不同雨型下反坡台阶减少红壤坡耕地氮磷流失的效果

王帅兵，宋娅丽，王克勤※，赵洋毅，张继辉，闫腾云，陈 宇



不同雨型下反坡台阶减少红壤坡耕地氮磷流失的效果

王帅兵1，宋娅丽2，王克勤2※，赵洋毅2，张继辉2，闫腾云2，陈 宇2

（1. 东北林业大学林学院，哈尔滨 150040；2. 西南林业大学生态与水土保持学院，昆明 650224）

为研究自然降雨条件下反坡台阶对坡耕地氮、磷流失的影响，该文基于滇中红壤坡耕地标准径流小区45场典型降雨观测资料，根据降雨量、最大30 min雨强和降雨侵蚀力，综合采用快速聚类和判别聚类，划分确定出A（高雨量、大雨强、高侵蚀力）、B（低雨量、小雨强、低侵蚀力）、C（中低雨量、中小雨强、中低侵蚀力）、D（中高雨量、中雨强、中高侵蚀力）4种降雨类型。研究发现，反坡台阶减流率和减沙率达到52.11%和71.30%，减沙率显著大于减流率（<0.01）；不同降雨类型下反坡台阶的减流率表现为：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，减沙率表现为：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，C雨型和B雨型下反坡台阶减流率显著高于D雨型和A雨型（<0.05），减沙率则显著低于D雨型和A雨型（<0.05）。反坡台阶对径流中总氮（WTN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）削减率分别达到68.10%、69.81%、50.14%，对径流中总磷（WTP）、溶解无机磷（DIP，dissolved inorganic phosphate）的削减率分别达到71.52%和72.77%，不同自然降雨类型下反坡台阶对径流中WTN、NO3--N、NH4+-N、WTP、DIP的削减率均呈现出随着雨量和雨强增大而降低的趋势。反坡台阶对泥沙中全氮（STN）、水解性氮（HN,hydrolyzable nitrogen）的削减率分别达到57.32%和54.22%，对泥沙中全磷（STP）、速效磷（AP）的削减率分别为67.38%和63.69%，不同自然降雨类型下反坡台阶对泥沙中STN、HN、STP、AP的削减率呈现出削减率随着雨量和雨强增大而提高的趋势。该研究可以深入地揭示反坡台阶控制坡耕地面源污染的机理，以及对于控制坡耕地氮磷流失的效果，为源头控制山区水土流失和农业面源污染提供理论支撑。

径流；侵蚀；反坡台阶；坡耕地；降雨类型；产沙；氮磷流失

0 引 言

坡耕地是云南省的主要耕地类型，占全省耕地面积的70%以上，其水土流失严重，一方面导致土壤肥力下降，另一方面氮、磷等养分流出农田汇入水体，引起水体的富营养化和污染[1]。如何改进坡耕地农业生产方式，减少水土流失和面源污染，是促进山区农业可持续发展的治本之策[2]。

降雨是水土流失和面源污染的源动力，坡耕地养分流失过程实际上是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程[1,3-5]，采取有效的措施控制坡耕地水土流失，是解决坡耕地面源污染问题的关键。目前国内外常见的坡耕地水土保持措施主要包括反坡台阶、轮作、植物篱、保护性耕作、秸秆还田、草带、施用生物炭等，不同措施可以削减地表径流25%～70%，减少泥沙流失40%～80.7%，进而减少氮磷流失10%～70%[1-2,6-14]。坡耕地 养分流失量、流失浓度与降雨特征之间具有显著的相关性[4,12,15-16]，不同降雨条件下地表径流和泥沙及其携带养分的流失途径和特征不同，雨强越大，氮、磷的损失总量越大，但氮、磷的流失量受雨强的影响程度不同[17]。梁斐斐等[18]的研究表明，大雨时产生的径流量分别为中雨和小雨时的2.34和7.59倍，泥沙量分别是中雨和小雨的8.34和111.38倍，而大雨导致的氮、磷流失远超中雨与小雨；而Mohamadi等[19]研究表明，高雨量、中雨强型降雨为导致坡耕地产流、产沙的主要雨型。

反坡台阶作为坡耕地水土保持控制措施之一，蓄水保土及减少坡耕地面源污染效果显著，适用于降雨季节分配严重不均的云南山区[1,20]。国内外学者为了深入研究不同降雨下径流、泥沙及养分流失的差异，根据降雨量、降雨历时和降雨强度等将降雨分为3类[21-22]或4类雨型[23-25]，分别探讨了不同雨型下坡地土壤侵蚀的差异、产流产沙和氮磷流失特征，以及坡度对坡地产流产沙和氮磷流失的影响等。但研究不同雨型下反坡台阶对坡耕地氮、磷流失的控制效应仍鲜有报道。同时，当前研究主要通过室内模拟降雨手段来研究不同雨型下氮磷流失特征，难以揭示自然农田中氮磷的流失机理。因此，本文通过长期野外观测，研究反坡台阶在不同自然降雨类型下对红壤坡耕地氮、磷流失的影响，以期深入地揭示反坡台阶控制坡耕地面源污染的机理，并全面评价反坡台阶对于控制坡耕地氮磷流失的效益，为源头控制山区水土流失和农业面源污染提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市松华坝水源区迤者小流域（24°14 ′43"-25°12 ′48″N，102°48 ′37"-102°44 ′51″E），流域面积13.26 km2，海拔在2 010～2590 m之间，多年平均降雨量757.2 mm，年蒸发量1341 mm，年均气温13.8 ℃。其中5-10月为雨季，降雨量约占全年的85%以上，该流域为松华坝水源区内典型的农业小流域，以红壤为主，耕地面积约占25%，主要以坡耕地为主，林地约占66%，以灌木林和疏林地为主。主要农作物包括玉米、大豆、马铃薯等，主要树种包括云南松（Franch.）、滇青冈（Schotky）、滇石栎（(Hook. f.et Thoms.) Rehd.）、厚皮香（(Wight et Arn.) Beddome）、杜鹃（Planch.）等。

1.2 研究方法

1.2.1 试验小区布设情况

试验地选取位于昆明市松华坝水源区迤者小流域水土保持监测站中2块坡耕地标准径流小区（20 m×5 m，水平投影面积100 m2，图1a），坡度均为15°，始建于2006年，分别编号为1#、2#，其中1#小区为原状坡耕地，2#小区布设有2道反坡台阶，均位于同一坡面上，东西坡向，中坡位，海拔2067m左右，土壤为红壤，表层土壤容重为1.48 g/cm3，土壤饱和导水率为3.5 mm/min。反坡台阶沿等高线自上而下里切外垫，修成一台面，反坡5°，阶宽1.2 m（图1b），2条反坡台阶之间距离为7.5 m。径流小区下部设集流池，收集降雨后产生的径流和泥沙。每年雨季前用5点采样法分别采集2个径流小区表层（0～20 cm）土壤调查土壤养分的背景值（表1），并重新对反坡台阶进行整修。

图1 径流小区及反坡台阶示意图

2011—2016年2块标准径流小区均种植玉米，管理措施同步，作物播种及收割时间、施肥水平均保持一致。主要施肥种类包括：尿素、松华坝水源保护区测土施肥专用肥（总肥力≥32%，N∶P2O5∶K2O=10∶10∶12）、普钙（有效P2O5≥16%）等，均换算为纯N、纯P量（表2）。

表1 径流小区土壤背景值

表2 2011—2016年径流小区种植作物及施肥情况

由于地形条件所限未布设重复试验，但是由于观测周期较长，且为了减少径流小区布设初期的误差，本文选取径流小区布设5 a后的数据进行分析，最大程度提高数据了数据的可靠性。

第二，具体的保底价格，实行优质优价。例如，2017年稻谷收储时，不同稻谷品种每公斤的保底价格为玉针香3.6元，粤王丝苗3.1元，创宇9号3.0元，湘晚12号2.9元，黄华占2.8元。

1.2.2 试验观测与计算

使用自记雨量计（型号RG2-M，美国）记录降雨过程，用人工雨量计观测的次降雨量进行校对，用次降雨量与最大10 min雨强的乘积计算次降雨侵蚀力[26]。降雨结束后立即量出径流池内的泥水总量，取样测定含沙量，得出单次降雨后径流小区地表径流量和土壤流失量；次降雨径流中总氮（WTN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（WTP）和溶解无机磷（DIP）含量在取样后24 h内测定，次降雨泥沙中全氮（STN）、水解性氮（HN）、全磷（STP）、速效磷（AP）含量在雨后取样风干后年底统一测定。径流小区次降雨径流中总氮、硝态氮、铵态氮、总磷和溶解无机磷（DIP）流失量用径流小区地表径流量乘以其在径流中的含量获得，泥沙中全氮、水解性氮、全磷、速效磷流失量用径流小区土壤流失量乘以其在泥沙中的含量获得。径流中溶解有机氮（DON）和颗粒态氮（PN）由WTN减去NO3--N和NH4+-N得出，溶解有机磷（DOP）和颗粒态氮（PP）由TP减去DIP得出。其中WTN、NO3--N、NH4+-N含量分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、酚二磺酸分光光度法（GB 7480-1987）、钠氏试剂比色法（HJ 535-2009）测定，WTP和DIP分别均采用钼酸铵分光光度法（HJ670-2013），其中WTP经过过硫酸钾消解，DIP直接测定；泥沙中全氮、水解性氮、全磷、速效磷分别采用凯氏法（HJ717-2014）、碱解扩散法[27]、碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ 632-2011）、钼锑抗比色法[27]测定。

试验期间（2011-2016年）共计监测产流降雨87次，为了尽量排除前期降雨影响，以前5d无降雨为依据，从监测的87次产流降雨中筛选出45场典型降雨进行分析。

本研究采用Excel 2010进行数据处理和图表的制作，采用SPSS 22.0对数据进行聚类判别分析、方差分析和相关分析。

2 结果与分析

2.1 降雨特征及雨型划分

根据2011—2016年试验监测情况，45场典型降雨中有40场降雨历时小于2 h，占总场次88.89%，有3场降雨历时2～6 h，另外分别有1场降雨历时6～12 h和12～24 h，说明试验区降雨以短历时降雨为主，因此与晏清涛等[28]分类方法不同，本文未将降雨历时作为划分依据。根据降雨量、最大30min雨强、降雨侵蚀力，综合均值聚类法和系统聚类法分析结果，将45场典型降雨分为4类自然降雨类型（表3）。其中A雨型为高雨量、大雨强、高侵蚀力降雨，B雨型为低雨量、小雨强、低侵蚀力降雨，C雨型为中低雨量、中小雨强、中低侵蚀力降雨，D雨型为中高雨量、中雨强、中高侵蚀力降雨。A雨型聚类函数显著性检验的概率<0.01，B、C、D雨型聚类函数显著性检验的概率<0.05，总体上降雨聚类分析结果较优，结果上也符合滇中地区的实际状况。

表3 不同降雨类型特征指标统计

注：V25 和 V75 分别表示 25%分位数和 75%分位数取值。

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

A、B、C、D四种降雨类型的降雨事件次数分别占侵蚀性降雨总数的16%、40%、24%和20%，累计降雨量分别占样本总雨量的28%、26%、22%和24%，累计降雨侵蚀力分别占样本总雨量的38%、12%、22%和28%，说明该地区典型降雨以B雨型为主，A雨型所占比例最少，但是A雨型对降雨量和降雨侵蚀力的贡献最大。

图2 典型降雨判别分类散点图

2.2 不同自然降雨类型下反坡台阶减流减沙效益

从监测结果（图3）来看，A、B、C、D四种自然降雨类型下1#和2#小区合计产流量分别占样本总量的30%、22%、16%和32%，产沙量分别占样本总量的37%、11%、16%和36%，且方差分析表明4种雨型之间产流量、产沙量均呈显著差异（<0.01），4种雨型单场降雨产流、产沙能力均呈现A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，A雨型和D雨型产沙量所占比重显著大于产流量所占比重（<0.05），说明A雨型和D雨型是造成红壤坡耕地水土流失的主要降雨类型。

4种自然降雨类型之间降雨量、降雨强度差别较大，但是2#小区产流量、产沙量均小于1#小区，且方差分析结果表明，2个小区的产流量和产沙量均存在极显著差异（<0.01），这表明坡耕地上布设反坡台阶后，可以发挥显著的减流减沙效益，4种雨型下平均减流率和减沙率分别为：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），总体减流率和减沙率达到52.11%和71.30%，减沙率显著大于减流率（<0.01）。A雨型和D雨型下1#和2#小区产流量、产沙量与B雨型和C雨型下均存在显著差异（<0.05），说明降雨类型对坡耕地产流产沙影响较大。不同雨型下反坡台阶的减流率表现为：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，说明反坡台阶在中低雨量、中低雨强下减流效果最为显著。不同雨型下反坡台阶的减沙率表现为：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，且D雨型和A雨型下反坡台阶减沙率显著大于C雨型和B雨型（<0.05），说明反坡台阶在中高雨量和中高雨强下减沙效果最显著。

注：不同小写字母表示不同径流小区产流量之间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示径流小区产沙量之间差异显著（P<0.05）.

表4 不同雨型降雨特征指标与次降雨产流量、产沙量的Pearson相关分析

注：,30,MJ分别表示降雨量、最大30 min雨强、降雨侵蚀力。**表示在0.01水平上达到显著相关关系。

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

2.3 不同雨型下反坡台阶对坡耕地径流中氮磷流失的影响

2.3.1反坡台阶对坡耕地随径流流失氮素的影响

2011～2016年45场典型降雨中2#小区径流中各形态氮流失量均小于1#小区（图4a，4b），且方差分析结果表明，2个小区径流中WTN、NO3--N、NH4+-N流失量均存在极显著差异（<0.01），反坡台阶对径流中WTN、NO3--N、NH4+-N削减率分别达到68.10%、69.81%、50.14%。监测发现，1#和2#小区各形态氮素的流失浓度均呈现出：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，说明径流中各形态氮素流失浓度均随着雨量和雨强增大而减小。而反坡台阶在A、B、C、D四种雨型下对径流中NO3--N的浓度分别降低了39.33%、36.39%、33.79%和36.31%，而对径流中NH4+-N的浓度则分别提高了2.95%、6.34%、16.27%和0.83%，反坡台阶在A雨型和D雨型下对径流中NO3--N的浓度降低率和对径流中NH4+-N的浓度的提高率存在显著差异（<0.05）。不同雨型下反坡台阶对径流中总氮流失量的削减率表现为：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，对径流中硝态氮流失量的削减率表现为：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，对径流中NH4+-N流失量的削减率表现为：C雨型>D雨型>B雨型>A雨型，均呈现出随着雨量和雨强增大而削减率降低的趋势。

NO3--N、NH4+-N、DON+PN在1#小区中分别占WTN的39.15%，12.82%和48.03%，而在2#小区中分别占径流WTN的36.82%，20.04%和43.14%。这说明NH4+-N相对来说随径流流失较少，NO3--N和DON+PN是随径流流失氮素的主要存在形式；另外，坡耕地布设反坡台阶后，随径流流失氮中NO3--N比例降低，而NH4+-N所占比例会增加。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#小区NO3--N比例表现为：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型，NH4+-N比例表现为：A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，两者均呈现出随着雨量和雨强增大而增加的趋势。

2.3.2 反坡台阶对坡耕地随径流流失磷素的影响

由图4可知，反坡台阶对径流中WTP、DIP的削减效果均十分显著，削减率分别达到71.52%和72.77%（图4c,4d）。同时，1#和2#小区各形态氮素的流失浓度均呈现出：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，说明径流中各形态磷素流失浓度均随着雨量和雨强增大而减小。反坡台阶在A、B、C、D四种雨型下对径流中TP的浓度分别降低了32.43%、47.97%、35.92%和40.93%，对径流中DIP的浓度分别降低了43.53%、50.67%、36.84%和39.11%，说明反坡台阶对径流中TP和DIP的流失浓度均有显著的降低作用。不同雨型下反坡台阶对径流中WTP的削减率表现为：B雨型>C雨型>D雨型>A雨型，对径流中DIP的削减率表现为：B雨型>C雨型>A雨型>D雨型，均呈现出随着雨量和雨强增大而削减率降低的趋势。

1#和2#小区中，DIP分别占随径流流失磷素的28.75%和26.50%，说明DIP在随径流流失磷素中所占比例较小，同时坡耕地布设反坡台阶后，径流中DIP所占的比例略小于原状坡耕地。不同雨型下1#和2#小区DIP的比例均表现为：A雨型>D雨型>C雨型>B雨型，呈现出随着雨量和雨强增大而降低的趋势。

注：DON+PN指溶解有机氮和颗粒态氮；DOP+PP指溶解有机磷和颗粒态氮；DIP指溶解无机磷。下同。

2.4 不同雨型下反坡台阶对坡耕地泥沙中氮、磷的影响

泥沙中氮磷数据由产沙较多的降雨取样后测定，本节仅分析产生泥沙的降雨场次。2011～2016年6年间共计测定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雨型为主。从监测结果来看（表5，表6），2#小区泥沙中STN、HN、STP和AP的流失浓度显著大于1#小区（<0.01），这表明反坡台阶处理坡耕地流失泥沙中氮磷的含量均大于原状坡耕地。反坡台阶对泥沙中STN和HN削减率分别达到57.32%和54.22%，对泥沙中STP和AP的削减率分别为67.38%和63.69%，反坡台阶对泥沙中磷素的削减率显著大于氮素（<0.01）。不同雨型下，反坡台阶对泥沙中STN、HN的削减率呈现D雨型>A雨型>C雨型，而对STP、AP的削减率呈现A雨型>D雨型>C雨型，呈现出削减率随着雨量和雨强增大而提高的趋势。

1#和2#小区中，随泥沙流失的HN分别占STN的8.89%和9.52%，随泥沙流失的AP分别占STP的35.18%和39.32%，这表明坡耕地布设反坡台阶后随泥沙流失的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#小区流失的HN所占STN的比例均表现为：D雨型>A雨型>C雨型，而AP所占STP的比例均表现为：A雨型>D雨型>C雨型。

表5 反坡台阶对泥沙中氮素削减率

注：STN,HN分别指泥沙中全氮、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 反坡台阶对泥沙中磷素削减率

注：STP,AP分别指泥沙中总磷、速效磷。下同。

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

3 讨 论

本研究中反坡台阶在A、B、C、D四种雨型下的减流率分别为48.26%、54.27%、57.73%和51.02%，减沙率分别为71.06%、66.63%、68.68%和74.01%，不同雨型下反坡台阶的减流减沙效益不同，这是由反坡台阶的特点决定的。反坡台阶对坡耕地水土流失的削减作用，其机理在于对降雨和径流的再分配。降雨是水土流失和面源污染的源动力，当降雨较小时，形成的地表径流较少，反坡台阶上部产生的径流可以全部拦蓄在反坡台阶内，经入渗后进入土壤；当降雨量和降雨强度较大时，形成的地表径流量大于反坡台阶拦蓄容量及入渗量，径流流入阶下坡面，冲刷坡面带走泥沙和养分。研究发现C雨型条件下反坡台阶减流率最强，而在D雨型下减沙率最强。在小雨强时由于降雨入渗所占比例较大，因此反坡台阶的拦蓄效果未能充分发挥；随着雨强增大，在中小雨强下，反坡台阶拦蓄径流作用得到最大发挥，此时减流效益最为明显；而在中大雨量和中大雨强时，由于其拦蓄能力有限，径流开始流出阶面，使减流效益开始逐渐减小，但是反坡台阶仍能发挥减缓径流流速和降低径流动能的作用，此时减沙效益最为显著；而在大雨量和大雨强下，其能拦截的径流有限，大量的径流流出阶面继续冲刷坡面使得减沙效益逐渐减小。而杨帆等[29]发现，草地在雨量和雨强适中的Ⅱ雨型下的减流效益最佳，而在雨强较大的Ⅲ雨型下减沙效益最佳，这跟本文的研究结论类似。

反坡台阶削减坡耕地氮磷流失主要是通过削减径流、泥沙实现的，其中通过52.11%的减流率可以削减率径流中68.10%的WTN、69.81%的NO3--N和50.14%的NH4+-N，对径流中WTP、DIP的削减率高达71.52%和72.77%；而通过71.30%的减沙率对可以削减泥沙中57.32%的STN、54.22%的HN、67.38%的STP和63.69%的AP。由于反坡台阶可以减缓径流流速，使径流对吸附于土壤颗粒表面的可溶性养分浸取时间延长，流速的减缓会增加部分溶解态养分向渗入土壤，进而影响径流、泥沙中各形态氮、磷的浓度。本研究发现，反坡台阶对径流中硝态氮的浓度有一定的削减作用，对径流中铵态氮浓度有一定的增加作用，而且对径流中铵态氮和硝态氮的削减率呈现出随着雨量和雨强增大而逐渐降低的趋势。这主要是由硝态氮和铵态氮的特性决定的，硝态氮容易随径流进入土壤，而铵态氮通常吸附于土壤颗粒表面[6,30]，反坡台阶的存在能够减缓径流流速使硝态氮更容易随径流入渗进入土壤从而使径流中硝态氮浓度降低，而径流流速减缓则使径流与土壤充分接触使吸附于土壤颗粒表面的铵态氮进入径流从而使径流中铵态氮浓度升高；在雨量和雨强较小时，在反坡台阶减缓径流流速的作用下，更多的硝态氮随径流入渗进入土壤，因此反坡台阶对硝态氮削减率最强；而在大雨量和大雨强下，硝态氮进入土壤的比例变小，大量的径流促使吸附于土壤颗粒表面的铵态氮向径流扩散，使径流中铵态氮浓度升高，因此反坡台阶对硝态氮和铵态氮的削减效果均减弱。张兴昌[31]的研究表明，水平沟耕作使径流中铵态氮浓度提高19%，使径流中硝态氮浓度下降27%，王全九[32]和史静[10]等的研究均认为，硝态氮容易通过淋溶途径进入土壤，这跟本文的研究基本一致。本研究发现反坡台阶对于径流中总磷和溶解无机态磷的浓度较显著的降低作用，对径流中总磷的削减率基本上均呈现出随着雨量和雨强增大而削减率降低的趋势，这跟磷比较容易被土壤固定有关[33]，反坡台阶减缓径流流速，使得径流中磷和土壤溶液的反应时间变长，从而更容易被土壤固定。

在本研究中，随泥沙流失全氮占总流失氮素的40%～65%，随泥沙流失全磷占总流失磷素的85%～95%，说明径流和泥沙均为氮素流失的主要途径，而磷素主要通过泥沙流失，这跟鲁耀[16]和陈晓安[34]的研究基本一致；而在不同雨型下，随泥沙流失全氮、全磷所占氮、磷总流失量的比例不同，基本上呈现出随着雨强增大的趋势。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为载体，在降雨量较大时表现得尤为明显，这跟本文的研究类似。另外，本文研究中未能将DON和PN以及DOP和PP分开进行研究，有待进一步细化。

林超文等[17]研究发现，雨强对地表径流氮浓度影响较大，雨强越大，地表径流中的氮含量越高。而本研究中，氮磷流失与降雨量、降雨强度相关关系不显著，而王小治等[35]研究发现施肥后径流携带的磷以产生第一次径流时为最多，这说明氮磷流失除了受降雨影响外，施肥与降雨的间隔时间对氮磷流失影响也较大。在下一步研究中，需要考虑施肥时间和降雨互相作用下反坡台阶对坡耕地氮、磷流失的影响。

反坡台阶在不同降雨条件下对径流、泥沙及其携带的氮磷的削减效果不同，但是总体上削减效果均十分显著，说明反坡台阶具有较好的控制板坡耕地水土和养分流失的效果。需要指出的是，由于反坡台阶上未种植作物，2#小区（布设反坡台阶）的植被覆盖度比1#小区（原状坡耕地）低2%~7%，（＜0.05）。研究表明，植被覆盖度越小则对径流和泥沙的拦蓄能力越弱[32]，而本研究中植被覆盖度小的2#小区径流、泥沙量以及氮、磷流失量反而强于1#小区，这足以说明充分考虑植被覆盖度的条件下布设反坡台阶对径流、泥沙流失的削减效益更强。由于本研究仅考虑了反坡台阶处理坡耕地产流的降雨场次，而在实际监测中，还有26场降雨仅在原状坡耕地小区产流，而反坡台阶处理坡耕地小区未产流，而这些场次降雨量在5.2~10.6mm之间，产流在0.5~3.8mm之间。若将这些因素考虑在内，实际的反坡台阶的减流减沙及削减氮磷效益则更加显著。此外，在山区坡耕地中布设反坡台阶，操作简便，不受坡度限制，占用耕地面积小，同时蓄积在反坡阶内的径流入渗进入土壤，对于保持坡耕地土壤水分具有重要作用。因此，在山区坡耕地中推广使用反坡台阶，对于控制和减少山区水土流失和农业面源污染具有重要意义。

4 结 论

1）基于降雨量、最大30 min雨强和降雨侵蚀力，研究区域的降雨可分为A雨型（高雨量、高雨强、高侵蚀力）、B雨型（低雨量、小雨强、小侵蚀力）、C雨型（低雨量、中低雨强、中低侵蚀力）、D雨型（中高雨量、中雨强、中高侵蚀力降雨）。B雨型是研究区发生频率最高的降雨类型，A雨型和D雨型是造成红壤坡耕地水土流失的主要降雨类型。

2）反坡台阶减流率和减沙率达到52.11%和71.30%，减沙率显著大于减流率（<0.01）；不同自然降雨类型下反坡台阶的减流率表现为：C雨型>B雨型>D雨型>A雨型，减沙率表现为：D雨型>A雨型>C雨型>B雨型；C雨型和B雨型下反坡台阶减流率显著高于D雨型和A雨型（<0.05），减沙率则显著低于D雨型和A雨型（<0.05）。

3）反坡台阶对径流中总氮WTN、NO3--N、NH4+-N削减率分别达到68.10%、69.81%、50.14%，对径流中总磷WTP、溶解无机磷DIP的削减率分别达到71.52%和72.77%，不同自然降雨类型下对径流中WTN、NO3--N、NH4+-N、WTP、DIP的削减率均呈现出随着雨量和雨强增大而降低的趋势。

4）反坡台阶对泥沙中总氮（STN）、水解性氮（HN）削减率分别达到57.32%和54.22%，对泥沙中总磷STP和速效磷（AP）的削减率分别为67.38%和63.69%，不同自然降雨类型下，反坡台阶对泥沙中STN、HN、STP、AP的削减率呈现出削减率随着雨量和雨强增大而提高的趋势。

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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

王帅兵，宋娅丽，王克勤，赵洋毅，张继辉，闫腾云，陈 宇. 不同雨型下反坡台阶减少红壤坡耕地氮磷流失的效果[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金项目（No.30660037）

王帅兵，博士生，主要从事小流域面源污染控制及水土保持研究。Email：wsbld257@163.com

王克勤，博导，教授，主要从事小流域环境综合治理的理论与技术研究。Email：wangkeqin7389@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.019

S157.1

A

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