韓佩江, 李衛(wèi)平, 于玲紅, 桂滿全, 楊文煥, 殷震育, 陳阿輝, 樊才睿

(1.內(nèi)蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014000; 2.內(nèi)蒙古達賚湖國家級自然保護區(qū)管理局,內(nèi)蒙古 海拉爾 021000; 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 呼和浩特 010018)

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不同放牧強度對流域降雨徑流中氮磷流失的影響

韓佩江1, 李衛(wèi)平1, 于玲紅1, 桂滿全2, 楊文煥1, 殷震育1, 陳阿輝1, 樊才睿3

(1.內(nèi)蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院, 內(nèi)蒙古 包頭 014000; 2.內(nèi)蒙古達賚湖國家級自然保護區(qū)管理局,內(nèi)蒙古 海拉爾 021000; 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 呼和浩特 010018)

在呼倫貝爾草原克魯倫河流域選取輕度放牧、重度放牧及不放牧草場，利用降雨模擬器進行降雨模擬試驗，研究了不同放牧強度草場的地表物理性質(zhì)、植被類型對降雨產(chǎn)流、營養(yǎng)元素流失等因素的影響。結(jié)果表明：在20，45，65 mm/h降雨強度下重度放牧草場產(chǎn)流時間最短，不放牧草場產(chǎn)流時間最長。徑流量及徑流系數(shù)總體規(guī)律顯示為重度放牧草場>輕度放牧草場>不放牧草場。3種放牧強度草場的氮磷流失量均隨雨強的增加而增大。降雨產(chǎn)流初期氮磷濃度相對較高，隨徑流時間增加逐步下降，最后達到穩(wěn)定。徑流量與氮磷含量之間存在二項式顯著相關(guān)關(guān)系。

不同放牧強度; 氮; 磷; 水土流失; 降雨模擬

水土流失是自然資源破壞的主要發(fā)生形式，而流失過程中所攜帶的泥沙、氮、磷等營養(yǎng)元素更是造成水體富營養(yǎng)化的主要污染途徑之一[1-4]，降雨作為引發(fā)水土流失的主要發(fā)生因素之一，對環(huán)境水土污染產(chǎn)生要重要的影響，因此降雨徑流中土壤及氮、磷元素遷移規(guī)律及流失特征研究對防治面源污染、緩解水體富營養(yǎng)化具有重要的理論及現(xiàn)實意義[5-7]。目前國內(nèi)外學者對水土徑流損失的研究手段主要有兩種：一種是通過長時間的野外實際觀測與定量分析，建立地表徑流量與氮、磷含量的關(guān)系[8]；另一種是通過降雨試驗模擬器，在野外或室內(nèi)進行人工降雨試驗，獲取相關(guān)試驗參數(shù)[9]。國內(nèi)外許多學者對徑流中氮磷流失規(guī)律進行了研究，得出不同土地利用方式及其覆被情況下土壤流失和氮磷元素流失的程度，合理的土地利用方式及較好覆被狀況具有明顯減少水土流失的效果[10-15]。但大多數(shù)研究主要集中在溫帶地區(qū)農(nóng)田及人工林地、草地[16-18]，對于天然草地不同使用狀況的水土流失研究較少，而針對寒旱區(qū)草原土壤及氮、磷流失狀況的研究更為少見。

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，是世界現(xiàn)存面積最大的天然草原。克魯倫河流域草原地處呼倫貝爾草原的核心區(qū)，作為呼倫貝爾草原的主要組成部分，在呼倫貝爾草原的生態(tài)重要性是無可替代的，克魯倫河作為呼倫湖的主要補給水源之一，對草原民族的繁衍生息提供著便利，對保護我國北方鳥類遷徙以及繁衍的生態(tài)安全，促進經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展起到了不可忽視的作用。

本文以內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原的核心區(qū)克魯倫河流域草原為研究對象，在該區(qū)域選取輕度放牧、重度放牧以及不放牧的3種放牧強度草場，進行野外降雨模擬試驗，通過對試驗過程中產(chǎn)流、產(chǎn)沙以及氮磷元素的定量分析，得到不同放牧強度對土壤及營養(yǎng)元素流失特征的影響，為呼倫湖流域草原的合理開發(fā)利用、水體環(huán)境的保護提供基礎資料。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

克魯倫河(Kherlon River)發(fā)源于蒙古共和國肯特山東麓，自西向東流經(jīng)過肯特省和東方省的廣闊草原，經(jīng)新巴爾虎右旗克爾倫蘇木烏蘭恩格爾西端進入我國境內(nèi)，經(jīng)阿拉坦額莫勒鎮(zhèn)東流注入呼倫湖。全長1 264 km，境內(nèi)長約206 km，流域面積92 000 km2，國內(nèi)面積5 486 km2[19]。克魯倫河流域(國內(nèi)部分)地處歐亞大陸東南端中高維度地帶，屬溫帶大陸型氣候，四季分明，多風少雨，冬長夏短，冷熱變化劇烈。全年平均風速4.2 m/s，年均日照時數(shù)3 100 h，多年平均氣溫0.5℃，無霜期128 d，多年平均降雨量245.00 mm，年均蒸發(fā)量1 873.5 mm，年溫差達70～80℃，存在季節(jié)性凍土[19]。

1.2樣地設置與樣品采集

本研究工作試驗區(qū)選取在新巴爾虎右旗阿拉坦額莫勒鎮(zhèn)附近的其其格勒嘎查，其位置為116°51′35″E，48°36′13″N，在該區(qū)域草場選取輕度放牧、重度放牧、不放牧的3種放牧強度草場。于2014年7月下旬在不同放牧強度進行野外降雨模擬試驗，測定草地表層0—20 cm土壤的理化性質(zhì)指標含水率、全氮、全磷、pH等(表1)。采用隨機采樣法(1 m×1 m的樣方)采集植被樣品，測定其植被高度、種密度等指標。確定該區(qū)域的主要優(yōu)勢植物為克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、虎尾草(ChlorisvirgataSw.)等植被。

表1試驗區(qū)基本狀況

樣地類型植被高度/cm種密度/(株·m-2)土壤含水率/%全氮/(g·kg-1)全磷/(g·kg-1)pH輕度放牧22.533910.352.650.7148.201重度放牧12.521312.322.830.6928.375不放牧37.05949.761.510.7228.422

1.3試驗設計

根據(jù)研制的降雨模擬器的實際精度，在輕度放牧草場、重度放牧草場、不放牧草場，選取3種降雨強度：20，45，65 mm/h；在每種放牧強度草場分別進行3種雨強的降雨模擬試驗，每場進行2次重復試驗，共進行18場降雨模擬試驗，區(qū)域坡度分布在4°～5°，降雨試驗設計見表2。

表2降雨模擬試驗設計表

降雨場次坡度/(°)降雨強度/(mm·h-1)放牧強度持續(xù)時間/min重復次數(shù)/次14.020輕度放牧30224.520重度放牧30234.020不放牧30245.045輕度放牧30254.045重度放牧30265.545不放牧30274.565輕度放牧30284.565重度放牧30295.065不放牧302

降雨模擬器主要由水箱、動力系統(tǒng)(發(fā)電機和水泵)、輸送管線、回流管線、降雨器等組成，降雨器是由均勻布滿小孔的PPR管構(gòu)成，呈豎狀排列[20]。首先由水泵將水經(jīng)管線輸送到降雨器內(nèi)部產(chǎn)生雨滴，然后調(diào)節(jié)輸送流量使降雨強度達到要求，降雨模擬器的有效降雨面積為2 m×1 m的矩形徑流小區(qū)域，在徑流小區(qū)域邊界用鐵板嵌入地表包圍，僅在下坡向留一出口，確保降雨過程中產(chǎn)生的徑流全部從出口流出，流入集水槽內(nèi)。

試驗開始后，用秒表計時，記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流后每3 min取一次徑流水樣，用量筒測定其體積后，裝入水樣瓶，帶回試驗室測定總氮(參照GB11894—1989的堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法)、總磷(參照GB11893—1989的鉬酸銨分光光度法)、pH值(采用玻璃電極法測定，參考NY/T1121.2—2006)、泥沙含量(采用烘干稱重法測定)等指標。

2　結(jié)果與分析

2.1不同放牧強度草場徑流量特征

由表3可知，在3種放牧制度草場進行降雨模擬試驗，輕度放牧和不放牧草場的試驗區(qū)在20 mm/h的雨強下，未產(chǎn)生徑流，主要是由于輕度放牧草場和不放牧草場植被生長狀況較重度放牧草場差異非常顯著(p<0.01)，重度放牧草場植被稀疏對降雨的攔截作用較小，容易產(chǎn)生徑流。在45，65 mm/h兩種降雨強度下，重度放牧草場產(chǎn)流時間最短，不放牧草場產(chǎn)流時間最長，在45 mm/h時，重度放牧草場的徑流量是輕度放牧草場及不放牧草場的1.46，1.79倍，在65 mm/h時產(chǎn)流量是1.45，1.72倍，表明雨強的增加對徑流量的大小具有極顯著的正效應，在降雨強度增大時，降雨速度增加，相同時間內(nèi)到達地表的降雨量變大，導致在土壤實際入滲能力恒定的情況下，透水性下降，降雨轉(zhuǎn)換為地表徑流。

對3種放牧強度相同雨強下的徑流量進行方差分析及顯著性分析，可以看出，各種雨強下3種放牧草場間徑流量差異極顯著(p<0.01)，放牧強度與徑流量的大小存在極顯著的正效應(p<0.01)，相同雨強下隨著放牧強度的增加，徑流量呈明顯的增加趨勢，重度放牧草場的徑流量明顯高于較輕度及不放牧草場(p<0.01)。

表3不同放牧強度草場產(chǎn)流特征

樣地類型雨強/(mm·h-1)降雨歷時/min徑流量/ml產(chǎn)流時間/min徑流系數(shù)2031.27186013.270.093重度放牧4530.86481012.860.1076530.30727010.240.112輕度放牧4530.01329513.310.0736530.50503011.470.077不放牧4533.50268514.940.0606530.50423012.350.065

3種放牧強度草場徑流系數(shù)總體規(guī)律為：重度放牧草場>輕度放牧草場>不放牧草場。主要是由于重度放牧草場植被生長狀況較差，表層土壤的團粒穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)差，降雨后地表產(chǎn)生結(jié)皮現(xiàn)象，表層土壤含水率飽和，減小降雨入滲率，不放牧草場和輕度放牧草場植被生長狀況較好，植被生長狀況有效地減少了雨水到達地表的動能，減緩地表結(jié)皮，加之表層土壤有機質(zhì)含量較高，土壤持水性能較好[14]，有利于土壤水分入滲[17]。對3種放牧強度各雨強下的徑流系數(shù)進行方差分析及顯著性分析，可以看出：各種雨強下的徑流系數(shù)差異顯著(p<0.01)，放牧強度與徑流系數(shù)的大小存在極顯著的正效應，相同雨強下隨著放牧強度的增加，徑流系數(shù)呈明顯的增加趨勢，其變化趨勢與徑流量變化相同。

水體富營養(yǎng)化污染主要是由于降雨過程中徑流所攜帶的氮、磷營養(yǎng)元素造成的。通過試驗發(fā)現(xiàn)3種放牧草場的降雨產(chǎn)流過程均為徑流量先增加后達到穩(wěn)定狀態(tài)，由圖1可以看出，重度放牧草場開始產(chǎn)流時流量增加較快，經(jīng)過一段時間后流量趨于穩(wěn)定，不同降雨強度對產(chǎn)流時間存在一定影響，20 mm/h雨強下重度放牧草場產(chǎn)生徑流的穩(wěn)定時間明顯小于45，65 mm/h雨強。3種放牧強度草場在45，65 mm/h雨強下的產(chǎn)流穩(wěn)定時間略有不同(圖2)，在45 mm/h雨強下，重度放牧草場和不放牧草場從產(chǎn)流后9～12 min開始穩(wěn)定產(chǎn)流，輕度放牧草場從產(chǎn)流后12～15 min開始穩(wěn)定產(chǎn)流，產(chǎn)流后差異不顯著(p>0.05)，重度放牧草場產(chǎn)流開始流量增加較快，是輕度放牧草場和不放牧草場的2.08，2.47倍；在65 mm/h雨強下，重度放牧草場和不放牧草場從產(chǎn)流后12～15 min開始穩(wěn)定產(chǎn)流，穩(wěn)定產(chǎn)流差異不顯著(p>0.05)，輕度放牧草場未達到穩(wěn)定產(chǎn)流，重度放牧草場產(chǎn)流增加速率是輕度放牧草場和不放牧草場的2.07，3.73倍，輕度放牧草場是不放牧草場的1.79倍。降雨產(chǎn)流特征不但與降雨特征密切相關(guān)，還與植被生長狀況及表層土壤特性相關(guān)，植被覆蓋密度大的區(qū)域水土流失相對較小。重度放牧草場由于常年過度放牧，植被稀疏，導致其水土流失較為嚴重。

圖1　重度放牧草場3種雨強產(chǎn)流過程曲線

圖2　不同雨強下3種放牧制度草場產(chǎn)流過程曲線

2.2不同放牧制度草場氮磷流失特征

3種放牧制度草場的氮磷流失量均隨雨強的增加而增大，對各雨強下3種放牧草場降雨過程中的氮磷流失量進行方差分析及顯著性分析，由表4可以看出：各種雨強下3種放牧草場間氮、磷流量及流失負荷差異極顯著(p<0.01)，相同雨強下放牧強度對氮、磷元素的流失量影響顯著，重度放牧草場的氮、磷流失量明顯高于其他兩種放牧草場(p<0.01)，而輕度放牧草場的氮、磷流失量略高于不放牧草場(p<0.05)，沒達到極顯著水平。主要是由于3種放牧強度草場的總磷含量相差不大，重度放牧草場和輕度放牧草場表層土壤的總氮含量差異一般顯著(p<0.05)，而與不放牧草場的差異非常顯著(p<0.01)。降雨過程中由于重度放牧草場的植被稀疏，降雨對地表土壤沖刷嚴重，徑流中攜帶的泥沙較多，造成重度放牧草場氮磷流失量較大，而輕度放牧及不放牧草場中地表植被對降雨起到一定的緩沖作用。

表4不同放牧強度草場氮磷流失特征

樣地類型雨強/(mm·h-1)總氮濃度/(mg·L-1)總氮流失負荷/(mg·m-2)總磷濃度/(mg·L-1)總磷流失負荷/(mg·m-2)pH200.9110.7730.3570.3108.075重度放牧451.4853.3950.4050.9358.055651.5994.4520.3901.0938.123輕度放牧451.3551.9100.3500.5468.207651.3893.2040.3680.7318.201不放牧451.2011.6780.3380.4708.286651.2111.9780.3510.5908.241

由圖3可以看出，降雨產(chǎn)流初期總氮、總磷濃度相對較高，但隨著徑流時間的推移，氮、磷濃度呈下降趨勢，最后達到穩(wěn)定。各雨強下徑流中總氮、總磷流失過程顯示為波動式下降，總氮的流失過程較總磷流失波動更為劇烈。主要由于降雨開始產(chǎn)流時，降雨侵蝕土壤表層，將土壤表層中容易流失的可溶性氮、磷營養(yǎng)元素攜帶在徑流中，導致初期降雨徑流的氮、磷濃度較高，降雨產(chǎn)流的后期，降雨的侵蝕作用及稀釋作用并存導致徑流中氮、磷濃度逐漸下降，呈波動式起伏，主要由于地表氮、磷元素分布不均造成徑流中氮磷元素濃度的變化較大?？偭琢魇е校?0 mm/h雨強下的重度放牧草場和45 mm/h雨強下輕度放牧草場流曲線較為平緩，65 mm/h雨強下的重度放牧草場和輕度放牧草場的流失曲線較為陡峭?？偟魇е?，45 mm/h雨強下輕度放牧草場流失曲線較為平緩，65 mm/h雨強下的重度放牧草場的流失曲線較為陡峭。通過對重度放牧草場3種降雨強度的氮磷流失過程對比，可以看出降雨強度的增加可以明顯增加對土壤氮磷流失的貢獻，但對流失的變化趨勢不產(chǎn)生影響。

圖3　3種放牧制度草場氮磷流失過程曲線

如表5所示，分別對3種放牧制度草場的徑流量及氮、磷含量進行線性方程、指數(shù)方程及二項式方程擬合，結(jié)果表明徑流量與氮磷含量間進行二項式擬合效果最好，決定系數(shù)最高，R2均達到0.7以上，線性擬合稍差，指數(shù)擬合效果最差。氮、磷含量與徑流量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，符合二項式相關(guān)。3種放牧草場的總氮流失方程的相關(guān)性為：重度方放草場<輕度放牧草場<不放牧草場；總磷流失方程的相關(guān)性顯示與總氮完全相反，可以看出重度放牧草場對總磷的流失影響最為嚴重，而對總氮的影響相對最小，不放牧草場對總磷影響最小，對總氮影響較大。同時用2013年8月進行的降雨模擬試驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，結(jié)果表明：重度放牧草場的實測值與模擬值的相對誤差為11%，輕度放牧草場實測值與模擬值的相對誤差為7%，不放牧草場的實測值與模擬值的相對誤差為13%，可以看出模型的實際模擬效果較好，與野外試驗過程中的實際觀測氮、磷含量基本一致。模型基本可以實現(xiàn)呼倫貝爾草原克魯倫河流域污染物的降雨徑流預測，為保護呼倫貝爾草原生態(tài)環(huán)境，監(jiān)測降雨過程中面源污染提供了基礎數(shù)據(jù)。但該模型只能應用于呼倫貝爾克魯倫河流域地區(qū)，在我國其他地區(qū)研究人員通過試驗得到該區(qū)域的經(jīng)驗方程，研究結(jié)果顯示各區(qū)域的經(jīng)驗方程各有不同，主要是由于面源污染物的排放與該地區(qū)的土壤理化指標、植被類型及生長狀況、土地利用方式密切相關(guān)。所以該經(jīng)驗方程只能利用在相似條件下的降雨產(chǎn)流分析。

表53種放牧草場徑流量與氮磷濃度回歸分析

樣地類型污染物回歸方程R2p重度放牧總氮y=-0.1049x2+0.1253x+0.36710.711<0.05總磷y=1.8218x2-2.9133x+1.17040.763<0.05輕度放牧總氮y=-0.1718x2+0.3805x+0.02290.713<0.05總磷y=2.2373x2-2.7997x+0.93630.707<0.05不放牧總氮y=-0.3094x2+0.5687x-0.04470.716<0.05總磷y=-11.985x2+7.0166x-0.80130.705<0.05

3　結(jié) 論

(1) 在3種放牧制度草場進行降雨模擬試驗，重度放牧草場產(chǎn)流時間最短，不放牧草場產(chǎn)流時間最長。徑流量及徑流系數(shù)總體規(guī)律為重度放牧草場>輕度放牧草場>不放牧草場，3種放牧草場的降雨產(chǎn)流過程均為徑流量先增加后達到穩(wěn)定狀態(tài)，重度放牧草場開始產(chǎn)流時流量增加較快，經(jīng)過一段時間后流量趨于穩(wěn)定，重度放牧草場由于常年過度放牧，植被稀疏，導致其水土流失較為嚴重。

(2) 3種放牧制度草場的氮、磷流失量均隨雨強的增加而增大。相同雨強條件下，氮、磷流失量為重度放牧草場>輕度放牧草場>不放牧草場?？偟⒖偭琢魇н^程為降雨產(chǎn)流初期總氮、總磷濃度相對較高，隨徑流時間的推移，氮、磷濃度呈下降趨勢，最后達到穩(wěn)定。雨強的增加可以增大對氮、磷流失的貢獻，但不影響流失規(guī)律。

(3) 氮、磷含量與徑流量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，符合二項式相關(guān)，且相關(guān)性較好，通過驗證模型的模擬效果較好，與野外試驗過程中的實際觀測氮磷含量基本一致。

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Effects of Different Grazing Systems on Nitrogen and Phosphorus Losses Along the Rainfall Runoff

HAN Peijiang1, LI Weiping1, YU Linghong1, GUI Manquan2,YANG Wenhuan1, YIN Zhenyu1, CHEN Ahui1, FAN Cairui3

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China; 2.HulunLakeNationalNatureReserveBureau,Hailar,InnerMongolia021000,China; 3.InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

A rainfall simulator was used to determine the influence of the surface physical properties and vegetation types as well as three systems of grazing (light, heavy and no grazing) on the rainfall infiltration and runoff yield in pastures in the Kherlen basin of Hulun Buir. The results showed that, under three rainfall intensities: 20, 45, 65 mm/h, the runoff duration in the heavy grazing pasture was the shortest, while runoff duration in the no grazing pasture was the longest. The runoff volume and runoff coefficient showed a general trend: heavy grazing pasture>light grazing pasture>no grazing pasture. As the rainfall intensity increased in the three grassland grazing systems, the losses of nitrogen and phosphorus from these systems also increased. The levels of nitrogen and phosphorus in the initial rainfall runoff were quite high, and then declined gradually and tended to become stable with the increase of runoff duration. There was a significant binomial correlation between runoff volume and the levels of nitrogen and phosphorus in runoff.

different grazing system; nitrogen; phosphorus; soil and water loss; rainfall infiltration

2014-12-15

2015-02-05

國家自然科學基金(41263010);內(nèi)蒙古科技大學創(chuàng)新基金(2011NCL028)

韓佩江(1986—),男,吉林通化人,碩士研究生,研究方向為干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境污染。E-mail:nkdhpj@163.com

李衛(wèi)平(1973—),男,陜西神木人,博士,副教授,主要從事干旱區(qū)水環(huán)境分析與水污染控制研究。E-mail:sjlwp@163.com

S153.6; S157.1

A

1005-3409(2016)01-0008-05