2018, Vol. 55
径流是坡地土壤养分迁移传输的重要途径与载体，在降雨和径流冲刷作用下，坡地土壤养分主要通过地表径流和壤中流等途径汇入受纳水体[1]，从而引起土壤中养分的流失和水体的污染[2]。随着地表径流对土壤养分流失影响研究的日趋成熟，壤中流影响土壤养分流失的研究已成为热点[1]。近年来，国外在壤中流的观测方法[3]、产流特征[4]、发生机制[5-6]、预测模拟[7-8]、溶质运移[9]及其与地表径流关系[10]方面进行了广泛的研究，并取得了较大的进展；国内则侧重于紫色土和喀斯特地区壤中流的形成、产流特征、影响因素、养分输出特征及其与地表径流的差异分析[11-14]；越来越多的研究证实，虽然地表径流是氮素等养分迁移的主要途径，随壤中流流失的氮素等养分对湖泊和河流富营养化的作用也不容忽视[15-19]。如Jia等[16]研究了不同水文机制下紫色土地区的氮损失，发现壤中流中硝态氮(NO3--N)的浓度为地表径流的20多倍；林超文等[11, 17]多次证明紫色土农田氮损失的主要途径是壤中流。尽管如此，已有研究主要采用模拟降雨试验或单场自然降雨试验，长期的野外原位观测研究相对薄弱，对坡地氮素随径流入渗至地下的再分配过程、氮素随壤中流的迁移途径和机理等有待深入研究；大部分研究关注于硝态氮损失，对其他形态氮素(如有机氮)损失关注较少。
我国东南部红壤丘陵区遍及10省(区)，面积为113万km2，占红壤区土地总面积的51.8%，占全国土地总面积的11.8%[20]。该区域降水充沛，加上红壤自身性质的影响，壤中流普遍发生[15, 21]。国内学者对红壤坡地壤中流养分运移特征已进行了初步研究，如褚利平等[22]研究了烤烟红壤坡耕地壤中流氮素等养分浓度垂向变化特征；莫明浩等[23]基于单场自然降雨产流的观测分析了红壤坡地地表径流和壤中流及其氮素等养分流失特征。但受试验观测手段等的限制，前人对自然降雨条件下壤中流长时期持续产流及其运移养分过程的观测与研究尚不充分；而且，由于红壤区的降水分配特征和土壤垂向结构区别于紫色土和喀斯特地区，红壤坡地土壤水文状况也与上述两地区明显不同。为此，本文利用野外大型土壤水分渗漏试验装置，长期观测自然降雨条件下红壤坡地不同径流的产流过程及其氮素含量，研究红壤坡地不同形态氮随径流垂向分层输出浓度与输出通量变化特征，以期深入了解红壤坡地不同径流对不同形态氮流失的贡献和差异，探索氮素径流流失量、形态与机制，为该地区水土流失和农业面源污染防治提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验布设在江西省北部德安县的江西水土保持科研创新基地(115°42′38″E~115°43′06″ E，29°16′37″N~29°17′40″N)内。该基地属鄱阳湖流域博阳河水系，属于亚热带季风气候区，多年平均降水量1 399 mm，主要集中在4—9月，占全年降水量的70%以上；多年平均气温16.7℃，多年平均无霜期249 d，年日照时数1 650~2 100 h；地貌为浅丘岗地，海拔30~100 m，坡度5°~25°，地带性植被为亚热带常绿阔叶林。土壤主要为第四纪红黏土发育的红壤，呈酸性至微酸性，土层厚度约105 cm，土壤剖面从上至下典型土体构型为Ah-Bs-Bsv-Csv[21]。其中：Ah层厚度约为0~30 cm，土壤容重为1.05~1.32 g·cm-3；Bs层厚度约为30~60 cm，土壤容重为1.48 g·cm-3；Bsv层厚度约大于60 cm，土壤容重为1.53 g·cm-3[24]，土壤入渗率大小表现为：Ah＞Bs＞Bsv，故在各分层土壤中存在壤中流现象。该土壤在我国东南部红壤丘陵区具有代表性。
1.2 试验设计试验采用大型土壤水分渗漏装置，可观测地表径流以及30 cm、60 cm和105 cm壤中流。试验装置详细布置参见文献[21, 24]。设置3个处理，即植草覆盖(种植百喜草，覆盖度100%，定期刈割使草丛高度保持在30 cm)、干草覆盖(将刈割的百喜草横向覆盖于地表，覆盖度100%，厚度约5 cm)和裸露对照(地表不扰动，及时清除杂草保持地表完全裸露)。各处理小区彼此相邻且坡度均为14°，每个小区宽5 m、长15 m(水平投影)。小区于2000年建成，经过15 a的沉降稳定，已接近自然土体。小区内各项处理措施保存良好，目前土壤基本化学性质见表 1(土壤采样时间为2015年5月22日施肥前)。
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表 1 试验小区土壤养分背景 Table 1 Chemical properties of the soils in the three treatment plots |
鉴于3个试验小区土壤氮素背景值含量较低(表 1)，于2015年5月22日参照当地花生旱坡地氮肥施用标准施以尿素300 kg·hm-2(约合总氮140 kg·hm-2)，施肥后开展逐场次自然降雨条件下的氮素随分层径流输出浓度和输出通量的试验观测，观测周期为2015年5月22日—2016年5月21日。降雨量采用试验区旁设置的虹吸式自计雨量计进行监测；径流量通过径流池池壁的搪瓷水尺读数，由预先率定的公式计算得到；每次产流结束后，将各径流池中的水充分搅拌均匀后迅速采集500 mL水样于塑料瓶中，现场加酸稳定立即带回实验室置于4℃冰箱保存，在48 h内分析完毕，主要测定总氮含量ρ(TN)、溶解态总氮含量ρ(DTN)、溶解态无机氮含量ρ(DIN)、铵态氮含量ρ(NH4+-N)和硝态氮含量ρ(NO3--N)等指标。分析检测时，首先将水样充分摇匀取适量检测ρ(TN)(含颗粒态和溶解态)，然后将剩余水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后测定溶解态总氮、铵态氮和硝态氮质量浓度。ρ(TN)和ρ(DTN)采用碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定；ρ(NH4+-N)采用水杨酸分光光度法测定；ρ(NO3--N)采用硫酸肼还原法测定[11, 17, 25]。
1.4 数据整理与计算由于各试验小区侵蚀泥沙量低，文中ρ(TN)是指径流中溶解态和悬浮颗粒态氮量，未涉及推移质泥沙所吸附的氮量；因ρ(NO2--N)较低，故忽略不计。ρ(DON)(溶解态有机氮质量浓度，mg·L-1)ρ(PN)、(悬浮泥沙颗粒态氮质量浓度，mg·L-1)、ρ(DIN)(溶解态无机氮质量浓度，mg·L-1)通过计算得到：
| $ \rho \left( {{\rm{DON}}} \right) = \rho \left( {{\rm{DTN}}} \right) - \rho \left( {{\rm{DIN}}} \right) $ | (1) |
| $ \rho \left( {{\rm{PN}}} \right) = \rho \left( {{\rm{TN}}} \right) - \rho \left( {{\rm{DIN}}} \right) $ | (2) |
| $ \rho \left( {{\rm{DIN}}} \right) = \rho \left( {{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}} \right){\rm{ + }}\rho \left( {{\rm{NO}}_3^{\rm{ - }} - {\rm{N}}} \right) $ | (3) |
各分层径流不同形态氮输出通量计算公式如下：
| $ {\mathit{W}_{\mathit{kj}}} = \sum\limits_{i = 1}^{N{\rm{p}}} {10} \frac{{{C_{{\rm{ikj}}}} \times {Q_{{\rm{ik}}}}}}{A} $ | (4) |
式中，i=1, 2, …, Np，表示第i次降雨；Np为总降雨次数；Wkj为第k类径流第j种形态氮的输出通量，kg·hm-2；Cikj表示第i次降雨、第k类径流、第j种形态氮输出的质量浓度，mg·L-1；Qik为第i次降雨、第k类径流所对应的径流量，m3；A为试验小区的面积，本文为75 m2。
2 结果 2.1 径流液中不同形态氮浓度本文采用的数据是2015年5月22日—2016年5月21日28次自然降雨产流事件下采集水样的监测结果。试验观测期总降雨量为1 246 mm，植草覆盖小区地表径流、30和60 cm壤中流以及105 cm壤中流产流量分别为28.94、21.06、13.82、393.0 mm；干草覆盖小区地表径流、30和60 cm壤中流以及105 cm壤中流产流量分别为27.48、39.36、20.51、647.1 mm；裸露对照小区分别为89.97、17.89、10.18、473.9 mm(图 1)。
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图 1 试验小区分层径流输出量 Fig. 1 Runoff from the plot relative to treatment and soil depth |
试验观测期不同处理各分层径流中氮素输出质量浓度的平均值如表 2所示。由表 2可知，植草覆盖坡地径流中不同形态氮输出浓度总体呈现出随土层深度的增加而减小的趋势，除ρ(PN)外，其壤中流输出的ρ(TN)、ρ(DIN)和ρ(DON)分别为地表径流氮素输出值的36.5%~56.4%、23.8%~47.0%和10.5%~46.5%；干草覆盖坡地径流中不同形态氮输出浓度呈现出随土层深度的增加而增大的趋势，其壤中流输出的ρ(TN)、ρ(DIN)、ρ(DON)和ρ(PN)分别为地表径流氮素输出值的2.72倍~8.16倍、5.07倍~14.55倍、1.83倍~8.62倍和1.09倍~2.94倍；裸露坡地径流中输出的ρ(TN)和ρ(DIN)也呈现出随土层深度的增加而增大的趋势，其壤中流输出的ρ(TN)和ρ(DIN)分别为地表径流氮素输出值的1.59倍~4.38倍和5.01倍~15.04倍，但裸露坡地各分层径流中ρ(DON)和ρ(PN)随土层深度变化无明显规律。
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表 2 分层径流不同形态氮素输出质量浓度平均值 Table 2 Mean mass concentration of different fractions of nitrogen in runoff relative to soil depth/(mg·L-1) |
从处理类型来看(表 2)，总体上植草覆盖小区的氮素浓度低于裸露对照小区，而干草覆盖小区的氮素浓度高于裸露对照小区。可见，保留草被覆盖对于坡地径流氮素浓度有着明显的削减效应，而采取干草覆盖的坡地有增大氮素径流损失尤其是深层损失的风险。
2.2 氮随径流垂向分层输出通量试验观测期不同处理各分层径流的氮素输出通量如图 2所示。可以看出，无论何种覆盖措施，红壤坡地105 cm壤中流中TN、DIN、DON和PN输出通量分别占径流输出总通量的76.6%~95.9%、78.0%~97.3%、72.9%~96.6%和71.8%~94.4%；30和60 cm壤中流中TN、DIN、DON和PN输出通量分别占径流输出总通量的1.3%~5.0%、0.4%~4.1%、1.0%~6.0%和2.1%~4.8%；地表径流中TN、DIN、DON和PN输出通量分别占0.5%~15%、0.4%~21.1%、0.2%~16.8%和1.3%~23.2%。这表明不同形态氮径流输出均以105 cm壤中流为主，占径流输出总通量的71%以上，而地表径流和其他层次壤中流输出分别不足23%和6%。
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图 2 分层径流不同形态氮素输出通量 Fig. 2 Output flux of different nitrogen fractions in runoff relative to soil depth |
从处理类型来看(图 2)，试验观测期3种处理的TN、DIN、DON和PN输出总通量由大到小排序为干草覆盖、裸露对照、植草覆盖。由于径流中氮输出通量与产流量及其氮质量浓度相关，不同处理间径流中的氮输出通量差异与不同处理间产流差异和氮质量浓度差异类似。
2.3 氮随径流垂向分层输出形态及其贡献坡地径流中的氮素通常以溶解态和颗粒态的形式迁移输出。从总氮输出形式来看(表 3)，裸露红壤坡地地表径流输出的氮以泥沙颗粒吸附为主，占地表径流TN输出通量的64.4%；采取死地被物覆盖处理后，泥沙颗粒吸附氮PN的输出比例下降至54.2%，与径流溶解态总氮DTN的输出比例(45.9%)相差不明显；而采取活地被物覆盖处理后，DTN为地表径流氮输出的主要形式，占TN输出通量的64.9%。对于壤中流，3种处理下径流中54.8%~86.9%的氮以DTN输出，表明壤中流氮的输出均以径流溶解态为主，且干草覆盖和裸露处理下壤中流的DTN输出通量高于植草覆盖处理，这与干草覆盖和裸露处理下壤中流中DTN输出质量浓度明显高于植草覆盖处理有关。
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表 3 总氮随各分层径流输出形态 Table 3 Composition of TN in runoff relative to soil depth |
上述分析表明，径流溶解态携带是红壤坡地径流尤其是壤中流氮素输出的主要形式，故进一步分析溶解态总氮DTN的输出形态。根据表 4可知，对于地表径流，裸露处理地表径流中DTN输出以有机态为主，约占64%；采取死地被物覆盖和活地被物覆盖措施后，DTN随地表径流输出则以无机态为主，占60%~76%左右。对于各层次壤中流，3种处理下DTN随径流均以无机态输出为主，DIN占57.8%~97.1%，且干草覆盖和裸露处理下各层次壤中流中DIN输出量均高于植草覆盖处理，这与干草覆盖和裸露处理下各层壤中流中输出的ρ(DIN)尤其是ρ(NO3--N)的浓度明显高于植草覆盖处理有关。在DIN中，由于NO3--NN更易迁移，各分层径流输出的ρ(NO3--N)均要显著高于ρ(NH4+-N)，植草覆盖、干草覆盖和裸露处理下NO3--N输出量分别为NH4+-N输出量的2.89倍、72.79倍、15.37倍。
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表 4 溶解态总氮(DTN)随各分层径流输出形态 Table 4 Composition of DTN in runoff relative to soil depth |
此外，从不同组分总氮TN的输出形态来看(表 3和表 4)，对于干草覆盖和裸露处理小区，监测期内NO3--N是壤中流氮素流失的主要形态(占TN流失的56.2%~76.7%)，除去占有很少比例的NH4+-N外(不足5%)，其余为PN(占TN流失的13.1%~37.4%)和DON(占TN流失的1.8%~12.5%)。但对于植草覆盖处理小区，监测期内壤中流中PN占TN流失的39.2%~45.2%，其次为NO3--N和DON，分别占TN流失的24.1%~31.6%和10.6%~24.4%；NH4+-N比例较少，为9.3%~15.6%。这表明3种处理下壤中流TN输出除DIN外还有DON和PN。
3 讨论 3.1 氮随径流垂向分层输出形态特征国内外有关坡地氮素流失途径和形态的研究较多[26-31]，但这些研究主要集中在地表径流，将氮素在地表和地下各层综合分析其流失途径和形态的研究还较少。本研究利用土壤径流收集系统详细分析了自然降雨条件下红壤坡地氮素随地表径流和壤中流的输出特征，有助于深化对氮素地表及深层流失规律的理解。本研究结果表明，在侵蚀不明显的第四纪红壤坡地，氮素主要随径流尤其是壤中流流失，这与前人[23, 26-27]已有研究结论相似，他们发现：在覆盖度较大、少量或无侵蚀发生的土地利用类型下，由于其侵蚀泥沙量少，径流成为氮素等养分流失的主要途径；氮素流失不仅体现在地表径流，更多地还体现在壤中流。百喜草根系较发达，深达80 cm左右，受根系吸收土壤养分的影响，植百喜草覆盖坡地径流中不同形态氮输出浓度总体表现为随土层深度的增加而减小；通常土壤中不同形态氮素的淋溶损失强度由大至小依次为硝态氮、铵态氮、有机氮，本研究中干草覆盖和裸露坡地移动性氮素输出浓度表现为随土层深度的增加而增大，这主要与氮素发生淋溶损失下移有关。
至于氮素流失形态，已有研究表明，氮素随地表径流迁移输出既有以泥沙颗粒吸附携带为主的也有以径流溶解携带为主的，而溶解态氮随地表径流迁移输出既有以有机氮为主的也有以无机氮为主的，在不同的土地利用方式等条件下，坡地氮素随地表径流迁移输出的主要形式各不相同[28-31]。本研究也发现红壤坡地氮素随地表径流迁移输出的上述特征，但还发现总氮深层流失(随壤中流输出)除无机氮外还有溶解态有机氮和泥沙颗粒态氮，这与高忠霞等[32]利用大型回填土渗漏池研究得出淋溶水样中除无机氮外基本以溶解态有机氮为主的试验结果不完全一致，主要是因为高忠霞等[32]仅考虑无植被覆盖的裸地且未考虑悬移泥沙颗粒态氮。
3.2 覆盖方式对各分层径流不同形态氮输出的影响干草覆盖和植草覆盖是拦截坡面径流、增加水分入渗、减少地表养分流失的常见水土保持措施，已被广泛应用[21, 33]。近年来，有学者[34-35]研究发现，覆盖措施、植物篱等水土保持措施在减少养分地表流失的同时，也同样增加了养分渗漏损失。但本研究仅在干草覆盖小区中发现氮素渗漏损失增加的现象，在覆盖度大的植草覆盖小区则不然。本研究结果表明：与裸露对照相比，植草覆盖所产生的地表径流及其不同形态氮流失的拦截能力与干草覆盖相当，但干草覆盖和植草覆盖对壤中流及其氮流失的作用不同，即保留草被覆盖对于坡地壤中流量及其氮流失有着明显的削减效应，而采取干草覆盖的坡地有增大氮深层损失的风险(表 5)。草被对于坡地的氮素保持具有十分重要的价值：一方面，草被覆盖可以有效减少降雨对于坡面土壤打击，拦蓄径流，减少径流的氮素质量浓度，降低氮素流失通量；另一方面，草被可以有效吸收坡地土壤中多余的溶解态氮素，减少流失。可见，单纯采用干草覆盖措施虽能有效控制地表养分流失，但又引起了渗漏损失增加等问题。因此，应该综合多种措施，形成一种或几种综合性的覆盖模式是十分必要的。
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表 5 不同覆盖措施对各分层径流不同形态氮的拦截效应 Table 5 Interception effect of different nitrogen fractions in runoff on grass cover/straw mulch plot/% |
不同形态氮径流输出浓度在红壤干草覆盖坡地呈现出随土层深度的增加而增大的趋势，而在植草覆盖坡地总体呈现出随土层深度的增加而减小的趋势。控制红壤坡地各层次壤中流的形成和减少硝态氮淋溶损失下移是减少农业氮素流失的关键所在。与裸露对照相比，保留草被覆盖对于红壤坡地的氮素保持具有重要意义，主要是通过草被覆盖削减径流氮素浓度和拦蓄径流产生的；而采取干草覆盖的坡地有增大氮素径流损失尤其是深层损失的风险。因此，在红壤坡地农林开发中，活地被物覆盖措施和死地被物覆盖措施相结合，才能达到保持土壤肥力、减少侵蚀和预防农业面源污染的效果。
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