贵州农业土壤氮素流失对环境的影响与防治对策

1贵州农业土壤氮素流失对环境的影响及防治对策范菲菲1,2范成五1,2秦松1,2*(1.贵州省土壤肥料研究所/贵州省农业资源与环境研究所，贵州贵阳550006；2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州贵阳550006)［摘要］氮是引起水体富营养化的主要因子之一，国内外学者对氮素损失的途径、机制、影响以及防治措施进行了许多研究。本文在总结贵州农业土壤氮素含量特点的基础上，阐述了土壤氮素流失特征及其对环境的影响，提出了相应的防治措施，以期为减少农田氮素损失、优化农业非点源污染管理与控制提供参考。［关键词］土壤；氮素；影响；防治；贵州TheeffectofnitrogenloseofagriculturalsoilonenvironmentanditscontrolmeasuresinGuizhouFANFei-fei1,2,FANCheng-wu1,2,QINSong1,2*(1.GuizhouInstituteofSoilandFertilizer/GuizhouInstituteofAgriculturalResourceandEnvironment,Guiyang,Guizhou550006;2.FieldMonitoringExperimentalStationforCultivatedLandPreservationandAgro-environmentinGuizhou,MinistryofAgricultureofChina,Guiyang,Guizhou550006)Abstract:Nitrogenisoneofmostlyfactorswhichcausewatereutrophication,insideandoutsidescholarsstudyalotontheapproach,mechanism,effect,controlmeasuresofnitrogenlose.ThepapersummarizesthenitrogencontentofGuizhouprovinceagriculturalsoil,elucidatesthecharacterofsoilnitrogenloseonenvironmentandadvancestherelevantpreventionandcuremeasuresinordertoreducefarmnitrogenloseandoffersthetheorygistforoptimizingthemanagementandcontrolofagriculturalnon-pointpollution.Keywords:soil;nitrogen;effect;control;Guizhou氮是植物生长所必需的营养元素，施用氮肥是补给土壤氮素和维持土地生产力的主要措施，是土壤矿质氮的主要来源，但是，长期过量的施用氮肥会造成土壤氮素的大量赢余，降低氮肥的增产效率和利用率，并给环境带来巨大压力，农田中过量氮素通过氨挥发、硝化/反硝化、淋溶损失、径流损失、吸附和侵蚀等方式从土壤-作物系统中损失，造成河流、湖泊等周边水体环境的富营养化污染程度加剧［1-5］，引起土壤中硝态氮的大量累积。硝态氮是氮素淋溶的主要形式，向土壤深层和地下水中的淋溶不但导致了土壤肥力的下降，而且污染了地下用水，对人体健康带来了严重威胁。贵州是全国唯一没有平原支撑的喀斯特山地省，全省有81.02%的耕地分布在大于6度的坡地上，其中坡度大于25度的耕地有69.18万hm2，占总耕地的19.8%，而坡度在35度以上的耕地有28.18万hm2，占总耕地的5.74%［6］。高比例的坡耕地造成严重的水土流失，引起土壤氮素的大量流失,环境风险较高，对两江上游生态屏障构成威胁。为此，本文根据贵州农业土壤氮素流失特征及其对环境的影响，提出贵州农业土壤氮素流失的防治措施，从而为有效减少农田氮素损失，优化农业非点源污染管理与控制提供参考。1贵州农业土壤中氮素的含量及流失特征贵州土壤面积15.91万km2，占全省土地面积的90.4%，土壤的地带性属中亚热带常绿阔叶林红壤—黄壤地带。中部及东部广大地区为湿润性常绿阔叶林带，以黄壤为主；西南部为偏干性常绿阔叶林带，以红壤为主；西北部为具北亚热成分的常绿阔叶林带，多为黄棕壤。此外，还有受母岩制约的石灰土和紫色土、水稻土、棕壤等土类。可用于农、林、牧业的土壤仅占全省总面积的83.7%。[基金项目]贵州省科技计划《贵州省农业资源与环境工程技术研究中心建设》黔科合农G字［2009］4001号；贵州省科技计划《贵州省农业资源高效利用技术创新能力建设》黔科合院所创能［2011］4002号。［作者简介］范菲菲(1986—)，女，研究实习员，从事土壤肥料及农业资源利用研究。E-mail:[e-mail]*通讯作者:E-mail:[e-mail]21.1贵州不同类型土壤中氮素的含量特征黄壤是贵州分布最广、面积最大的地带性土壤，面积为738.37万hm2。在黔东和黔中主要分布在海拔500～1400m的地带，而西部则分布在海拔1000～1900m之间。黄壤中全氮量平均为2.95g/kg，但矿化率低，供氮能力不高；红壤面积为114.59万hm2，其中耕地面积为11.88万hm2，占全省耕地面积的4.6％。主要分布在黔东海拔500～600m以下的地区，以及南部800（东段）～1000m（西段）以下的地区。红壤表土层全氮量平均为1.72g/kg，其中自然土为1.95g/kg，耕种土为1.35g/kg；黄棕壤主要分布在西部的威宁、赫章、纳雍、毕节、水城、盘县等县市，海拔1800或1900～2500m的高寒地区，在黔中、黔东1400～1500m以上的山地也有分布。其面积为98.64万hm2，其中耕地26.63万hm2，占27.0％。黄棕壤的全氮量可高达6.0～10.0g/kg，但因有机质的C/N比值大，加上气温低，土壤的酸度大，有机氮矿化作用弱，有效氮仍较缺乏；石灰土主要分布在贵州中部的黄壤地带，常与黄壤交错分布，在东部和南部低海拔的河谷地区，西部的高寒地区，面积达278.56万hm2。石灰土地区氮素丰富，磷、钾往往不足，自然土中全氮量为2.0～4.0g/kg，耕地中全氮量为1.6～2.5g/kg，且C/N比值较低，多在10m以下，故供氮潜力较高；紫色土与石灰土一样，也是深受母岩影响的岩性土。贵州的紫色土面积为88.67万hm2，全氮量普遍低于地带性土壤。据统计，全氮量平均为1.34g/kg；水稻土是贵州的主要耕地土壤，毛面积为155.02万hm2。它广泛分布于全省各地，其中92.8％分布在海拔1400m以下的地区，分布上限海拔可达2300m。全氮含量较高，全氮量平均为2.37g/kg，其中大于2.2g/kg的占54.0％，1.0～2.0g/kg的占41.0％，小于1.0g/kg的占5.0％［7］。1.2贵州农业土壤中氮素的流失特征1.2.1不同土地利用方式下土壤氮素流失特征贵州西部喀斯特石漠化地区土壤氮素变异特征表明：在气候、植被、母岩等相对一致的条件下，土壤中氮素流失情况表现为茂密灌草地＜农用地＜草地＜退耕弃荒地，其中退耕弃荒地土壤中氮素流失量分别高出草地、农用地、茂密灌草地32.0%、47.0%、64.0%。这表明茂密灌草地小范围内生态环境较好，植物生长量较大，能有效地减弱雨水对土壤的侵蚀，有利于氮素的积累，氮素流失量较少；草地植物生长量较小，植被覆盖面积较少，使得土壤中氮素流失加剧；农用地由于常年的农事活动以及农作物收获过程中人为的不断破坏，造成农用地土壤中氮素的大量损失；而退耕弃荒地土壤缺乏植被覆盖和人为有机肥的补足，区域雨量较为集中，土壤侵蚀变得更为严重，使土壤中氮素大量流失［8］。1.2.2不同类型植被覆盖条件下土壤氮素流失特征涂成龙等［9］研究表明：不同类型植被覆盖条件下土壤氮素含量的排列顺序为茂密灌草地＞稀疏乔灌草＞草被＞稀疏灌草丛＞无植被（裸土）。其中茂密灌草地覆盖条件下土壤全氮含量分别高出稀疏乔灌草、草被、稀疏灌草丛、无植被（裸土）43.0%、53.0%、55.0%和77.0%。说明土壤全氮含量随着植被的演替呈现逐渐下降的趋势，植被覆盖度与土壤中氮素流失量呈负相关关系。张兴昌等［10］研究了17种植被覆盖对氮素流失的影响，指出土壤氮素特别是有机态氮流失实际上是坡面径流与土壤氮素相互作用结果，当植被覆盖度增大时，植被根系固着土壤能力加强，使得土壤颗粒流失量减少，从而减少了土壤氮素的损失。1.2.3不同耕作方式土壤氮素流失特征耕作方式对农田土壤水土流失和氮素淋溶损失有较大影响。不同耕作方式在不同程度上改变了土壤的空间结构和水肥状况，为作物生长创造了不同的土壤环境，改变了土壤水分运动和农田氮素的迁移转化过程，进而对作物产量、肥料和土壤水分利用率产生不同影响。袁东海等［11］采用径流小区法研究了6种不同耕作方式土壤氮素的流失特征，发现同顺坡耕作方式相比，其他耕作方式均有明显控制土壤氮素流失的作用，等高耕种、等高土埂、休闲等耕作方式控制土壤氮素流失优于水平沟和水平槽带耕作方式，具体表现为：等高耕种耕作方式氮素流失分别低于水平沟和水平槽带耕作方式10.2%和11.7%；等高土埂耕作方式氮素流失分别低于水平沟和水平槽带耕作方式16.7%和13.4%；休闲耕作方式氮素流失分别低于水平沟和水平槽带耕作方式8.6%和9.3%。1.2.4施用不同种类氮肥土壤氮素流失特征周志华等［12］研究表明硝酸铵最易增加径流中氮的含量，施用尿素较硝酸铵显著降低径流中氮的流失量，施用尿素所降低的氮流失量是施用硝酸铵的近三倍。因此，在水土流失严重的坡耕地上种植作物时，应尽量选择尿素这一类的氮肥。并且，在普通氮肥中配施尿酶抑制剂、硝化抑制剂可明显延缓氮在土壤中的转化，降低土壤中硝态氮含量，减轻硝态氮的流失。31.2.5喀斯特石漠化地区氮素流失特征随着喀斯特石漠化的发展，喀斯特土壤受到侵蚀，其富含有机质的表层土壤流失，良好的土壤结构迅速破坏，土壤肥力急剧下降，植物种类、生物量的下降，进入土壤的植物残体减少，加上植被覆盖率的下降，土壤抵抗雨水侵蚀能力减弱，导致土壤全氮的含量随之急剧减少。表现为：贵州东、西、中部石漠化地区的无石漠化林地土壤全氮含量远远高于草地、农用地、退耕还草地等石漠化土壤全氮含量。同时由于人为耕种补充了肥源和施用了农用化肥，使得贵州东、西、中部石漠化地区的土壤全氮含量随着农用地－草地－退耕还草地的变化而减少。而由于气候条件的差异，西部气温较低，南部地区气温较高，中部和东部则介于两者之间，造成贵州不同地区的石漠化林地土壤全氮含量变化表现为：西部中部东部南部［13］。2.贵州农业土壤氮素流失对环境的影响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三，一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氮素的反硝化过程所产生的氮氧化物对大气的污染；三是降雨和地表径流所造成的土壤氮素流失对土壤环境的污染。2.1贵州农业土壤氮素流失对水质的影响据《世界资源报告》中的报道，由于农田氮肥施用量的增加，世界范围内地表水和地下水中氮化合物的含量都呈不同程度的增加趋势［14］。有研究表明，贵阳市红枫湖和百花湖中约有70%的氮来源于农田土壤中氮的淋失和地表径流，从而引起湖泊发生水体富营养化现象。自1994以来黔中深水湖泊百花湖频发季节性水质恶化事件，水质由初期的II类变为III-V类，对此事件研究的结果：百花湖水库在夏季出现水温“弱”分层结构，限制上下水体的垂直交换，水体水化学性质(如溶解氧)在垂向上表现为上层富氧、下层厌氧；富营养化程度较高的百花湖，初级生产力较高，大量浮游植物进人水库下层厌氧分解，产生大量还原性/有毒物质；秋季突然降温导致水体分层结构失稳，上下水团交替过程中垂直交替上迁的还原物质(如，Mn(II)，Fe(II)和硫化物等)在上层水体中被氧化，水体的溶解氧骤降，氧化过程的颗粒态产物使水体表观显得浑浊、混黑，