黄壤是我国的主要土壤类型之一。贵州黄壤面积占全国黄壤面积的25.3%,占全省土壤面积的46.5%;黄壤坡耕地约占全省耕地面积的46.1%^[1,2,3,4],是贵州主要的耕地资源。黄壤坡耕地不仅具有“粘、酸、瘦”的特点，且水土流失普遍严重，据水利部水土保持监测中心的监测资料表明^[5],贵州水土流失面积73 078.56 km²,占贵州土地总面积的41.5%.水土流失是耕地养分流失的原因之一，其中氮素养分是主要流失源^[6],不仅造成耕地生产力下降，还引起一系列环境问题^[7].有研究表明^[8],贵阳市两湖一库中约有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。

为应对坡耕地的养分流失，国内外专家近年来已提出大量的保护性耕作管理措施，其中以横坡垄作与高等植物篱耕作管理措施在坡耕地上的应用最为见效^{[9,10,11,12,13]},而国内基于不同管理措施下较长期的黄壤坡耕地定位监测氮输出规律研究鲜见报道。本研究以黔中农业面源污染长期定位监测点为平台，连续5 a在玉米-油菜种植模式下实施不同耕作管理措施，分析天然降雨产流后径流中的氮素流失特征及氮素输出的控制效果，以期为有效控制黄壤坡耕地氮素流失、减轻农业面源污染负荷提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区域概况

监测基地所属的贵阳市郊区花溪区湖潮乡，东经106°31′，北纬26°26′，距贵阳市20 km,交通便利。该区地处贵州中部，常年气温温差不大，年均气温14.9 ℃，常年降雨量1100～1200 mm,属贵州的主要气候类型。监测基地地形为南方丘陵山腰旱坡地，土壤为黄壤，呈微酸性（表 1）,土种为黄粘泥土，质地重壤，耕种历史较长，肥力中等，坡向西南，坡度15.1°，是贵州主要的旱坡耕地类型。监测的油菜-玉米轮作种植模式是全省旱地最主要的种植模式类型，监测点具有明显代表性。

表 1 监测点土壤背景理化性状（土层0～20 cm） Table 1 Basic properties of soil in studied area（0～20 cm）

表选项

径流小区长6.0 m、宽3.5 m,面积为21 m²,每个径流小区的下端分别对应一个径流池（图 1）,径流小区四周设水泥板结构以防止监测区与周边地块及径流小区之间发生串水现象。水泥板厚度5 cm、高度90 cm,埋深40 cm,露出地面50 cm.

径流池垂直于坡面，为水泥结构，侧壁和池底做好防渗处理。径流池深地表以下1 m,为便于计量径流池内水量，在池壁上做好刻度线标记。径流池表面铺设石棉瓦防雨设施，防止雨水、灰尘落入，防止人和动物不慎跌落。监测基地设置量雨器1个。

图 1 径流小区结构平面与剖面示意图 Figure 1 Diagram of runoff experimental plot

图选项

本试验为耕作管理措施和施肥水平两因素试验，耕作管理措施主要有顺坡常规耕作、横坡垄作、横坡垄作+秸秆覆盖、横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱4种措施；施肥水平为不施任何肥料、常规施肥、优化施肥3种水平，试验设6个处理，3次重复，随机区组排列（表 2）.

表 2 径流小区各试验处理 Table 2 Experimental treatments for runoff plots

表选项

常规施肥，按当地农民施肥习惯：玉米施有机肥（圈肥）11 250 kg·hm^-2,纯N 225 kg·hm^-2、P₂O₅ 135 kg·hm^-2、K₂O 37.5 kg·hm^-2;油菜施有机肥（圈肥）5250 kg·hm^-2,纯N 120 kg·hm^-2、P₂O₅ 90 kg·hm^-2、K₂O 30 kg·hm^-2.优化施肥：玉米施有机肥（圈肥）11 250 kg·hm^-2,纯N 180 kg·hm^-2,P₂O₅ 90 kg·hm^-2、K₂O 90 kg·hm^-2;油菜施有机肥（圈肥）5250 kg·hm^-2,纯N 120 kg·hm^-2、P₂O₅ 60 kg·hm^-2、K₂O 60 kg·hm^-2.

顺坡常规耕作：按当地农民习惯耕作方法，沿顺坡方向中耕两次（结合氮肥追肥，进行两次中耕）.横坡垄作：横坡种植，玉米垄高20～25 cm²,垄宽40 cm;油菜垄高20～25 cm,垄宽30 cm.秸秆覆盖：春季种植玉米时，用稻草进行垄背覆盖，厚度8～10 cm.等高植物篱：沿等高线种植两带黄花菜植物篱，每3 m一带，每带两行，行宽25 cm,株距15 cm,每穴两株，种植时施用有机肥及复合肥。 1.4 样品采集与测试项目

径流水样：在每次降雨产流后先测量径流水体积，用清洁竹棍搅匀径流池，然后采集混合样（水样与泥沙样）,取500～600 mL 置于塑料瓶速冻密闭保存，采样后抽干、洗净池子。若遇连绵雨季，则在径流池水量达到80%后，采集混合样，最大采样间隔不长于7 d.分析的指标有pH、TN、TDN（溶解性总氮）、NO^-₃-N、NH⁺₄-N、DON（可溶性有机氮）=TDN-（NO^-₃-N+NH⁺₄-N）、PN（颗粒态氮）=TN-TDN.参照《水和废水监测分析方法》（第四版）^[14],pH测定采用玻璃电极法；TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TDN将径流样品通过0.45 μm滤膜过滤得到滤液，通过碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法测得；NO^-₃-N测定采用酚二磺酸分光光度法；NH⁺₄-N测定采用水杨酸分光光度法。 1.5 计算方法与数据分析

氮素年流失量：累计加和计算径流水中某形态氮的年流失总量，它等于整个监测周期中（一个完整的周年）每次径流水中某形态氮浓度与径流水体积乘积之和。计算公式^[9] 如下：

氮肥流失系数：以流失率（%）表示，计算公式^[8] 为：

观测结果表明，5 a间的降雨主要集中在4-10月，产流主要集中在玉米季的5-7月，其他月份径流量较少，5 a平均产流系数变幅为15.1%～20.1%,平均18.1%.从不同年份来看，径流产生总量有所差异，2009、2012年由于追肥进行中耕时遇到降雨分散，产生的径流总量较小，平均值分别为78.86、89.26 mm; 2008年径流量最大，平均值为170.54 mm.从2008-2012年的截流效果来看，所有处理的径流量较CK减少百分比平均值呈逐年上升的趋势，分别为9.1%、12.7%、16.6%、16.7%、22.8%,表明随着时间的推移，耕作管理措施的截流效果越突出。从不同管理措施来看，截流效果从大到小的顺序为OPT+TR+S+H>OPT+TR+S>OPT+TR>OPT>CON>CK,平均产流系数分别为15.1%、16.3%、17.1%、18.3%、18.7%、20.1%（表 3）.从不同耕作措施来看，总的截流效应趋势为横坡垄作优于顺坡常规耕作，两者的5 a平均径流量分别为112.3、132.5 mm,横坡垄作减少15.2%.在顺坡耕作措施中，优化施肥与常规施肥的截流效果差异不显着，但优化施肥显着优于CK,主要原因是优化施肥增强作物长势、增加作物覆盖率，从而提高截流效果。在横坡垄作措施中，仅增加秸秆覆盖，截流效果不明显；但在横坡垄作的基础上，种植植物篱的截流效果最好，显着优于OPT+TR、OPT与CON,较CK径流减少25.0%.表明横坡垄作、地表覆盖与植物篱技术增加了地表径流入渗时间，增强坡面径流的拦截和分散，相对防止汇流进一步发展且减小流速，入渗时间大幅度延长；同时防止了暴雨直接冲击表土形成土壤结皮阻碍水分人渗，从而减少径流的产生。

表 3 不同管理措施的截流效果 Table 3 Effectiveness of runoff interception under different treatments

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不同管理措施对黄壤坡耕地的TN流失量有不同程度的影响，从5 a平均结果来看，TN流失量以CON最大，CK 最小，大小顺序依次为CON>OPT>OPT+TR>OPT+TR+S>OPT+TR+S+H>CK,流失量分别为6.98、5.36、4.97、4.80、4.63、2.05 kg·hm^-2（表 4）.CK常年不施化肥与有机肥，土地生产力下降，养分趋于贫瘠，TN的流失量随之减少。CON按照当地农民习惯施肥，属不合理过量施肥，不仅没有获得相应的作物产量及经济效益，反而增加TN流失量，加大了环境污染风险。在顺坡常规耕作措施下，优化施肥（OPT）与常规施肥（CON）的TN流失总量有显着性差异，相比减少23.2%.这表明优化施肥不仅可以保证作物产量，并能明显减少黄壤坡耕地TN流失量，降低农业面源污染风险。优化施肥条件下，TN流失总量差异不显着，横坡垄作与顺坡常规耕作相比，TN流失总量均有所减少，OPT+TR减少7.3%,OPT+TR+S减少10.5%,OPT+TR+S+H 减少13.7%.由此可见，优化施肥、横坡垄作、秸秆覆盖、等高植物篱是控制黄壤坡耕地氮源污染物随地表径流流失的有效管理措施。主要因为优化施肥可有效减低径流中的养分浓度，横坡垄作、秸秆覆盖、等高植物篱可降低径流的产生，从而减少氮素养分的流失。

表 4 不同管理措施下氮输出的控制效果 Table 4 Total nitrogen losses under different treatments

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从不同年份的TN流失量来看，平均TN流失量有所差异。其中以2010年最高，所有处理的平均TN流失量为6.74 kg·hm^-2,主要因2010年玉米季种植期，在施肥不久后降雨产生径流，增加了地表径流中氮的流失量；以2009年最低，所有处理的平均TN流失量为2.76 kg·hm^-2,主要原因为2009年的产流量最小。以2008-2012年的单次产流所有处理的平均径流量为自变量，对不同年份单次产流所有处理的TN流失总量进行线性回归分析，得到回归方程：

Y=0.031X+0.977（R²=0.965,P=0.001 2） 该方程表明黄壤坡耕地产流量对氮输出总量影响显着。 2.3 不同管理措施的不同形态氮素流失特征

不同管理措施下，不同形态氮素流失量不同，占TN的流失比例不同。从单一流失形态来看，NO^-₃-N/TN以CK 最高，CON最低，变幅为26.6%～35.3%,平均为31.1%;NH⁺₄-N/TN以CK最高，CON最低，变幅为6.9%～14.6%,平均为9.4%;DON/TN以OPT、OPT+ TR最高，CON最低，变幅为10.5%～14.2%,平均为12.6%;PN/TN以CK最低，CON最高，变幅为37.7%～56.0%,平均为46.9%.各种流失形态的氮素中，5 a平均流失的NO^-₃-N与DON在各个处理之间差异不显着，NH⁺₄-N流失以CK显着高于CON、OPT+TR+S、OPT+TR+S+H,PN流失以CON显着高于CK,其他处理间差异不显着（表 5）.

表 5 不同形态氮占氮总流失量的比例（%） Table 5 Percentages of different nitrogen forms of total nitrogen losses under different treatments（%）

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从氮素流失形态构成特征来看，以PN流失形态为主，所占比例最高，约占TN流失量的1/2,其次为NO^-₃-N,而NH⁺₄-N与DON流失比例基本相同，流失比例变幅分别为37.7%～56.0%、26.6%～35.3%、10.5%～14.2%和6.8%～14.6%,平均流失比例分别为46.90%、31.10%、12.58%和9.42%（图 2）.

图 2 不同氮素流失形态构成特征 Figure 2 Distribution of different nitrogen forms in total nitrogen losses

图选项

不同管理措施氮肥流失系数不同，5种管理措施的流失系数变幅为0.81%～1.34%,平均0.99%,以习惯性施肥+顺坡常规耕作（CON）的流失系数最高，优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+高等植物篱（OPT+TR+S+H）的最低（表 6）.在顺坡常规耕作条件下，农民习惯性施肥（CON）的氮肥流失系数较优化施肥（OPT）高出24.0%,未达到显着水平，但CON的流失系数均显着高于横坡垄作的3个处理；在优化施肥条件下，横坡垄作的OPT+TR、OPT+TR+S、OPT+TR+S+H较顺坡耕作OPT降低10.7%、15.7%、20.5%,表明优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+高等植物篱管理措施的氮输出控制效果最佳。

表 6 氮肥流失系数 Table 6 Coefficients of total nitrogen losses

表选项

植被覆盖可有效减少坡耕地水土流失，相应减少养分流失量。蔡崇法等^[15]对三峡库区紫色土坡地养分流失的研究指出，地表植被覆盖度增加，坡地地表径流减少。本研究结果与其相似，CON与OPT处理，玉米、油菜植株生长茂盛，冠层覆盖度增大，相应减少了产流量。而秸秆覆盖与植物篱技术管理措施进一步提高植被覆盖度，大幅度减少径流的产生，较CK降低25%的产流量，从而达到控制黄壤坡耕地氮素养分输出的效果，本研究以OPT+TR+S+H管理措施下氮素流失量最低，与辛艳等^[16]的研究结果一致。

本研究结果表明黄壤坡耕地氮输出总量与产流量极显着正相关，相关系数0.965,与鲁耀等^[9]对云南红壤坡耕地地表径流养分流失特征研究结果类似，但其研究指出不施肥条件下总氮输出最大，而本研究结果为CK管理措施下总氮输出最小。这可能与黄壤本底养分“瘦”这一特有性质有关。美国环保组织规定人畜饮水中的硝态氮质量浓度不能超过10 mg·L^-1,当水体中无机态总氮含量达到 0.2 mg·L^-1、磷酸根离子质量浓度达到0.02 mg·L^-1时，就会引起“藻华”现象的发生^[17].在本研究中，各管理措施的总氮平均流失浓度分别为1.52、5.73、4.50、4.49、4.56、4.70 mg·L^-1,虽然硝态氮平均流失浓度没有超过上述标准，但总氮流失浓度已经严重超过此标准。黄壤坡耕地地表径流氮可成为农业面源污染的重要风险源，应当引起人们重视。

有关坡地氮素养分流失形态的研究较多，一些学者认为以颗粒态为主，如黄满湘等^[18];但另一些研究结果认为耕地中氮素养分流失以溶解态为主，如徐泰平、朱波等^[19].在本研究中，黄壤坡耕地氮素流失以颗粒形态所占比例最大，约占总氮流失量的1/2,可能是黄壤质地粘重、盐基饱和度小等性质所致。由于土壤总氮多为有机氮且与土壤颗粒紧密结合^[20],质地粘重又制约着氮素的坡面降雨-入渗迁移过程，黄壤坡耕地氮素养分以颗粒态流失为主。各管理措施平均流失的可溶性总氮中硝态氮流失量较大，占总氮流失量的31.1%,与其他学者的研究结果相近^[21,22,23].

5 a的监测结果表明，黔中黄壤坡耕地油菜-玉米轮作种植模式下，几种管理措施的平均氮肥流失系数在0.81%～1.34%之间，平均值0.99%,在优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+高等植物篱管理措施下氮肥流失系数最低。这与其他研究结果一致，但流失系数数值比王云等^[24]对江西红壤坡地氮素流失的研究中的数值大得多，说明黄壤坡耕地比紫色土、红壤坡耕地的氮素养分输出情况还要严重。主要原因可能是本研究的坡耕地坡度大（15.1°）造成的，而江西红壤坡地氮素流失研究的坡耕地坡度为7°。刘秉正等^[25]认为，养分流失量随坡度的增加而增大，当坡度小于12°时，养分流失量与坡度的关系为线性；当大于12°时则为幂函数关系。 4 结论

（1）地表径流主要产生于玉米季的5-7月，径流系数15.1%～20.1%,平均18.1%;以优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱的截流效果最好，产流量64.9 mm,较CK减少25.0%.

（2）黄壤坡耕地总氮输出量变幅为2.05～6.98 kg·hm^-2,与径流量呈极显着正相关；优化施肥、横坡垄作显着降低氮输出总量，优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱的氮输出控制效果最佳。

（3）黄壤坡耕地流失的不同形态氮素中以PN最高，占总氮流失量的46.9%;在可溶性总氮（TDN）流失中，以NO^-₃-N流失为主，占TN流失量的31.1%,而NH⁺₄-N与DON差异不显着。

（4）黄壤坡耕地的平均氮肥流失系数为0.81%～1.34%,平均为0.99%;顺坡常规耕作的CON管理措施氮肥流失系数显着高于横坡垄作，以优化施肥+横坡垄作+秸秆覆盖+等高植物篱最低，为0.81%.横坡垄作、优化施肥、秸秆覆盖、等高植物篱是控制黄壤坡耕地地表径流产生、降低总氮输出、降低农业面源污染风险的有效措施。