蚯蚓活动对坡面径流产沙及碳氮磷流失的影响

Effects of earthworm activity on runoff， sediment yield， and loss of carbon， nitrogen and phosphorus on slopes

摘要

目的 分析不同降雨强度和坡度下蚯蚓对坡面侵蚀和碳氮磷流失特征的影响，为探究大型土壤动物在土壤侵蚀和养分迁移过程中的作用提供重要理论支撑。 方法 通过人工模拟降雨试验，选择3个降雨强度（40 mm/h，80 mm/h和120 mm/h）和2个坡度（5°和15°），设置3种土地利用类型（裸地、苜蓿地和覆盖秸秆的农田），分析了不同降雨强度和坡度下，蚯蚓对坡面径流产沙过程和径流中TOC，TN，TP流失的影响。 结果 （1） 蚯蚓处理雨水入渗快，初始产流时间长，地表径流少。与对照相比，40 mm/h雨强下5°坡面引种蚯蚓处理（Mq）的平均产流速率（0.011 mm/min）减少了47.6%。（2） 蚯蚓对坡面土壤流失有积极或消极影响。40 mm/h雨强下5°坡面处理（Mq）的平均产沙速率〔0.006 g/（m² · min）〕比对照低70%，而在120 mm/h雨强下15°坡面处理（Lq）的平均产沙速率〔32.285 g/（m² · min）〕却为对照的2.2倍。在80 mm/h雨强下15°坡度处理（Lc）的平均产沙速率〔41.579 g/（m² · min）〕分别为Mc处理〔0.332 g/（m² · min）〕和Xc处理〔5.231 g/（m² · min）〕的125倍和8倍，这表明覆盖物能减少水土流失。（3） 径流中TOC流失量主要受雨强和坡度控制，蚯蚓影响不显著；各蚯蚓处理引起的TN流失量高于对照，蚯蚓处理的平均TN流失量比对照高16.8%~123%；蚯蚓与TP流失量呈极显著正相关（p<0.01），但各处理的TP流失量少。另外，与裸地处理相比，有覆盖物处理的养分流失更为严重。 结论 蚯蚓活动减少坡面径流，大雨强下加剧坡面土壤流失，显著影响径流中TN和TP的流失，但对TOC流失的影响较小。

Abstract

Objective This study aims to analyze the effects of earthworms on slope erosion and the loss characteristics of carbon， nitrogen， and phosphorus under different rainfall intensities and slope gradients， so as to provide important theoretical support for investigating the role of macrofauna in soil erosion and nutrient migration processes. Methods Simulated rainfall experiments were conducted with three rainfall intensities （40 mm/h， 80 mm/h， and 120 mm/h） and two slope gradients （5° and 15°） to investigate the effects of earthworms on slope runoff and sediment yield processes， as well as the losses of total organic carbon （TOC）， total nitrogen （TN）， and total phosphorus （TP） in runoff under three land-use types （bare land， alfalfa field， and straw-mulched cropland）. Results （1） Earthworm-inoculated treatments delayed runoff initiation and enhanced rainwater infiltration， thereby reducing surface runoff. Compared to the control， the earthworm-inoculated treatment （Mq） under 40 mm/h rainfall intensity and 5° slope exhibited a 47.6% reduction in the average runoff rate （0.011 mm/min）. （2） Earthworms exerted either positive or negative effects on soil loss on slopes. Under 40 mm/h rainfall intensity and 5° slope， the earthworm-inoculated treatment （Mq） showed a 70% lower average sediment yield rate 〔0.006 g/（m² · min）〕 compared to the control. In contrast， the treatment （Lq） exhibited a 2.2-fold higher sediment yield rate 〔32.285 g/（m² · min）〕 compared to the control under 120 mm/h rainfall intensity and 15° slope. Mulching significantly mitigated soil erosion， as evidenced by the treatment （Lc） under 80 mm/h rainfall intensity and the slope of 15°， whose average sediment yield rate 〔41.579 g/（m² · min）〕 was 125 times and 8 times greater than those of Mc treatment 〔0.332 g/（m² · min）〕 and Xc treatment 〔5.231 g/（m² · min）〕， respectively. （3） The loss of TOC in runoff was primarily governed by rainfall intensity and slope gradient， with earthworms showing no significant influence. Compared with the control， the average TN loss in earthworm-inoculated treatments was 16.8% to 123% higher. Earthworm activity demonstrated a highly significant positive correlation with TP loss （p<0.01）， though absolute TP loss remained low across treatments. Notably， mulched treatments showed more severe nutrient loss than bare land conditions. Conclusion Earthworm activity decreases runoff on slope but exacerbates soil loss under heavy rainfall， demonstrating significant effects on TN and TP transport in runoff， while revealing limited influence on TOC loss.

Graphical abstract

关键词

模拟降雨 / 蚯蚓活动 / 径流产沙 / 养分流失

Key words

simulated rainfall / earthworm activity / runoff and sediment / nutrient loss

黄土高原存在严重的水土流失问题，是世界上生态环境最脆弱的地区之一^［1］。据《黄河流域水土保持公报（2023年）》报道，截至2023年底，黄河流域水土流失面积为25.11万km²，其中水力侵蚀面积18.12万km²，占比高达72%^［2］。黄土高原地区是黄河流域水土流失的主要泥沙来源区，贡献约90%的泥沙，这是由于该地区黄土质地疏松、土壤孔隙度大、抗侵蚀能力弱、坡陡沟深且暴雨集中所导致的^［3］。高艳珍等^［4］研究典型的陕北黄土高原丘陵沟壑区发现，上游丘陵沟壑区植被少、土质疏松、地形陡，降雨易产生地表径流，造成较高的泥沙量，同时下游沟谷随着径流的流入，其泥沙含量显著增加。Wu等^［5］研究雨强和坡度对裸露黄土的径流和产沙的影响，结果显示坡面产流和产沙量随着降雨强度和坡度的增加而增加，且对产流量的影响更大。降雨侵蚀会造成水土流失、土壤质量下降、植被生长缓慢和生物多样性锐减等现象。严重的水土流失则会导致土壤生态系统退化、水体污染等一系列问题。

地表径流是坡面养分流失的主要途径之一，如坡面养分流失量在降雨初期急剧增大，后随降雨时间的增加逐渐趋于稳定，且坡度增大后养分流失量也变大。除雨强和坡度外，植被、不同覆盖条件和耕作方式等措施对土壤侵蚀和土壤养分有不同程度的正面或负面影响^［6-7］。覆盖能提高水分渗透能力，增加水的入渗和储存，并减弱雨滴对土壤的冲击力，从而降低水分和土壤的流失率。Bhatt等^［8］研究耕作和不同秸秆覆盖方式对径流和土壤流失的影响，发现整个地块都覆盖秸秆的平均径流量和累积土壤流失量最低。Keesstra等^［9］研究显示秸秆覆盖物显著减少了地表径流和土壤侵蚀率。此外，苜蓿的冠层拦截能降低雨滴速度，减弱雨滴的冲击力和侵蚀力，并且其根系空间促进水分渗透，从而显著减少坡面径流速率和产沙速率，增加土壤储水量^［10］。

蚯蚓是大型土壤动物，其掘穴、取食及排泄活动会改变土壤的物理结构、化学性质和生物群落多样性^［11］。蚯蚓通过掘穴活动在土体内部形成大量洞穴，增加了土壤大孔隙率，提高土壤透气性，并为水分运动提供优先流通道，利于水分入渗^［12］。蚯蚓主要以土壤和枯落物为食，促进有机质的矿化和枯落物分解，进而影响土壤的养分循环过程，且蚯蚓取食后的排泄活动会在地表或土壤内部产生具有良好水稳性团聚体结构和较高碳氮磷养分的蚯蚓粪^［13］，也增加了地表粗糙度。然而，正是由于蚯蚓活动会改变地表粗糙度，影响了径流的产生和土壤的可侵蚀性。已有研究显示，在降雨条件下，随着土壤表面粗糙度的增加，产流时间变长且径流率降低，粗糙表面产生的总产沙量大于光滑表面^［14］。Wen等^［15］将威廉环毛蚓（Metaphire guillelmi）引入坡面培养后进行模拟降雨试验，结果显示蚯蚓活动虽然减少了35.8%~61.6%的径流，但增加了土壤流失量。在亚热带人工林，蚯蚓每年在土壤表面产生的蚯蚓粪为8.3 t/hm²，蚯蚓粪的养分含量较高，其TOC， TN和TP的年产量分别为68.10，4.84，0.38 g/m^2［16］。受植被保护的蚯蚓粪会在地表保留数月，而无植被覆盖的新鲜蚯蚓粪，遇到18 mm的降雨事件就会崩解^［17］，进而增加养分的溶解和迁移。

总体来说，蚯蚓对土壤养分流失的影响机制尚不清楚。因此，本研究通过室内模拟降雨的方法，设置3种土槽坡面处理（裸地、种植苜蓿和覆盖秸秆的农田），并引入蚯蚓，以未引入蚯蚓的作为对照处理，探究不同降雨强度和坡度下，蚯蚓对坡面径流产沙和碳氮磷养分流失的影响及其相关性，将为黄土高原地区土壤动物侵蚀及养分流失研究提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究采用室内模拟降雨的方法。供试土壤采自陕西省咸阳市杨陵区西卜村（北纬34°20′，东经108°24′）裸地0—50 cm层土壤。采集的土壤风干并过2 mm筛后使用。土壤质地为砂质壤土（黏粒、粉粒和砂粒分别为10.7%，24.6%和64.7%），土壤pH值为7.8，有机质含量为4.9 g/kg，容重为1.34~1.37 g/cm³，分类为 土。

1.2 试验方法

1.2.1 试验土槽

试验土槽（长2 m、宽0.5 m、高1.0 m）放置在带有轮子的可移动钢架上，底部安装有液压装置用于调节坡度大小。为方便排水，在土槽底部设置351个直径为0.5 mm的小孔，并铺上两层医用纱布和5 cm厚的砂土作为过滤层。槽内填土高度为90 cm，容重为1.35 g/cm³与田间土壤容重相似。在每个土槽的前、中和后部各安装有1根长度100 cm和直径2.8 cm的PR2管，用PR2-6土壤剖面水分测定仪（Cambridge， UK， Delta-T Devices Ltd.）测定土槽0—90 cm土层处的土壤含水量（图1）。

本试验共填装6个模拟侵蚀过程的土槽坡面，设置裸地（L）、苜蓿地（种植苜蓿-M）和覆盖秸秆的农田（覆盖秸秆-X）3种土地利用类型。各处理如下：（1） 不做任何处理的裸地；（2） 在土槽内每隔15 cm种植1行紫花苜蓿，种植方向与槽宽方向一致，共12行。将土槽放于室外，及时管理，确保苜蓿能正常生长。另外，在行间均匀覆盖600 g烘干并剪碎至2~5 cm的苜蓿枯落物，降雨前对苜蓿进行刈割，使其高度保持在15~20 cm；（3） 在土槽表面均匀覆盖600 g烘干并剪碎至2~5 cm的小麦秸秆。其中3个土槽中投放80~100条/m²蚯蚓〔采用电击法获取的以参环毛蚓（Pheretima aspergillum）为主的蚯蚓〕进行培养，以无蚯蚓的土槽作为对照处理。因此，处理分别为裸地无蚯蚓+裸地有蚯蚓处理组、苜蓿无蚯蚓+苜蓿有蚯蚓处理组、秸秆农田无蚯蚓+秸秆农田有蚯蚓处理组，共6个土槽处理。各处理对应的标记分别为Lc（裸地处理）、Lq（裸地+蚯蚓处理）、Mc（苜蓿处理）、Mq（苜蓿+蚯蚓处理）、Xc（秸秆农田处理）、Xq（秸秆农田+蚯蚓处理）。覆盖物指秸秆、苜蓿及其枯落物。

1.2.2 模拟降雨试验

模拟降雨试验于2024年8—11月在中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。采用侧喷式模拟降雨系统，该系统通过改变喷嘴大小和水压调整降雨强度，降雨强度范围为40~260 mm/h，降雨高度16 m，最大持续降雨时间可达12 h^［18］。本试验设置3个降雨强度（40 mm/h，80 mm/h和120 mm/h），2个坡度（5°和15°）。每次降雨总雨量一致，为80 mm。因此，雨强为40 mm/h时，总降雨时间2 h，每隔4 min接一次样；雨强为80 mm/h时，总降雨时间1 h，每隔2 min接一次样；雨强为120 mm/h时，总降雨时间40 min，每隔1 min接一次样。降雨前用PR2-6测定土槽0—90 cm处的土壤含水量；降雨结束后24 h内，再次测定土槽土壤含水量。

1.3 采样与指标测定

自模拟降雨试验开始，观察径流并记录产流时间，用8 L的容器收集径流和泥沙样。降雨结束后，记录每个样品的重量，并于室内静置一段时间，待径流和泥沙发生明显分层时，用注射器采集100 ml上清液于聚乙烯瓶中，放置在4 ℃冰箱中保存，以测定水样中的养分浓度。水样收集完毕，再将底部已沉淀的泥沙转移至不锈钢容器中，于60 ℃烘箱中烘干，称重，计算产流产沙量。

径流指标测定：总有机碳（total organic carbon， TOC）用燃烧氧化-非分散红外吸收法（HJ501—2009）测定；总氮（total nitrogen， TN）采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法（HJ636—2012）测定；总磷（total phosphorus， TP）用钼酸铵分光光度法（GB11893—89）测定。由于存在径流较少情况，所以在40 mm/h雨强下以12 min为间隔，按接样的时间顺序将3个径流样品混合在一起，共10个样；80 mm/h雨强下以6 min为间隔混合水样，共10个样；120 mm/h雨强下以4 min为间隔混合水样，共10个样。选择模拟降雨的雨水作为空白样。

1.4 数据处理与分析

坡面产流速率、产沙速率和径流中含沙量由以下3个公式计算：

E_{\mathrm{r}}=\frac{W}{A\times T}（1）

R=\frac{D}{T}=\frac{V}{A\times T}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}（2）

\mathrm{S}\mathrm{C}=\frac{W\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}}{V}=\frac{E_{\mathrm{r}}}{R}（3）

式中：E_r为产沙速率〔g/（m² · min）〕；R为产流速率（mm/min）；SC为径流中含沙量（kg/m³）；W为泥沙干量（g）；A为坡面斜坡的水平投影（m²）；T为取样时间（1 min，2 min或4 min）；D为径流深度（mm）；V为每个样品的径流量（m³）。

本研究采用Microsoft Excel 2019整理数据，用SPSS 27进行正态性检验、单因素方差分析（One-way analysis of variance， ANOVA）和Pearson相关性分析，绘图使用GraphPad Prism 10.1.2和AutoCAD 2020软件。

2 结果与分析

2.1 不同雨强和坡度下坡面产流产沙特征

2.1.1 坡面产流特征

不同雨强和坡度下坡面产流速率随降雨时间变化过程如图2所示。降雨强度为40 mm/h时，对照处理的径流速率先快速上升后逐渐稳定，蚯蚓处理的径流速率随着时间增加初期快速增加而后增加较为缓慢。Xc处理（40 mm/h雨强+15°坡度）在降雨初期4~8 min的径流速率增幅高达959%，平均径流速率为0.221 mm/min。降雨强度为80 mm/h时，15°坡度下各处理的径流速率在降雨1 h内的变化为先快速上升后缓慢增加，但在Xq-15°处理的降雨后期（52 min）其径流速率超过对照处理（Xc-15°）并持续上升，Mq-15°处理的径流速率在降雨初期（4 min）时就已超越对照处理（Mc-15°），远早于Xc和Xq处理。当降雨强度达到120 mm/h时，Lc处理的径流速率始终大于Lq处理，Mq-15°处理和Mc-15°处理在降雨后期（分别为30 min和33 min时）径流速率开始迅速增加，Xq-5°和Xq-15°处理的径流速率也分别在降雨开始后的24 min和28 min时出现此现象。

在蚯蚓活动和苜蓿及其枯落物的共同作用下，Mq处理（40 mm/h雨强+5°坡度）加快水分入渗，降低了平均径流速率（0.011 mm/min），与对照Mc处理相比，其径流减少了47.6%。在120 mm/h雨强下，5°和15°坡度处的Lc处理的平均径流速率较高，分别是1.509 mm/min和1.618 mm/min，为Mq处理（40 mm/h雨强+5°坡度）的137倍和147倍，且与其他处理存在显著性差异（图2和表1）。

另外，蚯蚓活动增加水分入渗，延长初始产流时间（图2和表1）。蚯蚓处理的产流时间大于对照处理，低坡度的产流时间大于高坡度，Mq处理（40 mm/h雨强+5°坡度）产流时间最长，为13.57 min，Lc处理（120 mm/h雨强+15°坡度）产流时间最短，为0.25 min（表1）。

2.1.2 坡面产沙特征

图3是不同雨强和坡度下坡面产沙速率随降雨时间变化过程。在15°坡度下，降雨强度为120 mm/h时，蚯蚓处理的产沙量大于对照处理，而雨强为40 mm/h和80 mm/h时，发现蚯蚓处理（Xq-15°）的产沙量小于对照处理（Xc-15°）；在5°坡度下，不同处理的产沙量变化不大，坡度与产沙量关系：15°>5°。

在3个降雨强度下，5°和15°坡度的蚯蚓处理的平均产沙速率范围分别为0.006~0.992 g/（m² · min）和0.036~64.846 g/（m² · min），对照处理的平均产沙速率范围分别为0.019~4.506 g/（m² · min）和0.01~41.579 g/（m² · min）（表1）。在大雨强和高坡度情况下对蚯蚓处理的影响较大，而小雨强和低坡度情况下对照处理受影响较大。Mq处理（40 mm/h雨强+5°坡度）的平均产沙速率最小，为0.006 g/（m² · min），径流平均含沙量为0.564 kg/m³，比其对照处理〔0.02 g/（m² · min）和0.895 kg/m³〕低70%和37%，但在Lq处理（80 mm/h雨强+15°坡度），蚯蚓对其平均产沙速率和含沙量的影响最大，为64.846 g/（m² · min）和66.543 kg/m³，与其他处理有显著差异（p<0.05）。Lq处理（120 mm/h雨强+15°坡度）的平均产沙速率为32.285 g/（m² · min），径流平均含沙量为33.926 kg/m³，分别为对照处理〔14.922 g/（m² · min）和10.108 kg/m³〕的2.2倍和3.4倍。

2.2 不同雨强和坡度下坡面TOC， TN和TP流失特征

2.2.1 坡面TOC流失特征

不同雨强和坡度下坡面径流中TOC流失量随降雨时间变化过程如图4所示，TOC流失浓度在不同雨强和坡度下出现不同程度的波动。在40 mm/h和80 mm/h雨强下，各处理间的TOC流失量差异不显著，且同一雨强条件下，5°和15°坡度的蚯蚓处理和对照处理间的TOC流失量也无显著性差异（表2）。由图4可知，在120 mm/h雨强下，15°坡度处蚯蚓和对照处理的TOC流失量大于5°坡度各处理的TOC流失量。Mc和Mq处理（120 mm/h雨强+15°坡度）的平均TOC流失量高达到7.902 mg/L，7.766 mg/L，两者无显著性差异，但与40 mm/h和80 mm/h雨强下的部分处理差异显著（p<0.05）。

2.2.2 坡面TN流失特征

不同雨强和坡度下坡面径流中TN流失量随降雨时间变化过程如图5所示。除图5A对照处理的TN流失量变化小，较为稳定外，其余处理的坡面TN流失量随降雨时间增加呈现初期浓度最高，到中期阶段快速减少，后期缓慢减少并趋于稳定的变化特征。同一雨强下，不同坡度土槽各蚯蚓处理间TN浓度差异不显著，但整体上TN浓度比对照处理大。由表2可知，蚯蚓处理的TN流失量范围为4.078~7.358 mg/L，对照处理的TN流失量范围为1.825~6.301 mg/L。Lq-15°处理的初始TN浓度（8.281 mg/L）比Lc-15°处理的初始TN浓度（2.564 mg/L）高223%（图5A）。Lc处理（40 mm/h雨强和5°坡度）的平均TN流失最小，为1.825 mg/L，比其蚯蚓处理的平均TN流失量（4.078 mg/L）减少了55%。Mc处理（120 mm/h雨强和15°坡度）的平均TN流失最大，为7.358 mg/L。

2.2.3 坡面TP流失特征

不同雨强和坡度下坡面径流中TP流失量随降雨时间变化过程如图6所示。各处理TP浓度出现较为稳定的小幅度波动，一部分处理有明显变化特征。在雨强为120 mm/h的处理中（图6F），蚯蚓处理的TP浓度随时间的增加而增加，对照处理增加较为缓慢，而在雨强为40 mm/h的Xc-5°，Xc-15°处理（图6G）和雨强为80 mm/h的Xc-15°，Xq-15°处理径流中（图6H）TP浓度都出现不同程度的降低。蚯蚓处理的TP流失量为0.013~0.078 mg/L，对照处理的TP流失量为0.014~0.055 mg/L（表2）。

在15°坡度下，相较于Lc，Lq处理，Mc，Mq和Xc，Xq处理的坡面TP随径流损失的总量更大，特别是在80 mm/h和120 mm/h雨强时，Mq处理的平均TP流失量最高，分别为0.078 mg/L和0.061 mg/L。但与各处理径流中TOC和TN流失量相比，TP流失量最少。

2.3 坡面产流产沙及养分流失的相关性分析

为进一步确定降雨过程中影响坡面产流产沙和养分流失的因素，进行坡面径流量、产沙量和TOC，TN，TP流失量与雨强、坡度、蚯蚓活动、覆盖物间的相关性分析（表3）。由表3可知，除径流量与蚯蚓活动呈极显著负相关外（p<0.01），TN流失量、TP流失量和产沙量都与蚯蚓活动存在极显著正相关，相关性系数分别为0.276，0.231，0.338。产沙量与径流量、坡度呈极显著正相关关系，但产沙量和径流量都与覆盖物呈极显著负相关关系，与雨强不相关，这可能是由于蚯蚓活动、坡度和覆盖物对径流量和产沙量的影响更强，而雨强的作用较小。本次研究中雨强显著影响TOC和TN流失量（p<0.01），对TP流失量的影响不显著。当坡面遭受降雨侵蚀时，会引起TOC，TN和TP流失，因TOC和TN的流失均与雨强呈显著正相关关系，所以流失更为严重。

3 讨 论

3.1 蚯蚓对坡面产流产沙过程的影响

蚯蚓在土壤中产生大量孔道，增加雨水入渗途径，提高土壤含水量（图7）。本研究发现蚯蚓活动延迟径流的产生，尤其是在小雨强和低坡度下，Mq和Xq处理产流时间较长，并随降雨强度的增加而减小，这与刘冉^［19］、Wen^［15］等研究结果一致。蚯蚓的半永久性和垂直的洞穴常与土壤表面连通，可以作为优先水流通道，促进水的渗透，将水分快速转移至深层，使雨水转化为土壤水储存于土壤中^［20］，增加土壤储水量并且减少雨后土壤储水量的损失。降雨期间，雨水填满孔隙且土壤水分饱和后，雨水无法再入渗就会形成地表径流。与对照相比，蚯蚓处理首次产流时间更长，这也可能与降雨前土壤水分有关，初始土壤含水量较高的处理水分入渗速率小^［21］，径流产生更快且产流速率高。在模拟降雨试验中发现蚯蚓活动减少地表径流，明显增加土壤储水量（表4）。除蚯蚓洞穴外，有研究认为蚯蚓粪能够增强水的渗透，增加地表粗糙度，从而降低地表径流的流速，减少径流和水分蒸发，但由于蚯蚓会排泄在洞穴上方或内部，遮挡或堵塞孔道，这时洞穴并不能作为雨水的优先流道，反而阻碍水分入渗，可能造成径流的增加^［22］。此外，本研究发现裸地处理地表径流产生速度快，而覆盖物处理能够有效截流，延缓地表径流的产生。

蚯蚓活动扰动地表并排泄出大量蚯蚓粪，改变坡面微地形（图7）。与周围土壤相比，老化或干燥的蚯蚓粪更稳定，而新造的蚯蚓粪极易分散和运输，有研究表明雨季蚯蚓粪的消失速度比旱季快3.5倍，降雨事件会破坏受扰动的松散土壤，造成蚯蚓粪的坍塌和快速分解并随雨水迁移，成为泥沙的潜在来源^［22-23］，从而加剧土壤流失，本研究中Lq处理这一现象最为明显。

然而，研究发现蚯蚓对土壤侵蚀的影响可能是积极或消极的，蚯蚓增加土壤流失，但在小雨强和覆盖物作用下，蚯蚓活动又缓解了土壤侵蚀。这可能是因为植被和枯落物阻挡雨水，减弱雨水对土壤的冲刷力，进而减少土壤流失。Khan等^［24］研究发现与未覆盖的土壤相比，秸秆覆盖处理显著减少产流速率和产沙速率，这与我们的研究结果一致。各处理产沙速率均出现上下波动变化（图3），这可能是因为降雨过程中径流冲刷不均匀、大或小土块的脱落等原因造成的产沙量突然增加。

3.2 蚯蚓对坡面养分流失的影响

蚯蚓取食地表枯落物，并将其拖入土壤深处，加快枯落物和其他有机物质的分解，促进团聚体的形成和碳氮磷等营养物质的循环。本研究发现在大雨强下（120 mm/h），高坡度的TOC流失量显著高于低坡度，其他处理下TOC流失量无显著差异，这说明强降雨和高坡度在增加径流的同时，对土壤表层团聚体的破坏也较大，导致径流会携带更多的可溶性碳，而较小雨强产生的径流对表层土壤TOC的侵蚀和迁移能力有限^［25］。本试验中蚯蚓活动并不是影响TOC流失的主要因素，雨强、坡度和覆盖物显著影响TOC流失，这与鄂馨卉等^［26］得到的结论相似。因为蚯蚓和微生物会进行有氧呼吸，增加CO₂的排放，长时间后土壤有机质下降^［27］，所以可能导致部分有覆盖物+蚯蚓处理的TOC流失比对照低。由图4可知所有处理的TOC流失浓度均呈现不同程度的波动，可能与降雨冲刷力不均匀、土壤有机碳分布不均或径流携带的泥沙量的变化有关。

本研究中TN浓度在降雨初期最高，后随降雨时间增加而逐渐降低趋于稳定，这与Wang等^［28］研究结果类似，蚯蚓处理的TN流失量普遍高于对照。有研究发现蚯蚓混合土壤和枯落物，与微生物共同参与氮的转化过程，增加了63%的土壤总矿物氮（氨态氮+硝酸盐）和88%的硝酸盐（NO₃^-）含量^［29］。蚯蚓促进土壤有机氮的矿化，提高氮素的有效性。降雨期间，土壤表层中的NO₃^-易被淋洗，不稳定的蚯蚓粪也易溶于水中分解，释放出NO₃^-，造成氮素流失^［30］。降雨初期氮素流失最为严重，径流带走土表大量颗粒态和易溶解态氮，到后期土壤表层易流失氮素被耗尽，其流失也逐渐减少。本研究显示大部分处理TP浓度呈小幅度波动，相对稳定，与王祥等^［25］研究结果相似。大雨强下，Mq处理的径流中TP浓度随时间呈现上升趋势，而对照处理增加缓慢；中低雨强下，Xc和Xq处理的径流中TP浓度随降雨时间下降。整体上TP流失量远低于TOC和TN流失量。这可能是因为磷易被土壤吸附，迁移性较弱，主要以颗粒态吸附运移，所以径流中TP浓度低且变化小。然而，蚯蚓活动可能促进磷的释放或降低土壤对磷的吸附能力，活化土壤磷素。这导致在大雨强长时间冲刷下TP流失量增加，随径流进入河流后可能引起水体富营养化。

陆淑宁等^［6］和Wang等^［28］研究显示泥沙是TN和TP损失的主要载体，土壤侵蚀率与泥沙中TN流失存在线性关系，磷素的吸附性较强并且主要随泥沙流失。因此坡面TN和TP流失还得结合泥沙进行具体分析。与裸地相比，覆盖物处理的TOC，TN和TP流失量更大，这表明蚯蚓活动、种植苜蓿和秸秆覆盖能够有效提高土壤碳氮磷的含量，但遇到降雨时易被淋洗出来，随径流迁移。不同蚯蚓物种对碳氮磷养分的响应不同，之后可以多关注物种对养分循环的影响。

4 结 论

（1） 雨强和坡度增加会加速径流产生，而蚯蚓和覆盖物处理能显著减缓这一现象，延长初始产流时间。蚯蚓通过掘穴和排泄等行为改变土壤结构，提高地表粗糙度，促进雨水入渗，减少地表径流，增加坡面土壤含水量。

（2） 蚯蚓对土壤侵蚀有正面或负面影响。在低雨强（40 mm/h）和5°坡度下，蚯蚓活动减少土壤侵蚀。而在中高雨强（80 mm/h和120 mm/h）和15°坡度下，蚯蚓活动加剧土壤侵蚀。

（3） 雨强和坡度对坡面径流中TOC流失的影响大于蚯蚓活动，特别是在大雨强下，TOC流失量最高。TN流失量在降雨初期最高，后逐渐下降，且蚯蚓处理的TN流失量高于对照处理，但同一雨强下，不同坡度间蚯蚓处理的TN流失量差异不显著。蚯蚓处理的平均TP流失量略高于对照，但整体上TP流失浓度变化小，较为稳定。

本研究揭示蚯蚓对坡面侵蚀和养分流失的调控作用。蚯蚓活动促进水分入渗，减少径流，影响土壤流失，且显著增加TN和TP流失量，为科学评估大型土壤动物在坡面水土和养分流失过程中的生态功能提供重要依据。

参考文献

[1] 曹乐乐，王飞，戈文艳，等.黄土高原气候舒适度变化及其与植被覆盖的关系［J］.水土保持通报，2025，45（2）：315-324.

[2] Cao L L， Wang F， Ge W Y， et al. Change of climate comfortability and relationship with vegetation cover on Loess Plateau［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2025，45（2）：315-324.

[3] 李莹.黄河流域水质污染及治理对策研究［J］.科技资讯，2025，23（6）：169-171.

[4] Li Y. Research on water pollution and its treatment countermeasures in the Yellow River Basin［J］. Science & Technology Information， 2025，23（6）：169-171.

[5] 张建国，李晶晶，余红兵.黄河流域黄土高原地区水土流失动态变化及分布特征［J］.水土保持研究，2025，32（4）：110-116.

[6] Zhang J G， Li J J， Yu H B. Dynamic changes and distribution characteristics of soil and water loss in Loess Plateau area of Yellow River Basin［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2025，32（4）：110-116.

[7] 高艳珍，徐艳霞.典型黄土区水土流失特征及其治理措施研究［J］.陕西水利，2025（5）：94-96.

[8] Gao Y Z， Xu Y X. Research on soil erosion characteristics and control measures in typical Loess areas［J］. Shaanxi Water Resources， 2025（5）：94-96.

[9] Wu L， Peng M L， Qiao S S， et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on runoff and sediment yield characteristics of bare loess soil［J］. Environmental Science and Pollution Research， 2018，25（4）：3480-3487.

[10] 陆淑宁，李荣融，姚冲，等.横坡垄作对坡耕地产流产沙及氮磷养分流失过程影响研究［J］.土壤学报，2024，61（5）：1271-1283.

[11] Lu S N， Li R R， Yao C， et al. Study on the effects of counter tillage on runoff and sediment yield and process of nitrogen and phosphorus nutrient loss on sloping farmland［J］. Acta Pedologica Sinica， 2024，61（5）：1271-1283.

[12] 庞芳，王娜，梁致齐.不同雨强、坡度和植被覆盖对密云库区坡地产流及磷流失的影响［J］.水土保持研究，2025，32（2）：122-130，139.

[13] Pang F， Wang N， Liang Z Q. Effects of different rainfall intensities and slope gradients on runoff and phosphorus losses on sloping lands in Miyun Reservoir Area［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2025，32（2）：122-130，139.

[14] Bhatt R， Khera K L. Effect of tillage and mode of straw mulch application on soil erosion in the submontaneous tract of Punjab， India［J］. Soil and Tillage Research， 2006，88（1/2）：107-115.

[15] Keesstra S D， Rodrigo-Comino J， Novara A， et al. Straw mulch as a sustainable solution to decrease runoff and erosion in glyphosate-treated clementine plantations in Eastern Spain： an assessment using rainfall simulation experiments［J］. Catena， 2019，174：95-103.

[16] 李智勇，张梦杰，陈明玉，等.苜蓿对坡面产流产沙及土壤水分的影响［J］.水土保持研究，2021，28（5）：54-60.

[17] Li Z Y， Zhang M J， Chen M Y， et al. Effects of alfalfa （Medicago sativa L.） on runoff and sediment yield and soil moisture on slope［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2021，28（5）：54-60.

[18] 刘若文，翟俊杰，王兴.蚯蚓与土壤健康的研究进展［J］.应用生态学报，2025，36（2）：637-646.

[19] Liu R W， Zhai J J， Wang X. Research progress on earthworms and soil health［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2025，36（2）：637-646.

[20] Ma L， Shao M A， Fan J， et al. Effects of earthworm （Metaphire guillelmi） density on soil macropore and soil water content in typical anthrosol soil［J］. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2021，311：107338.

[21] Groenigen V J W， Groenigen V K J， Koopmans G F， et al. How fertile are earthworm casts： a meta-analysis［J］. Geoderma， 2019，338：525-535.

[22] Vermang J， Norton L D， Huang C， et al. Characterization of soil surface roughness effects on runoff and soil erosion rates under simulated rainfall［J］. Soil Science Society of America Journal， 2015，79（3）：903-916.

[23] Wen S H， Wang J， Li Y P， et al. Effects of anecic earthworms on runoff and erosion on the slope with soil from the Loess Plateau under a rainfall simulation experiment［J］. Agricultural Water Management， 2022，259：107230.

[24] Wang X L， Fu S L， Wang X L， et al. One-year monitoring of daily earthworm cast production： surface cast contribution to soil fertility in a subtropical forest［J］. Forests， 2021，12（7）：865.

[25] Blanchart E， Albrecht A， Brown G， et al. Effects of tropical endogeic earthworms on soil erosion［J］. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2004，104（2）：303-315.

[26] 郑粉莉，赵军.人工模拟降雨大厅及模拟降雨设备简介［J］.水土保持研究，2004，11（4）：177-178.

[27] Zheng F L， Zhao J. A brief introduction on the rainfall simulation laboratory and equipment［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2004，11（4）：177-178.

[28] 刘冉，余新晓，蔡强国，等.黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素［J］.应用生态学报，2021，32（8）：2886-2894.

[29] Liu R， Yu X X， Cai Q G， et al. Erosion process of loess slope and influencing factors in the loess hilly-gully region， China［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2021，32（8）：2886-2894.

[30] 马莉，景璇璇，李同川，等.蚯蚓活动对不同土地利用类型土壤水分入渗特征影响的研究［J］.土壤通报，2024，55（3）：644-650.

[31] Ma L， Jing X X， Li T C， et al. Influence of earthworm activity on soil water infiltration characteristics of soils under different land uses［J］. Chinese Journal of Soil Science， 2024，55（3）：644-650.

[32] Liu H， Lei T W， Zhao J， et al. Effects of rainfall intensity and antecedent soil water content on soil infiltrability under rainfall conditions using the run off-on-out method［J］. Journal of Hydrology， 2011，396（1/2）：24-32.

[33] Jouquet P， Podwojewski P， Bottinelli N， et al. Above-ground earthworm casts affect water runoff and soil erosion in Northern Vietnam［J］. Catena， 2008，74（1）：13-21.

[34] Chen M Y， Shao M A， Wei X R， et al. Earthworm （Metaphire guillelmi） activities increase the risk of soil erosion： a simulation experiment［J］. Earth Surface Processes and Landforms， 2022，47（7）：1734-1743.

[35] Khan M N， Gong Y B， Hu T X， et al. Effect of slope， rainfall intensity and mulch on erosion and infiltration under simulated rain on purple soil of south-western Sichuan Province， China［J］. Water， 2016，8（11）：528.

[36] 王祥，陈炜，黄国鲜，等.长江上游典型丘陵山区坡耕地径流及氮磷碳流失特征［J］.环境工程技术学报，2024，14（5）：1589-1598.

[37] Wang X， Chen W， Huang G X， et al. Characteristics of runoff and nitrogen， phosphorus， and carbon loss in sloping cultivated lands in the typical hilly mountainous region of the Upper Yangtze River Basin［J］. Journal of Environmental Engineering Technology， 2024，14（5）：1589-1598.

[38] 鄂馨卉，汪亚峰，高扬，等.黄土高原降雨驱动下流域碳输移特征及其碳流失评估：以羊圈沟坝系流域为例［J］.环境科学，2017，38（8）：3264-3272.

[39] E X H， Wang Y F， Gao Y， et al. Characteristics of carbon transportation under rainfall events and associated carbon loss evaluation in Loess Plateau， China： a case study of Yangjuangou Dam watershed［J］. Environmental Science， 2017，38（8）：3264-3272.

[40] Sharma D K， Tomar S， Chakraborty D. Role of earthworm in improving soil structure and functioning［J］. Current Science， 2017，113（6）：1064-1071.

[41] Wang L， Li Y， Wu J J， et al. Effects of the rainfall intensity and slope gradient on soil erosion and nitrogen loss on the sloping fields of Miyun Reservoir［J］. Plants， 2023，12（3）：423.

[42] Lang B， Betancur-Corredor B， Russell D J. Earthworms increase soil mineral nitrogen content： a meta-analysis［J］. Soil Organisms， 2023，95（1）：1-16.

[43] Jouquet P， Bottinelli N， Kerneis G， et al. Surface casting of the tropical Metaphire posthuma increases soil erosion and nitrate leaching in a laboratory experiment［J］. Geoderma， 2013，204：10-14.

基金资助

陕西省青年科技新星项目(2024ZC-KJXX-007)

中国博士后面上资助项目(2022M722612)