2種土地利用方式下紅壤優(yōu)先流特征及其對氮運(yùn)移的影響

劉偉　楊濤　艾志強(qiáng)

摘要? 以江西省水土保持生態(tài)科技園的耕地和枇杷林地為研究對象，通過野外染色試驗(yàn)和室內(nèi)淋溶試驗(yàn)研究2種土地利用方式下的紅壤優(yōu)先流特征及其對氮運(yùn)移的影響。結(jié)果得出：2種土地利用方式下優(yōu)先流的分布特征有明顯的區(qū)別。耕地優(yōu)先流到達(dá)的最大深度為40 cm，枇杷地優(yōu)先流到達(dá)的最大深度為60 cm。耕地的優(yōu)先流寬度隨著深度的增加而逐漸較小，枇杷地的優(yōu)先流寬度隨著深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。耕地和枇杷地淋出液總氮的濃度都隨著試驗(yàn)時(shí)間增加而逐漸增加，在試驗(yàn)前120 h內(nèi)，枇杷地淋出液總氮濃度比耕地淋出液總氮大，在120 h之后，兩地淋出液總氮濃度大致相等，但是，枇杷地所有淋出液總氮的平均濃度是耕地的1.21倍。硝酸根離子在耕地的穿透速率比在枇杷林地快。耕地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后4 h，枇杷地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后8 h。

關(guān)鍵詞? 優(yōu)先流;總氮;耕地;枇杷地

中圖分類號? S152??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0100-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.030

Characteristics of Preferential Flow of Red Soils under Two Land Use Patterns and Their Effects on Nitrogen Transport

LIU Wei， YANG Tao， AI Zhi-qiang

（Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Kunming， Yunnan 650021）

Abstract? In this paper， the cultivated land and loquat land of Jiangxi Province Soil and Water Conservation Ecological Science and Technology Park were taken as research objects. The field characteristics of red soil under two land use modes and their effects on nitrogen transport were studied by field dyeing experiment and indoor leaching experiment. The experimental results showed that there were obvious differences in the distribution characteristics of preferential flows under the two land use modes. The maximum depth of the preferential flow of cultivated land was 40 cm， and the maximum depth of the preferential flow of loquat land was 60 cm. The preferential flow area of cultivated land gradually decreased with the increase of depth， and the preferential flow area of loquat land increased first and then decreased with the increase of depth. The concentration of total nitrogen in cultivated land and loquat land leaching solution increased with the increase of experimental time. With in 120 hours before the experiment， the total nitrogen concentration in the leaching solution of laquat land was larger than that in the leaching solution of cultivated land. After 120 hours， the total nitrogen concentrations in the leaching solution of the two places were approximately equal， but the average concentration of total nitrogen in all the leachate in loquat land was 1.21 times that of the cultivated land.? The penetration rate of nitrate ions in cultivated land was faster than that in loquat land. The total nitrogen detected in the leaching solution was 4 hours after the experiment， and the total nitrogen detected in the leaching solution was 8 hours after the experiment.

Key words? Preferential flow;TN;Cultivated land;Loquat land

作者簡介? 劉偉（1991—），男，湖北荊州人，助理工程師，碩士，從事水利工程研究。

收稿日期? 2019-06-20

紅壤是發(fā)育在熱帶和亞熱帶雨林、季雨林或常綠闊葉林植被下的土壤，主要分布在長江以南的低山丘陵地帶，紅壤土在我國總面積約有117萬 km2，占我國總土地面積的12%左右，約占江西省總土地面積46%，占全省總耕地面積50%以上。隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，對化肥的需求量加大，早在2000年，我國氮肥使用總量就已超過2 700萬t，占全世界總用量的30%左右，這樣造成了耕地和地下水被嚴(yán)重污染[1]。2005年，劉宏斌等[2]對北京市平原地區(qū)農(nóng)業(yè)用地的地下水氮污染情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飲用水超標(biāo)率為38.7%，其中淺層地下水污染最嚴(yán)重，超標(biāo)率和嚴(yán)重超標(biāo)率高達(dá)80.7%和66.2%。

在土壤中，由于植物根系腐爛、土壤中動(dòng)物活動(dòng)以及一些化學(xué)反應(yīng)，因此存在諸多孔隙，這些孔隙加快了水分向下運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的速度，也是土壤水分快速運(yùn)移和溶質(zhì)優(yōu)先遷移的通道[3]。這些孔隙使得水分和養(yǎng)分快速地通過植物能夠吸收的區(qū)域進(jìn)入地下水系統(tǒng)，大大減少了農(nóng)作物根系吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的時(shí)間，降低了水分和養(yǎng)分的利用效率。

在不同的土地利用方式下，由于其開墾的程度和植物根系的大小不一樣，因此優(yōu)先路徑有很大差別，同時(shí)土壤的異質(zhì)性和優(yōu)先流的非平衡性，加大了人們研究優(yōu)先流機(jī)理的深度和難度[4]。溶質(zhì)很大一部分是隨著水分運(yùn)移的，認(rèn)識優(yōu)先流的機(jī)理有助于研究溶質(zhì)運(yùn)移。目前，優(yōu)先流和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移研究受到了學(xué)者們的普遍重視，了解兩者之間的聯(lián)系對于水資源的儲(chǔ)存和地下水污染的治理有著巨大的幫助。

筆者通過野外染色試驗(yàn)和室內(nèi)原狀土柱試驗(yàn)，對優(yōu)先流的特征及其對氮運(yùn)移的影響進(jìn)行研究，深入了解優(yōu)先路徑的分布規(guī)律，對于提高水資源和養(yǎng)分的利用效率、減少地下水染污、改善地下水環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)可為農(nóng)田水的灌溉和肥料的使用提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

此次試驗(yàn)在江西省水土保持生態(tài)科技園內(nèi)進(jìn)行。該園區(qū)在德安縣燕溝小流域、鄱陽湖水系博陽河的西邊，總面積達(dá)80 hm2。地理位置為115°42′38″～115°43′06″E，29°16′37″～39°17′40″N，園區(qū)距離省會(huì)城市南昌70 km。屬于中亞熱帶地區(qū)，是一種特別典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候特征大概為一年四季分明，春天涼爽、夏天酷熱、秋天干旱、冬天濕冷，氣候比較溫和，全年光照比較充足，雨量充足，霜期比較短。

由于受季風(fēng)氣候的影響，園區(qū)內(nèi)降雨量在全年分配不均，有明顯的雨季和旱季之分。1—3月降雨量只占全年的18%，多為小雨;4—6月降雨量占到全年的49%，多大雨以及暴雨，易形成洪澇;7—9月降雨量占全年的24%，高溫少雨，有明顯的旱季，尤其是秋天，極為干旱;10—12月降雨量占全年的9%，年均降雨量在1 400.0 mm左右，年最大降雨量為1 807.7 mm，最小降雨量為865.6 mm。此次研究所用的土壤全部是第四紀(jì)紅壤，在江西省水土保持生態(tài)科技園區(qū)里選取2塊地，分別是種植10年的枇杷果園地和剛收獲西瓜的耕地。

1.2? 研究方法

1.2.1? 原狀土柱的制作。

在確定好的地塊，簡單清除表層的枯枝落葉，采用直徑16 cm、厚度0.2 cm、高40 cm的鋼管，鋼管下端經(jīng)過打磨，緩慢打入土壤內(nèi)，在打入土壤的過程中，逐漸用鐵鍬挖出鋼管外部的土壤，鋼管打入土壤30 cm后，用鐵鍬將整個(gè)鋼管土柱挖出，切勿破壞鋼管底部的原狀土，然后兩端密封后直立運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待用。對2塊試驗(yàn)地0～30 cm 土壤按每10 cm 為一層進(jìn)行分層取樣，每層取樣5份，在實(shí)驗(yàn)室測土樣的理化性質(zhì)（表1）。

1.2.2? 野外染色試驗(yàn)。

將70 cm×70 cm×20 cm的自制矩形鐵框（鐵框厚度為2 mm）緩慢砸入土壤中，使其砸入土壤的深度為10 cm，并用鐵錘慢慢敲實(shí)鐵板與土壤之間的孔隙，將亮藍(lán)染色劑配制成4 g/L[5-6]，以積水滲透的方式均勻?yàn)⒃阼F框內(nèi)，每塊地共噴灑20 L染色劑，染色劑噴灑完畢之后，在鐵框上蓋上塑料薄膜。24 h后，去除鐵框附近10 cm寬的土壤，對鐵框中間區(qū)域（50 cm×50 cm）進(jìn)行垂直剖面挖掘，剖至看不見染色劑為止，然后用小刀和毛刷對剖面進(jìn)行整平。

剖面完成后，用高分辨率數(shù)碼相機(jī)配合鋼尺對剖面多次拍照。選取最佳照片用Photoshop 6.0軟件進(jìn)行裁剪、圖光學(xué)校正、閾值處理，然后通過Image ProPlus 6.0軟件對圖片進(jìn)行降噪處理[7]，最后輸出的數(shù)值，用作解析染色剖面的垂直和染色寬度參數(shù)，分析優(yōu)先流的形態(tài)特征。

1.2.3? 室內(nèi)淋溶試驗(yàn)。

（1）將野外取回土柱放在水桶中，確保水桶液面低于鋼管高度，但高于鋼管內(nèi)的土面，從下至上飽和進(jìn)行排氣，直至土柱上層全部濕潤為止[8]。

（2）用馬氏瓶從土柱上端加入純凈水，并控制水頭在3 cm，淋洗土柱，直至土柱底部的淋流液總氮濃度低出儀器檢測范圍。

（3）在土柱內(nèi)總氮濃度低出檢測范圍之后將馬氏瓶中溶液換成2 g/L KNO3溶液，用量杯收集出流液，前3 d每隔4 h取1次，后3 d每隔8 h取1次，最后每隔12 h取1次，總共淋洗7 d。每次取出流液時(shí)先量出總體積，并測定溶液中總氮濃度。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 優(yōu)先流特征分析

通過對2種土地利用方式的垂直剖面進(jìn)行分析，耕地的優(yōu)先流寬度隨著土壤深度的增加逐漸減小，枇杷地的優(yōu)先流寬度隨著土壤深度先增大后減小，在土壤20 cm深度處優(yōu)先流寬度達(dá)到最大（圖1）。此次試驗(yàn)，耕地的優(yōu)先流主要集中在土壤深度0～25 cm，在土壤深度40 cm以下基本消失了，枇杷地的優(yōu)先流在土壤深度60 cm才逐漸消失（圖2）。在寬度為50 cm的研究區(qū)域中，耕地的最大優(yōu)先流寬度為44 cm，枇杷地的最大優(yōu)先流寬度為33 cm，耕地比枇杷地的最大優(yōu)先流寬度多了33%。

這其中的原因可能有以下幾點(diǎn)：一是耕地0～25 cm深度人為擾動(dòng)大，農(nóng)作物根系腐爛后，土壤空隙發(fā)育良好，造成耕地的優(yōu)先流主要集中在0～25 cm深度，而土壤25～40 cm深度，人為和農(nóng)作物根系擾動(dòng)小，空隙發(fā)育差，優(yōu)先流寬度小;二是枇杷地長期沒有人為干擾，優(yōu)先流的形成主要是因?yàn)殍凌藰涓翟斐傻目障?，枇杷樹的根系較深且分布均勻，使得枇杷地優(yōu)先流寬度變化幅度不大，且到達(dá)土壤深度較深。

2.2? 總氮的運(yùn)移規(guī)律

耕地和枇杷地淋出液總氮濃度隨時(shí)間變化見圖3。由圖3可知，耕地和枇杷地淋出液總氮濃度基本上隨著時(shí)間增加而增大，但是枇杷地淋出液總氮濃度波動(dòng)比耕地淋出液總氮濃度要明顯很多;耕地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后4 h，枇杷地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后8 h，耕地淋出液檢測到總氮的時(shí)間比枇杷地淋出液檢測到總氮的時(shí)間早4 h;在試驗(yàn)開始后8～120 h，枇杷地淋出液總氮濃度都要比耕地淋出液總氮濃度大，但是在120 h之后，兩地淋出液總氮濃度基本相同，在152 h之后，兩地淋出液總氮濃度基本都到達(dá)穩(wěn)定;耕地所有淋出液總氮的平均濃度為142.7 mg/L，枇杷地所有淋出液總氮的平均濃度為172.6 mg/L，枇杷地所有淋出液總氮的平均濃度是耕地的1.21倍。

2.3? 優(yōu)先流對總氮運(yùn)移的影響分析

2.3.1? 溶質(zhì)運(yùn)移的時(shí)間。

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)將溶質(zhì)的運(yùn)移時(shí)間定義為從土柱上方加入溶質(zhì)開始，到淋出液檢測到溶質(zhì)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。根據(jù)這一定義，耕地溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)間比枇杷地少4 h，造成這種現(xiàn)象的原因在于硝酸根離子是一種非吸附離子，既不與土壤中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不容易被土壤表面吸附[9-11];土壤中的硝酸根離子的運(yùn)移速度與水分的運(yùn)移速度大致相同[12]。優(yōu)先流在耕地土壤0～20 cm深度分布較多，使得水流運(yùn)移速度大大加快。

2.3.2? 溶質(zhì)的平均濃度。枇杷地淋出液總氮濃度明顯高于耕地，在試驗(yàn)48 h之前淋出液總氮濃度增長快于耕地。在有優(yōu)先流存在的情況下，絕大部分的硝酸根離子都會(huì)通過優(yōu)先流快速下滲[13]，也就是說枇杷地的優(yōu)先流分布特征比耕地更利于硝酸根離子運(yùn)移。

3? 結(jié)論

以江西省水土保持生態(tài)科技園內(nèi)耕地和枇杷地的第四紀(jì)紅壤為研究對象，首先對耕地和枇杷地的土壤理化性質(zhì)作出研究，然后利用亮藍(lán)染色劑示蹤法分析兩地的優(yōu)先流分布特征，優(yōu)先流的運(yùn)移規(guī)律及其對氮在紅壤中遷移的影響，得到以下結(jié)論。

（1）2種土地利用方式下優(yōu)先流的分布特征有明顯的區(qū)別。耕地優(yōu)先流到達(dá)的最大深度為40 cm，枇杷地優(yōu)先流到達(dá)的最大深度為60 cm。耕地的優(yōu)先流寬度隨著深度的增加而逐漸較小，枇杷地的優(yōu)先流寬度隨著深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

（2）耕地和枇杷地淋出液總氮濃度都隨著試驗(yàn)時(shí)間增加而逐漸增加，在試驗(yàn)前120 h內(nèi)，枇杷地淋出液總氮濃度比耕地淋出液總氮大，在120 h之后，兩地淋出液總氮濃度大致相等，但是，枇杷地所有淋出液總氮的平均濃度是耕地的1.21倍。

（3）硝酸根離子在耕地的穿透速率比在枇杷林地快。耕地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后4 h，枇杷地淋出液檢測到總氮是在試驗(yàn)開始后8 h。

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