土壤氮素流失规律研究进展

邱泽东

摘要：综述了近年来国内外有关农田土壤氮素流失方面的研究成果，重点探讨了农田土壤氮素流失规律、迁移转化机理与模型研究进展，同时，提出了该领域存在的问题及展望。

关键词：农田；氮素流失；迁移转化；模型

中图分类号：S158.5

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0011-02

1 引言

氮是植物生长所必需的营养元素，施用氮肥是补给土壤氮素和维持土地生产力的主要措施。但是由于我国科学施肥水平整体不高、部分地区盲目施肥现象严重，不仅增加农业生产成本，降低生产效益，而且还造成了一系列的生态环境问题，如土壤养分失衡、地表水富营养化、地下水硝酸盐含量增加等[1]。为了进一步弄清土壤氮素行为对农业面源污染的影响程度，定量描述农田氮素地表径流流失问题，为面源污染治理与防治提供理论支撑，近年来，土壤氮素流失规律的研究逐步成为一个热门。本文通过探讨氮素在土壤中的横向和纵向迁移规律，以及农田氮素流失的模型化研究方法，为示范区面源污染治理与防治，减少地表水体富营养化问题提供理论依据。

2 土壤氮素流失规律及研究进展

土壤中的氮素来源有多种渠道，主要来自于施肥、生物固氮、雨水和农业灌溉水，后二项对土壤氮素含量贡献一般很小，施肥是农业耕作土壤中氮素的主要来源，对于自然土壤而言，微生物固氮是土壤氮素的主要来源。农田中施用的化肥一部分被作物吸收，一部分残留在土壤中转化成有机氮或被土壤吸附形成固定态铵[2]，另外一部分则通过不同的方式流失掉。土壤氮素流失过程实质是土壤表层土壤与降雨、径流的相互作用过程，表现为两种形式：①由于降雨引起地表径流，土壤中的可溶性氮素随着径流流失，最终汇入河道中造成水体富营养化；②地表径流中的水分下渗，土壤中的可溶性氮素随之一起往土壤深层迁移，污染地下水，当遇到不透水层时，渗漏淋溶的水流会以壤中流的方式流入地表水。

2.1 坡地地表径流流失

影响土壤氮素径流流失的因素有很多，包括自然因素和人为因素。自然因素包括气候、地形地貌、土壤和植被等，是影响氮素径流流失的主要因素，例如吴希媛等[3]的研究结果发现，在相同坡度下，降雨强度与氮素径流浓度和流失总量呈正比例关系，尤其在裸地，植被覆盖度较低的情况下，这个关系更加明显。霍洪江[4]研究了不同坡度（7°，10°，18°）的径流小区降雨产流及氮素地表径流输出的形态及通量，结果显示，坡度对径流中氮素浓度的影响不明显，但是对氮素流失通量影响显著，其累积氮素流失量从大到小顺序为18°、10°、7°。Weier[5] 研究认为植被覆盖度可有效的减少土壤侵蚀，进而减少地表养分的流失。张兴昌等[6]在其研究不同植被覆盖度对流域氮素流失的影响中指出，全氮流失量与植被覆盖度成负相关关系，随植被覆盖度从0%增加到60%，全氮流失量从7.51 t/km2减少到0.81 t/km2。这可以解释为由于植被覆盖增加了地面的粗糙度，使汇流速度减慢，增加了入渗时间，进而减弱了径流侵蚀能力造成的。

人为因素也是影响氮素径流流失的重要原因，主要包括土地利用方式不同和耕作管理模式两个方面。Mander等[7]的观点是，不同尺度的区域下主要影响因子不同，在小流域中，氮素流失主要受农业化肥的施用影响，在较大的流域面积中，土地的利用模式起决定作用，合理的优化土地利用模式可以显著减小流域内氮素的流失量。在不同的土地利用类型，相同的降雨条件下，于兴修等[8]的研究发现各种土地利用类型的初始产流时间、径流增长率、积累径流流量和氮素的流失过程等均有明显不同，随着时间的增加，积累径流量依次是稻田>桑园>竹林>草地>菜地，地表径流水中总氮的流失量桑林最大，水田最小。付伟章[9]通过实地监测多场天然降雨下农田养分流失情况，得出与空白不施肥相比，施肥会显著增大农田径流中氮素浓度和流失量，与普通尿素相比控释尿素可有效降低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农田氮素损失的重要途径，全球施入土壤的氮肥中，按照质量分数计算，大概有10%～40%是通过土壤淋溶的方式进入地下水的。

氮素淋失受气候、土壤、植物、施肥等多种因素的制约，但概括而言，受土壤水分下渗的影响最大。土壤中的水分是农田氮素向下淋溶和迁移的载体，其主要受降雨和灌溉的影响。国外学者Sing and Sekhon[10]的研究表明，高水量灌溉且两次灌溉之间间隔时间较长，可以导致大量未被作物利用的硝态氮淋失到根区土壤以下。Toufiq[11]研究了小麦地的硝态氮垂向和侧向的渗漏规律，结果表明，在小麦播种期最易发生氮素的损失，且以土壤淋溶的方式为主，农业灌溉模式增大了硝态氮在土壤中往下渗漏的强度。国内学者王辉、王全九等[12]研究了黄土坡的氮素淋溶过程，发硝态氮的淋溶深度和累积淋失量与降雨量与呈正相关关系，大概每4 mm的降水量会使土壤中硝态氮往下迁移1 cm。

2.3 土壤氮素迁移转化机理与模型研究进展

土壤中氮素运移转化机理的研究是建立在土壤溶质运移理论的基础上的，Lapidus和Amundson在20世纪50年代初首次提出一个类似于对流-弥散方程的模拟模型，但未对模型的推导过程和物理意义做任何解释。Scheidegg在假设土壤均质和稳态流条件下，推算出用概率密度函数来反映溶质的运移规律[13]。20世纪60年代初，Nielson和Biggaz在总结前人理论的基础上，系统的论述了对流-弥散方程的合理性，同时通过实验来解释和说明土壤溶质运移过程，由此奠定了CDE方程作为土壤溶质迁移研究的基本方程和经典方程的地位[14]。70年代开始，对于土壤溶质运移的研究从实验室走向了田间，在田间应用时出现了理论结果与实测值不吻合的问题。为解决这个问题，美国加州大学的Jury教授1982年提出了随机传输函数模型，也称为“黑箱模型”，用于模拟田间非饱和土壤溶质运移过程[15]，该模型不能反应土壤溶质运移机理，只是通过统计溶质从土壤表面迁移到土壤剖面某一深度的时间，然后用所需时间的概率分布函数来推导在某一时刻某一剖面深度处溶质的浓度，用概率函数的方法来描述溶质在土壤中的运移过程。由于土壤裂隙、虫孔、不动水体等事实存在，又在土壤溶质运移模型中发展了动水-不动水体两区模型等模型[16]。为完善CDE模型，如何求解溶质迁移的关键参数成为一个重要课题，国外学者为此做了很多研究，提出用穿透曲线法估算水动力弥散系数，用极大拟然法估算溶质运移参数等。

土壤水分和氮素迁移建模方面经过多年研究，也取得很多成果。如美国盐土实验室[17]开发的Hydrus-1D水氮联合模型，可以模拟非饱和土壤中一维水分、热和溶质的运移过程；美国康乃尔大学[18]研究开发的LEACHM模型，采用对流-扩散方程作为控制方程，可以定量描述土壤中水分、氮素和农药的迁移转化过程；美国国家盐土实验室开发的SWMS-2D模型[19]，主要功能是模拟饱和-非饱和土壤中水分和溶质的二维运移过程；以及专门用于评估氮循环对环境影响的SUNDIAL系统[20]等。但这些数学模型分别是在不同的试验条件下提出的，在模型的构成和过程考虑上侧重点各有不同，适用范围都受到严格的限制。

3 存在问题与展望

国内有关氮素运移转化规律的研究起步较晚，在建模方面还处于模型引进、应用阶段，少部分已经达到了改进阶段，还没有能力独自建立适合中国现状的机理模型。

农田系统中氮素行为的研究已有近百年的历史，涉及的内容广泛全面，但由于其在农业生产上的重要地位，加之与人类生存环境密切相关，因而这方面的研究需要继续深入。今后要重视以下几方面的研究工作：①要重视田间实验的综合研究，定量化研究氮素的各种转化和去向；②定量化研究根系吸肥吸水的规律，了解根、水、肥三者的时空耦合性，确定植物生长期的最佳水氮条件；③土壤中氮素管理需协调农业发展与环境保护的关系，以现代农业的“高产、优质、高效、安全、生态，为目标；④加强对土壤—作物系统中氮素行为的模拟研究，建立完善的氮素模型；五是将氮素各过程综合定量化研究并结合最新精准施肥和配方施肥的研究成果直接对农业生产提供指导。

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