在陡峭沟坡上具有代表性的植被群落中，径流和沉积物介导的营养物质损失的特征及关键环境因素

《CATENA》：Characteristics and key environmental factors of runoff and sediment-mediated nutrient losses under representative vegetation communities on steep gully slopes

营养流失特征及影响因素：基于黄土高原陡坡沟壑的植被恢复研究。通过建立七种微径流小区（六种植被类型、裸地对照），分析2021-2022年八次降雨事件中碳、氮、磷的径流与泥沙流失量，揭示植被调控机制。结果表明：裸地营养流失最严重（C:128.22 mg，N:10.05 mg，P:0.77 mg）；灌木HR（C:76.2 mg，N:13.01 mg，P:1.53 mg）效果最佳，草本CL次之（C:54.94 mg，N:10.34 mg，P:0.62 mg）。降雨强度（I30、I60）和侵蚀力（EI30）显著促进径流营养流失（p<0.05），植被覆盖（VC）、凋落层厚度（LT）和根密度（RMD）通过拦截降雨、增强土壤结构及减少侵蚀有效抑制流失。土壤有机碳（OC）和全碳（TC）通过促进植物生长间接调控径流流失，土壤全氮（TN）对泥沙磷（STP）损失影响显著。研究证实陡坡植被恢复应以耐旱灌木（如沙棘）和深根草本（如针茅）优先，为黄土高原水土保持提供科学依据。

　　### 土壤侵蚀与营养流失的动态变化及植被的调控作用

中国黄土高原地区的陡沟坡地由于地形陡峭和植被稀疏，常经历严重的土壤侵蚀和营养流失。这种现象不仅对当地生态系统造成影响，还可能引发一系列环境问题，如土壤肥力下降、土地生产力降低以及地下水污染等。研究这些营养物质的流失情况及其影响因素，对于制定有效的土壤保护和水土保持策略具有重要意义。

#### 土壤营养物质流失的机制

土壤中的碳（C）、氮（N）和磷（P）是生态系统的重要组成部分，它们通过多种方式影响土壤特性、植被生长及土壤微生物活动。在降雨过程中，雨水对土壤颗粒的冲击会破坏土壤结构，使土壤颗粒随径流迁移，从而导致土壤营养物质的流失。这些营养物质可能以溶解态或吸附态的形式进入径流。溶解态的营养物质随着水流被带走，而吸附态的营养物质则随着沉积物一起流失。因此，土壤的结构和性质在营养物质的迁移过程中起着关键作用。

此外，土壤的持水能力和侵蚀性也对营养物质的流失有重要影响。细粒土壤通常具有更强的持水能力，从而减少营养物质的流失，但细粒土壤中磷的流失比例较高。这表明，不同土壤类型对营养物质的流失具有不同的影响。当土壤中的营养物质和有机质含量较低时，土壤的结构稳定性和团聚性也较低，容易导致营养物质的流失。

#### 植被对营养流失的调控作用

植被在减少土壤和水流失方面具有重要作用。植被覆盖可以延长雨水渗透到土壤的时间，增加土壤水分的利用效率，减少径流的形成和流速。植被的根系能够固定土壤，改善土壤结构，从而减少土壤颗粒的流失和相应的营养物质流失。不同类型的植被对径流和沉积物介导的营养流失的影响也存在差异。

灌木由于其密集的树冠覆盖和较厚的枯枝落叶层，能够有效缓解降雨对土壤表面的影响，延迟径流的形成，减少由径流引起的土壤侵蚀，从而减少营养物质的流失。相比之下，草地通常具有较低的地上植被覆盖和较稀疏的枯枝落叶层，因此其对径流的抑制能力有限。然而，草地的根系广泛分布于浅层土壤中，有助于减少沉积物侵蚀，从而减少与沉积物运输相关的营养物质流失。

#### 陡沟坡地的特殊性与研究意义

陡沟坡地是黄土高原地区特有的地形类型，占据了该地区总面积的42%，并且通常位于肩线以下。这些坡地具有较大的坡度、崎岖的地形、稀疏的植被和较高的侵蚀率，不利于土壤中水分和营养物质的储存，因此更容易发生土壤侵蚀。陡沟坡地的沉积物产量占黄土高原总沉积物产量的52-82%，这使得其成为研究土壤营养流失的重要对象。

由于陡沟坡地的地形陡峭，现场试验和采样一直面临挑战。因此，研究其营养流失特征及其影响因素具有重要的科学意义。通过植被恢复，可以有效缓解陡沟坡地的营养流失问题。例如，一项长期的生态恢复项目将16,000平方公里的坡耕地恢复为森林或草地，植被覆盖率提高了25%。研究发现，实施“退耕还林”项目显著减少了土壤营养物质的流失。

#### 研究方法与实验设计

为了评估典型植被群落对陡沟坡地径流和沉积物介导的营养流失的影响，本研究在志房沟小流域设立了七个微型径流样地，包括六个植被群落和一个裸地样地。实验从2021年6月至10月进行，测量了径流、沉积物以及与之相关的碳、氮和磷的流失情况，同时收集了气象数据。

在每个样地中，设置了两个径流样地，总共设立了14个样地。这些样地通过自然降雨进行测量和采样，随后在实验室进行分析。测量的指标包括径流体积（RV）、沉积物产量（SY）以及植被特性（如植被覆盖度（VC）、地上生物量（AGB）、枯枝落叶密度（LD）、枯枝落叶厚度（LT）和根系质量密度（RMD））。此外，还分析了土壤中的总碳（TC）、有机碳（OC）、总氮（TN）和总磷（TP）含量，以及它们对营养流失的影响。

#### 实验结果与分析

实验结果表明，裸地样地的营养流失最为严重，平均通过径流流失的碳、氮和磷分别为128.22 mg、10.05 mg和0.77 mg，通过沉积物流失的碳、氮和磷分别为5947.86 mg、244.39 mg和173.77 mg。相比之下，草地和灌木地的营养流失相对较低，但草地样地的营养流失量略高于灌木样地。具体而言，草地样地的径流碳、氮和磷流失量分别为18.02 mg、3.47 mg和0.16 mg，而灌木样地的径流碳、氮和磷流失量分别为18.02 mg、3.47 mg和0.16 mg，比草地样地低。

在沉积物介导的营养流失方面，草地样地的沉积物碳、氮和磷流失量显著高于灌木样地。例如，草地样地的沉积物碳流失量为1.17倍于灌木样地，沉积物氮和磷的流失量分别为1.23倍和1.58倍。这表明，尽管灌木地在减少径流和沉积物方面效果更佳，但草地在减少与沉积物运输相关的营养流失方面也表现出一定的效果。

降雨特征，特别是降雨量、30分钟和60分钟的最大降雨强度、总降雨动能和降雨侵蚀性，显著促进了径流介导的营养流失。植被显著减少了径流相关的总碳、总氮和总磷的流失，其中对沉积物相关的氮和磷流失的抑制效果更为明显。植被覆盖度、枯枝落叶厚度和根系质量密度是关键的缓解因素。土壤中的总碳、有机碳和总氮通过促进植被生长间接抑制了径流介导的营养流失，而土壤总碳对沉积物营养流失的抑制作用更为显著。

#### 影响因素的分析

通过统计分析，发现降雨特征对营养流失的影响最为显著。降雨量、降雨动能和降雨侵蚀性均与营养流失量呈显著正相关。特别是60分钟的最大降雨强度（I??）与营养流失量的相关性最强，其次是30分钟的最大降雨强度（I??）、15分钟的最大降雨强度（I??）、10分钟的最大降雨强度（I??）和5分钟的最大降雨强度（I?）。这表明，持续时间较长的强降雨更有利于营养物质的迁移。

植被特性对营养流失的影响同样显著。植被覆盖度、枯枝落叶厚度和根系质量密度对营养流失具有显著的负相关关系。植被覆盖度通过拦截降雨、减少雨滴冲击和径流生成，从而限制了营养物质的溶解和流失。枯枝落叶厚度通过增加地表粗糙度、减少径流速度和抑制由径流引起的土壤剥离，进一步减少了营养物质的流失。根系质量密度则通过改善土壤结构和稳定性，减少土壤侵蚀，从而显著降低了营养物质的流失。

土壤营养物质含量通过植被的中介作用间接影响径流介导的营养流失。土壤中较高的总碳、有机碳和总氮含量能够促进植被生长，从而减少径流和营养流失。土壤中的总碳含量对沉积物介导的营养流失具有显著的抑制作用，而土壤中的总氮和总磷含量对沉积物介导的营养流失的影响较小，可能与实验条件的限制有关。

#### 结论与应用前景

本研究通过自然降雨事件，评估了不同植被群落对陡沟坡地营养流失的影响。结果表明，裸地的营养流失最为严重，其次是草地和灌木地。其中，灌木地HR在减少径流和沉积物介导的营养流失方面表现出最佳效果，而草地BI在减少与沉积物运输相关的营养流失方面也具有显著效果。这些结果为黄土高原地区的植被恢复和生态管理提供了科学依据。

降雨特征、植被特性和土壤性质共同影响陡沟坡地的营养流失。通过植被恢复，可以有效缓解营养流失问题，提高土壤的持水能力和侵蚀阻力。此外，土壤中的总碳含量对营养流失的抑制作用尤为显著。这些发现不仅有助于理解陡沟坡地营养流失的动态变化，还为未来的土壤保护和水土保持研究提供了重要的基础。