全 文 ：植被覆盖度对流域有机质和氮素径流流失的影响*
张兴昌　邵明安
(黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西省杨陵区 712100)
摘要: 以 8. 27km2 纸坊沟流域 1∶400 模型为对象, 在人工控制的条件下, 模拟天然降雨
(降雨强度 2mm/ min, 历时 30min) , 研究不同植被覆盖度对小流域土壤氮素随径流流失的规律。
结果表明,当覆盖度为 60%、40%、20%和 0%时, 土壤铵态氮流失量为 87. 08、44. 31、25. 16 和
13. 71kg / km2, 硝态氮流失量为 85. 50、74. 05、63. 95 和 56. 23kg/ km 2, 有机质流失量为 15. 67、
24. 02、44. 68和 164. 87t / km2, 全氮流失量为 0. 81、1. 18、1. 98和 7. 5 t / km2。泥沙氮素含量随着
产流时间的延长呈下降趋势, 而流失累积量测呈逐渐增大趋势。植被覆盖虽能有效地减少土壤
侵蚀和全氮的流失, 却能增加土壤矿质氮的流失。
关键词: 小流域模型; 植被覆盖度; 氮素流失
中图分类号: S 157　文献标识码: A　文章编号: 1007-04351( 2000) 03-0198-06
以流域为单元, 研究土壤侵蚀和养分流失规律方兴未艾 ( Pimental, 1993; Lal , 1990;
Fr ye, 1985; Bramble, 1985; Jackson等, 1973; Schuman等, 1973)。鉴于流域面积较大, 降雨、
地貌、土壤、植被等因素较为复杂且难以调控,为研究土壤侵蚀和养分流失的规律造成一定
困难。因此, 人们设法对研究和测试手段进行革新, 蒋定生等人( 1997)建立了纸坊沟流域模
型,利用人工降雨等条件研究不同治理措施对流域土壤侵蚀的规律。
将覆盖度作为评价综合治理效益的指标,已被黄土高原综合治理试验示范区广泛采用。
以径流小区为对象,研究植被盖度与水土流失的关系也在同时开展,并取得共性的结论。
Cast illo( 1997)和 Meyer 等( 1975)认为,覆盖度愈高, 水土流失愈少。由于研究手段的限制,
迄今为止,有关流域植被覆盖度与土壤氮素流失关系的研究, 尚未见报道。
本文利用 8. 27km2纸坊沟流域 1∶400比例模型, 在人工降雨条件下,研究植被覆盖度
对土壤氮素流失的影响,旨在揭示土壤有机质和氮素流失的规律, 为流域综合治理提供科学
依据。
1　材料与方法
1. 1　纸坊沟流域模型的设计与建造
1. 1. 1　根据纸坊沟流域 1/ 5000地形图,研究该流域的边界和内部特征地物的坐标和高度,
按比例缩小至 1/ 400,并在平整好的地面上将流域水平二维形状放样。
1. 1. 2　筑砌砖墙,水泥沙浆抹面防渗。边墙均高于对应流域分水线15cm。为了分解降雨,防
止溅入模型, 用水泥沙浆将边墙顶部砌成三角形。在边墙内侧用油漆勾出流域边界的控制高
收稿日期: 1999-08-25;修回日期: 2000-06-15
* 　本文为中国科学院重大研究项目 KZ951-B1-211、国家自然科学基金( 49871049)和中国科学院“西部之光”人才
培养项目
第 8 卷　第 3 期
Vo l. 8　　No . 3 草　地　学　报ACTA AGRESTIA SIN ICA
2000年　9月
Sept. 　2000
度,作为填土的控制线。清除模型底部杂草、碎石,蔬松表土 20cm,然后回填黄土母质, 分层
夯实,土壤容重控制在 1. 3g/ cm3。填土高度均高出流域边界控制线 5cm ,便于模型地貌的制
作。填土边界达到预定高程后,设置沟道中心线和地貌边沿线位置,比照地形图,按比例尺雕
刻出模型微地貌形态, 使模型地貌与原型地貌相似。并在模型上, 按一定治理度配置治理措
施(包括生物、工程接耕作措施)。模型作好后, 在流域水系出口处修建径流观测设施。
1. 2　植被覆盖度　
植被种类有长茅草( S tip a bungeana)和白羊草( Bothr iochloa ischaemum) , 其中长茅草
占 45%,植被高度 40～50cm。利用网格法( 10×10格/ m2 )测定植被盖度,分为 60% ( 84株/
m
2 )、40%( 55株/ m 2)、20% ( 29株/ m 2)和 0% 4个等级。1998年 10月 10日进行 60%盖度
试验,每间隔 7d 再进行 40%、20%和 0%盖度试验。
1. 3　人工降雨设施
在模型上方安装一台往复式人工降雨装置,近旁修建一盛水池,容量为50m3 ,试验前盛满清
水,并测定水中矿质氮含量。用压力泵作为降雨供水动力, 调控压力表,以控制人工降水强度。
1. 4　试验处理
1. 4. 1　每种盖度仅作 1次人工降雨,降雨强度均控制在 2mm/ m in,降雨 30m in。
1. 4. 2　人工降雨前,采模型土样 5个,供室内分析。
1. 4. 3　在每次产流过程中,分 12次采集径流泥水样并记录径流量。
1. 5　分析方法
1. 5. 1　收集的泥水样一部分过滤后,加 2～3滴二甲苯和 2滴 6mo l HCl/ L ,以防水样中硝
化和反硝化反应, 将水样放置于冰箱中,保持在 2～3℃。
1. 5. 2　另一部分泥水样澄清、倾水, 将泥样风干,测定其含水量。用 2mol / L KCl浸堤土壤
和泥沙样中的 NH+4 -N 和 NO -3 -N, 用连续流动分析仪测定水样和泥样中的 NH+4 -N 和
NH
-
3 -N。
1. 5. 3　泥沙和土壤有机质分析采用重铬酸钾外加热氧化法。
1. 5. 4　全氮采用半微量开氏法。土壤氮素含量为 5个采样点的平均值。
2　结果与分析
2. 1　植被盖度对径流泥沙氮素浓度的影响
2. 1. 1　当降雨强度和降雨量一致时,径流液中 NH+4 -N、NH-3 -N 和矿质氮的浓度随着产流
时间的推移呈逐渐下降趋势(表 1) ,其中覆盖度愈大, 下降趋势愈显著。在原模型土壤矿质
氮含量基本一致情况下(表 2) , 随着覆盖度的增加,径流液中 NH+4 -N 和 NH -3 -N 的浓度逐
渐增大。结果表明,植被覆盖可增加流域径流液中矿质氮含量,这是因为,径流中矿质氮浓度
的大小主要取决于径流对土壤表层矿质氮的稀释作用和径流在坡面传递过程中与矿质氮的
相互作用,当作用大于稀释效应时,矿质氮的浓度增加。
2. 1. 2　随着植被盖度的增大, 0%盖度仅比 60%盖度增加径流 23. 2%。在增加雨水入渗和
减少产流的同时(表 3) , 加剧了径流与表层土壤的相互作用,结果加速了土壤溶液中矿质氮
向径流释放。在植被覆盖下,径流与表层土壤矿质氮的相互作用大于稀释作用,随着植被盖
度的增加,径流矿质氮浓度逐渐增加。
199第 3期 张兴昌等:植被覆盖度对流域有机质和氮素径流流失的影响
表 1　产流时间与径流泥沙氮素浓度的相关性*
Table 1　T he relationships betw een t he runo ff-y ielded time and the nitr og en
cont ent s in runoff and sediment
植被盖度( % )
C overag e( % )
NH+4 -N NO-3 -N N H+4 + NO-3
有机质
Organ ic mat ter
全氮
T otal N
60 -0. 8225 -0. 7025 -0. 7673 -0. 7489 -0. 5700
40 -0. 0965 -0. 8766 -0. 8252 -0. 7231 -0. 8163
20 -0. 9271 -0. 6257 -0. 4590 -0. 9343 -0. 8833
0 -0. 5117 -0. 5672 -0. 4202 -0. 9348 -0. 8815
* r0. 05= 0. 5760, r0. 01= 0. 7079, n= 12
表 2　植被盖度对径流矿质氮浓度的影响
Table 2　T he available nitro g en contents in runo ff as effect ed by t he veget ation cover rat io
植被盖度( % )
C overage( % )
NH+4 -N( mg·k g- 1)
土壤
S oil
径流
Runoff
径流/土壤( % )
R/ S( % )
NO-3 -N( mg·kg- 1)
土壤
Soil
径流
Runof f
径流/土壤( %)
R/ S ( % )
NH+4 + NO-3 ( mg·k g- 1)
土壤 S
Soil
径流 R
Runof f
径流/土壤( % )
R/S ( % )
60 9. 9 2. 1 21. 2 9. 6 2. 4 25. 0 19. 5 4. 5 23. 1
40 10. 0 1. 0 10. 0 9. 8 1. 6 16. 3 19. 8 2. 6 26. 5
20 10. 3 0. 5 4. 9 10. 0 1. 4 14. 0 20. 3 1. 9 9. 4
0 9. 9 0. 3 3. 0 9. 9 1. 1 11. 1 19. 8 1. 4 7. 1
2. 1. 3　同径流矿质氮浓度变化趋势一致,随着产流时间的延长, 泥沙有机质和全氮浓度逐
渐减小,除裸地外,覆盖度愈小, 泥沙有机质浓度愈大(表 3)。
2. 1. 4　侵蚀泥沙通常由团聚体和不同粒径土壤颗粒组成( Cast illo , 1997; M eyer 等, 1975) ,
内聚土粒( cohensiv e so il )通常以团聚体形式存在,反之非内聚土粒( uncohensiv e so il)则以
土壤颗粒存在( Cogo 等, 1983)。径流在土壤表面传输特性决定了土壤侵蚀过程中首先搬运
土壤表层的细颗粒,其原因在于土壤细颗粒易在径流液中传输,使侵蚀泥沙通常趋于粘粒富
集和所吸附化学元素富集( Grego ry, 1991; Alberts, 1990)。泥沙养分富集的程度可用养分富
集率( ER)表示( Burw ell, 1975)。植被对坡面径流的阻碍作用,加剧泥沙细颗粒的富集,在一
定程度上,增加泥沙有机质和全氮的富集。除裸地外,随着覆盖度的增加,泥沙有机质和全氮
的富集率呈逐渐增大趋势(表 3)。
表 3　植被盖度对泥沙有机质和全氮浓度的影响
Table 3　T he or ganic mat ter and tot al nit ro gen in sediment effect ed by t he veget ation cover rat io
植被盖度( % )
C overage( % )
有机质( mg·kg- 1)
Organic mat ter
土壤
Soil
泥沙
Sediment
富集率
E nrichment ratio
全氮( mg·kg- 1)
Total N
土壤
S oil
泥沙
Sediment
富集率
E nrichment ratio
60 11. 0 24. 4 2. 22 0. 65 1. 25 1. 92
40 10. 8 27. 2 2. 52 0. 68 1. 33 1. 96
20 12. 1 29. 4 2. 43 0. 64 1. 30 2. 03
0 10. 1 22. 1 2. 19 0. 60 1. 01 1. 68
200 草　地　学　报 2000年
图 1　径流铵态氮流失累计过程
Fig . 1　The ammonium lo ss a ccumulat ed
pro cess in runo ff
图 2　径流硝态氮流失累计过程
Fig. 2　T he nit rat e lo ss accumulated
pro cess in runo ff
图 3　泥沙有机质流失累计过程
F ig . 3　The o rg anic matter lo ss a ccumulat ed
pro cess in sediment
2. 2　植被盖度对氮素流失的影响
2. 2. 1　植被盖度对径流、泥沙及其含氮
量双重影响的结果, 导致氮素流失迥然
不同(图 1, 2, 3, 4,表 4)。随着产流时间
的推移, 不同盖度对氮素的流失累积量
呈增加趋势,但对矿质氮和全氮流失的
影响则迥然不同。随着盖度的增加,矿质
氮的流失随之加剧。当产流时间达到
30m in 时, 60%盖度的铵态氮累积流失
量达到 0. 08708t·km - 2, 比裸地( 0%盖
度 )增加 5. 4 倍, 而硝态氮为 0. 08550
t·km- 2 ,仅比裸地增加 52. 1%。
2. 2. 2　随着产流时间的延长,盖度对矿
质氮累计曲线影响显著,不同处理间铵
态氮差异较大,而硝态氮差异较小。其原
因在于铵态氮主要吸附于土壤颗粒表
面,而硝态氮则主要存在于土壤溶液中,
随着植被盖度的增加, 径流与表土相互
作用加剧,主要表现为水流与土壤颗粒
浸堤和冲洗。与矿质氮流失不同,由于植
被对泥沙的过滤和拦截作用,随着植被
盖度的增大, 泥沙流失量急剧减少,泥沙
有机质和全氮流失则随着植被盖度的增
加呈下降趋势, 有机质和全氮流失累计
过程的曲线基本一致。
2. 2. 3　随着盖度的增加,径流和侵蚀量
均呈递减趋势,与侵蚀情况相同,泥沙全
氮和有机质流失量亦呈递减趋势, 而
NH
+
4 -N 和 NO-3 -N 流失则呈递增趋势,
增加植被覆盖度并不能减少土壤矿质氮
的流失。
3　结语
3. 1　流域土壤侵蚀和氮素流失受诸多
因素的影响, 通过控制植被覆盖度,在人
工降雨的条件下, 研究不同植被盖度对
土壤氮素流失的影响。多数研究结果
( Dillaha, 1989; Chaubey, 1985; Doyle, 1977)认为,植被覆盖可有效地减少土壤侵蚀,并将植
201第 3期 张兴昌等:植被覆盖度对流域有机质和氮素径流流失的影响
表 4　覆盖度对氮素流失的影响。
T able 4　The nitr og en lo sses in runo ff and sediment as effected by the vegeta tion cover ratio
植被盖度( % )
C overage
( % )
径流矿质氮流失
T he avai lab le nit rogen loss erosion
泥沙有机质和全氮流失
T he org anic m at ter and total nit rogen los ses in s ediment
径流量
Runoff
m 3·km2
NH+4 -N
( t·km- 2)
NO-3 -N
( t·km - 2)
NH+4 + NO-3
( t·km- 2)
侵蚀量
S ediment
( t·km- 2)
有机质
Organic mat ter
( t·km- 2)
全氮
T otal N
( t·km - 2)
60 40715 0. 08708 0. 08550 0. 1509 642. 8 15. 67 0. 81
40 45666 0. 04431 0. 07405 0. 1184 883. 4 24. 02 1. 18
20 46315 0. 02516 0. 06395 0. 0891 1520. 0 44. 68 1. 98
0 50145 0. 01371 0. 05623 0. 0699 7449. 0 164. 87 7. 52
图 4　泥沙全氮流失累计过程
F ig . 4　T he tot al nit ro gen loss accumulat ed
process in sediment
被浸蚀作用归结于茎叶对降雨的截留作
用、根系对土壤的固结作用和植被对径
流传递的阻碍作用。但由于土壤全氮多
为有机氮和土壤颗粒结合紧密,因此,植
被在防止土壤颗粒流失的同时, 相应地
减少了土壤全氮的流失, 随着覆盖度的
增大,减少作用随之增加。
3. 2　土壤矿质氮( NH+4 -N 和 NO -3 -N )
存在于土壤液相中( NO -3 -N ) ,吸附于土
壤颗粒表面( NH+4 -N)。其径流流失的程
度, 取决于径流量的大小和径流与表层
土壤颗粒相互作用的强度和时间。植被
盖度从 0%到 60% ,径流量仅减少 18. 9%, 而降雨结束后,产流滞后时间从 1. 5min 增加到
10. 2min,增加了 5. 8倍, 而径流中矿质氮的浓度从1. 4mg·kg- 1增加到4. 5mg·kg- 1 ,增加
了 2. 2倍。结果表现为,随着覆盖度的增加,土壤矿质氮的流失随之加剧。至于径流与表层
土壤矿质氮相互作用的强度和机理尚有待进一步研究。
参　考　文　献
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Soil Organic Matter and Nitrogen Losses by Erosion in Little
Catchment Model as Effected by Vegetation Coverage
Zhang Xingchang　Shao M ingan
( State Key Labo rat or y of So il Ero sion and Dry farming on Loess P lat eau,
Yang ling, Shaanx i 712100)
　　Abstract : The Zhifang gully catchment, which model w as established by 1∶400 scales, has ar ea of 8.
27km2. Under cont ro lling a rtificially ra infall w ith intensity of 2mm/ m in and last ing 30min, the soil er osion
and N lo ss of catchment m odel w as studied for r evealing the catchment N loss in runoff and sediment as
effected by vegetation cover r atio. The results show that loss amounts o f r uno ff ammonium and nitr ate in
vegetation cover rat ios of 60% , 40% , 20% and 0% , w ere 58. 08, 44. 31, 25. 16, 13. 71kg/ km 2 and 85. 50, 74.
06, 63. 95, 56. 23kg / km2 r espectively, the lo ss amounts o f sediment or ganic matt er and to tal N w ere 15. 67,
24. 02, 44. 68, 164. 87t / km2 and 0. 81, 1. 18, 1. 98, 7. 51t/ km2 r espectiv ely . Wit h delay of r uno ff-y ield time,
the nitr og en concentr ations in runoff and sediment drop off , wher eas, the accumulation amounts of nitr og en
loss rise g radually . Veget able cover on so il is an available method to contro l so il er osion and to tal N lo ss,
never theless, it might enhance soil av ailable N loss.
　　Key words: Catchment model; Vegetation coverage; N itr og en lo ss
203第 3期 张兴昌等:植被覆盖度对流域有机质和氮素径流流失的影响