农业面源污染是引起流域水环境问题的主要原因^[1]，控制小流域地表径流引起的氮磷营养元素流失是从源头解决面源污染发生的关键所在^[2]。农业面源污染物质输出过程除了受土壤质地、降雨特征、施肥管理等因子影响，还与土地利用方式密切相关。余进祥等^[3]证实桔园和茶园地表覆盖好、耕作少的土地利用方式总氮基础输出负荷明显低于水旱轮作、旱地、水田等土地利用方式。吕唤春等^[4]对千岛湖流域坡地降雨径流中氮磷浓度变化进行监测和分析，发现不同土地利用方式下降雨径流中总氮浓度变异较大，受人工干扰少的林地总氮流失浓度最低。宋泽芬等^[5]和孟庆华等^[6]的研究也表明，不同土地利用方式可以显著调节系统的水分分配和土壤侵蚀，对生态系统养分的径流输出也有影响，由此产生的面源污染差异更是巨大。因此，根据不同土地利用方式下营养元素流失差异调整农业结构，可以有效遏制农业面源污染的发生发展。

合溪水库是浙江长兴县近40万人的生活饮用水源地，近几年来，合溪水库水体富营养化程度加剧，库区周边约2330 hm²耕地输出的面源污染严重威胁该流域水环境状况。目前，国内外学者大多利用野外或室内模拟人工降雨的方法获得相关参数进行定量研究^[7-11]。然而，由于人工降雨存在局限性，无法长期精确分析不同季节降雨强度、降雨持续时间和径流量以及不同土地利用方式下氮磷养分输出特征之间的关系，降低了研究的可信度。本研究采用田间试验法，在合溪水库集水区选择旱地、水旱轮作地、林地、休闲地、苗木地设置径流小区，开展自然降雨条件下集水区不同施肥方式和不同种植模式农地径流氮素的输出形态和流失特征研究，为优化调整合溪水库集水区土地利用结构提供科学依据，以达到减少集水区农业面源污染输出和改善合溪水库水质的目的。

试验区设在浙江省长兴县环境监测站合溪水库集水区(31°5′30″N，119°42′22″E)，距离水库集水区雨水入库口10 km，集雨面积235 km²，流域范围119°37′—119°49′E。该地区气候属亚热带南缘季风性气候，四季分明，气候温和，雨量充沛，无霜期长，年平均气温15.6 ℃，全年平均雨日为144 d，多年平均降雨量为1309 mm，主要集中在4—9月。土地利用方式主要为林地和农林地复合利用，采集耕作层(0~20 cm)土壤，不同土地利用方式下土壤理化性质详见表 1。

表 1 合溪水库集水区不同土地利用方式下土壤理化性质 Table 1 Soil properties under different land uses in Hexi Reservoir

表选项

利用自然降雨条件下的定位实验定量研究不同土地利用方式下径流氮素流失特征，在集雨区选择旱地、水旱轮作地、林地、休闲地、苗木地5种典型农地建立10个径流小区(每种利用方式设立两个平行小区)，各小区面积均为4 m×4 m，小区间起垄四周用塑料薄膜隔开，防止小区间的水相互流动，膜埋深50~80 cm。每个小区留一排水口，并在排水口处安装一根长1~3 m、内径10 cm的PVC管，出水口接一个容量约1 m³的加盖径流池以收集降雨后的径流。每次降雨后立即记录各小区产生的径流量并采集径流样品，样品随即放入冰箱保存以便之后实验室分析。

径流小区定位试验持续一年，即2015年4月至2016年3月。试验期间所用肥料为复合肥(总养分≥48%，N-P₂O₅-K₂O=16-16-16)。土地利用方式和管理水平如表 2所示。

表 2 试验小区土地利用方式和管理水平 Table 2 Land use pattems and management levels of study plots

表选项

试验期间，在自然降雨结束并产生径流流失的情况下，采集各小区的径流样品并根据径流池中径流的体积计算各小区产生的径流量。采集的地表径流水样静置后分为两部分：一部分用于测定总氮(TN)，另一部分水样经0.45 μm滤膜过滤后用于测定溶解性氮(DN)、硝态氮和铵态氮，颗粒态氮(PN)利用差减法计算得出。各指标测定方法参考《水和废水监测分析方法》^[12]，即总氮、溶解性氮用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，铵态氮用纳氏试剂光度法测定，硝态氮用紫外分光光度法测定。

各种土地利用方式下不同形态氮的流失通量按下式计算：

式中：L_i为一场降雨中第i种土地利用方式下不同形态氮的流失通量，mg；C_ti为第t场降雨第i种土地利用方式下不同形态氮浓度，mg·L^-1；Q_ti为第t场降雨第i种土地利用方式下不同形态氮径流量。

采用SPSS 17软件进行数据统计分析，差异显著性分析采用LSD法，显著性水平设定为α=0.05。

表 3是定位试验期间(2015年4月至2016年3月)不同土地利用方式下降雨量和径流量分布情况。试验期间合溪水库集水区总降雨量为1 606.7 mm，降雨多出现在梅雨期和台风季节，7月份降雨量最大，其次为6月份。6—9月的降雨量为814.6 mm，占总降雨量的50%；而2015年12月至2016年3月降雨量为224.1 mm，仅占总降雨量的13.9%。试验结果显示，不同土地利用方式径流量与降雨量呈显著正相关关系，相关关系分别为：旱地R²=0.763 3；水旱轮作地R²=0.720 2；休闲地R²=0.540 9；林地R²=0.614 7；苗木地R²=0.671 7。降雨量是不同土地利用方式地表径流产生的原动力，降雨量越高，径流增加越显著^[13]。

表 3 合溪水库集水区不同土地利用方式下降雨径流特征 Table 3 Characteristics of rainfall and runoff under different land uses in Hexi Reservoir

表选项

总体来看，试验期内不同土地利用方式产生的径流量差异明显，径流量为林地＜休闲地＜苗木地＜旱地＜水旱轮作地，即林地的径流量最少为360.3 m³·hm^-2，休闲地和苗木地的径流量高于林地，分别是900.9、1 031 m³·hm^-2，旱地和水旱轮作的土地利用方式径流量远远高于林地，分别是林地的12倍和14倍。分析其原因：水旱轮作地在植稻期间过量灌溉和烤田时大量排水造成径流量增大；旱地以种植应季蔬菜瓜果为主，人为耕作频繁，植被覆盖度低，对降雨的截留作用减弱，径流量增加；没有农事活动的休闲地和林地植被覆盖度较高，增加了对径流传递的阻碍作用^[14]，二者径流量减少且差异不大。可见，土地利用方式与降雨产生的径流流失密切相关，是造成不同土地利用方式径流量差异的重要因素。这一结果与Nie等^[15]的研究结果一致。

图 1是试验期间合溪水库集水区不同土地利用方式下径流水相各形态氮素浓度随时间变化的动态特征。

图 1合溪水库集水区不同土地利用方式下各形态氮素浓度动态变化 Figure 1Dynamic change of various nitrogen concentration under different land uses in Hexi Reservoir

图选项

不同土地利用方式地表径流水相总氮浓度的动态变化特征既表现出相似性，也存在显著差异(图 1a)。水旱轮作地、旱地、苗木地、休闲地和林地径流小区的总氮流失平均浓度分别为(2.60±1.13)、(2.21±0.99)、(2.88±0.93)、(0.37±0.11)、(0.36±0.12) mg·L^-1。水旱轮作地、苗木地和旱地径流水样中总氮浓度波动随时间的变化最为剧烈，波动范围分别是0.90~4.34、1.80~4.14、1.13~3.99 mg·L^-1；休闲地、林地径流水样中总氮浓度波动随时间的变化表现相对平缓，波动区间分别为0.22~0.52、0.17~0.63 mg·L^-1。径流水样中总氮流失平均浓度苗木地最大，其次是水旱轮作地、旱地和休闲地，林地最小，休闲地和林地差异不显著。水旱轮作地总氮流失浓度在6月达到峰值3.87 mg·L^-1，10—12月总氮流失浓度从0.89 mg·L^-1逐步上升到4.13 mg·L^-1。形成这一变化特征的原因可能是：6—9月降雨频率高、雨量大，苗木地、水旱轮作地和旱地在此期间施用了不同数量的复合肥，短时间内不能被植物吸收导致大量养分残留在土壤表面，从而更容易随降雨径流流失，水体总氮平均浓度升高。可见，流域水体总氮浓度的高低受降雨和施肥叠加效应的影响，盛夏追肥期逢雨季，土壤表面氮磷严重流失，增加水体污染负荷，与郭泽慧等^[13]的研究一致。

径流水相中的氮素主要以溶解态氮和颗粒态氮两种形态输出，由图 1b可知，颗粒态氮的浓度随时间变化趋势与总氮浓度变化趋势相似。苗木地颗粒态氮平均浓度最高(1.99 mg·L^-1)，其次为水旱轮作地(1.60 mg·L^-1)、旱地(1.36 mg·L^-1)，林地和休闲地相差不大，平均浓度分别为0.28、0.24 mg·L^-1。旱地、水旱轮作地、苗木地、休闲地、林地颗粒态氮径流流失浓度最大值分别出现在5、6、7、7、12月，分别为2.61、2.77、3.35、0.38、0.49 mg·L^-1。旱地、水旱轮作地和苗木地小区径流颗粒态氮浓度随时间变化波动剧烈，三者全年波动范围分别是0.60~2.61、0.53~2.77、0.20~3.35 mg·L^-1。除流失峰值外，休闲地和林地径流颗粒态氮浓度变化幅度较小，且径流颗粒态氮浓度都处于较低水平，两种土地利用方式下小区径流颗粒态氮浓度波动范围分别是0.09~0.38、0.08~0.49 mg·L^-1。旱地、水旱轮作地和苗木地土地利用方式，径流颗粒态氮流失浓度是休闲地和林地的4.9~8.3倍。结合表 1和表 3分析可知，不同土地利用方式颗粒态氮流失量主要集中在6月和7月。这是因为颗粒态氮的流失以泥沙为载体，6月和7月降雨量均超过240 mm，5种不同土地利用方式产流量也较其他月份高，泥沙侵蚀带来的颗粒态氮流失随之增多。

同时，还可发现不同处理的小区中径流颗粒态氮浓度均与径流总氮浓度接近，旱地、水旱轮作地、休闲地、林地和苗木地径流中颗粒态氮分别占总氮的61.67%、61.42%、65.09%、75.56%和69.11%。这说明在降雨时，雨水与土壤表层相互作用产生的径流中只有一小部分为溶解态氮，氮主要富集在土壤细颗粒中随径流输出^[16]。因此，选择适当的土地利用方式和管理模式有助于减少随地表径流流失的营养元素，降低地表水的面源污染风险。

不同土地利用方式下小区的径流水样中硝态氮浓度动态特征如图 1c所示。旱地和水旱轮作地小区径流硝态氮浓度在11月达到峰值，分别为1.01、1.85 mg·L^-1；休闲地、林地、苗木地小区硝态氮径流流失浓度峰值出现在12、5、2月，分别为0.14、0.14、1.98 mg·L^-1。和总氮浓度变化特征一样，旱地、水旱轮作地和苗木地径流水相中硝态氮浓度随时间变化幅度相对较大，三个小区水样硝态氮浓度波动区间和平均值分别是0.29~1.01、0.38~1.85、0.17~1.98 mg·L^-1和(0.58±0.24)、(0.74±0.55)、(0.67±0.54) mg·L^-1；休闲地和林地径流水相中硝态氮浓度随时间的变化相对平稳，波动区间和平均值分别是0.01~0.14、0.01~0.14 mg·L^-1和(0.08±0.04)、(0.06±0.04) mg·L^-1。旱地、水旱轮作地和苗木地三种土地利用方式径流中硝态氮浓度随时间的变化趋势都是先升高，于5月达到相对峰值，之后降低，并于12月和2月达到另外二个相对峰值，该变化特征的形成原因与硝态氮本身的性质有关，并受降水、灌溉、施肥等因素影响，硝态氮不易被土壤胶体吸附，容易发生淋失。旱地5月、苗木地12月施入的氮肥是造成硝态氮浓度达到相对峰值的主要原因，冬季降雨量少，对硝态氮稀释作用减小，其浓度升高。另外，5月和12月试验小区进行翻耕、整地，农事活动为表层土壤带来丰富的氧气及微生物活性的释放，氮素发生硝化作用形成硝态氮，遇降雨随径流流失^[17]。年均流失的硝态氮占总氮的比例(表 4)分别是26.21%、28.56%、16.35%、21.30%和23.20%，说明硝态氮是氮素流失的第二主要形式。休闲地和林地径流中硝态氮浓度全年均处于较低状态，且显著低于旱地、水旱轮作地和苗木地，前二者分别为后三者的14%、7%和7%，进一步证明硝态氮的流失与土地利用方式和耕作模式密切相关。因此，合理的调整土地利用结构和优化施肥方案是治理合溪水库集水区氮污染问题的有效手段。

表 4 合溪水库集水区不同土地利用方式下年均径流氮流失情况 Table 4 Annul nitrogen runoff under different land uses in Hexi Reservoir

表选项

图 1d显示，在持续1年的径流小区试验期间，旱地、水旱轮作地、休闲地、林地和苗木地5种不同土地利用方式下径流铵态氮浓度波动区间和平均值分别是0.04~0.34、0.01~0.55、0.02~0.10、0.01~0、0.02~0.34 mg·L^-1和(0.21±0.11)、(0.23±0.12)、(0.05±0.02)、(0.03±0.02)、(0.14±0.11) mg·L^-1。铵态氮浓度变化规律不明显，但径流中铵态氮流失浓度都在5—8月和11—2月处于较高水平，其他月份保持较低水平。林地径流铵态氮流失浓度最小，仅为休闲地的59.42%；苗木地相对于旱地和水旱轮作地，其铵态氮径流流失浓度分别降低了35.25%和40.11%。形成上述变化特征的原因除了与降雨量、土地利用方式以及表层植被覆盖度有关外，还可能跟铵态氮特性有关。研究表明，铵态氮移动性小，容易被土壤胶体所吸附^[18]，与硝态氮相比淋失浓度降低较慢，但当土壤对其吸附达到饱和时，同样会在雨水中释放并随径流而流失^[19-20]，农田氮素淋溶流失以可溶性硝态氮为主，亚硝态氮次之，铵态氮只占很小比例^[21]。本研究得到的结果与前人一致。

表 4结果显示，不同土地利用方式下单位面积径流年均氮流失通量与径流氮素流失浓度和径流量成正比。旱地、水旱轮作地、休闲地、林地、苗木地年总氮径流流失通量分别为114.24、156.92、3.99、1.59、35.61 kg·hm^-2·a^-1，颗粒态氮径流流失通量分别为70.45、96.37、2.59、1.20、24.61 kg·hm^-2·a^-1，溶解性氮径流流失通量分别为43.81、60.55、1.39、0.39、10.74 kg·hm^-2·a^-1。不同土地利用方式下各形态氮素年均径流流失通量之间存在显著差异，由大到小均为：水旱轮作地＞旱地＞苗木地＞休闲地＞林地。旱地、苗木地、休闲地和林地单位面积年均径流总氮流失通量分别是水旱轮作地的72.80%、22.70%、2.54%、1.01%；年均径流溶解性氮流失通量分别是水旱轮作地的72.36%、17.74%、2.30%、0.64%；年均径流颗粒态氮流失通量分别是水旱轮作地的73.10%、25.54%、2.69%、1.25%。林地、休闲地、苗木地径流氮素流失通量都小于旱地和水旱轮作地，可见在降雨特征相同的条件下，土地利用方式对径流氮素迁移及输出通量具有较大影响。进一步分析可知，水旱轮作地因灌溉、排水管理措施产生大量径流流失，旱地受人为耕作影响，二者各形态氮年径流流失量最大，浓度变化范围最广。苗木地地表虽有一定程度植被覆盖，但不合理的施肥方式加之短期内遭受大雨影响容易造成大量氮素流失。休闲地和林地因几乎没有人为扰动，地表植被覆盖率高，土壤涵水能力强，土壤表层氮素流失量相对较少。因此，地表径流氮流失大小不仅和土地利用类型相关，更受农事活动、施肥方式、地表植被覆盖等因素的影响。为了最大程度削减径流氮素流失，可进一步优化种植结构，旱地、水旱轮作地向苗木地、林地等利用方式转变，通过优化施肥方案、调整土地利用方式，将有效削减合溪水库集水区农地氮素的面源输出，最大化地减少合溪水库集水区农业面源污染对水库水质的潜在影响。

图 2是5种土地利用方式不同形态氮素年均流失通量占年均总氮径流流失通量比例特征。旱地、水旱轮作地、休闲地、林地、苗木地年均溶解态氮径流流失量占总氮的百分比分别为38.33%、38.58%、34.91%、24.44%和30.89%，年均颗粒态氮径流流失量占总氮的比例分别为61.67%、61.42%、65.09%、75.56%和69.11%。可见不同土地利用方式径流氮流失的主要形态为颗粒态氮，径流流失中的可溶性部分又以硝态氮为主要形式输出。年均流失的硝态氮占总氮的比例分别为26.21%、28.56%、16.35%、21.30%和23.20%，年均流失的铵态氮流失占总氮的比例分别为8.90%、7.87%、6.92%、11.78%和4.83%。形成该特征的原因是：铵态氮和硝态氮主要存在于液相中和吸附于土壤胶体表面，径流量大小以及径流在传递过程中与土壤表层相互作用的强度决定了二者流失量的大小，这种相互作用的结果加速了土壤溶液中氮向径流释放^[22]。

图 2合溪水库集水区不同土地利用方式下年均氮素径流流失组成特征 Figure 2Composition of nitrogen runoff under different land uses in Hexi Reservoir

图选项

(1) 合溪水库集水区降雨量与各小区径流量呈显著正相关，与水旱轮作地相比，苗木地、休闲地和林地试验小区径流量分别减少了79.46%、82.06%和92.82%，说明土地利用方式与降雨产生的径流流失密切相关，合理调整土地利用结构可有效削减径流携带的养分流失。

(2) 不同土地利用方式地表径流水相总氮流失主要集中在多雨季节的6—9月，受降雨和施肥叠加效应的影响，总氮流失量占全年流失量的50%以上，因而翻耕、施肥等农事活动要尽量避开雨期，以减少土壤氮的流失。

(3) 合溪水库集水区不同土地利用方式下地表径流年总氮流失通量在水旱轮作地最高，林地最低，仅为水旱轮作地的1.01%。与水旱轮作地、旱地等土地利用方式相比，林地在减少径流氮素流失方面具有明显的优势。

(4) 5种不同土地利用方式年均颗粒态氮径流流失占总氮的比例在61.42%~75.56%之间，是氮素流失的主要形式，说明选择减少地表侵蚀、削减径流泥沙输出的土地利用方式是降低合溪水库集水区面源污染风险的有效措施。