不同雨型下反坡臺階減少紅壤坡耕地氮磷流失的效果

王帥兵，宋婭麗，王克勤※，趙洋毅，張繼輝，閆騰云，陳 宇

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不同雨型下反坡臺階減少紅壤坡耕地氮磷流失的效果

王帥兵1，宋婭麗2，王克勤2※，趙洋毅2，張繼輝2，閆騰云2，陳 宇2

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與水土保持學(xué)院，昆明 650224）

為研究自然降雨條件下反坡臺階對坡耕地氮、磷流失的影響，該文基于滇中紅壤坡耕地標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)45場典型降雨觀測資料，根據(jù)降雨量、最大30 min雨強(qiáng)和降雨侵蝕力，綜合采用快速聚類和判別聚類，劃分確定出A（高雨量、大雨強(qiáng)、高侵蝕力）、B（低雨量、小雨強(qiáng)、低侵蝕力）、C（中低雨量、中小雨強(qiáng)、中低侵蝕力）、D（中高雨量、中雨強(qiáng)、中高侵蝕力）4種降雨類型。研究發(fā)現(xiàn)，反坡臺階減流率和減沙率達(dá)到52.11%和71.30%，減沙率顯著大于減流率（<0.01）；不同降雨類型下反坡臺階的減流率表現(xiàn)為：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，減沙率表現(xiàn)為：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，C雨型和B雨型下反坡臺階減流率顯著高于D雨型和A雨型（<0.05），減沙率則顯著低于D雨型和A雨型（<0.05）。反坡臺階對徑流中總氮（WTN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）削減率分別達(dá)到68.10%、69.81%、50.14%，對徑流中總磷（WTP）、溶解無機(jī)磷（DIP，dissolved inorganic phosphate）的削減率分別達(dá)到71.52%和72.77%，不同自然降雨類型下反坡臺階對徑流中WTN、NO3--N、NH4+-N、WTP、DIP的削減率均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而降低的趨勢。反坡臺階對泥沙中全氮（STN）、水解性氮（HN,hydrolyzable nitrogen）的削減率分別達(dá)到57.32%和54.22%，對泥沙中全磷（STP）、速效磷（AP）的削減率分別為67.38%和63.69%，不同自然降雨類型下反坡臺階對泥沙中STN、HN、STP、AP的削減率呈現(xiàn)出削減率隨著雨量和雨強(qiáng)增大而提高的趨勢。該研究可以深入地揭示反坡臺階控制坡耕地面源污染的機(jī)理，以及對于控制坡耕地氮磷流失的效果，為源頭控制山區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染提供理論支撐。

徑流；侵蝕；反坡臺階；坡耕地；降雨類型；產(chǎn)沙；氮磷流失

0 引 言

坡耕地是云南省的主要耕地類型，占全省耕地面積的70%以上，其水土流失嚴(yán)重，一方面導(dǎo)致土壤肥力下降，另一方面氮、磷等養(yǎng)分流出農(nóng)田匯入水體，引起水體的富營養(yǎng)化和污染[1]。如何改進(jìn)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，減少水土流失和面源污染，是促進(jìn)山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的治本之策[2]。

降雨是水土流失和面源污染的源動(dòng)力，坡耕地養(yǎng)分流失過程實(shí)際上是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程[1,3-5]，采取有效的措施控制坡耕地水土流失，是解決坡耕地面源污染問題的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外常見的坡耕地水土保持措施主要包括反坡臺階、輪作、植物籬、保護(hù)性耕作、秸稈還田、草帶、施用生物炭等，不同措施可以削減地表徑流25%～70%，減少泥沙流失40%～80.7%，進(jìn)而減少氮磷流失10%～70%[1-2,6-14]。坡耕地 養(yǎng)分流失量、流失濃度與降雨特征之間具有顯著的相關(guān)性[4,12,15-16]，不同降雨條件下地表徑流和泥沙及其攜帶養(yǎng)分的流失途徑和特征不同，雨強(qiáng)越大，氮、磷的損失總量越大，但氮、磷的流失量受雨強(qiáng)的影響程度不同[17]。梁斐斐等[18]的研究表明，大雨時(shí)產(chǎn)生的徑流量分別為中雨和小雨時(shí)的2.34和7.59倍，泥沙量分別是中雨和小雨的8.34和111.38倍，而大雨導(dǎo)致的氮、磷流失遠(yuǎn)超中雨與小雨；而Mohamadi等[19]研究表明，高雨量、中雨強(qiáng)型降雨為導(dǎo)致坡耕地產(chǎn)流、產(chǎn)沙的主要雨型。

反坡臺階作為坡耕地水土保持控制措施之一，蓄水保土及減少坡耕地面源污染效果顯著，適用于降雨季節(jié)分配嚴(yán)重不均的云南山區(qū)[1,20]。國內(nèi)外學(xué)者為了深入研究不同降雨下徑流、泥沙及養(yǎng)分流失的差異，根據(jù)降雨量、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度等將降雨分為3類[21-22]或4類雨型[23-25]，分別探討了不同雨型下坡地土壤侵蝕的差異、產(chǎn)流產(chǎn)沙和氮磷流失特征，以及坡度對坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙和氮磷流失的影響等。但研究不同雨型下反坡臺階對坡耕地氮、磷流失的控制效應(yīng)仍鮮有報(bào)道。同時(shí)，當(dāng)前研究主要通過室內(nèi)模擬降雨手段來研究不同雨型下氮磷流失特征，難以揭示自然農(nóng)田中氮磷的流失機(jī)理。因此，本文通過長期野外觀測，研究反坡臺階在不同自然降雨類型下對紅壤坡耕地氮、磷流失的影響，以期深入地揭示反坡臺階控制坡耕地面源污染的機(jī)理，并全面評價(jià)反坡臺階對于控制坡耕地氮磷流失的效益，為源頭控制山區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域（24°14 ′43"-25°12 ′48″N，102°48 ′37"-102°44 ′51″E），流域面積13.26 km2，海拔在2 010～2590 m之間，多年平均降雨量757.2 mm，年蒸發(fā)量1341 mm，年均氣溫13.8 ℃。其中5-10月為雨季，降雨量約占全年的85%以上，該流域?yàn)樗扇A壩水源區(qū)內(nèi)典型的農(nóng)業(yè)小流域，以紅壤為主，耕地面積約占25%，主要以坡耕地為主，林地約占66%，以灌木林和疏林地為主。主要農(nóng)作物包括玉米、大豆、馬鈴薯等，主要樹種包括云南松（Franch.）、滇青岡（Schotky）、滇石櫟（(Hook. f.et Thoms.) Rehd.）、厚皮香（(Wight et Arn.) Beddome）、杜鵑（Planch.）等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)情況

試驗(yàn)地選取位于昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域水土保持監(jiān)測站中2塊坡耕地標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)（20 m×5 m，水平投影面積100 m2，圖1a），坡度均為15°，始建于2006年，分別編號為1#、2#，其中1#小區(qū)為原狀坡耕地，2#小區(qū)布設(shè)有2道反坡臺階，均位于同一坡面上，東西坡向，中坡位，海拔2067m左右，土壤為紅壤，表層土壤容重為1.48 g/cm3，土壤飽和導(dǎo)水率為3.5 mm/min。反坡臺階沿等高線自上而下里切外墊，修成一臺面，反坡5°，階寬1.2 m（圖1b），2條反坡臺階之間距離為7.5 m。徑流小區(qū)下部設(shè)集流池，收集降雨后產(chǎn)生的徑流和泥沙。每年雨季前用5點(diǎn)采樣法分別采集2個(gè)徑流小區(qū)表層（0～20 cm）土壤調(diào)查土壤養(yǎng)分的背景值（表1），并重新對反坡臺階進(jìn)行整修。

圖1 徑流小區(qū)及反坡臺階示意圖

2011—2016年2塊標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)均種植玉米，管理措施同步，作物播種及收割時(shí)間、施肥水平均保持一致。主要施肥種類包括：尿素、松華壩水源保護(hù)區(qū)測土施肥專用肥（總肥力≥32%，N∶P2O5∶K2O=10∶10∶12）、普鈣（有效P2O5≥16%）等，均換算為純N、純P量（表2）。

表1 徑流小區(qū)土壤背景值

表2 2011—2016年徑流小區(qū)種植作物及施肥情況

由于地形條件所限未布設(shè)重復(fù)試驗(yàn)，但是由于觀測周期較長，且為了減少徑流小區(qū)布設(shè)初期的誤差，本文選取徑流小區(qū)布設(shè)5 a后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最大程度提高數(shù)據(jù)了數(shù)據(jù)的可靠性。

第二，具體的保底價(jià)格，實(shí)行優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。例如，2017年稻谷收儲時(shí)，不同稻谷品種每公斤的保底價(jià)格為玉針香3.6元，粵王絲苗3.1元，創(chuàng)宇9號3.0元，湘晚12號2.9元，黃華占2.8元。

1.2.2 試驗(yàn)觀測與計(jì)算

使用自記雨量計(jì)（型號RG2-M，美國）記錄降雨過程，用人工雨量計(jì)觀測的次降雨量進(jìn)行校對，用次降雨量與最大10 min雨強(qiáng)的乘積計(jì)算次降雨侵蝕力[26]。降雨結(jié)束后立即量出徑流池內(nèi)的泥水總量，取樣測定含沙量，得出單次降雨后徑流小區(qū)地表徑流量和土壤流失量；次降雨徑流中總氮（WTN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（WTP）和溶解無機(jī)磷（DIP）含量在取樣后24 h內(nèi)測定，次降雨泥沙中全氮（STN）、水解性氮（HN）、全磷（STP）、速效磷（AP）含量在雨后取樣風(fēng)干后年底統(tǒng)一測定。徑流小區(qū)次降雨徑流中總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷和溶解無機(jī)磷（DIP）流失量用徑流小區(qū)地表徑流量乘以其在徑流中的含量獲得，泥沙中全氮、水解性氮、全磷、速效磷流失量用徑流小區(qū)土壤流失量乘以其在泥沙中的含量獲得。徑流中溶解有機(jī)氮（DON）和顆粒態(tài)氮（PN）由WTN減去NO3--N和NH4+-N得出，溶解有機(jī)磷（DOP）和顆粒態(tài)氮（PP）由TP減去DIP得出。其中WTN、NO3--N、NH4+-N含量分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、酚二磺酸分光光度法（GB 7480-1987）、鈉氏試劑比色法（HJ 535-2009）測定，WTP和DIP分別均采用鉬酸銨分光光度法（HJ670-2013），其中WTP經(jīng)過過硫酸鉀消解，DIP直接測定；泥沙中全氮、水解性氮、全磷、速效磷分別采用凱氏法（HJ717-2014）、堿解擴(kuò)散法[27]、堿熔-鉬銻抗分光光度法（HJ 632-2011）、鉬銻抗比色法[27]測定。

試驗(yàn)期間（2011-2016年）共計(jì)監(jiān)測產(chǎn)流降雨87次，為了盡量排除前期降雨影響，以前5d無降雨為依據(jù)，從監(jiān)測的87次產(chǎn)流降雨中篩選出45場典型降雨進(jìn)行分析。

本研究采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表的制作，采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類判別分析、方差分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征及雨型劃分

根據(jù)2011—2016年試驗(yàn)監(jiān)測情況，45場典型降雨中有40場降雨歷時(shí)小于2 h，占總場次88.89%，有3場降雨歷時(shí)2～6 h，另外分別有1場降雨歷時(shí)6～12 h和12～24 h，說明試驗(yàn)區(qū)降雨以短歷時(shí)降雨為主，因此與晏清濤等[28]分類方法不同，本文未將降雨歷時(shí)作為劃分依據(jù)。根據(jù)降雨量、最大30min雨強(qiáng)、降雨侵蝕力，綜合均值聚類法和系統(tǒng)聚類法分析結(jié)果，將45場典型降雨分為4類自然降雨類型（表3）。其中A雨型為高雨量、大雨強(qiáng)、高侵蝕力降雨，B雨型為低雨量、小雨強(qiáng)、低侵蝕力降雨，C雨型為中低雨量、中小雨強(qiáng)、中低侵蝕力降雨，D雨型為中高雨量、中雨強(qiáng)、中高侵蝕力降雨。A雨型聚類函數(shù)顯著性檢驗(yàn)的概率<0.01，B、C、D雨型聚類函數(shù)顯著性檢驗(yàn)的概率<0.05，總體上降雨聚類分析結(jié)果較優(yōu)，結(jié)果上也符合滇中地區(qū)的實(shí)際狀況。

表3 不同降雨類型特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：V25 和 V75 分別表示 25%分位數(shù)和 75%分位數(shù)取值。

Note: V25and V75represent value of 25% quantile and 75% quantile, respectively.

A、B、C、D四種降雨類型的降雨事件次數(shù)分別占侵蝕性降雨總數(shù)的16%、40%、24%和20%，累計(jì)降雨量分別占樣本總雨量的28%、26%、22%和24%，累計(jì)降雨侵蝕力分別占樣本總雨量的38%、12%、22%和28%，說明該地區(qū)典型降雨以B雨型為主，A雨型所占比例最少，但是A雨型對降雨量和降雨侵蝕力的貢獻(xiàn)最大。

圖2 典型降雨判別分類散點(diǎn)圖

2.2 不同自然降雨類型下反坡臺階減流減沙效益

從監(jiān)測結(jié)果（圖3）來看，A、B、C、D四種自然降雨類型下1#和2#小區(qū)合計(jì)產(chǎn)流量分別占樣本總量的30%、22%、16%和32%，產(chǎn)沙量分別占樣本總量的37%、11%、16%和36%，且方差分析表明4種雨型之間產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均呈顯著差異（<0.01），4種雨型單場降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙能力均呈現(xiàn)A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，A雨型和D雨型產(chǎn)沙量所占比重顯著大于產(chǎn)流量所占比重（<0.05），說明A雨型和D雨型是造成紅壤坡耕地水土流失的主要降雨類型。

4種自然降雨類型之間降雨量、降雨強(qiáng)度差別較大，但是2#小區(qū)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均小于1#小區(qū)，且方差分析結(jié)果表明，2個(gè)小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均存在極顯著差異（<0.01），這表明坡耕地上布設(shè)反坡臺階后，可以發(fā)揮顯著的減流減沙效益，4種雨型下平均減流率和減沙率分別為：48.26%和71.06%（A雨型）、54.27%和66.63%（B雨型）、57.73%和68.68%（C雨型）、51.02%和74.01%（D雨型），總體減流率和減沙率達(dá)到52.11%和71.30%，減沙率顯著大于減流率（<0.01）。A雨型和D雨型下1#和2#小區(qū)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量與B雨型和C雨型下均存在顯著差異（<0.05），說明降雨類型對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙影響較大。不同雨型下反坡臺階的減流率表現(xiàn)為：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，說明反坡臺階在中低雨量、中低雨強(qiáng)下減流效果最為顯著。不同雨型下反坡臺階的減沙率表現(xiàn)為：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，且D雨型和A雨型下反坡臺階減沙率顯著大于C雨型和B雨型（<0.05），說明反坡臺階在中高雨量和中高雨強(qiáng)下減沙效果最顯著。

注：不同小寫字母表示不同徑流小區(qū)產(chǎn)流量之間差異顯著（P<0.05），不同大寫字母表示徑流小區(qū)產(chǎn)沙量之間差異顯著（P<0.05）.

表4 不同雨型降雨特征指標(biāo)與次降雨產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的Pearson相關(guān)分析

注：,30,MJ分別表示降雨量、最大30 min雨強(qiáng)、降雨侵蝕力。**表示在0.01水平上達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系。

Note:,30,MJ represent rainfall, maximum 30 min raininess, rainfall erosion. ** represent significant level at<0.01.

2.3 不同雨型下反坡臺階對坡耕地徑流中氮磷流失的影響

2.3.1反坡臺階對坡耕地隨徑流流失氮素的影響

2011～2016年45場典型降雨中2#小區(qū)徑流中各形態(tài)氮流失量均小于1#小區(qū)（圖4a，4b），且方差分析結(jié)果表明，2個(gè)小區(qū)徑流中WTN、NO3--N、NH4+-N流失量均存在極顯著差異（<0.01），反坡臺階對徑流中WTN、NO3--N、NH4+-N削減率分別達(dá)到68.10%、69.81%、50.14%。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，1#和2#小區(qū)各形態(tài)氮素的流失濃度均呈現(xiàn)出：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，說明徑流中各形態(tài)氮素流失濃度均隨著雨量和雨強(qiáng)增大而減小。而反坡臺階在A、B、C、D四種雨型下對徑流中NO3--N的濃度分別降低了39.33%、36.39%、33.79%和36.31%，而對徑流中NH4+-N的濃度則分別提高了2.95%、6.34%、16.27%和0.83%，反坡臺階在A雨型和D雨型下對徑流中NO3--N的濃度降低率和對徑流中NH4+-N的濃度的提高率存在顯著差異（<0.05）。不同雨型下反坡臺階對徑流中總氮流失量的削減率表現(xiàn)為：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，對徑流中硝態(tài)氮流失量的削減率表現(xiàn)為：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，對徑流中NH4+-N流失量的削減率表現(xiàn)為：C雨型>D雨型>B雨型>A雨型，均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而削減率降低的趨勢。

NO3--N、NH4+-N、DON+PN在1#小區(qū)中分別占WTN的39.15%，12.82%和48.03%，而在2#小區(qū)中分別占徑流WTN的36.82%，20.04%和43.14%。這說明NH4+-N相對來說隨徑流流失較少，NO3--N和DON+PN是隨徑流流失氮素的主要存在形式；另外，坡耕地布設(shè)反坡臺階后，隨徑流流失氮中NO3--N比例降低，而NH4+-N所占比例會增加。不同雨型下坡耕地流失NO3--N、NH4+-N所占WTN的比例也不同，不同雨型下1#和2#小區(qū)NO3--N比例表現(xiàn)為：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，NH4+-N比例表現(xiàn)為：A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，兩者均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而增加的趨勢。

2.3.2 反坡臺階對坡耕地隨徑流流失磷素的影響

由圖4可知，反坡臺階對徑流中WTP、DIP的削減效果均十分顯著，削減率分別達(dá)到71.52%和72.77%（圖4c,4d）。同時(shí)，1#和2#小區(qū)各形態(tài)氮素的流失濃度均呈現(xiàn)出：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，說明徑流中各形態(tài)磷素流失濃度均隨著雨量和雨強(qiáng)增大而減小。反坡臺階在A、B、C、D四種雨型下對徑流中TP的濃度分別降低了32.43%、47.97%、35.92%和40.93%，對徑流中DIP的濃度分別降低了43.53%、50.67%、36.84%和39.11%，說明反坡臺階對徑流中TP和DIP的流失濃度均有顯著的降低作用。不同雨型下反坡臺階對徑流中WTP的削減率表現(xiàn)為：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，對徑流中DIP的削減率表現(xiàn)為：B雨型>C雨型>A雨型>D雨型，均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而削減率降低的趨勢。

1#和2#小區(qū)中，DIP分別占隨徑流流失磷素的28.75%和26.50%，說明DIP在隨徑流流失磷素中所占比例較小，同時(shí)坡耕地布設(shè)反坡臺階后，徑流中DIP所占的比例略小于原狀坡耕地。不同雨型下1#和2#小區(qū)DIP的比例均表現(xiàn)為：A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而降低的趨勢。

注：DON+PN指溶解有機(jī)氮和顆粒態(tài)氮；DOP+PP指溶解有機(jī)磷和顆粒態(tài)氮；DIP指溶解無機(jī)磷。下同。

2.4 不同雨型下反坡臺階對坡耕地泥沙中氮、磷的影響

泥沙中氮磷數(shù)據(jù)由產(chǎn)沙較多的降雨取樣后測定，本節(jié)僅分析產(chǎn)生泥沙的降雨場次。2011～2016年6年間共計(jì)測定13次，其中A雨型6次，C雨型1次，D雨型6次，主要以A雨型和D雨型為主。從監(jiān)測結(jié)果來看（表5，表6），2#小區(qū)泥沙中STN、HN、STP和AP的流失濃度顯著大于1#小區(qū)（<0.01），這表明反坡臺階處理坡耕地流失泥沙中氮磷的含量均大于原狀坡耕地。反坡臺階對泥沙中STN和HN削減率分別達(dá)到57.32%和54.22%，對泥沙中STP和AP的削減率分別為67.38%和63.69%，反坡臺階對泥沙中磷素的削減率顯著大于氮素（<0.01）。不同雨型下，反坡臺階對泥沙中STN、HN的削減率呈現(xiàn)D雨型>A雨型>C雨型，而對STP、AP的削減率呈現(xiàn)A雨型>D雨型>C雨型，呈現(xiàn)出削減率隨著雨量和雨強(qiáng)增大而提高的趨勢。

1#和2#小區(qū)中，隨泥沙流失的HN分別占STN的8.89%和9.52%，隨泥沙流失的AP分別占STP的35.18%和39.32%，這表明坡耕地布設(shè)反坡臺階后隨泥沙流失的HN和AP所占的比例均有不同程度的增加。不同雨型下1#和2#小區(qū)流失的HN所占STN的比例均表現(xiàn)為：D雨型>A雨型>C雨型，而AP所占STP的比例均表現(xiàn)為：A雨型>D雨型>C雨型。

表5 反坡臺階對泥沙中氮素削減率

注：STN,HN分別指泥沙中全氮、水解性氮。下同。

Note: STN and HN represent total nitrogen and hydrolyzable nitrogen in the sediment. The same as below.

表6 反坡臺階對泥沙中磷素削減率

注：STP,AP分別指泥沙中總磷、速效磷。下同。

Note: STP and AP represent total phosphorus and available phosphorus in the sediment. The same as below.

3 討 論

本研究中反坡臺階在A、B、C、D四種雨型下的減流率分別為48.26%、54.27%、57.73%和51.02%，減沙率分別為71.06%、66.63%、68.68%和74.01%，不同雨型下反坡臺階的減流減沙效益不同，這是由反坡臺階的特點(diǎn)決定的。反坡臺階對坡耕地水土流失的削減作用，其機(jī)理在于對降雨和徑流的再分配。降雨是水土流失和面源污染的源動(dòng)力，當(dāng)降雨較小時(shí)，形成的地表徑流較少，反坡臺階上部產(chǎn)生的徑流可以全部攔蓄在反坡臺階內(nèi)，經(jīng)入滲后進(jìn)入土壤；當(dāng)降雨量和降雨強(qiáng)度較大時(shí)，形成的地表徑流量大于反坡臺階攔蓄容量及入滲量，徑流流入階下坡面，沖刷坡面帶走泥沙和養(yǎng)分。研究發(fā)現(xiàn)C雨型條件下反坡臺階減流率最強(qiáng)，而在D雨型下減沙率最強(qiáng)。在小雨強(qiáng)時(shí)由于降雨入滲所占比例較大，因此反坡臺階的攔蓄效果未能充分發(fā)揮；隨著雨強(qiáng)增大，在中小雨強(qiáng)下，反坡臺階攔蓄徑流作用得到最大發(fā)揮，此時(shí)減流效益最為明顯；而在中大雨量和中大雨強(qiáng)時(shí)，由于其攔蓄能力有限，徑流開始流出階面，使減流效益開始逐漸減小，但是反坡臺階仍能發(fā)揮減緩徑流流速和降低徑流動(dòng)能的作用，此時(shí)減沙效益最為顯著；而在大雨量和大雨強(qiáng)下，其能攔截的徑流有限，大量的徑流流出階面繼續(xù)沖刷坡面使得減沙效益逐漸減小。而楊帆等[29]發(fā)現(xiàn)，草地在雨量和雨強(qiáng)適中的Ⅱ雨型下的減流效益最佳，而在雨強(qiáng)較大的Ⅲ雨型下減沙效益最佳，這跟本文的研究結(jié)論類似。

反坡臺階削減坡耕地氮磷流失主要是通過削減徑流、泥沙實(shí)現(xiàn)的，其中通過52.11%的減流率可以削減率徑流中68.10%的WTN、69.81%的NO3--N和50.14%的NH4+-N，對徑流中WTP、DIP的削減率高達(dá)71.52%和72.77%；而通過71.30%的減沙率對可以削減泥沙中57.32%的STN、54.22%的HN、67.38%的STP和63.69%的AP。由于反坡臺階可以減緩徑流流速，使徑流對吸附于土壤顆粒表面的可溶性養(yǎng)分浸取時(shí)間延長，流速的減緩會增加部分溶解態(tài)養(yǎng)分向滲入土壤，進(jìn)而影響徑流、泥沙中各形態(tài)氮、磷的濃度。本研究發(fā)現(xiàn)，反坡臺階對徑流中硝態(tài)氮的濃度有一定的削減作用，對徑流中銨態(tài)氮濃度有一定的增加作用，而且對徑流中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的削減率呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而逐漸降低的趨勢。這主要是由硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的特性決定的，硝態(tài)氮容易隨徑流進(jìn)入土壤，而銨態(tài)氮通常吸附于土壤顆粒表面[6,30]，反坡臺階的存在能夠減緩徑流流速使硝態(tài)氮更容易隨徑流入滲進(jìn)入土壤從而使徑流中硝態(tài)氮濃度降低，而徑流流速減緩則使徑流與土壤充分接觸使吸附于土壤顆粒表面的銨態(tài)氮進(jìn)入徑流從而使徑流中銨態(tài)氮濃度升高；在雨量和雨強(qiáng)較小時(shí)，在反坡臺階減緩徑流流速的作用下，更多的硝態(tài)氮隨徑流入滲進(jìn)入土壤，因此反坡臺階對硝態(tài)氮削減率最強(qiáng)；而在大雨量和大雨強(qiáng)下，硝態(tài)氮進(jìn)入土壤的比例變小，大量的徑流促使吸附于土壤顆粒表面的銨態(tài)氮向徑流擴(kuò)散，使徑流中銨態(tài)氮濃度升高，因此反坡臺階對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的削減效果均減弱。張興昌[31]的研究表明，水平溝耕作使徑流中銨態(tài)氮濃度提高19%，使徑流中硝態(tài)氮濃度下降27%，王全九[32]和史靜[10]等的研究均認(rèn)為，硝態(tài)氮容易通過淋溶途徑進(jìn)入土壤，這跟本文的研究基本一致。本研究發(fā)現(xiàn)反坡臺階對于徑流中總磷和溶解無機(jī)態(tài)磷的濃度較顯著的降低作用，對徑流中總磷的削減率基本上均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而削減率降低的趨勢，這跟磷比較容易被土壤固定有關(guān)[33]，反坡臺階減緩徑流流速，使得徑流中磷和土壤溶液的反應(yīng)時(shí)間變長，從而更容易被土壤固定。

在本研究中，隨泥沙流失全氮占總流失氮素的40%～65%，隨泥沙流失全磷占總流失磷素的85%～95%，說明徑流和泥沙均為氮素流失的主要途徑，而磷素主要通過泥沙流失，這跟魯耀[16]和陳曉安[34]的研究基本一致；而在不同雨型下，隨泥沙流失全氮、全磷所占氮、磷總流失量的比例不同，基本上呈現(xiàn)出隨著雨強(qiáng)增大的趨勢。梁斐斐[18]的研究表明，紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙為載體，在降雨量較大時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯，這跟本文的研究類似。另外，本文研究中未能將DON和PN以及DOP和PP分開進(jìn)行研究，有待進(jìn)一步細(xì)化。

林超文等[17]研究發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)對地表徑流氮濃度影響較大，雨強(qiáng)越大，地表徑流中的氮含量越高。而本研究中，氮磷流失與降雨量、降雨強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系不顯著，而王小治等[35]研究發(fā)現(xiàn)施肥后徑流攜帶的磷以產(chǎn)生第一次徑流時(shí)為最多，這說明氮磷流失除了受降雨影響外，施肥與降雨的間隔時(shí)間對氮磷流失影響也較大。在下一步研究中，需要考慮施肥時(shí)間和降雨互相作用下反坡臺階對坡耕地氮、磷流失的影響。

反坡臺階在不同降雨條件下對徑流、泥沙及其攜帶的氮磷的削減效果不同，但是總體上削減效果均十分顯著，說明反坡臺階具有較好的控制板坡耕地水土和養(yǎng)分流失的效果。需要指出的是，由于反坡臺階上未種植作物，2#小區(qū)（布設(shè)反坡臺階）的植被覆蓋度比1#小區(qū)（原狀坡耕地）低2%~7%，（＜0.05）。研究表明，植被覆蓋度越小則對徑流和泥沙的攔蓄能力越弱[32]，而本研究中植被覆蓋度小的2#小區(qū)徑流、泥沙量以及氮、磷流失量反而強(qiáng)于1#小區(qū)，這足以說明充分考慮植被覆蓋度的條件下布設(shè)反坡臺階對徑流、泥沙流失的削減效益更強(qiáng)。由于本研究僅考慮了反坡臺階處理坡耕地產(chǎn)流的降雨場次，而在實(shí)際監(jiān)測中，還有26場降雨僅在原狀坡耕地小區(qū)產(chǎn)流，而反坡臺階處理坡耕地小區(qū)未產(chǎn)流，而這些場次降雨量在5.2~10.6mm之間，產(chǎn)流在0.5~3.8mm之間。若將這些因素考慮在內(nèi)，實(shí)際的反坡臺階的減流減沙及削減氮磷效益則更加顯著。此外，在山區(qū)坡耕地中布設(shè)反坡臺階，操作簡便，不受坡度限制，占用耕地面積小，同時(shí)蓄積在反坡階內(nèi)的徑流入滲進(jìn)入土壤，對于保持坡耕地土壤水分具有重要作用。因此，在山區(qū)坡耕地中推廣使用反坡臺階，對于控制和減少山區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。

4 結(jié) 論

1）基于降雨量、最大30 min雨強(qiáng)和降雨侵蝕力，研究區(qū)域的降雨可分為A雨型（高雨量、高雨強(qiáng)、高侵蝕力）、B雨型（低雨量、小雨強(qiáng)、小侵蝕力）、C雨型（低雨量、中低雨強(qiáng)、中低侵蝕力）、D雨型（中高雨量、中雨強(qiáng)、中高侵蝕力降雨）。B雨型是研究區(qū)發(fā)生頻率最高的降雨類型，A雨型和D雨型是造成紅壤坡耕地水土流失的主要降雨類型。

2）反坡臺階減流率和減沙率達(dá)到52.11%和71.30%，減沙率顯著大于減流率（<0.01）；不同自然降雨類型下反坡臺階的減流率表現(xiàn)為：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，減沙率表現(xiàn)為：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型；C雨型和B雨型下反坡臺階減流率顯著高于D雨型和A雨型（<0.05），減沙率則顯著低于D雨型和A雨型（<0.05）。

3）反坡臺階對徑流中總氮WTN、NO3--N、NH4+-N削減率分別達(dá)到68.10%、69.81%、50.14%，對徑流中總磷WTP、溶解無機(jī)磷DIP的削減率分別達(dá)到71.52%和72.77%，不同自然降雨類型下對徑流中WTN、NO3--N、NH4+-N、WTP、DIP的削減率均呈現(xiàn)出隨著雨量和雨強(qiáng)增大而降低的趨勢。

4）反坡臺階對泥沙中總氮（STN）、水解性氮（HN）削減率分別達(dá)到57.32%和54.22%，對泥沙中總磷STP和速效磷（AP）的削減率分別為67.38%和63.69%，不同自然降雨類型下，反坡臺階對泥沙中STN、HN、STP、AP的削減率呈現(xiàn)出削減率隨著雨量和雨強(qiáng)增大而提高的趨勢。

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Effects of reverse-slope terrace on nitrogen and phosphorus loss in sloping farmland of red loam under different rainfall patterns

Wang Shuaibing1, Song Yali2, Wang Keqin2※, Zhao Yangyi2, Zhang Jihui2, Yan Tengyun2, Chen Yu2

(1.,,150040; 2.,,650224)

In order to reveal the different effects and benefits of reverse-slope terrace on controlling nitrogen and phosphorus loss on sloping farmland, the loss of runoff, sediment, nitrogen and phosphorus after rainfall was observed in 2 sloping farmland standard runoff plots (1# and 2#) in central Yunnan Province from 2011 to 2016. The 1# plot is the original sloping farmland, and the 2# plot is the sloping farmland with reverse-slope terrace. The effects of early rainfall were eliminated; finally the data of 45 typical rainfalls were selected. Based on these data, 4 rainfall patterns were classified according to the amount, intensity and erosivity of rainfall with 2 methods including quick clustering and discriminant clustering: Type A (great amount, strong intensity and high erosivity of rainfall), Type B (low amount, minor intensity, small erosivity of rainfall), Type C (low amount, lowmedium intensity and erosivity of rainfall), Type D (high medium amount, intensity and erosivity of rainfall). Type B was the most frequent rainfall type in the study area, but soil and water loss in the red soil sloping farmland was mainly caused by Type A and Type D. Moreover, the reduction effect for runoff and sediment of reverse-slope terrace was extremely significant (<0.01), the reduction rate of runoff was 52.11% and the reductionrate of sediment was 71.30%, and the reduction rate of sediment was significantly greater than that of runoff (<0.01); the reduction rate of runoff was presented as Type C > Type B > Type D > Type A, and the reduction rate of sediment was presented as Type D > Type A > Type C > Type B; the reduction rate of runoff by reverse-slope terrace in Type C and Type B was significantly higher than that of Type D and Type A (<0.05), while the sediment reduction rate was significantly lower than that of Type D and Type A (<0.05). The reductionrates of reverse-slope terrace fortotal nitrogen, NO3--N, NH4+-N in runoff were 68.10%, 69.81% and 69.81%, respectively, and the reductionrates of total phosphorus, dissolved inorganic phosphate (DIP )in runoff were 71.52% and 72.77%, respectively. It was presented that the reductionrates of reverse-slope terrace for total nitrogen, NO3--N, NH4+-N, total phosphorus, and DIP in runoff were reduced with the increase of the rainfall amount and intensity in different rainfall patterns. In addition, reverse-slope terrace could cut 57.32% of total nitrogen, 54.22% of hydrolyzable nitrogen (HN), 67.38% of total phosphorus total phosphorus and 63.69% of available phosphorus (AP), and the reductionrates of total nitrogen, HN, total phosphorus, and AP in sediment were increased as the rainfall amount and intensity rose under different rainfall patterns. In conclusion, this study is very helpful both in revealing the mechanism and evaluating the efficiency of reverse-slope terrace to control non-point source pollution in sloping farmland. It also provides technical support for water and soil conservation and controlling agricultural non-point source pollution in mountainous areas from the source.

runoff; erosion; reverse-slope terrace; sloping farmland; rainfall pattern; sediment production; nitrogen and phosphorus loss

王帥兵，宋婭麗，王克勤，趙洋毅，張繼輝，閆騰云，陳 宇. 不同雨型下反坡臺階減少紅壤坡耕地氮磷流失的效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：160－169.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.019 http://www.tcsae.org

Wang Shuaibing, Song Yali, Wang Keqin, Zhao Yangyi, Zhang Jihui, Yan Tengyun, Chen Yu. Effects of reverse-slope terrace on nitrogen and phosphorus loss in sloping farmland of red loam under different rainfall patterns[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 160－169. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.019 http://www.tcsae.org

2018-01-18

2018-05-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.30660037）

王帥兵，博士生，主要從事小流域面源污染控制及水土保持研究。Email：wsbld257@163.com

王克勤，博導(dǎo)，教授，主要從事小流域環(huán)境綜合治理的理論與技術(shù)研究。Email：wangkeqin7389@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.019

S157.1

A

1002-6819(2018)-13-0160-10