五龙池小流域耕作土壤硝态氮淋失变化

任惠敏　李国慧　林成　宋娅妮

摘要  选取丹江口库区青塘河五龙池小流域坡耕地夏玉米黄棕壤为供试土壤，采用田间原位淋湿装置，通过阴阳离子树脂吸附法研究了3种耕作土壤硝态氮淋失的时空变化及其影响因素。结果表明，不同耕作方式土壤硝态氮累积淋失量存在明显差异，平作可以减少0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量，而横坡和顺坡垄作均增加了10～20 cm和20～30 cm土层土壤硝态氮淋失量。研究结果可以量化土壤氮素循环机理，具有重要科学意义，并可为丹江口库区农业非点源污染防控提供依据。

关键词  耕作方式;硝态氮淋失;影响因素;五龙池小流域

中图分类号  S153    文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2019）24-0067-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.022

Nitrate Nitrogen Leaching and Influencing Factors of Tillage Soils in Wulongchi Small Watershed

REN Hui-min，LI Guo-hui，LIN Cheng et al  （Faculty of Resources and Environmental Science， Hubei University， Wuhan，Hubei 430062）

Abstract  In this study， the yellow brown soil of summer maize in slope farmland of Wulongchi small watershed of Qingtang River in Danjiangkou Reservoir Area was selected as the test soil， and the spatio-temporal variation of nitrate nitrogen leaching loss in three tillage soils and its influencing factors were studied by means of anion-cation resin adsorption method using in-situ field wetting device. The results showed that there were significant differences in the cumulative nitrate nitrogen leaching loss of different types of cultivated soils. Flat tillage could reduce the nitrate nitrogen leaching loss of 0-10 cm soil layer， while ridge tillage on both the transverse slope and the slope increased the nitrate nitrogen leaching loss of 10-20 cm and 20-30 cm soil layer. The research results can quantify the mechanism of soil nitrogen cycling， which are of great scientific significance and provide basis for the prevention and control of agricultural non-point source pollution in Danjiangkou Reservoir Area.

Key words  Farming method;Nitrate nitrogen leaching;Influencing factor;Wulongchi small watershed

基金项目  湖北省大学生创新训练项目（201710512081，201810512114）;国家自然科学基金项目（41471227）。

作者简介  任惠敏（1998—），女，山西忻州人，硕士研究生，研究方向：水土保持与面源污染。

收稿日期  2019-04-30;修回日期  2019-05-21

氮素是农业生产必需的营养元素[1]，氮肥的不合理施用和土壤氮素流失不仅降低氮肥的农业效益，而且对流域农业生态环境造成负面影响，尤其会对水环境造成污染[2-3]。土壤氮素流失的主要途径有淋溶、侵蚀、硝化等，而硝态氮是氮素淋溶的主要形态[4-5]。由于硝态氮带负电，自身吸附性较弱，其淋失速度较快，因此硝态氮淋失量的定量分析是流域生态环境效应评价的难点[6]。已有研究分析了不同种植模式、不同土地利用类型、不同施肥條件、不同降雨和灌溉模式等对农田土壤氮素淋失特征的影响[7-10]。但是，目前国内外关于硝态氮淋失强度的量化研究鲜见报道，尤其对于耕作土壤硝态氮淋失的量化研究更少[6，11]。不同耕作模式对土壤养分流失的影响存在很大差异，有些耕作模式在减少养分流失的同时却增加了其他损失的途径，因此寻找可以控制养分流失的有效耕作模式十分必要。

丹江口库区是我国南水北调中线的重要水源地，农田氮素流失是库区农业非点源污染的主要来源，然而不同耕作土壤中无机氮流失的研究机制尚不清楚。笔者采用阴阳离子吸附法，选取具有代表性的3种类型的五龙池小流域典型耕作方式，重点研究耕作土壤硝态氮淋失的动态特征并探讨其原因，以期为丹江口库区农田耕作土壤养分积累和环境效应的合理评价提供数据支撑，也为丹江口库区水环境保护提供依据。

1  研究区概况与研究方法

1.1  研究区概况

五龙池小流域位于湖北省丹江口库区习家店镇（111°13′E，32°45′N），总面积约1.92 km2，属于亚热带半湿润季风气候，多年年均气温16.10 ℃，多年平均年降雨量797.60 mm，降雨集中分布在4—10月。土壤类型以黄棕壤为主，局部具有紫色土和石灰土，土层分布不均匀。流域的土地利用类型以农地和林地为主，主要农作物有小麦、玉米、花生等，经济作物有柑橘等。该流域坡耕地所占比重较大，土壤侵蚀以水力侵蚀为主。五龙池小流域在汉江北岸由北向南汇入丹江口水库，是丹江口库区非点源污染综合治理的典型示范区。

1.2  研究方法

试验设平作、横坡垄作、顺坡垄作3组处理，每个处理重复3次，共计9个小区，小区面积为1.2 m×10.0 m。横垄耕作下，垄长100 cm，垄宽40 cm，垄沟宽20 cm，垄高10 cm，垄向与等高线平行。顺垄耕作垄向与等高线垂直，其他处理与横垄一致。根据玉米生长状况，划分为苗期（4月1日—5月9日）、拔节期（5月10日—6月10日）、抽穗期（6月11日—7月8日）、成熟期（7月9日—8月6日）4个成长阶段。氮素淋失试验采用田间原位淋失装置。阴、阳离子交换树脂袋送回实验室后用150 mL 2 mol/L KCl溶液浸提，采用双波长系数法（HJ/T346-2007）和纳氏试剂比色法（HJ535-2000）通过紫外可见分光光度计（UV-1200）测定硝态氮（土壤样品和浸提液）含量。

土壤硝态氮淋失量计算公式：

L=C/m

m=ρ×V×10^-3

V=S×H

式中，L为硝态氮淋失量（mg/kg）;C为树脂吸附的氮含量（mg）;m为所采集土壤的质量（kg）;ρ为土壤容重（g/cm3）;S为铝合金管的底面积（cm2）;H为所取土层的厚度（cm）。

用Excel和SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2  结果与分析

2.1  耕作土壤硝态氮累积淋失量

由表1可知，整个玉米生长期，不同耕作类型土壤硝态氮累积淋失量存在明显差异，总体表现为横垄比顺垄的累积淋失量大。0～10 cm厚土层硝态氮的淋失量是平作>横垄>顺垄;10～20 cm和20～30 cm厚土层硝态氮淋失量均为横垄>顺垄>平作。

0～10 cm横垄和顺垄土壤硝态氮累积淋失量较平作少14.19%和14.96%;10～20 cm平作和顺垄土壤硝态氮累积淋失量较横垄少34.57%和20.28%;20～30 cm平作土壤硝态氮累积淋失量较横垄和顺垄少35.35%和31.42%。这表明改变垄向可减少0～10 cm土层土壤硝态氮累积淋失量，改变垄向可增加10～20 cm和20～30 cm土层土壤硝态氮的累积淋失量。

2.2  耕作土壤硝态氮淋失动态

玉米生长期内，不同耕作类型不同层次土壤硝态氮淋失量的变化趋势存在明显差异。

平作耕作条件下，0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量呈现升高-降低-升高的变化趋势，具体表现为土壤硝态氮淋失量在苗期较低，拔节期升至最高，淋失比例为30.10%;随后缓慢降低，在抽穗期累积淋失量最低，淋失比例为21.51%，成熟后期淋失量又逐渐增大。横垄耕作条件下，0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量呈现缓慢增加的变化趋势，具体表现为土壤硝态氮淋失量在苗期出现最低值，淋失比例为17.18%;在拔节期和抽穗期均显著升高，较苗期分别增加19.38%和54.41%，并在成熟期达到峰值，淋失比例为35.80%。顺垄耕作条件下，0～10 cm土层土壤硝态氮淋失呈现升高-降低-升高的变化趋势，具体表现为土壤硝态氮淋失量在苗期较低，在拔节期显著升高达到峰值，淋失比例为37.74%;在抽穗期显著降低，较拔节期减少75.20%;在成熟期显著升高，淋失比例达37.21%。对比发现，横垄和顺垄耕作条件下苗期0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量均减少，成熟期0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量均增加。

玉米生长期内，10～20 cm土层3种耕作类型土壤硝态氮淋失量的变化趋势大致相同，均表现为增加-减少-增加的变化趋势。横垄耕作条件下，土壤硝态氮淋失量在成熟期出现峰值，淋失比例为40.29%。顺垄耕作条件下，土壤硝态氮淋失量在拔节期出现峰值，较横垄峰值少18.96%。平作耕作条件下，土壤硝态氮淋失量在拔节期出现峰值，较横垄和平作峰值少37.79%和23.24%。改变垄向增加了10～20 cm土层的硝态氮淋失量。

在玉米生长期内，平作耕作条件下，20～30 cm土层土壤硝态氮淋失量呈现先增加后减少再增加的变化趋势，苗期的硝态氮变化幅度较为平缓;在拔节期显著升高达到峰值，淋失比例为37.34%;在抽穗期显著降低，达到最小值，淋失比例为14.99%，成熟期逐渐增加，较抽穗期增加104.26%。横垄耕作条件下，20～30 cm土层土壤硝态氮淋失量呈现线性增加的变化趋势，苗期淋失量最低，在成熟期達到峰值，变化为9.04～35.50 mg/kg。顺垄耕作条件下，20～30 cm土层土壤呈现先增加后平缓再逐渐增加的变化趋势，苗期硝态氮淋失量最低，仅占总淋失量的10.01%，在拔节期和抽穗期显著增加，较苗期增加190.77%和257.06%。比较发现，改变垄向增加了抽穗期和成熟期20～30 cm土层的硝态氮淋失量。

3  讨论

农田土壤氮素淋失一方面导致农田养分损失，降低养分利用率;另一方面，淋失出土体的氮素大部分进入水体环境，威胁地下水饮用安全，也污染江河、湖泊等地面水体，是最为重要的农业面源污染源之一[12]。横垄耕作可以更好地蓄水保墒、排涝通风以及防冻抗旱，还可以增大根部土壤厚度和土层温度、提高土壤肥力，进一步减少水土流失[13-14]。

该研究显示，玉米生长期内，0～10 cm土层土壤硝态氮累积淋失量总的趋势是平作>橫垄>顺垄;10～20 cm和20～30 cm土层土壤硝态氮累积淋失量总的趋势均为横垄>顺垄>平作，说明垄作可以减少表层土壤硝态氮的淋失，这与刘前进等[14]的研究结果基本一致。其原因可能：一是横垄耕作通过改变垄向，达到减缓坡度、缩短坡长的目的，进而影响硝态氮淋失量;二是构性好的土壤垄作以后产生大的土壤比表面积和短的弥散路径可以拦蓄雨水，增大降雨入渗，从而减少硝态氮的淋失;三是横垄耕作影响土壤的扰动程度和残留物的存在，进一步影响土壤水分运动[15]。

4  结论

改变垄向可以减少0～10 cm土层土壤硝态氮淋失量，对减少流域坡耕地的径流和土壤流失具有明显作用。而横垄和顺垄耕作均增加了10～20 cm和20～30 cm土层土壤硝态氮淋失量。

参考文献

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