土壤氮素随地表径流迁移规律研究进展

拜得珍

（青海省环境科学研究设计院，青海 西宁 810007）

氮素（尤其是硝态氮）极易随地表径流迁移，引起地表水环境恶化和地下水硝酸盐含量过高等环境问题。土壤氮素的迁移与流失规律已成为土壤学、水文学、环境科学等多个学科领域的交叉点和研究热点，径流是土壤养分迁移的主要动力，而水土流失则是土壤氮素迁移的主要载体。开展土壤氮素随地表迁移规律的研究，阐明氮素在地表径流和土壤中的迁移过程及影响因素，对于探讨土壤退化机理、保护水体环境安全具有重要的理论和生产意义。

1 氮素迁移规律的研究方法

1.1 传统研究方法

土壤生态系统中养分地表径流损失是降雨产流和土壤侵蚀的结果，对于自然降水引起的地表径流养分流失的研究，过去多采用流域的质量平衡法，如今人工模拟降雨试验成为研究地表径流中氮素损失的重要手段。其优点是可以缩短周期，灵活地控制降雨强度、降雨时间及其他影响因素，并便于在野外和室内应用。

氮素迁移规律的研究方法由定性研究转变到污染模型研究上，模型以产污机理为理论基础，模拟污染物的迁移转化并反映时空分布特征。非点源污染模型研究经历了从统计模型阶段到机理模型为基础的定量化阶段，再到实用性阶段。通常用流域水文模型与次暴雨径流污染负荷估算模型来定量估计一定时段内非点源污染产生的负荷量。其中单次暴雨非点源污染负荷定量化模型常用两种方法：一种是通过对降雨径流、水土流失和污染物迁移的模拟，估算污染物的输出量；另一种是立足于受纳水体水质分析，建立汇水区域污染物的输出量经验统计模型。

1.2 新技术的应用研究

改进的遥感技术运用带间参照和一系列算法可鉴定低氮区或缺氮区，近地量化氮素流失及需要量。由于氮素随地表迁移具有随机性大、分布范围广、形成机理模糊、潜伏性强、滞后发生和管理控制难度大的特点，而运用计算机强大的模拟功能和计算功能，结合GIS的空间数据处理分析能力和遥感技术可提供数据源的能力，建立新的模型模拟营养元素在土壤和水体中的迁移转化特征成为常用方法。

2 土壤氮素迁移规律及影响因素

2.1 土壤氮素的形态特征及迁移机理

降雨条件下坡地土壤溶质迁移是一个复杂的物理化学过程，受到众多因素的影响，但直接决定因素是化学元素、土壤和水三者。其中，化学元素是土壤溶质的组成成分，土壤是供给源，水是驱动者。氮素的非点源污染主要机理是扩散和迁移，其中扩散包括污染物在土壤圈中的扩散和污染物在外界条件下（降水、灌溉等）从土壤向水体的扩散两种。污染物迁移主要有两种，一种是结合在悬浮颗粒上，随土壤流失进入水体发生迁移，另一种是水溶性较强的污染物被淋溶而进入径流。一般来说，氮源施入土壤后，通过化学与微生物过程，转化为铵态氮（NH+4—N）和硝态氮（NO-3-N），NH+4-N呈球形扩散，NO-3-N以质流方式迁移。由于铵态氮（NH+4-N）呈球形扩散容易被土壤胶体所吸附，除吸附达到饱和外，一般不易发生迁移；而NO-3-N不易被土壤颗粒吸附，易于被淋洗进入水体随径流发生迁移。

研究结果表明，径流中的氮形态和浓度同表层土壤中氮的组成有关。在未施大量有机肥和化肥的矿质土壤中，表层土壤中无机态氮很少，主要为铵态氮和硝态氮。在降雨径流条件下，雨水及径流相互作用的土层甚薄，只与0～2.5cm土层密切相关，可溶性较强的铵态氮、硝态氮以及可溶性的有机氮被淋溶进入径流水体，随水土流失的颗粒态氮成为地表径流氮流失的主要形式[1]。而在坡地农田利用方式中，流失的氮磷中60%以上是被泥沙带走。分析径流的颗粒物粒径，径流中流失的颗粒物以0.25mm以下的团聚体为主[2]。

2.2 土壤氮素随地表迁移的影响因素

2.2.1 降雨及径流的影响特征

强降雨形成的地表径流是氮流失的主要途径，研究表明：地表径流氮流失量与径流量成正相关，累积氮流失量与累积径流量之间存在幂函数关系：TN=aRb[3]。氮的输出速率与降雨径流过程呈递减变化，总氮与径流量对地表的侵蚀能力成正相关，其浓度的递减规律呈抛物线形，并随降雨强度的增大而增大.在降雨历时、降雨量、最大雨强3个参数中，降雨量与污染物输出量也呈较好的幂指数相关关系[4]，流域非点源污染的季节变化与流域降水的季节变化基本一致，非点源污染主要发生在降雨丰富的时段[5]。

在少量或无侵蚀发生的土地利用类型中，径流水成为养分流失的主要途径，部分氮磷以液态形式随地表径流迁移。坡面养分以泥沙结合态流失为主，磷钾的水溶态是养分流失的重要途径[6]，而氮、磷、钾在流失泥沙中有明显的养分富集现象[7]，在降雨产沙最初阶段，氮的富集系数很高，随后逐渐降低，并随径流泥沙损失量的增加，径流泥沙对氮的富集系数逐渐减少。粒径＜0.045mm团聚体对氮的富集作用最强，富集系数也最大，而0.1—0.045mm团聚体对氮的富集作用最弱，富集系数也最小[2]。

2.2.2 土壤物理状况与地形条件

土壤类型、结构、物理和化学性质都会影响地表径流量和污染物迁移速度，不同的土壤水分含量和质地对氮素迁移有很大影响，长期利用地表排水系统的水田，土壤状况能得以改善，土壤盐渍化程度降低，有助于NH4+被粘土吸附，控制铵态氮（NH4+—N）随质流的运移流失。同时土壤明显的干湿交替，促进了硝化和反硝化作用，也容易造成硝态氮（NO3——N）随地表排水流失，有机质和速效氮、磷、钾养分的流失强度与坡长呈指数函数关系。

2.2.3 土地利用方式和土地管理措施

土地利用类型对径流中氮素的含量有着显著的影响，径流N、P的流失量与肥料投入水平有一定的正相关性，同时与研究区的土地利用方式、水肥管理及种植制度有关[8]。

田间管理方式也与农田氮流失有关，特别是耕作时间和耕作方式，旱地地表径流中总氮平均浓度顺坡种植＞平板种植＞聚土垄作。通过对土地利用类型的优化配置，合理采用水土保持耕作法，控制施肥量和适宜的农田耕作方式，可减少地表径流中氮的含量[9]。耕作方式对土壤侵蚀和地表径流有着重要的作用，犁耕农田的地表径流量是免耕农田的1 185倍，水平沟与传统耕作方法相比，每年可以减少6 157kg/km2矿质氮流失[10]。

大规模造林以及水保耕作措施对土壤N素合理分配均产生重要影响，水保耕作措施在降低地表径流引起的颗粒态氮损失的同时有利于硝态氮的淋失，而集约化农业氮素以淋溶和气体损失为主[11]。张兴昌等模拟天然降雨，研究不同植被覆盖度对流域氮素流失的影响，发现植被覆盖度上升可以增加径流液中矿质氮的浓度，径流和侵蚀量随植被覆盖度增加呈递减趋势，而NH+4—N 和 NO－3—N 流失却呈递增趋势[12]。

3 土壤氮素地表径流迁移的调控措施

在了解土壤氮素随地表径流迁移的形态特征及影响因素的基础上，评价氮素迁移的环境效应，开展土壤氮素地表径流迁移的调控工作。从众多的研究结果来看，调控措施大体可以分为两大类，即“源”防治和“汇”防治，通过源区养分管理，减缓水速，促进流水颗粒沉淀，从而减少氮的流失，达到氮素地表径流迁移调控的目的。

3.1 “源”的调控措施

主要是加强养分管理和耕地管理，开展科学施肥。实践经验证明，施氮量与氮素利用之间存在明显的负相关关系，过多的氮肥施用起不到增加产量的目的，相反会起到浪费资源、污染环境的效果。要依据作物需肥规律、土壤供肥特性与肥料效应，采用平衡施肥等科学施肥方法，推广施用缓释性肥料，可最大限度地避免养分流失。耕作管理，主要是对耕作技术上的要求，主要包括带状农作、作物轮作、保护性耕种以及覆盖种植，研究表明这些耕作技术可有效调控径流污染物的迁移进程。在“源”的调控措施中要加强对面源污染源的整治，尤其是对牲畜粪便污染物的管理和整治不容忽视。

3.2 “汇”调控措施

地表径流是污染源迁移的主要动力，径流中的颗粒物是污染物的主要载体。因而进行径流中污染物的调控，可通过对地表径流进行调控来实现。地表径流调控的最终目的是改变下垫面状况，阻止雨滴直接打击裸露的地面，分散地表径流，削弱水土流失动力，利用地表径流分散和聚集相结合的手段达到控制水土流失和保护水土资源的双重目标。目前常用生物措施、耕作措施和工程措施、化学措施以及小流域综合治理体系来调控降雨径流，增加土壤水库贮存能力，消除土壤流失动力。通过修建梯田、水平构、鱼鳞坑等工程措施来进行径流调控是常见的“汇”调控措施。

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[11]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].ENVIRONMENTALSCIENCE，2000，6：16-19.

[12]李振声，朱兆良，章申，等.挖掘生物高效利用土壤养分潜力保持土壤环境良性循环[M].中国农业大学出版社，2004：345－350.