不同水保措施下红壤坡地泥沙及氮磷流失对雨型的响应

Response of sediment， nitrogen and phosphorus loss to rainfall patterns under different soil and water conservation measures on red soil slopes

摘要

目的 探究不同保持措施下地表径流泥沙及氮磷流失对雨型的响应机制，优化南方红壤坡地水土保持措施配置，为该区域水土流失治理提供理论依据。 方法 以南方红壤区为研究区域，基于2019—2022年自然降雨数据，采用野外径流小区定位观测试验方法，针对果园清耕对照、植物措施（M₁）、横坡间作（M₂）、顺坡间作（M₃）、梯田工程措施（M₄）、梯田工程+植物措施（M₅）等不同水土保持措施配置，系统分析径流泥沙及氮磷流失对雨型的响应特征。 结果 研究区雨型构成以短历时、大雨强的前峰型（发生频率41.18%）和中历时、中雨强的中峰型（47.06%）为主，长历时、小雨强的后峰型占比最小。植物措施（M₁）与梯田工程+植物措施（M₅）均能显著减少径流泥沙及氮磷流失。前峰型下，M₁径流深、泥沙流失量分别削减61.2%，91.3%，M₅削减58%，94%；中峰型下，二者径流深削减70.6%和54.2%，泥沙量削减80.8%和82.6%；后峰型中，M₁仍削减径流深60.5%和泥沙量74.7%。氮磷流失控制方面，M₁和M₅显著降低了所有雨型下的总磷浓度，其中，前峰型分别削减32.5%和36.1%，M₅对总氮削减达16.3%~21.3%。顺坡间作（M₃）因垄向与坡向一致，前峰型下泥沙量（0.424 kg）和总磷浓度（0.127 mg/L）较CK增加42.3%和53.0%，加剧了侵蚀风险。 结论 南方红壤坡地不同水土保持措施中，植物措施和梯田工程+植物措施通过植被截留与工程截蓄作用，可高效阻控多雨型下的水土流失，在南方红壤坡地水土流失治理应予以重视。

Abstract

Objective The response mechanism of runoff surface sediment and nitrogen and phosphorus loss to rainfall patterns under different holding measure was studied to optimize the scientific configuration of soil and water conservation measures on southern China’s red soil slopes， and provide a theoretical basis for soil and water erosion management in the region. Methods Taking the southern red loam area as the study area， based on natural rainfall data from 2019 to 2022， field runoff plot observations were employed to systematically evaluate differently configured soil and water conservation measures， such as orchard clear-tillage control， planting measures （M₁）， cross-slope intercropping （M₂）， down-slope intercropping （M₃）， terracing plus planting （M₄）， and terracing engineering （M₅）. Soil and water conservation measures were configured to systematically analyze runoff sediment characteristics and nitrogen and phosphorus loss in response to rainfall patterns. Results The composition of rainfall patterns in the study area was dominated by an advanced pattern comprising short-duration， high-intensity rainfall （41.18%） and an intermediate pattern comprising medium-duration， medium-intensity rainfall （47.06%）， while the delayed pattern of long-duration， low-intensity rainfall accounted for the smallest proportion. Both plant measures （M₁） and terracing plus plant measures （M₅） significantly reduced runoff sediment and losses of nitrogen and phosphorus. Under the advanced pattern， runoff depth and sediment loss were reduced by 61.2% and 91.3% for M₁， and by 58% and 94% for M₅； under the intermediate pattern， runoff depth was reduced by 70.6% and 54.2%， and the amount of sediment was reduced by 80.8% and 82.6%； under the delayed pattern， runoff depth was still reduced by 60.5% and the amount of sediment was reduced by 74.7% for M₁. In terms of controlling nitrogen and phosphorus loss， M₁ and M₅ significantly reduced total phosphorus concentration under all rainfall patterns， with 32.5% and 36.1% reductions in the advanced pattern， and M₅ reduced total nitrogen by 16.3%—21.3%. Downslope intercropping （M₃） increased the amount of sediment （0.424 kg） and total phosphorus concentration （0.127 mg/L） by 42.3% and 53.0%， respectively， under the advanced pattern when compared to CK， because the erosion risk was exacerbated by the matching ridge and slope orientations. Conclusion Among different soil and water conservation measures for southern China’s red soil slopes， plant measures and also terraced field projects combined with plant measures， can effectively prevent and control soil erosion under rainy conditions through engineering and the interception and storage of vegetation. Therefore， these measures should be given due attention in soil erosion control on these slopes.

Graphical abstract

关键词

雨型 / 产流产沙 / 氮、磷流失 / 水土保持措施

Key words

rainfall patterns / runoff sediment / nitrogen and phosphorus loss / soil and water conservation measures

文献参数： 梁媛， 陈晓安， 伍冰晨， 等.不同水保措施下红壤坡地泥沙及氮磷流失对雨型的响应［J］.水土保持通报，2025，45（4）：10-18. Citation:Liang Yuan， Chen Xiaoan， Wu Bingchen， et al. Response of sediment， nitrogen and phosphorus loss to rainfall patterns under different soil and water conservation measures on red soil slopes ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（4）：10-18.

中国南方红壤坡地因土质黏重、保肥能力弱，叠加集中暴雨和地形起伏因素，开发后易导致地表裸露和水土流失^［1］。降雨特征作为影响坡面水土流失的关键因素^［2］，其雨型特征综合反映降雨的特性^［3］，对产流产沙的影响显著，但相关研究中雨型分类方法存在差异。自然降雨研究中，基于聚类分析方法的雨型划分存在争议，秦伟等^［4］、Liu Y等^［5］认为短历时、大雨强、小雨量是南方红壤区典型侵蚀雨型，而王赫等^［6］却得出小雨强、小雨量雨型对产流产沙贡献更大的结论，表明传统聚类方法在红壤区的适用性存在局限，难以准确反映降雨过程^［7］。人工模拟降雨试验则侧重雨强时序分配，不同研究者^{［8- 10］}针对不同地区划分多种雨型，如增强型、减弱型、均值型等，发现同一雨强的时序差异会影响侵蚀程度。但其固定强度梯度与自然降雨的随机特性存在本质差异。因此，深入探究自然降雨雨型对红壤区产流产沙及氮磷流失的影响机制，对理解该区域水土流失过程至关重要。

针对红壤坡地特殊侵蚀环境，水土保持措施通过改变地表覆盖、入渗及地表径流等影响坡面产流产沙特征^［11］，现有措施体系主要涵盖植被、工程和耕作三大类型。植被措施通过冠层截留和根系固土实现减流抑沙，工程措施借助梯田、反坡台阶等地形改造拦截泥沙并降低侵蚀动力^［12-13］，耕作措施利用横坡垄作配合秸秆覆盖同步削减径流及氮磷^［14］。不同措施对养分流失形态存在差异化调控，植被措施更有效控制溶解态氮磷浓度，而工程措施对颗粒态养分的截留优势显著。然而现有研究对过程雨型与水保措施的协同作用机制仍缺乏系统解析，特别是雨强时序变化与措施的相互作用亟待阐明。

依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），总氮（TN）与总磷（TP）是地表水污染监测中的常用指标，能综合反映水体中各形态氮、磷总量，是衡量水体富营养化的关键指标，对评估地表水污染、防治富营养化至关重要^［15-16］。研究表明，降雨雨型通过调控径流动力过程显著影响氮磷流失特征^［17］，水土保持措施则通过改变地表微环境实现差异化调控^［11］。尽管已有研究建立了雨强-产沙-养分的统计关系，但关于自然降雨过程对氮磷流失的影响仍存在认知缺口。

鉴于此，本研究依托南方红壤区长期定位观测径流小区，以自然降雨过程数据为基础，研究不同水土保持措施条件下径流泥沙及氮磷流失对雨型的响应，揭示降雨过程和下垫面条件对红壤区土壤侵蚀的影响，为该地区径流泥沙与养分流失问题的解决提供理论支撑与实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江西省德安县水土保持生态科技园内（115°42′38″—115°43′06″E，29°16′37″—29°17′40″N），该区域属亚热带季风气候区，降水季节分配不均，年平均降水量1 469 mm，其中70%以上发生在4—9月。年平均气温16.7 ℃，年日照时数1 700~2 100 h，无霜期245~260 d。

园内地带性植被为亚热带常绿阔叶林，地貌类型为浅丘岗地，海拔高度30~100 m，坡度多在5°~25°。园区土壤主要为第四纪红黏土发育的土壤，土层平均厚度60—100 cm。园区位于中国红壤的中心区域，属全国土壤侵蚀二级类型区的南方红壤区，土壤、地形条件具有典型代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

本研究的试验观测径流小区为6个坡度12°的标准径流小区，分别设置5个不同水土保持措施处理和1个清耕对照（表1），观测单场降雨下6个小区的径流泥沙以及氮磷流失量。

黄豆于5—6月种植，9—10月收获；萝卜通常于6月收获，待10月割黄豆后再次种植。施肥时，各试验小区施肥量相同，均参照当地常规施肥量。每区施钙镁磷肥（含磷）1 kg，进口复合肥（含氮等）1.5 kg，以确保施肥量既保持一致又符合当地常规标准。

1.2.2 雨型划分方法

参考Wang Wenting等^［18］的雨型分类方法，对降雨数据进行标准化处理，具体步骤为以累积降雨历时（t， t=1，2…T）除以总历时（T）作为横坐标，以累积降雨量（P_t ）除以总降雨量（P）作为纵坐标，得到标准化的累积降雨过程曲线，根据降雨量的集中出现时间——前1/3，中间1/3，后1/3位置处，将降雨过程分为前峰型、中峰型、后峰型。

1.3 数据处理与分析

（1） 降雨数据。通过科技园气象观测场内安装的自记雨量计进行测定，每隔5 min自动记录降雨量、降雨历时、30 min最大降雨强度等降雨变量。于2019—2022年共观测到降雨149场，其中产生径流泥沙的侵蚀性降雨共105场。为确保分析的科学性与数据完整性，后续依据降雨历时、降雨量、雨型以及氮磷数据完备性等要素进行严格筛选，最终确定51场降雨用于径流泥沙及氮磷流失特征的精准分析。

通过对4 a的降雨事件与历史降雨的丰枯分类进行分析^［19-20］，发现2019年（年降雨量1 207.7 mm）和2022年（年降雨量1 123.6 mm）为枯水年的代表年份，2021年（年降雨量1 401.1 mm）为平水年的代表性年份，2020年（年降雨量1 851.1 mm）为丰水年的代表性年份，涵盖了丰、平、枯降雨年份，能够代表试验区不同年份的降雨特征。

（2） 径流泥沙和氮磷数据。本研究通过径流小区开展产流产沙观测，获取单场降雨的产流量和产沙量，并进一步计算径流深。各小区产流后，将径流池内径流搅拌均匀并取浑水样，用于测定总氮、总磷浓度（mg/L）。其中，总氮浓度采用盐酸萘乙二胺分光光度法（HJ 667—2013）测定，总磷浓度采用钼酸铵分光光度法（HJ 671—2013）测定。所有数据采用Excel 2019进行整理分析，利用Origin 2022进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 雨型划分及其特征

图1展示了德安县水土保持生态园内3种不同雨型的无量纲降雨变化过程。由图1可知，前峰型在降雨前1/3时段的斜率呈现出陡升状态，累积降雨超过总降雨量的40%。中峰型在中间1/3时段的斜率呈现出陡升状态，总降雨量的40%集中在该时段内。后峰型在后1/3时段的斜率呈现出陡升状态，总降雨量的40%集中在该时段内。

对不同雨型的降雨特征值，包括降雨量、降雨历时、I₃₀等进行分析，结果表明（表2），不同雨型的发生频率存在显著差异，前峰型降雨发生21场，占比41.18%；中峰型发生24场，占比47.06%；后峰型发生6场。占比11.76%，表明研究区降雨以前峰型和中峰型为主，后峰型相对较少。

研究结果表明，前峰型降雨历时最小值为75.0 min，最大值达1 710.0 min，平均值为710.1 min，持续时间差异显著。中峰型降雨历时最小值为45.0 min，最大值为2 630.0 min，平均值为892.4 min，变动范围大，与前峰型相近但分布不同。后峰型降雨的降雨历时相对集中，平均时长910.8 min，相对集中且整体长于前两者。

降雨量方面，前峰型最小值为8.8 mm，最大值为109.1 mm，平均37.2 mm，分布分散，场次间变化明显。中峰型降雨量范围从8.6 mm至84.5 mm，整体平均降雨量低于前峰型，场次差异亦大。后峰型降雨量在14.0~34.0 mm之间，平均水平最低。

前峰型降雨的短历时波动剧烈，I₃₀平均为25.2 mm/h；中峰型降雨最小值为4.0 mm/h，最大值为38.6 mm/h，平均为16.5 mm/h，短历时降雨强度平均水平略低且波动范围大；后峰型的短历时降雨强度平均水平低于前峰型和中峰型，且波动范围相对较小，整体强度相对较弱。

因此，红壤坡地不同雨型特征差异显著，前峰型降雨呈现短历时、大雨强和相对高频的特点；中峰型降雨表现为中历时、中雨强和高频的特性；后峰型降雨则体现出中长历时、小雨强和低频的特征。

2.2 雨型和水土保持措施对径流、泥沙的影响

由图2及表3可知，不同雨型下各水土保持措施对径流深和泥沙流失量的影响差异显著。在前峰型雨型下，无措施对照（CK）径流深 2.78 mm，泥沙流失量0.298 kg。植被措施（M₁）通过增强地表覆盖与入渗，径流深降至1.08 mm，削减幅度达61.2%，泥沙流失量减至0.026 kg，削减幅度高达91.3%，控沙效果突出；顺坡间作（M₃）因垄向与坡向一致，泥沙流失量反升至0.424 kg，高于CK。梯田工程与植被结合措施（M₅）凭借地形改造与植被缓冲，径流深削减58%至1.17 mm，泥沙流失量仅0.018 kg，综合效益仅次于M₁。

中峰型雨型下，CK径流深1.77 mm、泥沙流失量0.100 4 kg。M₁径流深削减70.6%，泥沙流失量为0.019 3 kg；M₅通过工程拦蓄与植被滞流，径流深削减54.2%，泥沙流失量0.017 5 kg，削减幅度82.6%。前峰型和中峰型这两种雨型对中强度集中降雨调控效果显著。

后峰型雨型下，CK径流深0.76 mm，泥沙流失量0.009 9 kg。M₁仍表现最优，径流深削减60.5%，泥沙流失量0.002 5 kg，较CK低74.7%；M₅通过梯田减缓流速与植被吸附泥沙，径流深削减38.2%，泥沙流失量0.008 8 kg，削减幅度11.1%，虽随雨强减弱削减幅度降低，但仍优于其他单一措施。

综上所述，植物措施（M₁）和梯田工程+植物措施（M₅）在不同雨型下对径流深和泥沙流失量的削减效果优异，尤其在控制泥沙流失方面更为突出；M₃在前峰型雨型下效果较差，甚至加剧泥沙流失。

2.3 雨型和水土保持措施对氮磷流失的影响

图3展示了不同雨型各水保措施下总氮、总磷浓度的差异。结合表4可知，前峰型雨型中，CK总氮浓度1.052 mg/L，总磷0.083 mg/L。M₁总氮含量0.924 mg/L，较CK低11.9%，总磷浓度较CK低32.5%；M₅总氮含量0.881 mg/L，较CK低16.3%，总磷含量0.053 mg/L，较CK低36.1%。而横坡间作（M₂）总氮含量1.132 mg/L，顺坡间作（M₃）总氮含量1.214 mg/L且总磷含量0.127 mg/L，均高于CK，表明其氮磷流失加剧。

中峰型雨型时，CK总氮为1.099 mg/L，总磷为0.076 mg/L。M₁总氮为0.997 mg/L，较CK低9.3%，总磷0.049 mg/L，较CK低35.5%；M₅总氮0.990 mg/L，较CK低10.0%，总磷含量0.048 mg/L，较CK低36.8%。而M₃总氮为1.221 mg/L，总磷为0.106 mg/L，仍高于CK。后峰型雨型时，CK总氮为0.745 mg/L，总磷为 0.056 mg/L。M₁总氮为0.678 mg/L，较CK低8.9%，总磷为0.033 mg/L，较CK低41.1%；M₅总氮为0.586 mg/L，较CK低21.3%，总磷为0.044 mg/L，较CK低21.4%。表4表明，M₁和 M₅的总氮、总磷浓度较低，均值和中位线明显低于 CK，表明其对氮磷流失的控制效果突出。

整体而言，植物措施（M₁）和梯田工程+植物措施（M₅）对氮磷流失削减显著，尤其 M₁对总磷控制效果更佳；横坡间作（M₂）、顺坡间作（M₃）在部分雨型下加剧氮磷流失，顺坡间作（M₃）总磷流失更严重；不同雨型中，后峰型下 M₁对总磷减小最显著，前峰型下 M₅对总氮流失削减较好。

3 讨 论

3.1 雨型对径流泥沙和氮磷流失的影响

本研究分析了不同雨型的影响特征与红壤坡地径流泥沙与氮磷流失对其的响应特征。前峰型降雨（短历时、大雨强）作为主导雨型，其初期高强度降雨导致表层土壤空隙快速封闭，形成超渗产流主导模式^［21］。雨滴动能对土壤团聚体的物理击溅作用，结合红壤黏粒含量高、渗透率低的特性^［22］，共同加剧了地表径流泥沙及氮磷流失。这与Dunkerley D^［8］提出的“雨强阈值效应”理论相符。中峰型降雨（中历时、中雨强）前期缓渗阶段（约占总历时1/3），使土壤有一定入渗，中期雨强增大后土壤入渗能力下降，部分雨水转为径流，其径流量、泥沙及氮磷流失较前峰型略少。后峰型降雨（长历时、小雨强）因前期土壤水分饱和形成的蓄满产流机制^［23］，使得总侵蚀量较低。研究量化了红壤区自然降雨过程对径流泥沙及氮磷流失的影响，弥补了人工模拟降雨试验的不足。

3.2 水土保持措施对径流泥沙和氮磷流失的影响

不同下垫面处理所形成的近地表微环境对产流产沙过程影响显著^［24］。植物措施（M₁）的高效性源于冠层截留、降低雨滴动能以及根系网络增强土壤抗剪强度^［25］，使得径流流速降低。这种上层植被拦截雨水、中层根系加固土壤、下层地表阻滞径流的协同作用，使M₁在各雨型下径流削减率稳定在52%~70.6%，显著优于单一工程措施。

需说明的是，各小区施肥量一致且均依当地常规量，对照区与措施处理小区无施肥差异，排除该因素对结果的干扰。梯田工程+植物措施（M₅）通过水平梯田将坡长有效切割，使径流动能衰减率提升；梯壁百喜草形成生物护坡层，减少坍塌风险；前埂后沟系统可截留泥沙，降低后续输沙能力^［12］。

顺坡间作（M₃）暴露其在生态效益方面的不足。本研究显示，顺坡间作虽与横坡间作（M₂）同属林—农型耕作措施，但因垄向与坡向平行^［26］，导致雨季径流路径与坡长方向完全一致，显著加剧了地表径流的汇集与冲刷。

相较之下，横坡间作（M₂）因垄台垂直于坡向，可通过垄体形成地形阻碍，拦截部分径流并延长入渗时间^［15］，然而，横坡间作在中峰型和后峰型雨型下的径流泥沙氮磷浓度仍高于对照，反映出耕作措施对红壤养分流失的调控存在局限性——尽管垄作可减少泥沙迁移，但间作作物的频繁翻耕破坏了地表植被覆盖，反而增加了氮磷的暴露风险。

3.3 雨型与水土保持措施对径流泥沙、氮磷流失的影响

本研究揭示了红壤坡地雨型特征与水土保持措施效能的相互作用机制，凸显了植物措施（M₁）和梯田工程+植物措施（M₅）在不同雨型下的调控优势。

在前峰型雨型（短历时、大雨强）中，高强度降雨形成的强大雨滴动能迅速破坏红壤松散结构，导致孔隙堵塞，入渗率骤降，60%以上雨水转化为地表径流，成为产流产沙的主要诱因^［23］。数据显示，对照小区（CK）径流深达2.78 mm，泥沙流失量0.298 kg，而 M₁通过植被冠层截留（减少雨滴击溅）和根系固土使径流深和泥沙流失量分别减小61.2%和 91.3%；M₅借助梯田地形减缓流速、梯壁植草增强糙率的双重作用，显著降低了径流深和泥沙流失量。单一梯田工程（M₄）因缺乏植被覆盖，仅能拦截部分泥沙（0.084 kg），但径流调控效果弱（2.11 mm），凸显工程与植被措施协同的必要性。

氮磷流失与雨型密切相关，坡面氮磷流失与降雨量及雨强呈显著相关^［17］。前峰型雨强驱动下，红壤表层黏土颗粒随径流迁移。M₁的地表覆盖可促进土壤团粒结构形成，改善土壤入渗，减少氮素淋失及地表径流中的氮向土壤转移^［27］，减少泥沙吸附态养分流失（总磷浓度减小32.5%）。M₅通过减小坡地长度和陡度，降低流速，增加梯田导水率等截留养分（总氮浓度削减16.3%）。中峰型雨型中，M₁和M₅对氮磷的控制优势显著，总氮浓度分别降至 0.997， 0.990 mg/L，得益于植被根系吸收与土壤团粒结构对硝态氮的固持。后峰型雨型虽侵蚀动力较弱，但 M₁凭借高植被覆盖率减少养分流失^［28］。

耕作措施（M₂，M₃）的失效本质是措施设计与雨型特征的错配。顺坡间作（M₃）因垄向与坡向平行，形成“径流加速通道”，前峰型雨型下泥沙流失量反超对照42.3%；横坡间作（M₂）虽通过垄台拦截部分径流，但频繁耕作破坏地表结皮，中峰型雨型下总氮浓度（1.185 mg/L）仍高于对照，反映出单一耕作措施在红壤区的应用局限。研究结果为红壤区水土保持治理提供了依据，对解决该区域生态保护与农业生产协调发展的关键问题具有重要指导意义。

4 结 论

（1） 红壤坡地雨型构成以短历时大雨强的前峰型和中历时中雨强的中峰型为主，长历时小雨强的后峰型较少。

（2） 植物措施（M₁：三叶草、紫云英带状覆盖）对不同雨型下水土流失及氮磷流失效益最优，通过根系固土与植物截留的协同作用，实现径流削减60.5%、泥沙控制74.7%；而梯田工程+植物措施（M₅：前埂后沟+梯壁植草水平梯田）则通过地形改造与植被覆盖的工程-生物协同，在保持相同试验坡度条件下，径流控制率较M₁降低22.4%，但仍能同步削减9.9%总氮和21.4%总磷，且二者防控效果均显著优于单一措施。

（3） 水土保持措施效果与雨型特征密切相关。前峰型降雨时，M₁凭借植被冠层截留及根系固土抑制超渗产流，M₅依托梯田工程与梯壁植草达成工程拦蓄与植被缓冲协同控蚀；中峰型雨型中，M₁通过延长入渗，M₅借助地形滞流减少侵蚀；后峰型雨型下，M₁可拦截养分，M₅能稳定径流。研究明确了措施对雨型的响应差异，为红壤区水土流失治理提供了科学依据。

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基金资助

江西省水利厅科技项目“红壤丘陵区果园多尺度氮磷迁移转化及防控技术研究”(202224ZDKT12)

“红壤区小流域水土保持监测技术规范—水文泥沙监测技术规范”(202425BZKT01)

江西省技术创新引导类计划项目(2023KSG01002)

江西省技术创新引导类计划项目(20212AEI91011)