0 引言
【研究意义】暴雨过程中伴随着较高能量的雨滴对土壤颗粒击打,易于使表层土壤氮素随径流和侵蚀泥沙进入水体,不仅导致土地生产能力下降,也是造成农业面源污染的主要原因之一[1,2]。坡耕地是土壤侵蚀的主要策源地,系统探究暴雨条件下坡耕地径流和侵蚀泥沙中氮素流失特征,可为研究区氮素流失预测评价和有效防控提供科学理论依据。【前人研究进展】近年来,许多****对坡耕地土壤侵蚀和氮素流失规律等方面开展了相关研究,但主要集中于降雨条件下地表径流和侵蚀产沙特征,以及氮素随地表径流和侵蚀产沙流失规律的探讨[3,4]。研究表明,地表径流是氮素流失的优先途径,硝态氮和铵态氮是地表径流中氮素流失的主要形态[5];侵蚀泥沙中,大量的铵态氮等阳离子吸附在土壤颗粒表面随之流失,表现出氮素流失的富集现象[6,7]。壤中流的产生对地表径流的变化有较大影响[8],随研究的逐渐深入,壤中流对氮素流失的影响备受关注[9,10]。赵越等[11]研究发现红壤区壤中流为氮素流失的主要途径,且以可溶性总氮为主。马波等[12]指出植被覆盖可以消减雨滴的动能,减少地表径流量和侵蚀产沙量,不同植被类型、冠层结构以及作物生育期对土壤侵蚀均具有不同的调控作用[13]。张铁钢等[14]研究也证实覆盖度较高花生地的土壤侵蚀量和氮素流失量均低于覆盖度较低的玉米地。可见,植被覆盖度对径流和侵蚀产沙以及氮素流失影响较大。【本研究切入点】紫色土是一种高生产力岩性土,土层浅薄,极易发生土壤侵蚀[15]。川中丘陵紫色土区降雨主要集中于5—9月,暴雨较多。根据30年气象资料分析,该区域最大小时降雨量达93.0 mm,最大10分钟降雨量达30.3 mm,每年单次降雨量50—100 mm 的有3.7次[16]。而玉米作为当地主栽旱坡地作物之一,其生长期与区域降雨侵蚀期相重。【拟解决的关键问题】本文以紫色土区坡耕地为研究对象,从玉米全生育期角度,系统探讨1.5 mm·min-1降雨强度下玉米季地表径流、壤中流和侵蚀产沙及其氮素流失特征,阐明氮素流失量与地表径流量、壤中流量和侵蚀产沙量的关系,以期为紫色土区坡耕地寻求合理防护氮素流失时期提供理论基础,服务于紫色土区农业可持续发展。1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于长江上游沱江水系花椒沟小支流和响水滩上端（104′12″—104°35′19″E,30°05′12″—30°06′44″N）,属四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村与花椒村,平均海拔395 m,年均降雨量965.8 mm,全年80%的降雨集中在5—9月,年平均温度16.8℃。研究区坡耕地以玉米种植为主,种植密度约40 000株/hm2,辅以种植白菜、芋头、辣椒等。土壤为遂宁组母质发育的红棕紫泥,质地较轻,砂粒、粉粒和黏粒占总质量的比例分别为49%、29%和22%。土壤有机质含量11.62 g·kg-1、全氮0.73 g·kg-1、碱解氮40.13 mg·kg-1、有效磷14.08 mg·kg-1、速效钾86.64 mg·kg-1,土壤肥力较低。1.2 试验设计
根据研究区多年降雨及暴雨特点,设计降雨强度为1.5 mm·min-1,降雨历时为产流开始计时42 min,分别在玉米苗期（5月1日）、拔节期（5月26日）、抽雄期（6月27日）和成熟期（8月4日）进行,共计4次人工模拟降雨。基于野外实地调查,结合研究区坡耕地面积小、分布零散等特点,试验小区设计为1 m×2 m的微小区。小区下垫面用混泥土固化防渗形成相对不透水层,并铺10 cm厚石英砂,上面覆土60 cm。每个小区坡面下部用水泥砌成“V”形集水槽,集水槽通过PVC管连接到径流收集桶。根据当地农耕习惯,在每一小区布设两个横坡垄作,垄高30 cm,垄宽50 cm,垄距90 cm。依据紫色土区坡度的分布特点,试验坡度设置为15°,所有试验重复3次。供试玉米（Zea mays L.）品种正红6号,于2016年4月垄上单行直播,行距90 cm,株距25 cm（图1）。播种前每微小区基施尿素（N 46.4%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）分别为30、60和30 g,于5月下旬追施尿素（N 46.4%）60 g。其他管理措施与当地农耕习惯一致。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1径流小区平面图
-->Fig. 1The plan of runoff plots
-->
采用人工模拟降雨方法,人工降雨装置采用中国科学院水土保持研究所生产的SR型降雨机,装置喷头系统为美国V-80100。降雨机高度为6 m,降雨均匀系数在85%以上。降雨前进行仪器调试与降雨率定,试验中准确记录坡面产流时间。
1.3 样品采集与分析
用塑料桶收集地表径流和壤中流,每6 min收集一次,直至降雨结束。产流结束后,将径流收集桶放置3 h,待澄清后将径流和泥沙分开,并于105℃条件下烘干泥沙至恒重,待测。分别用体积法和烘干称重法测定径流体积和侵蚀产沙量。收集径流上部清液于250 mL塑料瓶中,加硫酸调pH ≤ 2,存放冰箱（≤ 4℃）冷冻,待测。径流中总氮（TN）和可溶性总氮（DTN）采用碱性过硫酸钾氧化-间断化学分析仪测定;硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）直接采用间断化学分析仪测定。侵蚀产沙中全氮采用半微量凯氏定氮法测定[17]。1.4 数据分析与处理
径流中氮素流失量（mg·m-2）=流出液中氮素浓度（mg·L-1）×径流量（L·m-2）;侵蚀泥沙中氮素流失量（mg·m-2）=侵蚀泥沙中氮素浓度（g·kg-1）×侵蚀产沙量（g·m-2）;
氮素流失率（mg·m-2·min-1）=氮素流失量（mg·m-2）/收集时间（min）。
试验数据统计分析采用DPS11.0软件,多重比较选择LSD法,图表制作采用Excel 2010。
2 结果
2.1 径流和侵蚀产沙特征
由图2可知,玉米各生育时期地表径流产流率和产沙率总体表现为随降雨时间延长而呈增加的变化趋势。地表径流产流率在苗期最大,平均值为0.36 L·m-2·min-1;玉米苗期产沙率在降雨12 min和36 min左右出现峰值,且显著高于其他生育时期,平均值为0.70 g·m-2·min-1。壤中流在降雨18 min左右产生,在玉米拔节期和成熟期随降雨时间延长而缓慢增加,苗期和抽雄期则在降雨30 min左右基本稳定,在玉米各生育时期表现为抽雄期最大,平均值为0.81 L·m-2·min-1。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2降雨条件下玉米季地表径流产流率（A）、壤中流产流率（B）和产沙率（C）动态变化特征
-->Fig. 2Dynamic variation characteristics of the rate of surface runoff (A), the rate of interflow (B) and the rate of sediment yield (C) under simulated rainfall during maize growth stage
-->
地表径流作为侵蚀产沙的载体,其变化趋势与侵蚀产沙量一致,由相关分析可知：在玉米各生育时期,侵蚀产沙量与地表径流量呈现极显著的线性相关关系,相关系数高达0.969（图3）;通过方程斜率可知,产沙量在玉米苗期随径流增加变化最快,而抽雄期则变化最慢。将玉米全生育期侵蚀产沙量与地表径流量进行相关性分析得出：Y=2.1344X-0.6684（R2=0.8765,P<0.01）。其中Y是侵蚀产沙量（g·m-2）,X是地表径流量（L·m-2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3降雨条件下玉米季侵蚀产沙量与地表径流量相关关系
*表示0.05水平显著;**表示0.01水平显著。下同
-->Fig. 3Relationship between the sediment yield and surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage
*Represents significantly different at 0.05 level, **Represents significantly different at 0.01 level. The same as below
-->
2.2 地表径流中氮素流失特征
由图4可知,玉米各生育时期地表径流中总氮流失率总体表现为随降雨时间延长而呈增加的变化趋势,在降雨36 min后基本稳定,且表现为苗期最大,平均值为5.24 mg·m-2·min-1。玉米苗期和抽雄期地表径流中可溶性总氮流失率分别在降雨30 min和36 min达到最大,拔节期和成熟期地表径流中可溶性总氮流失率随降雨时间延长而缓慢增加,在玉米各生育时期间表现为苗期最大,平均值为4.74 mg·m-2·min-1。玉米全生育期地表径流中硝态氮流失率则在降雨30 min后基本稳定,在玉米各生育时期间表现以拔节期最大,平均为3.90 mg·m-2·min-1。玉米全生育期地表径流中铵态氮流失率呈现波动性,平均流失率在玉米拔节期最高。在地表径流中,可溶性总氮为流失的主要形态,其中硝态氮为可溶性总氮流失的主要形态。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4降雨条件下玉米季地表径流中总氮流失率（A）、可溶性总氮流失率（B）、硝态氮流失率（C）和铵态氮流失率（D）动态变化特征
-->Fig. 4Dynamic variation characteristics of the rate of TN loss (A), the rate of DTN loss (B), the rate of NO3--N loss (C) and the rate of NH4+-N loss (D) in surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage
-->
地表径流作为氮素流失的载体,由相关分析可以看出（图5）：在玉米全生育期,地表径流中氮素流失量与地表径流量呈现极显著线性关系,且在苗期斜率最大。对于不同氮形态而言,可溶性总氮和硝态氮流失量在玉米全生育期与地表径流量呈现出极显著线性关系,且均在拔节期随径流量增加变化最快,而铵态氮则在抽雄期变化最快。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5降雨条件下玉米季总氮流失量（A）、可溶性总氮流失量（B）、硝态氮流失量（C）、铵态氮流失量（D）与地表径流量相关关系
-->Fig. 5Relationship between TN loss (A), DTN loss (B), NO3--N loss (C), NH4+-N loss (D) and surface runoff under simulated rainfall during maize growth stage
-->
2.3 壤中流中氮素流失特征
由图6可知,玉米全生育期壤中流中总氮流失率随降雨时间延长呈缓慢增加的变化趋势,在玉米各生育时期总体表现为拔节期最大,平均值为25.04 mg·m-2·min-1。玉米苗期、拔节期和成熟期壤中流中可溶性总氮和硝态氮流失率随降雨时间延长增加,抽雄期则在降雨30 min左右达到最大,在玉米各生育时期分别在拔节期和抽雄期最大,平均值为20.34和16.20 mg·m-2·min-1。玉米全生育期壤中流中铵态氮流失率呈现波动性,平均流失率表现为玉米拔节期最大。在壤中流中,可溶性总氮为流失的主要形态,其中硝态氮为可溶性总氮流失主要形态。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6降雨条件下玉米季壤中流中总氮流失率（A）、可溶性总氮流失率（B）、硝态氮流失率（C）、铵态氮流失率（D）动态变化特征
-->Fig. 6Dynamic variation characteristics of the rate of TN loss (A), the rate of DTN loss (B), the rate of NO3--N loss (C) and the rate of NH4+-N loss (D) in interflow under simulated rainfall during maize growth stage
-->
壤中流作为氮素流失的载体,由相关分析可以看出（图7）：在玉米全生育期,壤中流中氮素流失量与壤中流量呈现极显著线性关系。对于不同氮形态而言,可溶性总氮和硝态氮流失量在玉米全生育期与壤中流量呈现显著线性关系,壤中流中总氮,可溶性总氮,硝态氮和铵态氮流失量均在玉米拔节期随径流的增加变化最快。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7降雨条件下玉米季总氮流失量（A）、可溶性总氮流失量（B）、硝态氮流失量（C）和铵态氮流失量（D）与壤中流量相关关系
-->Fig. 7Relationship between TN loss (A), DTN loss (B), NO3--N loss (C), NH4+-N loss (D) and interflow under simulated rainfall during maize growth stage
-->
2.4 侵蚀泥沙中氮素流失特征
玉米各生育时期侵蚀泥沙中氮素流失率均随降雨时间延长而增加,但其增幅在不同生育时期差异较大（图8）。玉米苗期侵蚀泥沙中氮素流失率在降雨12 min和36 min出现峰值,与其余各生育时期相比增加速率更大,且平均流失率最大,为0.92 mg·m-2·min-1。而拔节期、抽雄期和成熟期侵蚀泥沙中氮素流失率则与产沙率变化趋势一致。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8降雨条件下玉米季侵蚀泥沙中氮素流失率动态变化特征
-->Fig. 8Dynamic variation characteristics of the rate of nitrogen loss in sediment yield under simulated rainfall during maize growth stage
-->
侵蚀泥沙作为氮素流失的载体,其变化趋势对氮素流失量影响较大,由相关分析得出：玉米各生育时期侵蚀产沙中氮素流失量与侵蚀产沙量均呈现显著的线性关系（表1）。可见,侵蚀产沙量为影响玉米全生育期侵蚀泥沙中氮素流失量的主要因素,在玉米拔节期,侵蚀泥沙中氮素流失量随产沙量增加变化最快,在成熟期增加最慢。
Table 1
表1
表1降雨条件下玉米季氮素流失量与侵蚀产沙量相关关系
Table 1Relationship between the nitrogen loss (y) and sediment yield (x) under simulated rainfall during maize growth stage
| 玉米生育时期 Maize growing stage | 回归方程 Regression equation | 决定系数R2 Determination coefficient |
|---|---|---|
| 苗期Seeding stage | y=1.19x+0.55 | 0.807** |
| 拔节期Elongation stage | y=7.39x-10.4 | 0.912** |
| 抽雄期Tasseling stage | y=1.19x+0.07 | 0.870** |
| 成熟期Maturity stage | y=0.93x+0.19 | 0.686* |
新窗口打开
2.5 氮素流失量
由表2可知,壤中流为玉米季氮素流失的主要途径。地表径流中总氮、可溶性总氮、硝态氮和铵态氮流失量均在玉米苗期和拔节期最大;而壤中流中总氮流失量则在玉米拔节期和抽雄期最大,可溶性总氮流失量在拔节期最大,而硝态氮流失量却在玉米苗期和抽雄期最大;侵蚀泥沙中氮素流失量在玉米苗期最大。Table 2
表2
表2降雨条件下玉米季径流和侵蚀泥沙中氮素流失量
Table 2Nitrogen loss in runoff and sediment under simulated rainfall during maize growth stage
| 生育时期 Maize growing stage | 地表径流 Surface runoff | 壤中流 Interflow | 侵蚀泥沙Sediment | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 产流量 Runoff (L·m-2) | 氮素流失量Nitrogen loss (mg·m-2) | 产流量 Runoff (L·m-2) | 氮素流失量Nitrogen loss (mg·m-2) | 产沙量 Sediment yield (g·m-2) | TN (mg·m-2) | ||||||||
| TN | DTN | NO3--N | NH4+-N | TN | DTN | NO3--N | NH4+-N | ||||||
| 苗期 Seeding stage | 15.21 ±0.51a | 219.86 ±6.03a | 186.76 ±8.39a | 159.01 ±8.68a | 5.21 ±0.41a | 15.47 ±0.74c | 693.85 ±28.72bc | 522.19 ±35.11b | 440.11 ±19.91a | 5.54 ±0.30a | 29.37 ±2.98a | 38.67 ±5.68a | |
| 拔节期 Elongation stage | 10.69 ±0.33c | 207.69 ±7.68a | 175.53 ±3.41a | 163.57 ±8.41a | 5.72 ±0.39a | 17.27 ±1.11b | 751.04 ±22.02a | 610.22 ±17.20a | 166.67 ±21.04c | 5.73 ±0.22a | 19.14 ±1.99c | 21.14 ±2.11b | |
| 抽雄期 Tasseling stage | 9.04 ±0.34d | 133.11 ±5.04c | 121.51 ±7.75b | 109.68 ±6.37b | 2.90 ±0.26c | 24.27 ±2.51a | 746.78 ±36.34ab | 562.07 ±10.63b | 485.91 ±21.84a | 5.31 ±0.39a | 12.80 ±1.54d | 15.67 ±1.87c | |
| 成熟期 Maturity stage | 13.14 ±0.67b | 180.19 ±8.46b | 142.08 ±8.75b | 116.85 ±5.31b | 3.78 ±0.17b | 13.39 ±0.21d | 361.07 ±24.23d | 315.63 ±14.07c | 264.34 ±3.15b | 3.71 ±0.20b | 22.62 ±2.14b | 22.29 ±2.96b | |
新窗口打开
3 讨论
植被覆盖是影响坡耕地土壤侵蚀的重要因素之一,植株对降雨进行再分配影响径流,其根系则可通过改变土壤结构,增加水分入渗和土壤的抗蚀性。因此,最适植被覆盖度有利于水土保持[18]。在本研究中,玉米苗期地表径流产流率和产沙率随降雨时间延长出现两个峰值,而其他生育时期则呈现缓慢增加趋势,这主要由于玉米苗期植株冠层对降雨截留能力弱,加之暴雨条件下雨滴动能较大,雨滴的击打能力增强了径流紊动性,径流侵蚀力增加,破坏土体结构,而在降雨后期坡面出现了细沟,导致产流率和产沙率的增加[19],因此玉米苗期可在横坡垄作条件下用作物秸秆覆盖地表,不仅减小雨滴动能及对土壤颗粒的破坏,又能拦截径流和泥沙,进而减少产流率和产沙率。地表径流量在玉米苗期最大,而壤中流量则在抽雄期最大,这主要是因为苗期植被覆盖度小,雨滴直接击打土壤表面,溅散土壤颗粒阻塞土壤孔隙,阻碍水分下渗[20]。在玉米抽雄期,一方面植被覆盖度大,径流动能小,雨水与土壤表面接触时间长[21],加之紫色土本身入渗率大[22],导致雨水大量下渗;另一方面玉米根系体积较大[23],土壤内部易于形成裂隙,促使壤中流增加。因此,在玉米抽雄期可通过间作红苕,同时施入一定量的有机肥,促进土壤团粒结构的形成,以增强表层土壤的持水性[24,25],进而减少壤中流的产生。而在植被覆盖度最小的玉米苗期,其壤中流量大于玉米成熟期,经试验过程中观察可知,这可能是由于在玉米成熟期,小区表层易形成生物结皮层,阻碍了雨水下渗,故壤中流有所减少[26]。侵蚀产沙量在玉米苗期最大,抽雄期最小,这主要原因可能有两个方面：一是玉米叶片和茎秆降低了雨滴的动能,从而增加地表径流在土壤表层停留的时间;二是玉米根系增加了土壤结构的强度,使其不容易发生侵蚀[27]。可溶性氮和颗粒态氮,随降雨径流和侵蚀泥沙迁移,造成坡耕地土壤氮素流失[28]。本研究中,地表径流和壤中流中氮素流失率在产流初期均增加,但壤中流中氮素流失率达到稳定时间早于地表径流6 min左右,且远高于地表径流中氮素流失率,这与彭圆圆等[29]研究结果较为相似,表明在1.5 mm·min-1降雨强度下,壤中流的形成加速了土壤氮素流失。而地表径流和壤中流中铵态氮流失率则呈波动性变化,主要原因是铵根离子随着径流移动时,易被带负电荷的土壤颗粒所吸附,在暴雨条件下,雨滴击溅和径流持续破坏土壤大粒级团聚体,分散为比表面积大、吸附能力强的小粒级团聚体使铵根离子易于流失[30,31]。地表径流和壤中流中氮素流失量均在玉米拔节期达到最大,而玉米拔节期的径流量却小于苗期和抽雄期,表明在玉米拔节期追肥,土壤氮素浓度的增加可能是影响径流中氮素流失的主要因素。KOTHYARI等[32]研究发现径流量和养分流失量具有线性相关关系,且LIU等[33]和WANG等[34]研究均表明暴雨条件下径流量与氮素流失量呈极显著正相关关系,本研究中也证实了这些结论。此外,侵蚀泥沙中氮素流失率与产沙率变化趋势一致,均在玉米苗期最大,抽雄期最小,通过分析可知,侵蚀产沙量与氮素流失量呈现极显著的线性相关关系,与XING等[35]研究结果相似,表明在1.5 mm·min-1降雨强度下,侵蚀产沙量是侵蚀泥沙中氮素流失量的主控因素。
径流为氮素流失的主要途径,可溶性总氮为流失主要形态,而可溶性总氮主要包括硝态氮和铵态氮两部分[36]。本研究中,地表径流中总氮和可溶性总氮流失总量均表现为玉米苗期最大,原因可能有两个方面：一是在玉米苗期基肥的施入增加了土壤氮素含量,二是玉米苗期植被覆盖度小于其他生育时期,地表径流量较大[37];而硝态氮和铵态氮流失总量均表现为拔节期最大,这可能是由于该时期植株根系土壤pH变化和土壤微生物作用使土壤中产生大量的硝酸根和铵根离子供植物吸收利用所致[38]。就壤中流而言,总氮和可溶性总氮流失总量均在玉米拔节期最大,表明在玉米拔节期追肥,土壤氮素浓度增加成为氮素流失主控因素;而硝态氮流失总量则在抽雄期最大,壤中流是影响该时期硝态氮流失主要因素。莫明浩等[39]指出,在暴雨条件下,红壤坡地氮素流失以壤中流为主（占55.28%—95.30%）,本研究结果也表明在暴雨条件下,紫色土区壤中流中氮素流失量占氮素流失总氮的64.07%—83.39%,是氮素流失的主要途径。
4 结论
4.1 玉米季各生育时期地表径流产流率和产沙率表现为苗期最大,而壤中流产流率表现为抽雄期最大。4.2 地表径流和壤中流中氮素流失率分别在苗期和拔节期最大,径流中硝态氮和铵态氮流失总量表现为在拔节期最高,可溶性总氮为流失的主要形态,硝态氮为可溶性总氮流失主要形态。侵蚀泥沙中氮素流失率表现为苗期最大。在玉米全生育期,氮素流失量与径流量和侵蚀产沙量呈显著线性正相关关系。地表径流和壤中流中氮素流失浓度分别在玉米苗期和拔节期最大,壤中流为氮素流失的主要途径。
4.3 在1.5 mm·min-1降雨强度下,玉米苗期和拔节期均存在对水体的污染潜在风险;玉米苗期控制地表径流量,拔节期控制壤中流,可减少紫色土区氮素流失量。
The authors have declared that no competing interests exist.
