1 引言(Introduction)

氮是植物生长的基本营养元素，同时也是日益增长的环境污染因子(朱波等，2008).黄土高原地区水土流失严重，大量的养分随径流流失，不仅导致土壤肥力严重下降，而且威胁农业生产以及水环境安全，造成面源污染.因此，非常有必要分析黄土高原氮素流失状况.

黄土高塬沟壑区具有特殊的地形特征，由塬面和沟壑2大地貌单元组成.不同的地形地貌特征，影响了其土地利用方式和水文特征.塬面平坦，利于耕种，主要利用方式是农地和果园等；沟壑区密集的坡地导致严重的水土流失，在退耕还林还草政策的影响下，目前的主要利用方式是草地和林地.这些地形、利用方式和水土流失程度等方面的差异可能会导致不同的氮素流失状况.

塬区是农业生产的主要区域，氮肥的大量施用是土壤中残存的NO₃^--N的主要来源，我们前期在黄土塬区的研究表明，塬面上在农地和果园这两种不同利用方式下土壤剖面中NO₃^--N均出现累积现象，累积量最大值达5641 kg·hm^-2(林雪青等，2015)，且在深层土壤剖面中残留量明显大于水体中的含量，如若继续向下淋溶将很有可能对水体环境造成威胁.但塬区大量的水土保持尽量使雨水就地入渗，确保水不下塬，阻止了塬区地表径流与沟道径流或者河水的直接联系.因此，塬区对面源污染的影响途径是降水垂直入渗补给地下水，进而地下水出流进入地表水.而塬面面积较小且地下水补给量小，塬区对面源污染的贡献率有限.坡地在整个黄土高原沟壑区所占面积达60%以上(朱延曜等)，学者对坡地的研究主要集中在不同果龄果园土壤肥力及土壤水分方面的研究，并且集中在2 m以上土层.自然条件下不同坡位及植被类型土壤中氮素的分布特征研究较少，尤其在较深层土壤剖面氮素的淋溶特征尚不明确.在此种背景下，分析黄土高原沟壑区坡地的氮素流失问题，对于其面源污染的治理具有重要的意义.

坡地由于水土流失严重，可能会成为面源污染非常重要的污染源.通过地表径流、壤中流、侵蚀泥沙等途径(张兴昌等，2000；钱峰，2013；Kosmas et al., 2000)，坡地土壤中养分输出，不仅导致土壤质量退化、地表结构破坏、肥力下降，而且随着径流携带养分，造成养分流失(钱婧等，2012).特别需要注意的是，不同植被类型和坡位对土壤中养分流失均有影响，坡地植被对径流的截留效果不同，且对土壤中养分利用能力也不同.随坡面产生的地表径流可能与塬区土壤中NO₃^--N流失有显著不同，除了被降雨淋溶下渗形成纵向迁移，还存在横向迁移，径流流速越快，土壤侵蚀也越严重，造成严重的养分流失(陈炎辉等，2010；陈正维等，2014).同时大量研究表明从坡底到坡顶浅层土壤中NO₃^--N含量及有机质含量呈减小趋势，在坡底有明显富集，随地表径流很有可能对地表水环境造成污染(Lieffers et al., 1987; 柏延芳等，2008).

本研究通过采集黄土高塬沟壑区黑河流域刺槐林地和荒草地在不同坡位0~6 m土层的土样以及流域水样，测定其NO₃^--N含量，分析不同坡位及植被覆盖对NO₃^--N分布特征的影响，并评估其对黑河流域水体NO₃^--N污染的潜在危害，以期能为生态建设和流域面源污染治理提供参考信息.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

黑河流域位于黄土高原中南部，陕西省长武县与甘肃省华亭县之间，海拔1000~2500 m.流域面积1560 km²，呈东西走向，形状狭长，地势西高东低，地貌属典型的黄土高塬沟壑区，包括塬面和沟壑2大单元，是黄土高塬沟壑区的典型代表.属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温9.4 ℃，年平均降水量522~608 mm，多集中在7~9月.绝大部分生产可利用地都分布在塬面和梁顶上，土壤类型以黑垆土和黄绵土为主，粉粒含量高于50%(李志等，2010).土地利用方式主要为耕地、草地和林地，分别占流域面积的58%、36%和5%(李志等，2008；2010).

整个流域的坡度分布情况如表 1及图 1所示，塬面(＜5°)所占比例约为21%，而大部分区域坡度>5°.其中，5~15°的区域占整个流域的43%，而>15°区域达流域面积的36%.可见，坡地所占比例非常大，对于流域的水土流失和养分淋失可能会有很大的贡献.此种背景下，非常有必要分析其坡地的氮素流失状况.

2.2 土样采集及处理

基于上述研究区域的状况分析，发现黑河流域主要地形为塬面和坡地，土地利用方式主要为耕地、草地和林地，而耕地主要集中在塬面，坡地土壤易冲易蚀，养分流失严重.因此，选取坡地为研究对象，整个流域坡地上主要土地利用类型为荒草地和自然刺槐林，因此选取这2种具有代表性的植被类型进行分析.由于塬区主要集中在中下游，为与塬面产生对照，分别在黑河流域的中下游处选择3个样点，文中区分为上、中、下游.取样时间为2016年4月，每个样点间距均等并选择阳坡进行采样，地理位置如图 1所示，并且同一样点的2种土地利用类型相邻以排除其他自然因素的影响.不同样点之间同种植被生长环境相似，均为无施肥条件.刺槐林树龄根据人为判断，大致为13、14年，荒草地选择覆盖度较大的样地进行采集，样地基本信息见表 2.在不同坡位(上坡位、中坡位和下坡位)采集6 m深的土壤样品，坡度选择较为一致，约为15°.

土壤样品采用人工打钻分层取土的方法采集，采样深度为6 m，每20 cm一层.采集后剔除土样中含的根茬杂物，并去除土钻中下1/3部分的土样，剩余土样立刻装进密封袋中标记保存.烘干法测定土壤质量含水率.测定硝态氮(NO₃^--N)含量时，称量5 g鲜土，用25 mL、1 mol·L^-1的KCL溶液进行浸提，用振荡机在180 r·min^-1下振荡1 h后用低速离心机在4000 r·min^-1下离心15 min；随后取上清液，用连续流动分析仪测定水样中的NO₃^--N含量；最终将测定结果转化为烘干基进行分析.同时用硝酸根电极测定其可移动态硝酸根(NO₃^-)含量，进而与水样进行对比.进行相关对比分析时，使用单因素方差分析检验差异的显著程度(p < 0.05).

2.3 水样采集及处理

2015年分别于枯水期(2015-07-01) 和汛期(2015-10-20) 沿黑河流域由上游至下游顺序采集井水以及沟头泉水水样作为地下水样本，共58个，河水及沟道径流作为地表水，共88个，保存在聚乙烯瓶中立即密封低温保存；过滤后，用硝酸根电极测定水样中的硝酸根(NO₃^-)含量.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 不同坡位硝态氮分布特征

在浅层土壤中(0~100 cm) NO₃^--N浓度较大，不同坡位均在表层土(0~20 cm)达到最大值，没有明显的累积情况发生.刺槐林土壤中NO₃^--N浓度在不同坡位分布情况有，在上坡位、中坡位、下坡位最大值分别为10.93、13.14、7.80 mg·kg^-1并且随着土壤深度的增加，浓度逐渐减小，在某一深度达到稳定(图 2).由表 3可知在流域上、中、下游无论草地还是刺槐林地，0~2 m不同坡位NO₃^--N浓度差异性显著(p < 0.05).对于刺槐林地存在中坡位(3.13 mg·kg^-1)＞上坡位(2.62 mg·kg^-1)＞下坡位(2.10 mg·kg^-1), 同时在整个刺槐林地剖面来看同样有中坡位(1.12 mg·kg^-1)＞上坡位(1.03 mg·kg^-1)＞下坡位(0.87 mg·kg^-1).草地整体趋势与刺槐林地相同(图 2)，同样在表层土壤达到最大值，上坡位、中坡位、下坡位最大值分别为0.85、2.02、3.86 mg·kg^-1，在0~2 m土层中坡位与下坡位差异性不显著，而与上坡位差异显著.对于0~6 m剖面来说在流域上、中、下游有下坡位(0.55 mg·kg^-1)＞中坡位(0.32 mg·kg^-1)＞上坡位(0.25 mg·kg^-1).

在深层土壤剖面(>2 m)，NO₃^--N趋于稳定，达到稳定时的浓度见表 3.根据差异性检验结果可知在上、中、下游刺槐林深层(2~6 m)土壤剖面NO₃^--N的稳定浓度差异性不显著，但达到稳定时的浓度均值存在一定差异，下坡位(0.30 mg·kg^-1)＞上坡位(0.18 mg·kg^-1)＞中坡位(0.12 mg·kg^-1)，在下坡位有明显的富集.草地土壤中NO₃^--N的稳定浓度同样存在下坡位(0.24 mg·kg^-1)＞上坡位(0.23 mg·kg^-1)＞中坡位(0.18 mg·kg^-1)，趋势与刺槐林地相同，下坡位有富集现象发生.

3.2 不同植被覆盖对土壤硝态氮的影响

土壤中硝态氮主要取决于生物量的累积以及土壤有机质分解的强度，植被类型，水热状况均会对土壤中的NO₃^--N造成影响(王百群等，2000).根据不同坡位的均值可知(图 3)，不同植被覆盖对土壤中NO₃^--N浓度有显著的影响，上、中、下游刺槐林地表层土壤中NO₃^--N浓度最大值(分别为7.63、6.79、17.23 mg·kg^-1)明显高于荒草地(分别为3.30、0.50、4.14 mg·kg^-1)，深层土壤中均趋于稳定，且荒草地土壤中NO₃^--N浓度(分别为0.23、0.25、0.19 mg·kg^-1)普遍高于刺槐林地(分别为0.19、0.13、0.27 mg·kg^-1).达到稳定时的深度不同植被覆盖影响不大，基本在同一深度(2 m左右)达到稳定.根据差异性检验可知，在整个土壤剖面上游刺槐林与草地差异性不显著，而在中、下游地区，2 m以上土壤剖面刺槐林地与草地差异性显著(p < 0.05).不同植被覆盖对土壤的影响主要表现在植物根系对土壤中营养元素的富集与再分配作用，调节径流量间接减轻水土流失导致的养分流失(董贵青等，2009).刺槐根系较荒草地深厚，可以更加有效利用土壤中的氮素养分.

3.3 坡地土壤硝态氮对流域水体的潜在影响

可移动态NO₃^-可以直接表征土壤中NO₃^-与地下水的可能联系，而、根据对河水及沟道径流中可移动态NO₃^-的测定可知(表 4)，枯水期有下游(7.58 mg·L^-1)>上游(6.69 mg·L^-1)>中游(6.44 mg·L^-1)，汛期有相同规律下游(6.43 mg·L^-1)>上游(5.96 mg·L^-1)>中游(5.13 mg·L^-1)，表层土壤中浓度同样有下游(47.36 mg·L^-1)>上游(24.23 mg·L^-1)>中游(17.06 mg·L^-1)，可知土壤表层土中浓度远远大于水体中的，随着降雨将很有可能进入水体，对水体造成污染，危害水体环境健康.而根据2015年对黑河流域(泾河支流)井水及泉水中可移动态NO₃^-的测定可知(表 5)，枯水期有上游(32.55 mg·L^-1)>下游(23.20 mg·L^-1)>中游(18.09 mg·L^-1)，汛期有下游(19.51 mg·L^-1)>中游(16.91 mg·L^-1)>上游(10.68 mg·L^-1).无论枯水期还是汛期，深层土壤(稳定浓度以下层次)中NO₃^-有下游(1.02 mg·L^-1)>上游(0.73 mg·L^-1)>中游(0.58 mg·L^-1)，远远低于地下水中的含量，不同植被覆盖下深层土壤中的NO₃^-含量差异不大，淋溶到水体中对地下水产生影响的作用可能较小.

4 讨论(Discussion)

平坦地块的NO₃^--N损失主要受降雨及作物生长发育状况的影响(Huang et al., 2011; Zhou et al., 2010)，当氮素输入量高于垂直迁移速度和作物吸收能力等时，氮素会大量累积(高德才等，2014).此种结果已经在塬面研究中出现，如苹果园中NO₃^--N的峰值深度为4 m，峰值浓度和稳定浓度分别为225 mg·kg^-1和2.5 mg·kg^-1.而坡地条件下，刺槐林地和荒草地的NO₃^--N浓度均在浅层达到最大值，并随土壤深度增加逐渐减小，没有明显的累积现象；可见，降雨径流导致的水土流失是坡地养分流失的重要动力(Peng et al., 2012; Zhang et al., 2014)，导致氮素的垂直迁移规律明显不同于塬面.因此，地形条件对氮素的累积与淋溶具有重要的影响.

地形对氮素淋失的影响还可以扩展到不同坡位.流域3个样点不同植被下2 m以下土壤剖面的NO₃^--N浓度均趋于稳定，但达到稳定时平均浓度有差异，均有下坡位＞上坡位＞中坡位，这与王辉等(2005)在人工降雨及天然条件下对坡地的研究一致.此种现象主要是由于地形对径流的影响导致的.自上坡位到下坡位，径流的流速逐渐增大，径流对土壤的冲刷能力增强，提高了径流的氮浓度(陈明华等，1995)，导致中、下坡位的氮素流失量较大，而下坡位的径流具有最高的氮素浓度.径流携带的NO₃^--N随土壤水分入渗向深层迁移，因此，较高氮素浓度的径流造成下坡位有明显富集(张宇等，2012).而上坡位的径流量较小，因此，被冲刷掉的氮素相对较少，造成坡上氮素较坡中也有一定累积.

塬面平地与沟道坡地的NO₃^--N浓度差异，除了受到地形导致的降水径流差异影响，氮素来源也是一个重要的影响因素.如塬面土壤中NO₃^--N浓度的深层稳定值为(2.5±0.26) mg·kg^-1，而坡地稳定值为(0.2±0.16) mg·kg^-1，后者远低于前者；坡地土壤中没有明显的累积，而塬面农地和果园普遍有深层累积现象.这些差异的一个重要原因是氮素的不同来源和数量，坡地土壤氮素主要来自于有机质(闫亚丹等，2009；Wang et al., 2001)，输入量相对较少且分解缓慢；而塬面土壤氮素主要来自人为施肥，且存在过量施肥的情况.

植被对土壤中NO₃^--N浓度也有重要的影响.如刺槐林地表层土壤中NO₃^--N没有向下坡位富集的现象，而草地存在明显的向坡底迁移的过程，这主要是由于不同植被对水土保持能力及养分的利用效率不同，林地根系较草地发达，且枯枝落叶多，加之根系根瘤菌等生物活动，导致对氮素的固定效果较草地好.NO₃^--N浓度达到稳定时，草地土壤中的浓度均值为0.22 mg·kg^-1，普遍高于刺槐林地0.19 mg·kg^-1.虽然数值相差不大，但很可能是由于植物利用导致的差异，如刺槐林地较草的根系发达，对土壤中氮素的利用能力更强，造成刺槐林土壤中NO₃^--N浓度均值低于草地(信忠保等，2012；韩凤鹏等，2009；Wang et al., 2003; Islam et al., 2000).

流域地表水、地下水和土壤中NO₃^-含量在上中下游呈现一致的规律.坡地表层土壤中NO₃^-浓度远大于地表水，这为降雨径流带走氮素形成面源污染提供了物质条件；但坡地深层土壤中NO₃^-远低于地下水中的含量，且两种植被覆盖下差异不大，表明其对地下水的潜在危害较小.但需要注意的是，由于地下水的NO₃^-浓度较高，而地下水是河流水体的主要来源，基流系数可以达到0.7以上(朱芮芮等，2010)，因此，来自塬区土壤的氮素淋溶也可能对流域水体造成严重的污染.

5 结论(Conclusions)

1) 土壤剖面中NO₃^--N没有明显的累积，但不同坡位间存在一定差异.土壤剖面中在浅层(0~20 cm)达到最大值，随深度增加而逐渐减小，刺槐林和草地达到稳定时的深度约为2 m.刺槐林的稳定浓度下坡位(0.30 mg·kg^-1)＞上坡位(0.18 mg·kg^-1)＞中坡位(0.12 mg·kg^-1)，草地土壤中硝态氮同样下坡位(0.24 mg·kg^-1)＞上坡位(0.23 mg·kg^-1)＞中坡位(0.18 mg·kg^-1)，存在下坡位的富集现象.

2) 不同植被覆盖对0~2 m土壤中NO₃^--N浓度有显著的影响.上、中、下游刺槐林地土壤中NO₃^--N浓度最大值(分别为7.63、6.79、17.23 mg·kg^-1)明显高于荒草地(分别为3.30、0.50、4.14 mg·kg^-1)；达到稳定时的浓度差异性不显著，但存在荒草地0.22 mg·kg^-1普遍高于刺槐林地0.19 mg·kg^-1.

3) 整个流域地表水中NO₃^-含量枯水期及汛期分别为(6.90±2.10)，(5.84±2.86) mg·L^-1，而坡地表层土壤中NO₃^-为(29.55±6.59) mg·L^-1，明显大于地表水中的浓度，会对地表水污染造成威胁.地下水中含量分别为(24.61±23.72)、(15.70±10.78) mg·L^-1，坡地深层土壤剖面中NO₃^-为(0.78±0.16) mg·L^-1，对地下水造成污染的可能性较小.