土壤氮素流失規律研究進展

邱澤東

摘要：綜述了近年來國內外有關農田土壤氮素流失方面的研究成果，重點探討了農田土壤氮素流失規律、遷移轉化機理與模型研究進展，同時，提出了該領域存在的問題及展望。

關鍵詞：農田；氮素流失；遷移轉化；模型

中圖分類號：S158.5

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0011-02

1 引言

氮是植物生長所必需的營養元素，施用氮肥是補給土壤氮素和維持土地生產力的主要措施。但是由于我國科學施肥水平整體不高、部分地區盲目施肥現象嚴重，不僅增加農業生產成本，降低生產效益，而且還造成了一系列的生態環境問題，如土壤養分失衡、地表水富營養化、地下水硝酸鹽含量增加等[1]。為了進一步弄清土壤氮素行為對農業面源污染的影響程度，定量描述農田氮素地表徑流流失問題，為面源污染治理與防治提供理論支撐，近年來，土壤氮素流失規律的研究逐步成為一個熱門。本文通過探討氮素在土壤中的橫向和縱向遷移規律，以及農田氮素流失的模型化研究方法，為示范區面源污染治理與防治，減少地表水體富營養化問題提供理論依據。

2 土壤氮素流失規律及研究進展

土壤中的氮素來源有多種渠道，主要來自于施肥、生物固氮、雨水和農業灌溉水，后二項對土壤氮素含量貢獻一般很小，施肥是農業耕作土壤中氮素的主要來源，對于自然土壤而言，微生物固氮是土壤氮素的主要來源。農田中施用的化肥一部分被作物吸收，一部分殘留在土壤中轉化成有機氮或被土壤吸附形成固定態銨[2]，另外一部分則通過不同的方式流失掉。土壤氮素流失過程實質是土壤表層土壤與降雨、徑流的相互作用過程，表現為兩種形式：①由于降雨引起地表徑流，土壤中的可溶性氮素隨著徑流流失，最終匯入河道中造成水體富營養化；②地表徑流中的水分下滲，土壤中的可溶性氮素隨之一起往土壤深層遷移，污染地下水，當遇到不透水層時，滲漏淋溶的水流會以壤中流的方式流入地表水。

2.1 坡地地表徑流流失

影響土壤氮素徑流流失的因素有很多，包括自然因素和人為因素。自然因素包括氣候、地形地貌、土壤和植被等，是影響氮素徑流流失的主要因素，例如吳希媛等[3]的研究結果發現，在相同坡度下，降雨強度與氮素徑流濃度和流失總量呈正比例關系，尤其在裸地，植被覆蓋度較低的情況下，這個關系更加明顯。霍洪江[4]研究了不同坡度（7°，10°，18°）的徑流小區降雨產流及氮素地表徑流輸出的形態及通量，結果顯示，坡度對徑流中氮素濃度的影響不明顯，但是對氮素流失通量影響顯著，其累積氮素流失量從大到小順序為18°、10°、7°。Weier[5] 研究認為植被覆蓋度可有效的減少土壤侵蝕，進而減少地表養分的流失。張興昌等[6]在其研究不同植被覆蓋度對流域氮素流失的影響中指出，全氮流失量與植被覆蓋度成負相關關系，隨植被覆蓋度從0%增加到60%，全氮流失量從7.51 t/km2減少到0.81 t/km2。這可以解釋為由于植被覆蓋增加了地面的粗糙度，使匯流速度減慢，增加了入滲時間，進而減弱了徑流侵蝕能力造成的。

人為因素也是影響氮素徑流流失的重要原因，主要包括土地利用方式不同和耕作管理模式兩個方面。Mander等[7]的觀點是，不同尺度的區域下主要影響因子不同，在小流域中，氮素流失主要受農業化肥的施用影響，在較大的流域面積中，土地的利用模式起決定作用，合理的優化土地利用模式可以顯著減小流域內氮素的流失量。在不同的土地利用類型，相同的降雨條件下，于興修等[8]的研究發現各種土地利用類型的初始產流時間、徑流增長率、積累徑流流量和氮素的流失過程等均有明顯不同，隨著時間的增加，積累徑流量依次是稻田>桑園>竹林>草地>菜地，地表徑流水中總氮的流失量桑林最大，水田最小。付偉章[9]通過實地監測多場天然降雨下農田養分流失情況，得出與空白不施肥相比，施肥會顯著增大農田徑流中氮素濃度和流失量，與普通尿素相比控釋尿素可有效降低15%～25%的氮素流失量。

2.2 土壤氮素淋溶流失

土壤中氮素的淋溶流失是農田氮素損失的重要途徑，全球施入土壤的氮肥中，按照質量分數計算，大概有10%～40%是通過土壤淋溶的方式進入地下水的。

氮素淋失受氣候、土壤、植物、施肥等多種因素的制約，但概括而言，受土壤水分下滲的影響最大。土壤中的水分是農田氮素向下淋溶和遷移的載體，其主要受降雨和灌溉的影響。國外學者Sing and Sekhon[10]的研究表明，高水量灌溉且兩次灌溉之間間隔時間較長，可以導致大量未被作物利用的硝態氮淋失到根區土壤以下。Toufiq[11]研究了小麥地的硝態氮垂向和側向的滲漏規律，結果表明，在小麥播種期最易發生氮素的損失，且以土壤淋溶的方式為主，農業灌溉模式增大了硝態氮在土壤中往下滲漏的強度。國內學者王輝、王全九等[12]研究了黃土坡的氮素淋溶過程，發硝態氮的淋溶深度和累積淋失量與降雨量與呈正相關關系，大概每4 mm的降水量會使土壤中硝態氮往下遷移1 cm。

2.3 土壤氮素遷移轉化機理與模型研究進展

土壤中氮素運移轉化機理的研究是建立在土壤溶質運移理論的基礎上的，Lapidus和Amundson在20世紀50年代初首次提出一個類似于對流-彌散方程的模擬模型，但未對模型的推導過程和物理意義做任何解釋。Scheidegg在假設土壤均質和穩態流條件下，推算出用概率密度函數來反映溶質的運移規律[13]。20世紀60年代初，Nielson和Biggaz在總結前人理論的基礎上，系統的論述了對流-彌散方程的合理性，同時通過實驗來解釋和說明土壤溶質運移過程，由此奠定了CDE方程作為土壤溶質遷移研究的基本方程和經典方程的地位[14]。70年代開始，對于土壤溶質運移的研究從實驗室走向了田間，在田間應用時出現了理論結果與實測值不吻合的問題。為解決這個問題，美國加州大學的Jury教授1982年提出了隨機傳輸函數模型，也稱為“黑箱模型”，用于模擬田間非飽和土壤溶質運移過程[15]，該模型不能反應土壤溶質運移機理，只是通過統計溶質從土壤表面遷移到土壤剖面某一深度的時間，然后用所需時間的概率分布函數來推導在某一時刻某一剖面深度處溶質的濃度，用概率函數的方法來描述溶質在土壤中的運移過程。由于土壤裂隙、蟲孔、不動水體等事實存在，又在土壤溶質運移模型中發展了動水-不動水體兩區模型等模型[16]。為完善CDE模型，如何求解溶質遷移的關鍵參數成為一個重要課題，國外學者為此做了很多研究，提出用穿透曲線法估算水動力彌散系數，用極大擬然法估算溶質運移參數等。

土壤水分和氮素遷移建模方面經過多年研究，也取得很多成果。如美國鹽土實驗室[17]開發的Hydrus-1D水氮聯合模型，可以模擬非飽和土壤中一維水分、熱和溶質的運移過程；美國康乃爾大學[18]研究開發的LEACHM模型，采用對流-擴散方程作為控制方程，可以定量描述土壤中水分、氮素和農藥的遷移轉化過程；美國國家鹽土實驗室開發的SWMS-2D模型[19]，主要功能是模擬飽和-非飽和土壤中水分和溶質的二維運移過程；以及專門用于評估氮循環對環境影響的SUNDIAL系統[20]等。但這些數學模型分別是在不同的試驗條件下提出的，在模型的構成和過程考慮上側重點各有不同，適用范圍都受到嚴格的限制。

3 存在問題與展望

國內有關氮素運移轉化規律的研究起步較晚，在建模方面還處于模型引進、應用階段，少部分已經達到了改進階段，還沒有能力獨自建立適合中國現狀的機理模型。

農田系統中氮素行為的研究已有近百年的歷史，涉及的內容廣泛全面，但由于其在農業生產上的重要地位，加之與人類生存環境密切相關，因而這方面的研究需要繼續深入。今后要重視以下幾方面的研究工作：①要重視田間實驗的綜合研究，定量化研究氮素的各種轉化和去向；②定量化研究根系吸肥吸水的規律，了解根、水、肥三者的時空耦合性，確定植物生長期的最佳水氮條件；③土壤中氮素管理需協調農業發展與環境保護的關系，以現代農業的“高產、優質、高效、安全、生態，為目標；④加強對土壤—作物系統中氮素行為的模擬研究，建立完善的氮素模型；五是將氮素各過程綜合定量化研究并結合最新精準施肥和配方施肥的研究成果直接對農業生產提供指導。

參考文獻：

[1]全為民， 嚴力蛟. 農業面源污染對水體富營養化的影響及其防治措施[J]. 生態學報， 2002， 22（3）： 291～299.

[2]Luederitz V， Eckert E， Lange-Weber M， et al. Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands[J]. Ecological Engineering， 2001， 18（2）： 157～171.

[3]吳希媛，張麗萍，張妙仙， 等. 不同雨強下坡地氮流失特征[J]. 生態學報， 2007（11）：4576～4582.

[4]霍洪江， 汪 濤， 魏世強，等. 三峽庫區紫色土坡耕地氮素流失特征及其坡度的影響[J]. 西南大學學報（自然科學版），2013（11）：112～117.

[5]Weier K L. Nitrogen use and losses in agriculture in subtropical Australia [J]. Fertilizer research， 1994， 39（3）： 245～257.

[6]張興昌，劉國彬，付會芳. 不同植被覆蓋度對流域氮素徑流流失的影響[J]. 環境科學， 2000（6）：16～19.

[7]Mander ， Kull A， Kuusemets V， et al. Nutrient runoff dynamics in a rural catchment： influence of land-use changes， climatic fluctuations and ecotechnological measures[J]. Ecological Engineering， 2000， 14（4）： 405～417.

[8]于興修，楊桂山，梁 濤. 西苕溪流域土地利用對氮素徑流流失過程的影響[J]. 農業環境保護，2002（5）：424～427.

[9]付偉章，史衍璽.施用不同氮肥對坡耕地徑流中N輸出的影響[J]. 環境科學學報，2005（12）：104～109.

[10]Singh B， Sekhon G S. Some measures of reducing leaching loss of nitrates beyond potential rooting zone[J]. Plant and Soil， 1976， 44（1）： 193～200.

[11]Toufiq L M. Study on vertical and lateral leaching of nitrate from a wheat field in China[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry， 2006， 30（1）：59～65.

[12]王 輝，王全九，邵明安.降水條件下黃土坡地氮素淋溶特征的研究[J].水土保持學報， 2005（5）：63～66.

[13]王艷芳.土壤氮素轉化與運移理論的研究進展[J].寧夏農學院學報， 2004， 25（1）：53～56.

[14]趙常兵.溶質運移理論的發展[J].水利科技與經濟， 2006， 12（8）：502～504.

[15]樊向陽， 龐鴻賓， 齊學斌， 等. 氮素運移轉化機理研究現狀及展望[J]. 中國青年農業科學學術年報， 2004：172～176.

[16]同延安.土壤植物大氣連續體系中水運移理論與方法[M].西安：陜西科學技術出版社， 1998.