（环境科学专业论文）源头流域氮的来源迁移与转化.pdf

失负荷范围为2 7 4 7 9 9 9 7 蚝nh r n - 2 ，平均渗漏淋失负荷为6 9 1 3k gn h m 易，地 下渗漏淋失总氮占流域总氮输入( 4 2 1 4k gnh r n 2 ) 的1 6 4 ；而n 0 3 - n 年渗漏 淋失负荷范围为7 8 9 2 8 3 1k gnh m 2 ，平均1 9 6 8k gnh m - 2 。，占流域t n 输入的 4 6 7 。 第三，五川溪流氮的迁移和转化过程。硝氮与61 5 n 、亚硝氮、溶解氧、溶 解有机碳的变化关系表明溪流沿程硝化作用是氮在溪流河道的主要生物地球化 学过程，也是溪流硝氮浓度沿程升高的主要原因。流域沿程耕地面积比例的增 加和面源污染物随地表径流的排入也是溪流沿程铵氮和硝氮浓度升高，特别是 铵氮浓度升高的主要原因之。五川源头溪流较浅的河床为氮的迁移和转化提 供了相对较活泼的载体。溪流是联接流域陆地和水体型态系统氮素的重要纽带。 关键词：氮；来源与转化；源头流域； a b s t r a c t h u m a na c t i v i t i e ss u c ha sf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o n , f o s s i lf u e lc o m b u s t i o nh a v er e s u l t e di ni n c r e a s e d n i t r o g e n ( n ) l o a d sf o rt e r r e s t r i a la n da q u a t i ce c o s y s t e m sc a u s i n gw o f l d w i l dc o n c e r n a st e r r e s t r i a l e c o s y s t e m sb e c o m es a t u r a t e dw i t hn ，e x c e s snm o v e sw i t hs u r f a c er u n o f fa n dg r o u n d w a t e rf l o w t os t r e a m s ，l a k e s ，r i v e r s , a n dc o a s t a lo c e a n s h e a d w a t e rs t r e a m sc o n v e yw a t e ra n dn u t r i e n t st o l a r g e rs t r e a m sa n dd e s p i t et h e i rr e l a t i v e l ys m a l ld i m e n s i o n s , p h yad i s p r o p o r t i o n a t e l yl a r g er o l ei n n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n s0 1 1t h el a n d s c a p e q u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o no nnc y c l i n gi ns 血- e a m $ i s n e e d e dt ou n d e r s t a n dh o wn l o a d i n gf r o mw a t e r s h e d sf o rs t r e a m st r a n s p o r t i n gm u c ho ft h i sn d i r e c t l yf r o mt e r r e s t r i a le c o s y s t e m s i nt h i ss t u d y , w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g , f i e l dm e a s u r e m e n t , m e c h a n i s mm o d e l ，i s o t o p et r a c i n g m e t h o da n dg i st e c h n i q u ew e r el i n k e dt oe s t i m a t en f l u xo f s t r e a m f l o wd i s c h a r g ea n dl e a c h i n g t h ew o r kp r o v i d e sas o u n du n d e r s t a n d i n go f 廿l ei n f l u e n c eo f s u r f a c er u n o f fa n d g r o u n d w a t e rf l o w o ns t r e a mn ，a n dh i g h l i g h t sw a r t s f o r m a t i o na n d b i o g e o c h e m i s t r yb e h a v i o ro fd i s s o l v e dn i t r o g e ni n s u e a n l f i r s t , a n n u a la n ds e a s o n a lp a t t e r n so fnl o s si ns t r e a m f l o w 眦e v a l u a t e db a s e do i l m o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rq u a l i t ya n df l o wi n2 0 0 4 - 2 0 0 6 nl o s si ns t o r m f l o ww a sp o s i t i v e l y r e l a t e dt ot h er a t i oo fa r a b l el a n d , a n dv a r i e dg r e a t l ya m o n gt h er e p r e s e n t a t i v es u b w a t e r s h e d s ， r e f l e c t i n gt h ed i f f e r e n c e si np r e c i p i t a t i o n , l a n dc o v e l ，a n dnm p u t s t h ea n n u a lm a x i m u mt o t a ln e x p o r tw a s1 0 8k gnh m 之o f 2 0 0 6 , a n dt h em i n i m u mw a s3 7 iil 【gnh m 2o f 2 0 0 4 c o m p a r e dt o a v e r a g ea n n u a lni n p u t s , 4 2 1 4k gnh m - 2 ，a v e r a g ea n n u a lt o t a lnl o s so ft h e s et h r e ey e a r sf r o m s t r e a m f l o ww a s6 8 3 5k gnh m - 2 s t o r mm n o f fc o n v e y e dt o t a ln4 5 51 l 【gnh m - 2 ，w h i c h c o n l r i b u t e dt o1 0 8 o ft o t a ln 呻吣a n db a s e f l o wc o n v e y e dt o t a ln 2 2 8 4l 【gnl u n - 2 ，w h i c h c o n t r i b u t e dt o5 锄o ft o t a ln i n p u t s t h er i v e r i n ee x p o r to fd i s s o l v e dt o t a ln i t r o g e n 册嘎 f o r m e d8 4 o ft h et o t a lf l u xa n dt h ed i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n ( d i n ) f o r m e d8 9 5 o fd t n n 0 3 - na n dn h 4 - nw e m a i nf o r m so fd i n ，c o n t r i b u t e dt o6 5 5 a n d3 4 5 r e s p e c t i v e l y s e c o n d , nl e a c h i n gi nw u c h u a nc a t c h m e n tw a se v a l u a t e du s i n gs h a l l o ww a t e rc o n c e n t r a t i o n a n dg l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so f a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) m o d e l t h e v a r i a t i o no fnc o n c e n t r a t i o ni ns h a l l o wa q u i f e r si n d i c a t e dt h a th i g h e rf e r t i l i z a t i o nu n d e rl a n do f v e g e t a b l ea n dc o m m e r c i a lc r o p si ns p r i n gp r o v i d e dt h el a r g e rns o u r c e m e a n w h i l e ，l o w h y d r o l o g i ct a b l ei nw i n t e r ( d r ys e a s o n ) r e s u l t e di nac o n c e n t r a t i n ge f f e c to f nc o n c e n t r a t i o n t h e p e a kne x p o r ti nl e a c h a l eo c c u r r e db e t w e e nj u l yt os e p t e m b e rw h e nr , d n f a l li n t e n s i t yw a sv e r y h i 啦nl e a c h i n gw a gd o m i n a t e db ya m m o n i u mf o r m ( 4 0 呦r a t h e rt h a nn i t r a t ef o r m ( 2 0 哟，a sa r e s u l to fa c i ds o i lb e m gp o s i t i v e l yc h a r g e dw i t he l e c t r i c i t yw h e np h 5 n i t r a t ee x p o r tr a t e d i f f e r e ds u b s t a n t i a l l yw i t hl a n d u s ea n dv a r i e df i - o m5 0 0t o5 0 7 9k gnh m - 2i n2 0 0 4 2 0 0 6 ，w i t h t h ea r e a - w e i g h t e dv a l u eo f1 9 7 0k gnh m - 2a c c o u n t i n gf o r4 7 o ft o t a lni n p u t si nw u c h u a n c a t c h m e n t t h i r d , t h i ss t u d yf o u n dt h a tn h 4a n dn 0 3c o n c e n t r a t i o n si ns t r e a m sw e r ei nd y n a m i cb a l a n c e ， c o n t r o l l e db yi l l p t ，n i t r i f i c a t i o n , b i o l o g i c a lu p t a k e ，s o r p f i o n , a n dr e g e n e r a t i o n t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nn 0 3 - nw i t h 矾u ，n 0 2 - n ，d i s s o l v e do x y g e n , d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o ni n d i c a t e dt h a t n i t r i f i c a t i o nw a st h em a i nb i o g e o c h e m i c a lp r o c e s so fw u c h u a ns t r e a m ，w h i c hp l a y e dal a r g er o l e i ni n c r e a s i n gn i t r a t el e v e l sd u r i n gs t r e a mt r a n s p o r to v e rar e l a t i v e l ys h o r td i s t a n c e w i t ht h e 翻屯a o fa r a b l el a n di n c r e m e n t , n o n - p o i n tp o l l u t i o nd i s c h a r g i n gi n t ot h es t r e a mw a sa l s or e s p o n s i b l ef o r n h 4 - na n dn 0 3 - nc o n c e n t r a t i o nd o w n s t r e a mr i s i n g , e s p e c i a l l yf o rn 0 3 - n i nh e a d w a t e rs t r e a m s , u p t a k ea n dr e m o v a lp r o c e s s e so c a 3 u rm a i n l y0 1 1s e d i m e n t sa n db i o f i l m sc o v e t i n gs u b m e r g e d s u r f a c e s t h u s , t h es h a l l o wd e p t h sa n dh i i g hs u r f a c e - t o - v o l u m er a t i o sc h a r a c t e r i s t i co ft h e w u c h u a ns t r e a ms u p p l yar e l a t i v er e a c t i v ec h a n n e lc o n d u i t k e yw o r d s ：h e a d w a t e rs t r e a m ；n i t r o g e n ；s o u r c e sa n dt r a n s f o r m a t i o n s ； 表索引 表2 - l 施肥对氮素淋失的影响研究 单位：k gnh m - 2 7 表2 2 降雨和灌溉对氮素淋失的影响研究 单位：k gnt u n - 2 9 表2 3 不同土壤类型n o r n 的渗漏淋失量 单位：k gnh m - 2 。1 0 表2 4 不同耕作方式的径流量、侵蚀量和氮、磷流失。1 6 表2 - 5 不同植被缓冲区对n o r n 和t p 的截流率。2 0 表2 6 来源不同的硝酸盐6 1 柏值2 3 表4 - 1 灰沙泥田理化性状表 表4 - 2 渗漏水实验样地设计3 5 表4 3 浅层地下水样地设计3 6 表4 - 4 地表水采样点分布及周围环境3 7 表5 1 五川流域降雨径流过程氮平均浓度与基流对比4 2 表5 - 2 降雨径流中各形态氮磷的平均浓度 表5 - 3 美国四种土壤水文类型的定义4 7 表5 - 4s c s - c n 计算值与实测值校验结果( 径流量) 4 7 表孓5 径流曲线数c n 值4 7 表5 62 0 0 4 年五川流域降雨径流氮素输出负荷。4 8 表孓72 0 0 5 年五川流域降雨径流氮素输出负荷4 8 表孓82 0 0 6 年五川流域降雨径流氮素输出负荷4 9 表5 - 9 基流水质未监测数据处理。5 7 表5 - 1 02 0 0 4 年五川流域基流输出负荷 表孓ii2 0 0 5 年五川流域基流输出负荷 表5 - 1 22 0 0 6 年五川流域基流输出负荷 5 8 5 8 表5 - 1 32 0 0 4 年五川流域地表径流氮素输出。 表5 - 1 42 0 0 5 年五川流域地表径流氮素输出一 表5 - 1 52 0 0 6 年五川流域地表径流氮素输出 表5 1 6 五川流域地表径流总输出 单位：l 【gn 6 2 表5 - 1 7 土壤剖面各形态氮素分布特征6 3 表5 1 8 不同土地利用方式下的土壤表层含氮量 单位：m gk g l 6 5 表5 1 9 渗漏水与地下水中各形态氮素的浓度均值单位：m gl 1 6 5 表5 2 0 五川流域地下水水质监测结果汇总( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 ) 6 8 表5 - 2 1 浅层地下水中各水溶态氮素占t n 的百分比6 9 i x 表5 2 2 模型参数敏感性分析结果7 5 表5 2 3 采样点所对应的土地利用、肥料施入情况与采样深度 表5 - 2 4 五川流域n 0 3 = n 模拟的月最高渗漏淋失量和年渗漏淋失量8 0 表5 2 5 世界其它几个地区的n 0 3 - n 渗漏淋失量及所占t n 输入的比例8 l 表5 2 6 五川流域氮素渗漏淋失计算8 2 表6 _ l 溪流和浅层地下水c r 与n 0 3 - n 、n h ( - n 浓度 单位： 表每2 溪流源头( s i ) 和出口( s 5 ) 处n 0 3 - n 、6 1 s n 的变化 m gl 4 8 9 9 0 表6 - 3 溪流沿程n 0 3 = n 、n 0 2 - n 、d o 和6 1 5 n 的变化9 l 表6 - 4 五川溪流各断面采样点d ( ) c 含量9 6 x 图索引 图2 1 土壤氮素循环示意图4 图3 1 论文技术路线图 图4 - 1 五川流域位置一2 9 图4 - 2 五川流域平面图 图4 3 五川流域大小试验区相对位置图 图4 - 4 五川流域大小试验区土地利用现状 图4 5 渗漏计装置图 3 3 图4 - 6 五川流域地表水与地下水采样点位置图。3 5 图4 i7 浅层地下水采集装置示意图。 图4 - 8 离子交换柱示意图3 8 图5 - l2 0 0 5 年5 月9 日降雨水质随时间变化过程图4 4 图5 - 2 五) l i d , 流域不同土地利用方式降雨径流氮磷浓度对比4 5 图5 3 从上游到下游沿程s 1 s 5 采样点各形态氮磷流失百分比例5 l 图5 - 42 0 0 4 年出口样点s 5 各形态氮素月变化情况。5 2 图5 - 52 0 0 5 年出口样点s 5 各形态氮素月变化情况5 3 图5 62 0 0 6 年出口样点s 5 各形态氮素月变化情况5 3 图5 7 五川流域样点s 1 s 5 各形态氮磷季节变化特征5 5 图5 8 出口样点s 52 0 0 4 2 0 0 6 年各形态氮素变化情况一5 6 图5 9 基流氮输出负荷月际变化( 2 0 0 4 2 0 0 6 均值) 。5 9 图5 一l o 基流氮输出负荷与水质水文相关性 图5 - l l 五川小流域土壤氮含量剖面分布季节变化 6 0 图5 1 2 香蕉地的地下水与渗漏水各形态氮素的分布6 6 图5 1 3 蔬菜地的地下水与渗漏水各形态氮素的分布 6 7 图5 1 4 不同地块的地下水水质季节变化特征( 2 0 0 4 - 2 0 0 6 ) 。7 0 图5 1 5 五川流域浅层地下水n i - h - n 与n 0 3 - n 月平均浓度变化特征( 2 0 0 6 ) 7 1 图5 1 6 不同土地利用方式下模型的校验( 2 0 0 2 ) 7 7 图5 - 1 7 模型模拟值与实测值l ：l 连线。 7 8 图每l 源头溪流生态体系溶解态无机氮( d i n ) 动态变化模型8 5 图6 - 2n c h - n 浓度变化特征( 2 0 0 5 ) 8 7 图6 - 3n i - h - n 浓度变化特征( 2 0 0 5 ) 8 7 图6 - 4 溪流沿程n 0 3 - n 、n o - z - n 、d o 和5 1 n 的变化9 2 图每5n 0 3 n 浓度与6 b 值线性趋势9 4 图6 - 6n 0 3 - n 与n o - z - n 浓度值线性趋势9 5 图每7n 0 3 - n 与d o 浓度值线性趋势9 6 图6 8n 0 3 - n 和h - h - n 浓度变化曲线( 微环境培养) 9 7 x i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 跏 年 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：硼年多月j 日 日期：扣声石月扣 第1 章绪论 1 绪论 氮是重要的生命元素之一，是农业生产中不可缺少的营养物质，同时又是 日益增长的环境污染因子。从化学角度分类，氮在自然界中存在3 种形态，即有 机氮、无机氮与分子态氮。这3 种形态氮在大气、生物、水、岩石土壤等圈层的 相互转化及迁移构成了氮的生物地球化学循环。而人类活动很大地改变了其在 陆地和水生生态系统中的循环过程( & g k i n z i n ga n ds o c o l o w1 9 9 4 ；v i t o u s e ke t0 2 ， 1 9 9 7 ) 。 经济发展与人口膨胀带来的需求空前增长。世界人口由1 9 0 0 年的1 6 亿增加 到1 9 9 9 年的6 0 多亿( f a o ，2 0 0 0 ) 。人口的增加带来了对食物、能源等需求的增加， 1 9 9 6 年全球约向陆地生态系统人为输入了1 5 0 t g 的活化氮，其中约1 2 5t g 用于食 物生产，约2 5t g 来自化石燃烧( s t a l l , 1 9 9 9 ) 。化肥过量施用、畜牧养殖废污排 放、煤与石油能源能大量使用等人类活动过程，使得地球生态系统中的氮素超 负荷承载。 陆地生态系统过量的氮素通过地表径流和地下潜流等途径排入溪流、湖泊、 河流和海洋，不仅导致封闭性或半封闭性水体的富营养化和水华，使鱼类大量 死亡，而且亚硝基化合物强烈的环境致癌效应，对人畜健康构成潜在的威胁日 益突出( n i x o ne t0 2 ，1 9 9 5 ；w a r de ta 1 ，1 9 9 6 ；v i t o u s e ke ta 1 ，1 9 9 7 ；c a r p e n t e re t0 2 1 9 9 8 ) 。因此流域农业面源氮流失不仅是重要的农业问题，而且是导致生态环境 中氮素污染的主要来源之一近年来，流域氮素通过地表径流和地下渗漏淋失 等途径从土壤向地表水和地下水迁移引起的水环境问题成为大多数国家的研究 热点( o e c d 2 0 0 1 ) 多数研究主要集中于不同因素如降雨、灌溉、土地利用方 式、土壤类型、土壤理化性质、施肥等对氮素地表径流流失和渗漏淋失的影响。 流域氮素流失的时空变化特征明显，氮的存留和转化机制却很难在流域尺 度中定量化( v a nb r e e m e ne ta 1 ，2 0 0 2 ) ，因为溪流直接迁移了流域系统过多的 氮素，成为重要的迁移通道以及联结陆地生态系统和水体生态系统的重要纽带。 源头流域的溪流因其具有较浅的河床和较高表面积与容积比的河道，输入溪流 中的溶解态无机氮发生较为活泼的生物地球化学转化反应，如生物吸收、铵化、 硝化、反硝化等过程，并受外源输入和底泥的再悬浮过程控制( p e t e r s o ne t0 2 ， 厦门大学硕士学位论文 源头流域氮的来源迁移与转化 1 9 9 7 ；a l e x a n d e re ta 1 ，2 0 0 0 ；m u l h o l l a n d 甜a 1 ，2 0 0 0 ；d o d d se ta 1 ，2 0 0 0 ；h a m i r o n 甜a ，2 0 0 1 ；t a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 在已经详细研究了流域地表水和地下水中氮输出特征的基础上，有必要研 究氮在溪流中的生物地球化学循环，才能更完整地阐述氮在源头流域的来源和 迁移转化过程。 五川流域位于九龙江中上游，是九龙江的一级支流，土地利用类型多样化， 无工业污染点源，农业活动强烈。作为典型的农业源头流域，人类活动干扰严 重，氮素输入超出农业系统的产出，氮通过地表径流和地下潜流等途径流失明 显，并且在溪流中的迁移和转化尚不清晰。因此从流域尺度估算地表径流流失 和渗漏淋失负荷，并阐明氮在溪流水体中的迁移和转化过程，有助于在南方强 度农业开发的流域，制定针对性的管理措施，对流域氮的流失进行控制管理， 从而减少其生态环境影响。 2 第2 章国内外研究进展 2 国内外研究进展 2 1 农田氮素渗漏淋失的研究进展 土地利用方式的急剧变化以及农田化肥过量施用等农业活动导致了流域大 量氮素流失( x i n ge ta 1 ，2 0 0 2 ；s h e l d r i c ke ta 1 ，2 0 0 3 ；c a oe ta 1 ，2 0 0 5 ) 。调查表明， 施于土壤的总氮( t o t a ln i t r o g e n ，t n ) 中，约3 0 0 , - - 7 0 0 , 被作物截取( 陈子明，1 9 9 6 ) 其余则从地表径流、氨挥发、反硝化等各种途径损失。渗漏淋失是土壤中氮素 损失的重要方面之一，据研究渗漏淋失量可达5 q 1 9 0 , 4 ( c e c c o n , 1 9 9 5 ) 。它不 仅影响氮肥利用率，还可能造成地下水污染，危害人类健康，导致不良环境和 经济后果，制约着农业的可持续发展。 2 1 1 土壤氮素渗漏淋失形态和迁移机理 土壤中的氮以及人工施入土壤的肥料氮，在降雨和灌溉水的作用下，部分 直接以化合物形式( 如尿素) ，而大部分最终以可溶性的n 0 3 。、n 0 2 和n h 4 + 形 式渗漏淋失到土壤下层。该迁移过程伴随着转化反应( 图2 1 ) ，如矿化( 有机 质讣m 4 + ) ，水解( 尿素：( n h 2 ) 2 c o + h 2 0 b c 0 2 + n i - 1 3 _ n h 4 + ) ，氨挥发( n h ， + o i f 姗) ，硝化( n i 矿一n 0 3 。) ，反硝化( n 0 3 _ n 0 2 一n 2 0 一n 2 ) ，土 壤固定( h 时) 以及作物吸收。因此农田土壤氮迁移主要形态为n 0 3 、n 0 2 - 乖l n h 4 + ，而n 0 2 不稳定，容易转化为n 铂，带正电荷的小刀盯一般情况下易被带 负电荷的土壤胶体所吸附，较少沿土壤剖面垂直向下移动或从土壤中渗漏淋失， 基本滞留在土壤剖面上、中层，而带负电荷的n 0 3 。不被土壤胶体所吸附，可以 随水自由移动，极易淋洗到下层并污染浅层地下水( 王家玉等，1 9 9 6 ) 除外来 的氮源外，土壤本身的有机质分解也释放硝态氮，这些氮对作物亦有效，但也 会被淋失，使地下水硝酸盐浓度增加，导致地下水污染。 3 厦门大学硕上学位论文 源头流域氮的来源迁移与转化 图2 1 土壤氮素循环示意图 2 1 2 氮素渗漏淋失的研究方法 测定氮素田间渗漏淋失量的方法主要包括间接计算法和直接测定法。前者 基于氮循环的质量平衡计算，后者基于排水采集器和多孔杯测定渗漏液数量以 及其中氮素的浓度，特别是结合长期试验，可以揭示土壤氮素渗漏淋失的过程 及其影响因子。 ( 1 ) 质量平衡法 该方法是研究土壤氮素渗漏淋失的常用方法之一。以土壤植被为系统，通过 定量测定土壤氮素的各项输入、输出，间接利用差减法来计算土壤氮素的渗漏 淋失量。该方法计算结果的精度取决于各相关指标的测定状况( s e x t o ne ta 1 ， 1 9 9 6 ) 。 ( 2 ) 渗漏计测定法( l y s i m e t e r ) 渗漏计测定法是以水分质量平衡为基础，研究土壤水分迁移和氮素渗漏淋 失最直接有效的手段( 王家玉等，1 9 9 5 ) ，常用的如土柱和盘式采样器。氮素渗 漏淋失量的计算基于淋滤液浓度( c ) 和数量( d ) 的测定，c 和d 的乘积或c d 曲线的面积即为淋失总量。其优点是能直接定量测定c 、d 值，缺点是安装复杂， 对土壤的扰动也比较大( j i n n oa n dh o n n a , 1 9 9 9 ) 。 ( 3 ) 土壤溶液提取器( 多孔陶土杯) 近2 0 年来，土壤溶液提取器( 多孔陶土杯) 结合气象数据的方法被广泛运 用于轻质土壤的氮素渗漏淋失测量。陶土杯可以获取浓度c ，而通过气象数据可 以计算渗漏量d ( s h r e s t h aa n dl a d h a , 1 9 9 8 ) 。其优点在于安装简单，对土壤扰动 4 第2 章国内外研究进展 小。缺点是，( a ) 截面积小可能不能反映土壤及溶液的空间变异性；( b ) 在结构 好或者土壤水势高的土壤上，优先流( p r e f e r e n t i a lf l o w ) 越过陶土杯周围而难以 被有效接收；( c ) 多孔陶土杯只有在连续抽吸时方能采集到水样，如果中断则会 引起关键时刻( 如灌溉、降雨和施肥等) 渗滤液采集的失败；( d ) 陶土杯吸力影 响范围可达几米，可能干扰土壤水的自由下渗( j i n n oa n dh o n n a , 1 9 9 9 ) 。 ( 4 ) 多孔p v c 管 将下部桶壁钻小孔的p v c 管( 直径1 0 c m 左右) ，埋入土壤根际区以下，每 隔一定时间采集渗漏水样，测定其浓度( c a oe ta 1 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 6 b ) 该方法 只能测得浓度，无法得出土壤水的渗漏量。 ( 5 ) 离子交换树脂包s r c ( s o f t - r e s i n - c o r e ) 在原状土柱下放置阴离子交换树脂包，用来吸附土壤淋失的n 0 3 ，洗脱后 可测出原态条件下土壤氮素的状况( a l l a i r e - l e u n g , 2 0 0 1 ) 。缺点是离子交换树脂 的洗脱率难以达到1 0 0 ，且该方法也只能测得浓度，无法得出土壤水的渗漏量。 2 1 3 影响土壤氮素渗漏淋失的因素 土壤中的氮素发生渗漏淋失存在两个基本条件：( a ) 土壤中积累的易移动性 氮含量高( 主要为n 0 3 - n ) 。该条件既受土壤中氮的输入和输出的控制，又受土 壤中物理、化学和生物过程的控制。( b ) 水分运动存在。也就是说，氮的渗漏淋 失是在土壤中氮素含量较高和水分运移良好的条件下发生的，促进或阻碍这两 个条件之一的任何因素都会影响氮的淋失。 2 1 3 1 肥料的旖用 氮肥施用量的多少是决定氮素淋失的最主要因素( a r o n m o na n db e r g s t r o m , 2 0 0 1 ；j a l a l i ，2 0 0 5 ) 。研究表明氮的淋失量与施氮量呈显著的线性正相关( 李荣刚 等，2 0 0 1 ；d ep a za n dr a m o s ，2 0 0 2 ；毕经伟等，2 0 0 3 ；金洁和杨京平，2 0 0 4 ) 。同时， 氮素的淋失还受肥料种类、施肥时间、施肥方式等的影响。 我国南方地区水稻田因为早晚两季水稻的种植，需要施两次基肥，因此 n 0 3 - n 渗漏淋失量出现典型的双峰曲线消长( 王家玉等，1 9 9 6 ) 。g 缸d e n i i s 等 ( 2 0 0 5 ) 研究表明在每次灌溉后施肥比灌溉前施肥可减少潜在的n 0 3 - n 淋失量。 不同氮肥品种影响氮素在土壤中移动能力和淋洗潜力，施用以n 0 3 n 为主的氮 肥，氮素渗漏淋失的可能性更大。张福珠等( 1 9 8 4 ) 利用n 同位素示踪技术研 5 厦门大学硕： ：学位论文源头流域氮的来源迁移与转化 究发现，在施氮量相同的情况下，施硝铵的淋失量高于施尿素和硫铵。 有机肥过量施用也会引起n 0 3 n 的淋失。有机形态的氮是土壤中最大的氮 库，在一定的气候、生态和土壤环境条件下，这个库的库容相对稳定，但随着 有机肥的大量旌用，土壤有机质含量增加，土壤生物活性随之提高，有机质的 分解能力也随之增强。在有机质含量较高的土壤中，植物根系一般分布较浅， 因此难于利用淋失至下层土壤中的n 0 3 n 。如果有机质在矿化过程中，释放氮 素的最大时期与植物对该养分的最大吸收时间不一致，也会造成土壤溶液中 n 0 3 - n 的积累和淋失。研究表明有机肥与化肥配施会减少单施一种肥料淋失的 潜在风险( l ie ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 b a s s o 和r i t c h i e ( 2 0 0 5 ) 对密歇根州玉米苜蓿轮作体系分别施用无机氮肥、 动物粪肥以及不施肥状态下作物的产量和氮的渗漏淋失状况进行了比较。结果 发现最高n 0 3 n 渗漏淋失量和n 0 3 - n 淋失率均发生在施用动物粪肥的玉米轮作 体系和苜蓿玉米轮作体系；然后依次为施用复合肥、无机氮肥和不施肥的轮作 体系。杜春先等( 2 0 0 4 ) 采用室内土柱模拟土壤氮淋失方法研究旌用有机肥料 后土壤中n 0 3 - n 和n 0 2 n 的淋溶规律。结果表明有机肥施入相当长的时间内才 开始释放硝态氮，且随着施用量的增加，进入土壤中的硝态氮也增加。 6 第2 章国内外研究进展 m i e g r o e te t 美国无花果树4 5 0 ，3 年一次施下 非常大 以，1 9 9 4 p r u n t ya n d 1 9 9 2 美国 g r e e n l a n d , 1 9 9 6 1 9 9 7 b a k h s he t1 9 9 3 - a l ，2 0 0 0 1 9 9 8 d e p a z a n d r a m o s , 2 0 0 4 每年施1 5 0 ，施3 年 每年分三次施5 0 ，施3 年 第1 年施5 0 、第2 年施 1 5 0 、第3 年施2 5 0 土豆玉共施9 3 4 米轮作 美国，玉米 i o w a 玉米 玉米大 豆轮作 玉米大 豆轮作 大豆玉 米轮作 大豆玉 米轮作 西班牙。蔬菜 v a l e n c i a o e n e m a e t 荷兰 a 1 ，2 0 0 5 柑橘 蔬菜 柑橘 蔬菜 柑橘 蔬菜 柑橘 玉米饲料 共施6 2 8 尿素，1 3 5 一 液态猪粪，1 6 0 一 尿素，1 1 0 一 液态猪粪，1 3 6 一 尿素，1 1 0 一 液态猪粪，1 3 6 f 1 4 9 6 ( 基准值) 3 7 2 ( 基准值) 3 9 6 ( 减少2 幻 2 9 7 ( 减少2 分 2 4 8 ( 减少s o a ) 1 8 6 ( 减少5 0 ) 2 1 l ( 减少7 0 徇 1 1 2 ( 减少7 0 ) 减少l 每年都较大 较小，但产生的 经济效益不好 比较小，第3 年 稍大 5 1 9 4 7 8 1 7 2 6 一 1 4 2 0a - i 1 3a - i 2 0a - l 2 9 4 2 l o 2 2 7 ，减少2 3 1 5 5 ，减少2 6 1 3 8 ，减少5 3 7 4 ，减少6 5 9 9 ，减少6 6 4 3 ，减少8 0 减少0 0 8 7 厦门大学硕士学位论文源头流域氮的来源迁移与转化 m a e d ae l 1 9 9 4 2 0 0 1日本，甜玉米猪粪；第一年施 a ，2 0 0 3i b a r a k i 卷心菜入1 0 0 0 ，后6 年 轮作每年施入8 0 0 l e ea n d 2 0 0 1 6 2 0 0 2 5 j o s e , 2 0 0 5 铵肥或尿素；第 一年施入5 0 0 ，后 6 年每年施入4 0 0 无肥料施入 美国，棉白杨0 f l o r i d a 5 6 1 1 2 2 2 4 火炬松0 每年施5 6 一 每年施1 1 2a 1 每年施2 2 4 一 第4 年n 0 3 - n 浓度明显 升高，后期与施入铵肥和 尿素的试验地达到同一 水平 第2 年夏天n 0 3 - n 浓度 明显升高，在3 0 - 6 0 范围 内波动 前4 年n 0 3 - n 平均浓度 l o ，后降为5 年平均n 0 3 n 浓度0 5 年平均n 0 3 - n 浓度7 4 年平均n 0 3 - n 浓度1 4 1 年平均n 0 3 n 浓度3 7 7 年平均n 0 3 - n 浓度1 0 年平均n 0 3 - n 浓度l o 2 年平均n 0 3 - n 浓度3 0 3 年平均n 0 3 - n 浓度5 0 7 2 1 3 2 降雨量和灌溉 土壤中的水分含量达到饱和时，氮才会随水分向下迁移。随着降雨量的增 加，农田土壤硝态氮的淋洗损失量也随之增加。因而，通常情况下，氮素淋失 主要发生在雨季。很多研究也表明降雨是n 0 3 - n 淋失的主要决定因素之一 ( w a d d e ua n dw e i l ，2 0 0 6 ) 。 灌溉也是影响n 0 3 n 淋失的重要因素之一，其影响机制与降水类似，供水 的数量和分布对硝态氮的迁移都有重要影响。在灌溉后自然排水明显导致n 0 3 n 的淋失条件下，土壤中n 0 3 - n 的淋失量与灌溉水量呈显著正相关( w ue ta 1 ， 1 9 9 7 ) ，并且小水量多次灌溉方式比大水量少次灌溉会明显减少氮素的渗漏淋失 ( v i z ( 1 u e ze t 讲，2 0 0 6 ) 。 w a d d e l l 和w e i l ( 2 0 0 6 ) 在美国明尼苏达州( m i n n e s o t a ) 用砂壤栽培马铃薯 的试验表明，在施氮量2 2 5 蚝b a n 之的条件下，灌溉量为3 6 5f i l m 时，土壤氮素 的淋失量为11 4 7k gh m - 2 ；增加灌溉量至5 3 8m i l l 时，土壤氮素的淋失量增加到 第2 章国内外研究进展 1 6 2 3k gh m - 2 。罗时石等的研究表明，土壤中硝态氮很容易随灌水而下渗，灌 水量越多，下层土壤中硝态氮的浓度就越高。曹巧红和龚元石( 2 0 0 3 ) 研究了 降水对冬小麦农田水分渗漏和氮素淋失的影响( 土壤类型为粉砂质壤土) ，结果 表明降水量愈大，渗漏水量