樊才睿 ，張成福*，史小紅，孫標(biāo)

1. 集寧師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

降雨徑流的過程和徑流對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素搬運(yùn)能力是影響流域水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的主要因素之一（襲培棟等，2018）。降雨徑流過程不僅會(huì)造成土壤質(zhì)量的損失，而且還會(huì)引起表層土壤中的氮元素的遷移流失（Sun et al.，2014）。氮元素作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物，在地表徑流中的含量多少主要取決于徑流對(duì)氮元素的承載能力（茍?zhí)壹龋?017），放牧制度通過改變下墊面條件直接影響著降雨徑流的產(chǎn)流過程，同時(shí)間接影響著徑流中氮元素的含量。草原土壤與農(nóng)田土壤相比，具有人工干預(yù)較少，自然因素影響較多的特點(diǎn)，其土壤中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的含量低于農(nóng)田土壤。而放牧制度對(duì)草原植被各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)及土壤氮含量有直接影響（趙偉，2011），因此研究不同放牧制度草原土壤中氮素隨地表徑流遷移的規(guī)律及流失特征，對(duì)緩解水土流失狀況具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

目前研究者對(duì)土壤氮元素在天然降雨條件下流失的研究較多，并同時(shí)利用模擬降雨條件在室內(nèi)或室外開展模擬實(shí)驗(yàn)研究（楊宇瓊等，2018），主要針對(duì)徑流過程中坡度、植被覆蓋度以及土壤性質(zhì)變化對(duì)泥沙含量的影響（鐘雄等，2018），地表徑流對(duì)土壤及氮元素遷移過程的影響（鄔燕虹等，2018）。在過去十幾年內(nèi)，大量的研究集中在各種農(nóng)業(yè)模式下農(nóng)田氮元素流失，例如各類農(nóng)業(yè)的面源污染，各類蔬菜地土壤氮元素流失（張杰等，2017；謝真越等，2013），部分研究者在野外實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上針對(duì)氮元素隨徑流遷移過程建立了數(shù)學(xué)及物理模型對(duì)元素遷移過程進(jìn)行模擬（李凱等，2019；Dong et al.，2013），取得了較好的模擬效果。以上研究均可以有效的減輕氮流失，但對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱的砂質(zhì)草原氮流失狀況關(guān)注較少。草原土壤氮元素含量相對(duì)較少（趙偉等，2011；Wu et al.，2012），受放牧活動(dòng)影響較大，不同的放牧方式及載畜率是草原土壤氮流失的關(guān)鍵。

呼倫貝爾草原是世界著名的典型草原，水草肥美物產(chǎn)豐富，其中地處草原腹地的呼倫湖作為草原內(nèi)陸的主要匯流湖泊一直備受關(guān)注。近年來呼倫湖水環(huán)境逐漸惡化，水量減少水質(zhì)變差，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度正在逐年加劇，其污染物質(zhì)的來源成為備受研究者關(guān)注，很多研究者認(rèn)為放牧活動(dòng)是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，但是放牧強(qiáng)度的大小對(duì)湖泊污染程度的直接關(guān)系，目前尚不明確（趙偉等，2011）。因此本研究針對(duì)典型草原不同放牧制度草地進(jìn)行降雨模擬實(shí)驗(yàn)，模擬不同降雨強(qiáng)度和不同放牧制度對(duì)草原土壤氮流失的形態(tài)變化的影響過程，找出放牧制度與污染物濃度間的主要關(guān)系。通過對(duì)徑流量中的不同形態(tài)氮元素定量分析，研究不同形態(tài)氮元素的流失過程，為干旱半干旱地區(qū)草原湖泊污染物來源防控及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取在呼倫貝爾草原新巴爾虎右旗寶東蘇木的典型草原進(jìn)行。研究區(qū)海拔高度700—1000 m，屬于干旱半干旱氣候，年平均溫度在?0.6—1.1 ℃，年降水量為240.5—283.6 mm，年蒸發(fā)量為 1455.3—1754.3 mm，年平均風(fēng)速為3.38—3.92 m·s?1，日照時(shí)數(shù)為 2694—3131 h，全年無霜期為110—160 d（樊才睿等，2015）。通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行土壤調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)主要土壤為砂土及壤砂土，主要優(yōu)勢(shì)植被為羊草（Leymus chinensis）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、克氏針茅（Stipa krylovii Roshev）等植被。其生長(zhǎng)各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

在該區(qū)域選取 3種放牧制度草地，即：休牧NG（48°28′33″N 、117°11′41″E ）、輪牧RG（ 48°28′33″N、117°13′09″E）、自由放牧FG（48°27′55″N、117°16′20″E），分別在 3 種草地內(nèi)進(jìn)行降雨模擬試驗(yàn)。3種放牧草地其基本狀況為自由放牧草地理論載畜率為 200 sheep·km?2，實(shí)際載畜率可以達(dá)到 800 sheep·km?2；輪牧草地主要為小區(qū)域的劃區(qū)輪流放牧，周期為60 d，每區(qū)域連續(xù)放牧15 d，草地理論載畜率400 sheep·km?2，實(shí)際載畜率500 sheep·km?2；休牧草地主要為封圍禁牧，全年無載畜，只在秋季進(jìn)行刈割打草。

2015年7月對(duì)選定的3種放牧草地進(jìn)行土壤及植被生長(zhǎng)狀況調(diào)查，在自由放牧草地布設(shè) 10個(gè)調(diào)查點(diǎn)、輪牧草地15個(gè)調(diào)查點(diǎn)、休牧草地9個(gè)調(diào)查點(diǎn)。在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)利用隨機(jī)樣方法測(cè)定草地植被物種組成、優(yōu)勢(shì)種群，植被株高、蓋度、生物量等指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)情況如表1所示。在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)按X布點(diǎn)法和三角線布點(diǎn)法布設(shè)土壤采樣點(diǎn)，測(cè)定表層0—10 cm土壤的理化性質(zhì)：土壤類型、土壤全氮、土壤硝態(tài)氮、土壤氨態(tài)氮等指標(biāo)。

1.2 研究方法

1.2.1 裝置與材料

本次實(shí)驗(yàn)過程中使用的降雨模擬器為管網(wǎng)式降雨模擬裝置，主要由降雨器、供水管線、支架以及輔助的引流槽和擋流板構(gòu)成，如圖1所示。整個(gè)降雨模擬裝置高度2.5 m，供水管線壓力調(diào)節(jié)范圍在0—100 kp，有效面積1.8 m2，降雨強(qiáng)度可在20—180 mm·h?1之間調(diào)節(jié)，降雨均勻度大于80%。

1.2.2 試驗(yàn)步驟

本次人工降雨模擬試驗(yàn)選取在自由放牧草地、輪牧草地、休牧草地進(jìn)行，3種放牧草地的整體坡度為 4°—5°，降雨試驗(yàn)開始前將剛性擋流板插入到降雨有效區(qū)周邊形成圍擋，僅在下坡向設(shè)置徑流出口，布設(shè)V型引流槽，用于收集降雨徑流。根據(jù)研究區(qū)近50年降雨資料顯示，呼倫湖地區(qū)年平均降雨量為240.5—283.6 mm，以1998年最大降雨年份為例，最大降雨量出現(xiàn)在 7月，降雨量可達(dá)240 mm，最小降雨量出現(xiàn)在5月，降雨量?jī)H4.4 mm。所以本試驗(yàn)選定降雨強(qiáng)度為25.2、44.4、64.8、90 mm·h?1，在 3種放牧草地進(jìn)行 4種降雨強(qiáng)度的降雨模擬試驗(yàn)，4種雨強(qiáng)的均勻度經(jīng)測(cè)定為81%，84%，85%，90%。

每場(chǎng)降雨時(shí)間為首次產(chǎn)生徑流后持續(xù)24 min，休牧和輪牧草地在 25.2 mm·h?1降雨強(qiáng)度下無徑流產(chǎn)生，降雨實(shí)驗(yàn)持續(xù) 40分鐘后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。每場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)除進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)外另重復(fù)兩次，共進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。實(shí)驗(yàn)于2015年7月進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)期間無天然降雨，實(shí)驗(yàn)過程中采用圍擋減小風(fēng)力造成的實(shí)驗(yàn)誤差，每次實(shí)驗(yàn)開始前根據(jù)土壤含水量，進(jìn)行1—3 min預(yù)降雨，保證每次實(shí)驗(yàn)區(qū)域的土壤表層含水率基本相同。實(shí)驗(yàn)開始后記錄產(chǎn)流時(shí)間，收集全部徑流，測(cè)定徑流量，每隔3分鐘采集代表性徑流樣品，共采集8次，同時(shí)收集雨水作為空白對(duì)照。

表1 休牧（NG）、輪牧（RG）、自由放牧（FG）草地植被性質(zhì)與土壤性質(zhì)Table 1 The Vegetation property and original physicochemical characteristics of the soil in No grazing grassland, Rotation grazing grassland,Free grazing grassland

圖1 降雨模擬器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of simulated rainfall equipments

表2 降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Rainfalls designed in experiment

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤全氮測(cè)定，利用凱氏定氮儀參照半微量開氏法（GB7173—1987）測(cè)定土壤中全氮的含量，每批樣品做兩次重復(fù)；

土壤硝態(tài)氮測(cè)定采用氯化鉀浸提?紫外分光光度法，每批樣品做兩次重復(fù)；

土壤氨態(tài)氮測(cè)定采用2 mol·L?1氯化鉀浸提?靛酚藍(lán)比色法，每批樣品做兩個(gè)重復(fù)。

降雨徑流樣品采用沉淀5 h后的上清液測(cè)定各形態(tài)氮含量。

總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894—1989），利用HITACHI U—2001紫外/可見光分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

硝態(tài)氮的測(cè)定采用酚二磺酸分光光度法（GB7480—1987），利用 HITACHI U—2001紫外/可見光分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

氨態(tài)氮的測(cè)定采用水楊酸分光光度法（GBT5750.5），利用 HITACHI U—2001紫外/可見光分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

土壤含水率采用烘干法測(cè)定，利用烘干法測(cè)量環(huán)刀烘干前后的重量，土壤含水率=(烘干前重量?烘干后重量)/環(huán)刀體積，重復(fù)3次；

入滲速率采用環(huán)刀法測(cè)定，采用環(huán)刀法取原狀土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室在環(huán)刀上方接一同樣規(guī)格的空環(huán)刀，用膠布封好，利用馬氏瓶向接合環(huán)刀內(nèi)供水，保持環(huán)刀內(nèi)水面固定在某一高度，下方放置漏斗并用燒杯承接，當(dāng)漏斗下方滴下水時(shí)開始計(jì)時(shí)，并計(jì)量滲透的水量，直到單位時(shí)間內(nèi)滲透出的水量相等，計(jì)算入滲速率，重復(fù)3次。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

本文利用Excel 2010辦公軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理；利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析及模型模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧制度對(duì)徑流的影響

不同放牧制度導(dǎo)致草地下墊面存在差異，降雨過程中下墊面條件的不同情況決定了草地的徑流形式和產(chǎn)流時(shí)間。如圖2顯示，3種放牧草地在不同降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)流時(shí)間差異較大，其中自由放牧草地在相同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流時(shí)間最短，在90 mm·h?1下僅需8.8 min即可產(chǎn)生徑流，而休牧草地所需產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)。全部實(shí)驗(yàn)的降雨歷時(shí)為33—41 min之間，3種放牧草地在相同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流時(shí)間及徑流量差異較大，各不相同。

圖2 不同放牧草地產(chǎn)流時(shí)間Fig. 2 The runoff time of different grazing grassland

圖3 不同放牧草地地表徑流總量Fig. 3 Runoff volume of different grazing grassland under four rainfall intensity

3種放牧草地地表徑流產(chǎn)流結(jié)果如圖3所示，降雨模擬實(shí)驗(yàn)顯示，輪牧及休牧草地在25.2 mm·h?1降雨強(qiáng)度下不產(chǎn)生徑流，只有自由放牧草地在16.5 min后，產(chǎn)生少量徑流，徑流量為2.4 L。在3種放牧草地降雨實(shí)驗(yàn)中，隨著降雨強(qiáng)度由 25.2 mm·h?1增加44.4、64.8、90 mm·h?1。自由放牧草地產(chǎn)流總量較輪牧草地增加14.3%、15.9%、23.1%，輪牧草地較休牧草地增加45.0%、28.5%、21.6%。在小雨強(qiáng)事件下，輪牧草地較休牧草地的徑流增加量大于自由放牧草地較輪牧草地的徑流增加量。主要由于輪牧草地與休牧草地的植被株高。葉面積指數(shù)等指標(biāo)相差較小，而輪牧草地與自有放牧草地間植被各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)相差較大，株高、蓋度、葉面積指數(shù)可相差141.9%、84.6%、60.3%，遠(yuǎn)大于輪牧與休牧草地間的差距。當(dāng)大雨強(qiáng)事件發(fā)生時(shí)，3種放牧草地徑流量減少幅度基本相等，主要由于降雨過程中植被對(duì)地表的保護(hù)作用隨降雨強(qiáng)度的增加開始逐漸減弱，當(dāng)雨強(qiáng)大于90 mm·h?1時(shí)，植被保護(hù)作用基本喪失，所以減小幅度相同。對(duì)徑流量與降雨強(qiáng)度、載畜率、草地植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，徑流量與降雨強(qiáng)度相關(guān)性較好，決定系數(shù)r2=0.82，與載畜量存在一定的相關(guān)性，決定系數(shù)r2=0.61，與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)r2=0.77。隨降雨強(qiáng)度的增加，徑流量增加明顯，降雨強(qiáng)度與植被覆蓋度及入滲速率相比，直接決定了徑流量的多少。單因素方差分析顯示，相同降雨條件下不同放牧制度草地產(chǎn)流量差異顯著（P<0.05），3種放牧草地的產(chǎn)流總量為自由放牧草地>輪牧草地>休牧草地。

2.2 放牧制度對(duì)各形態(tài)氮的影響

徑流中氮濃度變化與徑流量變化基本同步，徑流速率保持穩(wěn)定，徑流體積隨徑流時(shí)間的增長(zhǎng)增加顯著。3種放牧草地在相同降雨強(qiáng)度下，自由放牧與輪牧、休牧草地徑流中總氮濃度差異顯著（P<0.05，圖4），休牧與輪牧草地徑流中總氮濃度相差較小，但流失量差異顯著（P<0.05），主要是由于休牧與輪牧草地在相同降雨強(qiáng)度下徑流量相差較大，在3種降雨強(qiáng)度下輪牧草地的徑流量分別是休牧草地的1.45、1.28、1.22倍。在放牧草地上隨載畜量的增加，徑流中氮濃度增加較小，而氮流失量增加顯著（P<0.05），流失量變化遠(yuǎn)大于濃度變化。同一放牧草地隨降雨強(qiáng)度的增加，徑流中流失總氮含量顯著增大（P<0.05），存在顯著正效應(yīng)，濃度變化不顯著。

圖4 不同放牧草地總氮流失過程Fig. 4 Change of TN concentration in different grazing system under different rainfall intensity

表3 不同放牧制度草地徑流中各形態(tài)氮含量及占總氮百分百Table 3 Various nitrogen forms in runoff flow in 10 rainfall events of experiment

3種放牧草地各形態(tài)氮濃度、流失量及其所占總氮百分比如表3所示。總氮流失量顯示為自由放牧草地流失最多，輪牧草地次之，休牧草地流失最少，與3種放牧草地氮濃度變化規(guī)律完全相反，主要是由于3種放牧草地徑流中氮濃度主要取決于表層土壤中氮含量多少，而徑流中氮流失量除了與土壤中氮含量有關(guān)，還與降雨條件、植被生長(zhǎng)狀況等外部因素密切相關(guān)。自由放牧草地總氮流失量高于輪牧及休牧草地，主要由于相同降雨條件下，自由放牧草地的植被與輪牧及休牧草地相比，覆蓋度、葉面積、株高均較小，植被的緩解截留作用較弱。降雨過程中表層土壤受雨滴的濺蝕，不但將表層土壤中大量氮攜帶入徑流，而且對(duì)下層土壤進(jìn)行擾動(dòng)，將深層土壤中的氮溶解攜帶到徑流中；自由放牧草地空隙度較小入滲能力較差，所以在相同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)生徑流較多，大量的徑流攜帶更多的氮元素，造成氮流失嚴(yán)重，其流失量增加高于其它放牧草地。

在3種放牧草地中，徑流中硝態(tài)氮及氨氮的濃度及含量變化趨勢(shì)與總氮變化過程保持一致，都顯示為徑流中濃度變化差異較小，而含量變化差異較大。休牧草地中硝態(tài)氮濃度維持在 0.15—0.18 mg·L?1范圍內(nèi)，自由放牧草地的變化范圍維持在0.14—0.16 mg·L?1范圍內(nèi)，相差不大；硝態(tài)氮流失量與總氮流失規(guī)律一致，自由放牧草原的硝氮流失量最大，休牧草地流失量最小，自由放牧草地在雨強(qiáng)較小的44.4 mm·h?1的降雨強(qiáng)度下，其硝氮流失量與輪牧草地相近，僅為 0.96 mg，隨著降雨強(qiáng)度的增加流失量間的差異逐漸增大。

休牧草地在大中小降雨強(qiáng)度下的硝態(tài)氮流失量均低于輪牧及自由放牧草地，主要由于休牧草地的植被生長(zhǎng)狀況均優(yōu)與輪牧及自由放牧草地，降雨過程中茂密的植被對(duì)降雨起到重要的緩沖作用，減少了雨滴直接與表層土壤的沖刷和擾動(dòng)，僅使表層土壤中硝態(tài)氮直接流失進(jìn)入徑流，而下層土壤硝態(tài)氮流失較少，從而減小了徑流中硝氮。雖然休牧草地土壤中含氮量較大，但其大部分氮為有機(jī)態(tài)不溶態(tài)氮，無機(jī)氮僅占土壤全氮的1.4%。3種放牧草地的在不同降雨強(qiáng)度下的氨氮的濃度變化較小基本一致，休牧草地的為 0.07 mg·L?1、輪牧草地 0.09 mg·L?1、自由放牧草地 0.08 mg·L?1，氨氮流失規(guī)律與硝態(tài)氮基本一致。

2.3 氮流失過程主要影響因素

氮的流失過程受到多種因素的制約，如徑流速率，徑流量，氮濃度，不同形態(tài)氮的比例，下滲速度，以及不同形態(tài)氮轉(zhuǎn)化量等因素的影響。本研究總體對(duì)各個(gè)放牧草地在各個(gè)降雨強(qiáng)度下的總氮、硝態(tài)氮、氨氮的濃度和流失量與徑流速率、徑流量、入滲系數(shù)、產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)沙量、輸沙率等進(jìn)行相關(guān)性分析，找出對(duì)氮流失過程起主要影響的因素。

通過對(duì)表4中6種因素與各形態(tài)氮濃度的相關(guān)性分析顯示，降雨事件中徑流速率、徑流總量、入滲系數(shù)、產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)沙量、輸沙率對(duì)總氮濃度的影響不顯著（P>0.05），入滲系數(shù)與總氮濃度的決定系數(shù)最大為0.52，相關(guān)關(guān)系較低；對(duì)硝態(tài)氮濃度與各因素間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，可以看出除入滲系數(shù)與硝態(tài)氮濃度無相關(guān)性外，其它各因素與硝態(tài)氮濃度相關(guān)性較好，決定系數(shù)均達(dá)到0.72以上，其中徑流速率、徑流總量、產(chǎn)沙量及輸沙率與硝態(tài)氮濃度呈負(fù)相關(guān)；降雨事件中各因素對(duì)氨氮濃度影響顯著（P<0.05），徑流速率、徑流總量與氨氮濃度的決定系數(shù)最大，決定系數(shù)為0.94，其中產(chǎn)流時(shí)間與銨態(tài)氮濃度呈負(fù)相關(guān)。

表4 各形態(tài)氮與影響因素間相關(guān)性Table 4 The correlation analysis of various nitrogen forms with different influences

各個(gè)降雨因素與徑流中各形態(tài)氮濃度相關(guān)性較差，與各形態(tài)氮流失量相關(guān)性較好?？偟魇Я俊⑾鯌B(tài)氮流失量、氨氮流失量與徑流總量、徑流速率、入滲系數(shù)、產(chǎn)流時(shí)間相關(guān)性較好（P<0.05），決定系數(shù)均達(dá)到0.8以上。整體看來降雨因素對(duì)徑流中氮含量的影響大于對(duì)濃度的影響，主要由于濃度受下墊面條件的制約較大，而含量主要受降雨產(chǎn)流條件的制約。

2.4 基于混合深度模型的氮流失過程模擬

土壤中溶質(zhì)隨徑流遷移過程是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，利用模型模擬溶質(zhì)流失過程可以彌補(bǔ)野外觀測(cè)的局限性。Ahuja（1986）根據(jù)室內(nèi)降雨模擬實(shí)驗(yàn)，提出了飽和狀態(tài)下的有效混合深度模型，該模型通過混合層內(nèi)溶質(zhì)質(zhì)量平衡原理以指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)溶質(zhì)隨徑流流失過程，王全九等（2010）在黃土流失區(qū)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，并建立了非飽和狀態(tài)下的溶質(zhì)隨徑流流失過程完全混合和不完全混合模型。

式中：C為任意t時(shí)刻土壤水溶質(zhì)濃度，mg·L?1；C0為產(chǎn)流初始時(shí)刻土壤水溶質(zhì)濃度，mg·L?1；r為降雨強(qiáng)度，mm·min?1；t為徑流時(shí)間，min；EDI有效混合深度，mm，θs為土壤飽和含水率，cm3·cm?3；ρs為土壤容重，g·cm?3；k為線性吸附系數(shù)。b為徑流溶質(zhì)濃度與混合層溶質(zhì)濃度的比值，a為入滲水溶質(zhì)濃度與混合層溶質(zhì)濃度比值；Q為土壤累計(jì)入滲量，cm。

王全九等（2010）在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)一般情況下徑流中的溶質(zhì)濃度遠(yuǎn)低于有效混合深度內(nèi)的溶質(zhì)濃度，所以參數(shù)b較小，所以C基本趨于0，不完全混合模型和完全混合模型就可以簡(jiǎn)化成兩個(gè)參數(shù)的方程：

不完全混合：

完全混合：

利用有效混合深度模型的簡(jiǎn)化參數(shù)模型，對(duì)不同放牧制度草地氮隨徑流流失過程進(jìn)行模擬，兩種模型參數(shù)如表 5，模擬結(jié)果如圖 5。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值的擬合程度可以得出，不完全混合模型的模擬效果優(yōu)于完全混合模型。隨降雨強(qiáng)度的增加有效混合深度模型模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度呈增加趨勢(shì)。自由放牧草地的有效混合深度模型模擬效果較差（0.67≤r2≤0.89），輪牧草地及休牧草地的模擬效果較好（0.86≤r2≤0.94），休牧草地混合深度模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合的決定系數(shù)均達(dá)到 0.86以上，在 64.8 mm·h?1與 90 mm·h?1雨強(qiáng)下的模擬效果優(yōu)于輪牧及自由放牧草地。

從完全混合模型和不完全混合模型的模擬結(jié)果的誤差分析（表6）可以看出，5項(xiàng)誤差中，不完全混合模型中較小的誤差項(xiàng)較多，而較大的誤差項(xiàng)較少?？傮w顯示，不完全混合模型的誤差較小，精度較高，適合模擬不同放牧制度草地氮流失過程。

表5 完全混合模型和不完全混合模型參數(shù)Table 5 The model parameter of complete mixing model and incomplete mixing model

圖5 3種放牧草地氮流失過程完全混合與不完全混合模型模擬結(jié)果Fig. 5 The result of complete mixing model and incomplete mixing model in different grazing grassland

3 討論

3.1 放牧制度對(duì)徑流的影響

降雨模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輪牧及休牧草地在25.2 mm·h?1降雨強(qiáng)度下不產(chǎn)生徑流，只有自由放牧草地在16.5 min后，產(chǎn)生少量徑流，徑流量為2.4 L。由于在降雨強(qiáng)度較小的降雨事件時(shí)，自由放牧與輪牧及休牧草地相比植被稀疏，輪牧及休牧草地茂密的植被對(duì)在降雨過程中對(duì)地表形成緩沖，減少雨滴對(duì)表層土壤的沖擊，且植被較多的草地土壤入滲率較高，降雨到達(dá)地表后基本全部入滲，所以輪牧及休牧不在小雨強(qiáng)降雨事件時(shí)不產(chǎn)生徑流。該結(jié)果與趙瑋等（2011）在呼倫湖進(jìn)行的水土流失試驗(yàn)時(shí)的結(jié)果一致。在3種放牧草場(chǎng)中，徑流強(qiáng)度隨降雨強(qiáng)度變化明顯，并且隨著降雨強(qiáng)度的增加，植被對(duì)降雨的緩沖作用逐漸減弱，當(dāng)雨強(qiáng)增加的到一定強(qiáng)度后，3種放牧強(qiáng)度草地植被的緩沖作用基本失效，不再存在較大的差異，甘藝賢等（2016）認(rèn)為在降雨強(qiáng)度達(dá)到80 mm·h?1時(shí)，徑流強(qiáng)度隨雨強(qiáng)的增加而逐漸變大，雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流存在直接影響，本文的試驗(yàn)結(jié)果與甘藝賢等人的研究結(jié)果較接近。

3.2 放牧制度對(duì)氮流失形態(tài)的影響

同一放牧草地內(nèi)，高強(qiáng)度的降雨會(huì)引起溶解態(tài)氮流失比例下降，不溶態(tài)氮的流失比例上升。隨著降雨強(qiáng)度的增加，地表徑流速度明顯加快，減少了溶解態(tài)氮的溶解時(shí)間，降低了溶解態(tài)氮進(jìn)入徑流的機(jī)會(huì)。而較高的降雨強(qiáng)度對(duì)地表土壤擾動(dòng)增加，會(huì)造成土壤顆粒上吸附的不溶氮流失加劇。降雨強(qiáng)度對(duì)溶解態(tài)氮流失的影響遠(yuǎn)大于植被覆蓋度對(duì)溶解態(tài)氮流失的影響，該結(jié)果與 Wu et al.（2012）在白菜地對(duì)植被覆蓋度與氮流失狀況的研究結(jié)果一致。

表6 兩種模型模擬誤差Table 6 Compare with simulation error for two model

放牧草地中隨著載畜率的上升，溶解態(tài)氮的流失比例上升，較高的載畜率有利于溶解態(tài)氮的流失，主要是由于高載畜率會(huì)導(dǎo)致地表土壤孔隙度下降，地表植被低矮，覆蓋度減小，從而減緩降雨入滲，增加了徑流量，使土壤中的溶解態(tài)氮有充分時(shí)間溶解到降雨徑流中，從而造成溶解態(tài)氮的流失。自由放牧草地本身植被生長(zhǎng)較差，植被可利用的溶解態(tài)氮含量較低，而高載畜率造成土壤溶解態(tài)氮流失嚴(yán)重，無法供給植被生長(zhǎng)所需的氮元素，從氮流失的角度看，適當(dāng)?shù)慕档头拍凛d畜率有利于植被恢復(fù)。

在3種放牧草地中氨態(tài)氮含量小，且易轉(zhuǎn)化揮發(fā)，所以地表徑流中氮的不同形式間存在著復(fù)雜轉(zhuǎn)化的作用，氮的流失形態(tài)主要以不溶態(tài)氮為主，該結(jié)果與Wu et al.（2012）在中國(guó)南方紅壤土白菜地和Shan et al.（2015）在中國(guó)太湖流域白菜地的研究結(jié)果相反，主要由于人工菜地存在人為控制的施加氮肥，導(dǎo)致土壤中可溶態(tài)氮含量較高，而本研究區(qū)域?yàn)樽匀粻顩r下的天然草地，地表氮含量為自然控制，可溶態(tài)氮低，而不溶態(tài)氮含量較高，所以導(dǎo)致氮流失形態(tài)以不溶態(tài)氮為主，而沒有溶解的不溶態(tài)氮被徑流攜帶進(jìn)入水體，容易造成二次污染，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。

對(duì)相同降雨條件下，銨態(tài)氮所占比例遠(yuǎn)低于硝態(tài)氮，一方面由于銨態(tài)氮很容易吸附在土壤顆粒和土壤有機(jī)質(zhì)上，不易隨降雨徑流流失；另一方面在有氧條件下，氨氮會(huì)通過硝化作用下迅速轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，使硝態(tài)氮含量增加。隨著降雨強(qiáng)度的增長(zhǎng)硝態(tài)氮所占比例減小，氨態(tài)氮保持平穩(wěn)，并未呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，該結(jié)果與Wu et al.（2012）在中國(guó)太湖流域菜地的研究結(jié)果相反，其認(rèn)為降雨是主要驅(qū)動(dòng)因子，減少氨蒸發(fā)，減少硝化率，因此增加徑流中氨氮，在放牧草原土壤中氮含量總體偏低，氨氮及硝態(tài)氮總體較少，降雨過程中硝化反應(yīng)較弱，所以隨降雨強(qiáng)度的增加，銨態(tài)氮濃度保持平穩(wěn)不存在太大變化。

3.3 影響氮流失的因素

徑流中氮主要包含可溶態(tài)氮和不溶態(tài)氮，總氮濃度與各個(gè)降雨因素不存在相關(guān)關(guān)系，主要由兩方面因素導(dǎo)致，首先在降雨過程中總氮濃度受可溶態(tài)氮濃度和不溶態(tài)氮濃度的共同影響，在降雨過程中雨水的浸滲作用使得土壤中的可溶態(tài)氮在一定時(shí)間內(nèi)溶于水中然后隨地表徑流進(jìn)行遷移，同時(shí)雨滴的擾動(dòng)作用又對(duì)表層土壤顆粒進(jìn)行擾動(dòng)，會(huì)增加土壤顆粒表面不溶態(tài)氮的流失，擾動(dòng)過程中又會(huì)造成細(xì)小顆粒堵塞土壤孔隙減小降雨的滲浸作用，減緩可溶態(tài)氮的溶解釋放。而另一方面徑流中氮含量的多少，主要取決于土壤中含氮兩的多少和土壤中氮元素的吸附解析速率（王全九等，2010），因此徑流中總氮濃度與各個(gè)降雨因素的相關(guān)性較差。

3.4 混合深度模型模擬氮流失過程

利用有簡(jiǎn)化參數(shù)的效混合深度模型對(duì)土壤中氮元素遷移狀況進(jìn)行模擬，不完全混合模型的模擬結(jié)果精度高于完全混合模型，在初始產(chǎn)流時(shí)期，完全混合與不完全混合模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好，在產(chǎn)流后期較差，該結(jié)果與王全九等（2010）在黃土地區(qū)進(jìn)行塿土溶質(zhì)流失模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相反，主要是由于王全九等（2010）進(jìn)行的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，其初始溶質(zhì)含量和邊界條件可以進(jìn)行室內(nèi)調(diào)控，且降雨時(shí)間較長(zhǎng)，而本研究區(qū)域處于野外，模擬實(shí)驗(yàn)過程中不可控因素較多，并且無法控制區(qū)域內(nèi)土壤氮元素的基本含量，降雨模擬時(shí)間及產(chǎn)流時(shí)間均較短，導(dǎo)致流失過程曲線在后期的平滑度較差，所以模擬效果低于前期。

4 結(jié)論

（1）放牧制度的變化對(duì)降雨徑流和土壤中氮流失情況影響顯著，3種放牧草場(chǎng)對(duì)徑流削減作用順序?yàn)樾菽敛莸?輪牧草地>自由放牧草地，隨放牧草地載畜量的增加，土壤中氮流失總量增加明顯，3種放牧草地氮流失量為自由放牧草地流失最多，輪牧草地次之，休牧草地流失最少。

（2）在3種放牧草地土壤氮流失過程中，不溶態(tài)氮是氮元素流失的主要形式，影響流失氮元素形態(tài)變化的因素為降雨強(qiáng)度，高強(qiáng)度的降雨會(huì)導(dǎo)致溶解態(tài)氮流失比例下降，不溶態(tài)氮的流失比例上升，溶解態(tài)氮中硝態(tài)氮減少明顯，銨態(tài)氮基本保持不變。對(duì)各形態(tài)氮流失量產(chǎn)生主要影響的因素為徑流速率、徑流量和產(chǎn)流時(shí)間。

（3）利用混合深度模型對(duì)土壤中氮元素遷移狀況進(jìn)行模擬，不完全混合模型的模擬結(jié)果精度高于完全混合模型，誤差不超過 5%，更適用于草地土壤氮流失過程的模擬。

由以上結(jié)論可以看出，休牧及輪牧草場(chǎng)對(duì)氮及水土流失具有明顯的改善作用，因此在草地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變放牧方式，以此來減少污染物質(zhì)及水土流失，休養(yǎng)草原，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。