典型紅壤區不同土地利用方式下氮素垂直分布及其影響因素

鄒剛華，趙鳳亮，單 穎

（中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所，海南 ?？?571101）

2016年我國化肥用量為5 984.1萬t，其中，氮肥占38.6%（不包括復合肥中氮素）?；士偭侩m較往年有所下降，但聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization，FAO）的統計資料顯示，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量，但也帶來棘手的農業面源污染、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形式損失［4］，同時向下淋溶還會污染地下水，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、施肥量、施肥方式和肥料種類等［5-7］，最直接的影響表現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，同時土壤氮素轉化也存在較大差異［8］，進而導致氮素在土壤剖面中的分布有所不同，羅由林等［9］認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］、氮素時空分布特征［12］和氮素轉化等，但對于典型紅壤丘陵區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不同土地利用方式1 m深土壤原狀剖面，研究了銨態氮、硝態氮和全氮3種氮形態的垂向分布特征及其影響因素，以期為紅壤丘陵區地下水污染環境風險評估提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以湖南典型紅壤丘陵區長沙縣茶鄉小鎮金井鎮作為研究對象。該區域面積為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，年日照時數為1 663 h，相對濕度約為80%，屬典型亞熱帶濕潤季風氣候區。研究區屬于典型江南丘崗地貌，土壤類型以花崗巖和板頁巖發育的酸性紅壤和水稻土為主。全區海拔高度平均為61 m，相對高差在50～430 m之間。土地利用方式多樣，其中，林地、農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。農田主要分布在溝道和河流兩岸沖積平原上，農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。降雨和水庫是農田灌溉的主要水源，氮肥以尿素（以N計）為主（平均用量為375 kg?hm-2?a-1），輔以復合肥和有機肥。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合肥（以N計，用量為300 kg?hm-2?a-1），輔以菜籽餅。該區地表河流污染嚴重，其中，金井河水質全年近80%時段為Ⅴ類或劣Ⅴ類。

1.2 樣品采集與測定

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

圖1 研究區采樣點分布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，并避免運輸過程中的較大震動以防土柱斷裂。將土柱帶回室內后，在表土層（0～20 cm）、犁地層（＞20～30 cm）、底土層（＞40～50 cm）和母質層（＞70～80 cm）每隔5 cm進行分段并先取環刀（100 cm3），即每個1 m土柱可以得到10個5 cm長的小段，然后分別將各小段的剩余土破碎風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。土壤性質測定方法參見文獻［13］，土壤全氮含量和有機碳含量采用碳氮分析儀測定，土壤硝態氮含量和銨態氮含量用2 mol?L-1KCl浸提，轉速為180 r?min-1，振蕩30 min，過濾后取上清液在流動注射分析儀中分別測定。土壤容重采用環刀法，于105℃條件下烘48 h后測定。土壤機械組成采用比重計法測定，粒徑分級采用美國制：砂粒，＞0.05～2.0 mm；粉粒，0.002～0.05 mm；黏粒，＜0.002 mm。pH值采用pH計測定，m（土）：V（水）為1：2.5。

采用Excel 2007軟件整理數據，各層次土壤性質取值為不同土柱相應層次土壤性質的平均值，且依據土地利用方式分類，采用ArcGIS 10.0軟件制作流域采樣點和土地利用分布圖，采用R軟件作圖并進行方差分析和相關性分析等。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤性質剖面分布及差異性分析

3種土地利用方式土壤性質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隨深度的變化Fig.2 Changes of soil properties with depth in different land uses

圖2 中箱內橫線表示中位數；框體高度為四分位間距，表示集中了50%的數據（即25%～75%之間）；箱外上、下端線表示異常值截斷點，上端為距框頂部1.5倍四分位間距范圍內的最大數據點，下端為距框底部1.5倍四分位間距范圍內的最小數據點；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，有機碳（SOC）含量則逐漸降低，表層（0～20 cm）有機碳含量下降較為迅速。砂粒和黏粒含量變化規律不明顯。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。表層土壤銨態氮含量相對較高，茶園（CY）樣品之間銨態氮含量變異性最大。稻田表層硝態氮含量較高（0～20 cm均值為64.5 mg?kg-1），樣品之間數值變異性大；林地和茶園表層硝態氮含量均值分別為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3種土地利用方式不同土層土壤理化性質進行方差分析（表1），結果表明：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；而當土壤深度＞15 cm時，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）；土壤銨態氮含量在各土地利用方式間差異也不顯著。土壤硝態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的相關性分析

在不考慮分層和土地利用方式情況下，分析不同形態氮與土壤其他理化性質間的相關性（圖3）。土壤全氮、銨態氮、硝態氮和有機碳含量與土壤剖面深度呈顯著負相關（P＜0.01），土壤容重、pH與土壤剖面深度呈正相關（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性，該結果與圖2所示結果一致。

顯著影響剖面土壤全氮含量的因素包括有機碳含量（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），黏粒含量對全氮含量沒有影響；影響剖面銨態氮含量的因素包括有機碳含量（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）；影響剖面土壤硝態氮含量分布的因素包括有機碳含量（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，影響不同形態氮素剖面分布的主要因素包括有機碳含量、土壤剖面深度和容重。土壤氮含量與有機碳含量呈顯著正相關，而與容重、土壤剖面深度呈顯著負相關，表明土壤性質對氮素分布具有重要影響。不同形態氮素之間也存在顯著相關性，如全氮含量與硝態氮含量關系最密切（r=0.64，P＜0.01）。

3 討論

3.1 土地利用方式對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氮、硝態氮和全氮含量均隨土壤剖面深度增加而下降（圖2），此與其他學者的研究結果［14-15］一致，這也是養分在土壤剖面分布中的常見規律，然而不同土地利用方式土壤中不同形態氮含量及剖面分布規律則有較大差異。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］對四川雙流縣土壤氮素空間分布的研究發現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，而旱地和果園有機質分解快、氮素易流失所致；陳肖等［17］通過統計分析認為土壤全氮高值區施氮量明顯高于低值區；楊小林等［18］對紫色土小流域的研究也發現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的相關性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氮含量差異均不顯著，鄒誠等［19］對黃土高原丘陵溝壑區的研究發現不同土地利用模式對剖面土壤銨態氮分布沒有顯著影響。周吉利等［8］發現稻田土壤易礦化氮和氮礦化速率遠高于林地和茶園，理論上稻田土壤中通過微生物礦化而來的銨態氮應該更多，但可能損耗也多，如氨揮發，而稻田pH顯著高于林地和茶園（表1），氨揮發強，進而使得土壤殘留銨態氮含量下降。蔡祖聰等［20］認為有機氮礦化速率增大，表明銨態氮供應增加，則硝化速率也增大，有機氮礦化速率與硝化速率呈顯著相關性，同時銨態氮的增加對旱地土壤硝化作用的促進最大，稻田次之，茶園最小。稻田土壤氮礦化速率大，因此更多的銨態氮也將向硝態氮轉化。

土壤硝態氮剖面分布受土地利用方式的影響最明顯。在0～10 cm深處，稻田土壤硝態氮含量顯著高于林地和茶園土壤，林地土壤硝態氮含量最低；而在＞10～20 cm深處，茶園和稻田土壤硝態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，茶園硝態氮含量則顯著高于稻田和林地（表1）。稻田土壤硝態氮含量在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。林地整個土壤剖面中硝態氮含量都很低，0～10 cm深處為4.91 mg?kg-1，＞70～80 cm深處為0.83 mg?kg-1，同時林地不同樣點間硝態氮含量變異性強（變異系數＞100%），但最高值出現在0～5 cm深處（22.6 mg?kg-1），最低值僅為0.01 mg?kg-1。茶園整個土壤剖面硝態氮含量均較高，0～10和＞10～20 cm深處硝態氮含量分別為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。茶園土壤硝態氮含量在40 cm深度以下呈現強變異性，最低值可達0.69 mg?kg-1。土壤表層氧氣充足，有機質含量高，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，充足的銨態氮促進了硝化作用，且pH值相對高，因而稻田土壤硝態氮含量較高［21］；而林地人為施肥少，故硝化速率慢。劉雅等［22］也認為農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］研究發現福建5種土壤類型茶園硝化作用都較強。茶園采樣點的差異性導致樣點間硝態氮含量變異很大，有的樣點由于下層土壤砂粒含量較多，因而硝態氮含量高，而有的樣點則由于黏粒含量高，硝態氮向下淋溶困難，導致下層硝態氮含量很低。陳玉真等［24］認為茶園施氮量增加提高了土壤無機氮淋溶，且硝態氮淋失占主導。因此，硝態氮在茶園土壤剖面中的分布，除受土壤自身性質影響外，還與施氮量有關，以上討論表明需要特別關注研究區茶園硝態氮淋溶對地下水污染情況。

3.2 土壤性質對氮素分布的影響

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進行相關性分析，得到影響土壤剖面氮素的主要理化因子包括有機碳含量和容重，有機碳含量與土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量均呈顯著正相關，而容重與土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量則呈顯著負相關（P＜0.01）。有機碳作為能源物質，影響微生物對有機氮的礦化作用，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］發現土壤全氮含量與有機碳含量呈顯著正相關，與土壤容重呈顯著負相關，筆者研究所得結論與之一致。同時筆者研究發現在剖面尺度上，土壤全氮含量與硝態氮含量呈顯著正相關（r=0.64，P＜0.01），進一步表明大量施肥導致土壤全氮含量增加，土壤硝態氮含量也必將顯著增加，因此控制施氮總量才是減少硝態氮淋溶的關鍵，同時還應減少對土壤的擾動，進而降低氮素淋溶損失。

4 結論

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