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牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响*张亚丽1,2 李怀恩1** 张兴昌2,3 肖 波2(1西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安710048;2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712100;3西北农林科技大学,陕西杨凌712100)【摘要】 利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度(effectivedepthofinteraction,EDI)的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响.结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流-扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加.覆盖度越大,EDI值越大.与裸地相比,60%、80%和100%覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34.52%、32.67%和6.00%,地表径流量分别减少了4.72%、9.84%和12.89%,侵蚀泥沙量分别减少了83.55%、87.11%和89.01%.60%和100%覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95.73%和84.05%,而80%覆盖度处理则为裸地处理的109.04%.草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”:加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量.两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量.关键词 草地覆盖 矿质氮素 降雨 地表径流 养分有效性文章编号 1001-9332(2006)12-2297-05 中图分类号 S153;X522 文献标识码 ARunofflossofsoilmineralnitrogenanditsrelationshipwithgrasscoverageonLoessslopeland.ZHANGYali1,2,LIHuai’en1,ZHANGXingchang2,3,XIAOBo2(1KeyLaboratoryofNorthwestWaterResourcesandEnvi-ronmentEcologyofEducationMinistry,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China;2StateKeyLabo-ratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseA-cademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,Shaanxi,China;3NorthwestSci-TechUni-versityofAgricultureandForestry,Yangling712100,Shaanxi,China).-Chin.J.Appl.Ecol.,2006,17(12):2297～2301.InasimulatedrainfallexperimentonLoessslopeland,thispaperdeterminedtherainfall,surfacerunoffandtheeffectivedepthofinteraction(EDI)betweenrainfallandsoilmineralnitrogen,andstudiedtheeffectsofgrasscoverageontheEDIandtherunofflossofsoilmineralnitrogen.TheresultsshowedthatwiththeincreaseofEDI,soilnitrogenindeeperlayerscouldbereleasedintosurfacerunoffthroughdissolutionanddesorption.Thehigherthegrasscoverage,thedeepertheEDIwas.Grasscoveragepromotedtheinteractionbetweensurfacerunoffandsurfacesoi.lOntheslopelandwith60%,80%and100%ofgrasscoverage,themeancontentofrunoffmineralnitrogenincreasedby34.52%,32.67%and6.00%,whilesurfacerunoffdecreasedby4.72%,9.84%and12.89%,anderodedsedimentdecreasedby83.55%,87.11%and89.01%,respectively,comparedwithbareslopeland.Thetotalrunofflossofsoilmineralnitrogenonthelandswith60%,80%,and100%ofgrasscover-agewas95.73%,109.04%,and84.05%ofthatonbareland,respectively.Grasscoverhaddualeffectsonthesurfacerunoffofsoilmineralnitrogen.Ononehand,itenhancedtheinfluxofsoilmineralnitrogentosurfacerun-off,andontheotherhand,itmarkedlydecreasedtherunoff,resultinginthedecreaseofsoilmineralnitrogenlossthroughrunoffandsedimen.tThesetwodistinctfactorscodeterminedthetotalrunofflossofsoilmineralnitrogen.Keywords Grasscover,Soilmineralnitrogen,Rainfall,Surfacerunoff,Nutrientavailability.*国家自然科学基金项目(50479067)、国家科技支撑计划(2006)、陕西省教育厅省级重点实验室重点科研计划项目(05JS35)和西安理工大学优秀博士论文基金(106-2106231)资助项目.**通讯联系人.E-mail:lhuaien@mai.lxau.tedu.cn2005-10-11收稿,2006-09-26接受.1 引 言目前,以小流域综合治理为目标,对草地植被与水土流失和养分流失规律的研究方兴未艾[3,5,9～11,16,17,20,23,24].研究表明,植被覆盖可以有效地减少土壤侵蚀量,但在植被对土壤矿质氮素(主要为NH4+-N和NO3--N)流失的影响方面,结论有所差异[5～8,19,22].Sharpley[10]认为,草地覆盖可以减少土壤NO3--N流失,但不能减少NH4+-N流失;胡远安等[4]认为,随着植被覆盖度的增加,NO3--N与NH4+-N的流失浓度增大;张兴昌等[22,23]认为,随植被覆盖度的增加,矿质氮流失加剧.土壤溶质流失过程实质是表层土壤溶质与降雨、地表径流的作用过程,是土壤溶质在土壤、径流和泥沙等介质中的质量应用生态学报 2006年12月 第17卷 第12期 CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Dec.2006,17(12):2297～2301传递.降雨和径流是土壤溶质迁移的主要动力,土壤是相互作用的界面和溶质迁移的“母体”[21].因此,所有与降雨条件(降雨强度、历时,雨滴大小和均匀度等)、径流特性(流速和流量等)、下垫面条件(地形、地貌和土壤物化性状等)和土壤溶质性质有关的因素都会对这一过程产生影响.侵蚀条件下,土壤溶质一般以两种方式进入径流:1)溶解态形式.其存在于土壤溶液中,随着溶液间的交换进入地表径流;2)吸附态形式.溶质被吸附在土壤颗粒上,通过解吸和侵蚀泥沙进入地表径流[15].在一场降雨过程中,只有土壤表层一定厚度内的养分能够参与径流损失,而此厚度以下的土壤养分极少发生流失.该厚度称为土壤有效作用深度(EDI)[1,2,12～15].EDI决定了参与径流迁移溶质存在的范围及其参与程度,在一定程度上反映了土壤养分流失的潜在风险,对衡量土壤养分有效性具有重要的理论意义和实用价值.以往的研究多是基于建立土壤养分流失模型的需要,赋予EDI一定的物理涵义,利用试验资料反推出EDI,缺乏EDI在评价土壤养分有效性方面的试验研究.本试验通过人工模拟降雨试验,探讨了土壤矿质氮素EDI的试验确定方法,从土壤矿质氮素地表流失和EDI两个方面研究牧草覆盖对降雨、地表径流与坡面土壤矿质氮素作用过程的影响,初步探讨EDI在衡量土壤养分有效性方面的作用.2 材料与方法2.1 供试材料供试土壤采自陕西省安塞县的耕层土,质地为粉质壤土.安塞县地处陕北黄土高原丘陵沟壑区,境内水土流失面积约占土地总面积的97%,土壤侵蚀模数一般在4000～15000tkm-2yr-1,多年平均输沙量2.388×107t,年平均输沙模数达8373tkm-2,属于重度水土流失区[18].模拟降雨试验在中国科学院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模拟降雨大厅进行.采用侧喷式自动模拟降雨系统,喷头高度16m,雨滴降落终速可达到自然雨滴降落速度的98%以上[17].装土槽为长×宽×高=1.0m×0.5m×1.2m的4个坡度可调式钢槽,下端设集流装置,可定时采集径流样.槽底均匀打孔,用于模拟天然透水坡面.2.2 研究方法2.2.1试验设计 先将供试土壤过5mm筛孔,控制含水量10%左右,按5cm分层装土,填土深度为1.0m,装土时,土壤容重维持在(1.25±0.05)gcm-3.试验包括草地覆盖和裸地对照处理,每种处理设1个重复.在两个土槽中条播黄土高原常见的多年生黑麦草(Loliumpernne),行距6cm、株距1cm左右.小区坡度为10°,雨强设计为1.0mmmin-1,降雨时间为90min.用数码相机拍摄黑麦草长势图,用遥感软件ERADAS/Image8.4分析其覆盖度[26],最后用目测法校正.在播种40d后测得覆盖度约为60%,进行第1次降雨试验(不施肥);播种50d后拔除杂草,测得覆盖度在80%左右,进行第2次降雨试验(施10gNH4NO3);播种82d后测得覆盖度为100%,进行第3次降雨试验(施10gNH4NO3).施肥方式:降雨前1h将10gNH4NO3溶解于200ml清水中,均匀喷于土面.降雨前用土钻每5cm采1个土样,至50cm深度.地表产流结束时,每间隔2cm采1个土样,至100cm深度,分别观测降雨前后土壤水分和养分变化.降雨结束时,由多人同时采集土样,基本在20min内完成,冷藏保存并当日测试.2.2.2样品分析 地表产流后分不同时段(2～5min)采集径流样,测定各泥水样的总体积,取部分上清液过滤后测定矿质氮含量;剩余泥水样经澄清、倾水后,将泥沙风干称重,测定其中矿质氮含量.土壤和泥沙中矿质氮用KCl(2molL-1)溶液浸提(土水比为1∶5).土壤水分含量用烘干法测定,土壤质地用比重计法测定,土样和水样中的NO3--N采用紫外分光光度计测定,NH4+-N用连续流动分析仪测定.采用Excel2003进行数据处理.3 结果与分析3.1 牧草覆盖对土壤有效作用深度(EDI)的影响3.1.1EDI试验的确定方法 在一场降雨过程中,径流冲刷使表土流失,下层土壤失去了保护层,与雨水形成水土混合体,其土壤溶质更易在雨滴的击溅作用和径流的冲刷解吸下随地表径流流失[15].因此,参与径流损失的土壤溶质除了存在于表层易剥蚀土壤中,还包括EDI内的土壤溶质.本研究通过分层取土样,研究土壤矿质氮素在坡面的分布,结合坡面流体