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 环境论文
《环境科学导刊》论文欣赏
发布时间:2018-02-09 点击: 发布:论文投稿网
坡地氮素输移特征及其对土壤水文过程响应研究述评

摘 要:综合目前坡地氮素输移研究进展,论述了坡地氮素地表输移特征、坡地氮素地下输移特征、坡地氮素输移对土壤水文过程的响应和植被覆盖对氮素输移的影响。针对当前氮素流失及其影响因素研究中存在的不足,指出研究坡地氮素输移对土壤水文过程的响应,不仅是土壤侵蚀和土壤溶质运移研究的基础,也是非点源污染控制研究的重要内容,建议加强坡地氮素的垂直迁移途径及在土壤各层中的形态特征、不同形态氮素对土壤水文过程的特征响应及其机理的研究。
关键词:坡地;氮素;输移特征;土壤水文过程
中图分类号:X143  文献标志码:A  
文章编号:1673-9655(2017)06-0001-04
 坡地土壤侵蚀不仅导致坡地农业土壤质量的退化,也是农业非点源污染的重要来源。氮是构成生命体的必需元素,是土壤肥力的重要因素之一,在农业生产中发挥着重要的作用[1]。随着全球农业生产的大发展,旱坡地氮肥的使用量越来越大,但是,过量氮肥的施用及不合理的农业管理措施导致氮素以挥发、反硝化及淋溶等途径转化和输移,不仅造成经济损失,而且导致了地下水污染[2-4]。在我国,氮肥一般只有 30% ~50%被作物利用,淋溶损失被认为是旱地农田氮素损失的主要途径,也是导致地下水资源氮素污染的重要原因,已被广泛关注[5-6]。然而,由于壤中流的存在,坡地土壤水文过程复杂,氮素垂直迁移形态受水文过程影响呈现地表径流、壤中流和地下径流不同的分层特征,氮素淋失成为了氮循环研究中的薄弱环节。本文通过述评坡地氮素分层输移对土壤水文过程的响应,旨在为土壤氮素径流和淋溶损失的控制提供重要的理论依据,有利于从源头上减少坡地氮素损失和防治非点源污染。
1 坡地氮素输移特征
国内外自 19世纪晚期就开始观察和定性描述坡地侵蚀,到 20世纪 80年代由于对非点源污染的普遍关注,开始重视坡地表层土壤中营养物质的迁移规律研究[7-8]。氮素在土壤中的存在形式是多种多样的,土壤的氮含量是土壤氮素矿化与积累作用平衡的结果[9]。氮素迁移方式一种是土壤入渗量小于降雨量时,产生地表径流,随地表径流或侵蚀泥沙迁移;另一种则是土壤内部的可溶性物质随入渗的水分沿垂直方向迁移[10];坡面氮素以溶质形式输出受降雨径流影响呈现地表径流、壤中流和地下径流不同的分层特征。受坡地土壤侵蚀影响,氮素在迁移转化过程中呈不同的形态,归结起来主要有坡面地表径流、壤中流、地下径流和侵蚀泥沙等几种输移途径。关于坡地氮素的输移规律,国内外学者开展了大量的相关观测和试验研究。
1.1 坡地氮素地表输移特征
在氮素的地表输移方面,袁东海等[11]采用径流小区法研究了 6种不同农作方式土壤氮素的流失特征,表明坡耕地土壤氮素的流失途径主要为径流流失,又以水溶态氮素为主。蔡崇法等[12]的人工模拟降雨试验表明,养分随地表径流流失与泥沙流失趋势一致,初期流失量小,此后逐渐增加,一段时间后,在一定幅度内波动稳定。研究还发现土壤养分在流失泥沙中具有富集现象,张兴昌和邵明安[13]认为,随着降雨侵蚀力 R的增大,泥沙有机质和全氮的富集率逐渐减少;坡度愈小,富集率愈大。对于坡地氮素地表流失及其与降雨和水文条件
关系的研究还有许多,所得结论类似,但仍需将氮素在地表和地下各层结合分析其输移途径。
1.2 坡地氮素地下输移特征
在氮素的地下输移方面,氮素淋溶是养分流 失的重要途径,国际上有关土壤氮素的淋溶研究 认为,根据作物、施肥量、土壤质地、降水和灌 溉方式的不同,由淋溶引起的氮素损失可占施氮 量的 5% ~15%[14] 。马立珊等[15] 采用15 N同位素 示踪技术进行农田氮素流失模拟试验得出,氮素 污染负荷量随年降水量和灌溉量的增加而增大, 浅层地下水硝态氮的污染负荷量与氮肥的施用量 呈正相关,与其他研究结论一致[16-17] 。张亚丽 等[18] 对黄绵土的试验发现降雨强度增大,土壤矿 质氮素淋溶量相应增大,硝态氮入渗深度加深。 Toufiq[19] 对不同氮肥处理小麦地硝态氮垂向和侧 向渗漏的研究结果表明,在小麦播种期硝态氮淋 溶损失是氮素损失的主要途径,灌溉使得硝态氮 下移渗漏加强。
许多研究表明,氮素的淋溶形态以硝态氮为 主,铵态氮则易被土壤颗粒吸附,而亚硝酸盐作 为硝化 和 反 硝 化 过 程 的 中 间 产 物 存 在 时 间 有 限[9,20] 。王辉等[1]的研究发现,黄土坡地土壤硝 态氮淋溶是二维迁移,即随着入渗水既向土体深 层迁移,又向坡底迁移。由农田氮素造成的农业 非点源污染日益突出,降雨—径流—淋溶是造成 非点源污染输出的主要动力[21] ,而渗漏淋溶以及 壤中流迁移是氮素污染物的主要移动方式,关于 氮素淋溶损失的研究大多是通过室内试验或田间 观测与试验的方法,多局限于探讨农田氮素淋失 量产生的污染负荷,而其形成机理和输移规律与 土壤水文过程密切相关。
2 坡地氮素输移对土壤水文过程的响应
土壤水是农田氮素径流和淋溶损失的载体,降 雨在土壤中的入渗、运移和再分配等各种水文过程 均对侵蚀和氮素迁移产生影响[22] ,土壤水分饱和、 壤中流的形成对农业非点源污染有重要贡献。化学 物质在土壤剖面中的数量、滞留时间、位置以及土 壤与化学物质之间的相互作用 (如吸附与解吸) 等是决定泥沙和壤中流 (或径流)携带化学物质 浓度的关键因素[23-24] 。
在氮素输移与土壤水文关系的研究方面,Gal loway[25] 的研究发现,淋溶过程氮素形态受土壤水 分运动的影响,硝态氮淋溶量随施肥量和降水量的 增加而增加;铵态氮被土壤胶体所吸附,不易淋 溶,但当土壤对铵态氮的吸附达到饱和时,也会被 淋洗 而 进 入 水 体,但 主 要 对 象 是 水 田。Zhang 等[26] 研究显示,土壤含水量高时,氮素硝化作用 强烈,当土壤含水量低于 15%时,硝化作用受到 抑制。
近地表土壤水分条件对化学物质的迁移和地表 水质有很大的影响,壤中流对侵蚀泥沙搬运和农业 非点源污染有重要影响。研究表明,随着前期含水 量的增加,侵蚀产流产沙过程中土壤氮养分流失浓 度和流量均随之增大,在自由入渗、壤中流和土壤 水分饱和三个土壤水文条件下,雨滴打击增大了硝 态氮的淋失,但对铵态氮几乎无影响[27-29] 。张亚 丽等[30] 利用地下供水和前期降雨措施改变坡面近 地表土壤水分条件,通过室内模拟降雨试验研究坡 面水土流失和土壤溶质的迁移特征,表明土壤初始 含水量较高的地下供水和前期降雨坡地径流迁移深 度较大。
土壤水流的研究历程一直伴随着溶质运移的 研究,溶质与土壤发生吸附或者解吸的相互作 用,同时土壤水分的运动又提供了溶质运移的驱 动力和化学反应环境。目前,对于坡面氮素输移 在不同含水量等近地表土壤水文条件下的模拟研 究较多,而对于降雨、径流和含水量变化等土壤 水文过程下氮素的输移响应和机理研究正在进一 步探讨中。
3 植被覆盖对氮素输移的影响 植被的覆盖能够促进壤中流,减缓表面流, 从而对营养元素迁移产生影响。在植被覆盖对氮 素输移影响方面,张兴昌等[31] 的研究表明,随着 植被盖度的增加,泥沙全氮和有机质流失量呈递 减趋势,而铵态氮和硝态氮流失却呈递增趋势, 植被覆盖并不能减少土壤矿质氮的流失。耕作方 式的不同对坡耕地土壤水分运动、溶质迁移会产 生直接影响,改变了农田养分迁移和非点源污染 输出过程。张宇等[32] 按不同生长期探讨了在自然 降雨条件下地表秸秆覆盖种植大豆对地表径流和 土壤氮素流失的影响,表明其对减少径流水中的 铵态氮、总氮和水溶性氮流失量具有明显的效 果。很多研究表明,随着植被盖度的增加,坡地 土壤侵蚀和养分流失总量减少[33-35] ,但总体而 言,植被覆盖对土壤氮素输移的影响集中在状态 量上,对其机制的研究正在深入展开。
4 结语
坡地在农业生产中占有重要地位,坡地水土流 失既导致土壤质量退化,也是农业非点源污染的重 要来源,其土壤中营养物质伴随水土流失的迁移对水环境产生重要的影响,引起了国内外的高度重 视。氮素是水污染和水体富营养化的重要因素,非 点源氮的输移过程受到越来越多的关注,加强坡地 氮素输移对土壤水文过程响应的研究,不仅是土壤 侵蚀和土壤溶质运移研究基础,也是非点源污染控 制研究的重要内容。 国内外对氮素流失及其影响因素方面做了大量 的研究工作,取得了丰富的研究成果。目前,在坡 地尤其是坡耕地氮素的垂直迁移途径、不同形态氮 素对土壤水文过程的特征响应及其机理等方面有待 深入研究。建议采用野外观测与模拟实验相结合的 方法,加强坡地氮素输移特征对土壤水文过程响应 及机理的研究。
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