坡地氮素输移特征及其对土壤水文过程响应研究述评

，，(江西省水土保持科学研究院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

坡地氮素输移特征及其对土壤水文过程响应研究述评

莫明浩，涂安国，宋月君
(江西省水土保持科学研究院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

综合目前坡地氮素输移研究进展，论述了坡地氮素地表输移特征、坡地氮素地下输移特征、坡地氮素输移对土壤水文过程的响应和植被覆盖对氮素输移的影响。针对当前氮素流失及其影响因素研究中存在的不足，指出研究坡地氮素输移对土壤水文过程的响应，不仅是土壤侵蚀和土壤溶质运移研究的基础，也是非点源污染控制研究的重要内容，建议加强坡地氮素的垂直迁移途径及在土壤各层中的形态特征、不同形态氮素对土壤水文过程的特征响应及其机理的研究。

坡地；氮素；输移特征；土壤水文过程

坡地土壤侵蚀不仅导致坡地农业土壤质量的退化，也是农业非点源污染的重要来源。氮是构成生命体的必需元素，是土壤肥力的重要因素之一，在农业生产中发挥着重要的作用[1]。随着全球农业生产的大发展，旱坡地氮肥的使用量越来越大，但是，过量氮肥的施用及不合理的农业管理措施导致氮素以挥发、反硝化及淋溶等途径转化和输移，不仅造成经济损失，而且导致了地下水污染[2-4]。在我国，氮肥一般只有30%～50%被作物利用，淋溶损失被认为是旱地农田氮素损失的主要途径，也是导致地下水资源氮素污染的重要原因，已被广泛关注[5-6]。然而，由于壤中流的存在，坡地土壤水文过程复杂，氮素垂直迁移形态受水文过程影响呈现地表径流、壤中流和地下径流不同的分层特征，氮素淋失成为了氮循环研究中的薄弱环节。本文通过述评坡地氮素分层输移对土壤水文过程的响应，旨在为土壤氮素径流和淋溶损失的控制提供重要的理论依据，有利于从源头上减少坡地氮素损失和防治非点源污染。

1 坡地氮素输移特征

国内外自19世纪晚期就开始观察和定性描述坡地侵蚀，到20世纪80年代由于对非点源污染的普遍关注，开始重视坡地表层土壤中营养物质的迁移规律研究[7-8]。氮素在土壤中的存在形式是多种多样的，土壤的氮含量是土壤氮素矿化与积累作用平衡的结果[9]。

氮素迁移方式一种是土壤入渗量小于降雨量时，产生地表径流，随地表径流或侵蚀泥沙迁移；另一种则是土壤内部的可溶性物质随入渗的水分沿垂直方向迁移[10]；坡面氮素以溶质形式输出受降雨径流影响呈现地表径流、壤中流和地下径流不同的分层特征。受坡地土壤侵蚀影响，氮素在迁移转化过程中呈不同的形态，归结起来主要有坡面地表径流、壤中流、地下径流和侵蚀泥沙等几种输移途径。关于坡地氮素的输移规律，国内外学者开展了大量的相关观测和试验研究。

1.1 坡地氮素地表输移特征

在氮素的地表输移方面，袁东海等[11]采用径流小区法研究了6 种不同农作方式土壤氮素的流失特征，表明坡耕地土壤氮素的流失途径主要为径流流失，又以水溶态氮素为主。蔡崇法等[12]的人工模拟降雨试验表明，养分随地表径流流失与泥沙流失趋势一致，初期流失量小，此后逐渐增加，一段时间后，在一定幅度内波动稳定。研究还发现土壤养分在流失泥沙中具有富集现象，张兴昌和邵明安[13]认为，随着降雨侵蚀力R的增大，泥沙有机质和全氮的富集率逐渐减少；坡度愈小，富集率愈大。对于坡地氮素地表流失及其与降雨和水文条件关系的研究还有许多，所得结论类似，但仍需将氮素在地表和地下各层结合分析其输移途径。

1.2 坡地氮素地下输移特征

在氮素的地下输移方面，氮素淋溶是养分流失的重要途径，国际上有关土壤氮素的淋溶研究认为，根据作物、施肥量、土壤质地、降水和灌溉方式的不同，由淋溶引起的氮素损失可占施氮量的5%～15%[14]。马立珊等[15]采用15N同位素示踪技术进行农田氮素流失模拟试验得出，氮素污染负荷量随年降水量和灌溉量的增加而增大，浅层地下水硝态氮的污染负荷量与氮肥的施用量呈正相关，与其他研究结论一致[16-17]。张亚丽等[18]对黄绵土的试验发现降雨强度增大，土壤矿质氮素淋溶量相应增大，硝态氮入渗深度加深。Toufiq[19]对不同氮肥处理小麦地硝态氮垂向和侧向渗漏的研究结果表明，在小麦播种期硝态氮淋溶损失是氮素损失的主要途径，灌溉使得硝态氮下移渗漏加强。

许多研究表明，氮素的淋溶形态以硝态氮为主，铵态氮则易被土壤颗粒吸附，而亚硝酸盐作为硝化和反硝化过程的中间产物存在时间有限[9,20]。王辉等[1]的研究发现，黄土坡地土壤硝态氮淋溶是二维迁移, 即随着入渗水既向土体深层迁移, 又向坡底迁移。由农田氮素造成的农业非点源污染日益突出，降雨—径流—淋溶是造成非点源污染输出的主要动力[21]，而渗漏淋溶以及壤中流迁移是氮素污染物的主要移动方式，关于氮素淋溶损失的研究大多是通过室内试验或田间观测与试验的方法，多局限于探讨农田氮素淋失量产生的污染负荷，而其形成机理和输移规律与土壤水文过程密切相关。

2 坡地氮素输移对土壤水文过程的响应

土壤水是农田氮素径流和淋溶损失的载体，降雨在土壤中的入渗、运移和再分配等各种水文过程均对侵蚀和氮素迁移产生影响[22]，土壤水分饱和、壤中流的形成对农业非点源污染有重要贡献。化学物质在土壤剖面中的数量、滞留时间、位置以及土壤与化学物质之间的相互作用(如吸附与解吸)等是决定泥沙和壤中流(或径流)携带化学物质浓度的关键因素[23-24]。

在氮素输移与土壤水文关系的研究方面，Galloway[25]的研究发现，淋溶过程氮素形态受土壤水分运动的影响，硝态氮淋溶量随施肥量和降水量的增加而增加；铵态氮被土壤胶体所吸附，不易淋溶，但当土壤对铵态氮的吸附达到饱和时，也会被淋洗而进入水体，但主要对象是水田。Zhang等[26]研究显示，土壤含水量高时，氮素硝化作用强烈，当土壤含水量低于15%时，硝化作用受到抑制。

近地表土壤水分条件对化学物质的迁移和地表水质有很大的影响，壤中流对侵蚀泥沙搬运和农业非点源污染有重要影响。研究表明，随着前期含水量的增加，侵蚀产流产沙过程中土壤氮养分流失浓度和流量均随之增大，在自由入渗、壤中流和土壤水分饱和三个土壤水文条件下，雨滴打击增大了硝态氮的淋失，但对铵态氮几乎无影响[27-29]。张亚丽等[30]利用地下供水和前期降雨措施改变坡面近地表土壤水分条件，通过室内模拟降雨试验研究坡面水土流失和土壤溶质的迁移特征，表明土壤初始含水量较高的地下供水和前期降雨坡地径流迁移深度较大。

土壤水流的研究历程一直伴随着溶质运移的研究，溶质与土壤发生吸附或者解吸的相互作用，同时土壤水分的运动又提供了溶质运移的驱动力和化学反应环境。目前，对于坡面氮素输移在不同含水量等近地表土壤水文条件下的模拟研究较多，而对于降雨、径流和含水量变化等土壤水文过程下氮素的输移响应和机理研究正在进一步探讨中。

3 植被覆盖对氮素输移的影响

植被的覆盖能够促进壤中流，减缓表面流，从而对营养元素迁移产生影响。在植被覆盖对氮素输移影响方面，张兴昌等[31]的研究表明，随着植被盖度的增加，泥沙全氮和有机质流失量呈递减趋势，而铵态氮和硝态氮流失却呈递增趋势，植被覆盖并不能减少土壤矿质氮的流失。耕作方式的不同对坡耕地土壤水分运动、溶质迁移会产生直接影响，改变了农田养分迁移和非点源污染输出过程。张宇等[32]按不同生长期探讨了在自然降雨条件下地表秸秆覆盖种植大豆对地表径流和土壤氮素流失的影响，表明其对减少径流水中的铵态氮、总氮和水溶性氮流失量具有明显的效果。很多研究表明，随着植被盖度的增加，坡地土壤侵蚀和养分流失总量减少[33-35]，但总体而言，植被覆盖对土壤氮素输移的影响集中在状态量上，对其机制的研究正在深入展开。

4 结语

坡地在农业生产中占有重要地位，坡地水土流失既导致土壤质量退化，也是农业非点源污染的重要来源，其土壤中营养物质伴随水土流失的迁移对水环境产生重要的影响，引起了国内外的高度重视。氮素是水污染和水体富营养化的重要因素，非点源氮的输移过程受到越来越多的关注，加强坡地氮素输移对土壤水文过程响应的研究，不仅是土壤侵蚀和土壤溶质运移研究基础，也是非点源污染控制研究的重要内容。

国内外对氮素流失及其影响因素方面做了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。目前，在坡地尤其是坡耕地氮素的垂直迁移途径、不同形态氮素对土壤水文过程的特征响应及其机理等方面有待深入研究。建议采用野外观测与模拟实验相结合的方法，加强坡地氮素输移特征对土壤水文过程响应及机理的研究。

[1]王辉，王全九，邵明安.降水条件下黄土坡地氮素淋溶特征的研究[J].水土保持学报，2005，19(5)：61-64,93.

[2]Zottl H W. Remarks on the effects of nitrogen deposition to forest ecosystems[J].Plant and Soil，1998(128):83-89.

[3]蔡祖聪.氮形态转化途径研究的新进展——厌气铵氧化及其应用前景[J].应用生态学报，2001，12(5)：795-798.

[4]李英俊，王克勤，宋维峰，等.自然降雨条件下农田地表径流氮素流失特征研究[J].水土保持研究，2010，17(4)：19-23.

[5]罗在波，魏世强，滕玲玲.聚丙烯酰胺对紫色土氮素淋溶特征的影响[J].土壤通报，2009，40(3)：585-589.

[6]樊向阳，齐学斌，黄仲冬，等.土壤氮素运移转化机理研究现状与展望[J].中国农学通报，2006，22(2)：254-258.

[7]Sharpley A N, Daniel T C, Sims T J. Determining environmentally sound soil phosphorus levers[J]. Soil Water Conserv, 1996(51):160-166.

[8]Jerome M, Patrick D. Mechanisms of nitrate transfer from soil to stream in an agricultural watershed of French Brittany[J]. Water, Air and Soil Pollution, 2002(133):161-183.

[9]朱兆良.中国土壤氮素研究[J].土壤学报，2008，45(5)：778-783.

[10]刘旦旦，王健，尹武君.天然降雨对黄土坡地土壤侵蚀和养分流失的影响[J].节水灌溉，2011(8)：17-20.

[11]袁东海，王兆赛，陈欣，等.不同农作方式红壤坡耕地土壤氮素流失特征[J].应用生态学报，2002，13(7)：863-866.

[12]蔡崇法，丁树文，张光远，等.三峡库区紫色土坡地养分状况及养分流失[J].地理研究，1996，15(3)：77-84.

[13]张兴昌，邵明安.坡地土壤氮素与降雨、径流的相互作用机理及模型[J].地理科学进展，2000，19(2)：128-135.

[14]O.Oenema, H.Kros, de Vries. Approaches and Uncertainties in nutrient budgets: implications for nutrient management and environmental policies [J].European Journal of Agronomy, 2003,20(12):3-16.

[15]马立珊，王祖强，张水铭，等.苏南太湖水系农业面源污染及控制对策研究[J].环境科学学报，1997，17(1)：39-47.

[16]Aronsson H, Torstensson G, Bergstrom L. Leaching and crop uptake of N, P and K from organic and conventional cropping systems on a clay soil[J]. Soil Use and Management, 2007(23):71-81.

[17]Gheysari M, Mirlatifi S M, Homaee M, et al. Nitrate leaching in a silage maize field under different irrigation and nitrogen fertilizer rates[J]. Agricultural Water Management, 2009(96) :946-954.

[18]张亚丽，张兴昌，邵明安，等.降雨强度对黄土坡面矿质氮素流失的影响[J].农业工程学报，2004，20(3)：55-58.

[19]Toufiq L M. Study on vertical and lateral leaching of nitrate from a wheat field in China[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2006, 30(1):59-65.

[20]Cao Linkui, Chen Guojun, Lu Yitong. Nitogen leaching in vegetable fields in the suburbs of Shanghai[J].Pedosphere, 2005,15(5):641-645.

[21]谢红梅，朱波.农业生态系统中N素在土水界面的迁移转化研究进展[J].中国生态农业学报，2004，12(4)：122-125.

[22]Lin H.Linking principles of soil formation and flow regimes[J]. Journal of Hydrology, 2010(393): 3-19.

[23]Laflen J. M., Baker J L. Water quality consequences of conservation tillage[J]. J Soil and Water Cons，1983(38)：186-193.

[24]曹英兰，刘延锋，徐颖.红壤对三氮吸附-解吸性能实验研究[J].集美大学学报(自然科学版)，2009，14(3)：245-250.

[25]Galloway J. N. Nitrogen mobilization in Asia[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2000(57):1-12.

[26]Xuelin Zhang, Qibing Wang, Linghao Li, et al. Seasonal variations in nitorgen minerlization under three land use types in a grassland landscape[J]. Acta Oecologica, 2008(34):322-330.

[27]Zheng F L, Huang C. Effects of near-surface hydraulic gradients on nitrate and phosphorus losses in surface runoff[J]. Journal of Environmental Quality，2004，33(6)：2174-2182.

[28]安娟，郑粉莉，李桂芳，王彬.不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响[J].生态学报，2011，31(24)：7579-7590.

[29]张玉斌，郑粉莉，曹宁.近地表土壤水分条件对坡面农业非点源污染物运移的影响[J].环境科学，2009，30(2)：376-383.

[30]张亚丽，李怀恩，张兴昌，等.近地表土壤水分条件对黄土坡面溶质径流迁移的影响[J].自然资源学报，2009，24(4)：743-751.

[31]张兴昌，刘国彬，付会芳.不同植被覆盖度对流域氮素径流流失的影响[J].环境科学，2000，21(6)：16-19.

[32]张宇，荣湘民，王心星，周亮，张玉平，刘强，谢桂先，宋海星. 覆盖与生态拦截对旱地土壤地表径流和氮素流失的影响[J].水土保持学报，2014，28(2)：15-19.

[33]Morgan R P C, Mclntyre K, Vickers A W，et al. A rainfall simulation study of soil erosion on rangeland in Swaziland[J]. Soil Technology, 1997, 11(3):291-299.

[34]Castillo V M, Martinez-Mena M, Albaladejo J. Runoff and soil response to vegetation removal in a semiarid environment[J]. Soil Science Society of America, 1997, 61(4):1116-1121.

[35]Jose’Go’mez, Teodorico,A., Sobrinho, ldez, J.V.G., Eli’as, Fereres. Soil management effects on runoff, erosion and soil properties in an olive grove of Southern Spain[J]. Soil & Tillage Research, 2009(102):5-13.

AReviewofNitrogenTransportationResponsetoSoilHydrologicalProcessesinSlopeLand

MO Ming-hao,TU An-guo,SONG Yue-jun
(Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention, Nanchang Jiangxi 330029 ,China)

Nitrogen loss associated with soil loss not only lead to land degradation, but also behave as a source of non-point source pollution. Nitrogen played an important role on crop growth and water pollution. Nitrogen transportation was affected by soil hydrological processes such as surface runoff, infiltration and soil moisture. This paper reviewed nitrogen transport research progress, discussed its surface transport characteristics, underground transport characteristics, nitrogen transportation response to soil hydrological processes, and vegetation covered effects in slope land. According to the shortage of researchoncurrent nitrogen loss and its impact factors, this paper showed that the research of nitrogen transportation response to soil hydrological processes was not only the basis of soil erosion and soil solute transport research, but also was an important content of nonpoint source pollution control. This paper proposed to strengthen the research of nitrogen vertical transport path and forms characteristics in different soil layers and different nitrogen forms response to soil hydrological processes and its mechanism.

slope land; nitrogen; transport; soil hydrological processes

2017-06-03

国家自然科学基金(41501300，41401311)；江西省自然科学基金(20161BAB216148)；江西省水利科技项目(KT201420，KT201521)。

莫明浩(1981-)，男，江西抚州人，高级工程师，博士，主要从事水土保持和生态环境研究。

X143

A

1673-9655(2017)06-0001-04