青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征

黄 薇，王冬梅，李 平，刘若莎

青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征

黄 薇，王冬梅※，李 平，刘若莎

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

研究自然降雨下青海高寒区典型植被地表径流与氮磷流失规律及其影响因素，可为青海高寒区植被建设及水土保持研究提供科学依据。该研究以青海高寒区青杨林、祁连圆柏林、青海云杉林、荒草地、华北落叶松林典型植被为研究对象，采用径流小区结合室内试验分析研究不同植被类型地表产流及氮磷流失特征，并基于冗余分析探明影响氮磷流失的主要因素。结果表明：1）自然降雨条件下，不同植被类型降雨截留效果不一致，且截留效果受降雨量大小影响。在雨量级0～50 mm中，各植被平均截留率表现为青杨林（49.37%）、祁连圆柏林（32.62%）、荒草地（21.21%）、青海云杉林（18.90%）、华北落叶松林（9.28%）。2）研究时段内穿透雨量与地表径流量呈正相关，地表产流受穿透雨量影响较大；不同种植被类型减流效果差异明显，华北落叶松林的减流效果最佳，青杨林减流效果最差。3）青海高寒区氮磷流失量相对较低，地表径流氮磷流失量表现为硝态氮>氨氮>磷酸盐；不同植被类型氮磷流失总量表现为青杨林>荒草地>青海云杉林>祁连圆柏林>华北落叶松林。4）冗余分析结果表明，氮磷流失主要受地表径流量、饱和含水率、容重影响。5种典型植被均能有效的降低地表径流、减少氮磷流失，华北落叶松林的截流、控制养分效果最佳，青杨林的最差；减少地表径流、降低饱和含水率、增加容重能有效减少氮磷流失。该研究为今后区域植被建设提供了参考。

降雨；径流；氮磷流失；冗余分析；青海高寒区

0 引 言

水土流失受降雨的影响，当降雨达到一定强度后产生地表径流，造成土壤氮磷元素随地表径流流失，降低土壤肥力，产生面源污染，破坏生态环境。因此，减少地表径流、控制养分流失有助于保护生态环境。

氮磷流失受土壤理化性质、降水特征、土壤本底物质、地形、植被类型等诸多因素影响，深入研究这些影响因素能更好的分析水土流失过程，从过程中有效控制水土流失。不同土壤类型影响着水稻田面水磷素浓度[1]；且土壤全氮、全磷、有机碳含量等在一定程度上影响着氮磷流失[2]。不仅如此，降雨强度、降雨量等[3]降雨特征对土壤养分流失有着显著的影响。王建中等[4]研究表明，在临界坡度范围内，坡度增加能导致氮磷流失加剧。其中植被类型对与氮磷流失也有重要影响。目前关于植被类型与氮磷流失这方面的研究主要集中于产流产沙、养分流失等方面。

魏强等[5]在大青山的研究表明植被类型对产流产沙有一定影响；于国强等[6]利用野外模拟降雨试验，研究不同植被类型产流产沙规律，结果表明林草地具有良好的蓄水减沙功效；张丹丹等[7]研究结果表明，草带能有效拦截径流、泥沙，对径流、泥沙的拦截率分别达到66%和68%。以上研究多偏向于分析植被类型对区域内产流产沙的影响，未涉及到对氮磷流失的影响。张丽萍等[8]研究了不同管理措施下竹林坡地降雨特征及氮磷流失情况，结果表明在相同管理措施下，径流中氮磷流失量随雨强增强而增加；储双双等[9]研究认为氮磷流失受地表径流的影响显著且氮磷流失形态多以铵态氮为主；汪庆兵等[10]通过径流小区试验得出竹林地表径流氮、磷的流失特征，表明氮磷流失浓度受降雨量和径流水量影响较大。但上述研究其区域多为南方湿润地区。然而关于青海高寒区部分生境脆弱区域内植被类型与地表径流及氮磷流失间的关系研究较少，缺乏深入探讨。

青海高寒区属于高寒生态系统，土壤贫瘠，生态环境脆弱，为改善当地生境，该地自20世纪末开始实施退耕还林政策。为了解退耕植被的减流保肥效益，本文以青海高寒区典型小流域退耕植被为研究对象，测定径流小区地表径流量、穿透雨量，并分析径流水样中的氮磷浓度，研究降雨条件下不同植被类型地表径流及氮磷养分流失特征，探讨典型植被产流及氮磷流失机制，定量分析区域内典型植被减流保肥效益，以期为青海高寒区的植被建设提供理论基础，为评价植被的水源涵养功能和非点源污染提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于青海省东部大通县闇门滩小流域（101.67°E，36.9°N），面积约为2.59 km2，东接黄土高原，西邻青藏高原，地处两大高原过渡地带，海拔在2460～2650 m之间，属于高原大陆性气候。闇门滩小流域内年均降水量约为506 mm，年内降雨分布不均，多集中于6—9月，雨热同季。区域内农用地为坡耕地，地形复杂，水土流失较为严重。为减少水土流失，该区域自20世纪末开始实施退耕政策，植被类型多为落叶阔叶林及针叶林等。截至2019年6月，区域内乔灌草物种数分别占流域物种总数的5.88%、10.92%、83.19%，主要乔木有祁连圆柏（）、华北落叶松（）、青海云杉（）、青杨（）等，各乔木林下灌草物种差异明显，其中林下灌木主要有柠条（）、沙棘（）等；荒草地主要植被类型为灌草混交，植被盖度较高，灌木以丁香为主；受高寒气候影响，草本高度也相对较高，主要草本有早熟禾（）、紫花苜蓿（）、老鹳草（）等。

2 试验设计

本研究于2019年6月在青海省大通县闇门滩小流域进行。对退耕20 a的闇门滩小流域进行样地布设，并对小流域内地形条件、退耕情况进行调查，在青杨林、祁连圆柏林、青海云杉林、荒草地、华北落叶松林样地内分别布设1 m×2 m的简易径流小区，每个径流小区设3个重复。径流小区短边沿等高线布设，小区四周用钢板围护，于径流小区下部设集沙槽，并用出流管与集流容器相连；为防止径流量过大，出流管处连接两个较大集流容器，简易径流小区如图1。径流小区基本情况见表1。

2.1 样品采集及指标测定

2.1.1 样品采集

2019年6月15日—8月13日期间共监测到14次降雨。每次降雨结束后，待地表径流停止，将集水池中的水混合均匀，用500 mL聚乙烯瓶进行水样采集，储存于4 ℃冰箱内并在48 h内进行氨氮、磷酸盐、硝态氮的测定。

在径流小区周围用环刀对土样进行采集，对其物理性质进行测定，并在小区附近随机选取采样点，取深度为0～20 cm土样，将采样点土样混合后按四分法取土1 kg放入样品袋，取3个重复，带回实验室经风干、研磨、过筛后对土壤的化学性质进行测定，测定3次重复。径流小区土壤主要理化性质见表2。

表1 径流小区基本情况

表2 径流小区土壤主要理化性质

2.1.2 水质指标测定

水样指标用Smartchem450全自动间断化学分析仪进行测定，其中氨氮测定采用水杨酸光度法；硝态氮测定采用酚二磺酸分光光度法；磷酸盐采用磷矾钼黄分光光度法测定[11-13]。

2.1.3 土壤理化性质的测定

用环刀法对土壤容重、孔隙度进行测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化还原滴定法（外加热法）测定；碱解氮采用碱解扩散法；测定速效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；全氮采用半微量凯氏法；全磷采用NaOH熔融-钼蓝比色法[14-15]。

2.1.4 林外降雨及穿透雨量的测定

林外降雨量及穿透雨量的测定均采用雨量筒进行测定。对林外降雨进行测定时，为避免植物林冠层的影响，雨量筒设置在径流小区周边较为开阔处。穿透雨量测定根据小区内植被林冠层特点，在每个径流小区内随机布设3个雨量筒[16]。雨后及时测定雨量筒内降水体积并将其转换为降水深（mm）。

2.1.5 林冠截留量、截留率的测定与计算

参考相关文献[17-18]，在高寒区域内，受气候及树种影响，树干径流量基本小于1%，可以忽略不计，因此，根据水量平衡原理，林冠截留量=林外降雨量-穿透降雨量，林冠截留率=降雨截留量/林外降雨量。

2.1.6 植被盖度的测定与计算

植被盖度指的是植物地上部分垂直投影面积占样地面积的比例，本文采用样方法对植被盖度进行调查。选择具有代表性的青海云杉林、青杨林、华北落叶松林、荒草地、祁连圆柏林，分别设置3个20 m×20 m样地，共15个，在各样地内沿对角线分别设置9个面积为1 m×1 m的草本样方进行调查；并使用冠层分析仪及配套软件对区域内植被盖度进行测算。

2.2 数据分析

运用EXCEL2007软件对基础数据进行统计整理、使用SPSS17.0对数据进行标准化，并用最小显著性差异法（Least-Significant Difference，LSD）对数据进行显著性检验，用R4.0.3软件对数据进行Pearson相关性分析、冗余分析并用Origin作图。

3 结果与分析

3.1 不同植被穿透雨量及地表径流量特征

根据研究区降雨情况，对布设的径流小区穿透雨量与地表径流量进行测定。结果如表3所示，在14次降雨监测中，各植被单次穿透雨量均值分别为青杨林（9.51 mm）、青海云杉林（14.21 mm）、华北落叶松林（15.46 mm）、祁连圆柏林（11.62 mm）、荒草地（13.76 mm）；总体来看，各小区穿透雨量大小表现为华北落叶松林最大，青杨林最小；在雨量级0～50 mm中，各植被平均截留率表现为青杨林（49.37%）、祁连圆柏林（32.62%）、荒草地（21.21%）、青海云杉林（18.90%）、华北落叶松林（9.28%）。结合降雨数据与穿透雨量数据，计算各植被不同降雨情况下的截留率可得，当降雨量较小时，植被截留效果较好；当降雨量大时（6月22日、6月26日及7月25日），不同植被类型对降雨截留效果差异不显著（>0.05）。

对比各植被穿透雨量与地表径流量（表3）可以看出，地表径流产生与穿透雨量密切相关，降雨观测期内，各植被地表径流量峰值与其穿透雨量峰值出现情况一致。对同一植被类型而言，随着穿透雨量增大，地表径流量也随之增大。如图2所示，穿透雨量与径流量呈线性关系，且相关性均在80%以上，呈正相关关系（<0.05）。

表3 各植被穿透雨量与地表径流量

青杨林地、青海云杉林地、华北落叶松林地、祁连圆柏林地、荒草地产流量分别为3 205.92、2 124.70、95.60、1 526.50、1 702.65 mL/m2。不同植被径流小区内产流总量表现为青杨林地>青海云杉林地>荒草地>祁连圆柏林地>华北落叶松林地；从减流结果来看，华北落叶松林地的减流效果最佳，青杨林地、青海云杉林地、祁连圆柏林地、荒草地的产流量分别是华北落叶松林地的33.53、22.22、15.97、17.81倍。

5种典型植被中，各植被类型的穿透雨量与降雨量呈极显著的正相关（<0.01），在青杨林地、荒草地、青海云杉林地中，各林地的地表径流量与降雨量呈显著正相关关系；华北落叶松林地、祁连圆柏林地的地表径流量与降雨量关系不显著（表4）。

表4 相关性分析

注：*表示在0.05水平（双侧）上显著相关；**表示在0.01水平（双侧）上显著相关。

Note: * is significant correlation at the 0.05 level (two-tailed); ** is significant correlation at the 0.01 level (two-tailed).

3.2 不同植被类型对氮磷元素流失的影响

由图3a可知，地表径流养分流失量及浓度从大到小依次均为硝态氮、氨氮、磷酸盐，说明氮素流失以硝态氮为主，青杨林、祁连圆柏林、青海云杉林、荒草地、华北落叶松林5种典型植被硝态氮流失量分别是氨氮流失量的2.36、1.00、3.38、4.29、1.02倍。荒草地的硝态氮流失浓度最大为13.83 mg/L，青杨林地、青海云杉林地、华北落叶松林地、祁连圆柏林地硝态氮流失浓度分别为12.83、9.52、8.67、4.00 mg/L。地表径流中磷酸盐流失量较少，且不同植被间磷酸盐流失浓度差异不显著（>0.05）；氨氮的流失浓度从大到小依次为华北落叶松林地、青杨林地、祁连圆柏林地、荒草地、青海云杉林地，但氨氮流失量从大到小依次为青杨林（17.42 mg）、祁连圆柏林（6.13 mg）、青海云杉林（5.96 mg）、荒草地（5.47 mg）、华北落叶松林（0.81 mg）（图3b）。表明监测时段内，华北落叶松林地控制养分流失能力最好，青杨控制能力最差。

3.3 氮磷流失量与其环境影响因子的冗余分析

根据前人研究，氮磷流失受多种环境因素的影响[1-4]。对数据进行冗余分析（RDA）时，将氨氮、硝态氮、磷酸盐的流失量作为响应变量，雨强、地表径流量、降雨量、饱和含水率、总孔隙度、容重、植被盖度、坡度、枯落物平均厚度、土壤中碱解氮含量、速效磷含量、有机质、有机碳、全氮、全磷含量15个环境因子作为解释变量。在R4.0.3软件中，对数据进行标准化处理，统一量纲，减少数据处理方面的差异，构建方程，对氮磷流失量做除趋势对应分析（DCA）发现，典范轴长度最大值小于3，进行RDA分析。计算结果显示，15个环境因子的方差膨胀因子大多数值较大，表明环境因子间存在共线性，故而采用向前选择法选择方差膨胀因子小于10的环境因子作为解释变量，筛选后的环境因子为表层径流量、饱和含水率、容重。

冗余分析结果表明（表5），蒙特卡罗（Monte Carlo）置换检验计算所有轴和第一、二轴的值分别为0.002、0.001、0.02，均小于0.05，说明该结果在5%的置信水平下可信。

表5 氮磷流失量与环境因子冗余分析结果

第一、二典范轴中，环境因子对氮磷流失量的累积解释量为76.86%，表明氨氮、硝态氮、磷酸盐的流失量在很大程度上受地表径流量、饱和含水率、容重这3个环境因子的影响。说明环境因子基本可以由前两个典范轴解释，第一、二轴能够充分反映氮磷流失量对环境因子的响应关系。从表6得出，第一轴中贡献较大的是地表径流量；第二轴反映了饱和含水率与容重对氮磷流失了的影响，饱和含水率与容重与典范轴间的相关系数分别为0.708 1、0.428 4。

表6 环境因子与第一、二轴的相关系数

图4为氮磷流失量与筛选后环境因子之间的RDA排序图。图中虚线箭头表示氮磷流失量（响应变量），实线箭头表示影响氮磷流失量的环境因子（解释变量）。箭头间夹角余弦值表示二者之间的相关性（负相关：夹角>90°，正相关：夹角<90°，接近90°，相关性较弱），解释变量箭头长度表示对响应变量的解释度，箭头越长解释度越强。环境因子中表层径流量、饱和含水率对氮磷流失量有较高的解释量；氨氮、磷酸盐、硝态氮流失量分别与表层径流量、饱和含水率表现为正相关，与容重呈负相关。氨氮流失量与表层径流量、饱和含水率的相关性较大；硝态氮与表层径流量夹角小，呈显著正相关，与饱和含水率和容重相关性较小；随着饱和含水率的增大，磷酸盐流失量呈增加趋势；氨氮、硝态氮流失量与地表径流的相关性较强，而磷酸盐流失量与地表径流夹角大，呈较弱的正相关关系。从响应变量间相关性分析，氨氮流失量与硝态氮流失量相关性较大，与磷酸盐流失量相关性相对较小；铵氮流失量与磷酸盐流失量呈正相关。

4 讨 论

林冠对降雨量有一定的截留作用[18-19]，受植被类型的影响，不同植被类型林冠层厚度、郁闭度大小不同，对降雨的截留效果不同，且随降雨量增大，林冠截留效果差异显著。张学龙等[20]研究发现林冠截留量受降雨量、降水形态、降水强度等诸多因素的影响，降雨量越大、降水强度越高，其林冠截留功能相对减弱。林冠截留量受降雨量影响较大[18,21-22]，其中陈丽华等[21]认为林冠截留量与降雨量呈显著正相关关系。在本研究结果中，各植被类型的截留率与刘春延等[23]研究结果差异较大，原因可能是受区域内气候的影响，年均降雨量较少，且不同区域内降雨量、降雨历时、降雨强度存在差异，导致截留率与其他研究结果存在差异。在相同降雨条件下，各植被对降雨的截留效果不同。当雨量较小时，所有树种林冠都能有效拦截降雨，因此各植被间林内降雨量差异较小；当降雨量较大时，各植被间林内降雨差异变大，这可能是因为不同植被林冠层厚度不一致、郁闭度大小不同，对降雨的截留效果不同导致的；华北落叶松叶呈针状，叶面积小，截留效果差，而青杨林冠幅大，叶面积大，对降雨截留效果较好，这与李道宁等[24]研究结果相似。

5种典型植被类型的地表径流量与穿透雨量密切相关，并随穿透雨量的增大而增加，说明径流量受穿透雨量的影响较大。随降雨量大小变化，各小区产流存在一定差异，当降雨量小时，受降雨截留影响，林内地表产流差异小；降雨量大时，受降雨量、林冠层等因素的影响，各林地产流差异显著，表明穿透雨量越大，地表径流随之增大，这与宋娅丽等[25]研究结果一致。但与李博等[26]研究结果相比，本研究各植被类型地表径流量相对较低，可能是由于区域内降水少或受高寒环境影响，各植被林下枯落物不易腐化，枯落物层厚，对降水有一定拦蓄作用。不同植被类型地表产流研究对于减少地表径流有重要意义。本研究结果表明，华北落叶松林地地表径流量最小，青杨林地表径流量最大，造成此差异主要原因是自然降雨下，经枯落物、林下植被等消减使得径流产生差异；与青杨林相比，华北落叶松林下枯落物多，持水量大，能有效截留降雨，减少地表径流，因此形成最小径流量，这与何斌等[27]关于不同林龄人工林枯落物存量与截留水量间关系的研究结果相似。

降雨导致的地表径流是造成氮磷养分输出的主要因素。从氮磷流失特征研究结果来看，氮素流失主要以硝态氮、氨氮的形式随地表径流流失，而地表径流中磷元素流失较少，可能是因为氮元素主要以可溶态随径流流失，而磷素多为难溶的磷酸盐结合物，一般随大颗粒物迁移[28-29]。对比分析各植被土壤中全磷含量，其含量差异不大，根据全国土壤含量分级标准来看，各径流小区内全磷含量均处于低水平状态；从各植被土壤中全氮、碱解氮含量来看，二者含量均处于中等及中等以上状态，其中荒草地与青海云杉林地土壤中全氮、碱解氮含量均低于华北落叶松林地，但其氮素流失浓度却高于华北落叶松，表明各径流小区中氮素流失不受土壤本身状态的影响。此外，硝态氮流失浓度要高于氨氮，主要原因为氮素是植物生长必须元素，在吸收氮素时，氨氮能直接被植被利用，硝态氮需要转化后才能被利用。因此在相同条件下，地表径流中氨氮浓度会低于硝态氮浓度。磷酸盐主要随颗粒态物质流失，径流中磷酸盐流失量较少，不同植被类型间磷酸盐流失浓度显著低于氨氮与硝态氮流失浓度，且不同植被间磷酸盐流失浓度差异不显著，说明与磷素相比，氮素更容易随地表径流流失[30-31]。氮磷流失量受表层径流量、饱和含水率、容重的影响，容重大小可影响入渗，从而影响径流量，减少氮磷流失[32]。与王全九等[33]研究结果相比，区域内各植被类型养分流失量少，其中华北落叶松林地氨氮、硝态氮、磷酸盐流失总量表现为最低，其原因是受高寒气候影响，林地内枯落物层较厚，土壤有机质含量高、孔隙度大，有利于降雨下渗、降低地表径流流速，从而减少地表径流量、养分流失量[34-35]。根据青海高寒区典型人工林植物多样性研究表明，相较其他林地而言，各植被多样性指数表现为华北落叶松林地的丰富度指数、香农多样性指数较高[36]，表明华北落叶松林地内物种多样性程度高，有利于构建稳定群落，且本文研究结果表明，在退耕林种中，分析各植被类型减流效果得出，华北落叶松林地减流效果最好，除华北落叶松林地外，其余植被类型均有相应的减流效果，其中青杨林地减流效果最差；就养分控制能力而言，华北落叶松林地控制养分流失能力最好，青杨控制能力最差。这对筛选区域植被、评价植被的水源涵养功能和非点源污染具有重要意义。

5 结 论

研究时段内，在自然降雨条件下，5种典型植被类型中，不同植被类型能对降雨进行有效截留，青杨林、祁连圆柏林、荒草地、青海云杉林、华北落叶松林平均降雨截留率分别为49.37%、32.62%、21.21%、18.90%、9.28%，且植被能有效拦截地表径流；与其他区域相比，青海高寒区氮磷流失量相对较低。不同植被类型能有效降低氮磷流失量，其中华北落叶松林控制养分流失程度最好，青杨林最差；地表径流氮磷流失量表现为硝态氮>氨氮>磷酸盐，氮素流失以硝态氮为主，氮磷流失受多种环境因子的影响，其中主要的影响因子为地表径流量、饱和含水率、容重。

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Characteristics of surface runoff and nitrogen and phosphorus loss for different vegetation covers in Qinghai alpine region of China

Huang Wei, Wang Dongmei※, Li Ping, Liu Ruosha

(,,100083,)

Soil nitrogen and phosphorus loss are closely related to a surface runoff under natural rainfall. Therefore, it is necessary to explore the mechanism behind these and influencing factors in the vegetation construction for water and soil conservation in the Qinghai alpine region of China. In this study, the typical vegetations were taken as the research objects, includingGrass landin the study area. The runoff plot combined with indoor experiment was also used to analyze the characteristics of nitrogen and phosphorus loss to surface runoff for different types of vegetation. Redundancy analysis was made to identify the main influencing factors on the loss of soil nitrogen and phosphorus. The results indicated as follows: 1) Under the condition of natural rainfall, the rainfall interception effect of different vegetation types was different, and the interception effect was affected by the rainfall. In the rainfall range of 0-50 mm, the average interception rate of each vegetation was 49.37% forforest, 32.62% for, and 21.21% for Grass land, 18.90% forforest, 9.28% forforest. 2) There was a positive correlation between penetrating rainfall and surface runoff in the study period, while surface runoff depended greatly on the penetrating rainfall. There was also an obvious difference in the runoff reduction of different planting types. Specifically, the best runoff reduction was found inforest, whereas, the worst was inforest. 3) The loss of nitrogen and phosphorus in Qinghai alpine region was relatively low, and the loss of nitrogen and phosphorus in the surface runoff was ranked in order of nitrate nitrogen>ammonia nitrogen>phosphate. The total loss of nitrogen and phosphorus in different vegetation types was ranked in the order of>>>>. 4) The redundancy analysis showed that the loss of nitrogen and phosphorus depended mainly on the surface runoff, saturated water content, and bulk density. Five typical vegetations can be expected to effectively alleviate nitrogen and phosphorus loss to surface runoff, where the interception and nutrient control effect offorest was the best, while that offorest was the worst. Consequently, some suggestions can be given during this time to reduce surface runoff and saturated water content, while increasing bulk density for the effective reduction of nitrogen and phosphorus loss. This finding can provide a sound reference for regional vegetation construction in the future.

rainfall; runoff; nitrogen and phosphorus loss; redundancy analysis; Qinghai alpine region

黄薇，王冬梅，李平，等. 青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征[J]. 农业工程学报，2021，37(13)：92-100. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.011 http://www.tcsae.org

Huang Wei, Wang Dongmei, Li Ping, et al. Characteristics of surface runoff and nitrogen and phosphorus loss for different vegetation covers in Qinghai alpine region of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 92-100. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.011 http://www.tcsae.org

2021-02-20

2021-06-18

国家科技支撑计划项目（2017YFC0504604-04）

黄薇，研究方向为土壤侵蚀。Email：1150875668@qq.com

王冬梅，教授，博士生导师。研究方向为流域治理、生态修复。Email：dmwang@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.011

S715.3

A

1002-6819(2021)-13-0092-09