牛红玉，王克勤†，李太兴，王萍，唐佐芯

(1.西南林业大学环境科学与工程系，650224，昆明;2.云南省玉溪市水利局，653100，云南玉溪)

抚仙湖流域坡耕地施肥对土壤水中氮磷质量浓度的影响

牛红玉1，王克勤1†，李太兴2，王萍1，唐佐芯1

(1.西南林业大学环境科学与工程系，650224，昆明;2.云南省玉溪市水利局，653100，云南玉溪)

在滇中地区抚仙湖尖山河小流域坡耕地布设9个不同施肥水平的微型小区，在微型小区及不同坡位的不同深度埋设多孔杯采样器，采集土壤水样，分析其中总氮和总磷的质量浓度变化特征。结果表明:1)施肥量增大，土壤水中总氮、总磷平均质量浓度增大，1.5和2.0倍施肥处理条件下，0～100 cm土层土壤水总磷质量浓度分别是标准施肥量的1.26和1.63倍;2)同一施肥处理条件下，坡下部土壤水总氮、总磷质量浓度基本高于坡中部，0～50 cm坡下部总氮平均质量浓度约为坡中部的1.30倍，0～100 cm坡下部土壤水总磷平均质量浓度约为坡中部的2.0倍;3)同一施肥处理条件下，随着土层深度的加深，土壤水总氮质量浓度逐渐减小，0～50、50～100、100 cm以下土壤水总氮平均质量浓度分别为4.58、3.93和3.17 mg/L;土壤水总磷质量浓度在50 cm以下呈波浪状减小，在0～100 cm变化较大(0.010～0.021 mg/L)，在100 cm以下差异较小(0.010～0.014 mg/L);4)在坡耕地种植烤烟时应将施氮量控制在270.0 kg/hm2以下，施磷量要控制在61.2 kg/hm2以下。

土壤水;总氮;总磷;坡耕地;抚仙湖

坡耕地土壤侵蚀和农业径流作为面源污染的一种重要形式，对水体富营养化的贡献越来越大，甚至在有些地区已经成为水体富营养化的主要来源［1］。20世纪80年代以来，随着我国对土壤侵蚀问题认识的不断深入，坡耕地是江河湖泊泥沙和面源污染的主要来源已经被人们所认识。云南省坡度大于25°的陡坡土地占总土地面积的39.13%［2］，水土流失严重。抚仙湖地处滇中，是云南省蓄水量最大的湖泊，近年来受流域内人类活动的影响，水质逐年下降。根据2007年中国水资源公报，抚仙湖的水质已由原来的Ⅰ类下降为Ⅱ类，属于贫营养型湖泊的典型代表。李正兆等［3］的研究发现，抚仙湖污染90%以上来自面源污染，而其中的大部分又是来自农田的地表和地下径流。国内外学者对坡耕地地表径流的产流产沙及养分迁移规律已经做了大量的研究［4-6］;但随着肥料使用量的增加，使得土壤淋溶对地下水污染的潜在威胁越来越严重［7］，近年来，随着国际对土壤水研究的不断深入，土壤水的产生及其养分输出对地下水及江河湖泊的影响越来越受到关注［8-9］。笔者侧重研究施肥、坡位、土层深度对土壤水中N、P浓度的影响，结果有助于揭示坡耕地土壤水的垂直迁移规律，从而为科学利用坡耕地以及合理施肥提供参考依据，进而有利于控制地下水污染，降低抚仙湖的水体污染，改善水体环境。

1 研究区概况

研究区位于玉溪市澄江县西南部的尖山河小流域，是珠江上游南北盘江岩溶区域水土保持综合治理试点工程中的一个典型小流域。尖山河为抚仙湖的一级支流，流域面积 18.83 km2，研究区面积35.42 km2。研究区地处澄江西南部，E102°47'21″～102°52'02″，N24°32'00″～ 24°37'38″，北接龙街镇广龙村委会，南接禄充管委会，东临抚仙湖，西接晋宁县。最高海拔在流域北部，为2 347.4 m，最低海拔在抚仙湖边，为1 722 m，相对高差625.4 m。尖山河小流域属冬无严寒，夏无酷暑的北亚热带低纬度高原季风气候区，干湿季分明，多年平均降雨量1 050 mm，年平均蒸发量900 mm，干湿季分明，雨季为5月下旬—10月下旬，降雨量占全年总降雨量的75%，年平均径流深30 mm。流域土壤主要是红紫泥土和红壤。流域内森林覆盖率为21.4%，主要乔木树种有云南松(Pinus yunnanensisFranch.)、华山松(Pinus armandiiFranch.)等，灌木有杜鹃(Rhododendron simsiiPlandch.)、竹子(Bambuso-ideae)，野荔枝(Cornus kousavar.angustata)等，草本有紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)、旱茅(Eremopogon delavayi)等。主要地类有云南松天然次生林、云南松+蓝桉(Eucalyptus globules)人工林、灌草丛、坡地和梯田等。研究区经济作物以烤烟(Nicotiana tabacum)为主，占当地经济收入的61.56%，多为坡地种植;因此，本研究选取尖山河小流域出口附近的大冲村具有代表性的烤烟坡耕地作为供试基地，试验地海拔1 773 m，坡度18.58°，坡向为南北向，旱坡地。

2 研究方法

2.1 试验设计

供试土壤为红壤，试验前采用蛇形调查法先对试验地土壤进行基底调查，其基本理化性状见表1。pH值采用电位法测定，有机质质量分数采用重铬酸钾容量法测定，土壤含水量采用烘箱法测定，土壤中的全磷质量分数用NaOH熔融法测定，土壤有效磷质量分数采用NaHCO3浸提法测定。

表1 试验地表层土壤基本理化性质Tab．1 Basic physical and chemical properties of surface soil at experiment field

在试验地选取坡度、坡向等相似的3个地块布设1 m×1 m的微型小区9个，进行施肥试验，每个地块设置3个施肥处理水平，小区底部分别埋设32、47、77、107、137、167、200 cm 的陶瓷多孔杯采样器。施肥处理水平分别为A、B、C，其中:C为当地最佳施肥量，施N量为135 kg/hm2，施P量为61.2 kg/hm2;B施肥量为C的1.5倍，A施肥量为C的2倍。

在同一坡地的坡中部均匀埋设32、47、77和107 cm等4种不同深度的陶瓷多孔杯采样器;坡下部平行埋设 32、47、77、107、137、167 和 200 cm 等 7种不同深度陶瓷多孔杯采样器。分别埋设3组重复，3个重复之间水平距离为2 m，坡中部和坡下部垂直距离为3.5 m。

2.2 样品采集

2009年6月，施肥处理初期采集土壤水1次，6—10月中旬根据降雨情况，每半月左右用真空泵抽取土壤水1次，真空泵负压为0.8 MPa。每次收集土壤水时，提前24 h对陶瓷多孔杯采样器进行抽气。水样取好后要尽快送回室内实验室，贮存在4℃冰箱中，试验分析要在24 h内完成。分析指标为总氮、总磷、硝态氮、氨氮。

2.3 分析方法

总氮(总氮)质量浓度用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，总磷(总磷)质量浓度用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定，硝氮质量浓度用酚二磺酸法测定，氨态氮质量浓度用纳什试剂比色法测定［10］。数据的分析处理使用 Microsoft Excel和SPSS16.0软件。

3 结果与分析

3.1 施肥量对土壤水中氮、磷质量浓度的影响

3.1.1 施肥量对总氮质量浓度的影响 坡下部不同施肥处理条件下全年土壤水总氮质量浓度随土层深度变化情况见图1(a)。施肥处理不同的3个小区平均总氮质量浓度是A＞B＞C区，A区的质量浓度变化范围在3.66～5.11 mg/L之间，平均质量浓度为4.07 mg/L，B区的质量浓度变化范围在2.66～4.32 mg/L之间，平均质量浓度为3.33 mg/L，C区的质量浓度变化范围在2.40～3.74 mg/L之间，平均质量浓度为2.86 mg/L。可知，各施肥处理总氮质量浓度差异显著(P=0.001)，施肥量增大，土壤水中总氮质量浓度增大。从图1(a)中还可以看出，0～50 cm，随着施肥质量浓度的增大，土壤水中总氮质量浓度变化较稳定，1.5倍施肥量时，土壤水总氮平均质量浓度是标准施肥量的1.24倍，2倍施肥量时，土壤水总氮质量浓度是标准施肥量的1.48倍。1.5倍施肥量时，50 cm以下土壤水总氮质量浓度变化较大，其变化范围为2.66～3.45 mg/L。施氮量为270 kg/hm2时，浅层(0～50 cm)土壤水中的总氮质量浓度为5.11 mg/L，超出了水体总氮的标准。氨氮与施肥量之间的Kendall相关系数是-0.009，sig(2-tailed)值为 0.965，这表明土壤水中氨氮质量浓度的变化与施肥量之间不存在相关性。

图1 不同施肥处理条件下土壤水总氮、总磷质量浓度垂直变化情况(2009年)Fig．1 Vertical variation of total nitrogen and total phosphorus concentrations in soil water with different fertilization treatments(2009)

3.1.2 施肥量对总磷质量浓度的影响 由图1(b)可以看出，坡下部施肥处理条件不同的A、B、C 3个小区土壤水总磷平均质量浓度变化趋势基本一致，随着土层深度的增加，总磷质量浓度呈现递减的趋势，总体上总磷质量浓度是A＞B＞C，A、B、C 3区的平均质量浓度分别为0.016、0.011和0.010 mg/L，各施肥处理条件下总磷质量浓度之间无显著差异(P=0.386)，说明施肥量的变化对土壤水总磷质量浓度的影响不显著。在0～107 cm，随施肥量的增大，土壤水总磷质量浓度变化稳定，1.5倍施肥量时，总磷平均质量浓度是标准施肥量时的1.26倍，2倍施肥量是标准施肥量时的1.63倍，137 cm以下，随施肥量的增大，土壤水总磷质量浓度相差不大。C区土壤水中总磷质量浓度大约在107 cm往下基本保持稳定，B、A 2区总磷质量浓度从137 cm开始往下基本保持稳定，说明施肥量不仅对0～100 cm土壤水中总磷质量浓度影响显著，还会对总磷质量浓度的垂直变化范围产生影响。施肥量大的小区，总磷质量浓度的垂直变化范围较大。这可能是由多个因素综合影响造成的。首先，可能是因为107～137 cm处的土壤对总磷的吸持固定容量较弱，其次可能与含水量差异和土壤水的垂直迁移有关。由于深层土壤的含水量施肥处理要高于不施肥处理的地块［11］，高施肥量同时也会引起土壤养分入渗深度的增加［12］，从而使得施肥高的地块总磷质量浓度逐渐变小的深度也较大。施磷量超出61.2 kg/hm2后，浅层(0～50 cm)总磷质量浓度超出了国际上关于水体中总磷质量浓度的标准0.02 mg/L。

3.2 同一施肥处理不同坡位土壤水氮、磷质量浓度的变化特征

3.2.1 总氮的变化特征 不同坡位土壤水中总氮

质量浓度随时间的变化情况见图2(a)。可以看出:坡中部和坡下部总氮质量浓度的变化趋势基本一致，6月施肥初期，坡下部和坡中部土壤水中总氮质量浓度分别为3.88和2.63 mg/L，差异较大，7月份以后，差异逐渐减小，这可能是因为施肥初期，坡中部的肥料被降雨冲蚀随地表径流蓄积在坡下部，从而使得坡下部下渗的土壤水中含N质量浓度增加，此后随着不断的降雨稀释和植被的吸收利用，使得坡中和坡下总氮质量浓度差异逐渐减小;8月5日坡中和坡下总氮质量浓度上升到4.03和3.62 mg/L，其主要原因可能是烤烟进入采摘期后人为干扰所造成的。坡中部和坡下部土壤水总氮质量浓度在垂直方向差异显著(P=0.025)，说明坡位对土壤水中总氮质量浓度在垂直方向的迁移影响显著。从图2(b)中可以看出:在0～100 cm之间，坡下部土壤水中总氮的质量浓度基本呈下降趋势，而坡中部并没有表现出这一趋势;在0～50 cm之间，坡中部和坡下部总氮质量浓度差异较大，坡下部总氮平均质量浓度约为坡中部的1.3倍，在50～100 cm之间，坡中和坡下的土壤水中的总氮质量浓度基本一致，说明坡位主要对0～50 cm土壤水中的总氮质量浓度影响较大，对50 cm以下土壤水中的总氮质量浓度影响较小。

图2 同一施肥处理不同坡位总氮质量浓度变化特征Fig．2 Variation characteristics of total nitrogen concentration with same fertilization treatments at different slope positions

3.2.2 总磷的变化特征 从图3(a)中可以看出:坡中部和坡下部的总磷质量浓度随时间变化的趋势基本一致，6月施肥初期，坡中和坡下的总磷质量浓度都较高，6月23日，坡中和坡下的总磷质量浓度分别达到0.014和0.024 mg/L，7—8月总磷质量浓度逐渐降低，在7月17日达到最低，坡中部和坡下部分别达到0.006和0.007 mg/L，这主要是因为后期不断的降雨使得土壤水中的总磷质量浓度得到稀释，同时植被生长的吸收利用作用也降低了土壤水中总磷的质量浓度;但在整个试验过程中，坡下总磷的质量浓度基本一直高于坡中部，坡下、坡中部总磷平均质量浓度分别为0.011和0.009 mg/L。这可能是因为土壤养分随溶液沿着坡面向下迁移，在坡下部布设的水平沟在拦截作用下，使得土壤水中总磷的累积量增大。坡中部和坡下部土壤水总磷质量浓度在垂直方向差异显著(P=0.033)，说明坡位对土壤水中总磷在垂直方向的迁移影响显著，0～100 cm坡下部土壤水总磷平均质量浓度是坡中部的2倍，0～50 cm坡下部的总磷质量浓度呈增长趋势，50 cm以下呈现缓慢降低趋势，总体则呈降低趋势，这与前期的研究结果一致［13］。坡中部在0～100 cm呈降低趋势，证明了土壤水中总磷质量浓度在垂直方向的迁移移动，造成这种现象的主要原因可能是受坡度的影响，大部分降雨都以地表径流的形式流向坡下，坡中部土壤水中总磷渗漏量和累积量都比较小。

图3 同一施肥处理不同坡位总磷质量浓度变化特征Fig．3 Variation characteristics of total phosphorus concentration with same fertilization treatments at different slope positions

3.3 同一施肥处理不同深度土壤水氮、磷质量浓度的变化特征

3.3.1 总氮的变化特征 不同深度土壤水N、P质量浓度的变化情况见表2。可以看出:总氮质量浓度在0～50 cm较大，平均质量浓度为4.58 mg/L，随着土层的加深，总氮质量浓度有降低的趋势，主要是因为烤烟主根可下扎2 m以上，但70% ～80%集中在16～50 cm内［14］，根部的吸收利用使得土壤水中总氮质量浓度逐渐降低(表层土壤较肥沃，本身含氮量高应该是主要原因)。不同深度总氮质量浓度之间未达到显著差异(P＞0.05)，这说明土层深度的变化对土壤水中总氮的质量浓度影响不明显。50～100 cm土层总氮质量浓度有所降低，其平均质量浓度为3.93 mg/L，随着土层深度的加深，总氮质量浓度变化出现稳定降低的趋势。100 cm以下与上述2个层次相比总氮质量浓度比较小，其平均值为3.17 mg/L，总氮质量浓度随土层深度变化较小。硝态氮和氨氮的质量浓度都比较小，硝态氮的质量浓度随土层深度加深，在0～50 cm呈降低趋势，这与总氮的变化趋势一致，主要是因为土壤水中氮的淋失主要是以硝态氮的形式为主［3］。各层次土壤水中硝态氮的质量浓度在0.02～0.39 mg/L之间，200 cm处的质量浓度平均值为0.11 mg/L，低于国家饮用水标准［15］;但累积在土壤中的硝态氮如果不能被植物利用和吸收，遇到灌水和降雨将会通过重力流和扩散作用向深处逐渐迁移，最终会对地下水造成威胁，因而要控制土壤水中硝态氮质量浓度［12］。

表2 同一施肥处理不同土层深度土壤水中N、P平均质量浓度Tab．2 N and P concentrations of soil water with same fertilization treatments at different soil depth

3.3.2 总磷的变化特征 总磷质量浓度随土层深度的变化情况见表2。可以看出:总磷质量浓度在0～50 cm随深度加深有增加的趋势，证明总磷质量浓度表层迁移比深层大，这可能与土壤的物理性状和表层土壤中的含磷量有关［13］。不同土层深度土壤水总磷质量浓度差异性显著(P＜0.05)，说明土层深度对总磷质量浓度影响显著。在50 cm以下，总磷质量浓度呈波浪状减小。土壤水中总磷质量浓度在0～100 cm之间变化较大，范围在0.010～0.021 mg/L之间;100 cm以下质量浓度差异较小，变化范围在0.010～0.014 mg/L之间，比较稳定。表层土壤水中的最高总磷质量浓度为0.021 mg/L，略微超出了国际标准0.02 mg/L［16］，经过长时间的累积可能会对地下水造成一定的污染，从而影响周边的抚仙湖。

4 结论与讨论

1)施肥量对土壤水中总氮的平均质量浓度影响显著，施肥量增大，土壤水中总氮平均质量浓度增大，C、B、A 3个小区土壤水总氮平均质量浓度分别为2.86、3.33和4.07 mg/L。随着施肥量的增大，0～100 cm土壤水总磷平均质量浓度逐渐增大，1.5倍施肥量是标准施肥量的1.26倍，2倍施肥量是标准施肥量的1.63倍。

2)同一施肥处理条件下，坡下部土壤水总氮质量浓度基本一直高于坡中部，尤其是0～50 cm，坡下部总氮平均质量浓度约为坡中部的1.30倍。坡下部土壤水总磷平均质量浓度略高于坡中部，其质量浓度分别是0.011和0.009 mg/L，0～100 cm，坡下部土壤水总磷平均质量浓度约为坡中部的2倍。

3)同一施肥处理条件下，随着土层深度的加深，土壤水总氮质量浓度逐渐减小，0～50、50～100和100 cm以下土壤水总氮平均质量浓度为4.58、3.93和3.17 mg/L;随土层深度加深，50 cm以下土壤水总磷质量浓度呈波浪状减小，0～100 cm变化较大，范围在0.010～0.021 mg/L之间;100 cm以下质量浓度差异较小，变化范围在0.010～0.014 mg/L之间。

与前人的研究结果相似之处:1)不同施肥处理，表层(50 cm)土壤水中总氮和硝态氮的质量浓度较高且呈降低态，50～100 cm相对波动较小［11］;2)不同坡位土壤水中总磷质量浓度在土壤深层(200 cm)呈现波浪状递减趋势，而总氮质量浓度则在坡下部0～110 cm呈递减规律［13］。3)不同土层深度土壤水中的N、P质量浓度有从表层向下层递减的趋势，这也证明N、P养分在垂直方向上有迁移［17］。

根据以上研究结果，施氮量为270 kg/hm2时，32 cm土层土壤水中的总氮质量浓度为5.11 mg/L，超出了水体总氮质量浓度的标准，施磷量超出61.2 kg/hm2后，浅层(0～50 cm)总磷质量浓度超出了水体发生富营养化的阈值0.02 mg/L。为了避免由于土壤水中N、P质量浓度过大而对地下水造成污染，在坡耕地种植烤烟时应将施氮量控制在270 kg/hm2以下，施磷量控制在61.2 kg/hm2以下。同时，在利用坡耕地时针对不同的坡位施肥量应有所区别，基本原则为坡下部的施肥量小于坡中部，具体的施肥差量还有待于深入研究。

［1］Ebbert J C，Kim M H.Soil processes and chemical transport［J］.Journal of Environment Quality，1998，27:372-380

［2］赵成功，李新玉.我国西部国土资源及其开发对策［J］. 地理学与国土研究，2008，16(1):17-21

［3］李正兆，高海鹰，张奇，等.抚仙湖流域典型农田区地下水硝态氮污染及其影响因素［J］.农业环境科学学报，2008，27(1):286-290

［4］霍军力，王永成，董斌，等.东北黑土区坡耕地地表径流的影响因素分析［J］.黑龙江水利科技，2008，36(5):93-94

［5］赵辉，郭索彦，解明曙，等.南方花岗岩红壤区不同土地利用类型坡地产流与侵蚀产沙研究［J］.水土保持通报，2008，28(2):6-10

［6］汪涛，朱波，罗专溪，等.紫色土坡耕地径流特征试验研究［J］. 水土保持学报，2008，22(6):30-34

［7］单艳红，杨林章，王建国.土壤磷素流失的途径、环境影响及对策［J］.土壤，2004，36(6):602-608

［8］Jia H Y，Lei A L，Lei J S.Effects of hydrological processes on nitrogen loss in purple soil［J］.Agricultural Water Management，2007，89:89-97

［9］丁文峰，张平仓.2009紫色土坡面壤中流养分输出特征［J］. 水土保持学报，2006，26(2):14-19

［10］中国环境保护标准汇编水质分析方法［M］.北京:中国标准出版社，2011:188-192

［11］杜红霞，吴普特，冯浩，等.氮施用量对夏玉米土壤水氮动态及水肥利用效率的影响［J］.中国水土保持科学，2009，7(4):82-87

［12］王西娜，王朝辉，李生秀，等.施氮量对夏季玉米产量及土壤水氮动态的影响［J］.生态学报，2007，27(1):197-204

［13］褚利平，王克勤，宋泽芬，等.烤烟坡耕地壤中流氮、磷浓度的动态特征［J］.农业环境科学学报，2010，29(7):1346-1354

［14］高家合，周清明，晋艳，等.烤烟根系研究进展［J］.中国农学通报，2007，23(7):160-162

［15］刘晓晨，孙占祥.地下水硝态氮污染现状及研究进展［J］.辽宁农业科学，2008(5):41-45

［16］Sharpley A N，Meyer M.Minimizing agricultural nonpoint-source overview［J］.J Environ Qual，1994，23:1-3

［17］孙瑞娟，王德建，林静慧，等.有机肥施用对水田土壤溶液氮磷动态变化及环境的潜在影响［J］.土壤，2009，41(6):907-911

Effects of fertilizer application on N and P concentrations of soil water in slope land in Fuxian Lake Watersheds

Niu Hongyu1，Wang Keqin1，Li Taixing2，Wang Ping1，Tang Zuoxin1
(1.The Faculty of Environment Science and Engineering，Southwest Forestry University，650224，Kunming;2.Yuxi Municipal Hydrological Bureau，653100，Yuxi，Yunnan:China)

To study the effects of fertilization and slope position on the variation of total nitrogen and total phosphorus concentrations，a field experiment was conducted in Fuxian Lake Watersheds in central Yunnan Province，Nine micro plots were arranged.Soil solution samplers of different depth were installed at different slope positions in the plots.Variation characteristics of total nitrogen and total phosphorus concentrations were studied.Results showed that:1)With fertilizer amount increasing，average concentrations of total nitrogen and total phosphorus in soil water increased.At 1.5 times and 2 times of constant fertilization treatments，total phosphorus concentration of soil water at 0-100 cm depth were 1.26 times and 1.63 times of constant fertilization.2)Under the same fertilization treatment，total nitrogen and total phosphorus concentrations of soil water at bottom were larger than those at middle slope.Total nitrogen concentration of soil water at 0-50 cm depth at slope bottom was 1.30 times of that at middle slope.Total phosphorus concentration of 0-100 cm soil water at slope bottom was 2 times of that at middle slope.3)Under the same fertilization treatment，total nitrogen concentration of soil water had a decline trend with depth deepening.Average total nitrogen concentration of soil water at 0-50，50-100 cm，beneath 100 cm were respectively 4.58，3.93，3.17 mg/L.Total phosphorus concentration of soil water had a wavy decline trend over depth.Variation range of total phosphorus concentration was larger(0.010-0.021 mg/L)at 0-100 cm，smaller beneath 100 cm(0.010-0.014 mg/L).4)Total nitrogen concentration should be controlled in 270.0 kg/hm2，and total phosphorus concentration should be controlled in 61.2 kg/hm2.

soil water;total phosphorous;total nitrogen;slope land;Fuxian Lake

2011-03-07

2011-07-08

项目名称:国家自然科学基金项目“微区域集水系统控制云南山区农业面源污染机理研究”(30660037);西南林业大学水土保持与荒漠化防治重点学科资助

牛红玉(1982—)，女，硕士研究生。主要研究方向:面源污染物质输出机理及水土保持。E-mail:nhy82@163 com

†责任作者简介:王克勤 (1964—)，男，教授，博士。主要研究方向:山区小流域环境综合治理理论与技术。E-mail:wangkeqin7389@sina.com

(责任编辑:宋如华)