环境科学  2022, Vol. 43 Issue (5): 2758-2769   PDF    
引用本文
徐曼, 高明, 余泺, 朱浩宇, 邓华, 王子芳. 紫色土旱坡地油菜/玉米轮作下氮流失的年际变化特征[J]. 环境科学, 2022, 43(5): 2758-2769.
Xu Man, GAO Ming, YU Luo, ZHU Hao-yu, DENG Hua, WANG Zi-fang. Interannual Variation Characteristics of Nitrogen Loss Under Rapeseed/Maize Rotation in Purple Soil Sloping Field[J]. Environmental Science, 2022, 43(5): 2758-2769.
紫色土旱坡地油菜/玉米轮作下氮流失的年际变化特征
徐曼1, 高明1, 余泺2, 朱浩宇3, 邓华1, 王子芳1     
1. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715;
2. 重庆市璧山区防汛抗旱调度中心, 重庆 402760;
3. 江苏省东海县农业农村局, 东海 222300
收稿日期: 2021-07-19; 修订日期: 2021-09-27
基金项目: 重庆市技术创新与应用示范专项重点研发项目(cstc2018jscx-mszdX0061); 国家重大水利工程建设基金三峡后续工作科研项目(5001022019CF50001); 国家重点研发计划项目(2017YFD0800101)
作者简介: 徐曼(1999~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤质量与环境, E-mail: 592854581@qq.com
通信作者: 王子芳, E-mail: zifangw@126.com
摘要: 明确三峡库区紫色土旱坡地氮流失的年际变化特征, 为库区的施肥管理措施和面源污染治理提供参考.依托中国科学院成都山地灾害与环境研究所三峡库区试验站, 于2018~2020年连续3 a设置不施肥(CK)、常规施肥(F)、优化施肥(OF)、化肥减量配施生物炭(BF)和化肥减量配施秸秆覆盖(SF)5种处理, 研究紫色土旱坡地在油菜-玉米轮作模式下氮流失的年际变化特征.结果表明: 1三峡库区紫色土旱坡地地表径流主要发生在5月和8月, 壤中流主要发生在6~10月. 2018~2020年降雨量逐年增加, 各处理地表径流产流量逐年减少, 壤中流产流量大致呈逐年增加的趋势, 年尺度下, 壤中流产流量和产流次数均高于地表径流.22018~2020年每年各形态氮的最高流失浓度出现时间大概一致, 地表径流全氮、铵态氮和硝态氮最高流失浓度分别出现在5、8~10和7月, 壤中流各形态氮最高流失浓度分别出现在10、10和5~7月.3地表径流各形态氮流失通量呈逐年降低趋势, 壤中流各形态氮流失通量大致逐年增加.4生物炭和秸秆还田第一年降低氮流失通量的效果较好, 但后续两年还田反而加剧了氮素流失通量.因此, 三峡库区紫色土旱坡地施肥时应考虑该区域具有降雨集中性的特点, 在氮素流失风险期(5~10月)加强肥料管理, 分时期有针对性地施肥, 生物炭和秸秆还田的同时采取有效的拦截措施以控制养分流失和农业面源污染.
关键词: 紫色土旱坡地      地表径流      壤中流      氮流失      生物炭      秸秆     
Interannual Variation Characteristics of Nitrogen Loss Under Rapeseed/Maize Rotation in Purple Soil Sloping Field
Xu Man1 , GAO Ming1 , YU Luo2 , ZHU Hao-yu3 , DENG Hua1 , WANG Zi-fang1     
1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Flood Control and Drought Relief Dispatching Center, Bishan District, Chongqing City, Chongqing 402760, China;
3. Jiangsu Agriculture and Rural Bureau of Donghai County, Donghai 222300, China
Abstract: The aim of this study was to clarify the inter-annual characteristics of nitrogen loss in a purple soil sloping field in the Three Gorges Reservoir area and to provide references for fertilization management measures and non-point source pollution control in the reservoir area. Relying on the Three Gorges Reservoir Experimental Station of the Chengdu Institute of Mountains and Disasters of the Chinese Academy of Sciences, the experimental treatments included no fertilization (CK), conventional fertilization (F), optimum fertilization (OF), reduced fertilizer with biochar (BF), and reduced fertilizer with straw (SF) for three consecutive years from 2018 to 2020 to study the inter-annual variation characteristics of nitrogen loss in the purple soil sloping field under the rape-maize rotation model. The results showed that: ① the surface runoff of the purple soil sloping field in the Three Gorges Reservoir area mainly occurred from May to August, and the subsurface flow mainly occurred from June to October. From 2018 to 2020, rainfall increased yearly, the surface runoff flow of each treatment decreased yearly, and the flow of abortion in the soil generally increased yearly. On the annual scale, the subsurface flow in the soil and the number of runoffs were higher than that of the surface runoff. ② From 2018 to 2020, the highest loss concentration of various forms of nitrogen appeared simultaneously. The highest loss concentrations of total nitrogen, ammonium nitrogen, and nitrate nitrogen in surface runoff appeared in May, August to October, and July, respectively. The highest concentration of nitrogen loss of various forms of subsurface flow appeared in October, October, and May to July, respectively. ③ The loss flux of various forms of nitrogen in surface runoff showed a decreasing trend annually, and the loss of various forms of nitrogen in subsurface flow roughly increased annually. ④ Biochar and straw returned to the field were more effective in reducing the nitrogen loss flux in the first year; conversely, returning to the field in the following two years increased the nitrogen loss flux. Therefore, when fertilizing purple soil sloping land in the Three Gorges Reservoir area, it is necessary to consider the rainfall concentration characteristics of the area, strengthen fertilizer management during the period of nitrogen loss risk (May to October), and fertilize in different periods. It is also important to take effective interception measures when returning straw to the field to control nutrient loss and agricultural non-point source pollution.
Key words: purple soil sloping field      overland flow      interflow      nitrogen loss      biochar      straw     

三峡库区作为我国长江中上游的重要生态功能区, 对整个长江流域的水环境安全和生态环境安全起着举足轻重的作用[1~3].目前, 三峡库区泥沙侵蚀和水环境形势严峻.据资料统计, 三峡库区发生土壤侵蚀和水土流失的面积分别占库区总面积的88.0%和82.9%[4], 严重的土壤侵蚀是导致库区土壤发生退化的重要原因, 而水土流失不仅导致土壤退化、土地生产力降低, 还会阻塞河道、加剧洪涝灾害和造成水体污染[5~7].紫色土旱坡地作为三峡库区的主要耕地类型, 具有土层薄、结构松散、易风化和抗蚀性差等特点[8], 被认为是三峡库区泥沙侵蚀和面源污染的主要策源地, 探究紫色土旱坡地在不同施肥处理下氮流失的年际变化特征对于科学精准施肥、控制土壤养分流失和防治库区面源污染具有重要意义.

近年来, 由于农业生产中不当施肥造成的面源污染等问题受到社会的广泛关注, 其中多是氮肥的不合理施用[9~11].氮素既是农田肥力的主要限制因子, 同时也是重要的环境污染来源[12].农田中盈余的氮素通过径流、淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失, 其中径流是农田氮素流失的主要途径, 引发地下水污染和水体富营养化等一系列水环境问题[13~15].有研究表明, 农田氮素流失量与施肥量存在密切联系, 每公顷土壤增施1 kg氮素, 径流中通过冲刷作用流失的氮素将增加0.56~0.72 kg[16].有机无机肥配施已被证实在减少土壤侵蚀、控制养分流失和节肥增效方面具有良好的应用效果[17, 18].通过对生物炭和秸秆在土壤改良以及土壤养分元素循环机制的探索, 人们发现生物炭和秸秆在降低土壤氮素流失风险方面具有一定的潜力[19, 20].Wang等[21]的研究发现, 化肥减量配施秸秆可有效降低地表氮流失量, 但不同种类秸秆其还田效果存在差异.斯林林等[22]通过田间试验, 发现生物炭配施控释肥和稳定性肥显著消减了氮素径流流失, 有效降低区域稻田氮素面源流失风险.

目前, 在自然降雨-产流条件下, 关于三峡库区紫色土旱坡地的氮素流失年际变化特征及其影响因素的研究较少, 对库区土壤质量下降和面源污染等问题难以做出准确评价和治理.因此, 本文通过田间小区定位试验, 以三峡库区常见的“油菜-玉米”轮作模式, 连续3 a设置不施肥(CK)、常规施肥(F)、优化施肥(OF)、化肥减量配施生物炭(BF)和化肥减量配施秸秆覆盖(SF)这5种处理, 探究三峡库区紫色土旱坡地在不同年份连续施肥下氮素迁移的年际变化特征, 旨在为改善库区农田土壤质量、降低农业面源污染风险和农业的可持续发展提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

小区位于重庆市忠县石宝寨的中国科学院成都山地灾害与环境研究所三峡库区水土保持与环境研究试验站(108°10′E, 30°22′N), 地处三峡库区的腹心地带.该区域属亚热带东南季风区山地气候, 雨量充沛, 日照充足, 年均温度19.2℃, 2018~2020年降雨量如图 1所示, 2018、2019和2020年累计降雨量分别为894.68、919.06和1 169.4 mm.

图 1 2018~2020年研究区降雨量 Fig. 1 Rainfall in the study area from 2018 to 2020

1.2 试验设计

各试验小区是坡度为15°, 投影面积为100 m2(20 m×5 m)的长方形, 底面以及四周均为混凝土修筑.在小区出水口设置汇流沟以收集壤中流和地表径流, 各小区外安装壤中流和地表径流的集水桶, 同时在集流桶旁添加分流桶以防降雨量过大径流溢出, 具体装置见图 2.本试验共设置5个处理, 3个重复：①不施肥(CK)、②常规施肥(F)、③优化施肥(OF)、④化肥减量配施生物炭(BF)和⑤化肥减量配施秸秆覆盖(SF), 其中优化施肥是当地农业部门通过测土配方施肥技术提供的施肥方案.生物炭是由玉米秸秆在450~500℃下热解制得的, ω(TN)为5.20 g·kg-1, ω(TP)为3.10 g·kg-1; 玉米秸秆购自试验小区周围农户, 还田时将晒干的秸秆截成10 cm左右, ω(TN)为8.23 g·kg-1, ω(TP)为3.15 g·kg-1.供试土壤是人工填装的未利用的新垦紫色土, 基本理化性质见表 1.

图 2 径流小区设计 Fig. 2 Schematic diagram of runoff plot design

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

本试验开展时间为2017年10月至2020年10月, 连续3 a进行当地常见的“油菜-玉米两熟”轮作模式, 不同年份各试验小区下垫面情况基本一致.油菜季氮肥的施用情况为：分基肥和薹肥两次施用(基肥占80%), 磷肥、钾肥和硼肥作为基肥一次性施入.玉米季氮肥施用的情况与油菜一致, 磷、钾肥作基肥一次性施入, 肥料均是于谷雨前后撒施.各处理每年的施肥方式和田间管理模式相同, 具体的施肥、播种和收获时间见表 2, 施肥量见表 3.

表 2 各施肥处理的施肥、播种和收获时间 Table 2 Time of fertilization, sowing and harvest of each fertilization treatment

表 3 各处理施肥量/kg·hm-2 Table 3 Amount of fertilizer applied in each treatment/kg·hm-2

1.3 样品采集与分析方法 1.3.1 水样采集

每次降雨结束后若有产流都要立即进行采样.采样时, 先分别测定各小区集水桶中的水位, 以此计算各小区地表径流和壤中流的产流量.随后, 用塑料瓶分别采集水桶中地表径流和壤中流的水样.采集水样时都要先将水样搅拌均匀, 其中采集地表水样时在搅拌均匀后要迅速采集泥沙和水样混合样, 而采集壤中流时在搅拌均匀后应让水体静置至悬浮物沉淀后再取水样.每次采样完成后, 立即对各种形态氮养分含量进行测定.降雨量数据从试验站人工气象降雨观测平台获取, 降雨观测仪器为虹吸式雨量计, 实时记录降雨量及降雨过程等数据.

1.3.2 土样采集

采用梅花形多点取样法在小区中随机采集表层土(0~20 cm), 四分法将土样进行混合后取约1 kg鲜土带回实验室, 将土样去除杂物后自然风干、研磨、过筛, 用于分析土壤的基本理化性质, 其测定方法主要参照文献[23].

1.4 测定指标与方法

水样测定指标包括总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N), 其中TN直接用未过滤水样测定; DTN、NH4+-N和NO3--N需将水样过0.45 μm滤膜进行抽滤后测定.TN采用碱性过硫酸钾消化-紫外分光光度法, DTN采用碱性过硫酸钾消化-紫外分光光度法测定, NH4+-N采用纳氏试剂比色法测定, NO3--N采用紫外分光光度法测定, 颗粒态氮(PN)=总氮(TN)-溶解性总氮(DTN).

1.5 数据处理

采用SPSS 23.0软件对数据进行统计分析, 各处理间的差异显著性采用LSD法进行分析(P<0.05); 数据基础处理和作图分别采用Excel 2016和Origin 2018进行.

2 结果与分析 2.1 紫色土旱坡地不同施肥处理下径流量和侵蚀产沙的年际变化特征 2.1.1 紫色土旱坡地不同施肥处理下径流量的年际变化特征

如表 4所示, 各处理地表径流量均呈现出：2018年>2019年>2020年, 其中CK、F、OF处理年际之间差异显著.另外, 相较于其他处理, SF处理显著降低了地表径流量.CK、F处理壤中流径流量呈现出：2020年>2018年>2019年, OF、BF和SF处理壤中流径流量均是2020年最高, 2018年最低, 与年降雨量变化趋势一致.

表 4 2018~2020年各处理径流量1)/L Table 4 Runoff in each treatment from 2018 to 2020/L

由图 3可知, 2018~2020年各处理地表径流产流次数和产流量远低于壤中流, 说明壤中流是紫色土旱坡地径流的主要输出途径.另外, 各处理地表径流主要集中在5月和8月.观察2018~2020年壤中流产流特征发现, 各处理壤中流主要集中在6~10月, 2019和2020年壤中流产流次数远远超过2018年, 且2019年壤中流产流次数最多, 2018年最少.

(a)2017年~2018年，(b)2018年~2019年，(c)2019年~2020年 图 3 各处理地表径流量和壤中流径流量 Fig. 3 Surface runoff flux and subsurface runoff flux in each treatment

2.1.2 紫色土旱坡地不同施肥处理下侵蚀产沙的年际变化特征

从表 5可以看出, F、BF和SF处理产沙量呈现：2019年>2018年>2020年, 且BF处理每年的产沙量均高于F和SF处理. 2018~2020年各施肥处理总产沙量呈现出：CK>BF>F>OF>SF.其中, SF处理产沙量低于其他处理, 且存在显著差异性, 分别较F和OF处理降低了65.54%和60.53%, 而BF处理分别较F和OF处理显著提高了183.99%和252.25%.

表 5 不同施肥处理的产沙量1)/kg Table 5 Sediment yield from different fertilization treatments/kg

2.2 不同施肥处理颗粒态氮流失的年际变化特征

由图 4可知, 2018年各处理颗粒态氮流失浓度以4~5月较高, 与同年地表径流产流特征一致, 2019年各处理颗粒态氮流失主要集中在下半年, 2020年各处理颗粒态氮流失浓度整体处于较低水平.分析颗粒态氮流失浓度的年际变化发现(图 5), 各处理均呈现出: 2019年>2018年>2020年, 除CK外, 其余处理颗粒态氮流失浓度年度之间均存在明显差异.

图 4 各处理颗粒态氮流失浓度变化 Fig. 4 Changes in the loss concentration of particulate nitrogen in each treatment

不同大写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示同一处理下不同年份之间差异显著(P < 0.05) 图 5 各处理颗粒态氮流失浓度年均变化 Fig. 5 Annual average changes in the loss concentration of particulate nitrogen in each treatment

2.3 不同施肥处理全氮流失的年际变化特征

从图 6(a)可以看出, 各处理在试验期内地表径流全氮流失主要集中在每年的4~5月和8~9月, 这与地表径流产流特征基本一致.比较3年的地表径流全氮流失浓度特征发现, 各处理在2018、2019和2020年最高流失浓度分别出现在5、8和6~7月.相较于2018年和2019年, 各处理2020年地表径流全氮流失浓度较低.在图 6(b)中, 各处理在2018、2019和2020年壤中流全氮最高流失浓度分别出现在10、10和5月.另外, 2020年各处理的全氮流失浓度峰值均小于其他年份峰值.在图 7(a)中, 除CK外, 其余处理地表径流全氮流失的年际变化均是：2019年>2018年>2020年, 其中BF处理年际之间的全氮流失浓度存在显著差异, SF处理年际之间的全氮流失浓度存在显著差异.在图 7(b)中, F、OF、BF和SF处理壤中流全氮流失浓度均是2020年最低.

图 6 各处理全氮流失浓度变化 Fig. 6 Changes in total nitrogen concentration loss in each treatments

不同大写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示同一处理下不同年份之间差异显著(P < 0.05) 图 7 各处理全氮流失浓度年均变化 Fig. 7 Annual average changes in total nitrogen concentration loss in each treatments

2.4 不同施肥处理铵态氮流失的年际变化特征

如图 8(a)所示, 各处理地表径流铵态氮流失浓度在2018、2019和2020年的峰值分别出现在5、10和7月.在整个试验期, 各处理壤中流铵态氮流失浓度均处于一个较低的水平, 且集中在下半年.各处理壤中流铵态氮流失浓度在2018、2019和2020年的峰值分别大致出现在10、10和7月.在图 9(a)中, CK、F和SF处理铵态氮年平均流失浓度呈现出：2020年>2018年>2019年, 而BF处理则呈现出：2018年>2020年>2019年.对于壤中流铵态氮年平均流失浓度而言, CK、F和OF处理呈现：2020年>2018年>2019年, BF和SF处理呈现：2020年>2019年>2018年.

图 8 各处理铵态氮流失浓度变化 Fig. 8 Changes in ammonium nitrogen concentration loss in each treatment

不同大写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P < 0.05), 不同小写字母表示同一处理下不同年份之间差异显著(P < 0.05) 图 9 各处理铵态氮流失浓度年均变化 Fig. 9 Annual average changes in ammonium nitrogen concentration loss in each treatment

2.5 不同施肥处理硝态氮流失的年际变化特征

在图 10(a)中, 各处理地表径流硝态氮流失浓度呈现出逐年降低的趋势, 2018~2020年每年的硝态氮最高流失浓度分别大致出现在5、9和7月.结合各处理壤中流产流特征可知(图 3), 2018年各处理4~5月产流量较高, 同年9~10月壤中流硝态氮流失浓度较高, 这两个时期均是壤中流硝态氮流失风险期. 2019年6~9月是硝态氮流失风险期, 2020年壤中流硝态氮流失浓度较低. 2018~2020年每年的壤中流硝态氮最高流失浓度分别出现在10、9和5月.在图 11(a)中, F、OF、BF和SF处理地表径流硝态氮年平均流失浓度均是2018年高于其他年份, 其中F、OF和SF处理硝态氮年平均流失浓度呈现出：2018年>2019年>2020年, BF处理呈现：2018年>2020年>2019年.观察各处理壤中流硝态氮年平均流失浓度发现, F、BF和SF处理硝态氮流失浓度年际变化为：2018年>2019年>2020年, 且BF和SF处理硝态氮流失浓度均低于F处理.

图 10 各处理硝态氮流失浓度变化 Fig. 10 Changes in nitrate nitrogen concentration loss in each treatments

不同大写字母表示同一年份不同处理之间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一处理下不同年份之间差异显著(P＜0.05) 图 11 各处理硝态氮流失浓度年均变化 Fig. 11 Annual average changes in nitrate nitrogen concentration loss in each treatments

2.6 不同施肥处理土壤氮流失通量

2018~2020年各处理氮流失通量如表 6所示, 就地表径流而言, 不同处理地表径流中各形态氮流失通量大致呈现出逐年降低的趋势, F、OF、BF和SF处理全氮流失通量均是2020年最低, 铵态氮和硝态氮流失通量均呈现：2018年>2019年>2020年.对于壤中流各形态氮流失通量的年际变化, F处理全氮流失通量表现为：2018年>2019年>2020年, 而BF和SF处理则为：2019年>2020年>2018年; 除CK和F处理, 其余处理壤中流铵态氮流失通量年际变化为：2020年>2019年>2018年, 与地表径流铵态氮流失规律相反.另外, F处理壤中流硝态氮流失通量特征与全氮年际变化一致, OF、BF和SF处理壤中流硝态氮流失通量特征呈现：2019年>2020年>2018年.

表 6 2018~2020年各处理氮流失通量1)/kg·(hm2·a)-1 Table 6 Nitrogen loss fluxes under different treatments from 2018 to 2020/kg·(hm2·a)-1

2.7 氮流失与降雨量、径流量的相关关系

由表 7可知, 在地表径流中, 降雨量与氮素流失量相关性并不显著, 而径流量与各形态氮流失量呈显著正相关关系(P < 0.05), 其中全氮、颗粒态氮流失量与径流量呈极显著正相关关系(P < 0.01).在壤中流中, 降雨量和铵态氮流失量呈极显著正相关关系, 径流量和全氮、铵态氮和硝态氮流失量呈极显著正相关关系, 全氮流失量与硝态氮流失量呈极显著正相关关系.

表 7 氮流失与降雨量、径流量的相关系数 Table 7 Correlation of nitrogen loss, rainfall, and runoff

2.8 不同施肥处理对作物产量的影响

各处理油菜和玉米的平均产量如图 12所示, 与CK处理相比, 化肥减量配施生物炭或秸秆均能提高作物产量.各处理油菜产量呈现出：F>OF>BF>SF>CK, 其中BF和SF处理与OF处理的差异并不显著.各处理玉米产量呈现出：OF>F>SF>BF>CK, 除CK外, 其余处理之间差异并不显著.总的看来, 与常规施肥相比, 化肥减量配施生物炭或秸秆能够保证作物产量.

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P＜0.05) 图 12 2018~2020年各处理油菜和玉米平均产量 Fig. 12 Average yields of oilseed rape and maize in different treatments from 2018 to 2020

3 讨论

紫色土旱坡地具有径流系数高、抗蚀性差等特点, 易发生水土流失.本文发现, 每年各处理壤中流产流次数和产流量均高于地表径流, 说明壤中流是紫色土径流输出的主要形式.本研究中, 2018年降雨量最低, 2020年最高, 比较地表径流产流量年际变化发现, 试验期各处理地表径流产流量均呈现：2018年>2019年>2020年, 与降雨量的年际变化规律相反, 这可能是因为2018年降雨强度大, 雨滴动能增加, 土壤颗粒间的孔隙被逐渐填满[24], 土壤表层容易形成结皮, 阻止雨水入渗, 大部分降雨以地表径流的方式输出.梁斐斐等[25]研究降雨强度对三峡库区坡耕地产流的影响发现, 大雨产生的径流量分别是中雨和小雨的2.34和7.59倍.因此, 在三峡库区应重点观测大雨条件下坡耕地的径流和养分流失状况.本研究表明, 与CK相比, 施肥处理均能降低地表径流量和产沙量, 但增加了壤中流产流量, 这与沈姣等[26]、汪涛等[27]等研究施肥对紫色土产流产沙的影响结果类似.分析其原因, 一方面紫色土土层浅, 孔隙度大, 属于“岩土二元结构”[28], 容易形成壤中流.另一方面, 地表植被的覆盖情况是影响土壤侵蚀的重要因素之一, 其通过对降雨的再分配影响径流发生[29], 平衡施肥能促进作物生长, 提高植被覆盖率, 有效拦蓄地表径流[30], 同时施肥可改善土壤物理性质和促进作物根系伸展, 增强了水分入渗, 从而促进壤中流的发育和减少泥沙侵蚀.

土壤氮流失与降雨、地形、施肥和田间管理措施等因素密切相关[31, 32].本文发现, 每年5~10月是氮素的流失风险期, 氮素流失迁移变化规律与当地降雨特征有密切关系, 紫色土区降雨集中, 4~9月的降雨量占全年降雨量的70%以上, 降雨径流是紫色土旱坡地养分流失的主要驱动力和载体, 研究发现, 氮流失量和降雨量在一般情况下呈线性关系, 即土壤氮流失量随着降雨量的增加而增加[33]. 2018~2020年每年壤中流全氮最高流失浓度分别出现在10、10和5月, 壤中流硝态氮最高流失浓度分别出现在10、10和7月, 即每年壤中流全氮和硝态氮最高流失浓度出现的时间大概相同, 这与王宏等[34]的研究结果一致.在整个试验期, 虽然2020年降雨量最高, 但是同年各处理地表径流氮流失通量远小于前两年.分析其原因, 这可能是因为2020年降雨强度低、历时长, 小雨强长历时的降雨更有利于促进壤中流的发育[35], 地表径流量减少.另外, 较长的降雨历时和有效的作物植被覆盖可以调节地表径流吸持能力, 延长产流历时过程, 氮素更容易向土壤下层迁移.

在本文中, 与F处理相比, 2019年和2020年BF和SF处理均提高了壤中流中全氮和硝态氮流失通量.一方面, 相较于F处理, 2019年和2020年BF和SF处理虽然降低了壤中流全氮和硝态氮的年平均流失浓度, 但壤中流产流次数和产流量超过F处理, 增加了壤中流氮流失风险.另一方面, 这可能是因为本试验涉及3 a生物炭还田和秸秆覆盖, 生物炭施入土壤后会逐渐发生老化, 其在田间自然老化过程中孔隙结构可被土壤矿质离子和微生物阻塞, 造成生物炭吸附能力下降[36, 37], 其吸附的氮可能会随着生物炭性质的改变逐步被释放出来.秸秆中的氮素分为贮存性氮素和结构性氮素, 其中结构性氮素占比大, 但不易被释放.土壤微生物在秸秆腐解过程中起着关键作用, 秸秆中的结构性氮素只有经微生物矿化后才能逐步释放[38], 一般是在秸秆的缓慢分解期, 其可达一年或更长时间.降雨通过影响土壤微生物的生长繁殖和生理机能影响秸秆分解[39, 40], 2018年降雨少且降雨强度大、历时短, 不利于土壤微生物繁殖, 秸秆分解释放的氮素少, 则氮流失量也相对较少.

本研究表明, 铵态氮主要以地表径流的方式流失, 硝态氮主要以壤中流的方式流失.这是因为铵态氮带正电, 易被土壤吸附在表层土壤, 并在土壤表层发生富集较难向下层土壤迁移, 而硝态氮带负电, 在土壤中多以游离态的形式存在, 极易通过土壤水分的下渗作用进入壤中流[41].地表径流中全氮、铵态氮和硝态氮流失通量大致呈逐年降低的趋势, 这是因为2018~2020年各处理地表径流产流量逐年减少, 进行相关性分析发现, 地表径流与全氮、铵态氮和硝态氮呈正相关关系.在地表径流中, 氮流失量与降雨量相关性并不显著, 与径流量呈显著正相关关系, 这与闫建梅等[42]的研究结果一致, 但与王双等[43]的研究有一定差异, 其研究发现氮流失量与降雨量和径流量均有显著正相关性, 这可能是因为本文是3 a连续降雨试验, 而王双等的试验时间集中于玉米成熟期, 这期间降雨量大, 氮流失通量受降雨量的影响大.本试验表明, 与CK相比, 生物炭处理和秸秆处理均能提高作物产量.与F处理相比, BF和SF处理的作物产量稍低一些, 但无显著性差异, 说明化肥配施生物炭或秸秆不会显著降低作物产量, 可以作为一种经济且环保的施肥措施进行推广, 以实现农业的可持续发展.

4 结论

三峡库区紫色土旱坡地地表径流主要发生在5月和8月, 壤中流主要发生在6~10月.土壤氮素的流失风险期为5~10月, 该时段是库区的雨季, 降雨集中, 容易产生径流造成土壤养分流失.试验期内每年各形态氮的最高流失浓度出现时间大概一致, 地表径流全氮、铵态氮和硝态氮最高流失浓度分别出现在5、8~10和7月, 壤中流各形态氮最高流失浓度分别出现在10、10和5~7月.生物炭和秸秆还田第一年降低氮流失通量的效果较好, 但后续两年还田反而加剧了氮素流失通量.因此, 加强三峡库区5~10月的施肥管理措施对于库区养分流失和农业面源污染具有重要意义, 在进行生物炭和秸秆还田时考虑与其他保水保肥措施结合共同固持土壤养分.此外, 建议利用其他先进技术预测当年该地区的降雨量及降雨强度分布, 针对性地进行施肥以有效消减径流带来的农业面源污染.

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