儲櫟泉，焦涵薇，余 靖，張超杰，周雪飛，張亞雷

(同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

前 言

四川是紫色土分布最為集中的地區(qū)，紫色土由紫色砂巖或頁巖風(fēng)化而來，下伏透水性較弱的泥頁巖。在紫色土中，養(yǎng)分隨壤中流流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，土壤中的氮、磷、農(nóng)藥等物質(zhì)隨壤中流大量進(jìn)入附近水體，造成附近水環(huán)境惡化[1-2]。壤中流中氮素的流失，不僅影響了作物對農(nóng)藥化肥的利用，還導(dǎo)致了附近地表水體的富營養(yǎng)化以及地下水的硝酸鹽污染，更威脅到長江上游水的水質(zhì)[1]。

目前，關(guān)于壤中流養(yǎng)分流失方面已進(jìn)行了大量的研究，但國內(nèi)外的研究主要集中在壤中流的產(chǎn)生機制、輸出強度、以及降雨、植被覆蓋等對壤中流養(yǎng)分流失的影響上，關(guān)于壤中流養(yǎng)分流失的具體情況缺少深入的分析與討論[3-4]。

本文簡要綜述了四川紫色土壤中流產(chǎn)流情況、氮素隨壤中流的流失情況以及氮素流失的具體特征，并概述目前的研究所存在的問題以及未來的發(fā)展方向。以期闡明四川紫色土壤中流中氮流失的現(xiàn)狀，同時為后續(xù)污染的治理與控制以及該領(lǐng)域更深入的研究提供基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 壤中流養(yǎng)分流失

1.1 壤中流

壤中流是指在不同透水性的土壤層界面中的水流，包括水分的垂直下滲和水平側(cè)流，是徑流的一部分[5]。農(nóng)藥化肥的不合理使用，導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤中積累，過量養(yǎng)分隨降雨和灌溉產(chǎn)生的徑流大量流失。土壤養(yǎng)分隨徑流流失，不僅導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，還會造成一定的水體污染[6]。目前關(guān)于養(yǎng)分隨徑流流失的研究主要集中在地表徑流上，但在四川地區(qū)的紫色土中，壤中流中養(yǎng)分的流失不容忽視，有研究表明，在四川盆地紫色土地區(qū)，隨壤中流流失是氮流失的主要途徑[7]。

1.2 四川紫色土壤中流

四川盆地地區(qū)，土壤類型以紫色土為主。紫色土易風(fēng)化、抗蝕性差，孔隙度大，入滲能力強，下伏透水性較弱的泥頁巖,使得該地區(qū)壤中流產(chǎn)流量大[8-9]。且四川地區(qū)降雨時空分布不均勻，農(nóng)藥化肥使用不合理，養(yǎng)分隨隨壤中流流失十分嚴(yán)重[10]。

1.3 四川紫色土壤中流養(yǎng)分流失

壤中流的養(yǎng)分流失中氮、磷的流失占有很大比重，氮素的溶解性遠(yuǎn)大于磷素，且磷易與土壤中的礦物結(jié)合生成不溶物，因此總氮的流失遠(yuǎn)大于總磷的流失[4]。壤中流中氮素的流失形式有顆粒態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，但主要以硝態(tài)氮的形式流失[1, 11]。這是由于氮肥進(jìn)入土壤后，快速轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，而在紫色土旱地，硝化作用強烈，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮的本底含量低；另一方面，銨態(tài)氮帶正電，易被土壤中的負(fù)電荷所吸附[5, 8]。而硝態(tài)氮帶負(fù)電，不易被土壤中的負(fù)電荷所吸附，且硝態(tài)氮易溶于水，降雨后易進(jìn)入水體[1, 6]。

2 壤中流產(chǎn)流影響因素

2.1 降雨強度

降雨強度對壤中流的影響體現(xiàn)在兩個方面。一是對壤中流徑流量的影響，強降雨時壤中流徑流量小于弱降雨時壤中流的徑流量[12]。Van等[13]研究表明，弱降雨時，壤中流的產(chǎn)流量占總徑流產(chǎn)流量的80%。這是由于強降雨的雨滴對土壤表層產(chǎn)生較大的打擊與濺蝕，表土的孔隙被泥沙堵塞而導(dǎo)致表層結(jié)皮，水分下滲能力減弱，坡面徑流量增加而壤中流徑流量減少[5, 14]。二是對壤中流氮流失的影響。一方面，雨強增大，隨壤中流流失的總氮濃度減小，盧齊齊等通過不同雨強模擬實驗發(fā)現(xiàn)，雨強為1.0 mm/min、1.6 mm/min、3.0 mm/min時，200 mm處的壤中流總氮流失濃度分別為1.20 mg/L、1.18 mg/L、1.14 mg/L。另一方面，雨強的大小影響氮流失的形式。金桂梅等[15]研究表明，雨強較小時，氮素主要以硝態(tài)氮的形式流失，隨著雨強增大，沖刷作用加強，顆粒態(tài)氮流失量增加。

2.2 土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地

土壤表層結(jié)皮時，會堵塞水分向下運動的通道，使水分下滲能力減弱，不利于壤中流產(chǎn)流[12]。龍?zhí)煊宓萚16]研究發(fā)現(xiàn)，表土結(jié)皮時，降雨更多以地表徑流的形式流失，而壤中流的流量減少，但同時表土結(jié)皮使得水分入滲速率降低，土壤中硝態(tài)氮溶解時間加長，隨壤中流流失的氮濃度反而增加。

而礫石的存在有利于壤中流產(chǎn)流[17]。當(dāng)土壤中礫石含量增多時，土壤質(zhì)地疏松，水分入滲能力增強，壤中流的產(chǎn)流量增大[18]。Deng等[19]研究發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地粗糙時，水分滲透能力增強，土壤保水能力降低，壤中流產(chǎn)流量增大。張麗萍等[4]發(fā)現(xiàn)粗粒化坡面促進(jìn)了降水和土壤養(yǎng)分的入滲，壤中流產(chǎn)流量增大，隨壤中流流失的養(yǎng)分也隨之增多。

2.3 植被覆蓋率

在植被覆蓋率較大的地區(qū)，如森林區(qū)域內(nèi)，壤中流的產(chǎn)流量較大。一方面在森林流域內(nèi)，枯枝落葉的分解、植物的根系和動物的活動，使土壤質(zhì)地疏松，土壤透水能力增強；另一方面，大量植物根系消耗土壤水分，土壤水分分布不均勻，水分的傳導(dǎo)加快[12, 18]。但森林覆蓋率較大，壤中流產(chǎn)流量增大時，養(yǎng)分的流失卻隨之減弱。常龍飛等[5]研究發(fā)現(xiàn)，地表植被覆蓋減少時，氮素輸出濃度明顯增大。王榮嘉等[20]研究發(fā)現(xiàn)麻櫟林的壤中流總氮輸出濃度比荒草地低8.2%，這是因為植被覆蓋率大時，土壤中植物根系和枯枝落葉較多，吸收攔截了氮元素，從而減少了氮流失的濃度。

3 壤中流氮流失特征

3.1 氮素來源

壤中流中流失的氮素主要來源于農(nóng)業(yè)活動，農(nóng)藥化肥的過度使用，使土壤中氮素不斷累積，從而流入土壤水溶液中[6]。四川紫色土地區(qū)是農(nóng)業(yè)的主體區(qū)域，不合理的農(nóng)業(yè)耕作和過量化肥的使用，導(dǎo)致紫色土地區(qū)氮素隨壤中流流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重[9]。另外，農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖也使土壤中氮素含量增加[2]。四川地區(qū)嚴(yán)重的土壤侵蝕，也加劇了土壤表層氮等營養(yǎng)鹽的流失[2]。

3.2 氮流失特點

壤中流攜帶氮流失帶來的污染具有隨機性，土壤質(zhì)地、植被覆蓋、坡度、雨強等都對壤中流產(chǎn)流造成影響，土地利用類型、地形、地貌等也影響壤中流的產(chǎn)流[2, 18]。同時，壤中流養(yǎng)分流失帶來的污染具有時空性，汪濤等[1]研究發(fā)現(xiàn)，壤中流中硝態(tài)氮含量隨季節(jié)規(guī)律變化：前期硝態(tài)氮逐漸升高，而后期逐漸降低。該污染也具有一定的潛伏性，農(nóng)藥化肥中的氮素旱期在土壤中潛伏，雨季到來時才隨徑流流失[2]。

3.3 氮流失具體情況

3.3.1 濃度

壤中流中氮的流失濃度決定著氮的流失量，部分地區(qū)壤中流中氮流失情況如表1所示。研究結(jié)果顯示，四川盆地紫色土地區(qū)的氮流失較其他類型土壤更為嚴(yán)重，硝態(tài)氮的流失濃度多在20.00 mg/L以上，總氮的濃度略高于硝態(tài)氮。Wang等[7]2004～2006年對紫色土坡耕地壤中流進(jìn)行長期觀測，發(fā)現(xiàn)其壤中流中硝態(tài)氮的流失濃度均值為21.70±2.10 mg/L。崔元文[8]的研究表明，四川紫色土丘陵區(qū)土地在在各種耕作方式下，隨壤中流流失的硝態(tài)氮濃度均在30.00 mg/L以上?；实拇罅渴褂脮觿∪乐辛髦械牧魇Аang等[22]研究發(fā)現(xiàn)西南紫色土丘陵地區(qū)在施用氮肥的情況下，其壤中流中總氮和硝態(tài)氮的流失濃度分別為29.00 mg/L、25.30 mg/L，而施用礦物肥料和禽畜糞便時，總氮和硝態(tài)氮的流失濃度僅為7.50 mg/L、7.20 mg/L。姜世偉等[24]研究三峽庫區(qū)消落帶紫色土坡耕地發(fā)現(xiàn)，施肥處理時，壤中流的總氮和硝態(tài)氮流失濃度分別為20.73±2.05 mg/L、16.81±1.90 mg/L，是減量施肥處理時的2倍以及不施肥處理時的5倍。雨季的到來也會加劇壤中流中氮的流失。劉泉等[23]研究發(fā)現(xiàn)川中紫色土丘陵區(qū)5月份壤中流總氮和硝態(tài)氮流失濃度分別為2.77 mg/L、2.03 mg/L，而在雨季到來后，氮素出現(xiàn)大負(fù)荷流失，6月份其總氮和硝態(tài)氮流失濃度分別達(dá)到31.21 mg/L、27.28 mg/L。

表1 壤中流氮流失情況Tab.1 Nitrogen loss from soil interflow

3.3.2 隨土壤深度變化規(guī)律

壤中流中氮流失濃度隨土壤深度變化而變化，隨著土壤深度的增加，壤中流氮流失濃度有增大的趨勢。鄭海金等[28]觀測紅壤坡地30 cm、60 cm、105 cm處壤中流發(fā)現(xiàn)，在105 cm處壤中流氮的流失量占總流失量的71%以上。盧齊齊等[10]研究紫色土表明100 mm、200 mm、300 mm處壤中流中的總氮流失濃度呈增大趨勢，當(dāng)坡度為4°，雨強為1.0 mm/min時，100 mm、200 mm、300 mm處壤中流的總氮流失濃度分別為1.11 mg/L、1.20 mg/L、1.27 mg/L。褚利平等[27]研究烤煙坡耕地壤中流發(fā)現(xiàn)，壤中流中總氮流失濃度的平均值在坡中部和坡下部分別為4.90 mg/L、6.64 mg/L。造成該種現(xiàn)象的原因可能是氮素在不同深度土層中的基礎(chǔ)含量不同，在土壤淺層，植物根系和枯枝落葉會吸收部分氮素，從而減少其在土壤中的含量，因此氮素在淺層土壤隨壤中流的流失量低于在深層土壤的流失量[20, 27]。

3.3.3 隨降雨時間變化規(guī)律

壤中流中硝態(tài)氮的濃度隨降雨的延續(xù)而不斷變化，研究發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律主要有以下兩種。第一種是在壤中流產(chǎn)生初期，硝態(tài)氮濃度迅速上升，之后維持在較高的水平。Wang等[7]研究紫色土地區(qū)，發(fā)現(xiàn)壤中流剛產(chǎn)流時，硝態(tài)氮濃度從10.00 mg/L左右上升到46.00 mg/L左右，之后維持在45.00 mg/L左右。這主要是因為壤中流產(chǎn)流前期，旱季積累的氮素開始溶解，使壤中流的硝態(tài)氮濃度迅速升高，之后氮素不斷溶解，流失量維持在較高的水平[5]。第二種是壤中流產(chǎn)生初期，硝態(tài)氮濃度迅速上升，但之后逐漸下降。龍?zhí)煊宓萚16]發(fā)現(xiàn)紫色土坡耕地壤中流剛產(chǎn)流時，硝態(tài)氮濃度從30.00 mg/L左右迅速上升到120.00 mg/L以上，之后又逐漸下降到40.00 mg/L左右并趨于穩(wěn)定。這可能是因為土壤中硝態(tài)氮的本底值較低，前期迅速溶解，之后逐漸被稀釋，最后的濃度將維持在較低的水平。

3.4 危害

四川紫色土地區(qū)硝態(tài)氮隨壤中流流失，造成了附近地表水體的富營養(yǎng)化、地下水的硝酸鹽污染，同時也影響到了長江上游水的水質(zhì)[1]。Wang等[7]觀察發(fā)現(xiàn)，四川盆地紫色土附近的地表水和潛水井中，硝酸鹽的濃度都很高，且停留了很長時間。地表水體富營養(yǎng)化，不僅會損害水生生態(tài)系統(tǒng)，最終也會威脅到人類健康[7]。地下水的硝酸鹽污染，由于其深埋地下且交替緩慢，凈化及其困難[11]。而長江上游是重要的水源地，人類大量飲用硝酸鹽超標(biāo)的水，會損害機體健康甚至致癌[11]。

4 問題及展望

4.1 壤中流的研究方法

目前國內(nèi)外關(guān)于壤中流及其養(yǎng)分流失的研究多基于實驗室模擬、室內(nèi)人工降雨、數(shù)學(xué)建模等，長期野外實地監(jiān)測的研究較少。這主要是由于原位監(jiān)測難于控制、人力財力花費較大，但實地監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)自然條件下的真實情況，也有利于實際應(yīng)用[19]。如鄭海金等[28]采用野外大型水分滲漏實驗裝置，進(jìn)行長達(dá)一年的原位野外觀測，對不同土地利用類型中地表徑流和壤中流的氮素流失進(jìn)行研究，為當(dāng)?shù)厮亮魇Ш娃r(nóng)業(yè)面源污染防治提供了科學(xué)的依據(jù)。另外，壤中流的產(chǎn)流及其攜帶養(yǎng)分流失受多因子的影響，如土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地、土地利用類型、坡度等，但目前的研究大多只綜合考慮了1～2個因素，多因子共同作用的定性、定量研究仍需加強[18]。

4.2 壤中流硝酸鹽污染控制

壤中流的產(chǎn)流以及養(yǎng)分的流失受多方面因素的影響，隨機性大，控制較為困難[10]。目前主要控制措施如表2所示。

表2 壤中流養(yǎng)分流失控制措施Tab.2 Control measures of nutrient loss in soil interflow

以上措施主要是在養(yǎng)分流失產(chǎn)生源頭和徑流過程進(jìn)行控制，且其對地表徑流的削減作用更為明顯[7]。而四川紫色土地區(qū)壤中流中氮的流失較地表徑流更為嚴(yán)重，未來要加強對壤中流產(chǎn)流的研究。同時，要對目前已經(jīng)造成的污染進(jìn)行治理，及時削減其對地表水、地下水以及長江上游水的影響。

5 結(jié) 論

四川紫色土地區(qū)，氮素隨壤中流流失嚴(yán)重，且主要以硝態(tài)氮的形式流失。壤中流攜帶氮流失受到降雨強度、土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地和植被覆蓋率等多種因素的影響，其流失濃度也隨土壤深度和降雨時間而變化。未來的研究應(yīng)綜合考慮各影響因素，進(jìn)行原位的觀測，反應(yīng)實際情況下壤中流的產(chǎn)流及氮流失特征。同時，由于氮流失可能導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽污染問題，在防止其流失的同時應(yīng)及時對已產(chǎn)流的采取控制措施，削減污染，從源頭和傳播途徑兩個方面聯(lián)合控制紫色土地區(qū)氮隨壤中流流失問題。