(jié)干/濕情景下，NO3--N淋失通量的季節(jié)變化與正常情景相比較為復(fù)雜。三季節(jié)干旱的情景下（圖4b），春季干旱（DDDN、DDND、DNDD）時(shí)NO3--N淋失通量在春季相比正常情景（NNNN）減少了63.4%；夏季干旱（DDDN、DDND、NDDD）時(shí) 減 少 了45.7%～53.3%；秋 季 干 旱（DDDN、DNDD、NDDD）時(shí)分別減少了83.2%～84.5%；冬季干旱（DDND、DNDD、NDDD）時(shí)分別減少了55.8%、11.9%和11.7%。三個(gè)季節(jié)濕潤(rùn)的情景下（圖4d），春季濕潤(rùn)（WNWW、WWNW、WWWN）時(shí)NO3--N的淋失通量在春季相比正常情景（NNNN）增加50.5%；夏季濕潤(rùn)（NWWW、WWNW、WWWN）時(shí)增加了22.7%～25.3%；秋季濕潤(rùn)（NWWW、WNWW、WWWN）時(shí)分別減少5.7%、增加2.4%和減少6.5%；冬季濕潤(rùn)（NWWW、WNWW、WWNW）時(shí)增加23.9%～30.5%。

2.4 全年干/濕情景下NO3--N淋失特征

全年干旱（DDDD）時(shí)情景年NO3--N的累積淋失通量為38.4 kgN/hm2，并且每個(gè)季節(jié)相對(duì)全年正常的情景（NNNN）減少11.8%～83.4%，秋季減少幅度最大，冬季減少幅度最?。▓D5a）。而全年濕潤(rùn)（WWWW）時(shí)情景年NO3--N的累積淋失通量為107.2 kgN/hm2，但每個(gè)季節(jié)相對(duì)全年正常的情景（NNNN）變化較為復(fù)雜，在春、夏和冬季增加（28.9%～50.5%），而秋季減少（6.5%）（圖5b）。

3 討論

3.1 季節(jié)性干旱/濕潤(rùn)對(duì)土壤NO3--N淋失的影響

NO3--N的淋失容易發(fā)生在降雨集中的季節(jié)和干旱之后的雨期。倪玉雪[24]對(duì)我國(guó)農(nóng)田降雨量和土壤NO3--N淋失量的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量小于400 mm時(shí)，土壤中NO3--N主要以累積為主，隨著降雨量的增多，NO3--N的淋失量也不斷增加，并在降雨量600～800 mm時(shí)達(dá)到最大；馮紹元等[25]對(duì)華北平原夏玉米土壤NO3--N的分布研究發(fā)現(xiàn)雨季0～50 cm土層NO3--N含量顯著下降，而50～110 cm以下土層NO3--N急劇增加，表明降雨是NO3--N淋失發(fā)生的重要原因。夏夢(mèng)潔等[26]對(duì)我國(guó)黃土高原干旱區(qū)NO3--N與降雨的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，干旱地區(qū)一旦遇到高強(qiáng)度降雨將會(huì)導(dǎo)致NO3--N大量淋失。本研究中，正常情景下模擬年NO3--N的淋失通量高于季節(jié)性干旱的所有情景但低于季節(jié)性濕潤(rùn)的所有情景，濕潤(rùn)季節(jié)越多NO3--N淋失通量越大，反之則越小。具體季節(jié)而言，秋季干旱對(duì)NO3--N的累積淋失通量影響最大，這可能是受10月底施肥的影響，NO3--N濃度高，使得正常秋季的NO3--N淋失通量較大，但秋季干旱導(dǎo)致土壤水滲漏通量和NO3--N的淋失通量相對(duì)正常的秋季大幅減少。此外，秋季或冬季干旱時(shí)，NO3--N的淋失通量在后續(xù)季節(jié)均有明顯增加。這主要是因?yàn)榍?、冬季植被?duì)氮素的吸收減緩，土壤NO3--N逐漸累積，后續(xù)季節(jié)發(fā)生降雨會(huì)促進(jìn)NO3--N的淋失。

NO3--N在土壤中的累積是淋失損失的基礎(chǔ)。一般來(lái)說(shuō)，土壤中NO3--N的累積量和淋失量隨著施氮量的增加而增加[27]。有研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥?zhǔn)┑啃∮?50 kg/hm2時(shí)不發(fā)生淋失，但當(dāng)施氮量在225～300 kg/hm2時(shí)NO3--N淋失量增加[28]。也有研究顯示當(dāng)施氮量由150 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2和375 kg/hm2時(shí)，土壤中NO3--N含量分別增加了1.9、2.6和13.9倍[29]。本研究中，春季濕潤(rùn)時(shí)NO3--N淋失通量較高，這是春季施肥和降雨雙重作用的結(jié)果；而夏季濕潤(rùn)時(shí)NO3--N淋失通量并未大幅增加，原因是植被生長(zhǎng)消耗大量的氮素。秋季濕潤(rùn)對(duì)NO3--N的累積淋失通量影響微弱，主要是因?yàn)楸狙芯壳锛緷駶?rùn)的情景下，降雨主要集中在10月份，而施肥時(shí)間為10月底，雨肥不同期導(dǎo)致了NO3--N淋失量增加不明顯。

NO3--N淋失容易發(fā)生在NO3--N濃度升高且土壤水分過(guò)剩的情況下[30]。土壤水分有助于肥料的溶解以及礦化。如果沒(méi)有充足的水分，NO3--N很難被植物吸收利用，從而大量累積在土壤中。但如果土壤中的水分超過(guò)田間持水量時(shí)，則會(huì)引起NO3--N的淋失[31-32]。吳海卿等[33]利用15N示蹤技術(shù)研究了土壤水分對(duì)氮素有效性的影響，發(fā)現(xiàn)土壤水分在田間持水量45%～90%時(shí)，氮素利用率隨著土壤水分的增加而提高。Sadras[34]對(duì)氮肥和降水交互作用的研究發(fā)現(xiàn)，在降雨較多的年份適量增施氮肥會(huì)增加小麥的產(chǎn)量，但在干旱的年份，增施氮肥不僅會(huì)使小麥產(chǎn)量較低，還會(huì)造成NO3--N大量殘留累積。因此，施肥后如果遇到干旱天氣，應(yīng)該適當(dāng)補(bǔ)充灌水，促進(jìn)植物對(duì)氮素的吸收利用，減少NO3--N的累積。而在降雨豐富的季節(jié)，應(yīng)該適量減少氮肥的施入量，或者少量多次施肥。

3.2 NO3--N淋失的滯后/提前效應(yīng)

NO3--N淋失的滯后效應(yīng)是指在干旱狀況下，由于土壤缺乏水文連通性[35]，使得植物根系和土壤微生物對(duì)氮的吸收減少[36]，導(dǎo)致其累積在土壤中。當(dāng)干燥土壤再次濕潤(rùn)時(shí)，往往會(huì)加速氮的分解和礦化作用，此時(shí)土壤中累積的NO3--N隨水分迅速移動(dòng)[37]。本文中，季節(jié)性干旱情景下，NO3--N淋失存在滯后效應(yīng)，對(duì)后續(xù)季節(jié)和年的NO3--N淋失影響較大，但持續(xù)時(shí)間較短（圖1b、圖2b、圖3b、圖4b）。正常情景下模擬年和后續(xù)年NO3--N累積淋失通量無(wú)明顯差異，季節(jié)性干旱情景下模擬年和后續(xù)年NO3--N的累積淋失通量差異較大。干旱季節(jié)越多，兩個(gè)年份的差異越明顯，尤其是秋、冬季干旱時(shí)，NO3--N淋失的滯后表現(xiàn)將會(huì)持續(xù)到來(lái)年的夏季。這可能是由于秋季施肥時(shí)降雨較少，而且秋冬季節(jié)植被生長(zhǎng)需氮量較少，土體表層往往有較高的土壤氮素累積，等到來(lái)年春季和夏季氣溫升高，降雨增多，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解加快，從而導(dǎo)致NO3--N的大量淋失。Klaus等[38]對(duì)德國(guó)東南部集約管理的草地進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，施肥可以緩沖干旱導(dǎo)致的產(chǎn)量損失，但是施肥和干旱的相互作用導(dǎo)致土壤再濕潤(rùn)后NO3--N淋失風(fēng)險(xiǎn)劇增（＞300%），這與本文的研究結(jié)果一致。由此可知，季節(jié)性干旱時(shí)，NO3--N淋失量小，如果遇到施肥，NO3--N累積在土壤中，雖然當(dāng)下NO3--N淋失量較小，而后期如果遇到較大降雨，土壤中累積的NO3--N將大量流失。

NO3--N淋失的提前效應(yīng)是指由于降雨增強(qiáng)改變了土壤水分格局，增加了滲漏[39]，促進(jìn)微生物氮礦化和植物氮吸收，進(jìn)而加快了NO3--N的淋失速率[40]，使得土壤中的NO3--N相較常規(guī)情況提前淋失。本文中，季節(jié)性濕潤(rùn)情景下，NO3--N淋失存在提前效應(yīng)，對(duì)后續(xù)年NO3--N的淋失影響較小，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（圖1d、圖2d、圖3d、圖4d）。具體來(lái)看，濕潤(rùn)季節(jié)越多，模擬年和后續(xù)年NO3--N累積淋失通量的差異越明顯。降雨增多使得壤中產(chǎn)流增加，而且研究區(qū)土壤礫石含量較高，降雨條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)活躍，使得原本儲(chǔ)存在土壤中的養(yǎng)分提前淋失。因此季節(jié)性濕潤(rùn)情景下后續(xù)年NO3--N淋失通量相比正常情景有所減少。其中，夏季濕潤(rùn)時(shí)，NO3--N淋失的提前效應(yīng)最為顯著，這主要是由于夏季經(jīng)常出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨所致。

3.3 模型模擬的不確定性分析

DNDC模擬的精度雖然在之前的研究中表現(xiàn)良好[22]，但其在模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)法很好地捕捉到坡面土壤儲(chǔ)水量的瞬時(shí)變化，其模擬的土壤水分滲漏通量對(duì)降雨的響應(yīng)則過(guò)于迅速，沒(méi)有表現(xiàn)出應(yīng)有的滯后現(xiàn)象，這與實(shí)際情形不符[41]。降雨是影響NO3--N淋失的關(guān)鍵因素，因此NO3--N淋失的模擬也存在響應(yīng)過(guò)快的特點(diǎn)，在短時(shí)間的模擬上存在一定的高估。

DNDC模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為天，輸入的氣象數(shù)據(jù)為逐日數(shù)據(jù)，因此NO3--N淋失通量的模擬結(jié)果也是逐日數(shù)據(jù)，雨量在季節(jié)內(nèi)的分配對(duì)NO3--N的淋失影響很大。但本文結(jié)果分析以季節(jié)來(lái)進(jìn)行討論，若詳細(xì)考慮逐日降雨數(shù)據(jù)的變化，可能會(huì)產(chǎn)生較大的差異。例如，即便保持降雨量不變，但若調(diào)整降雨的時(shí)間使其與施肥時(shí)間重合，將會(huì)造成NO3--N的大量淋失。相關(guān)的研究在未來(lái)需要進(jìn)一步深化。

4 結(jié)論

NO3--N的淋失容易發(fā)生在降雨集中的季節(jié)、施肥之后的雨期或干旱之后的雨期。濕潤(rùn)潤(rùn)季節(jié)越多NO3--N淋失通量越大，反之則越小。春季和秋季干旱時(shí)NO3--N淋失通量大幅減?。磺锛竞投靖珊禃r(shí)，如果后續(xù)季節(jié)遇到降雨，NO3--N在后續(xù)季節(jié)的淋失通量明顯增加。春季濕潤(rùn)會(huì)導(dǎo)致NO3--N淋失通量大幅增加；而秋季濕潤(rùn)對(duì)NO3--N淋失通量無(wú)明顯影響。季節(jié)性干旱情景下，NO3--N淋失存在滯后效應(yīng)，對(duì)后續(xù)季節(jié)NO3--N的淋失影響顯著，到來(lái)年夏季結(jié)束。季節(jié)性濕潤(rùn)情景下，NO3--N淋失存在提前效應(yīng)，對(duì)后續(xù)季節(jié)NO3--N的淋失影響相對(duì)較小，到來(lái)年秋季結(jié)束。

本研究的結(jié)果可為應(yīng)對(duì)氣候變化背景下丘陵山區(qū)面源NO3--N淋失提供短期管理決策，旨在減少土壤氮素的淋溶損失。鑒于本研究中存在的不足之處，以后的研究應(yīng)將土壤水文模型和生物地球化學(xué)模型進(jìn)行耦合，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮雨量在季節(jié)內(nèi)的分配對(duì)NO3--N的淋失影響。

致謝：本文中所使用的氣象數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供（https://data.cma.cn/）。