全 文 ：收稿日期：!""#$"%$&! 接受日期：!""#$&!$!"
基金项目：中国科学院“百人计划”项目（’()!""*&"%）；国家自然科学基金项目（+"*#%",+）资助。
作者简介：张长保（&%-&—），男，陕西汉中人，硕士，主要从事土壤养分资源研究。./0：&1%%&!!%&+!，23450：67489:7489;4(<&,1= :(3
! 通讯作者：./0："!%$-#"&"&,!，23450：>?@48A5@<&,1= :(3
模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮
迁移特征的影响
张长保&，!，王全九!，1!，樊 军&，!，李世清&，!
（& 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 #&!&""；! 中国科学院、水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与
旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 #&!&""；1 西安理工大学水资源研究所，西安 #&""*-）
摘要：利用室内人工模拟降雨，研究了不同初始含水量砂黄土在降雨条件下入渗$径流、土壤侵蚀，以及 ’B$1 C’随
径流流失和土壤深层淋溶特征。结果表明，初始含水量对产流时刻的影响在相对含水量为 *%=*D和 #,=%D之间存
在一个转折点，高初始含水量较低含水量产流提前大约 &+ 358；土壤侵蚀量随着土壤初始含水量的增加而增加，相
对含水量为 %#=&D时，侵蚀泥沙量分别是相对含水量 !!=%D时的 !=-倍，*%=*D时的 !=1倍，#,=%D时的 &=+倍。初
始含水量高的处理径流初始 ’B$1 C’浓度高，随后各处理均衰减很快，&" 358左右 ’B$1 C’含量趋于雨水本底值；土
壤初始含水量越低，’B$1 C’被淋洗的程度越严重，土壤剖面中 ’B$1 C’的浓度峰越深。对于黄土高原坡地砂黄土
’B$1 C’迁移特征来看，按照 ’B$1 C’迁移数量，随径流和泥沙流失量比向土壤深层迁移的数量小。说明在降雨条件
下，’B$1 C’主要通过土壤深层淋溶损失，且土壤初始含水量越低其损失越严重。针对黄土高原降水量小、分布集中
的特点，采取措施增加入渗，蓄积水分，在一定含水量下施肥，以提高氮肥利用率，降低 ’B$1 C’的淋溶。
关键词：含水量；人工降雨；硝态氮；砂黄土
中图分类号：E&+#=& 文献标识码：F 文章编号：&""-$+"+G（!""-）"+$"-%*$",
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植物营养与肥料学报 !""-，&*（+）：-%*$-%%
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氮肥的施用对提高农作物产量效果十分显著。
目前，我国已经成为世界最大的化肥生产国和消费
国。按粮食播种面积计算，全国平均氮肥使用量达
; <=> ?1 @ -+A［<］。过量施用氮肥，既严重浪费资源，
也影响农产品品质，污染土壤、水体和大气生态环
境［A］。在北方旱作条件下，土壤具有很强的硝化与
矿化潜力，施入的铵态氮肥和酰胺态氮肥在土壤中
残留氮素绝大部分以硝态氮的形态存在［B］。黄土高
原地区土质疏松，有机质含量极低，且降雨集中在 C
!D月，高强度的降雨使土壤中的硝态氮淋溶到相当
深度，长期的累积淋溶效应使硝态氮迁移至作物不
能利用的深度，降低生物的有效性，并造成地下水的
污染［EF=］。针对黄土高原地区土壤养分的迁移，郝
明德、郭胜利和樊军等［GFC］通过在黄土旱塬长期施
肥定位试验，研究表明 ;HFB 7;的深层积累是雨养农
业区施肥、作物、降水和土壤特性等长期作用的综合
结果；张兴昌［>F
丽［
分流失的影响；王全九［<=］基于相互作用深度概念
和有效混合层内溶质质量平衡原理建立了土壤溶质
与径流相互作用混合模型；陈洪松［
壤水分再分布的影响，认为土壤初始含水率越高，产
流越快，平均入渗率越小，趋于稳定入渗阶段的时间
也越短，但未涉及养分的研究。
) 材料与方法
)*) 供试材料
中国西北部黄土颗粒的组成具明显的地带性分
布规律，黄土高原自西北向东南依次划分为 B个带：
砂黄土带、典型黄土带及粘黄土带。砂黄土在物质
组成及结构方面与中部和东南部的粘粉质黄土具有
明显的差异，在黄土高原西北地区具有典型的代表
性。
试验用砂黄土采自中国科学院水土保持研究所
神木野外试验站，地处六道沟小流域，该流域位于神
木县以西
层，土壤类型为干润砂质新成土，其基本理化性状
为：土壤颗粒组成为砂粒（ M IJI= ++）占 ECJD
++）占 <=J
备用。
)*+ 人工模拟降雨
降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家
重点实验室降雨大厅的侧喷区内进行。降雨高度为
>IN。试验所用土槽为自行设计的钢槽，其尺寸规
格为长 Q宽 Q高 R
“S”形钢槽收集径流，且钢槽上方设置挡雨板，防止
降雨直接流入径流桶内，其他三边额外增加 <= 6+
高钢板，以防雨滴打击，使槽内物质溅出土槽外。土
槽底板均匀打孔，便于土壤水自由渗透。
)*, 试验设计
试验设 E个含水量水平，设定质量含水量分别
为 =N、
分别为 AAJDN、EDJEN、CGJDN和 DCJ
纱布，测定风干土含水量，根据风干土实际含水量确
定设定含水量需加的水量。填装用土混合均一，以
保证背景值相同，施肥水平为 ; AII +1 @ ?1（T;HB 为
土槽，容重控制在 !"#$ % & ’(# 左右；分层填装，每 $
’(为一层，在填装上层土料之前，抓毛下层土壤表
面，以防土层之间出现分层现象。装好后用塑料薄
膜覆盖土壤表层，避免含水量因蒸散而改变，放置
!$ )，准备降雨。试验结果为两次降雨的平均值。
降雨强度为 *+"$ (( & )，降雨时间为 ,- (./，坡
度均为 !-0。降雨过程中，记录初始产流时间，产流
后前 !- (./每 ! (./采集径流于塑料小桶，1-!#-
(./内每 1 (./采集径流，其后按每 $ (./采集于桶
内。降雨结束后，称量径流样，并收集上清液 $- (2
左右于塑料瓶中，用定量滤纸过滤，冷藏于冰箱
（34）；桶底泥沙风干后称重，将同一处理的泥沙样
收集，混匀，待分析。在土槽中下部，距坡底 3- ’(
处取土壤剖面，取样方法为 -—-"1$ ’(、-"1$—-"$
’(、-"$—! ’(，! !- ’(每隔 ! ’(、!-—1- ’(每
隔 1 ’(取一个样，其后按每 $ ’(取一个样至槽底，
取样量 1-- %左右。
!"# 测定项目及方法
降雨前后测定土样含水量、567# 85 含量、径流
水样 567# 85 含量。其中含水量采用烘箱烘干法
（!-$4，* )）；土样及泥沙样 567# 85 含量采用 !
(9: & 2 ;<:溶液浸提，双波长（11- /(，1+$ /(）紫外
分光法［!+7!*］测定；径流水样 567# 85含量采用定量
滤纸过滤后直接双波长紫外分光法测定［!=］。
$ 结果与讨论
$"! 降雨—入渗—径流过程分析
土壤溶质在水力侵蚀条件下的流失过程，实际
上是土壤溶质、降雨和径流的相互作用过程，受溶解
和解吸、雨滴击溅、径流冲刷和溶质紊动扩散等作
用，以及土壤入渗能力和地形地貌等诸多因素的影
响。降雨初期的雨滴打击作用使土壤表层 567# 85
与雨水混合，当雨强小于入渗能力时，雨水全部入
渗，土壤表层部分的 567# 85随水向土壤深层迁移。
随着降雨的进行，产生径流，567# 85发生双向迁移，
一方面在雨滴和径流的作用下迁移出出口断面，另
一方面继续随着水的入渗在土壤剖面向下迁移；当
降雨结束后，567# 85继续在土壤剖面进行扩散、对
流，一部分 567# 85保留在根层，可以被植物利用，另
一部分就会淋溶到作物不能利用的深度，污染地下
水源［$，!#］。
图 !显示了 3个不同初始含水量处理下单位面
积的坡面入渗率、径流量和累积径流量随降雨时间
的变化过程。其中土壤入渗率 ;用下式计算：
! > ?’9@（!）7 "·# $ %·& （!）
式中，’ 降雨量（’( & (./）；!坡度（0）；& 时间间隔
（(./）；# 时间间隔 & 内的产流量（%）；% 土槽面积
（’(1）；" 将产流量换算成水的体积的转换系数，"
> ! ’(# & %。
图 ! 不同初始含水量下入渗率、径流量、累积径流量变化过程
%&’(! )*+&,-./-&0* ./-12，+,03 ./-12 /*4 5676,/-&81 +,69 3&-: -&71 +0. 4&++1.1*- &*&-&/, 3/-1. 50*-1*- 0+ 20&,
图 !看出，在降雨初始条件一致条件下（土壤表
层养分含量、土壤容重、土槽坡度及雨强），不同初始
含水量处理的产流变化过程，相对含水量为 11"=A
和 3="3A的处理产流时间基本相同，分别为 !+",、
!+"1 (./，相对含水量为 +,"=A和 =+"!A的处理产
流时间无明显差异，分别为 1"$、1", (./，相比之下
产流时间比前 1个处理提前了 !$ (./左右。土壤初
始含水率影响着降雨入渗、产流过程，与陈洪松［!,］
的结论一致，即初始含水率高，产流快，入渗率降低
也快，趋于稳定入渗阶段的时间也短。对于相对含
,=* 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 !3卷
水量为 !"#$%和 $!#&%的 ’ 个处理，在 ’ ()*左右
就开始产流，入渗率降低也相当快，在产流后不到
&+ ()*就趋于缓慢，逐渐趋于稳定入渗。相对含水
量为 ’’#$%和 ,$#,%处理入渗率降低较缓慢，其中
相对含水量为 ’’#$%的处理在产流后 &+ ()* 达到
稳定入渗，而相对含水量为 ,$#,%的处理至降雨结
束也未表现出稳定入渗。在降雨过程中的坡面径流
量随时间表现出呈指数增加趋势，而且径流量的差
异与入渗率的差异恰好相反。在坡面径流的计算过
程中，使用的是水量平衡法，即径流等于降雨减去入
渗，故坡面径流量与土壤入渗率密切相关，入渗率大
则径流量小，反之亦然。从径流累积量看出土壤初
始含水量越高，径流累积量越大，各处理变化趋势基
本一致。
!"! 径流 #$%& ’#含量变化特征
土壤氮素在侵蚀条件下随径流迁移表现为 -种
方式：!土壤液相中的可溶性氮素在径流中的溶
解；"土壤颗粒吸附的矿质氮在径流中的解吸；#
土壤颗粒中的氮素随产流在坡面传递和被水体携
带。降雨动能和径流是这 -种作用过程的动力［&’］。
图 ’看出，在初始产流时，径流 ./0- 1.含量较高，主
要由于产流初期土壤粘粒含量较高，吸附于表层颗
粒和存在于土壤液相中矿质氮浓度相对较高；而且
表现出初始含水量相对较高的 ’个处理在产流初始
阶段径流 ./0- 1.含量较高，究其原因主要在于，土
壤含水量高，土壤溶液中溶解的 ./0- 1.总量相应较
高。有研究表明，在一定含水量范围内，硝化速率随
土壤含水量的增加而增高，硝化势在 0 2#+ 345（约
为田间持水量的 "+%）时达到最高值［’+］；同时土壤
前期含水量高会直接导致水分入渗率降低，随水入
渗向下迁移的 ./0- 1.少，保留在土壤上层的 ./0- 1.
的量也就较多。./0- 1.运移的推动力主要是干、湿
土层之间的水势梯度和土壤基质势，在含水量低的
情况下，土壤具有较高水势梯度，入渗率大，在未产
流之前，土壤表层大量 ./0- 1.已随雨水的入渗进入
土壤深层。在产流后 &+ ()*，各处理径流中 ./0- 1.
含量均趋于稳定，与雨水 ./0- 1.含量持平（图 ’）。
从径流 ./0- 1. 累积流失量看，土壤初始含水量越
高，通过径流损失的 ./0- 1.总量越多（图 -）。
!"& 降雨后土壤剖面硝态氮分布及土壤侵蚀量
图 ,、图 6 可以看出，降雨后土层 +—’+ 7(
./0- 1.含量仅是雨前土壤的 ’#+%!--#2%，而且土
壤初始含水量越低，被淋洗的越深。./0- 1.淋溶深
图 ! 径流中硝态氮浓度随时间变化
()*+! ,-./*01 23 4-0 /)45.40 62/60/45.4)2/
)/ 57/233 875)/* 5.)/3.99
图 & 径流硝态氮累积流失量
()*+& ,7:79.4);0 /)45.40 921101 )/ 57/233
875)/* 5.)/3.99
度及其峰值浓度（表 &）显示，./0- 1.的作用深度均
达到土槽底部 -6 7(处，这和降雨后土壤水分入渗
作用深度一致。土壤初始含水量大，径流量势必较
大，会增加径流的冲刷作用，从而加剧土壤侵蚀。图
"可见，相对含水量为 $!#&%的处理，侵蚀泥沙量分
别是相对含水量为 ’’#$%的 ’#2 倍，,$#,%的 ’#-
倍，!"#$%的 倍，指数函数能够较好地反映非饱
和条件下坡地砂黄土初始含水量与土壤侵蚀量的关
系，决定系数（8’）达到 +#$!’-。通过分析泥沙样
./0- 1.含量，平均为 "#& (9 : 39，仅是雨前土样的
’#$%，这主要由于表层土壤 ./0- 1.大部分在径流
产生之前随入渗水进入深层，被冲蚀的泥沙又通过
径流的再次浸提，所以残留在泥沙的 ./0- 1.很少，
对 ./0- 1.的流失贡献极小。
!$26期 张长保，等：模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮迁移特征的影响
图 ! 降雨后土壤剖面硝态氮的分布
"#$%! &#’()#*+(#,- ,. -#()/(0 #- (10 ’,#2 3),.#20
/.(0) )/#-./22
（!"：雨前 !#$%&# &’()$’**，下同 +,# -’.# /#*%01）
图 4 降雨后土壤剖面水分分布
"#$%4 5,#’(+)0 6,-(0-( #- (10 ’,#2 3),.#20 /.(0) )/#-./22
表 7 不同土壤初始含水量对降雨土壤侵蚀量和硝态氮流失量的影响
8/*20 7 9:3/6( ,. #-#(#/2 ;/(0) 6,-(0-( ,- ’,#2 0),’#,- /-< =>?@ A= 2,’’
相对含水量
"#*’2(3# 0’2#&
4%)2#)2
（5）
径流总量
+%2’*
&6)%$$
（7）
泥沙量
+%2’*
-#8(.#)2
（9）
径流 :;<= >:流失量
+%2’* :;<= >:
() &6)%$$
（.9 ? .@）
泥沙 :;<= >:流失量
+%2’* :;<= >:
() -#8(.#)2
（.9 ? .@）
剖面 :;<= >:浓度峰
:;<= >: A#’B ()
-%(* A&%$(*#
（4.）
峰值 :;<= >:含量
:;<= >: A#’B
4%)2#)2
（.9 ? B9）
@@CD ECF ’ DGCF ’ HICG ’ @CI ’ =I—=J FDHCJ
EDCE JCJ / H@ICF / HHC= / @CJ / @I—@J EHGCJ
GFCD H=CG 4 HKGCI 4 HKCJ 4 =CK 4 @I—@J =GECJ
DGCH HGC@ 8 @G=CI 8 EHCE 8 JCF 8 H@—HE =J=CJ
注（:%2#）：数据后不同字母表示处理间达 ICIJ显著水平 L’*6#- $%**%0#8 /M 8($$#&#)2 *#22#&- () 2,# -’.# 4%*6.) .#’) -(9)($(4’)2 ’2 ICIJ *#3#* 1
图 B 不同处理土壤侵蚀量
"#$%B C0<#:0-( D#02<’ ,. <#..0)0-( ()0/(:0-(
@ 结论
模拟降雨试验表明，砂黄土不同初始含水量对
降雨入渗<径流、土壤侵蚀、:;<= >:径流流失和深层
淋溶的影响有一定差异。在降雨条件下，砂黄土
:;<= >:的迁移主要通过淋溶作用进入土壤深层，且
表现出土壤初始含水量越低，:;<= >:被淋洗的程度
越严重；初始含水量高，土壤侵蚀量加剧，初始径流
:;<= >:含量相应较高，但从 :;<= >:流失总量看，径
流和泥沙所携带的量所占比例甚小。总之，:;<= >:
主要通过降雨淋溶作用损失，:;<= >:的深层积累是
雨养农业区氮素去向的重要途径之一［F
控制 :;<= >:的淋溶是关键所在，采取少量多次，在
一定含水量下施肥是有效途径。综合研究黄土高原
地区养分流失过程今后还需同时考虑移动性差，易
被土壤所固定的磷和钾，同时结合农艺措施等，研究
出一条适合黄土高原的有效养分资源管理的途径。
参 考 文 献：
［H］ 朱兆良，孙波，杨林章，等 1我国农业面源污染的控制政策和措
施［N］1科技导报，@IIJ，@=（E）：EG
)%)>A%()2 A%**62(%) %$ ’9&(46*26&# () S,()’［N］1 P4( 1 T +#4,1 "#31，
@IIJ，@=（E）：EG
［!］ 王朝辉，李生秀，王西娜，等 "旱地土壤硝态氮残留淋溶及影响
因素研究［#］"土壤，!$$%，&’（%）：%(%)%’*"
+,-. / 0，12 3 4，+,-. 4 5 !" #$ % 5267,68 -2679.8- 78:2;<8 ,-;
=8,>?2-. 2- ;7@=,-; :92= ,-; 2-A=<8->8 A,>697:［#］" 392=:，!$$%，&’（%）：
%(%)%’* "
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运移及其后效［#］"中国农业科学，!$$(，B$（C）：*C%B)*C(!"
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