紅壤區(qū)林下侵蝕劣地次降雨土壤及碳氮養(yǎng)分流失對(duì)恢復(fù)措施的響應(yīng)：基于7Be示蹤技術(shù)

陸朝陽(yáng) 王洪雨 薛婷婷 劉文祥，2 陳曉光 于寒青，*

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院重慶分院，重慶 400026）

我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)特殊的地形、氣候以及土壤質(zhì)地極易引起水土和養(yǎng)分流失［1-2］。盡管近期該區(qū)域森林面積逐年遞增，平均森林覆蓋率達(dá)52.87%，但約77%是馬尾松，單一林分結(jié)構(gòu)導(dǎo)致林下水土流失仍然存在［3］，林地水土流失引起土壤結(jié)構(gòu)惡化和植被生長(zhǎng)受阻，進(jìn)一步導(dǎo)致林地退化［4］，“遠(yuǎn)看青山在，近看水土流”的問題十分突出，嚴(yán)重影響該區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

隨著生態(tài)保護(hù)意識(shí)的提高和水土保持工作的加強(qiáng)，已有許多學(xué)者在該區(qū)水土流失防治、低效林改造、生態(tài)環(huán)境改善等方面開展了一系列研究，主要通過采取工程措施、生物措施或多種方式相結(jié)合的綜合防治措施來(lái)減少水土流失及土壤碳氮養(yǎng)分流失、恢復(fù)植被和提高土壤質(zhì)量［5-12］。因此，考慮本土先鋒植物的喬、灌、草復(fù)合配置結(jié)合水保工程措施可形成最優(yōu)資源配置，從而有效提升水土保持措施的生態(tài)效益［13］。

如何經(jīng)濟(jì)、有效的快速定量評(píng)價(jià)不同恢復(fù)措施的有效性對(duì)區(qū)域生態(tài)效益評(píng)估和水保措施制定具有重要意義，同時(shí)在方法上也是一個(gè)挑戰(zhàn)。徑流小區(qū)法［14］、稀土元素示蹤法［15］、通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）［17］等傳統(tǒng)方法均存在物力成本高、環(huán)境破壞嚴(yán)重和需要其他數(shù)據(jù)支撐等問題。環(huán)境放射性核素（fallout radionuclides，F(xiàn)RNs，137Cs，210Pbex和7Be）示蹤技術(shù)是通過比較研究區(qū)域與背景值點(diǎn)的核素差異來(lái)反映土壤侵蝕的一種方法，具有便捷的一次性野外調(diào)查、量化程度高、結(jié)果可靠等特點(diǎn)［18］。其中，7Be 是一種天然放射性核素，由大氣宇宙射線的轟擊產(chǎn)生（半衰期53.3 d），隨降雨穩(wěn)定地沉降于地表景觀。鑒于紅壤區(qū)137Cs環(huán)境本底值低，以及210Pbex不適用評(píng)價(jià)短期侵蝕速率，7Be在評(píng)價(jià)次降雨或季節(jié)性短期土壤侵蝕速率的優(yōu)勢(shì)尤為突出，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用并證實(shí)7Be對(duì)土壤養(yǎng)分變化有一定指示作用［19-20］，但基于7Be技術(shù)的紅壤區(qū)林下劣地恢復(fù)措施的有效性評(píng)價(jià)研究仍鮮有報(bào)道。

本研究以江西寧都典型紅砂巖地侵蝕退化馬尾松林地為研究對(duì)象，采用7Be 示蹤技術(shù)及野外小區(qū)監(jiān)測(cè)，明確不同恢復(fù)措施下林下劣地次降雨土壤及碳氮養(yǎng)分流失的變化特征，定量評(píng)價(jià)不同恢復(fù)措施的有效性，通過7Be 與土壤養(yǎng)分元素和植被因子之間的關(guān)系，探討土壤侵蝕對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分的影響，以期為紅壤區(qū)林下侵蝕劣地水土流失治理措施制定與生態(tài)效益評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江西省贛州市寧都縣石上鎮(zhèn)（116°02′31″E，26°41′46″N），見圖1。該區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，平均海拔1 454.9 m，年降雨量1 500～1 700 mm。4到6月降雨量占全年降雨量的40%～70%，7到9月降雨明顯減少，這一時(shí)期易形成伏、秋旱，年均氣溫14～19 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)1 938.8 h、無(wú)霜期為279 d。區(qū)域地貌以山地、丘陵為主，土壤主要為花崗巖和紅砂頁(yè)巖發(fā)育紅壤，土壤肥力較低，可蝕性較強(qiáng)。試驗(yàn)區(qū)主要植被類型為馬尾松、鐵芒萁，植被覆蓋度低，基巖裸露，林下水土流失嚴(yán)重。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置示意圖Fig.1 The location of study site

試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)：pH 值4.72，有機(jī)碳含量2.96 g·kg-1，全氮含量0.22 g·kg-1，堿解氮含量24.07 mg·kg-1，土壤砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）含量分別為83.77%，10.63%和5.60%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以2012 年飛播馬尾松治理的紅砂頁(yè)巖紅壤區(qū)林下劣地作為試驗(yàn)樣地，選取水土保持工程和本地典型先鋒植被復(fù)合配置措施，在2018 年4 月布設(shè)隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理：無(wú)恢復(fù)措施（CT）、魚鱗坑+喬草（FG）、魚鱗坑+喬灌（FS）、魚鱗坑+喬灌草（FGS）、小水平溝+喬草（FGP）、小水平溝+喬灌（FSP）、小水平溝+喬灌草（FGSP），每個(gè)處理小區(qū)規(guī)格為15 m×15 m（圖2）。

圖2 各處理試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)示意Fig.2 Schematic layout of experimental plots

以等高線為基準(zhǔn)挖掘小水平溝（規(guī)格：長(zhǎng)4～5 m，寬0.4 m，深0.4 m），用挖穴土在下方拍實(shí)作?。ㄒ?guī)格：埂頂寬0.3 m，埂高0.4 m），每個(gè)坡位設(shè)置1 個(gè)小水平溝；魚鱗坑開挖面呈半圓形（規(guī)格：直徑約0.8 m，深0.5 m，埂頂寬0.1 m，埂高0.15 m），按“品”字形分布設(shè)置魚鱗坑。在全坡面地表裸露處挖小穴種植本地先鋒植被，灌木包括胡枝子（Lespedeza bicolorTurcz.）、紫穗槐（Amorpha fruticosa），草本包括寬葉雀稗（PaspalumwettsteiniiHackel.）、百喜草（Paspalum natatu）、香根草（Vetiveria zizanioides）。在魚鱗坑內(nèi)引種喬木杜英（Elaeocarpus decipiensHemsl.）、木荷（Schima superba）、楓香（Liquidambar formosana）。引種喬木和灌木前分別在魚鱗坑種植穴內(nèi)施入復(fù)合肥和有機(jī)肥0.2、0.5 kg和0.1、0.2 kg；引種草種前按1∶2.5∶5的比例將草種、鈣鎂磷肥和表土等物料混勻，然后撒入種植穴，覆土填平［13］。

1.3 樣品采集及處理

1.3.1 樣品采集 布設(shè)試驗(yàn)前（2018年4月），利用分層隨機(jī)采樣法［13］進(jìn)行土壤背景值樣品采集。即將每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按5 m×5 m 的規(guī)格分為9 層（格子），每層（格子）重復(fù)采集3個(gè)土壤樣品（A、B 和C）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)共布設(shè)27 個(gè)點(diǎn)位，采用隨機(jī)方程賦予每層（格子）采樣點(diǎn)坐標(biāo)，并命名為A1、B1、C1、…、A9、B9、C9，根據(jù)當(dāng)?shù)赝翆雍穸扔弥睆綖?0 mm的土鉆采集0～10 cm土層土樣，相同字母編號(hào)樣品混合，7個(gè)試驗(yàn)小區(qū)共21個(gè)混合樣品，以降低分析成本并保證樣本具有代表性。風(fēng)干后，一部分土樣沿土體結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑約1 cm 的小土塊，把干篩分取的風(fēng)干土壤樣品按比例配成100 g 的水沙混合物，用于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定；剩余土樣一部分過2 mm篩，用于土壤pH值、速效氮含量的測(cè)定，另一部分過0.15 mm篩，用于土壤有機(jī)碳和全氮含量的測(cè)定。

2022年6月17日至6月22日（總降雨量63.4 mm，最大降雨量為30.4 mm，最小降雨量為3.2 mm，6月17日平均雨強(qiáng)為4.34 mm·h-1）降雨結(jié)束后，利用表土層取樣器采集0～2 cm 土壤樣品。同樣采用分層隨機(jī)采樣法，每層（格子）重復(fù)采集3個(gè)土壤樣品（A、B 和C）混合為1個(gè)樣品，7個(gè)試驗(yàn)小區(qū)共63個(gè)混合樣品，去除雜物后過2和0.15 mm篩，分別測(cè)定7Be比活度（Bq·kg-1）、土壤速效氮和有機(jī)碳、全氮含量。

1.3.2 參考點(diǎn) 準(zhǔn)確的7Be 參考點(diǎn)（reference site，RS）是利用轉(zhuǎn)換模型估算土壤侵蝕速率的關(guān)鍵，在試驗(yàn)地坡頂部平坦部位建立3個(gè)1 m×1 m小區(qū)作為參考點(diǎn)，不做任何處理，在降雨期前去除雜草以防止其對(duì)7Be的攔截。每個(gè)小區(qū)采集3 個(gè)0～2 cm 土壤剖面，同時(shí)采集0～20 mm 剖面分層樣品：在0～10 mm 剖面中以2 mm 一層采集分層樣品，以5 mm遞增采集10～20 mm剖面分層樣品，以確定7Be轉(zhuǎn)換模型中的剖面輪廓質(zhì)量深度（h0）［21］。通過計(jì)算得出參考點(diǎn)7Be 面積活度為（212.08±43.23）Bq·m-2，剖面輪廓質(zhì)量深度h0為5.90 kg·m-2。

1.4 植被蓋度、土壤養(yǎng)分及7Be活度測(cè)定

植被覆蓋度（vegetable coverage，VC）的測(cè)定采用樣帶法［22］，將每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)劃分為9 個(gè)5 m×5 m 的樣地，沿樣地對(duì)角線設(shè)置1條調(diào)查樣帶，在樣帶內(nèi)以0.1 m為間隔連續(xù)采樣，記錄接觸樣帶線植物個(gè)體數(shù)，按植物類型分成喬木（F）、草類（G）、灌木（S），其中出現(xiàn)植被樣數(shù)占總樣數(shù)的比值即為總植被蓋度（VC），共調(diào)查63 個(gè)樣地。土壤理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定［23］，其中，土壤pH 值采用PHS-3C 玻璃電極pH 計(jì)（雷磁，上海）測(cè)定，土水比1∶2.5；土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）含量采用K2Cr2O7—H2SO4外加熱法測(cè)定；土壤全氮（total nitrogen，TN）含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤速效氮（available nitrogen，AN）含量采用1.0 mol·L-1NaOH堿解擴(kuò)散法測(cè)定。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成采用濕篩法測(cè)定，分離出＞2、2～0.25、0.25～0.053、＜0.053 mm粒級(jí)，按公式（1）計(jì)算各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（R）。

式中，MTi為第i粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量（g）；MT為團(tuán)聚體總重量（g）。

7Be活度利用配有高分辨率高純鍺（HPGe）探測(cè)器的BE5030 伽馬能譜儀（美國(guó)Canberra 公司）測(cè)定，該檢測(cè)器的效率為42.75%，分辨率為1.92 keV。在能量峰477.6 keV 下測(cè)試7Be 的質(zhì)量活度，其計(jì)數(shù)時(shí)間為43 200～86 400 s，測(cè)量結(jié)果的分析精度約為±10%。

1.5 7Be面積活度殘留率

式中，CBe為坡面采樣點(diǎn)7Be 面積活度；CRS為參考點(diǎn)7Be面積活度。

1.6 利用7Be 評(píng)價(jià)土壤侵蝕速率與碳氮磷養(yǎng)分流失速率

本研究所選取的試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榱窒虑治g劣地，計(jì)算模型選用Walling 的7Be 土壤剖面分布模型（profile distribution model，PDM）［24-25］，計(jì)算公式如下：

該轉(zhuǎn)換模型是基于假設(shè)：7Be在土壤剖面的分布可用指數(shù)函數(shù)描述：

式中，x為質(zhì)量深度（kg·m-2）；CBe(x)為x處7Be 質(zhì)量活度（Bq·kg-1）；CBe(0)為地表（即x=0）7Be 質(zhì)量活度（Bq·kg-1）；h0為剖面輪廓系數(shù)（kg·m-2）。

7Be 背景值A(chǔ)ref（Bq·m-2）為未發(fā)生土壤流失和沉積的平坦地面上7Be的面積活度，計(jì)算公式如下：

質(zhì)量深度x以下7Be 面積活度ABe(x)計(jì)算公式如下：

對(duì)于侵蝕區(qū)，轉(zhuǎn)換模型假設(shè)侵蝕作用使厚度為h（kg·m-2）質(zhì)量深度的整個(gè)薄層土壤流失掉，且h = RBe，土壤侵蝕速率RBe（t·hm-2·event-1）計(jì)算公式為：

土壤養(yǎng)分流失速率Ceros計(jì)算公式如下：

式中，Ceros為次降雨土壤養(yǎng)分流失量（t·hm-2·event-1）；C 為受侵蝕原位表層土壤養(yǎng)分含量（g·kg-1）；P 為養(yǎng)分富集系數(shù)（enrichment ratio，ER）。流失細(xì)顆粒泥沙對(duì)養(yǎng)分物質(zhì)的強(qiáng)烈吸附可造成流失泥沙養(yǎng)分物質(zhì)含量高于原位土壤，這種富集作用可用養(yǎng)分富集系數(shù)P表示；但大多數(shù)研究中將P 默認(rèn)為1，即不考慮富集作用［26］，本研究試驗(yàn)區(qū)域土壤機(jī)械組成中細(xì)顆粒泥沙占比較低，其富集作用可忽略不計(jì)，因此本研究將P賦值為1。

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗(yàn)不同處理間RBe、SOC、TN和AN 變化的差異顯著性（Duncan，α=0.05），采用Pearson 法對(duì)SOC、TN、AN、VC 和7Be 作簡(jiǎn)單相關(guān)性分析；并運(yùn)用SPSS 26.0 軟件構(gòu)建多元逐步線性回歸模型，分析碳氮養(yǎng)分流失的主要影響因素。使用Origin 2021b軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)措施下7Be 面積活度和土壤侵蝕速率變化

由表1可知，F(xiàn)GSP、FGS處理7Be面積活度較高，分別為197.58、196.35 Bq·m-2，顯著高于CT（P＜0.05）。與參考點(diǎn)相比，F(xiàn)GSP、FSP、FGP、FGS、FS、FG處理的7Be殘留率分別為-6.84%、-33.13%、-22.06%、-7.42%、-13.40%、-23.70%，表明均發(fā)生了土壤流失。各恢復(fù)措施土壤侵蝕速率均小于對(duì)照，從小到大依次為FGSP＜FGS＜FS＜FGP＜FG＜FSP，其中FGSP、FGS 處理侵蝕速率較低，分別為4.43、4.94 t·hm-2·event-1，顯著低于CT及FSP 處理（P＜0.05），與其余處理差異不顯著，同時(shí)，F(xiàn)GSP、FGS 處理的減蝕率也較高，分別為85.49%、83.81%。上述結(jié)果表明，兩個(gè)工程措施區(qū)組中喬灌草復(fù)合措施（FGSP 和FGS）減蝕效果較好，但不同工程措施之間差異不顯著。

表1 不同處理土壤7Be面積活度、7Be殘留率、土壤侵蝕速率及減蝕率的變化Table 1 Variation of 7Be inventory， 7Be residual percentage， soil erosion rate and percentage of sediment reduction under different treatments

2.2 不同恢復(fù)措施下土壤碳氮磷養(yǎng)分含量及流失速率

試驗(yàn)實(shí)施4年后，不同恢復(fù)措施SOC含量為5.35～7.09 g·kg-1。各恢復(fù)措施SOC 含量較CT 的增幅均高于20%，其中，F(xiàn)GSP、FGP 的SOC 含量顯著高于CT（P＜0.05），但與其他處理差異不顯著（圖3-A）。除FSP外，各恢復(fù)措施SOC 流失速率較CT 的降幅均高于30%，其中FGSP 和FGS 的SOC流失速率（28.71、31.67 kg·hm-2·event-1）較CT 顯著降低（P＜0.05）。此外，小水平溝和魚鱗坑工程措施區(qū)組中喬灌草復(fù)合植被措施的SOC流失速率最低，即：FGSP＜FGP、FSP，F(xiàn)GS＜FG、FS，說(shuō)明復(fù)合植被結(jié)合不同工程措施對(duì)SOC 流失速率降低效果好于單項(xiàng)植被措施（圖3-B）。

圖3 不同處理土壤有機(jī)碳、全氮及速效氮含量及其流失速率的變化Fig.3 Variation of SOC， TN and AN concentration and its loss rate under different treatments

由圖3-C、D可知，除FSP、FS外，各恢復(fù)措施TN含量較CT 的增幅均高于30%，其中FGS、FGSP 的TN 含量較高，分別為0.70、0.69 g·kg-1，顯著高于CT處理（P＜0.05）。相較于CT，各恢復(fù)措施TN 流失速率均有所下降，F(xiàn)GSP 降幅最高，為81.64%，F(xiàn)GSP 和FGS 的TN 流失速率較低，分別為2.73、3.33 kg·hm-2·event-1，顯著低于CT（P＜0.05）。綜上，TN 整體變化趨勢(shì)與SOC 一致，兩個(gè)水保工程區(qū)組內(nèi)喬灌草復(fù)合植被措施減少TN流失效果最優(yōu)。

由圖3-E、F 可知，不同于SOC、TN 含量變化特征，除FGP 外，各恢復(fù)措施AN 含量相較于CT 均有所下降，其中，F(xiàn)G 降幅最高，為30.68%，F(xiàn)G、FSP 的AN 含量（18.48、18.80 mg·kg-1）顯著低于CT（P＜0.05）。AN 流失速率變化特征整體與SOC 一致，F(xiàn)GS 和FGSP 的AN流失速率較低，分別為0.09、0.12 kg·hm-2·event-1。與CT 相比，各恢復(fù)措施AN 流失速率有明顯下降，除FGP、FSP 外，各處理AN 流失速率均顯著低于CT（P＜0.05），且降幅均高于60%，說(shuō)明魚鱗坑工程措施能夠有效抑制坡面林下土壤中AN的流失。

2.3 不同恢復(fù)措施下植被蓋度的變化

各恢復(fù)措施下坡面植被蓋度變化特征顯示（圖4），與CT 相比，各恢復(fù)措施的植被蓋度均有明顯提升，F(xiàn)GSP、FSP、FGP、FGS、FS、FG 分別提升42.50、29.06、49.60、11.22、25.19、39.69 個(gè)百分點(diǎn)，其中FGP 植被蓋度最高，為79.63%，F(xiàn)GSP（72.53%）和FG（69.72%）次之，此外，F(xiàn)GS 的植被蓋度顯著低于小水平溝區(qū)組（FGSP、FSP、FGP），而FG和FS處理間無(wú)顯著差異。

圖4 不同處理植被蓋度的變化Fig.4 Vegetation coverage under different treatments

2.4 7Be與土壤養(yǎng)分及植被指標(biāo)的相關(guān)性分析和碳氮流失回歸分析

為研究林下劣地水土流失速率對(duì)恢復(fù)措施的響應(yīng)，分析了7Be 面積活度與土壤養(yǎng)分含量和植被蓋度之間的相關(guān)性，結(jié)果表明（圖5），7Be 面積活度和SOC、TN、AN 含量及VC 呈顯著或極顯著正相關(guān)，說(shuō)明7Be 與SOC、TN、TP、AN是同一物理運(yùn)移。

圖5 土壤7Be面積活度與土壤養(yǎng)分含量及植被蓋度的線性擬合及相關(guān)性分析Fig.5 Linear fitting and correlation analysis of 7Be inventory with soil nutrients and vegetation indicators

逐步回歸分析結(jié)果表明（表2），RBe和VC對(duì)SOC流失速率變異的綜合解釋為94.7%（P＜0.001），說(shuō)明RBe和VC是SOC流失速率差異的主導(dǎo)因子；RBe、TN和VC能共同解釋TN 流失速率98.3%的變異程度（P＜0.001），說(shuō)明RBe、TN 和VC 是控制TN 流失速率變異的主要因子；而RBe解釋AN流失速率變異的85.6%（P＜0.001）。

表2 土壤碳氮養(yǎng)分流失與各因子的逐步回歸分析Table 2 Stepwise regression analysis of SOC， TN and AN loss with various factor

3 討論

3.1 不同恢復(fù)措施對(duì)土壤7Be 面積活度及土壤侵蝕速率的影響

采取恢復(fù)措施4年后，各恢復(fù)措施的7Be面積活度均小于參考點(diǎn)值，定性表明不同恢復(fù)措施仍有土壤侵蝕，但7Be 面積活度在喬灌草混交模式（FGSP、FGS）顯著高于對(duì)照處理。一方面小水平溝的邊行優(yōu)勢(shì)可優(yōu)化植物生長(zhǎng)環(huán)境，魚鱗坑能很好地促進(jìn)坡面植被和措施內(nèi)植被的自然恢復(fù)，攔截更多降雨和7Be 沉降并吸附到土壤，另一方面復(fù)合植被措施的冠層結(jié)構(gòu)優(yōu)于單一植被，7Be攔截效果更佳。

研究表明，植被對(duì)7Be 的吸附攔截會(huì)對(duì)土壤侵蝕速率估算精度產(chǎn)生一定的影響［27］，雖然本研究各恢復(fù)措施植被總蓋度最高可達(dá)到70%以上，但裸地占各坡面總面積的百分?jǐn)?shù)平均為37.09%，總體坡面近地表植被呈斑駁分布，基于分層隨機(jī)采樣法的樣品大多來(lái)自于裸地和少量草地，這與Porto 等［28-29］的研究一致，即在不連續(xù)的、斑駁的地表植被覆蓋坡面上采集7Be 樣品并結(jié)合7Be 侵蝕量估算模型獲得的結(jié)果是可接受的。張風(fēng)寶等［30］以坡面生長(zhǎng)期內(nèi)的植物為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)7Be 截留率與單位面積植物量成正比，坡面7Be 的植被截留吸收率為3.35%～8.44%，處于較低水平。本研究引種的喬木均是3～4 年林齡的幼林，近地表植被覆蓋斑駁，因此單位面積植物量相對(duì)成熟林較??；此外，本研究所引種喬木為杜英等闊葉喬木，相比單一針葉林的冠層比表面積小，對(duì)7Be 截留量小，降雨透流率高，7Be 更易通過樹干徑流進(jìn)入土壤［31］，綜上所述，冠層截留對(duì)土壤侵蝕速率估算的影響不大，在本研究中可忽略不計(jì)。

本研究基于7Be示蹤技術(shù)估算的次降雨土壤侵蝕速率為4.43～24.04 t·hm-2·event-1，與三峽庫(kù)區(qū)（23.50 t·hm-2·event-1）［19］和廣西紅壤區(qū)（3.40～26.20 t·hm-2·event-1）［21］利用該技術(shù)估算的結(jié)果基本一致。但土壤侵蝕估算結(jié)果受土壤質(zhì)地、植被覆蓋以及人為干擾程度的影響，如巴西Serra Verde河流域內(nèi)主要土地利用類型為牧場(chǎng)，土壤以粘土為主，導(dǎo)致土壤侵蝕速率相對(duì)較高（42.20 t·hm-2·event-1）［32］。本研究中喬灌草植被混交模式土壤侵蝕速率最低，減蝕量最高，說(shuō)明該模式下水土保持效益最優(yōu)。究其原因，首先，小水平溝坑體蓄積降雨以消減洪峰［33］，魚鱗坑分段、分片切斷徑流［34］；其次，植被地上部分削弱雨滴濺蝕力度［10，35］，地下根系部分增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性［36-37］，綜合減蝕效果優(yōu)于單一植被。土壤侵蝕速率在FSP 處理下顯著高于FGSP、FGS 處理，這可能是由于FSP 處理坡面與試驗(yàn)地坡頂小道毗鄰，試驗(yàn)期間存在預(yù)埋電線桿等人為活動(dòng)擾動(dòng)，因而導(dǎo)致土壤侵蝕速率顯著升高［38-39］。值得注意的是，本研究中不同工程措施區(qū)組的土壤侵蝕速率之間差異不顯著，說(shuō)明相較于恢復(fù)措施的短期效應(yīng)，實(shí)施恢復(fù)措施4 年后，植被覆蓋對(duì)減少林下劣地土壤流失起主要作用。這與陳洋等［40］和Huang 等［41］的研究結(jié)果一致，即在低雨強(qiáng)、長(zhǎng)歷時(shí)的降雨下，植被截留與削弱雨滴動(dòng)能效果最好，是侵蝕發(fā)生的首要控制因素。

3.2 不同恢復(fù)措施對(duì)土壤碳氮含量及流失速率的影響

林下侵蝕劣地采用恢復(fù)措施后，土壤SOC、TN 含量相較對(duì)照組均有不同程度提升。這可能是由于喬、灌、草恢復(fù)模式下，植被生物量和多樣性的提高使土壤養(yǎng)分輸入途徑增多，地表凋落物分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)和氮磷元素含量增加［42］，植物根系分泌有機(jī)酸促進(jìn)土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)［43］，土壤肥力和結(jié)構(gòu)得以提高和改善；此外，試驗(yàn)初期所施用的有機(jī)肥、復(fù)合肥和鈣鎂磷肥也有利于土壤碳氮積累。本試驗(yàn)前期研究結(jié)果也表明，本土先鋒植被與工程措施復(fù)合配置可在短期內(nèi)提高林下侵蝕劣地土壤SOC、TN、AN 含量，且土壤碳氮含量在小水平溝區(qū)組顯著高于魚鱗坑區(qū)組［13］。而隨著恢復(fù)措施實(shí)施年限的增長(zhǎng)（4 年），土壤養(yǎng)分含量在不同工程措施區(qū)組之間未表現(xiàn)出顯著差異，與Li等［44］的研究結(jié)果一致，即在三峽庫(kù)區(qū)實(shí)施生態(tài)工程中長(zhǎng)期（8 年）后，土壤碳氮流失被有效控制，但養(yǎng)分含量在處理之間無(wú)顯著差異。

與養(yǎng)分含量變化特征不同，SOC、TN 及AN 流失速率變化特征一致。在實(shí)施恢復(fù)措施4 年后，SOC、TN、AN 流失速率在兩個(gè)工程措施區(qū)組喬灌草復(fù)合模式下（FGSP、FGS）較低，并且顯著低于對(duì)照組，這主要是由于小水平溝、魚鱗坑工程措施結(jié)合喬灌草復(fù)合植被措施能最大程度上抑制土壤養(yǎng)分流失［45-48］，而區(qū)組之間差異不顯著，表明喬灌草復(fù)合模式的作用尤為突出。

3.3 7Be 與土壤、植被因子的關(guān)系及碳氮養(yǎng)分流失的影響因素

本研究結(jié)果表明，7Be 面積活度和SOC、TN、AN 含量及VC 呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。這主要是由于土壤碳氮養(yǎng)分和7Be 都緊密結(jié)合于表層土的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中，尤其土壤細(xì)顆粒（＜63 μm）是侵蝕驅(qū)動(dòng)的土壤碳氮養(yǎng)分和7Be 發(fā)生同一物理機(jī)械運(yùn)移的主要載體［49］；隨著植被蓋度的顯著增加，植被冠層和林下植被對(duì)降雨侵蝕有所消減［34］，地表凋落物覆蓋增強(qiáng)了土壤表面的粗糙度和滲透率，減少了地表徑流和泥沙輸出［37］，同時(shí)，植物地下根系及其分泌物對(duì)小粒徑團(tuán)聚體的凝結(jié)作用進(jìn)而提高了土壤團(tuán)聚體總含量［50］，增強(qiáng)了吸附核素沉降；此外，土壤侵蝕速率、植被蓋度和土壤養(yǎng)分是影響土壤碳氮流失的主要因素。說(shuō)明土壤碳氮養(yǎng)分流失受植被-土壤-水土過程耦合互作的影響［40，51］，增加地表植被覆蓋一定程度上改善了土壤養(yǎng)分狀況和土壤結(jié)構(gòu)，間接減少了地表徑流，增加了降雨入滲，減緩了土壤侵蝕的發(fā)生，從而減少土壤碳氮養(yǎng)分流失。而AN 含量在各處理上的積累主要是來(lái)自養(yǎng)分歸還、大氣氮沉降和引種豆科固氮灌木，且容易被植物根系吸收［52］，土壤AN 含量和植被蓋度無(wú)明顯相關(guān)性。綜上，本研究中土壤侵蝕是導(dǎo)致AN 流失的主要因素。這與陳曉安等［53］的研究結(jié)果一致，即紅壤區(qū)坡耕地泥沙攜帶的速效氮養(yǎng)分流失很大程度上受泥沙流失量的影響。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，與參考點(diǎn)相比，F(xiàn)GSP、FGS 恢復(fù)措施下7Be面積活度損失最小，土壤侵蝕速率均顯著低于對(duì)照，減蝕率分別為85.49%和83.81%，說(shuō)明喬灌草植被復(fù)合配置結(jié)合水保工程措施減蝕效果最優(yōu)；隨著部分處理植被覆蓋度的顯著增加，地上空間立體配置（林冠層、灌草層和枯枝落葉層）和地下根系（尤其是草灌細(xì)根）對(duì)減少林下劣地土壤流失起到主要的控制作用，土壤侵蝕速率在工程措施區(qū)組間差異不顯著；與CT相比，SOC、TN 含量在FGSP、FGS措施下顯著提升，而AN含量變化不顯著；小水平溝和魚鱗坑區(qū)組中喬灌草植被復(fù)合措施（FGSP、FGS）對(duì)土壤碳氮流失的控制效果最好；土壤7Be 面積活度與土壤養(yǎng)分含量和植被蓋度呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明7Be 與SOC、TN、AN組分在坡面上同一物理運(yùn)移；土壤侵蝕速率、植被蓋度和土壤養(yǎng)分是影響土壤碳氮流失的主要因素。綜上，喬灌草復(fù)合植被措施與水保工程措施復(fù)合配置是林下侵蝕劣地減蝕增效的有效措施，土壤碳氮養(yǎng)分流失受植被-土壤-水土過程耦合互作的影響，7Be 技術(shù)可有效評(píng)價(jià)基于次降雨林下劣地恢復(fù)措施的有效性。