三峡库区生态屏障区农业人口密集，土地资源长期被过度开发与利用，土壤侵蚀和农业非点源污染物直接入库，对三峡水库安全运行造成巨大威胁. 在全国生态功能区划中，三峡库区被列为全国水土保持极重要区域和重要水源涵养区^[1]. 屏障区先后实施了后靠移民、 退耕还林以及库周绿化等工程，以坡耕地为主体的小流域转变为耕地、 茶园、 果园和林地等多种模式类型的镶嵌格局^[2]. 尤其是陡坡耕地实施退耕还林后，小流域土地利用、植被覆盖、耕作管理及施肥等发生改变，直接影响土壤物理性质、土壤扰动和土壤养分循环^[3]. 大量研究表明，土地利用方式与流域水土流失和养分输出密切相关^{[4, 5, 6]}. 土地利用方式对土壤、 植被、 径流以及养分的输入、 输出产生影响^{[7, 8]}，土地利用变化所造成的农业面源污染差异巨大^{[9, 10]}. 弄清典型退耕还林模式养分输出特征对流域养分输出控制和小流域合理利用土地资源具有指导意义.

关于三峡库区退耕还林模式水土流失特征^[11]、 土壤渗透^[12]、 水文效应^[2]及水土保持功能^[3]等已有较为系统的监测与分析，并应用模型分析了小流域10种退耕还林情景的径流泥沙和养分输出效应^[13]、 农业管理措施对非点源污染削减效果评估^[14]、 土地利用格局对径流泥沙和氮磷输出的影响等^{[15, 16]}. 但在以往观测研究时仅对径流中土壤养分流失特征进行了比较分析^[17]，对通过泥沙输出的土壤养分载荷的观测与研究较少. 因此，本研究利用小区对照试验，观测并分析自然降雨条件下各退耕模式地表径流与泥沙中土壤养分输出情况，探讨茶园地和板栗林地等与坡耕地土壤养分(氮磷)输出特征差异，分析土壤养分流失量、 流失形式及输出途径，评估典型退耕还林模式养分流失控制效应，以期为库区小流域合理利用土地资源以及农业面源污染物输出控制提供依据.

研究地点位于湖北省宜昌市秭归县兰陵溪小流域(110°56′E,30°50′N)，是国家林业局退耕还林示范区，距离三峡大坝17 km左右，面积为144 hm². 受亚热带大陆季风气候影响，多年平均降水量为1439 mm，且年际差异较大，降雨主要集中在5-8月，占全年降雨量的70%左右^[14]. 小流域土壤多为黄壤粗骨性砂土，其保水性和保肥性都比较差.

兰陵溪小流域地形西高东低，西部地区最高海拔达到1400 m，植被覆盖低，荒草出露岩石分布； 小流域内海拔500 m以下以茶园、 板栗、 柑橘和农田为主，中部低山区(500 m以上)主要为灌木、 马尾松(Pinus massoniana) 次生林和松栎(Pinus and Quercus) 混交林等林带，植被覆盖率为72.5%. 居民点主要分布于东部低山区(300-500 m). 2002年小流域25°以上坡耕地开始实施退耕还林工程,随后相继开始实施坡改梯、 免耕、 缓冲带等生态防护工程. 退耕还林后台地主要以茶园地为主,也有部分柑橘园地、 板栗林地等(200-500 m),部分地块间作玉米、 花生和红薯等农作物，形成农林、 农茶间作带，农地、 林果地农药及化肥施用量较大. 试验期间农耕地主要种植红薯和玉米，各地类均由当地农户按照传统方式进行管理.

根据小流域土地利用类型和退耕还林模式，选择退耕模式代表性地段(包括位置、 坡度等)布设径流小区，各小区布设均以具有典型代表性和地形条件基本一致为原则. 径流小区水平投影面积为50 m²，并对径流小区的坡度、坡位、植被盖度及施肥等方面进行调查，结果如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 径流小区基本特征 1) Table 1 Basic characteristics of runoff plots 编号 退耕模式 海拔/m 坡度/(°) 坡向 面积/m2 土壤类型 植被盖度/% 植物种类 施肥量 /kg ·(hm2 ·a)-1 J1 茶园 290 13 东北 50 黄壤砂土 85 茶树 600 J2 耕地 295 23 东北 50 黄壤砂土 80 玉米、 红薯 800 J3 耕地 295 23 东北 50 黄壤砂土 70 玉米、 红薯 800 J4 板栗 295 23 东南 50 黄壤砂土 95 板栗 / J5 板栗 295 23 东南 50 黄壤砂土 95 板栗 / J6 茶园 295 30 西北 50 黄壤砂土 85 茶树 600 J7 茶园 295 30 西北 50 黄壤砂土 85 茶树 600 1)“/”表示不施肥

表 1 径流小区基本特征 1) Table 1 Basic characteristics of runoff plots

对各退耕模式表层土壤进行采样，按照S型布设5个采样点，采用环刀法测定土壤物理特征指标(孔隙度、 容重和渗透率等)，并分析其表层土壤(0-20 cm)养分氮磷含量，养分测定结果(同一退耕模式取各小区均值)如表 2所示.

本研究样品采集主要在雨季进行，观测起止时间为2014年5-10月. 试验期间降雨量为882.2 mm，约占全年的80%，因此试验期间的监测基本能够反映该区域2014年全年土壤养分输出特征. 每次降雨停止后测定各径流小区集水池中径流深度，再通过体积法换算为径流总量. 将集水池中水样搅浑并收集1 L泥沙混合样装入做好标记的聚乙烯瓶(稀酸浸泡、 蒸馏水洗净)，带回秭归生态定位站实验室保存于4℃恒温冰箱. 样品收集完成后将集水池清扫干净，以避免对下次取样造成污染.

表 2(Table 2)

表 2 不同退耕模式表层土壤氮磷含量/g ·kg-1 Table 2 Nitrogen and phosphorus content of different reforestation patterns in surface soil/g ·kg-1 土地利用类型 全氮 全磷 硝态氮 铵态氮 茶园 1.663 1.295 0.012 0.008 耕地 1.360 1.570 0.009 0.011 板栗 1.575 1.255 0.002 0.007

表 2 不同退耕模式表层土壤氮磷含量 /g ·kg-1 Table 2 Nitrogen and phosphorus content of different reforestation patterns in surface soil/g ·kg-1

取500 mL泥沙混合样用烘干后的滤纸过滤，将滤纸和泥沙一起放入85℃烘箱24 h，取出称重后计算各退耕模式泥沙侵蚀量，并对泥沙中TN、 TP、 NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量进行测定. 另外500 mL泥沙混合样经过离心、 0.45 μm滤膜过滤后测定水样中以上4个养分指标. 水样TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP测定采用钼酸铵分光光度法，泥沙样TN采用半微量凯氏测定法测定，TP采用碱熔-钼锑抗比色法测定. 水样经0.45 μm滤膜过滤、 泥沙样经氯化钾溶液浸提后通过意大利产Smartchem140型化学间断分析仪测定NH⁺₄-N、 NO^-₃-N质量浓度，所有测定方法均参照标准方法进行^{[18, 19, 20]}.

本研究应用Excel 2013和SPSS 19.0软件统计与分析试验数据，并使用Sigmaplot 12.5软件作图.

各退耕模式氮磷养分流失负荷计算为全部场次降雨所引起的养分流失的总和，包括地表径流和土壤侵蚀两部分. 计算公式如下:

各退耕模式地表径流以及泥沙侵蚀中养分年输出负荷为相同退耕模式的各径流小区养分年输出负荷的均值.

对试验期间各退耕还林模式土壤养分氮磷年输出负荷加以分析，各退耕模式土壤总氮流失情况如图 1所示. 分析结果表明，坡耕地退耕转变为茶园地和板栗林地后总氮流失量显著减少，具体表现为坡耕地总量(包括径流和泥沙输出两部分的总氮之和，下同)最大，达到了2444.27 g ·hm^-2，茶园地次之，为998.70 g ·hm^-2，板栗林地最少，只有532.61 g ·hm^-2. 多重比较(LSD法)结果显示，坡耕地与茶园地、 板栗林地之间泥沙中总氮流失量具有显著差异(P＜0.01). 各退耕模式由泥沙输出而造成的总氮流失量始终都高于径流，茶园地、 坡耕地、 板栗林地泥沙中总氮输出量分别为径流中的4.94、 10.89和2.37倍，三者之间没有表现出显著差异. 与坡耕地比较，退耕还林模式平均总氮流失量减少了68.68%.

图 1

Fig. 1

图 1 不同退耕模式土壤养分总氮输出 Fig. 1 Total nitrogen output of soil in different reforestation patterns 不同字母的处理间差异显著，P＜0.05，LSD检验，下同

将3种退耕模式地表径流中总氮年输出量求和，并与泥沙中总氮年输出总和进行对比分析，发现二者之间表现出极显著差异，由土壤侵蚀所造成的总氮年输出量所占比例为86.6%，由径流输出造成的仅占13.4%，因此土壤侵蚀是造成该地区总氮流失的主要原因.

图 2

Fig. 2

图 2 不同退耕模式土壤养分总磷输出 Fig. 2 Total phosphorus output of soil in different reforestation patterns

土壤养分总磷的流失特征如图 2所示. 从输出总量上来看，不同退耕模式之间总磷年输出量大小关系与总氮相同，即板栗林地(129.00 g ·hm^-2)＜茶园地(488.06 g ·hm^-2)＜坡耕地(1690.48 g ·hm^-2)，且三者之间差异显著. 茶园、 板栗和耕地三者之间泥沙中总磷流失量差异显著，而从径流中总磷含量来看，坡耕地与板栗林地也表现出了显著差异. 监测结果表明总磷随地表径流流失量很少，伴随泥沙的输出量占主要部分，茶园地、 坡耕地和板栗林地这3种模式泥沙中总磷输出量分别为径流中的48.19、 93.49和14.87倍. 坡耕地退耕还林后，大幅度降低土壤养分总磷输出，与坡耕地比较，退耕还林模式的年平均总磷流失量减少了81.75%.

将3种退耕模式地表径流中总磷年输出量求和，并与泥沙中总磷年输出总和进行对比分析，发现二者之间差异极为显著，土壤侵蚀造成的总磷流失量所占比例为98.4%，通过径流输出的总磷流失量仅占1.6%，因此土壤侵蚀造成的总磷输出是该地区总磷流失的主要途径.

对各退耕模式土壤养分速效态氮流失情况加以分析，硝态氮输出如图 3所示. 硝态氮总流失量大小顺序依然为坡耕地(113.79 g ·hm^-2)>茶园地(73.75 g ·hm^-2)>板栗林地(56.06 g ·hm^-2)，泥沙中与径流中3种模式硝态氮输出量大小顺序相同，且都与硝态氮总流失量大小顺序一致. 与坡耕地比较，退耕还林模式的平均硝态氮流失量减少42.96%. 坡耕地与茶园地、 板栗林地之间比较，径流中硝态氮流失量差异不显著，泥沙中硝态氮流失量则有显著差异. 茶园地和坡耕地径流中硝态氮输出量分别为泥沙中的16.72和6.04倍，板栗林地径流中硝态氮输出量则是泥沙中的82.26倍，由此可以看出硝态氮主要输出途径是地表径流.

图 3

Fig. 3

图 3 不同退耕模式土壤养分硝态氮输出 Fig. 3 Nitrate nitrogen output of soil in different reforestation patterns

铵态氮年输出情况如图 4所示，总量大小关系为: 茶园地最大(69.34 g ·hm^-2)，坡耕地次之(52.45 g ·hm^-2)，板栗林地最少(47.23 g ·hm^-2). 由径流途径输出的铵态氮三者之间没有显著差异，但坡耕地泥沙中铵态氮含量与茶园地、 板栗林地差异显著，这与硝态氮的分布情况一致. 茶园地相比于坡耕地铵态氮输出量更大. 茶园地和坡耕地地表径流中铵态氮输出量分别为泥沙中的21.75和4.96倍，板栗林地径流铵态氮输出量是泥沙中的33.75倍，因此铵态氮输出的绝大部分存在于径流中，泥沙中只占很小一部分.

图 4

Fig. 4

图 4 不同退耕模式土壤养分铵态氮输出 Fig. 4 Ammonium nitrogen output of soil in different reforestation patterns

对3种退耕模式速效养分硝态氮、 铵态氮在不同流失途径中的输出总量进行对比分析，发现由地表径流和土壤侵蚀所造成硝态氮和铵态氮输出量都表现出极显著差异，通过径流输出的硝态氮和铵态氮所占比例分别为91.4%和92.2%，通过泥沙侵蚀输出所占比例仅为8.6%和7.8%，因此该地区径流输出是速效养分硝态氮和铵态氮流失的主要途径.

为了进一步确定土壤养分氮磷输出与地表径流以及土壤侵蚀等指标之间的关系，对各退耕模式氮磷流失量与径流泥沙输出量进行Pearson相关分析(n=126)，结果见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 氮磷流失量与径流泥沙输出的相关关系1) Table 3 Correlation between nitrogen and phosphorus loss with runoff and sediment output 指标 Pearson相关性 径流 泥沙 总氮 总磷 硝态氮 铵态氮 径流 1 0.276 0.196 0.296 0.432** 0.126 泥沙 1 0.898** 0.961** 0.366* -0.051 总氮 1 0.869** 0.191 0.020 总磷 1 0.375* -0.042 硝态氮 1 0.187 铵态氮 1 1)*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01水平(双侧)上显著相关

表 3 氮磷流失量与径流泥沙输出的相关关系1) Table 3 Correlation between nitrogen and phosphorus loss with runoff and sediment output

土壤养分总氮、 总磷流失量与泥沙输出量表现出极显著相关关系，相关系数分别为0.898、 0.961(P＜0.01)，表明总氮与总磷输出的主要载体确为侵蚀泥沙. 硝态氮输出量与径流量大小存在极显著相关关系(相关系数为0.432，P＜0.01)，表明硝态氮主要通过径流输出. 总磷输出量与总氮相关性极显著，相关系数为0.869(P＜0.01)，与硝态氮相关性显著，相关系数为0.375(P＜0.01)，表明由侵蚀泥沙所造成的土壤养分流失受侵蚀土壤颗粒控制，且不同土壤养分流失过程存在一定的关联性.

土壤养分的年流失负荷作为评价退耕还林模式的主要监测指标，对养分流失控制效应具有指示意义. 由监测结果可以看出，实施退耕还林工程以后各退耕模式土壤养分氮磷输出量显著减少，总氮流失量减少了近70%，总磷流失量减少超过80%，土壤养分速效态氮输出方面也有一定程度的减少，这一结果与徐畅等在重庆市涪陵区珍溪镇王家沟小流域的试验结果一致^[21]. 产生这一结果主要原因是由退耕还林工程所造成的植被覆盖、 耕作措施和施肥等方面的变化所导致的^{[22, 23, 24, 25]}. 植被对于养分流失具有抑制作用，通过植被冠层(板栗)或叶面(茶园)的截留降低了雨水对土壤的直接冲刷，降低雨滴动能，另外植物根系也能有效的增加土壤团粒的稳定性，增加地表径流的渗透作用，通过减少径流和泥沙侵蚀而降低土壤养分输出^{[26, 27, 28]}. 板栗林地植被生长茂密，植被覆盖度度高，地表枯落物层较好，且人为扰动少，表层土壤有机质含量高，有利于降雨下渗并降低地表径流流速，使地表径流与泥沙侵蚀量大大减少，从而降低土壤养分输出^{[29, 30]}. 相对于坡耕地，茶园地茶树低矮，灌丛状密植，地面覆盖度高，养分流失控制效应更强. 坡耕地以玉米、 红薯等农作物种植为主，由于翻耕、 播种、 除草和收割等人为管理活动频繁，表层土壤有机质含量低，土壤结构遭到破坏且容易板结，入渗能力差^[31]，因此地表径流与土壤侵蚀量大，土壤养分氮磷流失量也远远高于其他退耕模式(茶园地和板栗林地). 另外在收获后和播种前(8月底到9月初)呈现出裸地状态，径流、 溅蚀及其携带表层土壤颗粒增加，加剧了土壤侵蚀和土壤养分流失. 坡耕地和茶园管理过程中存在多次施肥的情况，但农作物和茶树的化肥利用率很低，氮肥利用率更是只有30%-50%，有大约一半的氮肥在施入土壤后通过不同途径而损失掉^[32]. 施肥量增大时，虽然作物生长旺盛，在一定程度上减少了水土和养分流失，但急剧增加了泥沙养分富集，从而增加了土壤养分流失量^[33]. 因此，改变化学肥料类型、 减少氮磷肥料施肥量、 合理安排施肥时间、 改进施肥方式等是减少土壤养分氮磷流失的重要手段.

氮磷养分流失途径的差异，给水土保持和养分流失控制措施提出优先选项. 土壤侵蚀所造成的总氮输出所占比例超过86%，总磷输出更是高于98%，而且总氮、 总磷流失量与泥沙输出量表现出极显著相关关系，说明氮磷流失以颗粒态(难溶性形态或紧密吸附于土壤，尤其是磷素)为主，并以泥沙为载体，这与前人相关研究结论一致^{[34, 35, 36]}. 通过地表径流输出的硝态氮和铵态氮所占比例分别为91.4%和92.2%，因此该地区土壤养分速效态氮主要通过溶解于径流并伴随径流流失. 相比较而言，总氮总磷输出量要远远高于速效态氮，该地区氮磷营养物输出以吸附态为主，尤其是磷，泥沙携带占绝对优势，因此该地区氮磷养分流失的主要途径是土壤侵蚀. 要加强对土壤养分氮磷输出的控制，必须采取合理的措施以控制该地区的土壤侵蚀，如植被覆盖和植被结构的调整，耕作措施的改进以及化学肥料施用方式的改变等.

(1)与坡耕地比较，退耕模式土壤养分氮磷年流失量(包括泥沙和地表径流)显著降低，养分流失量大小次序为坡耕地>茶园地>板栗林地，退耕后土壤养分总氮和总磷年输出载荷大大降低，退耕还林措施有效地降低和控制了土壤养分氮磷养分输出.

(2)土壤养分速效态氮方面，退耕模式相对于坡耕地也有所减少，硝态氮年输出总量大小顺序依次为坡耕地>茶园地>板栗林地； 铵态氮养分年输出次序为茶园最大，坡耕地次之，板栗林地最小.

(3)不同形态养分流失途径差异明显: 土壤总氮和总磷以土壤颗粒输移为主要途径，通过土壤侵蚀的氮磷输出量的比例占绝对多数，且与泥沙输出量之间极显著相关； 速效土壤养分硝态氮和铵态氮主要通过径流输出，由径流输出的硝态氮和氨态氮所占比例极高，且硝态氮输出量与径流量极显著相关. 因土壤侵蚀而造成的氮磷输出是该流域氮磷流失的最主要途径，减少向三峡水库水体输送氮磷及沉积物应采取土壤保持的农业耕作措施和植物控制措施.