山核桃林閉合區內徑流氮磷流失特征

王 鶯,陸榮杰，吳家森，姜培坤，童志鵬

（1.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300；2.浙江省杭州市臨安區林業局，浙江 杭州311300）

山核桃Carya cathayensis是中國特有的高檔干果和木本油料植物，主要分布在浙西天目山脈一帶，70%生長于土層淺薄、巖石裸露、生態脆弱的石灰巖山地［1-2］。長期以來，林農為增加產量，減少蟲害，進行大量施肥，噴施滅蠅胺、啶蟲脒等殺蟲劑，同時為了方便采摘，使用克無蹤等除草劑。山核桃林地的這種不合理經營管理導致嚴重的土壤侵蝕和水土流失。同時，山核桃林生長在坡地上，匯流、徑流流速較快，不利于泥沙的沉積。農業非點源污染中的降雨徑流是造成受納水體水質惡化的主要原因之一，而不同形態存在的氮磷是農業徑流中的重要污染物［3-4］。目前，國內外許多學者以農田為單位，在自然或人工模擬降雨條件下，通過徑流小區試驗來量化農田土壤侵蝕和養分流失。RAMOS等［5］在西班牙北部的一個葡萄園中通過模擬降雨試驗監測不同降雨事件下的徑流氮磷養分流失總量，所設徑流小區面積為0.06 m2。魯耀等［6］在云南省丘陵緩坡地上設置了18個面積為32 m2的徑流小區來定位監測坡耕地紅壤地表徑流氮磷流失。大多數徑流小區都是根據WISCHMEIER等［7］的小區標準或相近的坡長尺寸建造的，降低了小區規模的變異性。然而，徑流小區不能完全反映整個研究區域的真實氮磷流失量。有學者［8］研究發現，在規模1～20 m2的徑流小區中測定，會低估土壤流失量，而在20～500 m2的徑流場中，土壤流失量又會被高估。STROOSNIJDER［9］的研究也表明，土壤流失率可在中小型徑流小區中測定，但評估土壤泥沙量應該在更大規模的徑流場中進行?？梢?，修筑徑流小區對土壤擾動性大，因此利用徑流小區來定位監測土壤徑流、泥沙氮磷流失與實際情況存在一定的誤差。有鑒于此，不少學者以流域為研究單位，比如DAI等［10］以中國撫仙湖流域為單位，探討了土地利用類型和空間的變化對水質的影響，分析了河岸緩沖區保護建設對非點源污染和營養物質的輸入和保護作用；GALOT［11］在延河流域研究黃土高原丘陵溝壑地區在降雨條件下造成的土壤和水的氮磷流失負荷特征。農田、河流均不是閉合式小區，影響小流域非點源污染的因子復雜多樣，如徑流、農村生活、人為耕作、養殖等，缺乏固定的污染源，變動大，河流總量不能估測。此外，以往的研究側重于利用人工降雨試驗或者利用典型降雨月份，如吳希媛等［12］和彭圓圓等［13］進行野外人工模擬降雨，分析坡面降雨徑流中氮磷流失過程。張洋等［14］研究三峽庫區農桑配置對地表氮磷流失的影響，所采集的樣品為2014年3月22日、8月13日、9月20日3次徑流。吳東等［15］在蘭陵溪小流域采集2015年5-9月水樣監測土地利用結構變化對氮素輸出控制效應，而對自然降雨條件下土壤-徑流-泥沙三者動態變化過程及其年際養分流失研究較為少見。本研究選擇浙江省杭州市臨安區山核桃林閉合區作為研究對象。這是一個天然集水區，在林間溝壑地帶設置特殊的徑流監測卡口站，研究1 a常規經營管理的山核桃林中自然降雨對徑流的影響，觀測徑流氮磷年際動態變化過程，分析泥沙、土壤有效養分與徑流氮磷流失的關系，解析山核桃經濟林氮磷養分流失特征，為經濟林氮磷流失負荷模擬及控制研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省杭州市臨安區北部天目山山腳下的太陽鎮武村（30°03′02″N， 119°08′54.2″E）。 該區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.4℃，年降水量為1 614.0 mm，年平均日照時數為1 774.0 h，無霜期為237.0 d。太陽鎮是臨安區山核桃主要產區，山核桃是當地農戶的主要經濟收入來源，盛產期山核桃面積400 hm2以上。試驗山核桃林閉合區為封閉式天然集水區，養分流失只可在監測卡口站進行定位監測，占地面積為6.4 hm2，坡度為25°，樹齡為32 a，土壤為砂質土，土壤類型為石灰性土壤，土層較薄，有機碳為2.31 g·kg-1，pH 5.04，采用常規管理，即每年只在5月上旬施復合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15］150 kg·hm-2， 7月下旬至 8月上旬噴施克無蹤除草劑， 8月中旬進行人工除草。

1.2 試驗設計

試驗期間，采集2016年6月至2017年5月雨后閉合區徑流及流失的泥沙量，并記錄產流量。為了減少傳統試驗小區修整坡面對土壤的擾動，增加試驗準確性，在山核桃林閉合區底部修建不同高度的2級水泥沉沙池，2級沉沙池之間用水泥墻阻隔，一級沉沙池通過水泥墻阻隔徑流，形成徑流泥沙的初步沉降。越過一級水泥墻的徑流進入二級沉沙池，二級沉沙池通過水泥墻隔擋，進行儲水，水泥墻底部設置排水管用于后期排水，并在二級水泥墻體不同高度出水口處設置不同量程的水表計量產生的徑流量（圖1）。

1.3 樣品采集與分析

2016年6月至2017年5月為山核桃林土壤氮磷流失觀測期。在此期間記錄每次雨后徑流產生量和日期，充分攪渾二級沉沙池中的徑流，并采集3瓶徑流樣品。每場降雨過程采集的徑流樣品立即帶回實驗室進行氮磷質量濃度的測定。徑流樣品分為2份：一份水樣不抽濾，用于測定總氮（TN，堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法）和總磷（TP，過硫酸鉀-鉬銻抗比色法）；另一份用0.45 μm濾膜抽濾后的水樣用于測定硝態氮（紫外分光光度法）、銨態氮（納氏試劑分光光度法）、溶解性磷（DP，鉬銻抗比色法）、水解氮（DN，總有機碳分析儀測定）。觀測期間共采集29次徑流樣品，測定樣品數據共為522個。

2016年6-12月為山核桃林土壤養分觀測采樣期。在此期間選擇林地上坡、中坡、下坡各5個樣點，采集0～10 cm土壤樣品，將其混合，共采集土壤12次，每次采集的土壤對應同期的徑流樣品，測定其pH值（pH計測定）、堿解氮（鋅-硫酸亞鐵還原，LYT 1229－1999《森林土壤堿解氮的測定》）和有效磷（0.03 mol·L－1NH4F-0.025 mol·L－1HCl法）。

2017年3月和5月分別采集一級、二級沉沙池內的泥沙樣品，稱量，帶回實驗室風干處理，并測定泥沙顆粒全氮［m（K2SO4）∶m（CuSO4）∶m（Se）=100∶10∶1， 凱氏定氮法］、 全磷（氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法）。

降雨量數據來源于臨安區氣象中心。

圖1 徑流監測卡口站布設示意圖Figure 1 Diagram of layout of bayonet station in runoff monitoring

1.4 養分年際流失量和流失負荷的計算

山核桃林氮或磷的年際流失量（g·hm－2）=徑流水中氮或磷的年際流失量（g·hm－2）+泥沙中氮或磷的年際流失量（g·hm－2）； 山核桃林徑流中氮或磷的年際流失負荷（tr）=［徑流水中氮或磷的年際流失量（g·hm－2）×山核桃林地面積（hm2）］/106；山核桃林泥沙中氮或磷的年際流失負荷（ts）=［泥沙中氮或磷的年際流失量（g·hm－2）×山核桃林地面積（hm2）］/106。

1.5 數據處理

采用Excel 2007軟件和DPS數據處理系統進行數據的統計和處理，采用Origin 8.5軟件對試驗數據進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 山核桃林閉合區降雨量和徑流量的動態變化

2016年6月至2017年5月整個水文年中，山核桃林閉合區降雨量和徑流量的動態變化見圖2。整個觀測期間，降雨主要集中在2016年6－9月和2017年3－5月；徑流量的年際變化趨勢與降雨量相似，7月20日至8月9日，9月12－30日。徑流量隨著降雨量的增加而增加，3月下旬降雨量連續下降，徑流量也隨之下降。9月30日降雨量達到最大值233.1 mm，此時徑流量也達到了峰值2 000.0 m3，2017年5月13日的降雨量僅為17.5 mm，監測到的徑流量也出現了低谷，僅為383.4 m3。

2.2 山核桃林閉合區徑流氮磷質量濃度的動態變化

2.2.1 山核桃林閉合區徑流水氮質量濃度的年動態變化 徑流總氮、硝態氮和銨態氮質量濃度的年際變化趨勢基本一致。徑流總氮、硝態氮和銨態氮質量濃度在1 a中的高值分別出現在7月1日，8月3日和9月12日，質量濃度分別為3.600，3.047和0.271 mg·L－1。10月以后，不同形態的氮質量濃度趨于平穩。2017年2月后，又呈現增加趨勢，并在3月26日和3月21日出現第2次高峰（圖3）。整個試驗期間，總氮、水解氮、硝態氮和銨態氮的平均質量濃度分別為2.860，1.740，1.110和0.050 mg·L－1。水解氮、硝態氮和銨態氮分別占總氮的60.7%，38.9%和1.8%（表1）。

2.2.2 山核桃林閉合區徑流水磷質量濃度的年動態變化 山核桃林閉合區徑流磷質量濃度的動態變化見圖4。在2016年6月中旬至9月下旬期間總磷質量濃度的波動較大。此后，2016年10月至2017年5月變化較為平穩，而水解磷質量濃度在整個水文年中變化趨勢一直較平穩。在整個觀測期間，總磷質量濃度的變化范圍為0.01～0.11 mg·L-1，2016年9月至2017年5月，質量濃度在0～0.02 mg·L-1間小幅度變動。水解磷的平均質量濃度為0.01 mg·L-1，占總磷質量濃度的35.20%（表1）。

表1 山核桃閉合區徑流不同形態氮磷的平均質量濃度及占比Table 1 Average concentration and proportion of N and P in different forms of runoff in the closed zone of a Carya cathayensis stand

圖2 降雨量和徑流量的動態變化Figure 2 Dynamic variation of rainfall and runoff

圖3 徑流氮質量濃度的動態變化Figure 3 Dynamic change of N concentration in runoff

2.3 山核桃林閉合區徑流氮磷與土壤氮磷之間的相關性

2016年6-12月土壤閉合區有效氮磷質量分數和徑流氮磷質量濃度的回歸分析表明：山核桃林地徑流中總氮質量濃度與土壤的堿解氮無顯著的相關性（P＞0.05，圖5）。山核桃林閉合區徑流總磷質量濃度與土壤有效磷質量分數呈顯著線性正相關（P＜0.05， 圖 6）。

2.4 山核桃林閉合區徑流氮磷流失負荷

由圖7可知，山核桃林徑流1 a中氮磷流失負荷的變化趨勢大致相同：2017年9-12月，2017年3-5月，總氮和總磷的流失負荷均呈現逐月下降趨勢。徑流水中總氮的最大流失量（1 832 g·hm-2）出現在9月，而總磷的最大流失量（47.0 g·hm-2）出現在6月。2016年11月至2017年2月，總氮的月流失量相對較少（＜600 g·hm-2），2016年10月至2017年5月，總磷的月流失量均在10 g·hm-2以下。在整個觀測期內，總氮、總磷流失負荷總量分別為11.01 kg·hm-2和133.70 g·hm-2。

整個觀測期間，山核桃林閉合區共收集沖積物170.9 kg，其中未通過1 mm篩孔的石塊占總質量的83.7%。全氮和全磷的總量分別為73.51和7.20 g，林地土壤隨泥沙流失的全氮和全磷的年際負荷分別為11.49和1.12 g·hm-2。徑流水中，總氮和總磷的年際流失量（不包括泥沙中的氮和磷）分別為11.01 kg·hm-2和133.70 g·hm-2。因此，山核桃林閉合區隨徑流泥沙流失的氮磷年際流失總量（包括徑流和泥沙中的氮和磷）分別為 11.02 kg·hm-2和 134.82 g·hm-2。

圖4 徑流磷元素質量濃度動態變化Figure 4 Dynamic change of P concentration in runoff

圖5 徑流總氮質量濃度與土壤堿解氮質量分數的相關分析Figure 5 Correlation analysis between TN concentration in runoff and available N content in soil

圖6 徑流總磷質量濃度與土壤有效磷質量分數的相關分析Figure 6 Correlation analysis between TP concentration in runoff and available P content in soil

3 討論

3.1 閉合區降雨量和徑流量的相關性分析

降雨是坡面徑流的源動力，是影響徑流量的主要因子［16］。本研究表明：降雨量越大，產生的徑流量越大，山核桃林地降雨量和徑流量存在線性正相關關系（y=7.739 5x+359.532 7，R2=0.884 8,P＜0.05）。這與以往的研究一致（R2=0.69～0.99）［17-18］， 但是也有學者研究［19-20］表明：降雨和徑流之間存在的是指數相關性（R2=0.82～0.91），因此，研究區的土地利用方式、氣候條件、地形地貌等存在一定差異會對徑流和降雨的關系產生影響，現有的徑流降雨模型無法模擬其他區域的徑流發生情況。今后需要進一步研究降雨—徑流的關系模型，提高預測模型的準確性。

圖7 徑流氮磷流失負荷Figure 7 Loss load of N and P in runoff

3.2 徑流水不同形態氮磷元素的影響特征

徑流水氮磷流失的結果差異很大：稻田徑流中總氮質量濃度為1.82～3.06 mg·L-1［21］，而雷竹Phyllostachys violascens林的變幅達到 3.82～6.82 mg·L-1［22］。 本研究結果為 2.01～3.60 mg·L-1， 介于稻田和雷竹林之間，與太湖、巢湖等富營養化淡水湖總氮質量濃度相仿［23］，遠遠超過水體富營養化的發生質量濃度。硝態氮在總氮中的占比最高可達85.1%，而銨態氮占比只有11.6%?？梢?，硝態氮是徑流氮素流失的主要形式，這與大多數學者的研究一致，其主要原因是土壤中銨態氮部分被作物吸收利用，另一部分很快被氧化為硝態氮，并且土壤膠體或土壤顆粒一般帶負電，銨態氮帶正電荷，易被土壤吸附，而硝態氮帶負電，不易被土壤吸附，因此，降雨發生時，易隨產生的徑流流失［24-25］。本研究顯示：水解氮占總氮的60.7%，山核桃林坡地土壤地表徑流輸出主要以可溶態為主，研究結果與宋婭麗等［26］的研究一致。有一些報道恰好相反。魯耀等［6］研究發現：云南坡耕地紅壤地表徑流氮流失以顆粒態為主。這可能與影響地表徑流氮磷流失的因素較多有關。2016年7-10月，徑流總氮質量濃度明顯高于其他時期，可能是由于7月下旬至8月中旬，林農噴施克無蹤除草劑，進行人工除草，9月林農普遍采摘山核桃，破壞了林地土壤的地表覆蓋，降雨時加速了土壤侵蝕，從而加快了氮元素隨徑流流失。

不同耕作方式或土地利用下磷的流失差異較大。不同耕作方式下稻田徑流水總磷平均質量濃度最低為 0.097 mg·L-1［21］， 而方山柿Diospyros kaki林土壤徑流水中總磷質量濃度達 0.175～0.420 mg·L-1［27］。本研究結果為0.01～0.11 mg·L-1，平均總磷質量濃度為0.03 mg·L-1，流失的質量濃度并不高，但仍超過了水體富營養化臨界值0.01～0.02 mg·L-1，需要引起關注。磷在土壤溶液中主要以磷酸鹽的形式存在，隨徑流流失的平均質量濃度只有0.01 mg·L-1，主要原因可能是土壤本身磷質量分數較低，而且山核桃林地土壤為石灰性土，磷酸鹽被土壤黏?；蛱妓徕}吸附與固定，因此磷酸根在土壤徑流中流失較少［28］。

3.3 徑流-土壤有效氮磷養分相關性比較

常規用于土壤肥力監測的土壤分析的采樣深度為15～25 cm，但SHARPLEY［29］研究表明：實際上與地表徑流作用的只是最上部的5 cm左右，因此，本試驗在土壤養分觀測期間，采集0～10 cm土壤進行有效養分的測定。章明奎等［30］研究發現：排水的總氮平均質量濃度與土壤堿解氮顯著相關，總磷也與土壤有效磷呈正相關。本研究結果顯示：徑流總氮質量濃度與土壤堿解氮質量分數無相關性，只有總磷質量濃度與土壤有效磷質量分數存在顯著的線性正相關（P＜0.05）?？赡艿脑蚴潜韺油寥缐A解氮受降雨強度、降雨量等的顯著影響，隨徑流流失的氮質量濃度變化較大，而對土壤有效磷的影響不明顯，使得降雨過程產生的徑流中磷元素變化與土壤有效磷質量分數存在一定的線性相關。

3.4 山核桃林閉合區與徑流小區徑流氮磷元素年際流失對比

本研究表明：總氮年際累積流失負荷為11.02 kg·hm-2，是同一地區山核桃林徑流小區中總氮累積流失負荷（308.00～523.00 g·hm-2）的21.1～35.8倍［31］， 其原因是前者是在坡面較長的閉合條件下測定的， 而后者是在坡面較短的徑流小區內測定的。坡面較長的閉合區所產生的徑流量要比坡面較短的徑流小區所產生的徑流量大得多，因為坡面越長，所產生的徑流加速度就越大，因而產生徑流量就越多?？偭啄觌H累積流失負荷為134.82 g·hm-2，是黃程鵬等［31］研究不同施肥下山核桃林總磷累積流失負荷（20.90～36.90 g·hm-2）的3.7～6.5倍。利用徑流小區試驗估測往往大大地低估徑流氮磷累積流失負荷。今后應當更加注重閉合區與徑流小區之間的對比研究，以探討明閉合區與徑流小區之間存在的某種關系。

林地土壤隨泥沙流失的全氮年際負荷為11.49 g·hm-2，全磷為1.12 g·hm-2，遠遠小于徑流流失氮磷總量11.01 kg·hm-2和133.70 g·hm-2，可見山核桃林的氮磷養分流失以徑流流失為主。因此，山核桃林的管理要著重采取減少徑流的措施。山核桃林徑流養分流失過程中，氮的流失量是磷流失量的82.35倍，氮流失量遠大于磷流失量，與岳玉波等［32］的研究結果一致。這可能是山核桃林地土壤質地主要為砂土，土層較薄，保水性能差，對氮的緩沖力最弱，土壤養分含量易淋失［33］，而土壤酸化嚴重，土壤中的活性鐵、鋁增加，易形成磷酸鐵、磷酸鋁沉淀，磷的有效性降低。整個試驗觀測期間，常規經營下的山核桃林只在5月初施用復合肥150 kg·hm-2，但氮和磷的年際流失量分別達到了11.02 kg·hm-2和134.82 g·hm-2，養分流失嚴重。5月施肥后，6月氮、磷流失負荷為1 351.26和46.97 g·hm-2，高于其他月份，可見隨施肥時間推移，氮磷流失大致呈現遞減趨勢，施肥初期應采取一定措施減少肥力流失。

4 結論

①山核桃林降雨量和徑流量存在顯著線性正相關關系（y=7.739 5x+359.532 7，R2=0.884 8，P＜0.05）。②山核桃徑流中水解氮是氮素流失的主要形式，占總氮的60.7%，徑流中磷素量很低。山核桃林地的徑流氮流失量與土壤堿解氮質量分數之間沒有顯著的相關性，而徑流磷元素流失量與土壤有效磷質量分數之間存在顯著的線性關系（y=0.065 8x-0.028 7，R2=0.319 5，P＜0.05）。③山核桃林養分流失以徑流流失為主，其氮的流失量是磷的流失量的82.35倍。④用閉合法所測得的氮磷流失量更接近實際情況，而徑流小區所得到的氮磷流失量遠低于用閉合法所得到的數值，因而可能低估了養分流失量。

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