全 文 ：第 8卷　第 2期　　　　　　　　　　　　草地学报　　　　　　　　　　2000年　6月
Vo l. 8　No. 2　　　　　　　　　　ACT A AGREST IA SINICA　　　　　　June　2000
多年生黑麦草草地矿质氮淋溶与径流流失的关系*
张兴昌　邵明安　付会芳
(黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨陵 712100)
　　摘要: 以人工放水模拟冲刷试验, 研究多年生黑麦草草地土壤矿质氮素淋溶和径流流失的
关系。当硝态和铵态氮肥用量分别达到 5000kgN / km2, 冲刷强度为 1mm / min, 冲刷时间为
50min 时,观测氮素径流流失, 于 48h 后检测土壤矿质氮动态。结果表明, 坡度为 25°、20°、15°、
10°和 5°土壤,铵态氮径流流失量分别为 97. 3、87. 9、79. 0、57. 1 和 50. 4kg / km2 ,分别占施氮量的
1. 9%、1. 8%、1. 6%、1. 1%和 1. 0%。铵态氮淋溶深度仅达到 60cm ,其淋溶量占施氮量的 55. 3%
～86. 1% ,且随着坡度的增大淋溶量逐渐减少。硝态氮随着径流的流失量分别为 575. 4、330. 3、
282. 6、140. 1和 91. 0kg / km2, 分别占施氮量的 11. 5%、6. 6%、5. 7%、2. 8%和 1. 8%。硝态氮淋
溶与土壤水分入渗同步, 随着坡度的降低淋溶深度则逐渐增加,硝态氮主要在 0～60cm 土层累
积, 其累积量介于 2096～3433kg / km2之间, 占施肥量的 41. 9%～68. 7% ,而在 60～105 cm 土层
累积量则介于 723～2521kg / km2 之间,占施氮量的 14. 5% ～50. 3%。
　　关键词: 黑麦草; 土壤矿质氮; 淋溶; 径流流失
中图分类号: S 812. 3　　文献标识码: A　　文章编号: 1007-0435( 2000) 02-0082-06
当降水强度小于土壤入渗率时, 表土氮素特别是硝态氮在土壤深层沉积。当土壤侵蚀发
生时,表土硝态氮下渗并未停止,且随着饱和水流在土壤剖面下迁移。当降水消失后,入渗的
硝态氮则在土壤剖面进行扩散和质流,其中一部分随着根系延伸被作物根系吸收利用,另一
部分则淋溶到作物不能利用的深度, 污染地下水源。硝态氮的淋失早在 1905年就曾被英国
科学家Warrington( 1905)注意。近年来,对环境问题的考虑驱动人们对该问题的关注,从淋
失理论、模型、数量及有效性等方面进行大量研究工作( Nielson 等, 1982; Wild 等, 1980;
1979; 1972)。
N 素在土壤中的淋溶, 最初以硝态氮形式迁移,然而在沙性土壤,也有一些铵态氮因土
壤阳离子交换吸附降低而产生淋溶, 显然可溶性有机氮淋溶不是一个重要问题 ( Smith,
1987)。评价土壤硝态氮淋溶入渗的方法多种多样,范围从复杂到简单。Davidson 等( 1978)
根据硝态氮在土壤中淋溶轨迹, 利用“活塞移动”理论简单描述硝态氮的淋溶行为。随后,
Ro se 等( 1982)利用偏微分方程研究硝态氮在土壤中的淋溶行为。在灌区和多雨地区, 土壤
养分特别是硝态氮的淋溶,是造成地下水污染和氮肥利用率不高的主要原因( Hauck 等,
1982; Wild等, 1980)。强度降水往往使土壤表层硝态氮淋溶到相当深度。但淋溶是一个渐进
的过程,对当季作物而言,不会很快淋溶到植物不能利用的深层而损失(彭琳, 1996)。然而由
　　收稿日期: 1999-10-21; 修回日期: 1999-12-29
　　基金项目:国家自然科学基金 ( 49871049) ;中国科学院重大科研项目 ( KI951-B1-211) ; 国家科技攻关专题 ( 96-004-
05-04)资助
承蒙西北农业大学李生秀教授审阅,中国科学院、水利部水土保持研究所郑剑英研究员、吴瑞浚和翟连宁实验师参
加部分野外试验和室内分析工作,谨此致谢!
于土壤硝态氮长期累加淋溶效应,往往会发现地下水中硝态氮的浓度超过饮用水标准,这一
现象尤其在黄土高原丘陵沟壑区表现的较为严重。
　　有关土壤氮素与降水相互作用方面的研究主要集中在土壤氮素淋溶方面, 而很少对草
地土壤氮素淋溶进行深入研究, 所建立的模型也仅适合平原地区。因而,从土壤氮素径流和
淋溶流失的研究角度出发, 进行土壤氮素特别是硝态氮淋溶与径流流失关系方面的研究,无
疑有助于揭示土壤矿质氮径流流失的本质。
1　材料与方法
1. 1　在中国科学院安塞水土保持综合试验站川地建设 6个不同坡度径流小区,依次为 0°、
5°、10°、15°、20°和 25°,小区投影面积为 1. 5m×4. 0m, 坡向东偏北 12°。小区四周用砖块砌
封,深度 1. 5～3. 0m 不等,以保证各小区地下水平 1. 5m 内土壤水分不能发生侧渗下方修建
盛水池,容积为70cm×69. 5cm×100cm ,以承接径流泥沙。小区砌成后, 分层回填黄土母质,
土壤容重维持在( 1. 20±0. 05) g / cm 3, 填土深度 1. 2m 以上,各小区 20cm 表层用混匀耕层黄
绵土覆盖建成后, 喷洒少量的水,维持土壤含水量在 12%～15%。
1. 2　1998年 7月 2日在各小区播种多年生黑麦草( L olium perenne ) , 行距 10cm ,播种量
12kg / hm
2。
1. 2. 1　10月 3日多年生黑麦草处在拔节期, 密度 93株/ m2, 株高 32cm。不施肥区(对照区)
作第 1次冲刷。
1. 2. 2　10月 10日各小区喷施 KNO 3和NH 4Cl,用量分别为 5000kgN/ km2。再喷清水 10kg
左右,冲洗黑麦草叶表面吸附的化肥。10月 11日作第 2次冲刷。
1. 2. 3　两次冲刷强度均为 1mm/ min, 冲刷时间 50min。具体方法:将水源与冲刷槽用水管
连接,用水泵加压,水阀控制水压,水表控制流量,秒表控制时间,调节水流流量与时间,则进
入冲刷槽的水流流速即为放水冲刷强度,将冲刷槽平放在坡面顶部, 保持水平, 使流入小区
的水面厚度均匀一致。
1. 2. 4　10月 13日在冲刷 48h后,测定不同深度的土壤水分和矿质氮。
1. 3　每次产流前,测定 20cm 表土水分, 采土样供 N 分析用。
1. 3. 1　产流结束后,测定盛水池泥水样体积。混匀泥水,采集 1L 泥水样烘干后测定泥沙浓
度。采集2～5L 泥水样, 加3～5滴 1mo l HCl/ L , 2～3滴甲苯, 过滤水样,收集滤液并在 2～
4℃冰柜中保存,泥样阴干后保存。
1. 3. 2　径流水中的铵态氮和硝态氮含量用连续流动分析测定。
2　结果与分析
2. 1　不同坡度对硝态氮和铵态氮肥流失的影响
2. 1. 1　两次冲刷小区土壤表层 0～15cm 水分维持在12%～13%, 容重在 1. 3g / cm 3左右, 且
保持土壤表面平整。采取放水冲刷多年生黑麦草草地,模拟土壤侵蚀,当冲刷强度控制在 1mm/
min 时, 施氮的与对照区,在不同坡度的径流量和侵蚀量基本一致, 试验重现性较好(表 1)。
2. 1. 2　对照区径流铵态氮的稀释系数在 2～5之间,而施等量 KNO 3和 NH 4Cl的小区,径
流中铵态氮的浓度均大于土壤。同理,对照区径流硝态氮的稀释系数在 1. 5左右,且不受坡
83第 2期 张兴昌等:多年生黑麦草草地矿质氮淋溶与径流流失的关系
表 1　不同坡度对硝态氮和铵态氮肥流失的影响
Table 1　The ammonia and nitrat e fertilizer loss in eroded pro cesses as effected by slope gr adient
坡度
Slope
gradient
(°)
处理
T reatment
径流
Runoff
m3/ km2
侵蚀
E rosion
t / km 2
NH+4- N 含量
Amm on ia content
mg/ kg
NH+4- N 流失量
Ammonia loss
kg/ km 2
NO-3- N 含量
Nitr ate con tent
mg/ kg
NO-3- N 流失量
Nit rate loss
kg/ km2
土壤
Soil
径流
Runof f
泥沙
Sediment
径流
Runof f
泥沙
Sediment
土壤
Soil
径流
Runof f
泥沙
Sediment
径流
Runof f
泥沙
Sediement
25
无N　No N
施 N　Supp. N
29347
31705
2321
2236
3. 2
3. 7
0. 9
3. 9
8. 4
35. 5
27. 5
124. 8
0. 019
0. 079
6. 4
5. 7
4. 7
22. 5
-
-
137. 9
713. 3
-
-
20
无N　No N
施 N　Supp. N
18945
20371
987
925
3. 4
3. 5
0. 9
5. 1
8. 3
36. 4
16. 3
104. 2
0. 008
0. 034
7. 3
7. 5
5. 1
21. 0
-
-
96. 6
426. 9
-
-
15
无N　No N
施 N　Supp. N
17549
16949
624
518
4. 3
4. 9
0. 9
5. 6
8. 9
38. 4
15. 2
94. 2
0. 006
0. 020
6. 5
6. 1
4. 6
21. 4
-
-
80. 7
363. 3
-
-
10
无N　No N
施 N　Supp. N
12657
11074
134
123
4. 4
4. 3
1. 3
6. 6
9. 3
45. 6
16. 1
73. 2
0. 001
0. 006
7. 8
6. 7
5. 6
19. 1
-
-
70. 9
211. 0
-
-
5
无N　No N
施 N　Supp. N
7854
6544
17
11
5. 1
5. 7
1. 6
9. 7
9. 3
53. 7
12. 9
63. 3
0. 000
0. 001
5. 7
6. 9
4. 0
18. 7
-
-
31. 4
122. 4
-
-
度的影响,而径流硝态氮浓度远高于土壤, 相差悬殊。结果表明,施硝态氮比铵态氮更易随径
流而流失。
2. 1. 3　扣除土壤硝态氮和铵态氮对流失的影响,将施肥增加的流失量视为化肥氮的流失。
不难看出,不同坡度铵态氮肥径流流失量分别为 97. 3、87. 9、79. 0、57. 1和 50. 4 kg/ km 2,分
别占施 NH4Cl含氮量的 1. 9%、1. 8%、1. 6%、1. 1%和 1. 0%。随着坡度的降低,径流中铵态
氮浓度逐渐增加, 而径流量减少幅度更大, 与对照区相比,铵态氮随着径流流失呈下降趋势。
除土壤铵态氮随径流流失外,还有一定量的铵态氮则随泥沙而流失。施和不施 NH4Cl ,泥沙
中铵态氮含量均为土壤的 2倍多,且随着坡度的降低,略呈增加趋势,其流失量也相差甚大。
不同坡度小区的 NH4Cl, 随泥沙颗粒流失量分别为 0. 060、0. 026、0. 014、0. 005和 0. 001kg /
km
2
,其损失量占施氮量的 0. 001%以下。结果表明,在侵蚀过程中, NH4Cl中的铵态氮主要
以径流水形式流失。
2. 1. 4　与铵态氮不同, 径流中硝态氮含量则随着坡度的减低而减少,在与径流量减少的双
重作用下, KNO 3 化肥中的硝态氮随径流流失量分别为 575. 4、330. 3、282. 6、140. 1和 91. 0
kg/ km 2,分别占施KNO 3量的 11. 5%、6. 6%、5. 7%、2. 8%和 1. 8%。与铵态氮相比,除相对
和绝对流失量增加外, 坡度对其影响程度更大。尽管施硝态氮肥量达到 5000 kg / hm 2, 亦很
难检测到泥沙中有硝态氮存在。
2. 2　水分入渗与硝态氮淋溶的关系
2. 2. 1　在侵蚀过程中,降水后一方面因产流流失,另一方面在土壤剖面发生入渗。黄土产流
过程是超渗产流而不是蓄满产流,土壤入渗愈多,产流愈少。土壤矿质氮在产流过程中,随径
流水流失或随水分入渗而发生淋溶, 其强度和深度主要受降水强弱和土壤水分传导所控制。
当冲刷量达到 50mm 时, 48h 后, 土壤水分一般入渗到土层 60cm 以下。
2. 2. 2　硝态氮淋溶深度与土壤水分入渗同步, 其深度和强度主要受有效水量和坡度影响,
坡度愈大,水分和硝态氮因径流流失愈多, 相对入渗愈少,随着坡度的降低,土壤水分和硝态
氮淋溶深度呈增大趋势。铵态氮随水入渗仅达到土层 60cm,且不受坡度的影响。
84 草　地　学　报 2000年
2. 3　土壤矿质氮淋溶与土壤径流流失的关系
施肥后, 观测放水冲刷前后 0～105cm 土层硝态氮的变化,将不同土层硝态氮含量的变
化视为硝态氮肥的淋溶强度。在冲刷 48h 后, 0～60cm 土层硝态氮浓度增加2. 85～4. 59mg /
kg, 60～105cm 土层仅增加 1. 21～4. 23mg / kg(表2)。显然,硝态氮肥主要在 0～60cm 土层
累积, 其累积量介于 2096～3433kg / km 2 之间, 占施氮量的 41. 9%～68. 7%。而在 60～
105cm 土层累积量介于 723～2521kg/ km 2之间, 仅占施氮量的 14. 5%～50. 3%, 且随着坡
度的降低而有所增加。因试验和测定手段的限制,平地 0～105cm 土层硝态氮肥淋溶量超过
了施肥量。在 48h内,土壤氮素挥发、消化及生物固定等转化过程不可能反映如此强烈。因
而,可将径流流失量与入渗量之和视为氮肥损失量。从表1、2、4可以看出,随着坡度的增大,
硝态氮肥损失量也随之增大,其中入渗过程是主要的。不同于硝态氨, 铵态氮主要在 0～
60cm 土层累积, 占施氮量 55. 3%～86. 1%,且随着坡度的增大,累积量则随之逐渐减少(表
3、5)。随着坡度的逐渐增加,土壤侵蚀加剧,随径流和泥沙流失的矿质氮增大,而矿质氮相对
在土壤剖面积累减少。
表 2　硝态氮淋溶与流失的关系
Table 2　Soil nit rat e leaching in so il pr ofileand lo ss in eroded process
坡度
Slope
gradien t
(°)
土壤剖面硝态氮浓度 Nit rate dynamics in soil prof ile( mg/ kg )
0～60cm 土层
0～60cm layer
60～105cm 土层
60～105cm layer
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
增加
Increase
　
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
增加
Increase
　
硝态氮流失量
Nit rate loss
kg/ km2
25 5. 10 8. 37 3. 27 5. 45 5. 26 -0. 19 713. 3
20 7. 74 11. 88 4. 14 5. 46 6. 67 1. 21 426. 9
15 5. 63 9. 26 3. 63 3. 42 6. 06 2. 64 363. 3
10 7. 23 10. 08 2. 85 5. 37 7. 29 1. 92 211. 0
5 7. 26 10. 67 3. 41 5. 87 8. 20 2. 33 122. 4
0 6. 94 11. 53 4. 59 4. 46 8. 69 4. 23 -
表 3　铵态氮淋溶与流失的关系
Table 3　So il ammonia leaching in so il pr ofile and lo ss in er oded process
坡度
Slope
gradien t
(°)
土壤剖面铵态氮浓度 Amm on ia dynamics in s oi l p rofil e( mg/ k g)
0～60cm 土层
0～60cm layer
60～105cm 土层
60～105cm layer
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
增加
Increase
　
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
增加
Increase
　
铵态氮流失量
Ammonia loss
kg/ km2
25 3. 26 7. 07 3. 81 3. 54 3. 66 0. 12 124. 8
20 3. 42 8. 91 5. 49 2. 91 3. 02 0. 11 104. 2
15 4. 93 10. 43 5. 50 4. 09 4. 19 0. 10 94. 2
10 2. 99 8. 70 5. 71 2. 45 2. 58 0. 13 73. 2
5 5. 34 10. 43 5. 09 6. 54 6. 67 0. 13 63. 3
0 4. 51 10. 30 5. 79 6. 08 6. 00 -0. 08 -
85第 2期 张兴昌等:多年生黑麦草草地矿质氮淋溶与径流流失的关系
表 4　不同深度硝态氮肥淋溶量
T able 4　The nitr ate infiltr ating amounts in different so il lay er
坡度
Slope
gradien t
(°)
0～60cm 土层硝态氮肥淋溶
Nit rate leaching in 0～60cm layer( k g/ km2)
60～105cm 土层硝态氮肥淋溶
Nit rate leaching in 60～105cm layer( k g/ km2)
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
化肥氮淋
溶量
l eachin g
占施氮量%
Fert ilizer
leaching
rat io %
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
化肥氮淋
溶量
l eachin g
占施氮量%
Fert ilizer
leaching
ratio %
25 3834 6263 2429 48. 6 3235 3126 -109 -
20 5834 8987 3153 63. 1 3245 3968 723 14. 5
15 4242 6943 2701 54. 0 2034 3599 1565 31. 3
10 5459 7555 2096 41. 9 3191 4329 1138 22. 8
5 5479 8000 2521 50. 4 3490 4864 1374 27. 5
0 5220 8653 3433 68. 7 2648 5162 2521 50. 3
表 5　不同深度铵态氮肥淋溶量
Table 5　T he ammonia infilt rating amounts in differ ent so il la yer
坡度
Slope
gradien t
(°)
0～60cm 土层铵态氮肥淋溶
Amm onia leaching in 0～60cm layer (k g/ km2)
60～105cm 土层铵态氮肥淋溶
Ammonia leaching in 60～105cm layer (k g/ km2)
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
化肥氮淋
溶量
l eaching
占施氮量%
Fert ilizer
leaching
ratio %
冲前
Before
erosion
冲后
After
erosion
化肥氮淋
溶量
l eaching
占施氮量%
Fert ilizer
leaching
ratio %
25 2455 5220 2765 55. 3 2103 2113 　10 -
20 2589 6654 4065 81. 3 1731 1735 4 -
15 3723 7784 4061 81. 2 2436 2431 -5 -
10 2233 6486 4253 85. 1 1452 1535 83 -
5 4035 7807 3772 75. 4 3883 3490 -393 -
0 3420 7724 4304 86. 1 3611 3563 -48 -
3　结论
利用放水冲刷模拟试验,将施肥区与对照区的土壤矿质氮径流流失和淋溶进行比较,研
究黑麦草草地土壤化肥氮的流失和淋溶,结果表明:
3. 1　坡度在影响土壤侵蚀的同时,也严重地影响化肥氮径流流失,随着坡度的增大,黑麦草
草地土壤氮素径流流失随之加剧,其中硝态氮的流失强度高于铵态氮。
3. 2　在冲刷 48h后观测土壤剖面矿质氮淋溶轨迹,结果铵态氮主要滞留在 0～60cm 内,而
硝态氮淋溶深度可达 1m 以下,其深度受坡度的影响,坡度愈小,则淋溶深度愈大。
3. 3　25°、20°、15°、10°和 5°黑麦草草地土壤, 铵态氮肥径流流失量分别占施氮量的 1. 9%、
1. 8%、1. 6%、1. 1%和 1. 0%, 而铵态氮肥淋溶则占施氮量的 55. 3%～86. 1%。硝态氮随径
流流失量分别为 575. 4、330. 3、282. 6、140. 1 和 91. 0 kg/ km 2, 分别占施氮量的 11. 5%、
6. 6%、5. 7%、2. 8%和 1. 8%。
86 草　地　学　报 2000年
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The Relationship of Mineral Nitrogen Leaching in
Perennial Ryegrass Land with Its Runoff Loss
Zhang Xingchang　Shao M ingan　Fu Huifang
( St ate key Labor ato ry of So il Er osion and Dryland Farming
on Loess P lat eau, Yangg ling , Shaanx i P ro vince 712100)
　　Abstract : The soils fer tilized by 5000kgN / km2 ammonium and nit rat e fer tilizer s, ar e scour ed by w ater
w ith lmm/ m in flux , after wa ter-scour ed 48 hour s, t he available N in so il pro file ar e sur veyed. T he wat er-
scoured result show s as fellows. The ammonium fert ilizer losses in runoff , lo ss amount s in 25°, 20°, 15°, 10°
and 5°slope land, are 97. 3, 87. 9, 79. 0, 57. 1 and 50. 4 kg / km2 respectiv ely , which account as 1. 9% , 1.
8% , 1. 6% , 1. 1% and 1. 0% o f amm onium fertilizer . T he amm onium fertilizer infiltr ating amount s in 60cm
depth o f so il pro file account as 55. 3%～86. 1% . T he nitr ate lo sses in runo ff, t he lo ss amounts in differ ent
slope g r adients ar e 575. 4, 330. 3, 282. 6, 140. 1 and 91. 0 kg / km2 r espectively, which account as 11. 6% , 6.
6% , 5. 7% , 2. 8% and 1. 8% of nitr ate fertilizer . The nitr ate infilt rating dept h is same as w ater w ithin 48
hour s. T he accumula tion amounts o f nitr ate fer tilizer in 0～60cm and 60～105cm soil pr ofiles ar e 2096～
3433, 723～2521 kg / km2 r espectively, account ing fo r 41. 9%～68. 7% and 14. 5%～ 50. 3% of nitrat e
fert ilizer.
　　Key words: P erennial ry egr ass; M inera l N ; Runoff loss; L eaching
87第 2期 张兴昌等:多年生黑麦草草地矿质氮淋溶与径流流失的关系