四川紫色土壤中流氮流失特征及控制技术

储栎泉，焦涵薇，余 靖，张超杰，周雪飞，张亚雷

(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

前 言

四川是紫色土分布最为集中的地区，紫色土由紫色砂岩或页岩风化而来，下伏透水性较弱的泥页岩。在紫色土中，养分随壤中流流失现象十分严重，土壤中的氮、磷、农药等物质随壤中流大量进入附近水体，造成附近水环境恶化[1-2]。壤中流中氮素的流失，不仅影响了作物对农药化肥的利用，还导致了附近地表水体的富营养化以及地下水的硝酸盐污染，更威胁到长江上游水的水质[1]。

目前，关于壤中流养分流失方面已进行了大量的研究，但国内外的研究主要集中在壤中流的产生机制、输出强度、以及降雨、植被覆盖等对壤中流养分流失的影响上，关于壤中流养分流失的具体情况缺少深入的分析与讨论[3-4]。

本文简要综述了四川紫色土壤中流产流情况、氮素随壤中流的流失情况以及氮素流失的具体特征，并概述目前的研究所存在的问题以及未来的发展方向。以期阐明四川紫色土壤中流中氮流失的现状，同时为后续污染的治理与控制以及该领域更深入的研究提供基础与依据。

1 壤中流养分流失

1.1 壤中流

壤中流是指在不同透水性的土壤层界面中的水流，包括水分的垂直下渗和水平侧流，是径流的一部分[5]。农药化肥的不合理使用，导致养分在土壤中积累，过量养分随降雨和灌溉产生的径流大量流失。土壤养分随径流流失，不仅导致农产品质量下降，还会造成一定的水体污染[6]。目前关于养分随径流流失的研究主要集中在地表径流上，但在四川地区的紫色土中，壤中流中养分的流失不容忽视，有研究表明，在四川盆地紫色土地区，随壤中流流失是氮流失的主要途径[7]。

1.2 四川紫色土壤中流

四川盆地地区，土壤类型以紫色土为主。紫色土易风化、抗蚀性差，孔隙度大，入渗能力强，下伏透水性较弱的泥页岩,使得该地区壤中流产流量大[8-9]。且四川地区降雨时空分布不均匀，农药化肥使用不合理，养分随随壤中流流失十分严重[10]。

1.3 四川紫色土壤中流养分流失

壤中流的养分流失中氮、磷的流失占有很大比重，氮素的溶解性远大于磷素，且磷易与土壤中的矿物结合生成不溶物，因此总氮的流失远大于总磷的流失[4]。壤中流中氮素的流失形式有颗粒态氮、铵态氮、亚硝态氮和硝态氮，但主要以硝态氮的形式流失[1, 11]。这是由于氮肥进入土壤后，快速转化为铵态氮，而在紫色土旱地，硝化作用强烈，铵态氮转化为硝态氮，导致土壤中铵态氮的本底含量低；另一方面，铵态氮带正电，易被土壤中的负电荷所吸附[5, 8]。而硝态氮带负电，不易被土壤中的负电荷所吸附，且硝态氮易溶于水，降雨后易进入水体[1, 6]。

2 壤中流产流影响因素

2.1 降雨强度

降雨强度对壤中流的影响体现在两个方面。一是对壤中流径流量的影响，强降雨时壤中流径流量小于弱降雨时壤中流的径流量[12]。Van等[13]研究表明，弱降雨时，壤中流的产流量占总径流产流量的80%。这是由于强降雨的雨滴对土壤表层产生较大的打击与溅蚀，表土的孔隙被泥沙堵塞而导致表层结皮，水分下渗能力减弱，坡面径流量增加而壤中流径流量减少[5, 14]。二是对壤中流氮流失的影响。一方面，雨强增大，随壤中流流失的总氮浓度减小，卢齐齐等通过不同雨强模拟实验发现，雨强为1.0 mm/min、1.6 mm/min、3.0 mm/min时，200 mm处的壤中流总氮流失浓度分别为1.20 mg/L、1.18 mg/L、1.14 mg/L。另一方面，雨强的大小影响氮流失的形式。金桂梅等[15]研究表明，雨强较小时，氮素主要以硝态氮的形式流失，随着雨强增大，冲刷作用加强，颗粒态氮流失量增加。

2.2 土壤的结构与质地

土壤表层结皮时，会堵塞水分向下运动的通道，使水分下渗能力减弱，不利于壤中流产流[12]。龙天渝等[16]研究发现，表土结皮时，降雨更多以地表径流的形式流失，而壤中流的流量减少，但同时表土结皮使得水分入渗速率降低，土壤中硝态氮溶解时间加长，随壤中流流失的氮浓度反而增加。

而砾石的存在有利于壤中流产流[17]。当土壤中砾石含量增多时，土壤质地疏松，水分入渗能力增强，壤中流的产流量增大[18]。Deng等[19]研究发现土壤质地粗糙时，水分渗透能力增强，土壤保水能力降低，壤中流产流量增大。张丽萍等[4]发现粗粒化坡面促进了降水和土壤养分的入渗，壤中流产流量增大，随壤中流流失的养分也随之增多。

2.3 植被覆盖率

在植被覆盖率较大的地区，如森林区域内，壤中流的产流量较大。一方面在森林流域内，枯枝落叶的分解、植物的根系和动物的活动，使土壤质地疏松，土壤透水能力增强；另一方面，大量植物根系消耗土壤水分，土壤水分分布不均匀，水分的传导加快[12, 18]。但森林覆盖率较大，壤中流产流量增大时，养分的流失却随之减弱。常龙飞等[5]研究发现，地表植被覆盖减少时，氮素输出浓度明显增大。王荣嘉等[20]研究发现麻栎林的壤中流总氮输出浓度比荒草地低8.2%，这是因为植被覆盖率大时，土壤中植物根系和枯枝落叶较多，吸收拦截了氮元素，从而减少了氮流失的浓度。

3 壤中流氮流失特征

3.1 氮素来源

壤中流中流失的氮素主要来源于农业活动，农药化肥的过度使用，使土壤中氮素不断累积，从而流入土壤水溶液中[6]。四川紫色土地区是农业的主体区域，不合理的农业耕作和过量化肥的使用，导致紫色土地区氮素随壤中流流失现象十分严重[9]。另外，农村生活污水和畜禽养殖也使土壤中氮素含量增加[2]。四川地区严重的土壤侵蚀，也加剧了土壤表层氮等营养盐的流失[2]。

3.2 氮流失特点

壤中流携带氮流失带来的污染具有随机性，土壤质地、植被覆盖、坡度、雨强等都对壤中流产流造成影响，土地利用类型、地形、地貌等也影响壤中流的产流[2, 18]。同时，壤中流养分流失带来的污染具有时空性，汪涛等[1]研究发现，壤中流中硝态氮含量随季节规律变化：前期硝态氮逐渐升高，而后期逐渐降低。该污染也具有一定的潜伏性，农药化肥中的氮素旱期在土壤中潜伏，雨季到来时才随径流流失[2]。

3.3 氮流失具体情况

3.3.1 浓度

壤中流中氮的流失浓度决定着氮的流失量，部分地区壤中流中氮流失情况如表1所示。研究结果显示，四川盆地紫色土地区的氮流失较其他类型土壤更为严重，硝态氮的流失浓度多在20.00 mg/L以上，总氮的浓度略高于硝态氮。Wang等[7]2004～2006年对紫色土坡耕地壤中流进行长期观测，发现其壤中流中硝态氮的流失浓度均值为21.70±2.10 mg/L。崔元文[8]的研究表明，四川紫色土丘陵区土地在在各种耕作方式下，随壤中流流失的硝态氮浓度均在30.00 mg/L以上。化肥的大量使用会加剧壤中流中氮的流失。Wang等[22]研究发现西南紫色土丘陵地区在施用氮肥的情况下，其壤中流中总氮和硝态氮的流失浓度分别为29.00 mg/L、25.30 mg/L，而施用矿物肥料和禽畜粪便时，总氮和硝态氮的流失浓度仅为7.50 mg/L、7.20 mg/L。姜世伟等[24]研究三峡库区消落带紫色土坡耕地发现，施肥处理时，壤中流的总氮和硝态氮流失浓度分别为20.73±2.05 mg/L、16.81±1.90 mg/L，是减量施肥处理时的2倍以及不施肥处理时的5倍。雨季的到来也会加剧壤中流中氮的流失。刘泉等[23]研究发现川中紫色土丘陵区5月份壤中流总氮和硝态氮流失浓度分别为2.77 mg/L、2.03 mg/L，而在雨季到来后，氮素出现大负荷流失，6月份其总氮和硝态氮流失浓度分别达到31.21 mg/L、27.28 mg/L。

表1 壤中流氮流失情况Tab.1 Nitrogen loss from soil interflow

3.3.2 随土壤深度变化规律

壤中流中氮流失浓度随土壤深度变化而变化，随着土壤深度的增加，壤中流氮流失浓度有增大的趋势。郑海金等[28]观测红壤坡地30 cm、60 cm、105 cm处壤中流发现，在105 cm处壤中流氮的流失量占总流失量的71%以上。卢齐齐等[10]研究紫色土表明100 mm、200 mm、300 mm处壤中流中的总氮流失浓度呈增大趋势，当坡度为4°，雨强为1.0 mm/min时，100 mm、200 mm、300 mm处壤中流的总氮流失浓度分别为1.11 mg/L、1.20 mg/L、1.27 mg/L。褚利平等[27]研究烤烟坡耕地壤中流发现，壤中流中总氮流失浓度的平均值在坡中部和坡下部分别为4.90 mg/L、6.64 mg/L。造成该种现象的原因可能是氮素在不同深度土层中的基础含量不同，在土壤浅层，植物根系和枯枝落叶会吸收部分氮素，从而减少其在土壤中的含量，因此氮素在浅层土壤随壤中流的流失量低于在深层土壤的流失量[20, 27]。

3.3.3 随降雨时间变化规律

壤中流中硝态氮的浓度随降雨的延续而不断变化，研究发现变化规律主要有以下两种。第一种是在壤中流产生初期，硝态氮浓度迅速上升，之后维持在较高的水平。Wang等[7]研究紫色土地区，发现壤中流刚产流时，硝态氮浓度从10.00 mg/L左右上升到46.00 mg/L左右，之后维持在45.00 mg/L左右。这主要是因为壤中流产流前期，旱季积累的氮素开始溶解，使壤中流的硝态氮浓度迅速升高，之后氮素不断溶解，流失量维持在较高的水平[5]。第二种是壤中流产生初期，硝态氮浓度迅速上升，但之后逐渐下降。龙天渝等[16]发现紫色土坡耕地壤中流刚产流时，硝态氮浓度从30.00 mg/L左右迅速上升到120.00 mg/L以上，之后又逐渐下降到40.00 mg/L左右并趋于稳定。这可能是因为土壤中硝态氮的本底值较低，前期迅速溶解，之后逐渐被稀释，最后的浓度将维持在较低的水平。

3.4 危害

四川紫色土地区硝态氮随壤中流流失，造成了附近地表水体的富营养化、地下水的硝酸盐污染，同时也影响到了长江上游水的水质[1]。Wang等[7]观察发现，四川盆地紫色土附近的地表水和潜水井中，硝酸盐的浓度都很高，且停留了很长时间。地表水体富营养化，不仅会损害水生生态系统，最终也会威胁到人类健康[7]。地下水的硝酸盐污染，由于其深埋地下且交替缓慢，净化及其困难[11]。而长江上游是重要的水源地，人类大量饮用硝酸盐超标的水，会损害机体健康甚至致癌[11]。

4 问题及展望

4.1 壤中流的研究方法

目前国内外关于壤中流及其养分流失的研究多基于实验室模拟、室内人工降雨、数学建模等，长期野外实地监测的研究较少。这主要是由于原位监测难于控制、人力财力花费较大，但实地监测的数据可以更准确的反应自然条件下的真实情况，也有利于实际应用[19]。如郑海金等[28]采用野外大型水分渗漏实验装置，进行长达一年的原位野外观测，对不同土地利用类型中地表径流和壤中流的氮素流失进行研究，为当地水土流失和农业面源污染防治提供了科学的依据。另外，壤中流的产流及其携带养分流失受多因子的影响，如土壤结构与质地、土地利用类型、坡度等，但目前的研究大多只综合考虑了1～2个因素，多因子共同作用的定性、定量研究仍需加强[18]。

4.2 壤中流硝酸盐污染控制

壤中流的产流以及养分的流失受多方面因素的影响，随机性大，控制较为困难[10]。目前主要控制措施如表2所示。

表2 壤中流养分流失控制措施Tab.2 Control measures of nutrient loss in soil interflow

以上措施主要是在养分流失产生源头和径流过程进行控制，且其对地表径流的削减作用更为明显[7]。而四川紫色土地区壤中流中氮的流失较地表径流更为严重，未来要加强对壤中流产流的研究。同时，要对目前已经造成的污染进行治理，及时削减其对地表水、地下水以及长江上游水的影响。

5 结 论

四川紫色土地区，氮素随壤中流流失严重，且主要以硝态氮的形式流失。壤中流携带氮流失受到降雨强度、土壤的结构与质地和植被覆盖率等多种因素的影响，其流失浓度也随土壤深度和降雨时间而变化。未来的研究应综合考虑各影响因素，进行原位的观测，反应实际情况下壤中流的产流及氮流失特征。同时，由于氮流失可能导致的水体富营养化和地下水硝酸盐污染问题，在防止其流失的同时应及时对已产流的采取控制措施，削减污染，从源头和传播途径两个方面联合控制紫色土地区氮随壤中流流失问题。