徐 夢，劉鴻雁，2，吳 攀，涂剛琴，崔俊麗，劉艷萍

（1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴陽550025；2.貴州大學 農(nóng)學院，貴陽550025）

黔中水利樞紐不同土地利用類型土壤養(yǎng)分淋溶特征

徐 夢1，劉鴻雁1，2，吳 攀1，涂剛琴1，崔俊麗1，劉艷萍1

（1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴陽550025；2.貴州大學 農(nóng)學院，貴陽550025）

土壤氮磷流失與土地利用類型有著密切的關系，作為水源地工程的黔中水利樞紐保護區(qū)內(nèi)主要以旱坡耕地為主，氮磷素更易流失。選取黔中水利樞紐具有代表性的3種土地利用類型（耕地、林地、荒地）土壤，采用土柱模擬淋溶試驗，對氮磷淋溶流失進行分析，研究面源污染可能對水質(zhì)產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明：不同土地利用類型土壤的氮磷素淋溶濃度與淋溶量均隨著淋溶次數(shù)的增加而減少，并逐步趨于穩(wěn)定；氮素淋溶流失的主要形式有硝態(tài)氮、氨氮、有機態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，其中，有機態(tài)氮所占比例最大，在荒地、林地、耕地中所占的比例分別為58.75%，51.09%，57.07%，其次為硝態(tài)氮，且3種土地利用類型土壤硝態(tài)氮淋溶流失均大于氨氮；磷素淋溶流失的主要形式為顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷，顆粒態(tài)磷為磷流失的主要形式，在荒地、林地和耕地中所占比例分別為84.73%，75.56%和78.54%；氮磷素淋溶流失在3種土地利用類型中的流失規(guī)律各不相同。因此，在不同土地利用類型的土壤中，耕地的氮素淋溶流失，荒地的磷素淋溶流失較為嚴重，應采取相應的措施防止對水體造成污染。

土地利用；淋溶；土柱；土壤養(yǎng)分；氮磷

近年來，化肥的大量使用及不合理的農(nóng)業(yè)管理措施使氮磷素在土壤中大量積累。土壤中的氮磷素會以各種方式進入水體，從而造成水體富營養(yǎng)化[1-4]。淋溶作為氮磷素流失的一種重要方式已引起人們廣泛的關注[5-7]。不同土地利用類型土壤養(yǎng)分的淋溶已有大量報道，研究區(qū)域多集中于灌溉區(qū)、平原區(qū)、南方丘陵區(qū)以及半干旱區(qū)[8-9]。由于土壤結(jié)構(gòu)的復雜性及研究方法的差異性，土壤氮磷素淋溶流失量及形態(tài)方面存在較大差別。土壤氮素淋溶的主要形態(tài)有硝態(tài)氮、氨氮、有機氮和亞硝態(tài)氮[10-11]，硝態(tài)氮在耕地的淋溶流失量占淋溶水總氮的比例可高達80%[12]，是林地、耕地氮素淋溶的主要形式[13-14]，而稻田土中氮素淋溶的主要形態(tài)差異較大[15-18]。磷素淋溶流失的主要形態(tài)有水溶性磷、顆粒態(tài)磷和有機磷，總磷濃度在耕地淋溶水中可達7.46 mg/L[19]，水溶性磷在耕地、林地淋溶水中的濃度分別占總磷的66%和56.1%[20]，顆粒態(tài)磷流失量在紫色土旱坡地是水溶態(tài)磷流失量的1.50～1.51倍[21]，而有機磷在耕地和林地中的存在形態(tài)尚不明確[20]。

黔中水利樞紐是喀斯特高原深水型湖泊，由于肥料的大量使用，遠遠超過農(nóng)作物的實際需求量，造成土壤中氮磷素大量盈余，從而形成農(nóng)業(yè)面源污染，引起水體富營養(yǎng)化，導致水環(huán)境質(zhì)量下降。因此，選取黔中水利樞紐具有代表性的3種土地利用類型，通過室內(nèi)土柱模擬試驗，在相同淋溶條件下進行氮磷素淋溶模擬研究，以了解氮磷素在不同土地利用類型土壤中的淋溶流失特征，旨在為喀斯特高原深水型湖泊面源污染提供參考。屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，年日照1 300～1 500 h，年平均氣溫12.4℃，無霜期250 d左右。水量季節(jié)性變化明顯，5—10月雨量較多，其中主要集中在6—7月，區(qū)域水資源豐富，多年平均降雨量為1 074 mm。該流域為烏江上游三岔河流域，屬于長江流域。

圖1 研究區(qū)域及采樣點分布

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黔中水利樞紐地理坐標為26°25′—26°40′N，105°10′—105°30′E，總面積約248.12 km2。涉及到4個縣（納雍、織金、六枝和水城）的7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（新房鄉(xiāng)、陽長鎮(zhèn)、曙光鄉(xiāng)、比德鄉(xiāng)、化樂鄉(xiāng)、百興鎮(zhèn)和雞場鄉(xiāng)）（圖1）。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品的采集于2014年3月進行，選取黔中水利樞紐具有代表性的3種土地利用類型（耕地、林地和荒地）的0—20 cm表層土樣，并用GPS進行定位，每個樣點周圍進行5次重復采樣，按4分法混合組成待測土樣約1 kg，耕地、林地、荒地土壤樣品分別為48，13，27個，共計88個，見圖1，對88個土樣進行土壤養(yǎng)分測定，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分在不同土地利用類型土壤中差異較大，尤其是耕地中有效氮和有效磷的含量遠高于荒地和林地[22]。淋溶試驗土樣分別由土壤質(zhì)地和養(yǎng)分狀況相對一致土壤樣品混合而成，3種土地利用類型土樣各5個樣點。對土壤進行研磨過2 mm篩，共填充9個土柱，耕地、林地、荒地土壤各3個。p H值的測定采用電極法，土壤TP采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法，TN采用半微量開氏法，有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤中有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，堿解氮用擴散吸收法測定[23]。供試土壤的基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 試驗裝置

淋溶土柱采用直徑為75 mm的PVC管，總高為45 cm。土柱上方為淋溶用水容器的噴灑出水口，固定在淋溶土柱管管口。土柱下方放置淋溶濾液收集器，用以收集淋溶滲濾液。首先在管底鋪兩層紗布，上面鋪上2 cm的石英砂，按實地測得土壤容重換算稱重后將土樣填裝入模擬土柱，并在土壤表層鋪一層紗布，使其均勻布水，每種土地利用類型的土柱做3個平行。

1.4 試驗方法

試驗采用間歇淋溶法，淋溶用水為蒸餾水。根據(jù)貴州省水利廳近年來的降雨量數(shù)據(jù)（表2），試驗選取每周淋溶量為200 mm，為期5周，淋溶總量為1 000 mm。淋濾液采用濾液收集器進行收集，測量其體積并測定其總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮、可溶性磷酸鹽濃度。分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版國際分析方法，總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑法；硝態(tài)氮采用酚二磺酸光度法；總磷采用鉬銻抗分光光度法；可溶態(tài)磷由水樣經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后測定與總磷相同；顆粒態(tài)磷的濃度為總磷濃度減去可溶態(tài)磷的濃度[24]。

表2 貴州省近年年降雨量統(tǒng)計

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分的淋溶特征

2.1.1 淋溶濃度與淋溶量的的動態(tài)變化 從圖2可以看出，不同土地利用類型的TN，NH+4-N，NO-3-N淋溶濃度與淋溶量均隨著淋溶次數(shù)的增加而減少，并逐步趨于穩(wěn)定；不同土地利用類型的總氮淋溶濃度與淋溶量的變化幅度都相對較大，耕地的總氮第一次淋溶濃度與淋溶量較高；除第一次淋溶時林地的氨氮淋溶濃度及淋溶量較高外，各土地利用類型土壤的淋溶液中氨氮的含量都較少，且變化幅度小，并且變化趨勢一致；除林地外，荒地和耕地的硝態(tài)氮淋溶變化較大，耕地的硝態(tài)氮第一次淋溶量較高。對于總磷和可溶性磷，荒地的第一次淋溶濃度與淋溶量較大，隨著淋溶次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定，且耕地、林地、荒地之間的差異不大。磷素的淋溶濃度和淋溶量均小于氮素淋溶。

2.1.2 淋溶總量的變化 5次淋溶后養(yǎng)分的淋溶量已基本趨于穩(wěn)定，將每次得到的各養(yǎng)分的淋溶量進行累加，得到養(yǎng)分的淋溶總量，見表3。不同土地利用類型土壤總氮、硝態(tài)氮的淋溶量順序為：耕地＞林地＞荒地，耕地的總氮和硝態(tài)氮的淋溶總量分別是荒地的1.37倍、1.51倍，是林地的1.10倍、1.40倍。氨氮的淋溶量順序為：林地＞耕地＞荒地，林地的淋溶量分別是為荒地、耕地的3.91倍、2.49倍?？偭椎牧苋芰宽樞驗椋夯牡兀靖兀玖值?，可溶性磷的淋溶量順序為：荒地＞林地＞耕地。對不同土地利用類型的5次淋溶總量進行差異顯著性分析，林地與荒地、耕地在氨氮流失總量上，耕地與荒地、林地在硝態(tài)氮流失總量上的差異顯著性都達到α=0.01水平。荒地和林地、耕地在總氮和可溶性磷流失上呈現(xiàn)顯著性差異，荒地和林地在總磷流失上呈現(xiàn)顯著性差異。

2.2 不同土地利用類型流失形態(tài)組成

2.2.1 氮流失形態(tài)組成 三種土地利用類型的土壤氮素淋溶流失的主要形式有硝態(tài)氮、氨氮和其他形態(tài)氮，其他形態(tài)的氮由有機態(tài)氮和少量亞硝態(tài)氮組成。硝態(tài)氮流失在荒地、林地、耕地所占的比例分別為36.73%，35.92%和37.62%，氨氮流失分別為4.52%，12.99%和5.31%，均表現(xiàn)出硝態(tài)氮的流失大于氨氮的流失；由圖3A可知，除林地第一次淋溶液中氨氮的比例高于硝態(tài)氮外，總的來說淋溶液中硝態(tài)氮的含量大于氨氮的含量。

2.2.2 磷流失形態(tài)組成 三種土地利用類型的土壤氮素淋溶流失的主要形式有顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷，顆粒態(tài)磷流失在荒地、林地和耕地中所占比例分別為84.73%，75.56%，78.54%，均表現(xiàn)為顆粒態(tài)磷流失大于溶解態(tài)磷，荒地的可溶性磷淋失主要發(fā)生在前3次淋溶，林地的可溶性磷淋失主要發(fā)生在前4次淋溶；耕地前2次淋溶液中溶解態(tài)磷還相對較高，此后基本趨于穩(wěn)定（圖3B）。

2.3 氮磷淋溶動態(tài)特征曲線擬合

選用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)分別對各形態(tài)氮、磷淋失濃度（L）與淋洗次數(shù)（t）進行回歸分析，根據(jù)擬合程度選取最佳效果模型（表4），可以為相同淋溶條件下的不同土地利用類型土壤氮磷素淋溶流失提供參考。不同土地利用類型土壤養(yǎng)分淋失濃度與淋洗次數(shù)之間均有很好的相關性。各土地利用類型中硝態(tài)氮的淋失濃度都與淋洗次數(shù)間呈對數(shù)函數(shù)關系，氨氮和溶解態(tài)磷的淋失濃度都與淋洗次數(shù)間呈指數(shù)函數(shù)關系，說明溶解態(tài)磷與硝態(tài)氮的流失特征有顯著差異，與氨氮的流失特征相似。對于總磷和總氮的擬合方程，林地與耕地總氮擬合為對數(shù)函數(shù)，總磷擬合為冪函數(shù)，說明林地和耕地中總氮的淋失特征與總磷有顯著差異。而荒地中總氮和總磷的流失特征相似，都為指數(shù)函數(shù)擬合。這幾種函數(shù)模型均表現(xiàn)出不同土地利用類型的養(yǎng)分淋失濃度隨淋溶次數(shù)增加而減少，但淋溶流失變化率是不同的，對數(shù)函數(shù)前3次淋溶變化率較小，后2次淋溶流失變化率較大，冪函數(shù)方程前3次淋溶流失變化率較大，后2次淋溶流失變化率趨于穩(wěn)定，與對數(shù)函數(shù)正好相反，而指數(shù)模型的淋溶流失變化率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。

圖2 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分淋溶動態(tài)變化

表3 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分淋溶總量及差異顯著性分析

圖3 氮素流失形態(tài)、磷素流失形態(tài)所占百分比隨淋溶次數(shù)變化

表4 不同土地利用類型養(yǎng)分淋失濃度與淋溶次數(shù)的關系

3 討論

不同土地利用類型土壤養(yǎng)分的流失濃度和流失量是養(yǎng)分流失的主要研究指標，對養(yǎng)分淋溶流失的防治具有非常重要的意義。土壤養(yǎng)分淋溶是通過吸附—解析—遷移等交替的緩慢過程[10]，不同土地利用類型土壤的氮磷素淋溶流失情況不同，土地利用類型和耕作方式會對土壤的擾動程度和殘留物的存在產(chǎn)生影響，引起土壤氮磷素淋溶差異[25]。同時受土壤養(yǎng)分含量和土壤顆粒組成的影響，養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出耕地＞林地＞荒地的趨勢，土壤顆粒組成差異較大[26]。

在淋溶開始時，土壤的水分含量低，包括土壤結(jié)合水含量也很低，水分通過土粒的縫隙滲漏，所以淋溶初期的淋溶濃度和淋溶量大，隨著淋溶的持續(xù)進行，土壤顆粒在水分的作用下膨脹，土粒之間的孔隙減小，水分運移速率減慢，而使后幾次淋溶逐步平穩(wěn)[27]。有研究表明，氮素淋溶流失主要受土壤質(zhì)地、通氣性、有機質(zhì)含量、孔隙度、土壤表層含氮量等影響[13]。耕地土壤中氮素含量比較高，使氮素更易淋溶流失，耕地的p H值為微堿性，使硝化過程中自養(yǎng)硝化細菌的生長和代謝最旺盛，造成土壤中硝態(tài)氮的累積[28]，為硝態(tài)氮的大量淋溶提供了可能性。耕地的有機質(zhì)含量可達35.34 g/kg，有機質(zhì)含量高改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤的通透性[29]，從而使耕地第1次淋溶水中的氮素淋溶濃度和淋溶量較大。耕地中施用的大量氮肥隨水遷移至土壤下層，而下層的酶活性較低，氮素可通過吸附—解析—遷移等過程運移至淋溶水中，從而使淋溶水中的氮素含量高[30]，因此，耕地的氮素淋溶流失總量最大。由于土壤對磷素的吸附性強，一般磷素較氮素不易淋失，因此磷素的淋溶濃度和淋溶量均小于氮素淋溶，與常龍飛等[31]的研究結(jié)果一致。荒地的磷素淋溶第1次淋溶濃度與淋溶量較耕地、林地大，但隨著淋溶次數(shù)的增加差異減小，主要是因為荒地土壤p H值偏低，土壤呈酸化狀態(tài)，酸化后的土壤有利于對沉淀態(tài)磷的溶解，對磷的吸持能力也有所下降，且淋溶初期土壤的緩沖能力未體現(xiàn)出來，隨著淋溶的持續(xù)，土壤的緩沖能力體現(xiàn)出來，從而使差異減小[32]。耕地、林地土壤成呈堿性，淋溶初期土壤的緩沖能力較荒地強，對磷的吸持能力較強從而使磷素淋溶的初期小于荒地的磷素淋溶流失。影響磷素淋溶流失的主要因素有土壤總磷含量和沙粒含量[13]，荒地土壤中沙粒含量較高使荒地中的磷素淋溶總量高。

對于氮磷淋溶流失的形態(tài)組成而言，總的來說硝態(tài)氮的淋溶流失大于氨氮，與袁玲等[33]對三峽庫區(qū)典型農(nóng)耕地的氮磷素淋溶研究結(jié)果一致，可能是由于礦化和硝化作用使硝態(tài)氮積累于土壤中，提高了土壤中的含氮量，促進了礦化和硝化作用，而產(chǎn)生強烈的淋溶流失，從而使硝態(tài)氮淋溶流失大于氨氮；而且土壤膠體帶負電荷，對硝態(tài)氮具有較弱的吸附性能，導致硝態(tài)氮的移動能力強于氨氮，有機質(zhì)含量較高，氨態(tài)氮容易被土壤膠體吸附而不易淋失。有機態(tài)氮是氮素淋溶的主要方式，可能與尿素等氮肥的過量使用有關，土壤黏粒對尿素等有機氮具有一定的吸附能力，尿素在施用后可以迅速溶解，大量有機氮在吸附飽和時，一部分有機氮會進入表層水，一部分隨水遷移至土壤下層[34]，運移至淋溶水中，從而使有機氮比例增加。顆粒態(tài)磷是磷素淋溶流失的主要方式，這與黃利玲等[21]對三峽庫區(qū)紫色土旱坡耕地土壤磷素流失特征研究結(jié)果一致，造成這種現(xiàn)象的原因主要是顆粒態(tài)磷易被沖刷，相對于可溶態(tài)磷更加容易流失。

4 結(jié)論

（1）氮磷素淋溶濃度與淋溶量均隨著淋溶次數(shù)的增加而減少，并逐步趨于穩(wěn)定，耕地的氮素淋溶流失量比林地和荒地大，荒地的磷素淋溶流失大于耕地和林地。

（2）在荒地、林地、耕地中氮素淋溶的主要形式都是有機態(tài)氮，所占的比例分別為58.75%，51.09%，57.07%，其次是硝態(tài)氮，氨氮淋溶流失量最小，三種土地利用類型中磷均以顆粒態(tài)磷流失為主，所占比例達到總磷的70%以上。

（3）總磷、總氮在3種土地利用類型中的淋溶流失規(guī)律各不相同，溶解態(tài)磷和氨氮的淋溶流失特征均呈指數(shù)函數(shù)，硝態(tài)氮淋溶流失呈對數(shù)函數(shù)。

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Characteristics of Soil Nutrient Leaching in Different Land Use Types of Hydro-junction in Central Guizhou Province

XU Meng1，LIU Hongyan1，2，WU Pan1，TU Gangqin1，CUI Junli1，LIU Yanping1
（1.College of Resource and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang550025，China；2.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang550025，China）

The leaching losses of nitrogen and phosphorus from soils are closely related to land use types.Dry sloping land is the predominant type of land use in Hydro-junction in central Guizhou regarded as drinking water sources project，nitrogen and phosphorus of the sloping land are easily leaching loss.Three different typical land use types（farmland，forestland and wasteland）were chosen to analyze the leaching losses of nitrogen and phosphorus by using soil columns in order to evaluate the influence of non-point source pollution on water quality.The results showed that the leaching concentration and amount of nitrogen and phosphorus reduced，and became stable gradually with the increase of leaching duration.The main forms of nitrogen leaching loss were nitrate nitrogen，ammonium nitrogen，organic nitrogen and nitrite nitrogen.The proportion of organic nitrogen was the largest，which accounted for 58.75%，51.09%，57.07%in wasteland，forestland and farmland，respectively，the following was nitrate nitrogen，which was more than ammonium nitrogen in different land use types.The main forms of phosphorus leaching loss were soluble phosphorus and particulate phosphorus，the proportion of particulate phosphorus was the largest，which accounted for 84.73%，75.56%，78.54%in wasteland，forestland and farmland，respectively.The change patterns of nitrogen and phosphorus varied in different land use types.The nitrogen leaching loss in farmland and phosphorus leaching loss in wasteland were more than others，therefore，the corresponding measures should be taken to prevent water from contamination.

land use；leaching；soil column；soil nutrients；nitrogen and phosphorus

S153

A

1005-3409（2017）01-0025-06

2016-05-25

2016-06-06

國家自然科學基金（41461097）；黔科合J重大字（[2015]2001）；研究生創(chuàng)新實踐基地建設（貴大研SJJD[2015]004）

徐夢（1991—），女，山東肥城人，碩士研究生，研究方向：污染控制工程。E-mail：xmeng2006＠163.com

劉鴻雁（1969—），女，貴州貴陽人，教授，博士，研究方向：環(huán)境生物修復與生態(tài)修復。E-mail：re.hyliu＠gzu.edu.cn