传统农业区土地利用对土壤氮素季节动态变化的影响研

1、齐 鑫等：传统农业区土地利用对土壤氮素季节动态变化的影响：以官厅水库上游延庆盆地为例 567传统农业区土地利用对土壤氮素季节动态变化的影响以官厅水库上游延庆盆地为例齐 鑫，陈利顶*，李 琪，马 岩，张心昱中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085摘要：土地利用对土壤养分时空动态变化的影响，不仅影响到土壤中养分元素的利用效率，同时会影响到养分流失的危险性和区域非点源污染的形成。本文通过野外采样分析，按照不同时期对官厅水库上游延庆盆地内的玉米地、蔬菜地、果园、其他经济类用地的土壤全氮含量进行了测定；分析了不同农业用地影响下土壤氮素的季节动态变化特征和土壤垂直剖面变

2、化。结果发现：(1) 040 cm是玉米地养分活跃层；蔬菜地的养分含量在010 cm土层变化最剧烈；果园整个剖面上养分变化均较剧烈；其它经济用地在2540 cm土层养分变化较大；(2) 果园和蔬菜地是研究区内养分活动最活跃的土地利用方式，蔬菜地的表层养分流失风险性最高，对于地表水和地下水具有很高的潜在影响；果园在整个剖面上养分变化较大，其发生养分的淋溶流失的风险性最高；玉米和其他经济用地养分变化不大。研究结果建议，传统农业区在开展农业结构调整时，尤其是将传统的农作物种植改为蔬菜地和果园时，必须加强对农田生态系统研究，实施严格的科学管理，提高养分的利用效率，降低对环境的影响。关键词：农业用地类型

3、；土壤氮素；养分流失；非点源污染中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）02-0564-05随着人口增长和土地资源的流失，人地关系日趋紧张。如何利用有限的耕地资源来养活不断增长的人类粮食需求，成为目前各国科学家关注的焦点问题。为了提高粮食的单产，增加农田化肥使用量正成为提高粮食产量一个必不可少的手段。然而，化肥的使用一方面可以有效地提高粮食作物的产量，同时会带来较多的区域环境问题，如土壤养分的过度积累、水体富营养和非点源污染等。引起水体富营养化的主要因子是陆地生态系统中氮和磷的过度使用引起的流失，尤其是传统农业地区化肥的大量是使用导致的农业非点源污染更是全

4、球关注的焦点。目前在我国农业发展中，农药化肥的使用越来越多，由于施肥不当和过度施肥带来的非点源污染问题也越来越明显1-4。但是研究发现化肥的利用效率很低，一般土壤中的氮肥仅有约30%35%的被有效利用5，有很大一部分氮肥施入土壤后并没有被作物吸收，而是滞留在土壤中，或是在降雨和灌溉作用下，随着地表径流流失，或者随着地下径流下渗进入地下水，从而对水环境造成巨大的影响。研究土壤氮素的季节动态变化特征可以充分了解作物对养分吸收利用的动态，为及时掌握土壤中养分的盈亏平衡，为科学地管理养分使用，降低养分流失的潜在危险具有重要的科学意义6；其次，研究土壤养分的垂直剖面动态，可以为分析土壤氮素垂直迁移以及流

5、失进入地下水体的危险性6-12。本文以官厅水库上游的延庆盆地作为典型研究区，重点研究不同土地利用方式对土壤氮素季节和垂直剖面动态变化的影响，旨在为农田土壤养分的科学管理，降低区域环境污染风险提供科学依据。1 研究地区和研究方法1.1 研究区概况研究地区位于妫水河下游的北京市延庆县境内，延庆县南、北、东三面环山，西面为官厅水库，形成典型的山间盆地。整个延庆地区海拔在4502241 m之间，是黄淮海平原到内蒙古高原的过渡带。该区域属大陆性季风气候，是暖温带与中温带、半干旱与半湿润的过渡地区，气候四季分明，年平均气温8.5 ，无霜期150160 d，年平均降水量442 mm左右。图1显示了研究地区2

6、004年降雨量的季节分布特征。延庆盆地发育有妫水河，妫水河属永定河系支流，发源于延庆县东部山区，沿盆地中部自东北向西南流入官厅水库。延庆盆地，地势平坦，一般海拔在450650 m之间。在地貌上，主要为分布在山前的洪冲积扇、位于河流主干道两侧的冲积平原和靠近水库岸边的低洼湿地和湖滨平原。土壤类型主要为褐土、棕壤，是流域内主要的农作物种植区，种植的作物以玉米、蔬菜和果树为主，经济作物主要有大豆和苜蓿。研究地区自然植被分布较少。图1 2004年降雨量的季节分布特征Fig. 1 Seasonal change of rainfall in 2004 in the study area1.2 土壤采样与

7、分析根据研究地区不同土地利用类型，参考区域地貌特征和农田管理措施，共在研究区布置了43个土壤采样点，利用GPS定位，分别于2004年4月播种前、6月、8月生长期、10月收割后进行了定点采样。每个样点从地表开始向下，按010 cm、1025 cm、2540 cm、4070 cm和70100 cm分五层采取土壤样品，每个样点每次随机取5点土样进行混合。取回的土样在室内经过自然风干、研磨、过筛后备用。土壤的全氮测定采用过60目（0.28 mm）筛，H2SO4消煮的半微量开氏法13测定。2 结果分析与讨论2.1 结果分析2.1.1 不同土地利用类型对土壤全氮分布特征的影响根据不同作物类型，可以将所有样

8、点分为四类，即玉米、果园、蔬菜和其它经济类用地（主要包括黄豆和苜蓿）。图2a是4月份未农田耕作前土壤全氮的含量，可以看出，蔬菜地的全氮含量在各个层面上都要高于其他几种用地类型，这是因为蔬菜地的施肥量要远大于其他几种用地类型，因此土壤中氮素的积累和残留为最高。果园的全氮含量在表层(010 cm)要高于玉米地和其他经济用地，但随着剖面向下，迅速降低，在10100 cm土层均低于其它几种用地类型。这是因为果园多分布于山前洪冲积扇地区，土质疏松，且多砂石，土壤中的养分元素容易流失，不易富集，因此导致在土壤的下层全氮含量要小于其它几种用地类型。但在表层由于受到耕作和施肥的影响，土壤全氮含量与玉米地相差不

9、大。图2b显示了6月份作物生长期不同用地类型的土壤全氮含量，可以看出，蔬菜地的全氮含量在表层仍然要远远高于其他几种用地类型，并且高于4月份蔬菜用地的全氮含量；但是在10100 cm土层，已经同其他几种用地类型比较接近，而且都要低于4月份的全氮含量。其他几种用地类型的土壤全氮含量在剖面上均高于4月份时的含量，随着该地区暴雨季节来临，对于妫水河以及官厅水库都是潜在的威胁。图2 不同农业用地土壤全氮在不同时期的含量变化Fig. 2 Seasonal changes of nitrogen content in soil profile under different agricultural lan

10、d uses图2c是8月份作物生长期不同农业用地的土壤全氮含量。与6月份相比，蔬菜用地的全氮含量在表层有明显下降，这一时期是研究地区的雨季，作物吸收、地表径流、土壤侵蚀和淋溶作用是其全氮含量下降的主要原因。果园的全氮含量在040 cm土层已经接近于蔬菜地的全氮含量，但在025 cm和70100 cm土层，果园土壤的全氮含量比6月份有大幅度下降，这一时期是果园对养分利用最高的季节，但受降雨条件影响，也是其土壤氮素流失最高的时期。图2d是10月份生长季结束后不同农业用的土壤全氮含量变化图，在整个剖面上，蔬菜地的全氮含量都要高于其他几种用地类型。2.1.2 不同用地类型土壤全氮季节动态变化特征图3a

11、显示了玉米地不同层次土壤全氮含量季节动态变化。可以看出，表层010 cm、1025 cm和2540 cm是土壤养分变化活跃的层次，6月份土壤全氮含量达到了最高。土壤的底层养分含量较低，变化较小。图3b是蔬菜地不同层次土壤全氮含量季节动态变化特征。可以看出表层010 cm是其养分变化最剧烈的层次，1025 cm土壤层土壤全氮含量变化很小，几乎没有变化，但在25100 cm的土层，全氮含量在6月有明显的下降。图3c显示了果园不同层次土壤全氮含量的动态变化特征。可以看出，在整个剖面上其养分活动都十分剧烈，在010 cm和1025 cm土层，养分变化趋势基本相同，从4月份到8月份其全氮含量都在不断增加

12、，8月份时果园土壤全氮含量达到了最高，10月份时养分含量略有下降。同时我们可以发现果园土壤中的全氮含量表层010 cm、1025 cm明显要高于25100 cm的各层含量。4月份 6月份 8月份 10月份4月份 6月份 8月份 10月份4月份 6月份 8月份 10月份4月份 6月份 8月份 10月份图3 不同时期土壤剖面全氮含量Fig. 3 Contents of nitrogen soil profile phosphorus from April to June图3d是其它经济用地不同层次土壤全氮含量季节动态变化特征，其养分活跃的层次是1025 cm土层，但相对于其他几种用地类型，其全年的

13、养分变化幅度较小。养分活跃层不同于其他用地类型，这是由于大豆和苜蓿具有活跃的固氮根瘤菌作用的结果。2.2 讨论2.2.1 土地利用类型对土壤氮素时空动态变化的影响一般认为，土壤施肥对土壤养分的影响主要表现在土壤的表层，而对土壤底层的影响要小得多，尤其当达到土壤的底层或母质层时，不同土地利用类型的土壤养分含量趋于稳定状态。但在我们的研究结果中，我们发现，从表层至底层，蔬菜用地类型的土壤氮素含量均比其他用地类型的高，尤其是在4月、8月和10月。反映出蔬菜用地化肥的频繁使用，不仅影响土壤表层土壤养分含量，同时也通过降水的下渗作用影响到底层土壤的养分含量。其次，果园在生长季节，从土壤表层到土壤底层，土

14、壤氮素的含量基本上处于上升的趋势（010 cm、1025 cm在10月略有下降）；一方面说明在果园的生长季节，农民为了获得较高的产量，随着果树的生长在不断地进行追肥，另一方面，土壤底层氮素含量的增加说明，说明由于降水作用，地表水的下渗导致了大量氮素的向下的迁移，致使土壤底层的氮素含量在不断升高，这可能是由于果园多位于山前洪冲积扇地带，土壤结构松散，质地较粗，垂直剖面水文过程比较活跃。对于农地和其他经济用地类型来说，土壤氮素含量的季节动态变化比较平缓，但是表层(025 cm)和下层土壤(25100 cm)的氮素含量差异较大，充分反映出农田施肥对表层土壤养分的影响。2.2.2 不同土地利用的土壤氮

15、素潜在危险性分析根据图1和图2可知，几种土地利用类型相比，研究地区蔬菜用地类型土壤氮素流失的危险性最高。这是因为，第一，在4个月份的土壤氮素含量中，蔬菜用地类型均是最高的，为养分的流失提供了物质基础；其次，通过问卷调查发现，在农田管理上，蔬菜地不仅施肥频繁，同时灌溉次数明显高于其他用地类型。蔬菜用地一般一周需要灌溉一次，其他用地类型，如玉米、大豆等经济用地类型一般是一年灌溉12次。由于大多数农民的灌溉采用的是漫灌方式，对养分的流失影响较大。果园是研究地区养分流失危险性仅次于蔬菜用地的一种土地利用类型。这是因为果园多分布于山前地带，结构松散，砂粒质较多，其对养分的保持和吸附作用较差，加上该地带垂

16、直水文过程活跃，容易导致养分沿着垂直剖面下渗流失；其次，果园的施肥量相对于一般的农田较高，大量施肥的结果是导致了养分在土壤中的积累，如生长季节果园土壤氮素含量的持续上升，为非点源污染的形成提供了物质基础；第三，野外调查发现，果园一般为每月灌溉一次，频繁的灌溉加快了养分的循环，促进了养分的流失。相对于蔬菜用地和果园来说，玉米用地和其他经济用地类型，由于土壤中化肥施用量相对较少，灌溉次数较少，土壤养分流失的危险性相关较低。2.2.3 不同季节土壤氮素潜在危险性分析图1给出了研究地区2004年不同月份降水量的分布特征。研究地区在 6月份开始进入雨季，由于有大量降水可能形成地表径流和地下径流，将会增加

17、土壤养分流失的危险性。同时从图3可以看出，6月和8月份几种主要土地利用类型土壤中的氮素含量均较高，为养分流失提供了物质基础。6月份之前和10月份之后，尽管土壤中含有较高的土壤养分，但是由于降水较少，农田灌溉较少，地表和地下水文过程均较弱，所以相对于69月份来说是土壤流失危险性较低的季节，形成非点源污染的危险性较低。3 结论与建议3.1 结论（1）不同农业用地类型土壤全氮含量变化差异很大，果园和蔬菜地是研究区内养分活动活跃的土地利用方式。蔬菜地在整个剖面上的全氮含量在整个生长季中都要高于其他用地类型；蔬菜地的表层养分流失风险性最高，对于地表水和地下水都具有很高的潜在危险性。果园在整个剖面上养分活

18、动剧烈，其发生养分的淋溶流失的风险性也较高。玉米和其他经济用地养分活动变化不大，基本保持在一个平稳的状态下，发生养分流失的风险性，相对于蔬菜和果园来说，养分流失的危险性较低。（2）不同农业用地类型土壤全氮含量在不同土层上具有不同的特点，玉米地的养分含量在整个剖面上在6月份都是最高的，对于整个剖面来说，040 cm是玉米地氮素活跃层，氮素易随地表径流流失；蔬菜地的氮素含量在010 cm土层变化最剧烈，其随地表径流流失的风险性极高，在68月氮素减少最多；果园整个剖面上氮素变化剧烈，在010 cm和1025 cm土层，氮素变化趋势基本相同，从4月份到8月份其全氮含量都在不断增加，810月是氮素减少最

19、多的时期；其它经济用地在2540 cm土层氮素变化较大。3.2 建议（1）控制土壤氮素流失，需要从两方面入手，即控制氮素对农田生态系统的输入和减少氮素从农田生态系统的输出。由于该区域内果园和蔬菜地是养分活动最活跃的用地类型，因此要控制其化肥的投入，减少雨季期间化肥投入量；同时要采取相应的农田管理措施，如作物留茬、设置缓冲区、实行轮作等减少氮素流失。通过合理的施肥以及相应的控制措施，可以大大的降低土壤氮素流失的风险性，减少非点源污染的产生。（2）我们的研究结果发现，与玉米地、其他经济用地相比，蔬菜地和果园用地类型的土壤氮素含量在不同季节均较高，加上频繁的化肥施用和灌溉，养分流失的危险性明显高与其

20、他土地利用类型。因此传统农业区在进行农业结构调整时，必须充分考虑这一特征，加强对蔬菜和果园土壤养分利用效率的研究，通过加强农田生态系统管理，在提高农田生态系统生产力的同时，提高养分的利用效率，降低对区域生态环境的影响。参考文献：1 贺缠生, 傅伯杰, 陈利顶. 非点源污染的管理及控制J. 环境科学, 1998, 19(5): 87-96. HE Chansheng, FU Bojie, CHEN Liding. Non-point source pollution control and managementJ. Environmental Scicence, 1998, 19(5): 87-

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33、 this study, total soil nitrogen contents were measured using the samples collected periodically from different agricultural lands including corn, vegetable, orchard and other economic crop land uses in Yanqing Basin located in upstream of Guanting Reservoir in Beijing area, aimed to analyze seasonal dynamic characteristics of nitrogen and its profiles in soils under various land use conditions. The study shows that, (1) the nitrogen, in terms of contents i