季节性干湿气候对茶园坡面土壤硝态氮淋失的影响

柳菲 ，赖晓明，朱青* ，廖凯华

（1. 中国科学院南京地理与湖泊研究所，流域地理学重点实验室，江苏 南京 210008；2. 中国科学院大学，北京 100049）

农业生产中过度的肥料施用使得土壤中大量营养元素通过地表径流和淋洗等途径进入水体，导致水体富营养化、土壤质量退化、地下水污染等一系列生态环境问题[1-2]。硝态氮（NO3--N）淋失作为面源氮素流失的重要形式，是导致地表、地下水体硝酸盐浓度升高的主要原因[3]。由于NO3--N淋失对地下水和人类健康的影响，近年来NO3--N淋失成为土壤科学和环境科学的研究热点[4-5]。

由于硝酸根离子不易被土壤胶体吸附，极易溶于水，因此NO3--N的迁移与土壤水分运动密切相关[6]。影响NO3--N淋失的主要因素有气象、地形、土壤性质、土壤水文和土地管理措施等，其中尤以气象因素为关注要点[7-8]。在全球变暖背景下，以降雨和气温异常为特征的极端天气发生频率和强度不断增加，极端湿润或干旱等气候变化驱动着水文要素的变化，对NO3--N的淋失产生重大影响，因此关于极端气候背景下氮素流失的研究也逐渐成为热点[9]。例如，在美国爱荷华州的玉米—大豆轮作制度下，极端天气年份的序列（如湿—干和干—湿）与正常的2年气候序列情景相比，对NO3--N累积淋失通量的影响范围为-93%～290%[10]；美国中西部河流经历2012年干旱之后，2013年硝酸盐浓度显著升高[11]。我国华北平原湿润年极端降水发生后天然植被和耕地中土壤NO3--N的累积量分别减少84%和43%[12]。然而，之前的研究大多集中于不同降水年型（如干旱年或湿润年）的淋失状况，却较少关注季节性干旱或湿润条件下NO3--N淋失的过程与机制。

太湖流域是我国经济最发达、城市化发展程度最高的地区之一。近年来，该流域丘陵山区大面积的林地被开发成经济用地（如茶园、果园等）[13]，土地利用的变化会改变下垫面的土壤孔隙结构和土壤水文过程[14]，同时也加剧了氮肥施用和氮素的流失风险[15]。因此，本文基于近年来季节性干旱和暴雨的气候背景[16-17]，选取太湖流域典型覆被类型—茶园，采用DNDC模型（Denitrification-Decomposition model）模拟季节性干旱或湿润对NO3--N淋失的影响。研究对于预测气候变化背景下丘陵山区面源NO3--N淋失及其对区域水环境的影响等方面具有一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取太湖流域丘陵山区典型茶园坡地（31°21′ N，119°03′ E），面积大小为0.4 hm2，坡度范围为5%～20%，海拔变化范围为80～88 m（图1）。研究区属于北亚热带和中亚热带过渡季风气候区，年平均温度为15.9 ℃，年平均降水量为1 157 mm，年平均蒸散量约为880 mm，降雨夏季最多，然后是春季、秋季和冬季。研究区土壤类型为薄层石质土，质地为粉质壤土，土层厚度小于0.6 m，表层土壤有机质含量较高，土壤呈偏酸性（pH=6.47），土壤砾石含量多（体积比＞30%），导致保水保肥性能差。基岩层为风化的砂岩，具有较高的渗透性，深度一般小于50 cm。茶园每年施肥2次，分别在每年3月下旬和10月下旬。3月下旬为催芽肥，施用尿素209 kgN/hm2；10月下旬为基肥，施用尿素174 kgN/hm2和有机肥120 kgN/hm2。

1.2 数据获取与分析方法

本研究在茶园坡面不同坡位选取4个监测样点（TG01～TG04），采用土钻法获取0～20 cm深度的土样，每个样点附近采集3个土样，充分混合后放入样品袋，带回实验室自然风干后，去除根系和动植物残体，研磨后过2 mm尼龙筛。对未过筛的砾石称重获取砾石含量比，对过筛的样品一部分通过激光粒度仪（Malvern Instruments Inc., Worcestershire,UK）进行粒度分析，另一部分继续研磨过0.25 mm尼龙筛，采用重铬酸钾氧化—外加热法测定有机质含量。4个监测样点周围分别安装美国Decagon公司（Decagon Devices Inc., Pullman WA, USA）生产的EC-5土壤水分和MPS-6土壤水势自动监测探头，用于获取土壤水分特征数据。同时，在监测样点周围等距（约0.5 m）埋设3个自制的无负压土壤渗漏液采集器，渗漏液样品中的NO3--N浓度采用连续流动分析仪（Skalar, Breda, The Netherlands）进行测定。土壤 N2O 排放通量采集采用密闭静态暗箱法，N2O浓度采用气相色谱仪进行测定。

由于土壤砾石含量较高，传统的ROSETTA转换函数[18]预测的土壤水力参数存在较大的问题，之前的研究中已对ROSETTA预测的土壤水力参数进行砾石校正并取得了较好的结果[19]。模型输入的土壤数据为4个样点数据的平均值，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分别为11.06%、72.70%和16.24%，砾石含量为0.28 cm3/cm3，有机质含量为1.84%，计算得到的饱和含水量（θs）、残余含水量（θr）和饱和导水率（Ks） 分别为0.31 cm3/cm3，0.04 cm3/cm3和0.012 5 m/h。

本文对比分析了情景模拟年和后续年NO3--N的累积淋失通量，以及不同干湿情景下每个季节NO3--N累积淋失通量相对正常情景的变化率，该变化率的计算公式为：(X-X0)/X0，其中，X为不同干湿情景下每个季节NO3--N累积淋失通量，X0为正常情景下每个季节NO3--N累积淋失通量。

1.3 DNDC模型

DNDC模型由两个部分组成，第一部分包含土壤气候、农作物生长和有机质分解3个子模型，其作用是根据输入的气象、土壤性质、土地利用和农田管理措施等数据预测环境因子的动态变化；第二部分包含硝化、反硝化和发酵等3个子模型，其作用是根据第一部分的预测结果来模拟上述三个微生物参与的化学反应的速率[20]。在该模型中，NO3--N淋失是由微生物的营养底物浓度梯度驱动的质量流和水势梯度驱动的水通量造成的[21]。由于深层土壤氮含量较低，因此通常只需要表层土壤参数便可用于整个土壤剖面的氮素损失风险模拟。

在之前的研究中，已在该坡面成功率定DNDC模型并取得较好的模拟精度[22]。由于土壤砾石含量较高，忽略砾石的影响可能高估NO3--N的淋失通量。因此对模拟结果进行砾石体积含量的校正[23]。结果表明，经过这一系列处理，DNDC在该坡面模拟10 cm深度的土壤含水率和温度时决定系数R2均大于0.65，Nash-Sutcliffe系数均大于0.60；在模拟渗漏液NO3--N浓度和N2O通量时除了TG-04样点，其它样点R2均大于0.50，Nash-Sutcliffe均大于0.35。

1.4 情景模拟

基于研究区1960—2019年共计60年的气象数据（国家气象科学数据中心，https://data.cma.cn/），通过对每年春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）降水数据进行分析，选取每个季节10年一遇湿润（W）、干旱（D）和最接近平均降雨量（N）的数据（表1），共组合构建31种气候情景。包括单季节干旱或湿润各4个情景，双季节干旱或湿润各6个情景，三季节干旱或湿润各4个情景，以及所有季节均为干旱、湿润和最接近平均降雨量各1个情景。

表1 研究区1960—2019年各个季节十年一遇干旱、十年一遇湿润和平均状况下的降雨量Table 1 Seasonal precipitation under decennial drought,decennial wetness and average condition from 1960-2019 in the study area

选用DNDC模型对NO3--N淋失通量进行模拟，模拟周期为3年。第1年为模型预热期，第2年为情景模拟年，第3年为后续年。第1年和第3年均采用每个季节最接近平均降雨量的数据，第2年采用情景设置的季节性干、平和湿的气象数据。每种情景从左往右由4个字母依次表示第2年（情景模拟年）春、夏、秋和冬季的干、平和湿状况。如DNNN表示春季干旱，但其余3个季节均为最接近平均降雨量的状况。

2 结果与分析

2.1 单季节干/湿情景下土壤NO3--N淋失特征

单季节的干/湿对情景模拟年NO3--N的累积淋失通量产生明显的影响。单季节干旱情景下（图2a），秋季干旱（NNDN）时NO3--N的全年累积淋失通量最小，为71.6 kgN/hm2；春季干旱（DNNN）和冬季干旱（NNND）时居中，分别为75.6 kgN/hm2和78.2 kgN/hm2；夏季干旱（NDNN）时最大，为84.7 kgN/hm2。单季节湿润情景下（图2c），秋季湿润（NNWN）时NO3--N的全年累积淋失通量最小，为91.5 kgN/hm2；冬季湿润（NNNW）和夏季湿润（NWNN）时居中，分别为95.8和97.5 kgN/hm2；春季湿润（WNNN）时最大，为107.2 kgN/hm2。

单季节干/湿情景下，该季节NO3--N淋失通量相对正常情景发生明显变化。单季节干旱时，NO3--N的淋失通量相比正常情景在相应的季节均有明显减少 （图2b）。秋季干旱（NNDN）时减幅最大，达84.4%；春季干旱（DNNN）和冬季干旱（NNND）时减幅居中，为55.7%～63.4%；夏季干旱（NDNN）时减幅最小，仅45.7%。单季节湿润时，NO3--N的淋失通量相比正常情景在相应的季节均有所增加（图2d）。春季湿润（WNNN）时涨幅最大（50.5%）；冬季湿润（NNNW）和夏季湿润（NWNN）时涨幅居中（22.6%～29.1%）；秋季湿润（NNWN）时涨幅最小（2.8%）。

2.2 双季节干/湿情景下NO3--N淋失特征

双季节干/湿对情景年NO3--N的累积淋失通量也产生了明显的影响。双季节干旱情景下（图3a），春秋季干旱（DNDN）和秋冬季干旱（NNDD）时NO3--N的全年累积淋失通量较小（＜60 kgN/hm2）；夏秋季干旱（NDDN）时居中（65.2 kgN/hm2）；春夏季干旱（DDNN）、夏冬季干旱（NDND）和春冬季干旱（DNND）时较高（70.8～74.6 kgN/hm2）。双季节湿润情景下（图3c），夏秋季湿润（NWWN）时NO3--N的全年累积淋失通量最小（91.9 kgN/hm2）；夏冬季湿润（NWNW）和秋冬季湿润（NNWW）时基本一致（97.0～97.2 kgN/hm2）；春夏季湿润（WWNN）和春秋季湿润（WNWN）时较高（101.3～101.4 kgN/hm2）；春冬季湿润时（WNNW）最大（105.7 kgN/hm2）。

双季节干/湿情景下，NO3--N淋失通量的季节变化规律相比正常情景较为复杂（图3b和图3d）。春季干旱时（如DDNN、DNDN和DNND）NO3--N的淋失通量在春季减少63.4%；夏季干旱时（如DDNN、NDDN和NDND）在夏季分别减少了53.4%、46.1%和45.8%；秋季干旱时（如DNDN、NDDN和NNDD）在秋季减少约84.1%；冬季干旱时（如DNND、NDND和NNDD）在冬季同比减幅差异较大，DNND情景下NO3--N的淋失通量在冬季减少了4.4%，NNDD情景下减少了11.7%，NDND情景下减少了55.8%。春季湿润 时（如WNNW、WNWN和WWNN）NO3--N的淋失通量在春季增长50.5%；夏季湿润时（如NWNW、NWWN和WWNN）在夏季分别增长了22.5%～25.3%；秋季湿润时（如NNWW、NWWN和WNWN）在秋季分别增长2.8%、减少5.7%和增加2.4%；冬季湿润时（如NNWW、NWNW和WNNW）分别增长28.2%～31.4%。

2.3 三季节干/湿情景下NO3--N淋失特征

三季节干/湿情景下，情景年NO3--N的累积淋失通量发生如下变化。一个季节正常、三个季节干旱的情景下（图4a），夏季正常（DNDD）时NO3--N的全年累积淋失通量最小（44.4 kgN/hm2）；冬季正常（DDDN）以及春季正常（NDDD）时居中（均约51.8 kgN/hm2）；秋季正常（DDND）时最大（58.8 kgN/hm2）。一个季节正常、三个季节湿润的情景下（图4c），春季正常（NWWW）时NO3--N的全年累积淋失通量最小（97.5 kgN/hm2）；冬季正常（WWWN）时居中（101.7 kgN/hm2）；夏季正常（WNWW）和秋季正常（WWNW）时较大（均约106.9 kgN/hm2）。

三季节干/湿情景下，NO3--N淋失通量的季节变化与正常情景相比较为复杂。三季节干旱的情景下（图4b），春季干旱（DDDN、DDND、DNDD）时NO3--N淋失通量在春季相比正常情景（NNNN）减少了63.4%；夏季干旱（DDDN、DDND、NDDD）时 减 少 了45.7%～53.3%；秋 季 干 旱（DDDN、DNDD、NDDD）时分别减少了83.2%～84.5%；冬季干旱（DDND、DNDD、NDDD）时分别减少了55.8%、11.9%和11.7%。三个季节湿润的情景下（图4d），春季湿润（WNWW、WWNW、WWWN）时NO3--N的淋失通量在春季相比正常情景（NNNN）增加50.5%；夏季湿润（NWWW、WWNW、WWWN）时增加了22.7%～25.3%；秋季湿润（NWWW、WNWW、WWWN）时分别减少5.7%、增加2.4%和减少6.5%；冬季湿润（NWWW、WNWW、WWNW）时增加23.9%～30.5%。

2.4 全年干/湿情景下NO3--N淋失特征

全年干旱（DDDD）时情景年NO3--N的累积淋失通量为38.4 kgN/hm2，并且每个季节相对全年正常的情景（NNNN）减少11.8%～83.4%，秋季减少幅度最大，冬季减少幅度最小（图5a）。而全年湿润（WWWW）时情景年NO3--N的累积淋失通量为107.2 kgN/hm2，但每个季节相对全年正常的情景（NNNN）变化较为复杂，在春、夏和冬季增加（28.9%～50.5%），而秋季减少（6.5%）（图5b）。

3 讨论

3.1 季节性干旱/湿润对土壤NO3--N淋失的影响

NO3--N的淋失容易发生在降雨集中的季节和干旱之后的雨期。倪玉雪[24]对我国农田降雨量和土壤NO3--N淋失量的关系研究发现，当降雨量小于400 mm时，土壤中NO3--N主要以累积为主，随着降雨量的增多，NO3--N的淋失量也不断增加，并在降雨量600～800 mm时达到最大；冯绍元等[25]对华北平原夏玉米土壤NO3--N的分布研究发现雨季0～50 cm土层NO3--N含量显著下降，而50～110 cm以下土层NO3--N急剧增加，表明降雨是NO3--N淋失发生的重要原因。夏梦洁等[26]对我国黄土高原干旱区NO3--N与降雨的关系研究发现，干旱地区一旦遇到高强度降雨将会导致NO3--N大量淋失。本研究中，正常情景下模拟年NO3--N的淋失通量高于季节性干旱的所有情景但低于季节性湿润的所有情景，湿润季节越多NO3--N淋失通量越大，反之则越小。具体季节而言，秋季干旱对NO3--N的累积淋失通量影响最大，这可能是受10月底施肥的影响，NO3--N浓度高，使得正常秋季的NO3--N淋失通量较大，但秋季干旱导致土壤水渗漏通量和NO3--N的淋失通量相对正常的秋季大幅减少。此外，秋季或冬季干旱时，NO3--N的淋失通量在后续季节均有明显增加。这主要是因为秋、冬季植被对氮素的吸收减缓，土壤NO3--N逐渐累积，后续季节发生降雨会促进NO3--N的淋失。

NO3--N在土壤中的累积是淋失损失的基础。一般来说，土壤中NO3--N的累积量和淋失量随着施氮量的增加而增加[27]。有研究发现，冬小麦施氮量小于150 kg/hm2时不发生淋失，但当施氮量在225～300 kg/hm2时NO3--N淋失量增加[28]。也有研究显示当施氮量由150 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2和375 kg/hm2时，土壤中NO3--N含量分别增加了1.9、2.6和13.9倍[29]。本研究中，春季湿润时NO3--N淋失通量较高，这是春季施肥和降雨双重作用的结果；而夏季湿润时NO3--N淋失通量并未大幅增加，原因是植被生长消耗大量的氮素。秋季湿润对NO3--N的累积淋失通量影响微弱，主要是因为本研究秋季湿润的情景下，降雨主要集中在10月份，而施肥时间为10月底，雨肥不同期导致了NO3--N淋失量增加不明显。

NO3--N淋失容易发生在NO3--N浓度升高且土壤水分过剩的情况下[30]。土壤水分有助于肥料的溶解以及矿化。如果没有充足的水分，NO3--N很难被植物吸收利用，从而大量累积在土壤中。但如果土壤中的水分超过田间持水量时，则会引起NO3--N的淋失[31-32]。吴海卿等[33]利用15N示踪技术研究了土壤水分对氮素有效性的影响，发现土壤水分在田间持水量45%～90%时，氮素利用率随着土壤水分的增加而提高。Sadras[34]对氮肥和降水交互作用的研究发现，在降雨较多的年份适量增施氮肥会增加小麦的产量，但在干旱的年份，增施氮肥不仅会使小麦产量较低，还会造成NO3--N大量残留累积。因此，施肥后如果遇到干旱天气，应该适当补充灌水，促进植物对氮素的吸收利用，减少NO3--N的累积。而在降雨丰富的季节，应该适量减少氮肥的施入量，或者少量多次施肥。

3.2 NO3--N淋失的滞后/提前效应

NO3--N淋失的滞后效应是指在干旱状况下，由于土壤缺乏水文连通性[35]，使得植物根系和土壤微生物对氮的吸收减少[36]，导致其累积在土壤中。当干燥土壤再次湿润时，往往会加速氮的分解和矿化作用，此时土壤中累积的NO3--N随水分迅速移动[37]。本文中，季节性干旱情景下，NO3--N淋失存在滞后效应，对后续季节和年的NO3--N淋失影响较大，但持续时间较短（图1b、图2b、图3b、图4b）。正常情景下模拟年和后续年NO3--N累积淋失通量无明显差异，季节性干旱情景下模拟年和后续年NO3--N的累积淋失通量差异较大。干旱季节越多，两个年份的差异越明显，尤其是秋、冬季干旱时，NO3--N淋失的滞后表现将会持续到来年的夏季。这可能是由于秋季施肥时降雨较少，而且秋冬季节植被生长需氮量较少，土体表层往往有较高的土壤氮素累积，等到来年春季和夏季气温升高，降雨增多，土壤有机质的矿化分解加快，从而导致NO3--N的大量淋失。Klaus等[38]对德国东南部集约管理的草地进行研究发现，施肥可以缓冲干旱导致的产量损失，但是施肥和干旱的相互作用导致土壤再湿润后NO3--N淋失风险剧增（＞300%），这与本文的研究结果一致。由此可知，季节性干旱时，NO3--N淋失量小，如果遇到施肥，NO3--N累积在土壤中，虽然当下NO3--N淋失量较小，而后期如果遇到较大降雨，土壤中累积的NO3--N将大量流失。

NO3--N淋失的提前效应是指由于降雨增强改变了土壤水分格局，增加了渗漏[39]，促进微生物氮矿化和植物氮吸收，进而加快了NO3--N的淋失速率[40]，使得土壤中的NO3--N相较常规情况提前淋失。本文中，季节性湿润情景下，NO3--N淋失存在提前效应，对后续年NO3--N的淋失影响较小，但持续时间较长（图1d、图2d、图3d、图4d）。具体来看，湿润季节越多，模拟年和后续年NO3--N累积淋失通量的差异越明显。降雨增多使得壤中产流增加，而且研究区土壤砾石含量较高，降雨条件下土壤水分运动活跃，使得原本储存在土壤中的养分提前淋失。因此季节性湿润情景下后续年NO3--N淋失通量相比正常情景有所减少。其中，夏季湿润时，NO3--N淋失的提前效应最为显著，这主要是由于夏季经常出现高强度降雨所致。

3.3 模型模拟的不确定性分析

DNDC模拟的精度虽然在之前的研究中表现良好[22]，但其在模拟土壤水分运动时无法很好地捕捉到坡面土壤储水量的瞬时变化，其模拟的土壤水分渗漏通量对降雨的响应则过于迅速，没有表现出应有的滞后现象，这与实际情形不符[41]。降雨是影响NO3--N淋失的关键因素，因此NO3--N淋失的模拟也存在响应过快的特点，在短时间的模拟上存在一定的高估。

DNDC模拟的时间步长为天，输入的气象数据为逐日数据，因此NO3--N淋失通量的模拟结果也是逐日数据，雨量在季节内的分配对NO3--N的淋失影响很大。但本文结果分析以季节来进行讨论，若详细考虑逐日降雨数据的变化，可能会产生较大的差异。例如，即便保持降雨量不变，但若调整降雨的时间使其与施肥时间重合，将会造成NO3--N的大量淋失。相关的研究在未来需要进一步深化。

4 结论

NO3--N的淋失容易发生在降雨集中的季节、施肥之后的雨期或干旱之后的雨期。湿润润季节越多NO3--N淋失通量越大，反之则越小。春季和秋季干旱时NO3--N淋失通量大幅减小；秋季和冬季干旱时，如果后续季节遇到降雨，NO3--N在后续季节的淋失通量明显增加。春季湿润会导致NO3--N淋失通量大幅增加；而秋季湿润对NO3--N淋失通量无明显影响。季节性干旱情景下，NO3--N淋失存在滞后效应，对后续季节NO3--N的淋失影响显著，到来年夏季结束。季节性湿润情景下，NO3--N淋失存在提前效应，对后续季节NO3--N的淋失影响相对较小，到来年秋季结束。

本研究的结果可为应对气候变化背景下丘陵山区面源NO3--N淋失提供短期管理决策，旨在减少土壤氮素的淋溶损失。鉴于本研究中存在的不足之处，以后的研究应将土壤水文模型和生物地球化学模型进行耦合，在此基础上重点考虑雨量在季节内的分配对NO3--N的淋失影响。

致谢：本文中所使用的气象数据由国家气象科学数据中心提供（https://data.cma.cn/）。