Characterization and attribution of water-soil-nutrient leaching from red soil under vegetation restoration conditions

研究区位于江西省吉安市泰和县 (26°27′~26°58′N，114°17′~115°20′E)，多山地、丘陵，平均海拔为90 m，第四纪红土母质；属亚热带季风气候，年平均日照时数为1 756.4 h，年平均气温为18.7 ℃，年平均降水量为1 580.6 mm，50%以上全年降水量集中在4—7月上旬。20世纪80年代以前，由于特殊的地理环境和人为破坏，当地土壤侵蚀严重，土地贫瘠^[20]。20世纪90年代在该区进行了植被恢复，所选树种有马尾松Pinus massoniana、湿地松P. elliottii、枫香Liquidambar formosana、木荷Schima superba等^[21]。

于2019年7月进行样地选取及样品采集。选取该地区马尾松纯林(PM)、湿地松纯林(PE)、马尾松-木荷混交林(RMS)、湿地松-木荷混交林(RES)等4种植被恢复模式为研究对象。每种植被恢复模式选取5个样地作为重复，各样地设置20 m×20 m样方，去除表层凋落物后，按5点取样法采取0~10、10~20、20~40 cm原状土，共采集60个样品。所有样品均装在铝制样品盒中，并在冷却器中运输至实验室。每个样品的一部分被保留用于土柱淋溶实验。将剩余土样除去根和石块后，风干，并过2 mm筛，用于土壤理化性质测定。使用100 cm³的环刀采集土壤样品，用于测定土壤容重(BD)和含水率。各植被恢复模式土壤基本状况如表1。

实验装置如图1所示。实验土柱由内径为10 cm、高为50 cm的聚氯乙烯圆形管制成。在土柱底部放置1块3 cm厚的多孔板，并使用250 g·m⁻²的土工布作为过滤层，以防止土壤颗粒损失。在过滤层下方设置出水软管。在正式填充之前，将凡士林涂布在管道内壁上，以避免土层与管壁之间的间隙效应，并防止贴壁优先流的发生。采用分层填筑的方法填筑土层。在填筑过程中向每层土层加水，以达到田间自然容重，最终形成40 cm厚的模拟基质土柱。为了使水分均匀分布，减少水分对土柱的干扰，填充后再填充1层直径为3 mm的干净玻璃珠，并在基底与玻璃珠的接触面上布置1层150目尼龙网。基于马氏瓶原理，为了保证入口流速均匀，防止水压变化对入口流速的影响，在立柱上方固定1个入口装置。在土柱的10 cm处，有1个圆形开口，用于收集径流和泥沙^[22]。

Figure 1.  Leaching experiment equipment diagram

根据当地普通侵蚀性暴雨(＞72.5 mm·d⁻¹)产生＞60 mm径流状况^[23]，设计4种淋溶强度：60 mm·d⁻¹(低淋溶强度)、90 mm·d⁻¹(中低淋溶强度)、120 mm·d⁻¹(中高淋溶强度)、150 mm·d⁻¹(高淋溶强度)，分别代表普通、大、强、超强侵蚀性降雨。在2 h的淋溶实验中，将出口放置在采样软管下，在第5、10、20、30、45、60、90、120 分钟分别收集1次含泥沙的径流样品。静置后，分别分离径流泥沙于量筒和铝盒中，测量径流量和烘干后土样质量。用干筛法和湿筛法测定泥沙颗粒组成；根据Elliott方法将泥沙颗粒筛分为＞2.000、2.000~0.250、0.250~0.053和≤0.053 mm (下限排除法)等 4个粒级^[24]。

土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾-外加热容量法测定；土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法测定；土壤全磷(TP)采用钼锑抗法测定；土壤容重(BD)采用环刀法测定；用Phoenix 8000型总有机碳分析仪测定径流中的有机碳、全氮、全磷^[25]。采用平均质量直径(D_MW，mm)和 ＞0.250 mm泥沙颗粒质量分数(R_0.25)表征泥沙颗粒稳定性。分别采用以下公式计算^[26]：${D}_{\mathrm{M}\mathrm{W}}=\displaystyle\sum _{i=1}^{n}\left({x}_{i}{W}_{i}\right) $；${R}_{0.25}=\dfrac{{W}_{R ＞ 0.25}}{{M}_{\mathrm{T}}} $。其中：x_i表示粒级颗粒的平均直径(mm)；W_i表示粒级颗粒质量所占样品总质量的百分比(%)；W_R＞0.25代表泥沙＞0.250 mm泥沙颗粒质量之和；R_0.25为＞0.250 mm泥沙颗粒质量分数；M_T为颗粒的总质量，n代表标准筛数量。

运用Excel 2021初步整理数据， SPSS 27.0进行数据处理， Origin 2023b软件制图。所有图表中显示的数据均为平均值±标准误。运用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行不同数据的差异比较。采用Pearson相关性分析研究不同植被恢复条件下红壤的养分淋溶流失特征与径流泥沙的关系。通过R语言rf Permute包进行随机森林(random forest)分析，计算径流、泥沙及泥沙颗粒组成等因子对土壤养分淋溶流失的影响程度。

由图2A可知：淋溶初期各植被恢复模式土壤产流率快速上升，达到峰值后呈波动性稳定；土壤产流率、总产流量在不同淋溶强度下存在显著差异(P＜0.05)，而相同淋溶强度下植被恢复类型对土壤产流率及总产流量没有显著影响(表2)。150 mm·h⁻¹淋溶下，5 min内即有土壤初始产流，快于其他淋溶强度，说明高淋溶强度会减少土壤产流滞后时间。

Figure 2.  Runoff and sediment production processes of red soil under different leaching intensities

土壤产沙特征与产流特征类似(图2B)。土壤产流率在第10 分钟达到峰值随后降低，而产沙率在5~10 min内快速上升，于第30 分钟达到峰值。120、150 mm·h⁻¹淋溶下产流率无显著差异，分别为1.85、2.68 mL·min⁻¹；但产沙率表现为150 mm·h⁻¹显著高于120 mm·h⁻¹，分别为2.27、1.63 g·min⁻¹(P＜0.05)，这说明在不同淋溶强度下，土壤产沙时间滞后于产流时间。本研究中各淋溶强度(从低到高) 下土壤总产流量分别为169.4、257.4、382.1、430.5 mL；总产沙量分别为110.9、163.8、206.7、287.4 g。

淋溶强度变化影响产流产沙的同时，也影响泥沙颗粒组成。淋溶强度增大，红壤各土层团聚体更易以大颗粒形式从原始土层中剥离，各植被恢复模式流失泥沙中＞2.000 mm颗粒质量分数平均增加25.45%、≤0.053 mm颗粒质量分数平均减少31.79 %，而2.000~0.250 mm和0.250~0.053 mm泥沙颗粒质量分数变化不显著(图3)。马尾松纯林＞2.000 mm泥沙颗粒质量分数(11.24%)在150 mm·h⁻¹淋溶显著低于其他植被恢复模式(P＜0.05)(图4A)，而马尾松纯林其他粒级颗粒质量分数在150 mm·h⁻¹淋溶与另外3种植被恢复模式无显著差异，这说明马尾松纯林＞2.000 mm团聚体在高强度淋溶侵蚀下较其他林地更易周转为其他粒径颗粒。

Figure 3.  Changes in particle size distribution of sediment in red soil under different leaching intensities under 4 vegetation restoration modes

Figure 4.  Stability of sediment particles in 4 vegetation restoration modes under different leaching intensities

淋溶强度增加，泥沙颗粒D_MW、R_0.25升高，即泥沙颗粒稳定性随淋溶强度的增加而提高，但在单一淋溶强度下，不同植被恢复模式泥沙颗粒稳定性指标存在差异(图4)。

马尾松-木荷混交林在150 mm·h⁻¹淋溶强度下D_MW为2.07 mm，R_0.25在60、150 mm·h⁻¹分别为72.51%、85.38%，均显著高于其他植被恢复模式(P＜0.05，图4)，说明马尾松-木荷混交林在60和150 mm·h⁻¹淋溶下，流失的泥沙颗粒较其他植被恢复模式更为稳定。马尾松纯林泥沙颗粒D_MW、R_0.25在150 mm·h⁻¹淋溶强度下分别为1.49 min，77.24 %，显著低于其他植被恢复模式(P＜0.05)，这说明马尾松纯林团聚体在应对高强度淋溶侵蚀时稳定性较差。各植被恢复模式红壤泥沙颗粒指标在90、120 mm·h⁻¹淋溶无显著差异。

淋溶侵蚀破坏土壤结构，产生径流泥沙，同时伴随着养分迁移。高淋溶强度(150 mm·h⁻¹) 下4种植被恢复模式径流携带的有机碳、全氮、全磷分别为16.13、11.53、0.15 mg·L⁻¹，而低淋溶强度(60 mm·h⁻¹)中径流流失养分对应为5.45、7.69、0.061 mg·L⁻¹。150 mm·h⁻¹淋溶强度下径流携带养分显著高于60 mm·h⁻¹(P＜0.05)；90、120 mm·h⁻¹淋溶强度径流携带养分无显著差异(图5A1、5B1、5C1)。不同淋溶强度下泥沙携带的养分特征与径流类似(图5A2、5B2、5C2)。

Figure 5.  Nutrient changes in runoff (left) and sediment (right) under different leaching intensities

本研究泥沙有机碳、全氮、全磷流失量占径流泥沙流失总养分的比例分别为99.92%、98.22%、99.95%，说明这3种养分的主要流失介质是泥沙。此外，各植被恢复模式泥沙有机碳、全氮、全磷在90、120 mm·h⁻¹淋溶强度均无显著差异(图5)。这与泥沙颗粒稳定特征类似。

表层土壤在应对不同淋溶强度时产生径流泥沙，进而影响养分迁移，因此分析了表层土壤养分淋溶的主要影响因子的相关性(图6)。结果表明：产流率和产沙率是影响颗粒粒径质量分数及相关稳定性的重要指标，而产流量和产沙量对泥沙不同粒径颗粒质量分数影响不显著。其中，≤0.053 mm颗粒质量分数与产流率和产沙率呈现显著负相关(P＜0.05)，而R_0.25、D_MW与产流率和产沙率呈现极显著正相关(P＜0.01)。此外，径流泥沙均与土壤养分淋溶流失呈现极显著正相关(P＜0.001)。

Figure 6.  Correlation analysis between nutrient loss and runoff and sediment in red soil

泥沙颗粒及其稳定性指标亦会影响养分淋失。≤0.053、＞2.000 mm颗粒质量分数及R_0.25、D_MW是径流有机碳、径流全磷及泥沙有机碳的主要影响因子。径流全氮、泥沙全氮、泥沙全磷与泥沙颗粒的相关指标无显著性影响。

利用随机森林模型评估各变量对红壤养分淋溶流失的重要性，结果如图7所示。产流率、泥沙量、产沙率及淋溶强度是影响红壤养分淋溶流失的主要因子。产流率是影响泥沙养分淋溶流失的最主要影响因子，其对泥沙有机碳、泥沙全磷和泥沙全氮的重要性分别为13.94%、18.86%、16.18%，对泥沙中养分淋失的贡献度均值为16.33%；而淋溶强度是影响径流养分淋溶流失的最主要影响因子，对径流有机碳、径流全磷、径流全氮的贡献分别为21.00%、21.98%、19.76%，总体上淋溶强度径流中养分流淋溶流失贡献达20.91%。径流和R_0.25也是影响径流全磷流失的另外2个重要影响因子，其重要性分别为14.17%和12.21%。

Figure 7.  Factors related to nutrient loss in red soil of vegetation restoration modes

淋溶侵蚀是红壤水土流失的主要驱动力^[27]。本研究中土壤产沙时间滞后于产流时间，这是因为水流通过土壤孔隙下渗过程中破坏了土壤结构，导致土壤通透性变差，堵塞水流下渗，使产流率小于产沙率；高淋溶强度(150 mm·h⁻¹)使红壤产流滞后时间减少，则是因为150 mm·h⁻¹淋溶侵蚀能极大地增强径流动能，加快土壤颗粒周转，减少摩擦，使径流位移时间减少^[20]。以往的研究亦表明：产沙滞后现象广泛存在，影响因素包括雨强、土地利用类型等^[28]。李爽等^[29]的研究表明：弱降雨产沙量的峰值出现时间比强降雨的峰值滞后，这主要与土壤结构稳定性和水流运动能量有关；钟祎珣等^[30]研究亦表明：土壤初始产流时间的关键因子是雨强。这些观点与结论与本研究一致。植被恢复红壤在相同淋溶强度下产流、产沙特征无显著差异。这是由于在野外条件下，与耕地或裸地相比较，林地有密集的枯枝落叶覆盖和比较丰富的有机层，使得林地土壤渗透性、孔隙度提高，团聚体稳定性增强，土壤抗侵蚀能力提升；此外，这与植被恢复年限有关，经过30 a以上的植被恢复，各植被恢复模式红壤的理化性质均恢复到了较好的状态^[6]。

＞0.250 mm泥沙颗粒质量分数(R_0.25)、平均质量直径(D_MW)是表征颗粒稳定性常用的指标，R_0.25、D_MW越大，团聚体稳定性越强^[31]。淋溶强度增加，泥沙颗粒稳定性指标变高。这是因为随着淋溶强度的增加，径流流速加快，表层土被直接剥离、堆积到一起，使泥沙中不同粒径颗粒的质量分数接近原始表层红壤结构，这也解释了淋溶强度提高的原因，＞2.000 mm泥沙颗粒质量分数增加，≤0.053 mm颗粒质量分数减少。相关性分析表明：淋溶强度与＞2.000 mm颗粒质量分数呈极显著正相关，与≤0.053 mm颗粒质量分数呈极显著负相关；张相等^[32]对红壤丘陵区侵蚀沟道内颗粒特征研究也得出类似的结论。泥沙2.000~0.250、0.250~0.053 mm颗粒质量分数在淋溶侵蚀过程中变化不显著，原因是大颗粒及黏粉粒级颗粒破碎重组会向这2个粒级颗粒周转，抵消两者在淋溶侵蚀过程周转为其他粒径的损失^[18]。张逸飞等^[33]研究表明：红壤团聚体在降雨驱动下会在相邻粒径颗粒间周转，表现为大团聚体易破碎成小团聚体，黏粉粒级团聚体形成小团聚体。这一结论验证了本研究的结果。

水力侵蚀是南方红壤土地退化的主要形式之一，不仅导致水土流失，还伴随着土壤养分的迁移和空间分布的变化^[1]。在这个过程中，侵蚀区的红壤团聚体以泥沙颗粒形式被剥离、搬运到沉积区；泥沙颗粒的组成和稳定性会影响土壤养分在迁移、沉积过程中的损失或储存^[5]。为此，分析了侵蚀过程中被剥离的红壤团聚体在泥沙中的颗粒组成：马尾松纯林在高淋溶强度(150 mm·h⁻¹)下相比其他林地，其泥沙团聚稳定性指标D_MW、R_0.25显著小于其他林地。这主要是因为马尾松作为当地植被恢复的先锋树种，原始自然环境立地条件差、林分结构单一，导致马尾松纯林生长缓慢，存在严重的林下水土流失，无法充分发挥其原有生态功能^[34]。国内外研究表明：林下植被覆盖度和林地间隙对马尾松林地土壤团聚体和有机碳分布有显著影响，过高或过低的林地间隙和植被覆盖度会降低马尾松林地土壤团聚体稳定性及有机碳分布^{[13, 35]}。并且，随着马尾松树龄的增加，其土壤团聚体稳定性呈现为在幼龄林至近熟林期间稳定性增加、在成熟林以后土壤稳定性降低的趋势 ^[36]。本研究中，马尾松纯林树龄为30 a左右，处于成熟期，其过高的林分密度是导致其林下植被覆盖度、郁闭度、凋落物均显著低于其他林地的重要原因。这也间接导致了其土壤团聚体稳定性不如其他植被恢复模式。相反，湿地松-木荷混交林泥沙颗粒稳定性为4种植被恢复模式下最好，是因为该混交林拥有较丰富的林下植被覆盖度和较低的林分密度^[37]，能更好地改善当地生态环境，增强土壤的养分及大颗粒质量分数(粒径＞0.250 mm)。因此，在后续的植被恢复治理中，应对马尾松纯林进行间伐，补植林下植被，以改善其不合理的林地结构，巩固植被恢复治理成果。

不同淋溶强度影响土壤产流产沙，继而影响土壤养分迁移^[21]。随机森林分析表明：产流率和淋溶强度分别是泥沙和径流中养分淋溶流失的最主要影响因子。随着淋溶强度增加，土壤总产流量和总产沙量在淋溶强度由60 mm·h⁻¹增加至90 mm·h⁻¹时提升幅度最大，分别达到152.95%和147.70%；当淋溶强度大于90 mm·h⁻¹时，总产流量和总产沙量提升幅度均下降，在90、120 mm·h⁻¹淋溶强度下，红壤产流产沙、颗粒周转特征无显著差异。这解释了各植被恢复模式泥沙有机碳、全氮、全磷在90、120 mm·h⁻¹淋溶强度下均无显著差异。HUANG 等^[38]研究表明：由于植被特性和土壤特性得到了改善，中国南方红壤造林区的土壤侵蚀模数之间没有显著差异。本研究结果从侧面验证了这一结果。60、150 mm·h⁻¹淋溶强度水土流失特征的巨大差异性使养分迁移也显著不同。有学者对长时间自然降雨条件下的径流、泥沙流失和土壤养分淋溶流失特性的研究也得出类似结论^[4]。各级颗粒中与红壤养分淋溶流失关系最为密切的是黏粉粒级颗粒(≤0.053 mm)，这可能是由于土壤养分供应的主要结构单元是大颗粒，且大颗粒很容易被土壤微生物分解和矿化，养分容易随着颗粒破碎而周转到更小粒级颗粒中^[39]；微颗粒拥有更大的比表面积，结构不易破坏，在自然状态下更易吸附较多的养分^[3]。但也有研究表明：红壤养分与大粒径团聚体质量分数相关^{[34, 37]}。造成这种差异的原因在于不同研究区坡度差异及林下植被覆盖度等不同。

土壤养分迁移主要有两大途径：溶解于径流中的养分及侵蚀泥沙颗粒所携带的养分^[40]。本研究中有机碳、全氮、全磷主要迁移介质为泥沙。随机森林分析表明：产流率是影响泥沙中养分淋溶流失的最重要因子，因此产流率可以简单表征研究区红壤养分淋溶流失状况。土壤有机碳损失主要有径流的溶解损失和沉积物的吸附损失2种。但有研究发现：有机碳的损失往往主要处于吸附状态^[41]。肖胜生等^[42]研究指出：只有当淋溶侵蚀不足以输送大量土壤颗粒时，可溶性有机碳的迁移才是土壤有机碳损失的主要途径。本研究区域雨季集中，短历时高强度的降雨会导致大量泥沙颗粒迁移，故泥沙为本研究中有机碳主要流失介质。土壤对磷素吸附性强^[43]，磷酸根很容易被土壤颗粒和阳离子吸附沉淀，或经过一系列化学、物理反应后被微生物固定。SUN等^[44]研究指出：只有当土壤中有效磷超过一定的临界值时，磷素才会随水迁移出土壤，因此全磷主要以泥沙迁移损失。也有学者发现：土壤全氮流失的主要介质为径流^[8]，与本研究结果不一致。这可能是由于本研究采样时间正好处于雨季之后，旱季期间积累的氮素已被雨水冲刷；另一方面，土壤氮素淋溶到了更深土层。因此，后续研究应加强氮素淋溶对红壤养分淋溶的影响，进一步探究红壤养分淋溶流失规律。

自然暴雨条件下，降雨入渗产流十分复杂。后续研究可以引入侧向流对红壤养分及水土流失的影响。此外，由于南方红壤区多丘陵和山地，植被覆盖度较高，因此需要考虑植被枝叶对雨水截流的作用以及地形对红壤水土流失的影响。还需在野外设置不同坡度和林下植被覆盖度的条件，进行现场模拟降雨实验，并结合室内分析实验，进一步观察红壤的水土及养分流失特征。

淋溶强度是红壤水土养分流失的重要影响因素。红壤水土流失量、＞2.000 mm泥沙颗粒的质量分数、泥沙颗粒的平均质量直径和＞0.250 mm颗粒质量分数随着淋溶强度的增加而增多，≤0.053 mm泥沙颗粒质量分数随着淋溶强度的增加而减少。马尾松纯林土壤团聚体在淋溶侵蚀下稳定性低，而湿地松-木荷混交林土壤团聚体稳定性高。高淋溶强度下红壤养分流失显著高于低淋溶强度，而90和120 mm·h⁻¹的淋溶强度下养分流失差异不显著。产流率是影响泥沙养分流失的主要因素，对泥沙养分重要程度达13.94%~18.86%；淋溶强度则是影响径流养分流失的主要因素，对径流养分流失重要程度达19.76%~21.98%。在后续的植被恢复治理中，应对马尾松纯林进行间伐，补植林下植被，以改善其不合理的林地结构，巩固植被恢复治理成果。