2种土地利用方式下红壤优先流特征及其对氮运移的影响

刘伟　杨涛　艾志强

摘要  以江西省水土保持生態科技园的耕地和枇杷林地为研究对象，通过野外染色试验和室内淋溶试验研究2种土地利用方式下的红壤优先流特征及其对氮运移的影响。结果得出：2种土地利用方式下优先流的分布特征有明显的区别。耕地优先流到达的最大深度为40 cm，枇杷地优先流到达的最大深度为60 cm。耕地的优先流宽度随着深度的增加而逐渐较小，枇杷地的优先流宽度随着深度的增加呈现先增加后减小的趋势。耕地和枇杷地淋出液总氮的浓度都随着试验时间增加而逐渐增加，在试验前120 h内，枇杷地淋出液总氮浓度比耕地淋出液总氮大，在120 h之后，两地淋出液总氮浓度大致相等，但是，枇杷地所有淋出液总氮的平均浓度是耕地的1.21倍。硝酸根离子在耕地的穿透速率比在枇杷林地快。耕地淋出液检测到总氮是在试验开始后4 h，枇杷地淋出液检测到总氮是在试验开始后8 h。

关键词  优先流;总氮;耕地;枇杷地

中图分类号  S152    文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2019）24-0100-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.030

Characteristics of Preferential Flow of Red Soils under Two Land Use Patterns and Their Effects on Nitrogen Transport

LIU Wei， YANG Tao， AI Zhi-qiang

（Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Kunming， Yunnan 650021）

Abstract  In this paper， the cultivated land and loquat land of Jiangxi Province Soil and Water Conservation Ecological Science and Technology Park were taken as research objects. The field characteristics of red soil under two land use modes and their effects on nitrogen transport were studied by field dyeing experiment and indoor leaching experiment. The experimental results showed that there were obvious differences in the distribution characteristics of preferential flows under the two land use modes. The maximum depth of the preferential flow of cultivated land was 40 cm， and the maximum depth of the preferential flow of loquat land was 60 cm. The preferential flow area of cultivated land gradually decreased with the increase of depth， and the preferential flow area of loquat land increased first and then decreased with the increase of depth. The concentration of total nitrogen in cultivated land and loquat land leaching solution increased with the increase of experimental time. With in 120 hours before the experiment， the total nitrogen concentration in the leaching solution of laquat land was larger than that in the leaching solution of cultivated land. After 120 hours， the total nitrogen concentrations in the leaching solution of the two places were approximately equal， but the average concentration of total nitrogen in all the leachate in loquat land was 1.21 times that of the cultivated land.  The penetration rate of nitrate ions in cultivated land was faster than that in loquat land. The total nitrogen detected in the leaching solution was 4 hours after the experiment， and the total nitrogen detected in the leaching solution was 8 hours after the experiment.

Key words  Preferential flow;TN;Cultivated land;Loquat land

作者简介  刘伟（1991—），男，湖北荆州人，助理工程师，硕士，从事水利工程研究。

收稿日期  2019-06-20

红壤是发育在热带和亚热带雨林、季雨林或常绿阔叶林植被下的土壤，主要分布在长江以南的低山丘陵地带，红壤土在我国总面积约有117万 km2，占我国总土地面积的12%左右，约占江西省总土地面积46%，占全省总耕地面积50%以上。随着农业的快速发展，对化肥的需求量加大，早在2000年，我国氮肥使用总量就已超过2 700万t，占全世界总用量的30%左右，这样造成了耕地和地下水被严重污染[1]。2005年，刘宏斌等[2]对北京市平原地区农业用地的地下水氮污染情况进行调查，结果发现饮用水超标率为38.7%，其中浅层地下水污染最严重，超标率和严重超标率高达80.7%和66.2%。

在土壤中，由于植物根系腐烂、土壤中动物活动以及一些化学反应，因此存在诸多孔隙，这些孔隙加快了水分向下运动和溶质运移的速度，也是土壤水分快速运移和溶质优先迁移的通道[3]。这些孔隙使得水分和养分快速地通过植物能够吸收的区域进入地下水系统，大大减少了农作物根系吸收水分和营养物质的时间，降低了水分和养分的利用效率。

在不同的土地利用方式下，由于其开垦的程度和植物根系的大小不一样，因此优先路径有很大差别，同时土壤的异质性和优先流的非平衡性，加大了人们研究优先流机理的深度和难度[4]。溶质很大一部分是随着水分运移的，认识优先流的机理有助于研究溶质运移。目前，优先流和溶质在土壤中的运移研究受到了学者们的普遍重视，了解两者之间的联系对于水资源的储存和地下水污染的治理有着巨大的帮助。

笔者通过野外染色试验和室内原状土柱试验，对优先流的特征及其对氮运移的影响进行研究，深入了解优先路径的分布规律，对于提高水资源和养分的利用效率、减少地下水染污、改善地下水环境和促进农业经济的可持续发展有着重要的现实意义，同时可为农田水的灌溉和肥料的使用提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

此次试验在江西省水土保持生态科技园内进行。该园区在德安县燕沟小流域、鄱阳湖水系博阳河的西边，总面积达80 hm2。地理位置为115°42′38″～115°43′06″E，29°16′37″～39°17′40″N，园区距离省会城市南昌70 km。属于中亚热带地区，是一种特别典型的亚热带湿润季风气候，气候特征大概为一年四季分明，春天凉爽、夏天酷热、秋天干旱、冬天湿冷，气候比较温和，全年光照比较充足，雨量充足，霜期比较短。

由于受季风气候的影响，园区内降雨量在全年分配不均，有明显的雨季和旱季之分。1—3月降雨量只占全年的18%，多为小雨;4—6月降雨量占到全年的49%，多大雨以及暴雨，易形成洪涝;7—9月降雨量占全年的24%，高温少雨，有明显的旱季，尤其是秋天，极为干旱;10—12月降雨量占全年的9%，年均降雨量在1 400.0 mm左右，年最大降雨量为1 807.7 mm，最小降雨量为865.6 mm。此次研究所用的土壤全部是第四纪红壤，在江西省水土保持生态科技园区里选取2块地，分别是种植10年的枇杷果园地和刚收获西瓜的耕地。

1.2  研究方法

1.2.1  原状土柱的制作。

在确定好的地块，简单清除表层的枯枝落叶，采用直径16 cm、厚度0.2 cm、高40 cm的钢管，钢管下端经过打磨，缓慢打入土壤内，在打入土壤的过程中，逐渐用铁锹挖出钢管外部的土壤，钢管打入土壤30 cm后，用铁锹将整个钢管土柱挖出，切勿破坏钢管底部的原状土，然后两端密封后直立运回实验室待用。对2块试验地0～30 cm 土壤按每10 cm 为一层进行分层取样，每层取样5份，在实验室测土样的理化性质（表1）。

1.2.2  野外染色试验。

将70 cm×70 cm×20 cm的自制矩形铁框（铁框厚度为2 mm）缓慢砸入土壤中，使其砸入土壤的深度为10 cm，并用铁锤慢慢敲实铁板与土壤之间的孔隙，将亮蓝染色剂配制成4 g/L[5-6]，以积水渗透的方式均匀洒在铁框内，每块地共喷洒20 L染色剂，染色剂喷洒完毕之后，在铁框上盖上塑料薄膜。24 h后，去除铁框附近10 cm宽的土壤，对铁框中间区域（50 cm×50 cm）进行垂直剖面挖掘，剖至看不见染色剂为止，然后用小刀和毛刷对剖面进行整平。

剖面完成后，用高分辨率数码相机配合钢尺对剖面多次拍照。选取最佳照片用Photoshop 6.0软件进行裁剪、图光学校正、阈值处理，然后通过Image ProPlus 6.0软件对图片进行降噪处理[7]，最后输出的数值，用作解析染色剖面的垂直和染色宽度参数，分析优先流的形态特征。

1.2.3  室内淋溶试验。

（1）将野外取回土柱放在水桶中，确保水桶液面低于钢管高度，但高于钢管内的土面，从下至上饱和进行排气，直至土柱上层全部湿润为止[8]。

（2）用马氏瓶从土柱上端加入纯净水，并控制水头在3 cm，淋洗土柱，直至土柱底部的淋流液总氮浓度低出仪器检测范围。

（3）在土柱内总氮浓度低出检测范围之后将马氏瓶中溶液换成2 g/L KNO3溶液，用量杯收集出流液，前3 d每隔4 h取1次，后3 d每隔8 h取1次，最后每隔12 h取1次，总共淋洗7 d。每次取出流液時先量出总体积，并测定溶液中总氮浓度。

2  结果与分析

2.1  优先流特征分析

通过对2种土地利用方式的垂直剖面进行分析，耕地的优先流宽度随着土壤深度的增加逐渐减小，枇杷地的优先流宽度随着土壤深度先增大后减小，在土壤20 cm深度处优先流宽度达到最大（图1）。此次试验，耕地的优先流主要集中在土壤深度0～25 cm，在土壤深度40 cm以下基本消失了，枇杷地的优先流在土壤深度60 cm才逐渐消失（图2）。在宽度为50 cm的研究区域中，耕地的最大优先流宽度为44 cm，枇杷地的最大优先流宽度为33 cm，耕地比枇杷地的最大优先流宽度多了33%。

这其中的原因可能有以下几点：一是耕地0～25 cm深度人为扰动大，农作物根系腐烂后，土壤空隙发育良好，造成耕地的优先流主要集中在0～25 cm深度，而土壤25～40 cm深度，人为和农作物根系扰动小，空隙发育差，优先流宽度小;二是枇杷地长期没有人为干扰，优先流的形成主要是因为枇杷树根系造成的空隙，枇杷树的根系较深且分布均匀，使得枇杷地优先流宽度变化幅度不大，且到达土壤深度较深。

2.2  总氮的运移规律

耕地和枇杷地淋出液总氮浓度随时间变化见图3。由图3可知，耕地和枇杷地淋出液总氮浓度基本上随着时间增加而增大，但是枇杷地淋出液总氮浓度波动比耕地淋出液总氮浓度要明显很多;耕地淋出液检测到总氮是在试验开始后4 h，枇杷地淋出液检测到总氮是在试验开始后8 h，耕地淋出液检测到总氮的时间比枇杷地淋出液检测到总氮的时间早4 h;在试验开始后8～120 h，枇杷地淋出液总氮浓度都要比耕地淋出液总氮浓度大，但是在120 h之后，两地淋出液总氮浓度基本相同，在152 h之后，两地淋出液总氮浓度基本都到达稳定;耕地所有淋出液总氮的平均浓度为142.7 mg/L，枇杷地所有淋出液总氮的平均浓度为172.6 mg/L，枇杷地所有淋出液总氮的平均浓度是耕地的1.21倍。

2.3  优先流对总氮运移的影响分析

2.3.1  溶质运移的时间。

根据有关试验将溶质的运移时间定义为从土柱上方加入溶质开始，到淋出液检测到溶质为止所经历的时间。根据这一定义，耕地溶质运移时间比枇杷地少4 h，造成这种现象的原因在于硝酸根离子是一种非吸附离子，既不与土壤中的化学物质发生化学反应，也不容易被土壤表面吸附[9-11];土壤中的硝酸根离子的运移速度与水分的运移速度大致相同[12]。优先流在耕地土壤0～20 cm深度分布较多，使得水流运移速度大大加快。

2.3.2  溶质的平均浓度。枇杷地淋出液总氮浓度明显高于耕地，在试验48 h之前淋出液总氮浓度增长快于耕地。在有优先流存在的情况下，绝大部分的硝酸根离子都会通过优先流快速下渗[13]，也就是说枇杷地的优先流分布特征比耕地更利于硝酸根离子运移。

3  结论

以江西省水土保持生态科技园内耕地和枇杷地的第四纪红壤为研究对象，首先对耕地和枇杷地的土壤理化性质作出研究，然后利用亮蓝染色剂示踪法分析两地的优先流分布特征，优先流的运移规律及其对氮在红壤中迁移的影响，得到以下结论。

（1）2种土地利用方式下优先流的分布特征有明显的区别。耕地优先流到达的最大深度为40 cm，枇杷地优先流到达的最大深度为60 cm。耕地的优先流宽度随着深度的增加而逐渐较小，枇杷地的优先流宽度随着深度的增加呈现先增加后减小的趋势。

（2）耕地和枇杷地淋出液总氮浓度都随着试验时间增加而逐渐增加，在试验前120 h内，枇杷地淋出液总氮浓度比耕地淋出液总氮大，在120 h之后，两地淋出液总氮浓度大致相等，但是，枇杷地所有淋出液总氮的平均浓度是耕地的1.21倍。

（3）硝酸根离子在耕地的穿透速率比在枇杷林地快。耕地淋出液检测到总氮是在试验开始后4 h，枇杷地淋出液检测到总氮是在试验开始后8 h。

参考文献

[1]马洪斌，李晓欣，胡春胜.中国地下水硝态氮污染现状研究[J].土壤通报，2012，43（6）：1532-1536.

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[3]张洪江，何凡，史玉虎，等.长江三峡花岗岩坡面管流在壤中流中的作用[J].中国水土保持科学，2005，3（1）：38-42.

[4]牛健植，余新晓，张志强.优先流研究现状及发展趋势[J].生态学报，2006，26（1）：231-243.

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[6]张洪江.长江三峡花岗岩地区优先流运动及其模拟[M].北京：科学出版社，2006：104.

[7]刘亚平，陈川.土壤非饱和带中的优先流[J].水科学进展，1996，7（1）：85-89.

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[11]王彬俨.北京昌平区农地土壤优先路径特征及其对硝态氮运移的影响[D].北京：北京林业大学，2013.

[12]王彬俨，程金花，张洪江，等.北京昌平区农地土壤优先流影响硝态氮运移的试验分析[J].中国水土保持科学，2013，11（4）：36-41.

[13]HELLING C S，GISH T J.Physical and chemical processes affecting preferential flow [M]//GISH T J，SHIRMOHAMMADI A.Preferential flow proceedings of a national symposiun.St.Joseph MI：Amercian Society of Agricultural Engineers，1991.