雄安新区不同农用地类型土壤水氮时空变化

陈 瑜，韩丽茹，郭文颢，涂智勇，夏 辉

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001；2.河北省沧州市孟村回族自治县水务局，河北 沧州 061400；3.河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071001）

氮素和水分是植物生长发育的主要元素。有机氮经过矿化作用形成硝态氮、铵态氮和亚硝态氮等无机氮，但亚硝态氮性质不稳定，容易被氧化成硝态氮或还原成铵态氮。植物通过吸收硝态氮和铵态氮来满足自身营养需求，但随着农业不断发展，很多农民追求农作物的高产过度施用氮肥，而实际氮肥利用率只有30%左右［1］。过多的氮肥随着水分迁移导致农业面源污染、河流湖泊等水体富营养化和地下水污染［2］。无机氮的转化和迁移受多种因素影响，如土壤性质、施肥量、施肥方式、降水、灌溉补给以及包气带氧化还原条件等等，这些因素导致不同土地利用方式［3］的土壤无机氮变化规律有所不同。杨翠萍［4］、罗由林等［5］认为不同土地利用方式造成了土壤水氮等养分高度空间变异性。植物生长所需水分主要来源于土壤水分，土壤水分在降雨、植被类型、土壤性质和土地利用方式等因素影响下时空动态分布规律不同，而土壤水分不仅制约植物的生长而且影响植物对氮素的吸收情况。邹刚华等［6］发现土壤容重、土壤剖面深度是影响土壤氮含量分布的重要因素。高晶波［7］对猕猴园土壤剖面硝态氮研究认为水分是影响硝态氮在土壤中迁移的主要因素。杜康等［8］在2019 年5—10 月对黄土丘陵区研究发现不同类型土地土壤含水量随时间的变化与降水随时间的变化相同，但存在滞后效应。蔡晨阳等［9］研究了不同水氮组合对夏玉米的土壤氮素迁移转化特征。武星魁等［10］对蔬菜研究发现长期施用氮肥会造成菜地土壤出现板结、养分流失以及影响微生物活性等不良影响。因此了解雄安新区不同农用地的土壤水氮的变化规律，有助于对该地区的水资源管理和氮素污染治理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雄安新区地理坐标为北纬38°41′～39°10′、东经115°37′～116°19′，属堆积平原地貌，为缓倾平原，地势平坦，坡降0.2‰～0.7‰，地势从西北向东南逐渐降低，地表高程主要在5 ～26 m 范围内，土层深厚，地形开阔。规划面积约1 770 km2［11］，属于暖温带半湿润大陆季风气候，四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋凉气爽，冬寒少雪。年均气温11.9 ℃，年平均降雨量522.9 mm。地理位置如图1 所示。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 试验设计

为了探明研究区内不同农用地中土壤水分、硝态氮和铵态氮的运移特点，结合研究区不同农用土壤性质和地形地貌等因素，课题组于2021 年在研究区内开展了针对耕地、林地和菜地等3 种不同农用地的土壤水氮变化规律试验。其中耕地为冬小麦夏玉米轮作，林地为油松、白皮松、银杏和元宝松等乔木，菜地按时间先后分别种植豆角、西蓝花和白菜。研究区内1 月至6 月降雨量仅占全年降雨量的12%［12］，土壤中铵态氮和硝态氮含量变化较小；而进入雨期后随着降雨入渗过程，土壤中的氮素将发生垂向运移，为此在2021 年7—12 月开展了针对耕地、林地和菜地3 种农用地的分层取土试验，取土周期为30 d。每种土地类型中各取3 个土壤取样点，各取样点间距不小于50 m，取样深度为100 cm，每10 cm 为1 层，共10 层，用土钻取出后选取受干扰小的中间部分放入带有标记聚乙烯自封袋中，带回实验室。将土壤样品在室温条件下避光保存，去除石块、根系等杂物后存入4 ℃冰箱中待分析。

1.3 样品测定与数据处理

土壤含水率采用烘干法测定土壤含水率；新鲜土样经过 CaCl2溶液浸提后采用紫外分光光度计测定土壤硝态氮含量［13］，将土样自然风干研磨后过2 mm筛后采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量［14］；地下水硝态氮和氨氮分别采用紫外分光光度法和纳氏试剂分光光度法测定。采用 Excel 2010 和 SPSS 22.0 进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 降水变化规律

图2 研究区降水量分布图。

图2 研究区降水量数据Fig.2 Precipitation data in the study area

从图2 可以看出2021 年7 月至12 月降水总量为513.8 mm，7—12 月各月降水量分别为194.2、67.6、98.3、120.2、30.2、和3.3 mm，7—12 月降水天数分别为13、11、12、7、4、和1 d。降水在各个月份分布不均匀，主要集中在7—10 月，降水量＞20 mm 的事件出现在7—10 月，分别有5、2、1 和3 次，其降水累积量分别为168.3、51.1、27.2 和103.4 mm。其中7 月11 日降水量最大为54.2 mm，其次为9 月19日和10 月4 日分别为47.4 和47.2 mm。

2.2 不同农用地土壤水氮随土层深度变化

将不同时间段同一深度的土壤含水率、硝态氮和铵态氮分别平均得到耕地、林地和菜地3 种农用地的土壤含水率、硝态氮和铵态氮随土层深度变化的规律图，如图3 所示。

图3 土壤各指标随土层深度变化规律图Fig.3 Variation law of soil indexes with soil depth

在图3（a）中3 种土地类型土壤含水率最大值均出现在0 ～30 cm 土层，耕地、林地和菜地最大值分别为25.77%、24.68%和22.61%，耕地和菜地水分来源包括降水和人工灌溉，林地仅有降水来源，但菜地由于中耕等原因，加速了水分的蒸发，使土壤含水率最小；林地中的树木是林冠幅大、干枝和落叶较厚的乔木植物，树冠可以有效地避免太阳对于土壤表层的直射，因此减少了表层土的水分蒸发量。耕地和林地的土壤含水率在30 cm 处达到最小值，含水率在达到峰值后随土层深度增加总体呈现减小的趋势。菜地土壤含水率在60 cm 处达到最小值，主要原因是蔬菜根系主要集中分布在60 cm 以内的土层中，根系主要吸收60 cm 以内土层中的水分，因此60 cm 以下土层中含水率变化较小。

研究区土壤中耕地和菜地的无机氮污染主要来源于氮肥，林地来源于落叶分解的氮素。菜地和耕地中未被作物吸收的氮肥一部分经过硝化和反硝化作用转化成硝态氮和铵态氮停留在土壤中。林地中的枯枝落叶分解会释放出氮素，在水分、氧气及各种离子物质混合条件下有机氮被转化为铵态氮和硝态氮等无机氮被植物根系吸收或渗入地下水中，在通气不良的情况下，落叶发生反硝化反应转化成亚硝态氮对林木生长不利，土壤肥力下降。

在图3（b）中3 种土地的硝态氮含量大小为菜地＞耕地＞林地，其平均值分别为19.43、15.81 和10.33 mg/kg。主要原因为：菜地主要种植叶菜，一年多茬，因此受蔬菜生长需求和种植频次影响，菜地的施氮量和施肥次数要高于耕地，而林地几乎没有外源性氮素来源。耕地和菜地土壤硝态氮含量随土层深度的增加呈现先增加后减小的趋势，耕地和菜地的硝态氮含量峰值出现在20 cm 处，分别为21.23 和26.21 mg/kg，林地随着土层深度的增加整体呈现逐渐减小的趋势，但变幅较小。

在图3（c）中耕地和菜地土壤铵态氮含量均随着土层深度增加逐渐减小，在70～80 cm处达到最小值，之后有小幅度增大。林地土壤铵态氮含量整体随着土层深度的增加逐渐减小，60 cm 深度以下变化微小，从60 cm 到100 cm 处土壤铵态氮含量从4.86 mg/kg下降到4.74 mg/kg，仅下降了0.12 mg/kg。3 种农用地的铵态氮含量大小为菜地＞耕地＞林地，其平均值分别为6.99、5.9 和5.15 mg/kg。受蔬菜生长需求和种植频次影响，菜地的施氮量和施肥次数要高于冬小麦和夏玉米，导致铵态氮在土壤中含量最高。林地中的铵态氮含量最低，主要聚集在表层土，由于林木根系发达，可以有效地将土壤中的铵态氮转化为养分，同时林地也是1 种比较粗放的管理方式，除地面部树木的枯枝落叶和根腐性物质外，几乎没有施用任何氮肥。

2.3 不同土地利用类型土壤水氮随时间变化

将试验期间每个月份0 ～100 cm 共10 个土层的土壤含水率、硝态氮和铵态氮分别平均进行试验得到土壤含水率随时间变化的规律图，如图4 所示。

图4 土壤各指标随时间变化图Fig.4 Variation diagram of soil indexes with time

在图4（a）中耕地、林地和菜地的土壤含水率变化范围分别在20.73%～27.37%、23%～24.25%和18.76%～20.99%。耕地土壤含水率在9 月达到最小值24.56%，在12 月初达到最大值为27.37%，其因取样前经过冬小麦的冬灌，土壤含水率相较于10月份明显增加。菜地在7—10 月土壤含水率变化范围较小，因受降水和灌溉影响维持在20.30%～20.99%之间，在12 月达到最低值为18.76%，因菜地在10月以后因气温降低不适宜蔬菜播种而不种植，故地面裸露，增加了土壤蒸发量，所以菜地土壤含水率最小。林地土壤含水率大小受降水、温度与土壤性质等影响，在9 月达到最低值。10 月降水量高于9 月，且温度有降低导致蒸发量降低，因此含水率有小幅度上升，另外因2021 年为丰水年，与以往年份相比降水频次高、降水量大，林地土壤含水率整体偏大。

在图4（b）中耕地、林地和菜地的土壤硝态氮含量均在7 月达到最低值，分别为12.8、9.32 和13.96 mg/kg，是因为7 月降水量较大，硝态氮易溶于水，水分渗透到土壤中溶解了未被植物吸收的氮素，稀释了土壤中硝态氮的浓度，而且部分硝态氮随着水分向土壤深处运移直到地下水中。耕地、林地和菜地均在9 月达到最高值分别为20.73、14.97和36.18 mg/kg，耕地和菜地受施氮量和施肥频次影响硝态氮含量达到峰值，而后菜地硝态氮含量随时间逐渐减小，12 月土壤硝态氮含量比峰值时减小了63.84%，耕地因冬小麦施肥和灌溉在12 月土壤硝态氮含量有所增长。林地土壤硝态氮含量变化范围较小，其地面枝叶的拦截削弱了降水对氮素的淋溶作用，保持水土，因此林地土壤硝态氮含量随季节变化不明显。

在图4（c）中菜地土壤铵态氮含量随时间逐渐降低，耕地和林地土壤铵态氮含量随时间先减小后增大。相较于耕地和菜地，林地土壤铵态氮含量变化小且含量最低。7、8 月份气温较高，促进铵态氮转化为硝态氮，导致9 月份3 种农用地土壤铵态氮含量有所降低，而且树木和耕地作物根系较蔬菜发达吸收铵态氮较强，致使耕地和林地铵态氮含量低于菜地。耕地因冬小麦施肥和冬灌相较于10 月铵态氮提高到了10.84%。林地土地表面随着落叶覆盖面积和覆盖厚度增加，促使落叶分解使土壤的铵态氮增多。

2.4 影响土壤水氮含量的因素

为确定对土壤含水率、土壤硝态氮和土壤铵态氮含量影响较大的因素，本文应用 SPSS 软件对于土壤含水率、土壤硝态氮和土壤铵态氮含量的影响因素进行相关性分析，其中耕地和菜地均按照当地农民施肥灌溉制度，因灌溉与降水不同时进行合并为同一因素进行分析，林地没有灌溉和氮肥影响，分析结果如表1 所示。

表1 不同农用地的土壤水氮含量与不同指标的相关系数Table 1 Correlation coefficients between soil water and nitrogen content and different indexes in different agricultural lands

耕地和林地的土壤含水率与土层深度呈正相关，菜地土壤含水率与土层深度呈负相关，蔬菜根系相对较浅，水分被根系拦截吸收后，渗透到土层深处的水分则越来越少。3 种农用地土壤含水率与土壤容重均呈负相关，其中土壤容重对耕地土壤含水率影响剧烈，耕地土壤容重与土层深度显著相关（P＜0.01），相关系数为0.987，土壤容重越大入渗率则越小［15］。耕地、林地和菜地的土壤含水率与降水量相关性均为显著相关（P＜0.05），相关系数分别为0.957、0.936 和0.985。耕地和菜地土壤含水率与降水和灌溉量均呈显著正相关，相关系数为0.957 和0.985。林地土壤含水率与降水量呈显著正相关（P＜0.05）。

3 种农用地土壤硝态氮和土壤铵态氮与土层深度均呈现负相关，即随着土层深度的增加，土壤硝态氮和土壤铵态氮含量3种指标总体均呈下降趋势，其中耕地和菜地土壤硝态氮与土层深度相关性显著（P＜0.05）。土壤硝态氮和土壤铵态氮与降水量呈负相关，降水量越大，对硝态氮和铵态氮的淋溶作用越强，使硝态氮和铵态氮浓度稀释，降低其在土壤中的含量。其中耕地和菜地的硝态氮与降水量呈显著关系（P＜0.05）。另外耕地和菜地的硝态氮和铵态氮含量受当地农民施肥制度影响，土壤硝态氮和铵态氮含量与施氮量呈正相关，其中土壤硝态氮含量与氮肥量呈极显著相关关系。而土壤含水率与硝态氮和铵态氮相关系数小，且相关性不显著。耕地、林地和菜地土壤硝态氮与铵态氮相关系数分别为0.834、0.616 和0.739，耕地和菜地的土壤硝态氮与铵态氮呈极显著相关关系（P＜0.01），林地的土壤硝态氮与铵态氮呈显著相关关系（P＜0.05）。

2.5 土壤与地下水氮素关系

土壤中硝态氮经过淋溶、运移到地下水中需要一定的时间，所以土壤硝态氮变化与地下水硝态氮变化之间存在着较为明显的时间滞后现象［16］。将0 ～100 cm 范围内各土层硝态氮总含量与其下一个时间段的地下水硝态氮含量绘制出散点图，如图5所示。

图5 地下水硝态氮与土壤硝态氮关系Fig.5 Relationship between groundwater nitrate nitrogen and soil nitrate nitrogen

地下水中硝态氮浓度随着土壤硝态氮含量增加而增加，两者相关系数R2约为0.67，硝态氮易溶于水，性质稳定，土壤中硝态氮容易影响地下水硝态氮浓度的变化。另外耕地和菜地的硝态氮含量高于林地，受降水、灌溉、施氮量及土壤性质影响显著，更容易污染地下水。同理，土壤中铵态氮的运移也具有一定的滞后效应。将土壤中0 ～100 cm 各层铵态氮总含量与其下一个时间段的地下水氨氮浓度绘制出散点图，如图6 所示。两者相关系数R2约为0.08，两者之间变化规律不明显。

图6 地下水氨氮与土壤铵态氮关系Fig.6 Relationship between groundwater ammonia nitrogen and soil ammonium nitrogen

3 结论

（1）土壤含水率随土层深度先增加后减小最后小幅度增加。耕地、林地和菜地最大值分别为25.77%、24.68%和22.61%，耕地、林地和菜地的土壤含水率大小为耕地＞林地＞菜地。耕地和菜地土壤硝态氮含量随土层深度的增加呈现先增加后减小的趋势，耕地和菜地的硝态氮含量峰值出现在20 cm处，分别为21.23 和26.21 mg/kg，林地随着土层深度的增加整体呈现逐渐减小的趋势。耕地和菜地土壤铵态氮含量均随着土层深度增加逐渐减小，在70 ～80 cm 处达到最小值，之后有小幅度增加，林地土壤铵态氮含量整体随着土层深度的增加逐渐减小，60 cm 以下逐渐趋于稳定。

（2）耕地和林地土壤含水率随时间先减小后增大，耕地含水率波动较大，林地受季节影响变化较小。菜地含水率比较平稳，10 月以后随着蔬菜成熟，土壤裸露，蒸发量增加，含水率明显下降。林地和菜地土壤硝态氮含量随时间先增加后减小，耕地则随时间呈“正弦”波动。耕地、林地和菜地土壤硝态氮含量均在7 月达到最低值分别为12.8、9.32和13.96 mg/kg，在9 月达到最高值分别为20.73、14.97 和36.18 mg/kg。菜地土壤铵态氮含量随时间逐渐降低，耕地和林地土壤铵态氮含量随时间先减小后增大。相较于耕地和菜地，林地土壤铵态氮含量变化小且含量最低。

（3）土壤中含水率、硝态氮和铵态氮含量变化趋势主要受降水、灌溉、氮素来源以及农用地类型等影响。耕地土壤含水率与土层深度呈正相关（P＜0.05）、与土壤容重呈显著负相关（P＜0.05），与降水灌溉量呈显著正相关（P＜0.05）；林地土壤含水率土层深度均呈正相关、与降水量呈显著正相关（P＜0.05）；菜地土壤含水率与土层深度呈负相关，与降水灌溉量呈显著正相关（P＜0.05）。3 种农用地土壤硝态氮与铵态氮均呈显著正相关（P＜0.05）。耕地和菜地土壤硝态氮和土壤铵态氮均与土层深度、降水量以及灌溉量呈显著负相关，与施氮量呈显著正相关，林地土壤硝态氮和土壤铵态氮均与土层深度、降水量以及灌溉量负相关，相关性不显著。

（4）研究区中地下水硝态氮与土壤中硝态氮相关系数为0.67，容易受土壤中硝态氮影响。耕地和菜地土壤水氮含量高于林地，受降水、灌溉、施氮量及土壤性质影响显著，更容易污染地下水。