典型紅壤區(qū)不同土地利用方式下氮素垂直分布及其影響因素

鄒剛?cè)A，趙鳳亮，單 穎

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 ?？?571101）

2016年我國化肥用量為5 984.1萬t，其中，氮肥占38.6%（不包括復(fù)合肥中氮素）。化肥總量雖較往年有所下降，但聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization，F(xiàn)AO）的統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2015年我國仍是世界上化肥用量最多的國家。雖然大量施用氮肥在一定程度上確保了作物產(chǎn)量，但也帶來棘手的農(nóng)業(yè)面源污染、土壤酸化及地下水污染等問題［1-3］。粗放型種植方式下氮肥利用率低，大量盈余氮素以地表徑流形式流失和以氣態(tài)形式損失［4］，同時(shí)向下淋溶還會(huì)污染地下水，影響居民用水安全。

氮素向地下水遷移受多種因素影響，如土壤性質(zhì)、施肥量、施肥方式和肥料種類等［5-7］，最直接的影響表現(xiàn)為氮素在土壤剖面上的盈余分布。土地利用方式不同，施肥管理措施也不同，同時(shí)土壤氮素轉(zhuǎn)化也存在較大差異［8］，進(jìn)而導(dǎo)致氮素在土壤剖面中的分布有所不同，羅由林等［9］認(rèn)為土地利用方式是引起土壤氮素空間變異的最主要因素。關(guān)于土壤氮素的研究已有很多，如氮素遷移及影響因素研究［10-11］、氮素時(shí)空分布特征［12］和氮素轉(zhuǎn)化等，但對(duì)于典型紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤氮素剖面分布及其影響因素的研究卻鮮見。因此，筆者基于亞熱帶典型紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式1 m深土壤原狀剖面，研究了銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮3種氮形態(tài)的垂向分布特征及其影響因素，以期為紅壤丘陵區(qū)地下水污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以湖南典型紅壤丘陵區(qū)長沙縣茶鄉(xiāng)小鎮(zhèn)金井鎮(zhèn)作為研究對(duì)象。該區(qū)域面積為135 km2，人口約為4.5萬，地理位置為28°30"～28°38"N，113°18"～113°26"E。年降水量為1 200～1 500 mm，年均氣溫為17.2℃，無霜期為274 d，年日照時(shí)數(shù)為1 663 h，相對(duì)濕度約為80%，屬典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)屬于典型江南丘崗地貌，土壤類型以花崗巖和板頁巖發(fā)育的酸性紅壤和水稻土為主。全區(qū)海拔高度平均為61 m，相對(duì)高差在50～430 m之間。土地利用方式多樣，其中，林地、農(nóng)田和園地面積分別占總面積的65.5%、26.6%和2.7%，林地主要分布在北部，植被類型以馬尾松林及杉木、油茶等人工植被為主。農(nóng)田主要分布在溝道和河流兩岸沖積平原上，農(nóng)田利用以種植雙季稻（早稻：4月下旬至7月中下旬；晚稻：7月下旬至10月中旬）為主，輔以一季稻、水稻-油菜輪作。降雨和水庫是農(nóng)田灌溉的主要水源，氮肥以尿素（以N計(jì)）為主（平均用量為375 kg?hm-2?a-1），輔以復(fù)合肥和有機(jī)肥。園地主要為茶園，分布在緩坡地上，包括金井和飛躍茶園基地等，茶園施肥通常在3和11月，以溝施為主，氮肥一般施尿素或復(fù)合肥（以N計(jì)，用量為300 kg?hm-2?a-1），輔以菜籽餅。該區(qū)地表河流污染嚴(yán)重，其中，金井河水質(zhì)全年近80%時(shí)段為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

1.2 樣品采集與測定

依據(jù)流域中主要的土地利用方式所占面積，采用動(dòng)力原狀土采集器（Stiboka.Standard set，Eijkelkamp，荷蘭）分別采集林地（LD，13個(gè)樣點(diǎn)）、稻田（DT，17個(gè)樣點(diǎn)）和茶園（CY，8個(gè)樣點(diǎn)）1 m深原狀土圓柱剖面（長為100 cm，直徑為9 cm）。稻田采樣時(shí)間為晚稻收獲后1個(gè)月前后，林地、茶園采樣與稻田采樣同期進(jìn)行。樣點(diǎn)盡量覆蓋整個(gè)流域，并考慮不同土地利用方式在流域中的分布（圖1）。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Soil sampling site distribution

將原狀土柱放于PVC管中，兩端封閉以免水分揮發(fā)，并避免運(yùn)輸過程中的較大震動(dòng)以防土柱斷裂。將土柱帶回室內(nèi)后，在表土層（0～20 cm）、犁地層（＞20～30 cm）、底土層（＞40～50 cm）和母質(zhì)層（＞70～80 cm）每隔5 cm進(jìn)行分段并先取環(huán)刀（100 cm3），即每個(gè)1 m土柱可以得到10個(gè)5 cm長的小段，然后分別將各小段的剩余土破碎風(fēng)干并除去大石礫和植物殘根等，過2 mm孔徑篩，用四分法再分取一部分過0.25 mm孔徑篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。土壤性質(zhì)測定方法參見文獻(xiàn)［13］，土壤全氮含量和有機(jī)碳含量采用碳氮分析儀測定，土壤硝態(tài)氮含量和銨態(tài)氮含量用2 mol?L-1KCl浸提，轉(zhuǎn)速為180 r?min-1，振蕩30 min，過濾后取上清液在流動(dòng)注射分析儀中分別測定。土壤容重采用環(huán)刀法，于105℃條件下烘48 h后測定。土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測定，粒徑分級(jí)采用美國制：砂粒，＞0.05～2.0 mm；粉粒，0.002～0.05 mm；黏粒，＜0.002 mm。pH值采用pH計(jì)測定，m（土）：V（水）為1：2.5。

采用Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)，各層次土壤性質(zhì)取值為不同土柱相應(yīng)層次土壤性質(zhì)的平均值，且依據(jù)土地利用方式分類，采用ArcGIS 10.0軟件制作流域采樣點(diǎn)和土地利用分布圖，采用R軟件作圖并進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤性質(zhì)剖面分布及差異性分析

3種土地利用方式土壤性質(zhì)隨土壤剖面深度的分布和變化見圖2。

圖2 不同土地利用方式土壤性質(zhì)隨深度的變化Fig.2 Changes of soil properties with depth in different land uses

圖2 中箱內(nèi)橫線表示中位數(shù)；框體高度為四分位間距，表示集中了50%的數(shù)據(jù)（即25%～75%之間）；箱外上、下端線表示異常值截?cái)帱c(diǎn)，上端為距框頂部1.5倍四分位間距范圍內(nèi)的最大數(shù)據(jù)點(diǎn)，下端為距框底部1.5倍四分位間距范圍內(nèi)的最小數(shù)據(jù)點(diǎn)；超過箱外上、下端線的值則為異常值，空心圓圈表示溫和異常值。由圖2可知，土壤容重（BD）隨土壤剖面深度增加而逐漸增加，有機(jī)碳（SOC）含量則逐漸降低，表層（0～20 cm）有機(jī)碳含量下降較為迅速。砂粒和黏粒含量變化規(guī)律不明顯。稻田（DT）土壤剖面pH隨土壤剖面深度的增加而明顯增加，但都處于酸性范圍。表層土壤銨態(tài)氮含量相對(duì)較高，茶園（CY）樣品之間銨態(tài)氮含量變異性最大。稻田表層硝態(tài)氮含量較高（0～20 cm均值為64.5 mg?kg-1），樣品之間數(shù)值變異性大；林地和茶園表層硝態(tài)氮含量均值分別為3.7和42.1 mg?kg-1，然而，茶園下層土壤硝態(tài)氮含量卻較高。稻田各土層全氮含量都明顯高于林地和茶園土壤。

對(duì)3種土地利用方式不同土層土壤理化性質(zhì)進(jìn)行方差分析（表1），結(jié)果表明：0～5 cm深處林地土壤容重顯著高于稻田（P＜0.05），林地和茶園間差異不顯著；而當(dāng)土壤深度＞15 cm時(shí)，稻田土壤容重在絕大部分情況下顯著高于林地和茶園（P＜0.05）。稻田表層（＞5～20 cm）土壤有機(jī)碳含量顯著高于林地和茶園（P＜0.05）。稻田各層次土壤粉粒含量均顯著高于林地和茶園（P＜0.05），而黏粒含量在各土地利用方式間差異不顯著。稻田土壤pH和全氮含量均顯著高于林地和茶園（P＜0.05）；土壤銨態(tài)氮含量在各土地利用方式間差異也不顯著。土壤硝態(tài)氮含量在不同土地利用方式間差異較大，在0～10 cm土層稻田、林地和茶園3者之間均存在顯著差異（P＜0.05）。而在20 cm深度以下，茶園土壤硝態(tài)氮含量升高，顯著高于稻田和林地土壤（P＜0.05）。

表1 稻田、林地和茶園不同土層土壤性質(zhì)的方差分析Table 1 Variance analysis of soil properties in different layers among rice field,woodland and tea garden

2.2 土壤氮素與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

在不考慮分層和土地利用方式情況下，分析不同形態(tài)氮與土壤其他理化性質(zhì)間的相關(guān)性（圖3）。土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)碳含量與土壤剖面深度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），土壤容重、pH與土壤剖面深度呈正相關(guān)（P＜0.01），顆粒組成（砂粒、粉粒和黏粒含量）與土壤深度間不存在顯著相關(guān)性，該結(jié)果與圖2所示結(jié)果一致。

顯著影響剖面土壤全氮含量的因素包括有機(jī)碳含量（r=0.82，P＜0.01）、粉粒含量（r=0.43，P＜0.01）、土壤剖面深度（r=-0.43，P＜0.01）、容重（r=-0.31，P＜0.01）、砂粒含量（r=-0.34，P＜0.01）和pH（r=0.21，P＜0.01），黏粒含量對(duì)全氮含量沒有影響；影響剖面銨態(tài)氮含量的因素包括有機(jī)碳含量（r=0.51，P＜0.01）、pH（r=-0.35，P＜0.01）、容重（r=-0.35，P＜0.01）和土壤剖面深度（r=-0.34，P＜0.01）；影響剖面土壤硝態(tài)氮含量分布的因素包括有機(jī)碳含量（r=0.60，P＜0.01）、容重（r=-0.55，P＜0.01）、土壤剖面深度（r=-0.43，P＜0.01）和pH（r=-0.27，P＜0.01）。綜上可知，影響不同形態(tài)氮素剖面分布的主要因素包括有機(jī)碳含量、土壤剖面深度和容重。土壤氮含量與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，而與容重、土壤剖面深度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤性質(zhì)對(duì)氮素分布具有重要影響。不同形態(tài)氮素之間也存在顯著相關(guān)性，如全氮含量與硝態(tài)氮含量關(guān)系最密切（r=0.64，P＜0.01）。

3 討論

3.1 土地利用方式對(duì)氮素剖面分布的影響

筆者研究中不同土地利用方式下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮含量均隨土壤剖面深度增加而下降（圖2），此與其他學(xué)者的研究結(jié)果［14-15］一致，這也是養(yǎng)分在土壤剖面分布中的常見規(guī)律，然而不同土地利用方式土壤中不同形態(tài)氮含量及剖面分布規(guī)律則有較大差異。稻田各土層全氮含量均顯著高于林地和茶園（P＜0.05，表1），而林地和茶園間則差異不顯著。龐夙等［16］對(duì)四川雙流縣土壤氮素空間分布的研究發(fā)現(xiàn)水田土壤全氮含量顯著高于旱地和果園，旱地和果園土壤全氮含量則差異不顯著，并認(rèn)為該差異是由于水田肥料投入及管理水平較高，而旱地和果園有機(jī)質(zhì)分解快、氮素易流失所致；陳肖等［17］通過統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為土壤全氮高值區(qū)施氮量明顯高于低值區(qū)；楊小林等［18］對(duì)紫色土小流域的研究也發(fā)現(xiàn)水旱輪作田土壤全氮含量大于林地。

圖3 土壤氮素與其他土壤性質(zhì)的相關(guān)性Fig.3 Correlations between soil nitrogen and other soil properties

筆者研究得到稻田、林地和茶園土壤剖面中各土層銨態(tài)氮含量差異均不顯著，鄒誠等［19］對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用模式對(duì)剖面土壤銨態(tài)氮分布沒有顯著影響。周吉利等［8］發(fā)現(xiàn)稻田土壤易礦化氮和氮礦化速率遠(yuǎn)高于林地和茶園，理論上稻田土壤中通過微生物礦化而來的銨態(tài)氮應(yīng)該更多，但可能損耗也多，如氨揮發(fā)，而稻田pH顯著高于林地和茶園（表1），氨揮發(fā)強(qiáng)，進(jìn)而使得土壤殘留銨態(tài)氮含量下降。蔡祖聰?shù)龋?0］認(rèn)為有機(jī)氮礦化速率增大，表明銨態(tài)氮供應(yīng)增加，則硝化速率也增大，有機(jī)氮礦化速率與硝化速率呈顯著相關(guān)性，同時(shí)銨態(tài)氮的增加對(duì)旱地土壤硝化作用的促進(jìn)最大，稻田次之，茶園最小。稻田土壤氮礦化速率大，因此更多的銨態(tài)氮也將向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。

土壤硝態(tài)氮剖面分布受土地利用方式的影響最明顯。在0～10 cm深處，稻田土壤硝態(tài)氮含量顯著高于林地和茶園土壤，林地土壤硝態(tài)氮含量最低；而在＞10～20 cm深處，茶園和稻田土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，但卻均顯著高于林地。在20 cm深度以下，茶園硝態(tài)氮含量則顯著高于稻田和林地（表1）。稻田土壤硝態(tài)氮含量在20 cm深度以下急劇降低，由0～10 cm深處的88.2 mg?kg-1減小至＞70～80 cm深處的1.16 mg?kg-1。林地整個(gè)土壤剖面中硝態(tài)氮含量都很低，0～10 cm深處為4.91 mg?kg-1，＞70～80 cm深處為0.83 mg?kg-1，同時(shí)林地不同樣點(diǎn)間硝態(tài)氮含量變異性強(qiáng)（變異系數(shù)＞100%），但最高值出現(xiàn)在0～5 cm深處（22.6 mg?kg-1），最低值僅為0.01 mg?kg-1。茶園整個(gè)土壤剖面硝態(tài)氮含量均較高，0～10和＞10～20 cm深處硝態(tài)氮含量分別為46.1和38.0 mg?kg-1，＞70～80 cm深處為26.7 mg?kg-1，且表層變異性屬于中等程度。茶園土壤硝態(tài)氮含量在40 cm深度以下呈現(xiàn)強(qiáng)變異性，最低值可達(dá)0.69 mg?kg-1。土壤表層氧氣充足，有機(jī)質(zhì)含量高，微生物豐富等，有利于土壤的硝化作用。稻田中氮肥施用量（375 kg?hm-2?a-1）大，充足的銨態(tài)氮促進(jìn)了硝化作用，且pH值相對(duì)高，因而稻田土壤硝態(tài)氮含量較高［21］；而林地人為施肥少，故硝化速率慢。劉雅等［22］也認(rèn)為農(nóng)田土壤總硝化速率高于林地。然而茶園土壤較特殊，受人為因素影響大，施肥量也多（300 kg?hm-2?a-1），且各層次砂粒含量較高。王峰等［23］研究發(fā)現(xiàn)福建5種土壤類型茶園硝化作用都較強(qiáng)。茶園采樣點(diǎn)的差異性導(dǎo)致樣點(diǎn)間硝態(tài)氮含量變異很大，有的樣點(diǎn)由于下層土壤砂粒含量較多，因而硝態(tài)氮含量高，而有的樣點(diǎn)則由于黏粒含量高，硝態(tài)氮向下淋溶困難，導(dǎo)致下層硝態(tài)氮含量很低。陳玉真等［24］認(rèn)為茶園施氮量增加提高了土壤無機(jī)氮淋溶，且硝態(tài)氮淋失占主導(dǎo)。因此，硝態(tài)氮在茶園土壤剖面中的分布，除受土壤自身性質(zhì)影響外，還與施氮量有關(guān)，以上討論表明需要特別關(guān)注研究區(qū)茶園硝態(tài)氮淋溶對(duì)地下水污染情況。

3.2 土壤性質(zhì)對(duì)氮素分布的影響

土壤氮素來源主要包括外界施肥、微生物代謝以及土壤淋溶，綜合不同土地利用方式所有采樣點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到影響土壤剖面氮素的主要理化因子包括有機(jī)碳含量和容重，有機(jī)碳含量與土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均呈顯著正相關(guān)，而容重與土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量則呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。有機(jī)碳作為能源物質(zhì)，影響微生物對(duì)有機(jī)氮的礦化作用，土壤容重則表征土壤孔隙度，影響氮素遷移，同時(shí)也影響土壤通氣性，這也將影響氮素的硝化作用［23］。XUE等［25］發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，筆者研究所得結(jié)論與之一致。同時(shí)筆者研究發(fā)現(xiàn)在剖面尺度上，土壤全氮含量與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)（r=0.64，P＜0.01），進(jìn)一步表明大量施肥導(dǎo)致土壤全氮含量增加，土壤硝態(tài)氮含量也必將顯著增加，因此控制施氮總量才是減少硝態(tài)氮淋溶的關(guān)鍵，同時(shí)還應(yīng)減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，進(jìn)而降低氮素淋溶損失。

4 結(jié)論

在流域尺度上研究了亞熱帶典型紅壤丘陵區(qū)稻田、林地和茶園在1 m深土壤剖面上銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮含量分布特性及其影響因素，得到以下結(jié)論：（1）稻田土壤剖面各層次全氮含量均顯著高于林地和茶園，不同土地利用方式土壤銨態(tài)氮含量無顯著差異。稻田土壤表層硝態(tài)氮含量最高，林地最低，而茶園在20 cm深度以下土壤硝態(tài)氮含量卻顯著高于稻田和林地。（2）有機(jī)碳含量、容重和土壤剖面深度是影響氮素剖面分布的重要因子，氮素含量與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，與容重和土壤剖面深度呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤剖面硝態(tài)氮含量與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)。（3）稻田表層土壤硝態(tài)氮含量高將增加農(nóng)田地表徑流氮素流失，而茶園底層硝態(tài)氮含量高則給地下水污染帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。