侵蚀条件下土壤氮素流失对土壤和环境的影响.doc

文章编号：1008-181X（2000）03-0249-04侵蚀条件下土壤氮素流失对土壤和环境的影响张兴昌，邵明安（黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100）摘要：土壤侵蚀严重地影响土壤物理和化学性质，限制了作物生产；它对作物生产具有长期和短期效应，短期效应通过施肥和培肥土壤等措施可得到恢复，而长期效应在较短时间内很难得到弥补。土壤氮素随径流流失不仅造成土壤肥力退化，而且对人类生存的自然环境造成危害。关键词：水蚀；氮素流失；土壤理化性质；环境影响中图分类号：S157；X144 文献标识码：AThe Impacts of Soil Nitrogen Loss on Soil Properties and Environments under Soil Erosion ConditionsZHANG Xing-chang, SHAO Ming-an ( State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryfarming on Loess Plateau, Yangling, Shaanxi 712100, China )Abstract: Soil erosion seriously influences soil physical and chemical properties, and further limits crop production. Its impact on soil properties includes the long-term and the short-term effects. Soil erosion and nutrient loss directly result in soil fertility degeneration, and also seriously threaten the natural environment.Key words: water erosion; nitrogen loss; soil properties; environmental effect水土流失和养分利用率低既导致营养元素经济效益下降，也对环境产生不良影响。地下和河流水体硝态氮的污染、蔬菜中硝态氮的累积、地面水的富营养化和温室效应气体氮氧化物的产生，已经并将继续危害人类的生存和健康。土壤侵蚀不仅使肥力较高的表层土壤流失，而且造成坡面土壤的严重退化。大量投入氮肥是提高坡耕地作物生产力的重要手段，在一定程度上，有力地促进农业生产的发展，但也带来诸多弊端，经济效益下降，利用率低。土壤侵蚀对土壤和环境质量的影响已愈来愈引起人们的关注。1 土壤侵蚀对土壤生产力和氮素流失的影响 土壤侵蚀对土壤生产力的影响是通过长期效应和短期效应反映出来。短期效应表现在土壤养分随径流的流失；而长期效应则表现为土壤物理及化学性质的退化，如土壤厚度减少、土壤体积质量增加、土壤持水能力和入渗能力下降等1。土壤水蚀对土壤生产力的影响可以概括为：（1）植物营养元素流失；（2）土壤蓄水能力下降；（3）土壤结构退化；（4）表层土壤结皮的形成，加剧土壤侵蚀；（5）坡面上部养分在坡面下部的沉积等。土壤侵蚀的短期效应可以通过增施有机肥和化肥、应用节水灌溉技术、合理安排轮作等途径来弥补；而长期效应对土壤物理化学性状造成无法弥补的损失24。1.1 土壤侵蚀对土壤物理性质的影响Becher5和Battiston6的研究表明：在侵蚀条件下，玉米产量下降的原因在于土壤有效持水能力的下降。Frye等3的研究认为，与非侵蚀土壤相比，侵蚀土壤表层具有较高的土壤体积质量。Langdale等7发现，由于土壤侵蚀，作物根系活动受阻，严重地影响作物对土壤养分和水分的利用。Lal8，9在对一些热带土壤进行研究时，发现土壤侵蚀能够增加表层土壤砾石的含量，影响表层土壤的持水能力；随侵蚀强度的增加，3 h后，土壤水的入渗能力和土壤水势急剧下降；进一步的研究揭示，造成土壤水入渗能力减弱的主要原因在于土壤结构破坏，并基于此观点提出了“土壤侵蚀率”概念。土壤侵蚀率=（粉粒+粘粒）/（砾石+沙粒）。侵蚀严重的土壤的“侵蚀率”高于侵蚀强度弱的土壤。利用土壤颗粒组成的比例来反映土壤侵蚀强度，为土壤侵蚀监测与分区提供了行之有效的方法。暴雨是土壤侵蚀产生的主要外部因素。在暴表1 杏子河流域黑垆土、黄绵土有机质与氮素状况24土壤类型样品数/个土壤有机质/(gkg-1)土壤全氮/(gkg-1)土壤氮矿化势*/(mgkg-1)黑垆土512.10.781148黄绵土(上游)266.40.541黄绵土(中游)306.20.56191黄绵土(下游)354.80.343淤土37.60.630159 *作者在杏子河流域实测雨雨滴打击下，土壤结皮的形成严重影响降雨入渗和产流。McIntyre17将土壤表层结皮形成的原因归结于：（1）雨滴直接打击地表，造成土壤团粒结构的破坏；（2）雨滴击碎溅起的细土粒在土壤空隙中沉积，堵塞表层土壤空隙；（3）雨滴冲击力对地表的机械压实作用和剪切作用，使地表形成一结皮，更加阻碍和限制土壤水分的入渗。McIntyre17进一步研究土壤结皮微结构，发现土壤结皮是由两部分组成：0.1 mm厚的致密层，是由雨滴直接打击形成的；0.5 mm厚的结皮层，其空隙度小，是由土壤细颗粒沉积形成。随后Agassi等15，16对McIntyre的结皮形成理论进行修正补充，认为土壤结皮的形成主要是由两个相互作用的机理导致的：（1）雨滴打击地表，导致土壤表层团粒结构物理性破坏；（2）化学分散作用，主要由土壤钠离子交换量（ESP）和雨水电解质浓度决定。当雨水电解质浓度较大时，化学分散作用就会极大地受到阻碍，永久结皮形成主要由物理机理决定。基于此理论，Warrington等14在研究结皮形成时，发现在表土上施用磷石膏可以防止土壤结皮的形成，且当降雨发生时，磷石膏会很快溶解，增加雨水中电解质的浓度，防止土壤粘粒的分散而阻碍土壤空隙。他们的研究结果还表明，磷石膏的作用可以增加降水入渗，降低径流深50%以上，在缓坡面上可减少土壤侵蚀60%以上。Kazman等（1982）发现在CaCO3质量分数高达16.3%的石灰性土壤上施用磷石膏，能增加降水入渗和减少土壤侵蚀50%以上。Miller13、Shainberg10、Du Plessis11和Gal12等的研究得出了类似的结论。磷石膏是磷矿化工业的一种副产品，生产量大而对环境无污染，长期未能得到有效利用，若将其施入土壤，对防止土壤结皮的形成，增加降水入渗和减少产流，无疑具有重要意义；该项研究已成为国际水土保持研究的热点。从目前的文献资料来看，土壤侵蚀对土壤物理性质的影响方面的研究，主要集中在对土壤体积质量、土壤水势、土壤颗粒组成、土壤结皮的形成等方面，很少有人来评价土壤侵蚀对土壤水的传导和土壤结构稳定性的影响。1.2 土壤侵蚀对土壤化学性质的影响Frye18认为土壤侵蚀对土壤化学性质的影响表现为三种形式：（1）土壤有机质流失；（2）土壤矿质元素流失；（3）具有低肥力或高酸度的底土裸露。由于土壤侵蚀强度和土壤类型不同，土壤侵蚀对土壤化学性质影响程度也不同。Bramble4报道，土壤有机质质量分数与土壤侵蚀密切相关，提高土壤有机质质量分数是防止土壤流失最为重要的手段之一。Dormaar19报道，为了防止土壤N素流失，应对氮肥用量进行限制，规定在mollisols土壤上每公顷最高施N量不能超过15 kg。Gumbs20报道，在ultisol土壤上，种作物小区的径流中无机氮素的流失均小于不种作物小区，其无机氮素流失量分别为0.1 kg/hm2和1.6 kg/hm2。Barrows21和Honontiaux22的研究发现，径流液中有较多的有机质，而且这种有机质矿化速率均高于泥沙中的有机质。土壤侵蚀对土壤化学性质的影响，不仅会导致土壤有效养分的流失，更严重的是加速土壤肥力的退化。土壤养分退化是土壤肥力退化的主要表现形式；土壤养分退化包括养分的有效性退化、数量性退化和生物消耗性退化。土壤侵蚀对土壤养分退化的影响仅限于对土壤养分有效性和数量的减少。据对黄河流域支流杏子河流域考察，由于严重的水土流失，地带性黑垆土的面积逐渐萎缩，其所形成的幼年性黄绵土已成为该地区主要耕作土壤，这一事实清楚地表明，土壤侵蚀促使了黑垆土向黄绵土演化23。黄绵土与黑垆土氮素肥力存在明显差异（表1）。史衍玺25的研究发现，人为开垦林地后，土壤侵蚀强度加剧。在人为加速侵蚀的影响下，有机质质量分数与开垦年限间呈幂函数关系；林地开垦20 a后，土壤有机质和速效氮质量分数下降到受侵蚀的黄绵土的水平。此外，土壤阳粒子代换量也急剧减少，土壤保肥能力显著降低。综上所述，土壤侵蚀影响土壤诸多化学性质。土壤有机质的流失会造成土壤肥力退化。有机质与土壤团粒结构及矿质离子吸附有关，土壤有机质减少会反过来加速土壤侵蚀。通过增加土壤有机质质量分数来达到控制土壤流失的目的，已成为目前水土保持与土壤侵蚀学研究的焦点。1.3 土壤侵蚀对作物生产的影响 作物生产受许多因素的影响，很难直接区分和评价土壤侵蚀对作物生产的影响。土壤侵蚀对作物生产影响的研究，多集中在土壤物理退化方面。研究表明，在作物播种期，土壤侵蚀导致土壤结皮的形成，阻碍种子萌发，推迟出苗期26。Mokma27的研究结果证实，由于加速侵蚀，在玉米生长后期，土壤有效水储量及土壤氮素供应严重不足，玉米成熟期提前，产量下降。Lal9的研究表明，玉米籽粒和茎叶N、P的质量分数随土壤侵蚀厚度的增加而呈显著下降的趋势，而Mn的质量分数呈上升趋势。当土壤侵蚀厚度为10 cm和20 cm时，玉米高度分别降低2.4 cm和3.0 cm，产量依次减少为90、130 kg/hm2。一些研究28-30结果表明，在美国，19501980年的30 a间，由于土壤侵蚀，玉米生产严重受到限制；几乎在所有情况下，土壤侵蚀对作物生产的影响具有不可弥补的作用。Becher31报道，土壤侵蚀减少了土壤熟化层的厚度，限制了作物对土壤有效水的利用，侵蚀小区的产量减少了20%40%。Battison32的研究也得到类似结论，侵蚀严重的小区产量下降了16%80%。侵蚀土壤持水能力下降与有效养分亏缺的双重作用，严重限制了作物生产。2 土壤氮素流失对环境的影响在降雨侵蚀过程中，土壤N素迁移的途径为：（1）硝态氮的淋溶；（2）氮素特别是有机态氮随径流在坡面下部的沉积；（3）无机态氮和有机态氮随径流液和泥沙流出坡面，一部分土壤氮素特别是有机态氮随泥沙在河道淤积，一部分随洪水流出产流流域。土壤氮素流失对环境的污染是一种非点源污染，对环境污染的途径有二，一是流失的土壤氮素特别是硝态氮对河流和地下水的污染；二是富集在水体和土壤中的氮素的反硝化过程所产生的氮氧化物对大气的污染。硝态氮是地下水的重要污染物。Stevenson33报道，美国淋失的氮素为21063.72106 t/a。Legg 等34估计，淋失的氮素占施氮量的0%50%；淋失的多少主要取决于土壤硝态氮的质量分数、水分质量分数、根系深度、水分输入量和水分动态类型。Legg等34认为，土壤氮素特别是硝态氮淋失发生的两个先决条件是：（1）土壤中的硝态氮质量分数高；（2）有足够下渗的水将硝态氮淋失到根区以下。在湿润和半湿润地区，硝态氮通常在心土层积累，进而逐渐淋失到地下水层；在干旱地区，虽然短时的降雨不会将硝态氮淋失到作物不能利用的深度，但因长期的积累效应，也往往会使硝态氮下渗到地下水层。在侵蚀严重的地区，除硝态氮在土壤深层淋失外，土壤硝态氮的径流损失是土壤氮素流失的另一重要途径。据估计33，从全球陆地通过河流进入到海洋中的氮素为1.9107 t/a，占输入到海洋中总氮量的1/4。输入到地下水层和滞留在河流、湖泊和海洋水体中的硝态氮，严重危害人类的健康。人体摄入硝态氮后，血液中高铁血红蛋白增高，限制了氧气的运载，而且可生成致癌的N-亚硝酸胺和次生胺物质35；尤其当缺乏维生素C之类抑制剂时，它在人体内可诱导致变、致畸物质。为此，美国环保组织规定了人畜饮水中的硝态氮浓度不能超过10 mg/L36。水体中高含量的氮素也往往造成藻类和水生植物的大量繁殖，水中氧气的耗竭及水体透明度的降低。这些不良效果会影响鱼类的生存。反硝化发生的先决条件是：足够的能源供应、水和氧气的供应、合适的pH和温度保证。一般情况下，河道土壤反硝化能力较强。这是因为，（1）河道土壤有机质质量分数较高；（2）土壤长期处在嫌气条件环境中；（3）适中的土壤pH值。根据有关评论37, 38，硝化作用是产生NO、NO2、N2O的主要渠道，富集于水体的氮素和侵蚀形成的淤土，由于硝化和反硝化作用，向大气层释放NO、NO2、N2O等气体。Byrnes38认为大气层中90%的N2O来自陆地硝化和反硝化过程。硝化和反硝化所形成的氮氧化物不仅是大气臭氧层的消耗者，也是温室效应最重要的气体之一。径流是土壤氮素流失的载体，由于氮素在水体和土壤的富集，为硝化和反硝化作用提供了较为充足能源和反应底物。令人遗憾的是，迄今为止，尚未准确地估计全球土壤和水体中氮氧化物产生量和产生机理，也更不可能确切地评价土壤氮素流失对水体和大气环境造成的危害。参考文献：1 CHARLES K K. Effect of soil erosion on soil properties and crop response in central Kenya D. Stockholm: Swedish University of Agricultural Sciences, 1995.2 ENGELSTAD O P, SHRADER W D, DUMENIL L C. The effects of surface soil thickness on corn yields: as determined by a series of field experiments in farmer operation J. Soil Sci Soc Am Proce, 1961, 25:494-497.3 FRYE W W, EBELHAR S A, MURDOCK L W, et al. Soil erosion effects on properties and productivity of two Kentucky soils J. Soil Sci Soc Am J, 1985, 46:1051-1055.4 BRAMBLE B M, FOSBERG M A, WALKER D J, et al. Changes in soil productivity related to changing topsoil depths on two Idaha Palouse soils A. In: Erosion and Soil Productivity C. Michigan, USA: ASAE Public, 1985. 18-27.5 Becher H H, Schwertmann U, Sturner H. Crop yield reduction due to reduced plant available water caused by water erosion A. In: EL-SWAIFY S A, MOLDENHAUER W C, LO A, eds. Soil Erosion and Conservation C. Ankeny, Iowa: SCSA, 1985. 365-375.6 BATTISTON L A, MILLER M H, SHELTON I J. Soil erosion and crop yield in Ontario: field evaluation J. Can J Soil Sci, 1987, 67:731-745.7 LANGDALE G W, BOX J E, LEONARD R A, et al. Corn yield reduction on eroded Southern Piedmont soils J. J Soil and Water Conservation, 1979, 34:225-2288 LAL R. Soil erosion problem on alfisoil in Western Nigeria: effects of erosion on experimental plots J. Geoderma, 1981, 25:215-230.9 LAL R. Soil erosion and its relation to productivity in tropical soils A. In: El-Swaify S A， Moldenhauer W C, Lo A, eds. Soil Erosion and Conservation C. Ankeny, Iowa: SCSA, 1985. 237-247.10 SHAINBERG I. Effect of low electron concentration on clay disperision and hydraulic conductivity of a sodic soil J. Soil Sci Soc Am J, 1981, 45:273-277.11 DU PLESSIS H M, SHAINBERG I. Effect of the exchangeable sodium and phospgogypsum on the hydraulic properties of several South African Soils J. S Afr J Plant and Soil, 1985, 2:179-185.12 Gal M. Effect of exchangeable sodium and phosphogypsum on crust structure-scanning electron microscope observations J. Soil Sci Soc Am J, 1984, 48:872-878.13 MILLER W P. Infiltration and soil loss of tree gypsum-amended ultisls under simulated rainfall J. Soil Sci Soc Am J, 1987, 51:1314-1320.14 WARRINGTON D, SHAIBERG I, AGASSI M, et al. Slop and phosphogypsums effects on runoff and erosion J. Soil Sci Soc Am J, 1989, 53:1201-1205.15 AGASSI M, SHAINBERG I, MORIN J. Effect of electrolyte concentration and soil sodicity on the infiltration rate and crust formation J. Soil Sci Soc Am J, 1981, 45:848-851.16 AGASSI M, MORIN J, SHAINBERG I. Effect of drop impact energy and water salinity rate of sodic soils J. Soil Sci Soc Am J, 1985, 49:186-189.17 MCINTYRE D S. Soil splash and formation of surface crust by raindrop impact J. Soil Sci 1958, 85:261-266.18 FRYE W W. BENNETT O L. BUNTLEY G J. Restoration of crop productivity on eroded or degraded soil A. In: FOLLET R F, STEWARD B A, eds. Soil Erosion and Crop Productivity C. Madison, Wisconsin, USA: ASA, 1985, 339-354.19 DORMAAR J F. LINDWALL C W. Restoring productivity to an eroded dark brown Chernozemic soil under dryland conditions A. In: Erosion and Soil Productivity. Michigan, USA: ASAE Public, 1985. 182-192.20 GUMBS F A, LINDSAY J I, NASIR M, et al. Soil erosion studies in the northern mountain range, Trinidad, under different crop and soil management A. In: EL-SWAIFY S A, MOLDENHAUER W C, LO A, eds. Soil Erosion and Conservation C. Ankeny, Iowa: SCSA, 1985. 90-98.21 BARROWS H L, KILLER V J. Plant losses from soils by water erosion J. Adv Agron, 1963, 15:303-315.22 HONOTIAUX G. Runoff erosion and nutrient losses on loess soils in Belgium A. In: DE BOODT M, GABRIELS D, eds. Assessment of Erosion C. New York: John Willey and Sons Chichester, 1980. 369-377.23 李鼎新. 水土流失造成的土壤肥力退化及其逆转途径 J. 水土保持通报, 1988, 8(3):46-54.24 李鼎新. 土壤肥力资源 A. 见: 黄土高原杏子河流域自然资源与水土保持 C. 西安: 陕西科学技术出版社, 1986. 195-212.25 史衍玺. 林地开垦加速土壤侵蚀下土壤养分退化的研究 J. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1996, 2(4):25-33.26 PETTRY D E, WOOD C W, SOILEAU J M. Effects of topsoil thickness and horizonation of virgin coastal plain soil on soybean yield A. In: Erosion and Soil Productivity C. Michigan, USA: ASAE Public, 1985. 66-74.27 MAKMA D L, SIETZ M A. Effects of soil erosion on corn yields on Marlette soils in south-central Michigan J. J Soil Water Conserv, 1992, 47:325-327.28 Langdale G W, Box J E, Leonard R A, et al. Corns yield reduction on eroded Southern Piedmonts soil J. J Soil and Water Conserv, 1979, 34:226-22829 PIERCE F J, PAUL D J, DAVID W. A framework for analyzing the productivity costs of soil erosion in the United States A. In: FOLLET R F, STEWARD B A, eds. Soil Erosion and Crop Productivity C. Madison, Wisconsin, USA: ASA, 1985. 482-505.30 SCHERTZ D L, MOLDENHAUER, FRANZMEIER D P, et al. Field evaluation of the effect of soil on crop productivity A. In: Erosion and Soil Productivity C. Michigan, USA: ASAE Public, 1985. 9-17.31 BECHER H H, SCHWERTMANN U, STUR