徐 梦，刘鸿雁，2，吴 攀，涂刚琴，崔俊丽，刘艳萍

（1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳550025；2.贵州大学 农学院，贵阳550025）

黔中水利枢纽不同土地利用类型土壤养分淋溶特征

徐 梦1，刘鸿雁1，2，吴 攀1，涂刚琴1，崔俊丽1，刘艳萍1

（1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳550025；2.贵州大学 农学院，贵阳550025）

土壤氮磷流失与土地利用类型有着密切的关系，作为水源地工程的黔中水利枢纽保护区内主要以旱坡耕地为主，氮磷素更易流失。选取黔中水利枢纽具有代表性的3种土地利用类型（耕地、林地、荒地）土壤，采用土柱模拟淋溶试验，对氮磷淋溶流失进行分析，研究面源污染可能对水质产生的影响。结果表明：不同土地利用类型土壤的氮磷素淋溶浓度与淋溶量均随着淋溶次数的增加而减少，并逐步趋于稳定；氮素淋溶流失的主要形式有硝态氮、氨氮、有机态氮和亚硝态氮，其中，有机态氮所占比例最大，在荒地、林地、耕地中所占的比例分别为58.75%，51.09%，57.07%，其次为硝态氮，且3种土地利用类型土壤硝态氮淋溶流失均大于氨氮；磷素淋溶流失的主要形式为颗粒态磷和溶解态磷，颗粒态磷为磷流失的主要形式，在荒地、林地和耕地中所占比例分别为84.73%，75.56%和78.54%；氮磷素淋溶流失在3种土地利用类型中的流失规律各不相同。因此，在不同土地利用类型的土壤中，耕地的氮素淋溶流失，荒地的磷素淋溶流失较为严重，应采取相应的措施防止对水体造成污染。

土地利用；淋溶；土柱；土壤养分；氮磷

近年来，化肥的大量使用及不合理的农业管理措施使氮磷素在土壤中大量积累。土壤中的氮磷素会以各种方式进入水体，从而造成水体富营养化[1-4]。淋溶作为氮磷素流失的一种重要方式已引起人们广泛的关注[5-7]。不同土地利用类型土壤养分的淋溶已有大量报道，研究区域多集中于灌溉区、平原区、南方丘陵区以及半干旱区[8-9]。由于土壤结构的复杂性及研究方法的差异性，土壤氮磷素淋溶流失量及形态方面存在较大差别。土壤氮素淋溶的主要形态有硝态氮、氨氮、有机氮和亚硝态氮[10-11]，硝态氮在耕地的淋溶流失量占淋溶水总氮的比例可高达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态差异较大[15-18]。磷素淋溶流失的主要形态有水溶性磷、颗粒态磷和有机磷，总磷浓度在耕地淋溶水中可达7.46 mg/L[19]，水溶性磷在耕地、林地淋溶水中的浓度分别占总磷的66%和56.1%[20]，颗粒态磷流失量在紫色土旱坡地是水溶态磷流失量的1.50～1.51倍[21]，而有机磷在耕地和林地中的存在形态尚不明确[20]。

黔中水利枢纽是喀斯特高原深水型湖泊，由于肥料的大量使用，远远超过农作物的实际需求量，造成土壤中氮磷素大量盈余，从而形成农业面源污染，引起水体富营养化，导致水环境质量下降。因此，选取黔中水利枢纽具有代表性的3种土地利用类型，通过室内土柱模拟试验，在相同淋溶条件下进行氮磷素淋溶模拟研究，以了解氮磷素在不同土地利用类型土壤中的淋溶流失特征，旨在为喀斯特高原深水型湖泊面源污染提供参考。属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，年日照1 300～1 500 h，年平均气温12.4℃，无霜期250 d左右。水量季节性变化明显，5—10月雨量较多，其中主要集中在6—7月，区域水资源丰富，多年平均降雨量为1 074 mm。该流域为乌江上游三岔河流域，属于长江流域。

图1 研究区域及采样点分布

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黔中水利枢纽地理坐标为26°25′—26°40′N，105°10′—105°30′E，总面积约248.12 km2。涉及到4个县（纳雍、织金、六枝和水城）的7个乡镇（新房乡、阳长镇、曙光乡、比德乡、化乐乡、百兴镇和鸡场乡）（图1）。

1.2 样品采集与分析

土壤样品的采集于2014年3月进行，选取黔中水利枢纽具有代表性的3种土地利用类型（耕地、林地和荒地）的0—20 cm表层土样，并用GPS进行定位，每个样点周围进行5次重复采样，按4分法混合组成待测土样约1 kg，耕地、林地、荒地土壤样品分别为48，13，27个，共计88个，见图1，对88个土样进行土壤养分测定，发现区域内土壤养分在不同土地利用类型土壤中差异较大，尤其是耕地中有效氮和有效磷的含量远高于荒地和林地[22]。淋溶试验土样分别由土壤质地和养分状况相对一致土壤样品混合而成，3种土地利用类型土样各5个样点。对土壤进行研磨过2 mm筛，共填充9个土柱，耕地、林地、荒地土壤各3个。p H值的测定采用电极法，土壤TP采用NaOH熔融—钼锑抗比色法，TN采用半微量开氏法，有机质采用油浴加热重铬酸钾容量法，土壤容重采用环刀法，土壤中有效磷用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，碱解氮用扩散吸收法测定[23]。供试土壤的基本性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

1.3 试验装置

淋溶土柱采用直径为75 mm的PVC管，总高为45 cm。土柱上方为淋溶用水容器的喷洒出水口，固定在淋溶土柱管管口。土柱下方放置淋溶滤液收集器，用以收集淋溶渗滤液。首先在管底铺两层纱布，上面铺上2 cm的石英砂，按实地测得土壤容重换算称重后将土样填装入模拟土柱，并在土壤表层铺一层纱布，使其均匀布水，每种土地利用类型的土柱做3个平行。

1.4 试验方法

试验采用间歇淋溶法，淋溶用水为蒸馏水。根据贵州省水利厅近年来的降雨量数据（表2），试验选取每周淋溶量为200 mm，为期5周，淋溶总量为1 000 mm。淋滤液采用滤液收集器进行收集，测量其体积并测定其总氮、总磷、氨氮、硝态氮、可溶性磷酸盐浓度。分析方法采用《水和废水监测分析方法》第四版国际分析方法，总氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；氨氮采用纳氏试剂法；硝态氮采用酚二磺酸光度法；总磷采用钼锑抗分光光度法；可溶态磷由水样经0.45μm微孔滤膜过滤后测定与总磷相同；颗粒态磷的浓度为总磷浓度减去可溶态磷的浓度[24]。

表2 贵州省近年年降雨量统计

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤养分的淋溶特征

2.1.1 淋溶浓度与淋溶量的的动态变化 从图2可以看出，不同土地利用类型的TN，NH+4-N，NO-3-N淋溶浓度与淋溶量均随着淋溶次数的增加而减少，并逐步趋于稳定；不同土地利用类型的总氮淋溶浓度与淋溶量的变化幅度都相对较大，耕地的总氮第一次淋溶浓度与淋溶量较高；除第一次淋溶时林地的氨氮淋溶浓度及淋溶量较高外，各土地利用类型土壤的淋溶液中氨氮的含量都较少，且变化幅度小，并且变化趋势一致；除林地外，荒地和耕地的硝态氮淋溶变化较大，耕地的硝态氮第一次淋溶量较高。对于总磷和可溶性磷，荒地的第一次淋溶浓度与淋溶量较大，随着淋溶次数的增加趋于稳定，且耕地、林地、荒地之间的差异不大。磷素的淋溶浓度和淋溶量均小于氮素淋溶。

2.1.2 淋溶总量的变化 5次淋溶后养分的淋溶量已基本趋于稳定，将每次得到的各养分的淋溶量进行累加，得到养分的淋溶总量，见表3。不同土地利用类型土壤总氮、硝态氮的淋溶量顺序为：耕地＞林地＞荒地，耕地的总氮和硝态氮的淋溶总量分别是荒地的1.37倍、1.51倍，是林地的1.10倍、1.40倍。氨氮的淋溶量顺序为：林地＞耕地＞荒地，林地的淋溶量分别是为荒地、耕地的3.91倍、2.49倍。总磷的淋溶量顺序为：荒地＞耕地＞林地，可溶性磷的淋溶量顺序为：荒地＞林地＞耕地。对不同土地利用类型的5次淋溶总量进行差异显著性分析，林地与荒地、耕地在氨氮流失总量上，耕地与荒地、林地在硝态氮流失总量上的差异显著性都达到α=0.01水平。荒地和林地、耕地在总氮和可溶性磷流失上呈现显著性差异，荒地和林地在总磷流失上呈现显著性差异。

2.2 不同土地利用类型流失形态组成

2.2.1 氮流失形态组成 三种土地利用类型的土壤氮素淋溶流失的主要形式有硝态氮、氨氮和其他形态氮，其他形态的氮由有机态氮和少量亚硝态氮组成。硝态氮流失在荒地、林地、耕地所占的比例分别为36.73%，35.92%和37.62%，氨氮流失分别为4.52%，12.99%和5.31%，均表现出硝态氮的流失大于氨氮的流失；由图3A可知，除林地第一次淋溶液中氨氮的比例高于硝态氮外，总的来说淋溶液中硝态氮的含量大于氨氮的含量。

2.2.2 磷流失形态组成 三种土地利用类型的土壤氮素淋溶流失的主要形式有颗粒态磷和溶解态磷，颗粒态磷流失在荒地、林地和耕地中所占比例分别为84.73%，75.56%，78.54%，均表现为颗粒态磷流失大于溶解态磷，荒地的可溶性磷淋失主要发生在前3次淋溶，林地的可溶性磷淋失主要发生在前4次淋溶；耕地前2次淋溶液中溶解态磷还相对较高，此后基本趋于稳定（图3B）。

2.3 氮磷淋溶动态特征曲线拟合

选用幂函数、指数函数和对数函数分别对各形态氮、磷淋失浓度（L）与淋洗次数（t）进行回归分析，根据拟合程度选取最佳效果模型（表4），可以为相同淋溶条件下的不同土地利用类型土壤氮磷素淋溶流失提供参考。不同土地利用类型土壤养分淋失浓度与淋洗次数之间均有很好的相关性。各土地利用类型中硝态氮的淋失浓度都与淋洗次数间呈对数函数关系，氨氮和溶解态磷的淋失浓度都与淋洗次数间呈指数函数关系，说明溶解态磷与硝态氮的流失特征有显著差异，与氨氮的流失特征相似。对于总磷和总氮的拟合方程，林地与耕地总氮拟合为对数函数，总磷拟合为幂函数，说明林地和耕地中总氮的淋失特征与总磷有显著差异。而荒地中总氮和总磷的流失特征相似，都为指数函数拟合。这几种函数模型均表现出不同土地利用类型的养分淋失浓度随淋溶次数增加而减少，但淋溶流失变化率是不同的，对数函数前3次淋溶变化率较小，后2次淋溶流失变化率较大，幂函数方程前3次淋溶流失变化率较大，后2次淋溶流失变化率趋于稳定，与对数函数正好相反，而指数模型的淋溶流失变化率呈现逐步减小的趋势。

图2 不同土地利用类型土壤养分淋溶动态变化

表3 不同土地利用类型土壤养分淋溶总量及差异显著性分析

图3 氮素流失形态、磷素流失形态所占百分比随淋溶次数变化

表4 不同土地利用类型养分淋失浓度与淋溶次数的关系

3 讨论

不同土地利用类型土壤养分的流失浓度和流失量是养分流失的主要研究指标，对养分淋溶流失的防治具有非常重要的意义。土壤养分淋溶是通过吸附—解析—迁移等交替的缓慢过程[10]，不同土地利用类型土壤的氮磷素淋溶流失情况不同，土地利用类型和耕作方式会对土壤的扰动程度和残留物的存在产生影响，引起土壤氮磷素淋溶差异[25]。同时受土壤养分含量和土壤颗粒组成的影响，养分含量呈现出耕地＞林地＞荒地的趋势，土壤颗粒组成差异较大[26]。

在淋溶开始时，土壤的水分含量低，包括土壤结合水含量也很低，水分通过土粒的缝隙渗漏，所以淋溶初期的淋溶浓度和淋溶量大，随着淋溶的持续进行，土壤颗粒在水分的作用下膨胀，土粒之间的孔隙减小，水分运移速率减慢，而使后几次淋溶逐步平稳[27]。有研究表明，氮素淋溶流失主要受土壤质地、通气性、有机质含量、孔隙度、土壤表层含氮量等影响[13]。耕地土壤中氮素含量比较高，使氮素更易淋溶流失，耕地的p H值为微碱性，使硝化过程中自养硝化细菌的生长和代谢最旺盛，造成土壤中硝态氮的累积[28]，为硝态氮的大量淋溶提供了可能性。耕地的有机质含量可达35.34 g/kg，有机质含量高改善了土壤结构，增加了土壤的通透性[29]，从而使耕地第1次淋溶水中的氮素淋溶浓度和淋溶量较大。耕地中施用的大量氮肥随水迁移至土壤下层，而下层的酶活性较低，氮素可通过吸附—解析—迁移等过程运移至淋溶水中，从而使淋溶水中的氮素含量高[30]，因此，耕地的氮素淋溶流失总量最大。由于土壤对磷素的吸附性强，一般磷素较氮素不易淋失，因此磷素的淋溶浓度和淋溶量均小于氮素淋溶，与常龙飞等[31]的研究结果一致。荒地的磷素淋溶第1次淋溶浓度与淋溶量较耕地、林地大，但随着淋溶次数的增加差异减小，主要是因为荒地土壤p H值偏低，土壤呈酸化状态，酸化后的土壤有利于对沉淀态磷的溶解，对磷的吸持能力也有所下降，且淋溶初期土壤的缓冲能力未体现出来，随着淋溶的持续，土壤的缓冲能力体现出来，从而使差异减小[32]。耕地、林地土壤成呈碱性，淋溶初期土壤的缓冲能力较荒地强，对磷的吸持能力较强从而使磷素淋溶的初期小于荒地的磷素淋溶流失。影响磷素淋溶流失的主要因素有土壤总磷含量和沙粒含量[13]，荒地土壤中沙粒含量较高使荒地中的磷素淋溶总量高。

对于氮磷淋溶流失的形态组成而言，总的来说硝态氮的淋溶流失大于氨氮，与袁玲等[33]对三峡库区典型农耕地的氮磷素淋溶研究结果一致，可能是由于矿化和硝化作用使硝态氮积累于土壤中，提高了土壤中的含氮量，促进了矿化和硝化作用，而产生强烈的淋溶流失，从而使硝态氮淋溶流失大于氨氮；而且土壤胶体带负电荷，对硝态氮具有较弱的吸附性能，导致硝态氮的移动能力强于氨氮，有机质含量较高，氨态氮容易被土壤胶体吸附而不易淋失。有机态氮是氮素淋溶的主要方式，可能与尿素等氮肥的过量使用有关，土壤黏粒对尿素等有机氮具有一定的吸附能力，尿素在施用后可以迅速溶解，大量有机氮在吸附饱和时，一部分有机氮会进入表层水，一部分随水迁移至土壤下层[34]，运移至淋溶水中，从而使有机氮比例增加。颗粒态磷是磷素淋溶流失的主要方式，这与黄利玲等[21]对三峡库区紫色土旱坡耕地土壤磷素流失特征研究结果一致，造成这种现象的原因主要是颗粒态磷易被冲刷，相对于可溶态磷更加容易流失。

4 结论

（1）氮磷素淋溶浓度与淋溶量均随着淋溶次数的增加而减少，并逐步趋于稳定，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机态氮，所占的比例分别为58.75%，51.09%，57.07%，其次是硝态氮，氨氮淋溶流失量最小，三种土地利用类型中磷均以颗粒态磷流失为主，所占比例达到总磷的70%以上。

（3）总磷、总氮在3种土地利用类型中的淋溶流失规律各不相同，溶解态磷和氨氮的淋溶流失特征均呈指数函数，硝态氮淋溶流失呈对数函数。

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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

国家自然科学基金（41461097）；黔科合J重大字（[2015]2001）；研究生创新实践基地建设（贵大研SJJD[2015]004）

徐梦（1991—），女，山东肥城人，硕士研究生，研究方向：污染控制工程。E-mail：xmeng2006＠163.com

刘鸿雁（1969—），女，贵州贵阳人，教授，博士，研究方向：环境生物修复与生态修复。E-mail：re.hyliu＠gzu.edu.cn