放牧制度對草地產(chǎn)流產(chǎn)沙及氮磷流失的影響

樊才睿, 李暢游,孫 標(biāo), 史小紅, 楊 芳, 高宏斌

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,呼和浩特 010018

水土流失是地表土壤營養(yǎng)元素?fù)p失的主要途徑。降雨作為水土流失的主要因素,直接影響土壤中營養(yǎng)元素的多少。降雨過程中雨滴的濺蝕和徑流的沖刷,導(dǎo)致表層土壤中營養(yǎng)元素和泥沙顆粒隨降雨徑流進(jìn)行遷移,從而造成土壤及氮磷元素的侵蝕。草原土壤與農(nóng)田土壤相比,具有土壤氮磷含量少,生態(tài)脆弱性大、人工干預(yù)少、自然因素影響多等特點,一旦氮磷等營養(yǎng)元素發(fā)生流失,其短期內(nèi)難以補充恢復(fù)。

對于水土流失的研究早在20世紀(jì)初就已經(jīng)開始進(jìn)行,但初期的研究僅針對于降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響,忽略了流失過程中營養(yǎng)元素流失的問題[1],到20世紀(jì)70年代,以Ahuja等人[2-3]為代表的國外學(xué)者首先對營養(yǎng)元素隨降雨徑流的遷移過程展開了機(jī)理性的研究。而國內(nèi)對營養(yǎng)元素的遷移研究主要從上世紀(jì)90年代國開始,以邵明安、王全九等人[4- 6]為代表的研究者率先在黃土高原旱地農(nóng)業(yè)區(qū)對降雨過程中營養(yǎng)元素流失進(jìn)行了研究,從機(jī)理上分析了影響溶質(zhì)遷移過程的主要因子,并建立了質(zhì)量傳遞模型。而湯珊珊和郭新送[7- 8]等人分別從土壤粒級富集和養(yǎng)分富集方面對降雨過程中土壤侵蝕的富集現(xiàn)象進(jìn)行了探討。目前國內(nèi)對泥沙及營養(yǎng)元素遷移過程的研究主要通過模擬人工降雨或者天然降雨對不同土地利用方式下的流失差異性進(jìn)行短期實驗或者長期監(jiān)測[9-10],在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)坡耕地[11],和水土流失嚴(yán)重的石漠區(qū)[12],黃土高原農(nóng)田區(qū)以及一些喀斯特地貌地區(qū)[13]取得了較多的成果。同時由于草原利用方式的復(fù)雜性和廣泛性,很少有研究者關(guān)注天然草甸地的水土及營養(yǎng)元素流失特征及其富集變化過程[14-15]。砂質(zhì)草原生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤氮磷元素來源單一,受放牧活動影響較大,不同的放牧方式及載畜率是草原土壤氮磷流失的關(guān)鍵。本文利用野外人工模擬降雨實驗,研究非飽和水流條件下砂質(zhì)土壤氮磷及泥沙隨地表徑流的遷移規(guī)律,進(jìn)一步探討土壤養(yǎng)分隨降雨-入滲-徑流相互作用下的遷移過程。

呼倫湖地處呼倫貝爾草原腹地,湖泊周邊沒有工業(yè)及農(nóng)業(yè)污染,僅受放牧活動的影響,但近年來湖泊一直受到富營養(yǎng)化的困擾。很多研究者將富營養(yǎng)化的原因歸結(jié)于放牧活動,而放牧活動載畜量的大小對湖泊污染的貢獻(xiàn),目前尚無定論。本研究針對天然植被自然條件下自由放牧、輪牧、休牧草場進(jìn)行模擬降雨試驗,模擬不同降雨條件下、不同放牧方式對草原營養(yǎng)元素流失過程及其主要影響因素進(jìn)行研究,將湖泊周圍的放牧活動污染由定性描述發(fā)展到定量研究,針對湖泊污染來源進(jìn)行定量分析,對防治面源污染及緩解水土流失狀況具有重要的現(xiàn)實及理論意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取的試驗區(qū)域為中國內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原的沙質(zhì)草場,位于新巴爾虎右旗寶東蘇木,地處呼倫湖流域,區(qū)域海拔700—1000m。該區(qū)域氣候為干旱半干旱氣候,年平均溫度-0.6℃—1.1℃,年降水量為240.5—283.6mm,年蒸發(fā)量為1455.3—1754.3mm,年平均風(fēng)速為3.38—3.92m/s,日照時數(shù)為2694—3131h,全年無霜期為110—160d[16]。試驗區(qū)主要土壤為砂土及壤砂土,主要優(yōu)勢植被為羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、克氏針茅(Stipakrylovii)等植被。其生長各項指標(biāo)及土壤狀況如表1所示。

表1 休牧、輪牧、自由放牧草地植被、土壤狀況

a、b、c phosphorus;(p<0.05),數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,重復(fù)為6;ZY: 自由放牧Free grazing; LM: 輪牧Rotation grazing; XM: 休牧No grazing

呼倫貝爾草原地處呼倫湖流域的核心區(qū),草原利用方式復(fù)雜,簡單概括可以分為三種放牧制度：自由放牧草場、輪牧草場、休牧草場。本研究于2014年夏季在呼倫貝爾草原南部的新巴爾虎右旗的寶東蘇木選取具有代表性載畜量的三種放牧制度草場進(jìn)行降雨模擬實驗。其位置分別是自由放牧(N 48°27′55″、E 117°16′20″)；輪牧(N 48°28′33″、E 117°13′09″)；休牧(N 48°28′33″、E 117°11′41″)；其中自由放牧草場理論載畜率為200羊/km2,實際載畜率可以達(dá)到800羊/km2；輪牧草場主要為小區(qū)域的劃區(qū)輪流放牧,周期為60d,每區(qū)域連續(xù)放牧15d,草場理論載畜率400羊/km2,實際載畜率500羊/km2；休牧草場主要為封圍禁牧,半年以上無載畜,并在秋季進(jìn)行刈割打草[17]。

在選定的三種放牧草場進(jìn)行降雨模擬試驗,并對各草場的植被生長狀況及土壤狀況進(jìn)行調(diào)查研究,植被數(shù)據(jù)測定采用樣方法,在三種放牧制度草場中選取三塊地形平坦的草地(5m×5m),隨機(jī)選取5塊(1m×1m)的樣方,設(shè)置3個重復(fù)。測定蓋度、株高、株密度、根系深度等植被指標(biāo)。測定表層0—10cm土壤的理化性質(zhì)：土壤含水率、容重、孔隙度、土壤全氮、土壤全磷等指標(biāo)。

1.2 試驗設(shè)計與指標(biāo)測定

1.2.1 人工降雨模擬器

為研究不同放牧制度草場,雨強(qiáng)與氮磷流失關(guān)系,本研究采用自制的管網(wǎng)式人工降雨模擬器進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度的模擬試驗,人工降雨模擬器的有效降雨高度2.5m,供水管線壓力為0—100kPa之間,有效降雨面積為1.8m×1m。該模擬器主要包括動力供水系統(tǒng)(水箱、發(fā)電機(jī)、水泵)、供水管線及回水系統(tǒng)、支架及輔助系統(tǒng)3部分組成如圖1所示。降雨器為豎狀排列的具有均勻小孔的PVC管構(gòu)成,模擬器降雨強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)流量大小實現(xiàn)雨強(qiáng)的改變,在徑流小區(qū)周圍采用鋼性擋板進(jìn)行防護(hù),布置V型引流槽于試驗區(qū)域的下坡向,以便在降雨產(chǎn)生徑流后,將徑流引導(dǎo)流入收集裝置內(nèi)。

降雨強(qiáng)度的測定,是通過調(diào)節(jié)單位時間t內(nèi)的進(jìn)水管流量Q1與回流管的流量Q2,確定降雨量。試驗過程中采用5個量雨筒呈Z型排列,計算雨強(qiáng),雨強(qiáng)計算公式為：

(1)

式中：I為降雨強(qiáng)度(mm/h)；Hi為測點雨量筒的水量(mm),i=1,2,…5；t測量時間(h),t=0.5h；n為測點數(shù)目,n=5。

降雨均勻性的測定采用10個相同規(guī)格大小的燒杯(500mL),擺放成“S”形,降雨區(qū)內(nèi)同一平面上接水,計算降雨均勻性,該降雨模擬器均勻度為84%。降雨均勻度公式：

(2)

式中：Hi為降雨面積上的測點雨量(mm)；H為測點平均降雨量(mm)；n為測點數(shù)目,n=10。

雨滴直徑分布,利用色斑法測定雨滴粒徑,其原理是雨滴在同一材料上形成的色斑大小與雨滴粒徑的大小成正比關(guān)系。首先率定出雨滴直徑與色斑直徑的關(guān)系式,然后用涂抹過品紅與消石粉的濾紙作為測定雨滴終點速度的色斑載體,率定關(guān)系式為：

D=0.347d0.763

(3)

式中：D為雨滴實際直徑,d為濾紙色斑直徑。

圖1 降雨模擬器示意圖Fig.1 Rainfall simulator

1.2.2 降雨模擬試驗設(shè)計

根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)海拉爾氣象站,滿洲里氣象站,新巴爾虎左旗氣象站, 1956年至2014年的降雨資料顯示,單日最大降雨量為1998年7月19日新巴爾虎右旗72.2mm,根據(jù)實驗過程中三種放牧草場可產(chǎn)生穩(wěn)定徑流的臨界雨強(qiáng),本研究選取0.74mm/min和1.5mm/min兩種雨強(qiáng)進(jìn)行小坡度的降雨試驗?zāi)M,歷時40min左右,坡度維持在4°—5°。分別在休牧、輪牧、自由放牧草場進(jìn)行降雨模擬試驗。每種雨強(qiáng)設(shè)置3個重復(fù)。降雨試驗開始后,用秒表計時,記錄下產(chǎn)流時間,產(chǎn)流后每三分鐘采集一次徑流樣品,采集8次徑流樣品,徑流水樣用量筒測定體積后,裝入1000mL的聚乙烯水樣瓶,帶回實驗室測定泥沙含量及各項水質(zhì)指標(biāo),降雨過程中收集雨水作為空白對照。

1.2.3 植被指標(biāo)測定

株高：在每種放牧草場對主要優(yōu)勢植被進(jìn)行測量,每種主要植被隨機(jī)選取40株用卷尺現(xiàn)場測量其高度,取均值。

株密度：在野外實地對1m×1m樣方內(nèi)的所有植被數(shù)目進(jìn)行記錄,重復(fù)5次。

植被覆蓋度：蓋度觀測使用照相法,采用數(shù)碼相機(jī)對三種放牧制度下的樣方區(qū)域垂直攝像,利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)提取植被信息,計算出其所占的百分比,重復(fù)5次。

植被截留量：采用基于人工模擬降雨實驗的水量平衡法測定植被截留量,重復(fù)3次[17]。測定時間選在中午陽光照射強(qiáng)烈的時段進(jìn)行。實驗期間風(fēng)速為微風(fēng),濕度37%—56%。由于降雨歷時較短,降雨過程中頂部遮擋陽光,所以降雨期間蒸發(fā)量忽略不計,雨強(qiáng)采用1.17mm/min,降雨歷時5分鐘。土壤水分增加量用稱重法測得,即降雨前后土壤重量差值。

水量平衡方程為：

S=Pg-Sn-E

(4)

式中,S為植被冠層截留量；E為降雨期間蒸發(fā)量；Pg為總降雨量；Sn為土壤水分增加量。

1.2.4 土壤及徑流指標(biāo)測定

土壤含水率、容重：利用烘干法測量環(huán)刀烘干前后的重量；土壤容重=(烘干后重量-環(huán)刀重量)/環(huán)刀體積；土壤含水率=(烘干前重量-烘干后重量)/環(huán)刀體積,重復(fù)次數(shù)為3次；土壤空隙度=(1-土壤容重/土壤密度)×100%。

土壤全氮和泥沙全氮：利用凱氏定氮儀參照半微量開氏法(GB7173- 87)測定土壤中全氮的含量,每批樣品做兩次重復(fù)。

土壤全磷和泥沙全磷：利用微波消解儀和紫外可見分光光度計參照硝酸-硫酸消解法(GB9837—1988)測定土壤中全磷的含量,每批樣品做兩次重復(fù)。

徑流中總磷采用鉬酸銨分光光度法,參考GB11893—1989,利用HITACHI U- 2001紫外/可見光分光光度計進(jìn)行測定。

徑流中總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,參考GB11894—1989,利用HITACHI U—2001紫外/可見光分光光度計進(jìn)行測定。

泥沙含量：采用過濾烘干法,對過濾徑流樣品的濾紙,稱量其烘干前后的質(zhì)量差,計算泥沙含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧制度對徑流量和產(chǎn)沙量的影響

降雨徑流過程中,不同放牧制度對營養(yǎng)元素流失的影響主要體現(xiàn)在草地植被莖桿的攔蓄作用和對徑流的分散作用以及植被根系對土壤的固定作用。徑流和泥沙是營養(yǎng)元素流失的主要載體,其中植被根系對土壤孔隙度容重產(chǎn)生影響,而土壤的容重空隙控制著徑流入滲速度,從而影響徑流量的大小,草地植被通過減少徑流和泥沙侵蝕從而實現(xiàn)對土壤養(yǎng)分的保持作用。不同覆蓋度下植被對坡面水土養(yǎng)分流失的影響也不同,對降雨過程中徑流的減少起到不可代替的作用。

圖2顯示了不同放牧草場徑流系數(shù)、輸沙率隨降雨歷時變化的情況。由圖2可知,三種放牧草場的徑流系數(shù)變化特征相似,降雨徑流系數(shù)初期隨降雨時間遞增,三種放牧草場在0.74mm/h雨強(qiáng)下,約在21min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而1.50mm/h雨強(qiáng)下,大約15min之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖2中可以看出,在不同降雨強(qiáng)度下,自由放牧草場徑流量最大,休牧草場徑流量最小,對其進(jìn)行單因素方差分析,兩者間徑流系數(shù)存在顯著差異(P<0.05),這說明放牧類型不同對降雨徑流的攔蓄作用不同,其中自由放牧草場攔蓄徑流最弱。

由于不同放牧草場植被存在截留作用,每次大于0.5mm/min的單次降雨過程中,自由放牧、輪牧、休牧草場的截留量分別為0.957、0.613、0.431mm[17]。降雨歷時越長,降雨強(qiáng)度越大,截留作用越弱,本次實驗過程中由于降雨歷時較短,所以三種放牧草場的植被截留作用對徑流量影響明顯。降雨過程中降落的雨滴首先到達(dá)植被葉片表層,被吸附截留,無法截留的雨滴會沿植被莖葉掉落到土壤表面,繼續(xù)入滲或形成徑流。植被截留對降雨起到了的緩沖作用并在徑流過程中起到明顯的減緩,可有效的減小徑流系數(shù)。由表2可以看出,在兩種降雨強(qiáng)度下,休牧草場徑流系數(shù)減少最多25.0%—45.7%,輪牧草場減少量次之13.2%—20.2%,自由放牧草場減少最小7.5%—12.4%。

表2 三種放牧草場總徑流系數(shù)

在降雨條件下,不同放牧制度草場的減少侵蝕作用主要體現(xiàn)在植被覆蓋度的增加,減少水流流速,增加入滲,減少徑流量,從而減少侵蝕力。從圖2可以看出,徑流過程中輸沙率呈波動式下降,三種放牧草場其輸沙峰值均出現(xiàn)在產(chǎn)流初期,隨后隨徑流量的增加逐步減少,最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。主要由于產(chǎn)流初期降雨沖刷作用強(qiáng)烈,土壤侵蝕發(fā)育迅速,產(chǎn)沙量急劇上升。隨著表層土壤逐漸被降雨剝離侵蝕,輸沙速率開始下降,并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對相同放牧草場不同降雨強(qiáng)度下的輸沙率進(jìn)行單因素方差分析,兩者間存在顯著差異(P<0.05),說明雨強(qiáng)度的增加對輸沙率產(chǎn)生顯著影響。輸沙率的大小反應(yīng)了降雨對土壤侵蝕的程度,從圖2可以看出,土壤侵蝕的大小順序為自由放牧草場>輪牧草場>休牧草場。休牧草場累計產(chǎn)沙量是自由放牧草場的1.47—1.72倍,說明休牧草場對于減少土壤侵蝕和泥沙攔截的作用要優(yōu)于自由放牧草場。自由放牧草場的徑流系數(shù)與輸沙率均達(dá)到最大,說明植被覆蓋度對坡面徑流和輸沙機(jī)制具有十分重要的影響。

圖2 不同放牧草場產(chǎn)流輸沙情況Fig.2 Characteristics of runoff and sediment under different grazing grassland

2.2 放牧制度對氮磷流失過程的影響

不同放牧草場土壤中營養(yǎng)元素含量存在差異,而在降雨過程中影響徑流養(yǎng)分濃度的主要因素為降雨量、地表植被類型和覆蓋度。放牧制度對植被類型及覆蓋度產(chǎn)生顯著影響,植被類型和覆蓋度又對坡面徑流中養(yǎng)分濃度變化特征產(chǎn)生影響。

圖3顯示了不同降雨強(qiáng)度下徑流中總氮和總磷的濃度隨時間變化的情況,從圖中可以看出,不同放牧制度草地徑流中總氮、總磷濃度隨時間的變化趨勢基本相似。兩者均是在降雨產(chǎn)流初期濃度值大達(dá)到最大,而隨著產(chǎn)流時間的持續(xù),濃度值衰減到一個穩(wěn)定值上下波動。其中在總氮濃度變化范圍較大,在0.83—1.74mg/L之間變動,存在明顯的下降趨勢,而總磷濃度變化較小,在0.25—0.56mg/L之間變動,其下降趨勢較緩和?？偭紫鄬τ诳偟愿融呌诜€(wěn)定,主要由于磷吸附性較強(qiáng),隨徑流溶解的較少。降雨強(qiáng)度對徑流中氮磷的影響顯著,總氮、總磷濃度均隨降雨強(qiáng)度的增加而顯著增加。對總氮濃度變化進(jìn)行分析可以看出,其中自由放牧草場受降雨強(qiáng)度影響最大,濃度增加了0.096mg/L,輪牧草場影響最小,濃度僅增加0.053mg/L。對總磷濃度變化進(jìn)行分析,休牧草場受降雨強(qiáng)度影響最大,1.5mm/L雨強(qiáng)下的總磷濃度比0.74mm/L的濃度增加了0.056mg/L,輪牧草場受雨強(qiáng)變化的影響最小,濃度增加了0.029mg/L。

圖3 徑流中總氮總磷濃度變化Fig.3 Chang of nitrogen and phosphorus concentration in runoff

目前國內(nèi)外學(xué)者針對徑流過程中養(yǎng)分濃度變化總結(jié)出很多模型,就模型結(jié)構(gòu)和形式而言,大致可以分為冪函數(shù)模型和指數(shù)函數(shù)模型兩類[18]。本研究分別利用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)分別描述不同放牧草場徑流中總氮和總磷濃度變化過程,見表3,從表中可以看出,冪函數(shù)比指數(shù)函數(shù)可以更好的模擬徑流中總氮、總磷濃度變化過程,而利用冪函數(shù)擬合總磷的效果要優(yōu)于總氮的擬合效果,在不同降雨強(qiáng)度下決定系數(shù)均大于0.9。因此在降雨過程中,可以利用冪函數(shù)類型的模型方程來估算不同放牧草場土壤養(yǎng)分流失濃度。

表3 不同放牧草場總氮和總磷濃度擬合

x為時間,y為濃度

2.3 放牧制度對泥沙養(yǎng)分濃度變化影響

從圖4可以看出,不同放牧草場降雨徑流中泥沙養(yǎng)分隨產(chǎn)流歷時變化的過程,總氮在不同降雨強(qiáng)度下其變化過程基本相似,隨降雨歷時的增加氮含量逐漸下降,三種放牧草場總氮含量均在產(chǎn)流后5min內(nèi)迅速減少,并保持在一定范圍內(nèi)波動。相同放牧草場在高降雨強(qiáng)度下,泥沙中總氮含量明顯升高。可以明顯看出,休牧草場泥沙中氮含量明顯高于輪牧及自由放牧草場。單因素方差分析顯示,三種放牧草場間泥沙總磷含量差異顯著(P<0.05)。圖4顯示了三種放牧草場徑流泥沙中總磷含量隨產(chǎn)流歷時的變化過程,與總氮不同的是總磷隨時間降低趨勢較緩和,主要由于磷具有較強(qiáng)的吸附性,所以泥沙中磷元素在產(chǎn)流各個階段均較多,不會出現(xiàn)總氮突然下降的趨勢。休牧草場泥沙中總磷含量最高,輪牧草場最低,單因素方差分析顯示,休牧草場與輪牧、自由放牧草場間差異顯著(P<0.05),而輪牧草場與自由放牧草場間差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同放牧草場徑流中泥沙養(yǎng)分含量變化Fig.4 Dynamics of nutrient concentration in sediment

對三種放牧草場在不同降雨強(qiáng)度下的泥沙中總氮、總磷流失量進(jìn)行分析,見表4,可以看出,三種放牧草場泥沙中總氮的流失量均顯示為隨放牧強(qiáng)度的增加先增加后減小,總磷的變化則與總氮變化完全相反。當(dāng)降雨強(qiáng)度從0.74mm/min增加到1.5mm/min時,自由放牧草場總氮、總磷流失量分別增加了29.34%和29.23%,輪牧草場增加了40.94%和41.14%,休牧草場增加了50.83%和44.22%?？梢钥闯?泥沙中營養(yǎng)元素的流失量與雨強(qiáng)、泥沙中小微粒[19]所占比例均呈正相關(guān),說明大雨強(qiáng)事件時,土壤侵蝕引起的養(yǎng)分流失主要由流失成分所決定。

在降雨土壤侵蝕的過程中,養(yǎng)分在泥沙中存在富集現(xiàn)象,即泥沙中養(yǎng)分含量高于實驗區(qū)土壤中養(yǎng)分含量。富集現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于水土流失過程中,土壤中細(xì)小的顆粒有機(jī)質(zhì)具有較大的比表面積,可以吸附更多的養(yǎng)分,這些顆粒十分細(xì)小,容易進(jìn)入降雨侵蝕的泥沙中。20世紀(jì)中期Massey等人提出了富集率的概念,用來描述土壤侵蝕過程中養(yǎng)分富集的程度,養(yǎng)分富集率就等于它在泥沙中的含量與源土壤中的含量之比[20]。

本次試驗中總氮、總磷的富集率結(jié)果見表4,自由放牧草場與休牧草場的總氮富集率基本相等,而輪牧草場的富集率明顯要低于休牧及自由放牧草場?？偭赘患曙@示為自由放牧>休牧>輪牧。降雨強(qiáng)度由0.74mm/min增加到1.5mm/min時,三種放牧草場的氮磷的富集率均呈增加趨勢,其自由放牧草場的總氮、總磷富集率分布增加了7.7%和7.61%,輪牧草場增加9.68%和9.83%,休牧草場增加了7.34%和2.64%。總體顯示總氮的富集率在1.16—1.38之間,總磷的富集率在1.22—1.54之間,富集率大小符合國內(nèi)外眾多實驗結(jié)果范圍[18],未出現(xiàn)異常情況。

2.4 泥沙及氮磷流失的主要影響因素

對不同放牧制度草場泥沙流失量、總氮流失量、總磷流失量與各因素間相關(guān)性進(jìn)行分析,由表5可以看出,不同放牧草場泥沙及氮磷流失量的影響因素較多,但主要影響因素基本相同。三種放牧草場中影響總氮流失量的因素有徑流量、含沙量及總氮濃度。其中徑流量與總氮流失量的相關(guān)性遠(yuǎn)高于其他兩個因素,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上,總氮濃度對總氮流失量的影響低于徑流量對其影響,主要由于總氮濃度大小受到徑流量的制約,因此徑流量是影響氮流失的第一影響因素。泥沙含量與總氮流失量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,主要由于泥沙含量隨降雨歷時逐漸減少,而總氮流失量隨時間累積增多。影響總磷流失量大小的影響因素與總氮相同,其主要影響因素同樣是徑流量。

泥沙流失量除不受入滲量影響外,均受其他各個因素的影響,其中徑流量與含沙量對泥沙流失量的影響明顯高于其他各因素,自由放牧草場和輪牧草場的泥沙流失量與徑流量、含沙量間相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上,而休牧草場的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.8以上,主要由于休牧草場的植被生長狀況均優(yōu)于自由放牧草場與輪牧草場,且差距顯著(P<0.05),植被生長狀況對各個因素與流失量間的關(guān)系產(chǎn)生一定影響,所以其相關(guān)性要低于自由放牧草場和輪牧草場。而在徑流量與含沙量中,含沙量與泥沙流失量的相關(guān)系數(shù)又略高于徑流量,說明三種放牧草場中含沙量是決定泥沙流失量的最主要因素。

表5 不同放牧草地泥沙、總氮、總磷流失因素間相關(guān)系數(shù)

*P<0.05；**P<0.01.

3 討論

草地植被具有調(diào)節(jié)地表徑流,保持水土防止流失的重要生態(tài)功能,呼倫貝爾草原作為面積最大的天然草原,其生態(tài)環(huán)境一直備受關(guān)注,草原上放牧方式不僅決定草地植被的生長狀況,也改變著下墊面土壤的理化性質(zhì),而土壤的理化性質(zhì)影響土壤的水文循環(huán),進(jìn)而影響植被的生長狀況及降雨過程中土壤的侵蝕程度。本文以呼倫貝爾草原不同放牧制度草場為研究對象,在對土壤植被進(jìn)行調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,探討了模擬降雨過程中不同放牧制度對氮磷和泥沙流失特性的影響。

降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙過程主要是降雨對地表土壤做功的過程,三種放牧草場在不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流產(chǎn)沙存在較大差異,主要由于降雨過程中自由放牧草場植被生長稀疏矮小,其覆蓋度35%—48%,雨滴到達(dá)土壤表面所攜帶的降雨動能直接被表層土壤所吸收,由于動量守恒,土壤受雨滴動能的影響產(chǎn)生擾動,在其現(xiàn)有土壤孔隙度的基礎(chǔ)上,受降雨擾動的微粒堵塞土壤孔隙,使土壤入滲率下降,產(chǎn)流增多,較大的降雨徑流對表層土壤形成沖刷,使泥沙更多的進(jìn)入徑流,隨降雨強(qiáng)度的增加,雨滴動能增大,徑流受降雨影響更顯著。在休牧草場,其植被覆蓋度可以達(dá)到83%—92%,降雨過程中雨滴所攜帶的動能先到達(dá)地表植被,在植被截留后,沿植被莖葉掉落到土壤表面。由于土壤表層植被的存在使降雨動能減小,減少對土壤的擾動,增加了入滲,降低徑流。隨降雨強(qiáng)度的增加,植被的緩沖作用逐漸減弱,甘藝賢等[21]的研究表明,在降雨強(qiáng)度達(dá)到80mm/h時,徑流強(qiáng)度隨雨強(qiáng)的增加而逐漸變大,雨強(qiáng)對產(chǎn)流產(chǎn)沙存在直接影響。本文的試驗結(jié)果與甘藝賢等人的研究基本一致。

在降雨侵蝕過程中不同放牧草場土壤侵蝕前后,原土壤的機(jī)械組成發(fā)生了明顯的變化,其變化過程就是徑流與土壤顆粒相互作用的過程。當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流時,徑流作為泥沙流失的源動力及載體,將土壤中粒徑微小的粘粒、粉粒攜帶進(jìn)入徑流中,導(dǎo)致徑流中的泥沙中細(xì)小的粘粒、粉粒所占百分比較原土中要高出很多,實現(xiàn)了泥沙中粘粒、粉粒的聚集。粘粒、粉粒具有較大的比表面積,與土壤中的氮磷結(jié)合更多。三種放牧草場中自由放牧草場與休牧草場的總氮富集率基本相等,均大于輪牧草場,總磷富集率顯示為自由放牧>休牧>輪牧,與泥沙流失量變化不一致。該結(jié)論與王全九在神木對不同種植模式下氮磷流失規(guī)律的研究趨勢相反,王全九等[6]認(rèn)為不同植被種植模式下的富集率與產(chǎn)沙量呈完全相反的關(guān)系,既土壤侵蝕量低值對應(yīng)的富集率的高值。該狀況主要由于王的實驗小區(qū)提前噴灑了氮磷農(nóng)藥,使不同種植模式下土壤中的氮磷元素含量基本一致。而本研究選取的天然試驗草場中,土壤氮磷含量本底值相差較大,休牧草場的氮含量約為輪牧及自由放牧草的1.9倍,休牧及輪牧草場的磷含量約為自由放牧草場的1.4倍,雖然自由放牧草場產(chǎn)沙量最大,但是由于其土壤氮磷含量較低,所以其泥沙富集率與休牧草場相近。三種放牧草場的泥沙富集率隨泥沙累計量的增加逐漸減小,該結(jié)果與郭新送等[8]在室內(nèi)對棕壤、褐土、紅壤土在室內(nèi)進(jìn)行降雨模擬實驗取得的氮磷鉀的富集率變化結(jié)果一致。該結(jié)果顯示在可產(chǎn)生徑流的降雨事件中,泥沙養(yǎng)分的富集率隨著降雨發(fā)生次數(shù)的增加逐漸降低,多次發(fā)生降雨產(chǎn)流的地區(qū)其土壤中營養(yǎng)元素的含量會逐漸降低,土壤會日漸貧瘠,最終導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。

降雨過程中存在很多因素影響氮磷及泥沙流失,其中下墊面條件對流失量的影響起到至關(guān)重要的作用。不同放牧草場下墊面條件差異很大,自由放牧草場土壤氮磷含量低,土壤孔隙度小,植被生長稀疏；輪牧草場氮含量較高,磷含量與自由放牧草場相近,土壤孔隙度最小,植被生長良好；休牧草場土壤氮磷含量及孔隙度均達(dá)到最大,且植被生長最為茂盛。由于地表狀況的差異導(dǎo)致了三種放牧草場在相同降雨強(qiáng)度下,氮磷及泥沙流失的差異性。不同放牧草場中含沙量對徑流過程中總氮、總磷流失量的影響存在明顯的差異,自由放牧草場徑流中含沙量對氮磷流失量的影響差距最大,而休牧草場差距最小,主要由于休牧草場地表土壤受雨滴擾動要輕于自由放牧草場,所以其含沙量較少,對氮磷流失量的貢獻(xiàn)較少。該結(jié)果與張麗萍等[22]在竹林地進(jìn)行泥沙及氮磷載荷流失的研究趨勢基本一致,結(jié)果顯示泥沙流失量對氮磷流失起到主要影響作用。

三種放牧草場中含沙量對磷流失量的影響明顯高于對氮流失量的影響,主要由于流失泥沙中細(xì)顆粒的粘粒、粉粒具有較大的比表面積,而同時磷顆粒具有較強(qiáng)的吸附性,會更多的吸附在粘粒與粉粒上,在泥沙中隨徑流流失,而徑流中的泥沙微粒吸附的磷較多,導(dǎo)致徑流中磷濃度較高。該結(jié)果與2009年趙偉等[14]與呼倫湖流域不同草地利用方式下的降雨模擬實驗取得結(jié)果基本一致,趙偉等人認(rèn)三種草地利用方式中,磷流失與泥沙含量相關(guān)性較高,氮的流失除受泥沙流失的影響外,還受土壤氮含量等方面的影響,但趙偉等人并未對氮磷及泥沙流失過程中的富集現(xiàn)象進(jìn)行測試說明。而佘雕等[23]在黃土高原地區(qū)進(jìn)行的泥沙侵蝕的結(jié)果趨勢并不相同。佘雕等人認(rèn)為流失泥沙中細(xì)小顆粒與磷的吸附性不強(qiáng),沒有出現(xiàn)磷富集的現(xiàn)象,該狀況可能由于研究區(qū)的本底情況相差較大,黃土土壤中磷含量較低,無法形成富集,部分學(xué)者對水體沉積物中的氮磷釋放過程進(jìn)行研究,結(jié)果表明當(dāng)水體氮磷元素濃度減少時,泥沙中的氮磷元素會逐步釋放到水體中[24],引起二次污染,所以要減少易造成土壤退化和營養(yǎng)元素流失的自由放牧草場面積,加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。

呼倫湖是內(nèi)蒙古最大的淡水湖泊,地處呼倫貝爾草原腹地,其主要入湖河流為克魯倫河及烏爾遜河,其中克魯倫河發(fā)源于蒙古國肯特山,在國外長度為1058km,國內(nèi)部分206km,水質(zhì)較差,總氮濃度均值可達(dá)2.5mg/L,總磷濃度均值0.23mg/L[25]。烏爾遜河長223km,發(fā)源于貝爾湖,貝爾湖是中蒙界湖,不存在任何人為活動的影響,其湖水水質(zhì)較好,烏爾遜河總氮濃度均值1.02mg/L,總磷濃度均值0.21mg/L,兩條河流穿過呼倫貝爾草原腹地,河流水質(zhì)均受兩岸放牧活動的影響。不同放牧草場在兩種降雨強(qiáng)度下徑流中總氮濃度范圍為0.99—1.4mg/L,該濃度遠(yuǎn)低于克魯倫河河水中總氮濃度值,可以看出在設(shè)定降雨強(qiáng)度下,放牧活動對克魯倫河河流水質(zhì)的影響不大,降雨徑流進(jìn)入河水中,反而會降低河流中總氮濃度。該狀況可能由于克魯倫河國內(nèi)部分水質(zhì)受上游來水影響較大,氮元素隨上游坡面徑流進(jìn)入河水中逐步累積,導(dǎo)致國內(nèi)段河水總氮濃度較高[25]。而徑流中總氮濃度與烏爾遜河河水總氮濃度相接近,且稍高出烏爾遜河水濃度,可以看出,在小降雨事件中的坡面徑流對河水中總氮濃度沒有影響,但在大雨強(qiáng)事件時,坡面匯流對提高烏爾遜河總氮濃度起到貢獻(xiàn)作用。徑流中磷的濃度范圍為0.27—0.49mg/L,該濃度范圍明顯高于烏爾遜河和克魯倫河河水中,可以看出,不論是大雨強(qiáng)或者小雨強(qiáng)事件,只要產(chǎn)生的坡面徑流進(jìn)入河水,均會明顯提升河水總磷濃度。所以,放牧草場中磷元素是呼倫湖入湖河流的主要污染源之一,而氮元素不對入湖河流產(chǎn)生污染,其污染物另有來源。

4 結(jié)論

(1)不同放牧制度草場對降雨徑流及產(chǎn)沙量具有明顯的減緩作用,隨三種放牧草場草地覆蓋度的增高,產(chǎn)流產(chǎn)沙強(qiáng)度降低,三種放牧草場對產(chǎn)流產(chǎn)沙削減作用的順序為休牧草場>輪牧草場>自由放牧草場。

(2)降雨強(qiáng)度對徑流中的氮磷濃度影響顯著,其中自由放牧草場總氮濃度和休牧草場總磷濃度受雨強(qiáng)影響最大。三種放牧草場的總氮、總磷濃度變化過程曲線,更符合冪函數(shù)。自由放牧草場總磷、總氮流失量均最高。

(3)休牧草場泥沙氮含量和泥沙磷含量均為最高,三種放牧草場泥沙中總氮流失量隨放牧強(qiáng)度的增加先增大后減小,總磷的變化完全相反。氮磷在流失過程中均存在富集現(xiàn)象,自由放牧草場與休牧草場的總氮富集率基本相等且均大于輪牧草場,總磷富集率為自由放牧>休牧>輪牧。

(4) 三種放牧草場氮磷流失的第一影響因素為徑流量,泥沙流失的第一影響因素為含沙量,三種放牧草場中,自由放牧草場氮磷和泥沙流失受徑流量及含沙量的影響最為顯著(P<0.05)。

由以上結(jié)論可以看出,休牧及輪牧草場對氮磷及泥沙流失的保護(hù)作用顯著。因此在草地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變放牧方式,以此來減少水土流失,休養(yǎng)草原,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件,對于流域水體中氮磷元素的控制需要另尋它法。

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