滇中高原不同土地利用类型土壤水氮变化试验研究

杨翠萍，脱云飞*，沈方圆 ，马继敏，吴耀中

滇中高原不同土地利用类型土壤水氮变化试验研究

杨翠萍1，脱云飞1*，沈方圆1，马继敏1，吴耀中2

（1.西南林业大学 生态与水土保持学院，昆明 650224；2.云南省昆明市晋宁区水务局，昆明 650607）

【】研究不同土地利用类型土壤水氮变化特征及其相关性，为滇中高原农田红壤土水肥流失和治理提供科学依据。通过2018年6—10月自然降水条件下标准径流小区的试验数据分析，对林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地土壤水氮各指标进行测定，并分析其相关性，其中裸地作为对照。在土壤深度方向上，土壤含水率随土层深度的增加而增大；5种地类土壤全氮的量均值分别为1.67、0.76、0.70、0.52和0.67 g/kg。土壤硝态氮在0～100 cm土层平均量最高园地为13.39 mg/kg，最低裸地为5.13 mg/kg；林地、坡耕地、荒草地土壤铵态氮量随土壤深度先减少后增加。在时间上，土壤含水率呈波动性变化；土壤全氮量在6—10月平均值最大为园地（0.92 g/kg），最小为坡耕地（0.50 g/kg）；林地、荒草地、坡耕地土壤硝态氮量随时间延长逐渐减小；园地和裸地土壤铵态氮量随时间延长减少。土壤含水率和土壤铵态氮量与土层深度呈极显著相关关系（<0.01），土壤硝态氮和土壤铵态氮与时间的相关系数分别为-0.440，=0.028和-0.442，=0.027，变化呈显著相关关系。滇中高原农田红壤土壤水分垂直运移规律为随土壤深度增加而增大，不同土地利用类型土壤氮素时空差异较大，土壤全氮的量与土壤深度和时间相关性不显著（>0.05）。

土地利用类型；土壤氮素；土壤含水率；滇中高原

0 引言

氮素是植物生长的必需元素，在实施水肥管理和氮素迁移研究中都需明确氮素空间分布及其变化特征，其迁移量和含量直接制约着土壤生产力，自然状态下土壤养分量完全取决于物质基础及环境条件[1-2]。作为陆地生态系统重要组分，土壤与生物生存和发展密切相关，其C、N、P元素是生物体体内元素本质组分与主要来源，在生态系统物质循环及多元素平衡过程中发挥着重要作用[3-4]。土壤含水率的高低影响着植物根系生长[5-6]及其对土壤养分的吸收和转化[7-8]。土地利用方式对土壤养分量存在显著影响，是人类利用土地的综合性反映，直接影响土壤氮磷元素[9]。国内外学者在土壤水氮运移及其模型做了大量研究。土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率、饱和导水率等土壤水力学参数是模拟水分和溶质在土壤中运移的必要参数[10]。Joseph等[11]发现在同样地类和气候条件下，种植模式不同会产生水肥输入差异，导致土壤氮素迁移、转化和吸收利用产生变化，从而使得土壤氮素淋失特征不同。Brady等[12-13]研究表明不同耕地类型对土壤养分的流动与转化，可以通过改变土壤水热条件实现，合理利用耕地资源可以提高土壤质量。吕丽华等[14]研究了不同水肥水平下华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系的水氮配合措施。刘海涛等[15]利用系统模型方法模拟了华北平原地区不同土壤剖面水氮过程和作物动态。吴德勇等[16]对德阳旌阳区土壤氮素空间变异特征进行分析，研究表明土壤全氮空间变异主要受母质、地形等综合影响因素，而人为活动是碱解氮空间变异的主控因素。訾伟等[17]对贵州中部典型喀斯特高原地貌类型的陈家寨小流域土壤养分空间变化进行研究，结果表明不同土地利用方式下养分量有很大差异。目前，国内外针对农田土壤水分和土壤氮素运移转化已有大量研究，但滇中高原红壤区土壤水氮随土层深度和时间变化的研究尚少，本研究通过分析滇中高原大春河小流域不同土地利用类型土壤水氮随土壤深度和时间的变化，揭示滇中红壤土壤含水率、全氮、硝态氮和铵态氮随土壤深度和时间变化情况，以防治土壤水分和养分流失，提高土地利用率和土地生产力，同时为制定相关的水土保持措施提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在晋宁县大春河小流域水土保持生态科技示范园生态试验区内进行。大春河小流域位于云南省晋宁县城西南宝峰镇境内，位于东经102°33′—102°38′，北纬24°33′—24°37′。属于低纬度高原亚热带气候区，年均气温14.9 ℃，年均降水量950 mm，干湿季分明[18]。流域内土壤主要类型有红壤、紫色土、冲积土、岩土和水稻土5大类。大春河流域是长江中上游地区水土流失严重区域，是云南高原红土区水土流失的重要代表类型，云南省将其列为水土流失治理重点示范区。

1.2 土壤样品采集

试验共布设了10个径流小区，其中，每2个径流小区为相同土地利用类型，共有林地（柏树）、园地（梨树）、裸地、坡耕地（玉米和土豆）和荒草地5种土地利用类型，其中裸地作为对照。为了分析土壤水氮分布特征，分别在径流小区的坡上部、中部和下部0～100 cm土层的测定土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝态氮量和土壤铵态氮量，按分层取样法（20、40、60、80、100 cm）取样，采样时间为2018年6―10月，每个样点重复取3个样，3个重复取样之间水平距离5 m。所取土样带回实验室后一部分用烘干法测定土壤含水率，另一部分将鲜土样在室内铺在牛皮纸上，自然风干后去除石块、根茎及各种新生体和侵入体、研磨，过0.25 mm和1.00 mm筛后测定土壤全氮量、土壤硝态氮量和土壤铵态氮量。

1.3 土壤样品测定及数据分析

土壤全氮量采用凯式蒸馏法测定；土壤含水率采用烘干法测定土壤含水率；土壤NO3-_N和土壤NH4+-N量采用可见分光光度计法测定；采用Excel 2016、SPSS 24.0统计分析软件进行数据处理与分析，并进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤水氮垂直变化

图1、图2、图3和图4分别表示不同土地利用类型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝态氮量和土壤铵态氮量随土层深度的变化。

由图1可知，园地、荒草地、裸地和坡耕地的土壤含水率变化特征是一致的，均为随土壤深度的增加而增大；林地土壤含水率随土壤深度的增加而减小。林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地的平均土壤含水率分别为21.42%、23.74%、20.00%、19.10%和18.26%，裸地的平均土壤含水率最低为18.26%，园地最高为23.74%。其原因为园地内种植树木，林冠幅大，枯枝落叶层比较厚，并且树木的根系发达，能够截留降水并促进入渗，还能有效地减少阳光直接照射，从而减少土壤水分的蒸发，使得土壤含水率较高；裸地的冠幅较小，枯枝落叶层薄，且植被根系不发达，水分蒸发量大。由于树木发达的根系对土壤水分强烈的吸收作用，使得林地在土层深度达到60 cm以后，土壤含水率减少。

图1 不同土地利用类型土壤含水率随土层深度的变化

图2 不同土地利用类型土壤全氮随土层深度的变化

由图2可知，园地、荒草地和裸地的土壤全氮的量随土层深度先增加后减少，林地为逐渐减少。在林地、园地、荒草地、坡耕地、裸地0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土壤全氮的量分别为1.12、0.66、0.49、0.51、0.53 g/kg；1.07、0.83、0.77、0.48、0.70 g/kg；1.02、0.99、1.04、0.44、0.86 g/kg；0.81、0.85、0.84、0.51、0.79 g/kg；0.60、0.70、0.64、0.58、0.71 g/kg。土壤全氮量的变化受到氮素输入和输出量影响，植物枯枝落叶归还、生物固氮以及水的输入是氮素的主要来源，因此林地和园地的土壤氮量较高；而土壤的分解和侵蚀，使得氮素被植物吸收利用，还有一部分NH+3离子经过硝化、反硝化作用或者挥发到大气中，导致土壤全氮量减少。

图3 不同土地利用类型土壤硝态氮随土层深度的变化

图4 不同土地利用类型土壤铵态氮随土层深度的变化

由图3可知，林地、荒草地、坡耕地土壤硝态氮量随土层增加而减小，裸地呈先增加后减小，园地为逐渐增大。其中，园地的平均土壤NO3-_N量最高，为13.39 mg/kg；裸地的平均土壤NO3-_N量最低，为5.13 mg/kg。其原因可能是土壤NO3-_N与土壤胶体都是带负电荷，NO3-_N在土壤中随水分向下运移的过程中受到土壤胶体的作用，土壤对NO3-_N的吸附力减弱，使得土壤NO3-_N量随土层增加而减少，裸地地表无植被覆盖，土壤养分流失严重，土壤NO3-_N变化显著。

由图4可知，不同土地利用类型下土壤NH4+-N量随土层深度的变化为林地、坡耕地和荒草地均呈先减少后增加，裸地和园地则逐渐减少。林地、园地、荒草地、坡耕地、裸地的土壤NH4+-N平均量分别为5.80、10.25、8.74、8.48、7.22 mg/kg。土壤NH4+-N的量高说明了有机氮的分解作用比较明显，而有植物群落生长的土壤环境NH4+-N量较低，林地的土壤铵态氮量最低，主要原因与树木发达的根系对土壤NH4+-N的吸收和转化作用有关。

2.2 不同土地利用类型土壤水氮随时间的变化

图5、图6、图7和图8分别表示不同土地利用类型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝态氮量和土壤铵态氮量随时间的变化。

图5 不同土地利用类型土壤含水率随时间的变化

图6 不同土地利用类型土壤全氮随时间的变化

图7 不同土地利用类型土壤硝态氮随时间的变化

由图5可知，林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率的变化趋势基本相同，具有相关规律性且均呈余弦波动变化。9月林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率达到峰值，分别为29.56%、26.16%、26.60%、29.08%、27.14%。8月的5种土地利用类型土壤含水率最小，分别为 18.60%、19.31%、18.81%、17.86%、18.18%。其原因为受气候的影响，8月为夏季，气温高，太阳辐射强烈，使得土壤水分的蒸发强烈，并且这一时期降水较少，土壤含水率低，进入9月，降雨量明显增加，林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地的土壤含水率均达到峰值。由于裸地表层无植被覆盖，土壤裸露，水土流失严重，水分蒸发快，土壤含水率变化显著。

表1 不同土地利用类型土壤水氮与土壤深度和时间相关性

注 **表示在0.01级别（双尾），相关性显著；*表示在0.05级别（双尾），相关性显著。

Note **. At level 0.01 (double-tailed), the correlation was significant; *. At the level of 0.05 (two-tailed), the correlation was significant.

由图6可知，林地、坡耕地和裸地的土壤全氮量先增加后降低，在8月达到峰值分别为1.02、0.44、0.86 g/kg，8月以后逐渐降低；坡耕地和园地土壤全氮的量则随季节增加。林地、园地、荒草度、坡耕地和裸地月均土壤全氮量分别为0.92、0.81、0.76、0.50、0.72 g/kg，坡耕地最低，林地最高。土壤全氮量变化主要为作物吸收、地表径流、土壤侵蚀和淋溶作用。受降雨条件的影响，进入8月以后降水增多，土壤氮素流失量也增加，土壤全氮量下降。

图8 不同土地利用类型土壤铵态氮随时间的变化

由图7可知，林地、荒草地、坡耕地的土壤NO-3_N量随时间逐渐减少，园地则逐渐增大，裸地则先增大后减小。6—10月园地的月均土壤NO-3_N量最高为13.65 mg/kg；裸地最小为6.96 mg/kg。园地种植果树，具有一定的固氮作用，对土壤NO-3_N的吸收较少，且能有效遮挡阳光直射和降水对地面的冲刷，保持水土，使得NO-3_N量随季节变化不明显。坡耕地和荒草地植被对于土壤养分的保持作用很小，进入雨季后，雨水冲刷地表，土壤NO-3_N量减少。

由图8可知，荒草地、坡耕地和林地土壤NH4+-N量变化均为先减少后增加；园地和裸地土壤NH4+-N量随季节减少。其原因可为由于季节变化，气温升高，土壤温度也上升，促进NH4+-N转化为NO3-_N，土壤NH4+-N量有所降低，而且树木在6—8月吸收NH4+-N较强，也是导致NH4+-N量较低的原因之一。

2.3 不同土地利用类型土壤水氮与土壤深度和时间相关性分析

表1为不同土地利用类型土壤含水率、土壤全氮量、土壤硝态氮量和土壤铵态氮量与土壤深度和时间的相关性。由表1可知，土壤含水率、全氮量、硝态氮量和铵态氮量与土层深度相关系数分别为0.622、0.079、-0.164、-0.546，其中土壤含水率和土壤铵态氮量与土层深度呈极显著相关关系，而土壤全氮的量、土壤NO-3_N量与土层深度的相关性不明显（>0.05）。土壤NO-3_N（相关系数为-0.440，=0.028）、土壤NH4+-N（相关系数为-0.442，=0.027）与时间变化呈显著相关性。土壤全氮的量与土层深度和时间的相关性不显著（>0.05），土壤含水率与土壤全氮量、土壤NO-3_N量和土壤NH4+-N量的相关性不显著（>0.05），全氮与土壤硝态氮、土壤铵态氮量的相关性不显著（>0.05），土壤NO-3_N和土壤NH4+-N呈极显著相关关系（相关系数为0.578，=0.001）。

3 讨论

不同土地利用方式影响土壤养分和土壤含水率的分布，将自然土壤开垦为耕作土壤会导致有机碳的降低，从而降低土壤养分的库容[19]。郭旭东等[20]研究表明引起土壤养分及有效性变异的主要因素是土地利用的变化。土壤水分是生态系统平衡的重要指标，本研究表明对于不同土地利用方式下，土壤含水率随土层深度增加逐渐增大，树木发达的根系可以吸收土壤中的水分，因此，当土层深度大于60 cm，土壤含水率开始降低，并且土壤含水率随时间呈波动性变化，这与黄鹏等[21]关于黄土丘陵区不同地类土壤含水率空间和时间变化的研究结果一致。本研究表明在土层深度为60 cm时，林地、园地和裸地土壤全氮量达到最大值，之后则逐渐递减。土壤全氮量随时间的变化是在8月份出现最大值，但是坡耕地的变化却与之相反，其原因是坡耕地受人为因素影响大，而且作物生长吸收利用土壤氮素。张亚娟等[22]关于不同土地利用类型土壤养分垂直分布的研究表明土壤养分具有表聚性，本研究中土壤NO-3-N、土壤NH4+-N量均表现出该特性。林地、园地、裸地、坡耕地和荒草地表层土壤（0～20 cm）土壤全氮量分别为1.12、0.66、0.53、0.51、0.49 g/kg，这是受植被的盖度、郁闭度等因素的影响。土壤养分主要来自地表枯枝落叶层的分解，其垂直分布特征取决于有机质和腐殖质淋溶、迁移和淀积过程。随着土层深度的增加，土壤枯枝落叶和动植物残体减少，而深层土壤性质更接近于母质，土壤养分量减少，而表层土壤结构疏松、通气性和微生物活动强烈，有机质分解快[23-24]。土地利用类型的不同决定了土壤养分具有高度的空间变异性，本文研究表明不同土地利用类型对土壤水氮具有较大影响，这有利于不同土地利用类型采取不同施肥技术，保持和提高土壤肥力，促进土壤养分恢复和利用。

4 结论

1）土壤含水率随土层增加逐渐增大。园地和林地平均土壤含水率较高分别为23.74%和21.42%。园地、荒草地和裸地土壤全氮量随土壤深度先增大后减小，林地的平均土壤全氮量最大为1.67 g/kg，坡耕地最低，为0.52 g/kg。林地、荒草地、坡耕地土壤NO-3-N量逐渐减少。林地、坡耕地和荒草地土壤铵态氮量随土壤深度均呈先减少后增加，裸地和园地则逐渐减少。林地、园地、荒草地、坡耕地、裸地的土壤NH4+-N平均量分别为5.80、10.25、8.74、8.48、7.22 mg/kg。

2）在时间上，5种土地利用类型的土壤含水率的变化趋势基本一致，呈波动性变化。林地、坡耕地和裸地土壤全氮量随时间延长先增加后降低，坡耕地和园地随时间延长而增加，林地的平均土壤全氮量最大，为0.92 g/kg，坡耕地最小，为0.50 g/kg。林地、荒草地、坡耕地土壤硝态氮量随时间延长逐渐减小，园地反之。荒草地、坡耕地和林地的土壤NH4+-N量变化随时间延长先减少后增加，园地和裸地的则逐渐减少。

3）土壤含水率和土壤NH4+-N量与土层深度呈极显著相关性（<0.01），而土壤全氮量、土壤NO-3-N量与土层深度的相关性不明显（>0.05）。土壤NO-3-N（相关系数为-0.440，=0.028）、土壤NH4+-N（相关系数为-0.442，=0.027）与时间变化呈显著相关性。土壤含水率与土壤全氮、土壤NO-3-N和土壤NH4+-N量的相关性不显著（>0.05），全氮与土壤硝态氮、土壤铵态氮量的相关性不显著（>0.05），土壤NO-3-N和土壤NH4+-N呈极显著相关关系（相关系数为0.578，=0.001）。

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Experimental Study on Water and Nitrogen Dynamics in Soil Under Different Land Usages in Central Yunnan Plateau

YANG Cuiping1, TUO Yunfei1*,SHEN Fangyuan1, MA Jimin1, WU Yaozhong2

(1. Ecology and Environment Department in Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Water Resources Bureau, Jinning District, Kunming 650607, China)

【】Water and nitrogen dynamics in soil was modulated by land use and cropping, and this paper aims to investigate the change and correlation of soil water and nitrogen under different land use in attempts to provide guidance for water and fertilizer management in red loam farmland in central Yunnan plateau.【】The experiment was conducted in plots with contrasting land use under natural precipitation from June to October in 2018. The land use we studied included forest, garden, barren grass, slopes, with bare soil serving as the control. In each plot, we measured the water and nitrogen in the soil.【】In all treatments, water content increased with soil depth, and the mean total soil nitrogen under forest, garden, barren grass, slopes and bare soil was 1.67, 0.76, 0.70, 0.52 and 0.67 g/kg, respectively. Garden had the highest Nitrate content, being 13.39mg/kg in the 0~100 cm soil. Bare soil stored least nitrogen at 5.13 mg/kg. Ammonium content decreased first and then increased along the soil depth in both the forest and slope. The highest average total nitrogen from June to October was 0.92 g/kg, found in garden, and the lowest was 0.50 g/kg, found in the slope. Nitrate in forest, grass and slope, as well as ammonium in garden and bare soils, have all been declining with time. Both soil moisture and ammonium were correlated with soil depth at significant level (<0.01), and nitrate and ammonium were correlated with time with their correlation coefficient being -0.440 and -0.442, andbeing 0.028 and 0.027, respectively.【】Soil moisture in red load farmland in central Yunnan plateau increased with soil depth. The spatiotemporal difference in soil nitrogen between different land use was significant. Soil total nitrogen content was not correlated to soil depth and time at significant level (>0.05).

types of land usage; soil nitrogen; soil water content; central Yunnan plateau

S157.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190126

1672 - 3317（2020）01 - 0077 - 07

2019-03-20

国家自然科学基金项目（51279157）；云南省教育厅科学研究基金项目（2015Y295）；云南省高校优势特色重点学科（生态学）建设项目资助；云南省高校土壤侵蚀与控制重点实验室资助

杨翠萍（1995-），女。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀与控制方面的研究。E-mail：17853482159@163.com

脱云飞（1976-），男。副教授，硕士生导师，主要从事农业水资源规划和利用方面的研究。E-mail：tyunfei@163.com

杨翠萍, 脱云飞, 沈方圆, 等. 滇中高原不同土地利用类型土壤水氮变化试验研究[J].灌溉排水学报, 2020, 39(1):77-83.

YANG Cuiping, TUO Yunfei, SHEN Fangyuan, et al. Experimental study on water and nitrogen dynamics in soil under different land usages in central yunnan plateau [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 77-83.

责任编辑：赵宇龙