不同降雨类型对红壤坡耕地产流产沙及氮磷养分流失的影响

Effects of different rainfall types on runoff， sediment yield， and nitrogen and phosphorus nutrient loss in red soil slope farmland

摘要

目的 开展不同降雨类型下地表产流产沙与氮磷养分流失的试验研究，为南方红壤区坡耕地水土及养分流失的防治提供理论依据。 方法 以江西水土保持生态科技园内典型红壤坡耕地为研究对象，针对夏花生—冬油菜轮作的试验区，采用K-means聚类分析法，分析了不同降雨类型对产流产沙及氮磷养分流失的驱动效应。 结果 （1） 试验期降雨划分为雨型Ⅰ（小雨量、短历时、高雨强）、雨型Ⅱ（中雨量、中历时、中雨强）和雨型Ⅲ（大雨量、长历时、低雨强），雨型Ⅰ发生频率最高，为45.10%，雨型Ⅱ累积降雨量最大，占总降雨量的34.27%。（2） 雨型Ⅰ的产流、产沙贡献率最高，分别为48.96%，60.78%；雨型Ⅱ产流、产沙贡献率分别为39.38%和36.10%；雨型Ⅲ产流和产沙贡献率均较低；在地表径流量相同情况下，雨型Ⅰ的土壤流失量分别是雨型Ⅱ和雨型Ⅲ的2.12倍和4.68倍。（3） 雨型Ⅰ对氮磷流失总量的贡献率为41.67%~64.94%，是雨型Ⅱ的1.02~3.50倍、雨型Ⅲ的2.40~4.0倍；雨型Ⅰ的氮磷养分场均流失量为0.14~2.75 kg/km²，比雨型Ⅱ的分别高2.06%~56.0%，250.0%~366.67%，比雨型Ⅲ的分别高141.46%~225.0%，222.22%~314.29%。 结论 雨型Ⅰ发生频率最高，达到45.1%，对地表径流和土壤流失的贡献率最高，分别为48.96%和60.78%，是红壤坡耕地水土流失和氮磷养分流失的主导因素。

Abstract

Objective This study conducts experimental research on surface runoff， sediment yield， and nitrogen and phosphorus nutrient loss under different rainfall types， thereby providing a theoretical basis for the prevention and control of soil， water， and nutrient losses from slope farmland in the red soil regions of southern China. Methods Taking typical red soil slope farmland in the Jiangxi Soil and Water Conservation Ecological Science and Technology Park as the study site， this study focused on the experimental area under a summer peanut-winter rapeseed rotation， and employed K-means clustering analysis to analyze the driving effects of different rainfall types on runoff， sediment yield， and nitrogen and phosphorus nutrient loss. Results （1） During the experimental period， rainfall was classified into Type I （low rainfall， short duration， high intensity）， Type Ⅱ（moderate rainfall， moderate duration， moderate intensity）， and Type Ⅲ （high rainfall， long duration， low intensity）. Type Ⅰ had the highest frequency of occurrence at 45.10%， while Type Ⅱ had the largest cumulative rainfall amount， accounting for 34.27% of the total rainfall. （2） Type Ⅰ had the highest runoff and sediment contribution rates， which were 48.96% and 60.78%， respectively. Type Ⅱ had runoff and sediment contribution rates of 39.38% and 36.10%， respectively. Type Ⅲ had relatively low contribution rates to both runoff and sediment yield. Under the same surface runoff amount， the soil loss under Type Ⅰ was 2.12 times and 4.68 times that of Type Ⅱ and Type Ⅲ， respectively. （3） The contribution rate of Type Ⅰ to the total nitrogen and phosphorus loss ranged from 41.67% to 64.94%， which was 1.02 to 3.50 times that of Type Ⅱ and 2.40 to 4.0 times that of Type Ⅲ. The event-based average losses of nitrogen and phosphorus nutrients under Type Ⅰ were 0.14 to 2.75 kg/km²， which were 2.06% to 56.0% and 250.0% to 366.67% higher than those under Type Ⅱ， respectively， and 141.46% to 225.0% and 222.22% to 314.29% higher than those under Type Ⅲ， respectively. Conclusion Type Ⅰ has the highest occurrence frequency， reaching 45.1%， and exhibits the highest contribution rates to surface runoff and soil loss， accounting for 48.96% and 60.78%， respectively. It is the dominant factor in soil erosion and nitrogen and phosphorus nutrient loss in red soil slope farmland.

Graphical abstract

关键词

氮磷流失 / 降雨类型 / 地表径流深 / 土壤流失量 / 红壤坡耕地

Key words

nitrogen and phosphorus loss / rainfall type / depth of surface runoff / amount of soil loss / red soil slope farmland

南方红壤坡耕地是我国重要的农业生产资源，对保障粮食安全、推动我国农业可持续发展具有重要作用。然而，该区域坡面水土流失仍部分处于中度和强度状态，每年土壤流失厚度达3.7~5.9 mm^［1］，且伴随水土流失的氮磷养分流失已成为南方流域农业面源污染的重要来源，对区域水环境安全构成严重威胁^［2］。降雨作为驱动坡面产流产沙的关键因子，其降雨量、雨强及降雨历时等特征深刻影响着径流与泥沙的形成、运移过程以及养分流失规律^［3-5］。大量研究表明，不同降雨类型对红壤坡耕地产流产沙与氮磷流失的影响存在显著差异，深入研究不同降雨类型的作用机制，对于布设针对性的水土保持措施至关重要^［6-8］。

已有诸多学者围绕降雨与坡耕地水土及养分流失的关系开展了丰富的研究。Yan等^［9］采用模拟降雨的方法对中国西南喀斯特地区的研究表明，降雨强度是影响径流与泥沙最重要的因素；Gedle等^［10］在埃塞俄比亚的研究表明，与中等强度降雨相比，高等强度降雨使地表径流增加159%；李建明等^［3］对三峡库区紫色土坡耕地产流产沙的研究发现，小雨量、短历时、大雨强的降雨类型对坡面产流和产沙的贡献均值分别为48.19%和81.82%；王小博等^［4］对武汉市蔡甸区西湖流域径流小区的研究表明，果林地由中雨量、弱雨强、长历时、高频次与大雨量、强雨强、中等历时、低频次两种降雨类型引起的坡面径流量与土壤侵蚀量占总量的78.7%~82.4%；孙理阳等^［5］对北京山区采取不同水土保持措施的径流小区在不同降雨类型下水土流失及氮磷流失进行研究，发现在超长历时、超高雨量、中高雨强雨型下坡面产流量、产沙量、氮磷流失量最大，同时证实了水土保持措施在削减坡面产流产沙和养分流失方面的显著效果，对产流量、产沙量削减的贡献率分别为50.0%，94.9%，对总氮、总磷削减的贡献率分别为78.1%，66.5%。

江西省属南方红壤区，位于亚热带湿润季风气候区，降雨丰沛且集中，4—9月高强度降雨事件频发，红壤抗蚀抗冲性差，同时在频繁耕作扰动和化肥施用的双重作用下，极易导致严重的水土流失和氮磷养分流失风险^［11-12］。然而，针对江西省典型轮作种植模式下的红壤坡耕地水土流失原位观测较少，不同降雨类型对产流产沙及氮磷养分流失的影响尚不清楚。

基于此，本文以江西水土保持生态科技园红壤坡耕地为试验区，选取江西省乃至南方红壤区具有代表性的夏花生—冬油菜轮作种植模式，开展不同降雨类型下地表产流产沙与氮磷养分流失的试验研究，旨在为南方红壤区坡耕地水土及养分流失的防治提供理论依据。

1 试验区概况

试验区位于江西省九江市德安县的江西水土保持生态科技园（东经115°42′38″—115°43′13″，北纬29°16′38″—29°17′24″），年均降水量1 436.8 mm，年均气温16.7 ℃，无霜期249 d，年日照时数1 650~2 100 h。地貌以低丘缓坡为主，地表坡度多在5°~25°。原生植被属亚热带常绿阔叶林，成土母质为第四纪红黏土，土壤以红壤为主，是我国红壤核心分布区。试验前，试验区土壤的基本理化性质：pH为4.62~4.97，有机质质量分数7.80 g/kg，全氮质量分数0.59 g/kg，全磷质量分数0.32 g/kg，全钾质量分数19.07 g/kg^［13-14］。

2 试验设计与研究方法

2.1 试验设计

试验小区于2014年建成，坡度为10°，小区规格为长45 m×宽40 m（投影面积），种植制度是夏花生—冬油菜轮作。从坡上至坡下，每隔一定距离沿等高线布设1条山边沟（共3条），并沿每条山边沟水平方向种植黄花菜植物篱（图1）。

试验中所用的量水设备采用直径1 m、高1.2 m的圆柱形圆桶（加盖）作为分流箱、集流桶，分流箱采用9孔分流。

花生和油菜种植、收获、施肥及管理情况参照当地农民习惯进行。花生于5月上旬种植，先撒施磷肥7.5 kg/100 m²，复合肥3.75 kg/100 m²，再翻耕土壤20 cm；然后平整地面，再横坡开沟种植，沟与沟间距25—30 cm，沟内点穴播种，每穴3粒，株距20 cm；花生品种为白沙9018，8月下旬收获并计产。

油菜于9月中旬种植，先撒施复合肥5.25 kg/100 m²，尿素0.45 kg/100 m²，硼肥150 g/100 m²作基肥翻耕土壤中，然后平整地面再横坡开沟播种，沟与沟间距30 cm，最后覆土盖籽，12月上旬按0.75 kg/100 m²追施尿素提苗、壮苗；油菜品种为庆油8号，次年5月上旬收获并计产。

2.2 试验观测

试验于2023年5月—2024年9月进行，在观测场次降雨地表径流、土壤流失的同时，观测氮素、磷素随地表径流的流失情况。

（1） 产流产沙观测

按照水利部水土保持监测中心编著的《径流小区和小流域水土保持监测手册》，进行逐场次降雨的试验观测与样品采集。

具体操作步骤：采用体积法观测地表径流量，即先记录圆桶的水深，由预先率定的公式计算得到地表径流量；然后将圆桶中水充分搅拌均匀后，迅速取500 ml至铝盒，采用烘干法测定径流含沙量，进而计算悬移质泥沙量。最后将圆桶中水放干，收集圆桶底部的泥沙量，即为推移质泥沙量。

（2） 氮、磷含量测定

每次产流结束后，待各圆桶中的水静置4 h后取500 ml清水样，现场加1滴浓硫酸固定后立即带回实验室放入4 ℃冰箱保存，经0.45 μm滤膜过滤后，在72 h内分析完毕。参考《环境分析法》《土壤农业化学分析方法》检测样品的溶解态总氮、铵态氮、硝态氮、可溶性氮、可溶性磷及溶解态总磷等的含量。采用碱性过硫酸钾消解—紫外光度法测定溶解态总氮和可溶性氮，水杨酸分光光度法测定铵态氮，硫酸肼法测定硝态氮，钼酸铵分光光度法测定可溶性磷和溶解态总磷。

2.3 数据处理

（1） 产流产沙指标

地表径流深计算公式为：

R=\mathrm{1000}V/A（1）

式中：R为地表径流深（mm）；V为地表径流体积（m³）；A为小区面积（m²）。

土壤流失量计算公式为：

E=\mathrm{1000}VC/A（2）

式中：E为土壤流失量（t/km²）；V为地表径流体积（m³）；C为径流含沙量（kg/m³）；A为小区面积（m²）。

不同雨型下地表径流深、土壤流失量以及氮磷流失贡献率计算公式为：

I=\frac{R_i(E_i)(N_i\mathrm{或}{P}_i)}{R(E)(N\mathrm{或}P)}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：I为贡献率；R为地表径流深（mm）；E为土壤流失量（t/km²）；N， P为氮、磷素流失量；i为不同雨型。

（2） 降雨划分聚类分析

采用K-means聚类分析法对侵蚀性降雨进行划分。该方法是一种广泛使用的聚类算法，它的目标是将数据集划分为K个簇，使得簇内的数据点尽可能相似，而簇间的数据点尽可能不同。能客观反映样本间在多维指标上的相似性，结果直观，便于解释与分类；分类标准基于实际数据分布，避免人为阈值划分的主观性。其中K值运用肘部法则确定。

同时，采用Office Excel 2019和SPSS 16.0软件进行数据分析，使用Origin 2024软件和Pycharm软件进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 降雨类型的划分及其基本特征

试验期间，收集到产流产沙的降雨场次共51场，总降雨量为1 441.90 mm。本文在前人的研究基础之上^［3，5］，以降雨量、雨强、降雨历时3个指标作为降雨划分的依据，利用SPSS对51场降雨数据进行K-means聚类分析，运用肘部法则确定K值为3，遂将雨型划分为3种，不同降雨类型特征见表1。

由表1可知，试验期间，以小雨量、短历时、高雨强的雨型Ⅰ为主，发生频率最高，为45.10%，场均降雨强度最大，达4.06 mm/h，降雨量占比为33.61%；中雨量、中历时、中雨强的雨型Ⅱ和大雨量、长历时、低雨强的雨型Ⅲ发生频率分别为37.25%，17.65%，场均降雨强度分别为1.40 mm/h，1.25 mm/h。但雨型Ⅲ以17.65%的占比贡献32.12%的降雨量，雨型Ⅰ的降雨强度远超雨型Ⅱ和雨型Ⅲ，分别为雨型Ⅱ和雨型Ⅲ的2.9倍和3.2倍，是试验区的主要雨型。

3.2 不同雨型对坡面产流、产沙的影响

由表2可知，不同雨型对坡面产流、产沙的贡献率存在显著差异。雨型Ⅰ的产流贡献率最高，达48.96%，产沙贡献率达60.78%，表明该雨型下土壤侵蚀更为剧烈；雨型Ⅱ的产流、产沙贡献率分别为39.38%和36.10%；雨型Ⅲ的产流、产沙贡献率均较低，分别为11.66%，3.12%。从3种雨型的场均产流、产沙来看，同样表现为雨型Ⅰ>雨型Ⅱ>雨型Ⅲ。

由图2可知，雨型Ⅰ、雨型Ⅱ、雨型Ⅲ的坡面地表径流深与土壤流失量线性拟合决定系数分别为0.73，0.56，0.83，在地表径流深相同的情况下，雨型Ⅰ的土壤流失量是雨型Ⅱ和雨型Ⅲ的2.12，4.68倍，表现为雨型Ⅰ>雨型Ⅱ>雨型Ⅲ，凸显高强度降雨对土壤剥离能力的显著增强效应。

3.3 不同雨型对氮、磷养分流失的影响

由图3可知，雨型Ⅰ对溶解态总氮流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出11.45，32.97个百分点，对铵态氮流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出18.49，35.32个百分点，对硝态氮流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出0.74，24.27个百分点，对可溶性氮流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出4.03，27.13个百分点，对可溶性磷流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出46.25，48.57个百分点，对溶解态总磷流失量的贡献率比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ高出45.13，48.58个百分点。

可以看出，雨型Ⅰ对上述养分流失的贡献率最大，均超过40%，起着主导作用；雨型Ⅱ的贡献率介于18.69%~40.93%，雨型Ⅲ的贡献率低于20%，相对较小。在磷素指标中，雨型Ⅰ对其流失量的贡献率高出雨型Ⅱ、雨型Ⅲ 40多个百分点，表明高强度降雨对磷素流失的影响更为明显。

由图4可知，雨型Ⅰ的溶解态总氮场均流失量为2.75 kg/km²，铵态氮场均流失量为0.78 kg/km²，硝态氮场均流失量为0.99 kg/km²，可溶性氮场均流失量为2.08 kg/km²，均显著高于雨型Ⅱ和雨型Ⅲ，在氮素场均流失量中居主导地位；雨型Ⅱ的溶解态总氮、铵态氮、硝态氮、可溶性氮场均流失量分别为2.10，0.50，0.97，1.89 kg/km²，雨型Ⅲ的溶解态总氮、铵态氮、硝态氮、可溶性氮场均流失量分别为0.87，0.24，0.41，0.79 kg/km²。在上述氮素指标中，雨型Ⅰ的溶解态总氮场均流失量比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高30.95%，216.09%，铵态氮场均流失量比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高56.0%，225.0%，硝态氮场均流失量比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高2.06%，141.46%，可溶性氮场均流失量比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高10.05%，163.29%。究其原因，可能是高雨强下以超渗产流为主，地表径流量增大，对地表的冲刷作用增强，从而使得氮素养分流失增大。

在磷素养分方面，雨型Ⅰ、雨型Ⅱ、雨型Ⅲ的可溶性磷场均流失量分别为 0.14，0.04，0.03 kg/km²，雨型Ⅰ比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高250.0%，366.67%；溶解态总磷场均流失量分别为0.29，0.09，0.07 kg/km²，雨型Ⅰ比雨型Ⅱ、雨型Ⅲ分别高222.22%，314.29%。原因可能是雨型Ⅰ的雨强较高，地表径流量较大，冲刷力较强，从而使得土壤流失量增加，而磷素主要随土壤流失而流失。

总体而言，不同雨型对氮、磷养分场均流失量的影响差异明显，表现为雨型Ⅰ>雨型Ⅱ>雨型Ⅲ，雨型Ⅰ是氮磷养分流失的主导因素。

4 讨 论

4.1 降雨类型对坡面产流产沙的影响

降雨作为地表径流产生的先决条件，与地表径流共同构成水蚀区侵蚀发生的主要驱动力与载体。在影响坡面产流和土壤侵蚀的诸多降雨特征中，降雨强度和降雨量是两个关键因素。前人针对黄土高原、西南喀斯特地区、南方红壤区等不同区域，围绕次降雨雨型与土壤侵蚀开展大量研究，普遍将侵蚀性降雨划分为3至5类，且一致认定高强度、短历时的降雨是引发各区域土壤侵蚀的重要雨型^{［3-4，15-16］}。

本研究显示，试验期间，雨型Ⅰ发生频率最高，达45.10%，且不同雨型对坡面产流、产沙的贡献率差异明显。雨型Ⅰ对产流的贡献率最高，达48.96%，产沙贡献率更是高达60.78%，这充分表明该雨型的土壤侵蚀更为剧烈；雨型Ⅱ的产流、产沙贡献率分别为39.38%，36.10%；雨型Ⅲ的产流、产沙贡献率均较低，分别为11.66%，3.12%。进一步分析单位径流量的土壤流失量可知，雨型Ⅰ的土壤流失量明显高于雨型Ⅱ和雨型Ⅲ，凸显高强度降雨对土壤剥离能力的明显增强效应。雨型Ⅲ场均地表径流深与土壤流失量最小，这可能与产流模式有关。在低强度降雨时，产流模式以蓄满产流为主，此时土壤入渗量较大，地表径流量较小，地表径流的冲刷力也相对较弱，坡面的侵蚀形式主要以雨滴击溅造成的溅蚀和坡面薄层水流引起的面蚀为主^［7］。而雨型Ⅰ具有雨强高、降雨雨滴动能大的特点，产流模式以超渗产流为主，这会加剧地表击溅侵蚀，破坏土壤团聚体结构，同时地表径流快速汇集，冲刷能力显著增强，容易出现沟蚀，进而导致土壤流失量明显增加。这也是其在相同地表径流深下土壤流失量明显高于其他雨型的重要原因。正因如此，雨型Ⅰ对坡面产流产沙的贡献率最高。本研究结果与秦伟等^［8］在红壤区、曹美晨等^［17］在黄土高原以及陈磊等^［18］在喀斯特地区的研究结果一致。

然而，邬铃莉等^［19］在北方土石山区的研究结果显示，大雨量、长历时和中雨强的雨型对土壤侵蚀的贡献最大。究其原因，可能是北方土石山区和南方红壤区的土壤、地形地貌等特性不同所致。北方土石山区土层浅薄，地面组成物质石多土少，土壤质地疏松、孔隙度大、通气透水性强，但细粒物质含量低，土壤团聚体稳定性差。在中雨强下，水分可缓慢渗入土层，但因土层薄，土壤含水量更易饱和，导致土壤侵蚀强度增大^［20］；而南方红壤区温暖多雨，土壤黏粒含量高，干时坚硬板结，湿时黏滞孔隙闭塞，导致水分入渗率低。在高雨强降雨下，雨滴的溅蚀作用和地表径流的冲刷作用叠加，使得土壤流失量增大^［21-22］。因此，根据气候特点和主要降雨类型分析，研究区主要需针对短历时、高雨强的降雨，采取适宜的水土保持措施，避免造成大面积的坡面水土流失。

4.2 降雨类型对坡面氮磷养分流失的影响

雨型作为影响坡面水土流失的关键因素，不同雨型下坡面产流产沙及养分流失量呈现出显著差异^{［14，16］}。本研究结果表明，不同雨型对氮、磷养分流失影响差异显著，雨型Ⅰ在氮、磷养分流失中起主导作用。原因可能是雨型Ⅰ雨强较高，雨滴对地表打击强烈，可直接破坏土壤结构，使土壤颗粒分散，为养分流失创造条件。同时，高雨强下的产流模式多为超渗产流，导致地表径流量迅速增大^［23-24］。增大的地表径流对地表的冲刷作用加剧，不仅直接带走大量土壤颗粒，还将溶解在径流中的养分一同带走，从而使得雨型Ⅰ的氮磷养分流失指标的贡献率和平均流失量均显著高于雨型Ⅱ和雨型Ⅲ。与之相反，雨型Ⅲ贡献率较低，可能是低雨强下的产流模式以蓄满产流为主，水分有更多的时间下渗进入土壤深层，溶解态养分也会随着水分下渗而进入土壤深层，导致地表流失量相对较低。此现象与王祥^［25］对长江上游丘陵坡耕地氮磷养分流失的研究结果一致。值得注意的是，磷素流失对雨型的响应更为敏感。雨型Ⅰ对可溶性磷的贡献率高达65%，是雨型Ⅱ和雨型Ⅲ的3.4倍以上。这表明高雨强、短历时降雨是磷素迁移的关键驱动因子。这是因为磷素在土壤中的吸附性较强，主要随土壤颗粒流失^［26-27］。高雨强降雨产生的较大地表径流能够携带更多的土壤颗粒，从而将吸附在土壤颗粒上的磷素一同带走，导致磷素流失量显著增加。而氮素由于在土壤中溶解性较好，极易随着地表径流流失，其流失过程更多地受到径流的影响^［28-29］。

综合来看，雨强对氮磷养分流失起着至关重要的作用，高雨强降雨通过破坏土壤结构、增大地表径流量等方式，成为影响氮、磷流失的关键因素。这一研究结果对于深入理解坡面土壤养分流失机制以及实施针对性的水土保持措施具有重要的理论和实践意义。

5 结 论

（1） 研究区试验期内，雨型Ⅰ（小雨量、短历时、高雨强）发生频率最高，达45.10%，降雨量占比33.61%；雨型Ⅱ（中雨量、中历时、中雨强）发生频率37.25%；雨型Ⅲ（大雨量、长历时、低雨强）发生频率17.65%，却贡献32.12%的降雨量。雨型Ⅰ的降雨强度分别为雨型Ⅱ和雨型Ⅲ的2.9倍和3.2倍。

（2） 高雨强降雨增大土壤团聚体破坏和径流冲刷能力，导致水土流失加剧。雨型Ⅰ对地表径流和土壤流失的贡献率最高，分别为48.96%，60.78%，且在地表径流深相同的情况下，其土壤流失量是雨型Ⅱ、雨型Ⅲ的2.12倍、4.68倍。

（3） 高雨强降雨是氮磷养分流失的主导因素。雨型Ⅰ对氮磷养分流失贡献率最高，尤其是，对铵态氮和可溶性氮的贡献率超过40%，对可溶性磷和溶解态总磷的贡献率超过60%。

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基金资助

江西省“双千计划”项目(JXSQ2023201069)

国家自然科学基金项目(42367050)

江西省水利科学院开放研究资助项目(2023SKLS01)