皖西大别山典型土地利用类型坡面产流产沙与氮磷流失特征

Characteristics of runoff and sediment yield， and nitrogen and phosphorus loss on slopes undergoing typical land-use in Dabie Mountain of western Anhui Province

摘要

目的 探究不同坡度和不同土地利用类型条件下，径流冲刷对坡面产流产沙和氮磷流失的影响，以期为皖西大别山的水土流失治理提供理论支撑。 方法 选取皖西大别山区的安徽省霍山县江子河小流域典型土地利用类型（裸地、草地、茶园、林地和竹林）的15°和20°坡面进行野外原位放水冲刷试验，基于该区域多暴雨的特点，设置冲刷流量为9 L/min，以探究坡面产流产沙和养分流失对土地利用类型和坡度的响应。 结果 ①在放水冲刷过程中，15°坡面产流稳定时，平均产流率表现为：裸地>茶园>草地>林地>竹林，20°坡面产沙率表现为：裸地>草地>茶园>林地>竹林；相较于15°，在20°坡面除裸地产流率有明显增加以外，其余土地利用类型坡面变化不明显；当坡面产沙稳定时，20°坡面产沙率略高于15°坡面，且均表现为：裸地>茶园>草地>竹林>林地； ②20°坡面的TN，TP流失量相较于15°坡面流失量略有增加，在同一坡度条件下，TN，TP流失规律为：茶园>裸地>竹林>草地>林地。 ③整个冲刷过程中，径流对全氮贡献率较高，泥沙对全磷的贡献率相对较高。 结论 在皖西大别山区扩大竹林面积能有效提升水源涵养和水土保持功能，在面源污染防治中，应对茶园进行重点管理，以减少氮磷等养分的流失。

Abstract

Objective The effects of runoff scouring under different slope gradients and land use types on slope runoff， sediment yield， and nitrogen （N） and phosphorus （P） losses were analyzed， in order to provide theoretical support for soil and water conservation in Dabie Mountain region of western Anhui Province， China. Methods Field in situ scouring experiments were conducted on 15º and 20º slopes undergoing typical land-use types （bare land， grassland， tea garden， forest land and bamboo forest） in the Jiangzihe small watershed， Huoshan County， Anhui Province. Considering the frequent heavy rainfall in the region， a scouring flow rate of 9 L/min was applied to analyze the responses of runoff， sediment yield and nutrient losses to land-use types and slope gradients. Results ① During the scouring process， the stabilized average runoff rate on the 15º slopes was in the following order： bare land > tea garden > grassland > forest land > bamboo forest， whereas the sediment yield rate on the 20º slopes were ranked as follows： bare land > grassland > tea garden > forest land > bamboo forest. Compared to the 15º slopes， the runoff rate on the 20º slopes increased significantly only for bare land， with negligible changes in other land-use types. At a stabilized sediment yield， the sediment yield rate of the 20º slopes was slightly higher than that of the 15º slopes， with both exhibiting the following order： bare land > tea garden > grassland > bamboo forest > forest land. ② Total N （TN） and total P （TP） losses on the 20º slopes were marginally higher than those on the 15º slopes. Under the same slope gradient， TN and TP losses showed the following pattern： tea garden > bare land > bamboo forest > grassland > forest land. ③ Throughout the scouring process， runoff predominantly contributed to TN loss， whereas sediment played a more significant role in TP loss. Conclusion Expanding area of bamboo forest cover in the Dabie Mountains of western Anhui Province can effectively enhance water conservation and soil retention. Additionally， tea gardens should be prioritized for non-point source pollution management to mitigate the losses of nutrients， such as N and P.

Graphical abstract

关键词

皖西大别山 / 冲刷试验 / 坡面产流产沙 / 养分流失

Key words

Dabie Mountain / western Anhui Province / scouring test / slope runoff / sediment yield / nutrient loss

文献参数： 张艺， 田昌园， 汪文， 等.皖西大别山典型土地利用类型坡面产流产沙与氮磷流失特征［J］.水土保持通报，2025，45（4）：62-70. Citation:Zhang Yi， Tian Changyuan， Wang Wen， et al. Characteristics of runoff and sediment yield， and nitrogen and phosphorus loss on slopes undergoing typical land-use in Dabie Mountain of western Anhui Province ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（4）：62-70.

水土流失是指土壤及其地表物质在降雨、冻融、风力等外营力作用下，发生位移与再分配的过程^［1］。水土流失过程不仅造成水土资源损失，内含于其中的营养物质也随之发生流动，从而成为面源污染的主要来源^［2-3］，严重威胁着流域生态安全和水源质量。坡面是水土流失发生的基本单元^［4］，探究坡面水土流失过程及其机制对于水土保持和面源污染防控工作具有重要意义。

坡面径流与泥沙在相互作用中加剧了土壤侵蚀的强度^［5-6］，厘清其作用特征与机制是防治坡面水土流失的重要依据。基于此，许多学者针对坡面水沙以及养分输移过程特征及其影响因素进行了广泛研究。在研究方法上面，主要使用野外人工降雨^［7］、室内人工降雨^［8］以及野外冲刷试验等^［9］方法。在影响因素研究中，集中于地形特征^［10］、地表覆盖以及土地利用特征等^［1］方面。在地形特征方面，影响坡面水沙输移过程的主要因素为坡度、坡长和地面起伏情况等；也有研究表明，地表枯落物、植被配置和分布格局^［11］会通过截流、增加入渗等方式影响输移过程；此外，有学者的研究表明，不同土地利用类型的水土流失与养分流失存在显著差异^［12-13］，土地利用方式的改变会通过影响土壤性质以及地表覆盖对坡面水分的入渗和截流特征进而影响着坡面物质流过程^［14］。张华渝等^［15］研究表明，林地的土壤抗蚀性能要优于耕地和裸地。因此，探究不同土地利用方式的土壤侵蚀与养分流失特征对于理解坡面土壤侵蚀和防治有着重要意义。

皖西大别山是长江流域和淮河流域的重要分水岭，该区域由于地形起伏大、土层薄、降雨集中且多暴雨等特点，水土流失严重，不仅导致水土资源的流失，也造成了较为严重的面源污染。目前，针对大别山的水土保持研究多集中于土壤侵蚀的空间评估及其驱动因素^［16］、坡面产流产沙规律^［17-18］和水保措施效益评价等^［19］方面，且研究对象主要针对于林地和农地，较少关注该区域多种土地利用类型。此外，关于坡面养分流失的研究也较少。基于此，本研究通过野外冲刷试验，探究大别山区多个典型土地利用类型坡面在径流冲刷过程中的水沙输移过程以及养分流失特征，旨在揭示土地利用异质性对坡面物质输移的调控机制，从而为该区域坡面水土流失治理和生态环境改善提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

野外冲刷试验地点位于皖西大别山区安徽省霍山县江子河小流域，地理坐标为31°08′31″N，115°59′32″E。该区域属于淮河流域淠河水系，面积9.25 km²，相对高差810 m，平均海拔775 m，沟谷密度663 m/km²，属于亚热带与温带的过渡区，年均气温15 ℃，平均无霜期240 d。年均降水量1 423.3 mm，降水充沛且多暴雨，水土流失情况严重。该区域土壤以黄棕壤为主，主要土地利用类型为林地、耕地、草地、竹林和园地，其中乔木种类主要有松林、杉木，园地多种植茶树、桑树等经济作物，是皖西大别山区用地特征典型代表地区。

1.2 试验方法

1.2.1 径流小区布设

依据研究区典型土地利用坡面实际情况与前期调查，选取草地、竹林、林地、茶园为试验样地，裸地为对照样地，选择15°和20° 2个坡度进行试验，并设置径流小区规格为6 m×1 m，共设置10个试验小区。小区周围使用彩钢瓦围挡，上方设置储水桶、可调节流量阀门、稳流板，下部设置锥形集流出水口，出水口下部放置集流桶（图1）。试验开始前，对不同土地利用类型进行坡面低干扰整理，尽量保持坡面平整且对照组一致，并对坡面土壤进行均匀洒水，直至坡面即将产流为止，待稳定24 h后开始试验，各小区基本特征如表1所示。

1.2.2 冲刷过程与采样

试验于2023年8月在霍山县江子河小流域进行。结合研究区多暴雨的降雨特点，设置冲刷流量为9 L/min。试验开始前，首先调节水泵对放水流量进行控制，待出水量均匀并达到设置冲刷流量后开始试验。自稳流板开始稳定出水后，使用秒表记录出水口的初始产流时间，试验过程中控制流量误差在±5%以内。产流开始后重新开始计时，产流最初6 min，每间隔1.5 min使用取样器收集30 s径流泥沙样品，产流6 min以后，每隔2.5 min收集30 s样品，30 min后停止放水并记录径流结束时间。每次试验进行3次重复。径流泥沙样品采集后立即置于低温冷藏箱中保存，并及时送至实验室测试。

1.3 样品测试

径流量与泥沙量的测定采用天平称量与烘干法；泥沙样品全氮、全磷采用H₂SO₄—H₂O₂消解进行前处理后，使用Smartchem 450全自动化学分析仪测定^［20］；水样中总氮含量采用碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定^［21］，总磷采用钼酸铵分光光度法测定^［22］。

1.4 数据计算

1.4.1 产流产沙率计算

产流率计算公式为

Q_i=\frac{(M_i-m_i)}{\mathrm{1000}\rho AT}（1）

式中：Q_i 为第i次取样时坡面单位时间单位面积上的产流量，即产流率〔L/（min · m²）〕； M_i 为第i次取样中径流泥沙混合物的总质量（g）； m_i 为第i次取样中烘干泥沙质量（g）； ρ为水的密度，取1 g/cm³； A为冲刷小区面积（m²）； T为样品收集时间（min）。

产沙率计算公式为

S_i=\frac{m_i}{AT}（2）

式中：S_i 为第i次取样时坡面单位时间单位面积上的产沙量，即产沙率〔g/（min · m²）〕； m_i 为第i次取样中烘干泥沙质量（g）； A为冲刷小区面积（m²）； T为样品收集时间（min）。

1.4.2 氮、磷流失率计算

氮、磷流失率计算公式为

L_i=\frac{C{q}_i+C{s}_i}{AT}（3）

式中：L_i 为第i次取样时坡面单位时间单位面积上的氮、磷流失量，即氮、磷流失率〔mg/（min · m²）〕； Cq_i 为第i次取样时径流样品中氮、磷质量（mg）； Cs_i 为第i次取样时泥沙样品中氮、磷质量（mg）； A为冲刷小区面积（m²）； T为样品收集时间（min）。

1.5 数据处理与统计分析

使用SPSS 27软件进行数据处理与计算分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）对不同土地利用类型产流产沙和氮、磷流失的差异进行分析，显著性区间定义为95%。使用Origin 2022进行图件绘制。

2 结果与分析

2.1 冲刷过程坡面产流产沙特征

2.1.1 坡面产流特征

当坡面坡度均为15°，不同土地利用类型的产流率趋势均为先迅速增加，再趋于平稳，且同一坡度不同土地利用类型的坡面产流率均有差异（图2）。在产流历时13.5 min之前，竹林产流率较低，其余各土地利用类型差异较小，在13.5 min之后，均趋于稳定，且平稳后的平均产流率表现为：裸地>茶园>草地>林地>竹林，裸地产流率最高可达0.83 L/（min · m^-2）。当坡面坡度均为20°，不同土地利用类型的坡面产流率皆呈缓慢上升趋势，坡面稳定产流率表现为：裸地>草地>茶园>林地>竹林。坡度为20°时，坡面产流率总体较坡度为15°时产流率大。从表2可以看出，草地、竹林、林地和茶园产流稳定时均与裸地有显著差异（p<0.01），茶园和草地之间没有显著差异，但与林地和竹林差异显著（p<0.01）。

2.1.2 坡面产沙特征

在不同坡度不同土地利用类型下坡面产沙率随时间的变化规律如图3所示。可以看出，在15°坡面，不同土地利用类型中，裸地坡面的产沙率最大，远高于草地、茶园、竹林和林地，且呈波动上升趋势，产沙率2.16~6.19 g/（min · m^-2），在18.5 min后产沙率趋于稳定；草地与茶园产沙率，皆呈稳定上升状态，在23.5 min后达到相对稳定；竹林与林地产沙率较小，在0.5 g/（min · m^-2）以下，且变化趋势不明显。坡面稳定产沙率在不同土地利用类型下表现为：裸地>茶园>草地>竹林>林地。在20°坡面中，裸地产沙率较15°坡面略有升高，且远高于其他土地利用类型；草地和茶园产沙率小范围增加；不同坡度下竹林与林地的产沙率没有明显差异。坡面稳定产沙率在不同土地利用类型下表现为：裸地>茶园>草地>竹林>林地。从表2可知，草地、竹林、林地和茶园沙稳定时均与裸地有显著差异（p<0.05），林地和竹林产沙率显著低于茶园和草地（p<0.05）。可以看出，竹林和林地的水土保持效果较好。

2.2 坡面氮、磷流失特征

同一坡度下，不同土地利用类型的氮、磷流失情况如图4所示。15°坡面中，茶园的全氮流失情况最为严重，裸地、草地、林地和竹林的全氮流失率呈现稳定下降趋势，表现为：茶园>裸地>竹林>草地>林地。茶园全磷流失率最高，呈波动下降趋势，其次为裸地全磷流失率，整体呈下降趋势，在6 min后较为稳定；竹林、草地和林地的全磷流失率变化趋势较小，由此可见，草地、林地和竹林土壤养分保持情况较好。

在20°坡面中，茶园的全氮流失率最大，流失率下降趋势明显，其次是裸地和竹林，全氮流失率处于稳定下降状态，林地和草地全氮流失率趋势较为平稳，平均流失率表现为：茶园>裸地>竹林>草地>林地。相对于15°坡面，20°坡面整体的全氮流失率较大，变化趋势更明显。在20°坡面的全磷流失率中，茶园的流失率最大，流失最为严重，呈波动下降趋势，其次是裸地全磷流失率，呈现出稳定下降后再上升的趋势，草地、竹林和林地的全磷流失率较小，而且变化趋势不明显。

对比15°坡面，20°坡面的全磷流失率整体更高。由表3可知，草地、林地和竹林之间的全氮流失率差异不显著（p>0.05），而茶园的全氮和全磷流失率均显著高于其他土地利用类型（p<0.05）。

图5表示整个冲刷过程中不同土地利用类型的全氮和全磷流失量以及径流和泥沙对全氮全磷的贡献。可以看出，在15°和20°坡面中，全氮的总流失量均表现为：茶园>裸地>竹地>林地>草地，其中径流对全氮的贡献率高于泥沙的贡献；15°坡面中，全磷的总流失量表现为茶园>裸地>林地>竹林>草地，20°坡面中，全磷的总流失量表现为：茶园>裸地>草地>林地>竹林，泥沙对全磷的贡献率较高。

3 讨 论

3.1 坡面产流产沙对坡度的响应

在本研究中，20°坡面的各个土地利用类型的产流率均大于15°坡面，这与陈诚等^［23］的研究结果相似，可能是由于随着坡度的增加，径流重力在水流方向上的分力增大，从而使得地表物质对径流的拦截阻力下降，导致径流速度加快，水分下渗减少。有研究表明，在一定坡度内坡面产沙率会随着坡度增加而增大^［24］，这可能与土壤的抗冲性有关。许航等^［25］研究表明，坡度对土壤抗冲性有较大影响，地形坡度增大，径流流速增快，径流对土壤的机械破坏和搬运能力增强，从而在重力作用下，土体颗粒沿坡面向下运动的趋势随坡度增加而增强。但在本研究中，当坡度由15°提升至20°时，除裸地外，其余土地利用类型坡面产沙率变化不明显，这可能是由于在本研究区内，草地、林地、竹林和草地地表覆盖程度较高，地表物质对土壤的固持能力较强所致。

3.2 坡面产流产沙对不同土地利用类型的响应

本研究表明，同坡度的不同土地利用类型坡面产流和产沙率有明显差异，产流和产沙稳定时均表现为裸地>茶园>草地>林地>竹林，这与朱方方等^［26］、张晓艳等^［1］研究结果相似。可能是由于不同土地利用类型对地表土壤和物质影响存在差异造成的。

有研究表明，土地利用类型的不同导致了土壤特性、植被根系和地表覆盖产生差异，这些因素综合影响了土壤的抗冲性。张素等^［27］研究表明，不同的地表覆盖物（如枯枝落叶）通过抵挡径流冲刷，使得土壤抗冲性在同一土地利用类型出现相差几倍、几十倍的情况。植物根系通过对土壤的穿插、缠绕、固结、错固等物理性作用以及通过分泌化学物质来改善土壤的团粒结构，增强土壤抗剪强度以及黏聚力，从而提升土壤的抗冲性^［6-7］。对比之下，裸地坡面由于植被稀少，其地表覆盖物和植被根系量均弱于其他坡面，水流冲刷下渗相对较小，产生径流的速度快。林地和竹林坡面枯枝落叶覆盖度较高，且根系发达，使得其地表有较强的蓄水和阻挡泥沙运移作用。在本研究的冲刷试验中，竹林坡面的产流率和产沙率最小，主要是因为竹林根系较为发达，且细根多，使得土壤下渗能力更强导致的。因此，在皖西大别山区，增加竹林面积可有效提升该区域水源涵养和土壤保持能力。此外，有研究表明，前期含水量也会显著影响坡地水分入渗过程^［28］，前期含水量的增大会促进坡地的产流和产沙。在本研究中，不同土地利用类型间的前期含水量有明显差异（表1），但产流产沙规律却未体现出前期含水量的影响，这说明土地利用类型的差异对产流产沙的影响作用更强。

3.3 坡面氮、磷流失对坡度和土地利用类型的响应

地表径流和侵蚀泥沙是坡面养分流失的主要载体，坡面养分流失过程是表层土壤养分与径流、泥沙相互作用的过程，土壤养分流失量主要受两个方面的影响，一是径流量，二是径流中养分浓度^［29］。在本研究中，坡度对土壤N，P流失的影响主要体现在地表径流量和流速上。20°坡面的各个土地利用类型的氮、磷流失率较15°坡面流失率分别平均增加了12%和33%，这与甘贤民等的研究结果类似^［30］。坡度的增大导致了坡面径流量和流速增大，从而增大了TN和TP的流失量。本研究得出，同坡度不同土地利用类型的氮、磷流失情况不同，表现为茶园径流的氮、磷流失率较高，但草地、林地和竹林坡面流失率较小且差异较为微弱，这与前人的研究结果类似^［30-31］。这可能是由于茶园的施肥和喷洒农药等管理方式所致。草地、林地和竹林覆盖度较高，在一定程度上减轻了土壤侵蚀，导致径流量与侵蚀泥沙量减少，使径流和泥沙携带的氮、磷流失率减少，所以水土流失程度较低，养分保持效果好。因此，在此区域应注重对茶园径流和泥沙的调控管理，以减少区域面源污染。

4 结 论

（1） 冲刷过程中，15°坡面产流稳定时平均产流率表现为：裸地>茶园>草地>林地>竹林，20°坡面产沙率表现为：裸地>草地>茶园>林地>竹林；相较于15°，20°坡面除裸地产流率有明显增加以外，其余土地利用类型坡面变化不明显；当坡面产沙稳定时，20°坡面产沙率略高于15°坡面，且均表现为：裸地>茶园>草地>竹林>林地。

（2） 20°坡面的TN和TP流失量相较于15°坡面略有增加，在同一坡度不同土地利用类型的TN和TP流失规律为：茶园>裸地>竹林>草地>林地。

（3） 整个冲刷过程中，全氮的总流失量表现出：茶园>裸地>竹地>林地>草地的特征，径流对全氮的贡献率高于泥沙的贡献；15°坡面中，全磷的总流失量表现出：茶园>裸地>林地>竹林>草地，20°坡面中，全磷的总流失量表现出：茶园>裸地>草地>林地>竹林的特征，泥沙对全磷的贡献率相对较高。因此，建议在皖西大别山区扩大竹林面积，以提升水源涵养和水土保持功能，在面源污染防治中，应对茶园进行重点管理，以减少氮磷等养分的流失。

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基金资助

国家重点研发计划项目“基于物质流分析的小流域多要素空间格局优化技术”(2022YFF130300204)