三峡库区王家沟小流域不同坡度土壤氮素流失特征研究

兰木羚，高 瑗，高 明，李 东

(1.西南大学 资源环境学院/重庆市三峡库区农业面源污染控制研究中心， 重庆 北碚 400715；2.中山大学 数学与计算科学学院，广东 广州 510275 )

我国是一个农业大国，近十年来化肥施用量一直位于世界前列，其中氮肥的施用量尤为突出。在流域面积较大的水域，菜、果、花等经济作物种植面积大幅度增长，长期施用大量的氮肥成为水体富营养化的主要驱动因素之一，而这种高氮肥集约化农业模式的发展，也使得水质恶化的程度日益严重[1]。氮素径流流失即氮素以矿质氮形态溶解于径流水中，或以无机和有机态氮形式附着于泥沙颗粒表面通过地表或地下径流而产生的损失[2]。三峡库区以山地丘陵为主，降雨充沛，人地矛盾突出，致使其水土流失面积达5.1万km2，每年流失的泥沙量达1.4亿t，占长江上游泥沙流失量的26%，平均土壤侵蚀模数达3 000 t/(km2·a)，其中中度和极强烈侵蚀量占43.5%[3]。目前，国内外学者对流域土壤氮素流失特征、坡耕地地表径流氮素流失机理及其对环境造成的危害进行了大量研究[4-6]，詹艳慧等[7]研究了消落带土壤氮素的吸附释放规律，Grant等[8]研究了农田氮素流失对海洋环境的影响，而针对不同坡度土壤氮素流失特征的研究很少。因此，我们以三峡库区王家沟小流域为研究对象，研究在不同地形坡度下土壤氮素随地表径流与侵蚀泥沙流失的特征，旨在为库区农业可持续发展、生态环境建设、降低农业面源污染等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市涪陵区珍溪镇王家沟小流域，地处涪陵东北部，位居长江北岸，濒临长江黄金水道。该区地貌为山地丘陵，整个地势北部高、南部低，海拔152—320 m，呈缓坡状倾斜；属亚热带季风气候，常年平均气温18.1 ℃，年均降水量1 072 mm，一年中降水以夏秋两季最多，占全年降水量的66%。

1.2 试验设计

试验小区按不同台面坡度设置，台面坡度的选取根据流域测绘数据确定。根据研究区内自然坡度的差异情况，选取台面坡度为4°、9°和17°的地块布设试验小区。试验小区采用M7.5浆砌砖结构修建，每个小区长10 m、宽6 m，面积60 m2。

小区供试作物为玉米，品种为渝单15，2009年2月27日开始育秧，3月17日移栽并施基肥(每小区施2.7 kg)。移栽时，玉米植株行距0.9 m、株距0.5 m，离顶距0.5 m、离底距0.5 m，共计7行19列。4月16日各试验小区施追肥(每小区施6.75 kg)，供试玉米于7月26日收割。于玉米移栽前采集各小区内0—20 cm混合土样测定小区土壤理化性质背景值(表1)。

表1 试验小区供试土壤基本理化性质

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集

2009年3月17日在试验小区施基肥前采用梅花形四分法对每个小区取表层(0—20 cm)土样，此后分别于4月17日、4月24日、5月5日、5月13日、6月3日、6月13日、6月25日、7月2日、7月26日、8月5日、8月27日、9月3日、9月15日、10月9日进行采样和分析工作，共取得14次径流水和侵蚀泥沙样。每次采样后洗净沉沙池，以备下次再用。

每次取柱状水样2～3个(总量1 000～3 000 mL)，混合后滴入4 mL浓硫酸终止微生物活动，置于4 C°以下保存并在一周内完成分析工作。待水样采集完成后，经清池、静置过滤后将径流泥沙收集，带回实验室。

1.3.2 测定指标及计算方法

(1)水样。 全氮采用开氏法；铵态氮采用靛酚蓝比色法；硝态氮采用酚二磺酸比色法[9]。

(2)泥沙。全氮采用开氏消煮法；铵态氮采用2 mol/L KCl溶液浸提-靛酚蓝比色法；硝态氮采用2 mol/L KCl溶液浸提-酚二磺酸比色法[9]。

(3)地表径流氮素流失量。采用下式计算

(1)

式中：Ww为单位面积的地表径流氮素流失量，mg/m2；Wwi为第i次采样的径流水量，m3；Cwi为第i次采样的径流水氮素浓度，kg/m3；S为不同坡度的试验小区面积，m2；106为单位转换系数。

(4)侵蚀泥沙氮素流失量。采用下式计算

(2)

式中：Ws为单位面积的侵蚀泥沙氮素流失量，mg/m2；Wsi为第i次采样的侵蚀泥沙量，kg；Csi为第i次采样的侵蚀泥沙氮素含量，g/kg；S为不同坡度的试验小区面积，m2；103为单位转换系数。

试验区降雨量用虹吸式自记雨量计测定。试验数据的统计分析采用SPSS 13.0软件，制表主要采用Excel 2003软件。

2 结果与分析

2.1 不同坡度下地表径流氮素流失特征

土壤氮素随地表径流流失主要有两种形式，一是以溶解于径流中的可溶态氮随地表径流流失，二是吸附于侵蚀泥沙表面以无机态和有机态形式存在的氮素随泥沙流失，且以第二种形式为主要的流失形式[10]。

表2为不同坡度小区地表径流氮素流失量。由表2可知，单场降雨坡度4°的小区铵态氮、硝态氮、全氮随地表径流流失量变化范围分别为0.03～0.46 、0.14～1.72 和0.59～7.06 mg/m2；坡度9°的小区变化范围分别为0.02～1.06、0.07～4.29和0.30 ～17.32 mg/m2；坡度17°小区变化范围分别为0.05～1.38、0.16～7.26和0.68～28.12 mg/m2。地表径流氮素流失量相对较小，变幅不大，铵态氮、硝态氮、全氮总流失量均呈现17°>9°>4°的趋势，说明单场降雨条件下坡度对地表径流氮素流失量的影响随着坡度的增大而增大，其中坡度9°较坡度4°铵态氮、硝态氮、全氮总流失量分别高出70%、88%、83%，坡度17°较坡度4°分别高出2.3、3.0、2.9倍，说明坡度越大坡度对地表径流氮素流失量的影响就越明显。张亚丽等[11]对黄土高原坡度对坡面土壤矿质氮素水蚀流失负荷影响的研究表明，地表径流氮素流失量表现为25°>20°>15°>10°>5°，本研究结果与其相似。

表2 不同坡度小区地表径流氮素流失量 mg/m2

从表2还可看出，对于地表径流氮素流失形态来说，单场降雨条件下坡度4°、9°和17°均表现出硝态氮流失量高于铵态氮流失量的现象，总流失量分别高出3.2、3.6、4.0倍，说明硝态氮较铵态氮更易随地表径流流失，坡度越大差异就越明显。袁玲等[12]对三峡库区典型农耕地的氮素淋溶与评价研究表明，在淋失的氮素中硝态氮占90%以上，其原因可能是土壤自身铵态氮含量较低，铵态氮在土壤中容易被土壤胶体吸附而不易被淋失。

2.2 不同坡度径流小区侵蚀泥沙氮素流失特征

表3为不同坡度径流小区侵蚀泥沙氮素流失量。由表3可知，单场降雨条件下坡度4°小区侵蚀泥沙铵态氮、硝态氮、全氮的流失量变化范围为0.20～1.32、0.31～1.98和14.72 ～ 100.71 mg/m2，坡度9°小区变化范围分别为0.28～1.88、0.42～2.81和20.64～141.02 mg/m2，坡度17°小区变化范围分别为0.39～2.61、0.59～3.90和27.99～189.06 mg/m2。单场降雨条件下小区侵蚀泥沙氮素流失量变幅不大，铵态氮、硝态氮、全氮总流失量均呈现出17°>9°>4°的趋势，其中坡度9°小区较坡度4°小区铵态氮、硝态氮、全氮总流失量分别高出35%、34%、35%，坡度17°小区较坡度4°小区分别高出79%、76%、76%，这说明坡度对侵蚀泥沙氮素流失的影响是随着坡度的增大而增大的。

表3 不同坡度径流小区侵蚀泥沙氮素流失量

mg/m2

从表3还可以看出，对于侵蚀泥沙氮素流失形态来说，单场降雨条件下坡度4°、9°和17°小区均表现出硝态氮流失量高于铵态氮流失量的现象，总流失量分别高出51%、50%、49%，这说明硝态氮较铵态氮更易随侵蚀泥沙而流失，但随着坡度的增大其差值有减少的趋势，这与地表径流氮素流失特征相反。

综合表2、表3可知，单场降雨不同坡度小区地表径流氮素流失量和侵蚀泥沙氮素流失量均呈现17°>9°>4°的趋势；坡度4°、9°和17°小区的侵蚀泥沙全氮流失量分别占总流失量的94.4%、92.5%和88.4%，说明土壤流失氮素主要随侵蚀泥沙流失，比值随坡度的增大略有减少。袁东海等[13]对红壤区小流域不同土地利用方式下氮磷流失特征研究发现，流失的土壤氮素以泥沙结合态为主。

2.3 不同坡度小区地表径流量、泥沙流失量与降雨量的关系

2.3.1 不同坡度小区地表径流量与降雨量的关系

降雨是导致农田产生地表径流的主要因素，坡度能影响地表径流对坡面的冲刷能力[14]。图1是不同坡度小区地表径流量与降雨量的关系。由图1可知，同一坡度小区地表径流量与降雨量之间存在着显著的线性相关性(P<0.05)，且坡度4°时相关系数最小(其值为0.635 1)，随着坡度的增大相关系数增大，坡度17°时最大(其值为0.885 5)。汪涛等[15]对紫色土坡耕地径流特征研究得出回归方程为y=2.597 2x+18.129，说明降雨量是地表径流量的主控因子，地表径流量与降雨量呈显著线性相关。

图1 不同坡度小区地表径流量与降雨量的关系

从地表径流量与降雨量线性回归方程的斜率看，坡度4°小区斜率值为0.003 1，坡度9°值为0.005 5，坡度17°值为0.007 6，说明在相同降雨强度下地表径流量随着坡度的增大而增大，这与前面对不同坡度下地表径流氮素流失特征的研究结果一致。

2.3.2 不同坡度小区泥沙流失量与降雨量的关系

在泥沙流失过程中，水和沙是物质运移的主要载体,土壤养分随泥沙迁移造成流失及淋失[16]。产沙量受降雨量、土壤母质、土地利用方式和地形等因素的综合影响[17]。图2是不同坡度小区泥沙流失量与降雨量的关系。由图2和计算值可知，泥沙流失量与降雨量存在着显著的线性相关性(P<0.05)，相关系数随坡度的增大而减小，这和地表径流量与降雨量的关系相反。由于影响泥沙流失量的因素更为复杂，所以这有待于进一步研究。陈月红等[18]通过对黄土高原吕二沟流域水土流失的研究发现，场产沙量和场径流量之间存在显著的幂函数相关关系(P<0.05)，相关系数r>0.8。

图2 不同坡度径流小区泥沙流失量与降雨量的关系

从小区泥沙流失量与降雨量拟合方程的斜率看，其斜率值为17°>9°>4°，说明在相同降雨强度下，坡度越大侵蚀泥沙量就越大。罗专溪等[19]对紫色土坡地泥沙养分与泥沙流失的耦合特征研究发现，在相同降雨量下，不同坡度泥沙流失量呈现显著差异性(P<0.05)，说明坡度对泥沙流失量影响巨大，且坡度与泥沙量存在着显著线性相关性(R2= 0.775，P<0.01)，说明泥沙流失量随坡度的增大而增大，本研究的结果与其相似。

3 结果与讨论

(1)就不同坡度小区氮素流失特征看，地表径流与侵蚀泥沙氮素流失量总体不大，单场降雨最大值分别为28.12、189.06 mg/m2，侵蚀泥沙氮素流失量明显高于地表径流氮素流失量，坡度4°、9°和17°小区的侵蚀泥沙全氮流失量分别占总流失量的94.4%、92.5%和88.4%，说明土壤中流失的氮素以泥沙结合态为主[12]，比值随坡度的增大有减少的趋势；铵态氮、硝态氮、全氮总流失量均呈现17°>9°>4°的趋势，说明氮素流失量随坡度的增大而增大；铵态氮流失量<硝态氮流失量，坡度越大两者随地表径流流失量的差值就越大，随侵蚀泥沙流失量的差值有减小趋势，这可能与土壤含氮差异、作物生长情况等因素有关。

(2)就不同坡度小区对地表径流量、泥沙流失量的影响来看，在不同坡度下，地表径流量、泥沙流失量与降雨量均呈现显著线性相关性(P<0.05)，但地表径流量随着坡度的增大与降雨量相关性增强，而泥沙流失量表现则相反，这可能与土壤母质、作物生长情况等因素有关。

[参考文献]

[1] 徐畅.三峡库区小流域土壤氮素迁移转化及调控技术研究[D].重庆：西南大学,2011:1-6.

[2] 李志博,王起超,陈静.农业生态系统中氮素循环研究进展[J].土壤与环境,2002,11(4): 417-421.

[3] 王晖,廖炜,陈峰云,等.长江三峡库区水土流失现状及治理对策探讨[J].人民长江,2007,38(8)：34-36.

[4] Sharpley A N,Gburek W J,Folmar G J,et al.Sources of phosphorus exported from an agricultural watershed in Pennsylvania[J].Agricultural Water Management,1999, 41 (2):77-89.

[5] Jansons V,Busmanis P,Dzalbe I,et al.Catchment and drainage field nitrogen balances and nitrogen loss in three agriculturally influenced Latvian watersheds[J].European Journal of Agronomy,2003,20(1-2)：173-179.

[6] Francos A,Bidoglio G,Galbiati L,et al.Hydrological and water quality modeling in a medium-sized coastal basin[J].Physics and Chemistry Earth,2001,26(1)：47-52.

[7] 詹艳慧,王里奥,焦艳静.三峡库区消落带土壤氮素吸附释放规律[J].重庆大学学报，2006,29(8)：10-13.

[8] Grant R,Nielsen K,Waagepetersen J.Reducing nitrogen loading of inland and marine waters-evaluation of Danish policy measures to reduce nitrogen loss from farmland[J]. AMBIO: A Journal of the Human Environment,2006,35(3):117-123.

[9] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社，2000.

[10] 张兴昌.侵蚀泥沙氮素富集规律及模型研究[J].生态经济,1999(3)：41-44.

[11] 张亚丽,李怀恩,张兴昌,等.坡度对坡面土壤矿质氮素水蚀流失负荷的影响[J].水土保持通报,2007,27(2)：14-17.

[12] 袁玲,王容萍,黄建国.三峡库区典型农耕地的氮素淋溶与评价[J].土壤学报,2010,47(4)：674-683.

[13] 袁东海,王兆骞,陈欣,等.红壤小流域不同利用方式氮磷流失特征研究[J].生态学报,2003,23(1)：188-198.

[14] 李东.三峡库区小流域氮素空间分布及流失特征研究[D].重庆：西南大学,2010：1-11.

[15] 汪涛,朱波,罗专溪,等.紫色土坡耕地径流特征试验研究[J].水土保持学报,2008,22(6)：30-34.

[16] 高杨,宋付朋,马富亮,等.模拟降雨条件下3种类型土壤氮磷钾养分流失量的比较[J].水土保持学报,2011,25(2)：15-18.

[17] 李宪文.四川紫色土区小流域产流产沙和养分流失特征及其动态模拟[D].南京:中国科学院南京土壤研究所,2000.

[18] 陈月红,余新晓,谢崇宝.黄土高原吕二沟流域土地利用及降雨强度对径流泥沙影响初探[J].中国水土保持科学,2009,7(1)：8-12.

[19] 罗专溪,朱波,汪涛,等.紫色土坡地泥沙养分与泥沙流失的耦合特征[J].长江流域资源与环境,2008,17(3)：379-383.