土壤氮素隨地表徑流遷移規(guī)律研究進(jìn)展

拜得珍

（青海省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810007）

氮素（尤其是硝態(tài)氮）極易隨地表徑流遷移，引起地表水環(huán)境惡化和地下水硝酸鹽含量過高等環(huán)境問題。土壤氮素的遷移與流失規(guī)律已成為土壤學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，徑流是土壤養(yǎng)分遷移的主要動力，而水土流失則是土壤氮素遷移的主要載體。開展土壤氮素隨地表遷移規(guī)律的研究，闡明氮素在地表徑流和土壤中的遷移過程及影響因素，對于探討土壤退化機(jī)理、保護(hù)水體環(huán)境安全具有重要的理論和生產(chǎn)意義。

1 氮素遷移規(guī)律的研究方法

1.1 傳統(tǒng)研究方法

土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分地表徑流損失是降雨產(chǎn)流和土壤侵蝕的結(jié)果，對于自然降水引起的地表徑流養(yǎng)分流失的研究，過去多采用流域的質(zhì)量平衡法，如今人工模擬降雨試驗(yàn)成為研究地表徑流中氮素?fù)p失的重要手段。其優(yōu)點(diǎn)是可以縮短周期，靈活地控制降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間及其他影響因素，并便于在野外和室內(nèi)應(yīng)用。

氮素遷移規(guī)律的研究方法由定性研究轉(zhuǎn)變到污染模型研究上，模型以產(chǎn)污機(jī)理為理論基礎(chǔ)，模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化并反映時(shí)空分布特征。非點(diǎn)源污染模型研究經(jīng)歷了從統(tǒng)計(jì)模型階段到機(jī)理模型為基礎(chǔ)的定量化階段，再到實(shí)用性階段。通常用流域水文模型與次暴雨徑流污染負(fù)荷估算模型來定量估計(jì)一定時(shí)段內(nèi)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的負(fù)荷量。其中單次暴雨非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化模型常用兩種方法：一種是通過對降雨徑流、水土流失和污染物遷移的模擬，估算污染物的輸出量；另一種是立足于受納水體水質(zhì)分析，建立匯水區(qū)域污染物的輸出量經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。

1.2 新技術(shù)的應(yīng)用研究

改進(jìn)的遙感技術(shù)運(yùn)用帶間參照和一系列算法可鑒定低氮區(qū)或缺氮區(qū)，近地量化氮素流失及需要量。由于氮素隨地表遷移具有隨機(jī)性大、分布范圍廣、形成機(jī)理模糊、潛伏性強(qiáng)、滯后發(fā)生和管理控制難度大的特點(diǎn)，而運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的模擬功能和計(jì)算功能，結(jié)合GIS的空間數(shù)據(jù)處理分析能力和遙感技術(shù)可提供數(shù)據(jù)源的能力，建立新的模型模擬營養(yǎng)元素在土壤和水體中的遷移轉(zhuǎn)化特征成為常用方法。

2 土壤氮素遷移規(guī)律及影響因素

2.1 土壤氮素的形態(tài)特征及遷移機(jī)理

降雨條件下坡地土壤溶質(zhì)遷移是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，受到眾多因素的影響，但直接決定因素是化學(xué)元素、土壤和水三者。其中，化學(xué)元素是土壤溶質(zhì)的組成成分，土壤是供給源，水是驅(qū)動者。氮素的非點(diǎn)源污染主要機(jī)理是擴(kuò)散和遷移，其中擴(kuò)散包括污染物在土壤圈中的擴(kuò)散和污染物在外界條件下（降水、灌溉等）從土壤向水體的擴(kuò)散兩種。污染物遷移主要有兩種，一種是結(jié)合在懸浮顆粒上，隨土壤流失進(jìn)入水體發(fā)生遷移，另一種是水溶性較強(qiáng)的污染物被淋溶而進(jìn)入徑流。一般來說，氮源施入土壤后，通過化學(xué)與微生物過程，轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮（NH+4—N）和硝態(tài)氮（NO-3-N），NH+4-N呈球形擴(kuò)散，NO-3-N以質(zhì)流方式遷移。由于銨態(tài)氮（NH+4-N）呈球形擴(kuò)散容易被土壤膠體所吸附，除吸附達(dá)到飽和外，一般不易發(fā)生遷移；而NO-3-N不易被土壤顆粒吸附，易于被淋洗進(jìn)入水體隨徑流發(fā)生遷移。

研究結(jié)果表明，徑流中的氮形態(tài)和濃度同表層土壤中氮的組成有關(guān)。在未施大量有機(jī)肥和化肥的礦質(zhì)土壤中，表層土壤中無機(jī)態(tài)氮很少，主要為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。在降雨徑流條件下，雨水及徑流相互作用的土層甚薄，只與0～2.5cm土層密切相關(guān)，可溶性較強(qiáng)的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及可溶性的有機(jī)氮被淋溶進(jìn)入徑流水體，隨水土流失的顆粒態(tài)氮成為地表徑流氮流失的主要形式[1]。而在坡地農(nóng)田利用方式中，流失的氮磷中60%以上是被泥沙帶走。分析徑流的顆粒物粒徑，徑流中流失的顆粒物以0.25mm以下的團(tuán)聚體為主[2]。

2.2 土壤氮素隨地表遷移的影響因素

2.2.1 降雨及徑流的影響特征

強(qiáng)降雨形成的地表徑流是氮流失的主要途徑，研究表明：地表徑流氮流失量與徑流量成正相關(guān)，累積氮流失量與累積徑流量之間存在冪函數(shù)關(guān)系：TN=aRb[3]。氮的輸出速率與降雨徑流過程呈遞減變化，總氮與徑流量對地表的侵蝕能力成正相關(guān)，其濃度的遞減規(guī)律呈拋物線形，并隨降雨強(qiáng)度的增大而增大.在降雨歷時(shí)、降雨量、最大雨強(qiáng)3個(gè)參數(shù)中，降雨量與污染物輸出量也呈較好的冪指數(shù)相關(guān)關(guān)系[4]，流域非點(diǎn)源污染的季節(jié)變化與流域降水的季節(jié)變化基本一致，非點(diǎn)源污染主要發(fā)生在降雨豐富的時(shí)段[5]。

在少量或無侵蝕發(fā)生的土地利用類型中，徑流水成為養(yǎng)分流失的主要途徑，部分氮磷以液態(tài)形式隨地表徑流遷移。坡面養(yǎng)分以泥沙結(jié)合態(tài)流失為主，磷鉀的水溶態(tài)是養(yǎng)分流失的重要途徑[6]，而氮、磷、鉀在流失泥沙中有明顯的養(yǎng)分富集現(xiàn)象[7]，在降雨產(chǎn)沙最初階段，氮的富集系數(shù)很高，隨后逐漸降低，并隨徑流泥沙損失量的增加，徑流泥沙對氮的富集系數(shù)逐漸減少。粒徑＜0.045mm團(tuán)聚體對氮的富集作用最強(qiáng)，富集系數(shù)也最大，而0.1—0.045mm團(tuán)聚體對氮的富集作用最弱，富集系數(shù)也最小[2]。

2.2.2 土壤物理狀況與地形條件

土壤類型、結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)都會影響地表徑流量和污染物遷移速度，不同的土壤水分含量和質(zhì)地對氮素遷移有很大影響，長期利用地表排水系統(tǒng)的水田，土壤狀況能得以改善，土壤鹽漬化程度降低，有助于NH4+被粘土吸附，控制銨態(tài)氮（NH4+—N）隨質(zhì)流的運(yùn)移流失。同時(shí)土壤明顯的干濕交替，促進(jìn)了硝化和反硝化作用，也容易造成硝態(tài)氮（NO3——N）隨地表排水流失，有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀養(yǎng)分的流失強(qiáng)度與坡長呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2.2.3 土地利用方式和土地管理措施

土地利用類型對徑流中氮素的含量有著顯著的影響，徑流N、P的流失量與肥料投入水平有一定的正相關(guān)性，同時(shí)與研究區(qū)的土地利用方式、水肥管理及種植制度有關(guān)[8]。

田間管理方式也與農(nóng)田氮流失有關(guān)，特別是耕作時(shí)間和耕作方式，旱地地表徑流中總氮平均濃度順坡種植＞平板種植＞聚土壟作。通過對土地利用類型的優(yōu)化配置，合理采用水土保持耕作法，控制施肥量和適宜的農(nóng)田耕作方式，可減少地表徑流中氮的含量[9]。耕作方式對土壤侵蝕和地表徑流有著重要的作用，犁耕農(nóng)田的地表徑流量是免耕農(nóng)田的1 185倍，水平溝與傳統(tǒng)耕作方法相比，每年可以減少6 157kg/km2礦質(zhì)氮流失[10]。

大規(guī)模造林以及水保耕作措施對土壤N素合理分配均產(chǎn)生重要影響，水保耕作措施在降低地表徑流引起的顆粒態(tài)氮損失的同時(shí)有利于硝態(tài)氮的淋失，而集約化農(nóng)業(yè)氮素以淋溶和氣體損失為主[11]。張興昌等模擬天然降雨，研究不同植被覆蓋度對流域氮素流失的影響，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度上升可以增加徑流液中礦質(zhì)氮的濃度，徑流和侵蝕量隨植被覆蓋度增加呈遞減趨勢，而NH+4—N 和 NO－3—N 流失卻呈遞增趨勢[12]。

3 土壤氮素地表徑流遷移的調(diào)控措施

在了解土壤氮素隨地表徑流遷移的形態(tài)特征及影響因素的基礎(chǔ)上，評價(jià)氮素遷移的環(huán)境效應(yīng)，開展土壤氮素地表徑流遷移的調(diào)控工作。從眾多的研究結(jié)果來看，調(diào)控措施大體可以分為兩大類，即“源”防治和“匯”防治，通過源區(qū)養(yǎng)分管理，減緩水速，促進(jìn)流水顆粒沉淀，從而減少氮的流失，達(dá)到氮素地表徑流遷移調(diào)控的目的。

3.1 “源”的調(diào)控措施

主要是加強(qiáng)養(yǎng)分管理和耕地管理，開展科學(xué)施肥。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，施氮量與氮素利用之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，過多的氮肥施用起不到增加產(chǎn)量的目的，相反會起到浪費(fèi)資源、污染環(huán)境的效果。要依據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥特性與肥料效應(yīng)，采用平衡施肥等科學(xué)施肥方法，推廣施用緩釋性肥料，可最大限度地避免養(yǎng)分流失。耕作管理，主要是對耕作技術(shù)上的要求，主要包括帶狀農(nóng)作、作物輪作、保護(hù)性耕種以及覆蓋種植，研究表明這些耕作技術(shù)可有效調(diào)控徑流污染物的遷移進(jìn)程。在“源”的調(diào)控措施中要加強(qiáng)對面源污染源的整治，尤其是對牲畜糞便污染物的管理和整治不容忽視。

3.2 “匯”調(diào)控措施

地表徑流是污染源遷移的主要動力，徑流中的顆粒物是污染物的主要載體。因而進(jìn)行徑流中污染物的調(diào)控，可通過對地表徑流進(jìn)行調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。地表徑流調(diào)控的最終目的是改變下墊面狀況，阻止雨滴直接打擊裸露的地面，分散地表徑流，削弱水土流失動力，利用地表徑流分散和聚集相結(jié)合的手段達(dá)到控制水土流失和保護(hù)水土資源的雙重目標(biāo)。目前常用生物措施、耕作措施和工程措施、化學(xué)措施以及小流域綜合治理體系來調(diào)控降雨徑流，增加土壤水庫貯存能力，消除土壤流失動力。通過修建梯田、水平構(gòu)、魚鱗坑等工程措施來進(jìn)行徑流調(diào)控是常見的“匯”調(diào)控措施。

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