人口的增长、生活水平的提高推动了农业产业结构从曾经单一的以粮为主到粮果复合种植再到种养结合的变革，改变了农业生态系统氮素循环，增加了环境的氮负荷，带来了全球性的生态环境问题^[1]。山东小清河流域上游地区，畜禽养殖产生了整个流域58％的粪便量，氮素污染负荷高于欧盟的最高限制标准（250 kgN·hm^-2），极大地影响了其水体环境^[2]。海河流域^[3]畜禽养殖贡献了81%的农业面源污染，其次为农村生活污水（15.7%）和种植业（3.3%）。从氮的形态来说，运用土壤流失方程与GIS技术研究了大流域尺度和跨流域的行政区域流失的泥沙吸附态氮^{[4, 5, 6]}，获得了农田、高盖度天然林地等不同土地利用类型影响硝态氮与铵态氮、泥沙吸附态氮的认识^{[7, 8]}。

岩溶区农业生态系统因其特殊的水文、岩土结构表现出环境脆弱性^[9]，对氮素流失的响应有别于非岩溶区农业系统。贵州省龙里县羊鸡冲岩溶小流域，利用卡口站监测到氮流失的月均浓度为0.729~1.2 mg·L^{-1 [10]}；Cuo等^[11] 研究了柳州官村地下河系统的NO₃^--N浓度（0.58~3.48 mg·L^-1）及其年流失量（2.12×10⁴ kg）；Liang 等^[12] 估算了峰丛洼地区作物、畜禽等农产品氮输出和NH₃的流失。本文在参考区域氮循环模型的基础上，以桂林寨底地下河系统为例，通过地下径流水土流失、挥发和农产品输出等途径开展西南岩溶区典型地下河农业系统氮流失研究，为防治漓江流域氮的面源污染、建设桂林国际旅游胜地提供科技支撑。

寨底地下河农业系统位于桂林市东部灵川县海洋乡境内，地理坐标为25°13′59″~25°18′19″N，110°32′36″~110°37′22″E。

该系统属亚热带季风气候区，四季分明，多年平均降水量1601 mm。系统外，北部的地表水属于湘江水系，由南向北流；南部则为漓江水系，从北往南流。系统内，接受的大气降水以及部分岩溶地下水仅在响水岩以北形成地表径流，之后渗入地下，最终在南部的潮田乡寨底村北部的地下河出口流出，汇入漓江一级支流潮田河中（图 1）。 寨底地下河农业系统是一个典型的农耕区，系统面积约33 km²，草地、林地等生态用地约占70%，其余为耕地（稻田为主）、园地（果园为主）、居民地和少量工矿用地与裸地。总人口数约3200人（580户），常住人口数1300人。年出栏猪1900头、家禽3000只，役用牛160头。

1- 地表水系及其流向；2-地下河管道及其出口；3-天窗； 4-落水洞；5-寨底地下河系统边界 图 1 寨底地下河系统水系图 Figure 1 Drainage map outside/inside Zhaidi underground river system

图选项

区内输出的农产品主要有桃、李、柑橘、银杏和猪等。水稻等粮食作物自给自足，不作为产品输出。由于难以统计自产农产品消费的数量，每项农产品输出量以其产量替代，则有：

农产品输出N=农产品输出量×农产品含N率

果品输出量为调查所得的种植面积与单产之积，果品含N率由干重的含N量乘以干重/湿重求得。而猪肉输出量为年出栏数乘以每头猪的重量和出肉率（取0.7），猪肉含N率由猪肉蛋白质含量（取15%）和蛋白质含N率（取16%）相乘获得。主要农产品N计算参数的取值与依据见表 1。

表 1 农产品输出N计算特征值 Table 1 Eigenvalues for computing N outputs of farm products

表选项

水土流失输出N主要由地下水中水溶态N和泥沙吸附态N两部分构成。

按地下水污染地质调查评价规范（中国地质调查局地质调查技术标准，DD2008-01），系统地开展地下水水质和流量监测，每月一次在寨底地下河出口测定流量并采集水样。水样送中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶地质资源环境测试中心，分析其中NO₃^-、NH₄⁺、NO₂^-含量等；流量用矩形堰或流速仪测量后换算而得（表 2）。

表 2 寨底地下河出口流量和溶解态氮含量 Table 2 Discharge and soluble nitrogen at exit of Zhaidi underground

表选项

地下水中水溶态N=水体N浓度×流量

以2008—2012年每月监测的“三氮”含量和流量均值相乘^{[20, 21]}，求得随地下河水流失的水溶性氮的月平均值。

1.3.3 岩溶地下水中泥沙吸附态N计算

岩溶地下水中泥沙吸附态N=地下河系统面积×单位面积吸附态氮的流失量

单位面积吸附态氮的流失量受气候（降雨量）、地质（土壤类型、成土速率等）、地貌分异（水动力差异）、植被等自然因素和土壤氮质量分数（主要是施肥的贡献）、土地利用等人为因素控制。珠江流域年降雨量1200~2200 mm，多年平均侵蚀模数为1.49×10⁵~5.11×10⁵ kg·km^-2，多年平均输沙模数为1.74×10⁵~2.01×10⁵ kg·km^-2。据杨胜天等^[22] 研究，珠江流域年单位面积吸附态氮的流失量为530 kg·km^-2，且重点流失区主要分布在红水河、柳江、西江以及北江的上游地区。寨底地下河系统位于西江中游的桂江中上游（即漓江），多年平均输沙量6 973.2 t（泥沙输移比0.41），输沙模数2.11×105 kg·km^-2，比珠江略高，与西江相仿（2.25×10⁵ kg·km^-2）^[23]。因此，取珠江流域的单位面积吸附态N的流失量（530 kg·km^-2）来计算寨底地下河水泥沙吸附态N是基本可行的，其结果可能略偏小。

据研究^{[24, 25]}，寨地地下河农业系统内没有或者很少发生反硝化作用，不考虑气态的氮氧化物输出，主要计算耕地、果园施肥和人畜粪便等途径氨挥发输出的氮。

将研究区人畜数量及其排泄量与人畜排泄物含氮率及其挥发率相乘，可得出人畜排泄物挥发的氮量。同理，将果园和耕地面积、单位面积施肥量、肥料含氮量及其挥发率相乘，计算出果园和耕地肥料的挥发氮量。核用银杏因近年价格低且施肥少、甚至不施肥，故不列入氮挥发输出计算。在给计算参数赋值时，没有进一步区分成人与小孩，畜禽分别按生猪、役用牛和蛋鸡来处理，因此人粪便挥发性氮量会偏大。以上计算特征值赋值见表 3和表 4。

表 3 耕地和果园氨挥发特征值 Table 3 Eigenvalues for computing N outputs by ammonia volatilization in cultivated area and orchards

表选项

表 4 人畜粪便氨挥发特征值 Table 4 Eigenvalues for computing N outputs by ammonia volatilization of human and animal excreta

表选项

由表 2知，寨底地下河出口每月随地下河水流失的溶解态氮浓度为3.054~8.20 mg·L^-1（年平均浓度为5.71 mg·L^-1）。水中溶解态氮类型为NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N，其中NO₃^--N占99.2%（92.8%~100%）。通过计算可得，寨底地下河农业系统每月经地下河水损失的溶解态氮为94.3~8217 kg（平均2187 kg），全年流失量为2.62×10⁴ kg，占水土流失氮的60%。这一结果与同属珠江流域的面积为30.5 km²的官村地下河流失量相当^[11]。在1981年8月至1982年7月的一个水文年中（降雨量约1600 mm），寨底地下河出口月平均流量约164.9 L·s^-1，水中硝酸盐浓度均值为2.43 mg·L^-1（广西壮族自治区地质矿产局，1983），计算出流失的溶解态氮为0.29×10⁴ kg。可见，30年中寨底地下河年流失的溶解态氮增加了约8倍，反映了“三农”变革与全球气候变化下极端降雨事件的双重影响。

流失的溶解态氮呈季节性变化，与降雨量、地下河流量关系密切（图 2）。92.7%的氮流失集中在雨季，雨季后氮的流失急剧减少。地下河水NO₃^-中15N、18O研究结果表明^{[24, 25]}，上半年流失的溶解态氮以化肥源为主（61%），而下半年主要源于动物粪便与污水源氮。这与寨底地下河农业系统主要农作物的施肥多集中在上半年的调查结果基本吻合。从1月到6月，桂林月均气温和降水量增加，意味着施肥期与雨热同季的耦合驱动了化肥源氮的大量流失。

图 2 寨底地下河流量、溶解态氮与降雨量的月际变化 Figure 2 Monthly changes in precipitation，discharge and water- soluble N in Zhaidi karst underground river

图选项

通过计算，寨底地下河水泥沙吸附态氮为1.75×10⁴ kg N·a^-1，占水土流失氮的40%。研究表明^[6]，嘉陵江流域（年均降雨量约1000 mm）草地年单位面积吸附态氮的流失量为334 kg·km^-2，若简单地考虑降雨量与吸附态氮呈线性关系（实为指数关系），可推算寨底地下河农业系统草地（面积占40%）的年单位面积吸附态氮的流失量为534 kg·km^-2，与前述的珠江流域年单位面积吸附态氮的流失量大致相近。依据年均侵蚀模数（5.15×105 kg·km^-2）与年单位面积吸附态氮的流失量（530 kg·km^-2），寨底地下河水泥沙吸附态氮浓度为1.03 g·kg^-1泥沙^[23]。

寨底地下河农业系统每年氨挥发逸失的氮约3.91×10⁴ kg，以稻田逸失氨氮为主，约2.21×10⁴ kg·a^-1，占56.52%，是所施尿素转化与石灰土双重因素影响的结果^[32]。其次为桃园，约0.6×10⁴ kg·a^-1，占15.35%，其余途径逸出的氨态氮为0.1×10⁴~0.3×10⁴ kg·a^-1（图 3）。

图 3 寨地地下河农业系统氨挥发流失的氮 Figure 3 Nitrogen losses by ammonia volatilization in agricultural system of Zhaidi karst underground river

图选项

寨底地下河农业系统农产品输出的氮约为2.06×10⁴ kg·a^-1，占流失氮的20%，其中：鲜桃输出的氮为0.82×10⁴ kg·a^-1，占39.81%；柑橘和李子输出的氮相当，分别为0.43×10⁴ kg·a^-1和0.40×10⁴ kg·a^-1，分别占20.87%和19.42%；猪肉输出氮0.29×10⁴ kg·a^-1，占14.08%；银杏输出的氮最少，约0.12×10⁴ kg·a^-1，仅占5.83%。这表明系统内由曾经简单的粮-银杏到现在的粮-桃、柑橘、李、银杏复合种植结构的调整，大大增加了农产品的氮输出。

寨底地下河农业系统以水稻和林果为主的种植结构、传统的耕作方式与农村生活条件是影响氮素流失的主要因素。该地区年流失氮素总量为1.03×105 kg，其中水土流失氮4.37×10⁴ kg，氨挥发逸失氮3.91×10⁴ kg，农产品输出氮2.06×10⁴ kg。该系统流失氮素的80%以液态和气态进入地表水体和大气环境，其面源污染增加了漓江流域的生态环境压力。 寨底地下河农业系统每年通过水土流失的溶解态氮为纯N 2.62×10⁴ kg，其中99%为NO₃^--N，且上半年以化肥源为主，比30年前增加了约8倍；泥沙吸附态氮为1.75×10⁴ kg，流失量约相当于 1.03 gN·kg^-1泥沙。

寨底地下河农业系统氨损失的氮一半以上源自稻田，因此需要从肥料种类、施肥量、施肥深度等方面综合管理以减少稻田氨挥发。