模擬降雨條件下不同植被覆蓋度/格局的坡地土壤銨態(tài)氮流失特征

劉 泉，李占斌，李 鵬，黃文軍

（1.綿陽(yáng)師范學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621000；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.西安理工大學(xué)，西安710048）

模擬降雨條件下不同植被覆蓋度/格局的坡地土壤銨態(tài)氮流失特征

劉 泉1，2，李占斌2，3，李 鵬3，黃文軍1

（1.綿陽(yáng)師范學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621000；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.西安理工大學(xué)，西安710048）

盡管采取各種措施控制農(nóng)業(yè)氮素污染，但大量氮素的流失仍然成為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源之一。采用室內(nèi)模擬降雨的方式，選用了3種植被覆蓋度（25%，50%和75%）、9種不同的植被格局，對(duì)21°坡面銨態(tài)氮隨徑流和泥沙流失遷移規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：徑流和泥沙流失的控制關(guān)鍵期在初期產(chǎn)流階段。植被覆蓋度25%時(shí)，銨態(tài)氮流失規(guī)律不明顯。植被覆蓋度50%時(shí)，在中期和后期產(chǎn)流階段徑流和泥沙攜帶的銨態(tài)氮流失量分別占累計(jì)流失量71.2%～82.8%，應(yīng)加強(qiáng)中期和后期產(chǎn)流階段銨態(tài)氮流失量控制。植被覆蓋75%時(shí)，初期產(chǎn)流階段是銨態(tài)氮流失控制的關(guān)鍵時(shí)期。徑流與徑流結(jié)合態(tài)銨態(tài)氮流失量呈冪函數(shù)關(guān)系，兩者呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），泥沙與泥沙結(jié)合態(tài)銨態(tài)氮流失量均呈冪函數(shù)關(guān)系，并具有極顯著正相關(guān)性（p＜0.01）。徑流和泥沙流失是坡面銨態(tài)氮流失的兩種途徑。從削減水沙和養(yǎng)分流失量角度來(lái)看，坡下植被格局最強(qiáng)，坡上植被格局次之，坡中植被格局最弱。

銨態(tài)氮；植被覆蓋度/格局；模擬降雨

隨著點(diǎn)源污染得到逐步控制，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，農(nóng)田土壤氮素流失是非點(diǎn)源污染的重要表現(xiàn)形式[1]。土壤養(yǎng)分流失因其對(duì)土壤質(zhì)量、水體環(huán)境和人類健康的危害而長(zhǎng)期受到中外學(xué)者的共同關(guān)注[1-4]。研究表明，徑流和泥沙能夠攜帶大量土壤養(yǎng)分遷移[5]。因此，設(shè)置不同耕作模式和植被覆蓋格局，有效控制農(nóng)田氮肥的過(guò)量使用，成為降低農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究的嚴(yán)峻課題。

坡地土壤銨態(tài)氮是氮素流失的主要形態(tài)之一，造成銨態(tài)氮流失是多種因素相互作用的結(jié)果[6-8]。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）規(guī)定，集中式生活飲用水地表水源地水體銨態(tài)氮（NH+4-N）含量≤0.5 mg/L。本文在室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，研究單一坡度（21°）和不同植被格局條件下銨態(tài)氮（NH+4-N）流失規(guī)律及特征，探討地表徑流、泥沙流失量對(duì)銨態(tài)氮流失量的影響，從而為減少坡地氮素徑流流失、控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染提供研究思路。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

模擬降雨試驗(yàn)在西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雨洪大廳進(jìn)行。所用土壤為西安東郊黃土，根據(jù)坡地實(shí)際施肥量，將300 g硝酸銨鈣（Calcium ammonium nitrate，CAN）均勻施入供試土壤中，并平鋪于土槽內(nèi)0—10 cm的土壤表層，土壤質(zhì)量含水率約10%，土壤裝槽容重在1.15 g/cm3，土槽從下至上分別劃分成編號(hào)為1，2，3，4共4個(gè)1 m×1 m的方格，以25%，50%，75%共3種植被覆蓋度，把草皮植入方格中，以不同的植入位置得到不同的植被空間格局。25%植被覆蓋分別為1，2，3，4四種格局，50%植被覆蓋分別為1+2，2+3，3+4三種格局，75%植被覆蓋為1+2+3，2+3+4兩種格局，根據(jù)植被格局在坡面位置的不同，分為坡上、坡中和坡下格局（圖1）。

圖1 25%,50%和75%植被覆蓋下不同格局布局

模擬降雨系統(tǒng)采用針管式降雨器，噴頭有效高度為13 m，試驗(yàn)土槽規(guī)格（長(zhǎng)×寬×深）為4 m×1 m×0.5 m，降雨面積為1 m×4 m，下端設(shè)集流槽口，可定時(shí)采集徑流樣。雨強(qiáng)率定為2.0 mm/min，土槽坡度為21°，槽口產(chǎn)流同時(shí)接取水樣，降雨歷時(shí)60 min，以2 min為時(shí)間段用聚乙烯容器接取全部降雨時(shí)段徑流樣，每場(chǎng)降雨產(chǎn)流階段0～20，22～40，42～60 min所采集水樣分別看作初期、中期和后期產(chǎn)流。

降雨徑流結(jié)束后立即將樣品送回實(shí)驗(yàn)室，量取徑流總量，靜置3 h后，取上清液500 ml，經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后用于測(cè)定徑流樣品中銨態(tài)氮含量，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，泥沙均勻攤開在鋁盒內(nèi)，風(fēng)干，稱重，記作泥沙流失量。土樣用2 mol/L KCl 100 ml浸提后，樣品采用瑞典造FI515流動(dòng)注射分析儀進(jìn)行測(cè)定銨態(tài)氮（NH+4-N）含量。圖表和數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 16.0和Excel 2010處理。單個(gè)時(shí)段徑流銨態(tài)氮流失量公式：

單個(gè)時(shí)段泥沙銨態(tài)氮流失量公式：

式中：mRN（t）為時(shí)段內(nèi)水樣中的銨態(tài)氮含量（mg）；CN（t）為時(shí)段內(nèi)水樣中銨態(tài)氮濃度（mg/L）；VR（t）為時(shí)段徑流量（L）；mSN（t）為時(shí)段內(nèi)降雨泥沙銨態(tài)氮流失量（mg）；DN（t）為泥沙銨態(tài)氮含量（mg/g）；mS（t）為時(shí)段內(nèi)泥沙流失量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋度/格局下徑流銨態(tài)氮流失過(guò)程

由圖2可以看出，不同植被覆蓋度/格局下徑流銨態(tài)氮流失過(guò)程差異較大。植被覆蓋度25%時(shí)（圖2A），植被格局1（VP1）徑流銨態(tài)氮流失量自產(chǎn)流開始持續(xù)下降。植被格局2（VP2）在初期產(chǎn)流階段徑流銨態(tài)氮流失量大體趨勢(shì)是緩慢增加，中期產(chǎn)流階段流失量表現(xiàn)穩(wěn)定，后期產(chǎn)流階段流失量波動(dòng)上升。植被格局（VP3）在初期和中期產(chǎn)流階段，徑流銨態(tài)氮流失量平穩(wěn)下降，后期產(chǎn)流階段流失量波動(dòng)上升。植被格局4（VP4）在降雨歷時(shí)的前半段，徑流銨態(tài)氮流失量略有下降，后半段流失量持續(xù)增加。徑流銨態(tài)氮起始流失量順序?yàn)椋焊窬?＞格局3＞格局4＞格局2，累積徑流銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?＞格局1＞格局3＞格局4。植被覆蓋度50%時(shí)（圖2B），3種植被格局徑流銨態(tài)氮的起始流失量基本相同，植被格局1+2（VP1+2）徑流銨態(tài)氮流失量自產(chǎn)流開始持續(xù)增加。植被格局2+3，3+4（VP2+3，VP3+4），在中期產(chǎn)流階段流失量表現(xiàn)波動(dòng)起伏較小，后期產(chǎn)流階段流失量劇烈波動(dòng)。累積徑流銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?+3＞格局3+4＞格局1+2。植被覆蓋度75%時(shí)（圖2C），兩種植被格局徑流銨態(tài)氮的起始流失量均在2 mg左右，植被格局1+2+3（VP1+2+3）徑流銨態(tài)氮流失量在降雨階段呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢(shì)。植被格局2+3+4（VP2+3+4），徑流銨態(tài)氮流失量在產(chǎn)流初期階段前10分鐘內(nèi)，流失量持續(xù)增加，在第11～50分鐘內(nèi)流失量波動(dòng)下降，在第52～60分鐘內(nèi)流失量陡然增加，最大流失量與最小流失量相差近14倍。累積徑流銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?+3+4＞格局1+2+3。由于坡下植被覆蓋度增大，植被能夠有效減緩徑流流速，增加下滲，攜沙能力降低，銨態(tài)氮被泥沙攔截吸附，導(dǎo)致流失量降低。

圖2 不同植被覆蓋度/格局徑流銨態(tài)氮流失過(guò)程

2.2 不同植被覆蓋度/格局下泥沙銨態(tài)氮流失過(guò)程

從圖3可以看出，植被覆蓋度25%時(shí)，4種植被格局泥沙銨態(tài)氮的起始流失量相差不大（圖3A）。植被格局1在產(chǎn)流2～16 min內(nèi)泥沙銨態(tài)氮流失量持續(xù)上升，但在18 min流失量突然降低，隨后上升。植被格局2在降雨歷時(shí)的前半段時(shí)間內(nèi)，泥沙銨態(tài)氮流失量發(fā)展比較平穩(wěn)，在后半段流失量迅速上升，在降雨結(jié)束的時(shí)刻，泥沙銨態(tài)氮流失量為起始流失量的9倍多。植被格局3，4泥沙銨態(tài)氮流失量比較平穩(wěn)。累積泥沙銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?＞格局1＞格局3＞格局4。植被覆蓋度50%時(shí)（圖3B），整個(gè)降雨歷時(shí)內(nèi)，3種植被格局的泥沙銨態(tài)氮流失過(guò)程都出現(xiàn)波動(dòng)起伏的趨勢(shì)，植被格局2+3，3+4在整個(gè)降雨階段的中期和后期分別出現(xiàn)明顯的流失峰值。21°坡面起始泥沙銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?+3＞格局3+4＞格局1+2。累積泥沙銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?+4＞格局2+3＞格局1+2。植被覆蓋度75%時(shí)（圖3C），植被格局1+2+3在整個(gè)降雨階段，泥沙銨態(tài)氮流失過(guò)程呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，而植被格局2+3+4泥沙銨態(tài)氮流失過(guò)程呈現(xiàn)大幅度波狀起伏，在第40 min時(shí)候出現(xiàn)流失峰值，為起始流失量的7.5倍，隨后流失量下降并穩(wěn)定大約10 min后急劇上升。泥沙銨態(tài)氮流失量順序?yàn)椋焊窬?+3+4＞格局1+2+3。原因在于坡下植被覆蓋度增大，徑流攜帶泥沙能力降低，泥沙被植被根系攔截，銨態(tài)氮能夠被截留在坡下，出口銨態(tài)氮流失量顯著降低。

圖3 不同植被覆蓋度/格局泥沙銨態(tài)氮流失過(guò)程

2.3 徑流、泥沙流失量與氮素流失量過(guò)程分析

養(yǎng)分流失量不僅取決于徑流和泥沙中的養(yǎng)分濃度，與坡面徑流和泥沙流失量也有關(guān)[9]。由表1可知，徑流與銨態(tài)氮流失量呈冪函數(shù)關(guān)系（p＜0.05）。所以，徑流攜帶是泥沙和徑流銨態(tài)氮流失的主要途徑，泥沙與銨態(tài)氮流失量呈冪函數(shù)關(guān)系，并具有極顯著正相關(guān)性（p＜0.01）。銨態(tài)氮吸附在泥沙表面，并隨泥沙而流失，進(jìn)一步驗(yàn)證了徑流和泥沙是坡面銨態(tài)氮流失的兩種主要途徑[10]。

隨著覆蓋面積的增加，植被格局能夠削減銨態(tài)氮流失量存在差異。由表2可知，3種坡面位置的植被格局消減水沙和養(yǎng)分的作用：坡下格局最強(qiáng)，坡上格局次之，坡中格局最弱。尤其是坡中格局，隨著覆蓋面積增加，水沙和銨態(tài)氮流失量均有不同程度增加，坡面上部消減水沙和銨態(tài)氮作用要比坡面下部相對(duì)要小，說(shuō)明坡下攔蓄和合理配置覆蓋度應(yīng)成為布設(shè)植被格局的首選方案[11-12]。

表1 模擬降雨條件下銨態(tài)氮與徑流和泥沙關(guān)系

表2 3種坡位條件下不同格局銨態(tài)氮流失消減量比較

3 結(jié)論

（1）植被覆蓋度25%時(shí)，需要提高植被覆蓋度控制銨態(tài)氮流失量；植被覆蓋度50%時(shí)，在產(chǎn)流后半階段徑流和泥沙攜帶的銨態(tài)氮流失量占累計(jì)流失量71.2%～82.8%，應(yīng)加強(qiáng)中期和后期產(chǎn)流階段銨態(tài)氮流失量的控制；植被覆蓋75%時(shí)，控制銨態(tài)氮流失量必須在產(chǎn)流初期采取治理措施。

（2）徑流與徑流結(jié)合態(tài)氮素流失量呈冪函數(shù)關(guān)系，與徑流硝態(tài)氮相關(guān)性不顯著，與徑流銨態(tài)氮呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）。徑流與泥沙流失量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并具有極顯著正相關(guān)性（p＜0.01）。泥沙與泥沙結(jié)合態(tài)氮素流失量均呈冪函數(shù)關(guān)系，并具有極顯著正相關(guān)性（p＜0.01）。3種坡面位置的植被格局，消減水沙和養(yǎng)分的作用坡下格局最強(qiáng)，坡上格局次之，坡中格局最弱。

（3）試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)條件較為理想化，考慮到土壤氮素轉(zhuǎn)化的復(fù)雜條件，下一步需對(duì)其他形態(tài)氮素和土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便全面地估算氮素流失量。

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Characteristics of Ammonium Nitrogen（NH+4-N）Loss from Slope Lands with Different Vegetation Cover/Patterns Under Simulated Rainfall

LIU Quan1，2，LI Zhanbin2，3，LI Peng3，HUANG Wenjun1
（1.Mianyang Normal University，Mianyang，Sichuan621000，China；2.Institute of Soil and Water Conservation，CAS&MWR，Yangling，Shaanxi712100，China；3.Xi′an University of Technology，Xi′an710048，China）

Although the government has taken various measures to control nitrogen pollution on cropland，large loss of nitrogen along with runoff and sediment is one of primary source of agricultural non-point source pollution.Three types of vegetation coverage（25%，50%and 75%）including nine vegetation patterns were selected for examining the loss processes of NH+4-N along with runoff and sediment on the 21°slope land under indoor simulated rainfall condition.The results show that the critical period of controlling runoff and sediment losses is the early runoff stage（ERS）.The pattern of NH+4-N loss is not obvious when vegetation coverage is 25%，the amounts of NH+4-N loss through runoff and sediment in the middle runoff stage and late runoff stage accounted for 71.2%～82.8%of total losses when vegetation cover is 50%.As for controlling NH+4-N loss，the ERS is the best period when vegetation cover is 75%.The relationship between runoff and NH+4-N loss by runoff（RAN）follows the power function，and runoff is significantly positive correlated with RAN （p＜0.05）.The relationship between sediment and NH+4-N loss by sediment（SAN）can be described by power function，and sediment and NH+4-N loss are highly significant and positive correlated（p＜0.01）.With respect to three vegetation patterns，the reduction capacity on runoff，sediment and NH+4-N loss decreases in the order：lower patterns＞upper patterns＞middle patterns.

ammonium nitrogen（NH+4-N）；vegetation cover/patterns；simulated rainfall

S157.1;S153;P333

A

1005-3409（2017）01-0075-04

2016-03-02

2016-03-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“農(nóng)田水土保持工程與耕作關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011BAD31B01）；綿陽(yáng)師范學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目“嘉陵江中游典型小流域水沙—養(yǎng)分（N，P）淋失機(jī)理研究”（QD2014A002）；綿陽(yáng)師范學(xué)院青年資助項(xiàng)目“坡耕地水土流失過(guò)程中養(yǎng)分輸移機(jī)理研究”（2013B09）

劉泉（1978—），男，江蘇豐縣人，副教授，博士生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail：liuquan78＠126.com

李鵬（1974—），男，山東煙臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail：lipeng74＠126.com