三峡库区是我国重要的淡水资源库，但自2003年蓄水以来，局部地区水体富营养化频发，目前已有22 条支流出现不同程度的“水华”现象^[1]。氮、磷是水体富营养化的主导因子，降雨和灌溉等会导致土壤中的氮磷通过地表径流和淋溶等方式向水体释放，进而影响库区水质。已有学者^[2-3]对三峡库区不同水体中氮磷浓度的动态变化及土壤中氮磷的径流流失特征进行了研究，但有关三峡库区农田土壤氮磷淋溶损失的研究仍较少。土壤氮磷淋溶不仅降低肥料利用率，还可造成地下水污染。刘宏斌等^[4]在北京地区研究发现农田土壤氮素主要通过地下淋溶途径损失；黄沈发等^[5]研究指出在上海郊区麦地淋溶损失的氮是地表径流的3倍以上，菜地淋溶损失的氮是地表径流的1.5倍左右；袁玲等^[6]对三峡库区紫色土的研究也表明，氮素径流损失远远低于氮素的淋溶损失。此外，虽然磷在土壤中浓度很低，大多以难溶化合物形态存在，但对农田土壤磷素淋溶的研究中同样发现其淋溶损失量与径流损失量相当或者更大^[7-8]。因此，无论从农业生产角度，还是环境保护角度，对农田土壤中氮、磷的地下淋溶情况进行研究均显得尤为必要。

土壤养分淋溶研究已成为农业与环境科学工作者关注的热点问题。由于土壤养分具有较大的空间异质性，采用何种方法才能反映农田土壤养分淋溶损失的真实情况，是研究这一热点的关键环节。目前，国内外采用的方法主要有多孔吸盘法^[9-11]和渗漏计法^[11-18]。Pampolino 等^[11]利用多孔吸盘法、渗漏计法和离子交换树脂法研究土壤NO₃^--N 的淋溶情况，结果表明，利用混合阴阳离子交换树脂法收集的NO₃^--N 浓度最接近田间真实浓度。混合阴阳离子交换树脂法是一种很有前途的技术，有研究表明该方法不仅可以密集布点、原位定点研究土壤养分动态变化，而且所获得的数据还可以有效反映田间的实际情况^{[6, 10-12, 19-20]}。

桑树在三峡库区拥有较大的种植面积，农作-桑树系统作为一种农林复合模式在西南丘陵地区已经广泛推广应用^[21]，其在紫色土坡耕地水土保持及面源污染控制方面有着突出贡献^[22-23]。谢雪东等^[24]研究指出，桑-作系统能够有效控制三峡库区坡耕地土壤氮磷的径流流失。那么，不同桑树配置模式是否也会影响土壤氮磷的淋溶损失？哪种桑树配置模式的效果最佳？对此，本研究在三峡库区涪陵珍溪镇王家沟小流域内，通过横坡农作与不同桑树种植方式相结合的方式，利用阴阳离子交换树脂收集土壤淋溶液，旨在了解三峡库区紫色土旱坡地农田氮磷养分渗漏淋失的实际情况，为治理三峡库区农业面源污染及土壤养分资源管理提供更加全面的科学依据。

研究基地修建于重庆市三峡库区涪陵珍溪镇王家沟小流域(29º30′N，107º18′E，海拔330m)的坡腰位置。该流域属亚热带季风气候区，年均气温22.1℃，年均降水量1130 mm，夏秋季降雨量多，冬春季次之。

试验共设4个处理：横坡农作(CT)；横坡农作+三带桑树(T1)；横坡农作+四边桑树+等高桑树(T2)；横坡农作+四边桑树(T3)。每个处理设2个重复(对照处理CT 除外)，共7 个小区，各处理小区统一修建坡度为9º，坡向西北，四周用水泥墙分割，长、宽、高分别为12、4、0.75 m的斜坡。四边桑带宽0.5 m，横坡桑树带间距5.25 m，具体设计见参考文献^[24]。各处理桑树均为2011年10月种植。各处理的农作方式均为玉米-榨菜轮作，各试验田的化肥施用量均相同，即：玉米季氮肥(N)313 kg·hm^-2，磷肥(P₂O₅)94 kg·hm^-2，钾肥(K₂O)131kg·hm^-2；榨菜季N 341 kg·hm^-2，P₂O₅ 206 kg·hm^-2，K₂O184 kg·hm^-2。其他田间管理措施与当地农民一致。

试验区土壤类型为紫色土，试验开始前对试验区土壤基本理化性质进行测定，结果见表 1。

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Basic properties of tested soil

表选项

考虑到桑树与农作物对土壤氮磷淋溶的整体影响，采样点并没有刻意设置在桑树植株附近，而是在小区内部采用“S”型布点。每个采样点安装1 个氮磷收集装置，共安装42个。埋设收集装置时，从样点侧面移开土壤，于60 cm 深度处将收集装置由侧面水平放入，然后将土壤恢复原状。于2013 年3月埋入第一批收集装置，9 月玉米收获后挖出，随后埋入第二批收集装置，并于2014年2月榨菜收获后挖出。土壤下渗液中氮磷收集装置的外部为内径×高=5 cm×10 cm的塑料管，中间放置12 g阴阳离子交换树脂(Dowen ^TM Marathon^TM MR-3 Mixed Ion Exchange Resin)，在其两端用尼龙纱布拦截，树脂两边填充清洁的石英砂(砂粒直径约为3 mm)，最后将装置的上下端用尼龙纱布封口(图 1)。

图 1 土壤渗漏液收集吸附装置示意图 Figure 1 Apparatus for collecting leaching solution in soil

图选项

将每个采样点收集的阴阳离子交换树脂放置于三角瓶中，加入200 mL浓度为2 mol·L^-1的KCl，振荡8 h(室温)，取出静置后，提取一部分浸提液，经碱性过硫酸钾密闭消化(121 ℃，30 min)后，分别采用紫外比色法(于220 nm 波长处)和钼蓝比色法(于880 nm波长处)测定溶液中的TN 和TP；另一部分经0.2 μm醋酸纤维滤膜(日本东洋滤纸株式会社)过滤，然后分别用流动注射分析法和靛酚蓝比色法测定滤液中的NO₃^--N 和NH₄⁺-N。此外，在实验室将12 g阴阳离子交换树脂放入收集装置中，然后取两种不同浓度梯度的氮磷标液(氮标液浓度为9、14 mg·L^-1，磷标液浓度为0.25、0.5 mg·L^-1)均匀淋于树脂上，3 d后按照上述方法提取并测定树脂吸附的NO₃^--N、NH₄⁺-N和TP，计算回收率。其中，硝态氮回收率为0.84，铵态氮回收率为0.9，总磷回收率为0.85。

假设土壤氮磷的淋溶液只通过垂直渗漏的方式进入收集装置，单位面积的氮磷淋失量可按下式计算：

点击浏览公式

式中：Y 为氮(磷)素淋失量，kg·hm^-2；q 为树脂吸附量，mg；R 为收集管上端口半径，cm；α为回收率。每个处理有2个重复，共计12 个采样点。下文中土壤氮、磷淋失量为这12个样点的平均值，对照处理为6个样点的平均值。

不同处理间土壤氮、磷淋失量差异性比较采用单因素方差(One-way ANOVA)分析结合Fisher′s LSD检验法(SPSS Version 20，IBM)。

由图 2 可见，CT、T1、T2 和T3 在玉米季土壤TN的淋失量为10.19~11.37 kg·hm^-2，均值为10.66 kg·hm^-2。这与黄沈发等^[5]研究的麦地氮素渗漏淋失量13.98 kg·hm^-2相近，而高于易时来等^[13]研究的小麦生长期氮素淋失量4.81 kg·hm^-2，可能与供试土壤类型、肥力特性和作物种类有关。在榨菜季土壤TN 的淋失量为11.06~12.23 kg·hm^-2，均值为11.76 kg·hm^-2(图 2)，高于易时来等^[14]研究的油菜季TN 淋失量3.35kg·hm^-2，低于黄沈发等^[5]研究的菜地TN 渗漏流失量34.05 kg·hm^-2。这可能与作物种类、氮肥用量、降雨量、气温以及土壤性质等有关，因为这些因素均会影响氮素在土壤中的迁移和渗漏淋失。

图 2 不同桑树配置模式下土壤TN淋失量 Figure 2 Leaching amount of TN in different crop-mulberry systems

图选项

CT、T1、T2、T3 四个处理中TN 的年淋失量变化范围为21.25~23.43 kg·hm^-2，均值为22.42 kg·hm^-2(图 2)。该淋失量低于袁玲等^[6]对三峡库区坡耕地40cm 土层氮素淋失量的研究结果(46.01 kg·hm^-2·a^-1)，可能与收集土壤渗漏液的深度有关。吴家森等^[15]研究指出不同深度土壤渗漏液中TN 浓度变化呈上高下低的趋势。土壤渗漏液中TN 淋失量与其浓度变化具有高度一致性^[16]，故本研究结果(将淋溶至60 cm 以下的氮素视为淋溶损失)低于袁玲等的研究结果。

图 3 和图 4 显示的分别是不同桑树配置模式下土壤NO₃^--N 和NH₄⁺-N 的淋失量。具体表现为：各处理土壤NO₃^- -N 的淋失量在玉米季为6.11~6.41 kg·hm^-2，均值为6.23 kg·hm^-2；在榨菜季为7.63~8.76 kg·hm^-2，均值为8.09 kg·hm^-2(图 3)；各处理玉米季NH₄⁺ -N 的淋失量为3.87~5.26 kg·hm^-2，均值为4.44kg·hm^-2；榨菜季为3.29~4.21 kg·hm^-2，均值为3.67kg·hm^-2(图 4)。从不同作物种植季来看，CT、T1、T2、T3 四个处理中土壤NO₃^- -N 的淋失量均为榨菜季高于玉米季(榨菜季高出玉米季29.9%)，而土壤NH₄⁺-N则相反(玉米季高出榨菜季21%)。这与袁玲等^[6]的研究结果不同，其研究表明无论NO₃^--N，还是NH₄⁺-N的淋溶量均为菜地高于玉米-小麦轮作的坡地，可能与试验田坡度以及土地利用类型有关。

图 3 不同桑树配置模式下土壤NO3--N 淋失量 Figure 3 Leaching amount of NO3--N in different crop-mulberry systems

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图 4 不同桑树配置模式下土壤NH4+-N 淋失量 Figure 4 Leaching amount of NH4+-N in different crop-mulberry systems

图选项

各处理土壤NO₃^- -N 的年淋失量为13.77~14.88kg·hm^-2，均值为14.32 kg·hm^-2(图 3)；NH₄⁺-N 的年淋失量为7.48~8.77 kg·hm^-2，均值为8.10 kg·hm^-2(图 4)。对比图 2 可以看出，土壤氮素渗漏淋失以NO₃^--N 为主，其平均淋失量占TN 年均淋失量的63.9%，NH₄⁺-N则占36.1%。这与高忠霞等^[17]研究结果相似，但低于习斌等^[18]研究结果，可能与土壤性质、施肥水平、管理措施等因素有关。农田土壤中各种形态的氮素通过硝化细菌很容易氧化为NO₃^--N，因为NO₃^--N 带负电而很难被土壤颗粒吸附^[25]，所以比较容易流失；NH₄⁺-N 在土壤中易被胶体吸附和被矿物晶穴固定，且在一定作用下会发生硝化作用转变为NO₃^--N，故其淋溶流失不如NO₃^--N 强烈，但当施肥量超过某一临界值时，NH₄⁺-N 的淋溶流失量也会显著增加^[26]。因此，控制氮肥施用量是降低流域内氮素渗漏淋失的关键。

有研究结果显示，植物篱能很好地改善土壤理化性质，有效控制水土流失，对地表径流产生一定的拦截效应^[24]。然而，本研究中，无论在玉米季还是在榨菜季，各个处理之间土壤TN、NO₃^--N 及NH₄⁺-N 的淋失量均无显著差异(P＞0.05)，说明不同的桑树配置模式对紫色土旱坡地土壤氮素渗漏淋失的影响效应并不明显。这可能与桑树的种植年限有关，因为对于2 年生的幼桑来说，其根系还不发达，对土壤氮磷渗漏流失的拦截效果还不明显。

从不同作物种植季来看，各个处理中土壤TP 淋失量均较小(图 5)。不同处理下土壤TP的年淋失量在0.19~0.21 kg·hm^-2之间变化，均值为0.20 kg·hm^-2，该淋失量略低于李学平等^[27]研究的紫色土稻田磷素淋失量0.262 kg·hm^-2。显著性分析结果表明，无论玉米季或榨菜季，不同处理之间土壤TP淋失量均无显著差异(P＞0.05)，说明不同的桑树配置模式对该流域农田土壤磷素渗漏淋失的影响效应并不明显。土壤对于磷素的固定能力很强，有研究表明磷肥大多施用在耕作层，下层土壤含磷量很低，而且可以吸持和容纳大量磷素，所以磷沿土壤剖面下渗的可能性不大^[28-29]，即使60 cm以下土壤溶液中的磷全部淋溶出来，其淋溶量也很小。

图 5 不同桑树配置模式下土壤TP渗漏淋失量 Figure 5 Leaching amount of TP in different crop-mulberry systems

图选项

玉米季各处理土壤TN、TP 淋失量的变异系数分别在4.90%~17.72%、30.01%~80.03%之间，榨菜季在19.77%~29.74%、31.62%~70.74%之间，说明土壤TP 淋失量的变异性大于TN 淋失量的变异性。这一结果可能是由两种原因产生的：其一、假设土壤氮磷的淋溶液只通过垂直渗漏的方式进入收集装置，那么施肥不均以及氮磷矿化量的不同可能导致不同采样点之间氮磷的淋溶量有差异，而有机氮的矿化量与氮素淋溶量有密切关系^[30]。紫色土坡耕地氮素矿化量变幅较小^[31]，可能导致土壤氮素淋失量的变异比较小。其二、变异系数是原始数据标准差与平均数的比值。无论在玉米季还是在榨菜季，各处理土壤TN、TP淋失量的标准差均相差不大，但前者的平均值远远大于后者，则可能导致TP 淋失量的变异性大于TN 淋失量的变异性。但是具体原因还需要做进一步的研究。

本研究结果显示，土壤TN 的年淋失量为TP 的101.2~123.3 倍，说明不同桑树配置模式下紫色土旱坡地土壤养分渗漏淋失以氮素为主。因此，控制该流域农业面源污染应着重控制氮肥施用量。氮磷化肥配施有机肥可以提高氮肥利用效率，抑制硝化作用，进而降低氮素淋失量。也可以将研究基地下坡的稻田作为一种缓冲带拦截氮磷的渗漏流失，进而减少三峡库区农业小流域氮磷的面源污染。

尽管目前国内关于土壤氮磷养分淋溶的研究较多，但大多采用渗漏计的方法，利用阴阳离子交换树脂吸附法鲜有报道，因此缺少大量可比较和借鉴的资料，研究范围有限，故试验结果有待进一步检验。

(1) 不同桑树配置模式下紫色土旱坡地土壤总氮的年淋失量变化范围为21.25~23.43 kg·hm^-2，总磷的年淋失量变化范围为0.19~0.21 kg·hm^-2。土壤硝态氮和铵态氮对总氮年淋失量的平均贡献率分别为63.9%和36.1%，硝态氮是土壤氮素渗漏淋失的主要形式。

(2) 不同桑树配置模式对三峡库区紫色土旱坡地土壤氮磷渗漏淋失的影响效应并不明显，可能是因为桑树种植年限较短，其根系还不发达所至。

(3) 土壤总氮的年淋失量为总磷的101.2~123.3倍，不同桑树配置模式下紫色土旱坡地的养分渗漏淋失以氮素为主。