长期以来，长汀一直是南方红壤重点水土流失区，近年来，在政府的高度关注下，经过专家学者开展大量的研究试验，推广各类有效的治理措施，其水土流失已经得到有效的遏制，成为全国水土流失治理的重点示范区^[1]。尽管如此，早期推行种植的以马尾松纯林为主的大面积林分开始逐渐凸显各种问题，树种单一、林分结构简单、林下水土流失等现象使造林成效无法长期巩固，甚至出现生长一二十年但树体矮小的“小老头松”低质低效林；因此，对低质低效马尾松生态林进行改造，提升其水土保持功能的研究愈发重要。颜耀等^[2]研究发现马尾松林补植套种不同的乡土阔叶树种后，能够在一定程度上提升林地的水源涵养功能；谢锦升等^[3]研究发现，乔草模式、乔灌模式及乔木混交模式林地涵蓄水分的功能显著高于对照地；刘淑萍^[4]对补植套种阔叶树后的马尾松林地土壤结构分析发现，阔叶树凋落物能够改善土壤孔隙度，拦截降水，降低地表径流。

鉴于此，以长汀红壤侵蚀区的低效马尾松林为研究对象，选取其中补植套种杨梅(Myrica rubra)、无患子(Sapindus mukurossi)、油茶(Camellia oleifera)和黄栀子(Gardenia jasminoides)4种典型补植套种模式林分，并以同地区未改造的低效马尾松纯林为对照，分析比较4种补植套种模式对林地坡面产流产沙及其养分流失效应，为相似立地低效马尾松林的水土流失治理及改造树种选择提供参考。

研究区位于福建省龙岩市长汀县(E 116°18′~116°31′, N 25°33′~25°48′)，气候类型为亚热带季风气候，年均气温17~18 ℃，年均降水量1 697 mm，年均日照时间1 900 h，无霜期平均270 d。该区为低山丘陵地貌，土壤为花岗岩发育的砖红壤。

供试林地位于长汀县河田镇(E 116°27′5.45″~ 116°27′38.36″，N 25°37′26.78″~25°38′1.69″)，海拔309~412 m，坡度8°~32°。区域马尾松林为20世纪90年代末荒山造林，造林前期林地砾石含量较高，初植密度为2 m×2 m，采用裸根苗造林，林龄为20~23 a，郁闭度0.5左右，后期纳入生态林管护，林下植被稀少，林木蓄积量明显低于同龄正常生长量，形成低效马尾松生态林。2014年通过补植套种不同阔叶树种对该地低效马尾松林进行改造，具体为：补植套种前期，对原有林分的枯病死木及被压木进行适当的卫生伐，保留林分郁闭度为0.5左右，然后在林隙挖规格为50 cm×50 cm×40 cm种植穴，穴底施腐熟有机肥1.5 kg，补植套种密度为2 300~2 500株/hm²，定植后第2年与第3年6月，结合抚育扩穴除草进行追肥，在定植穴周边开小沟环施氮磷钾复合肥100 g。选取坡面阳向斜坡马尾松林下补植套种杨梅嫁接苗、无患子实生苗、油茶实生苗和黄栀子实生苗4种典型模式，以同地区未改造的低效马尾松纯林为对照，分析比较不同模式的林地坡面产流产沙和养分流失特征。供试样地基本情况详见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试样地基本情况 Tab. 1 Basic information of sample plot 项目 Item 模式1 Mode 1 模式2 Mode 2 模式3 Mode 3 模式4 Mode 4 对照 CK 补植套种树种Interplanting tree species 杨梅 Myrica rubra 无患子 Sapindus mukurossi 油茶 Camellia oleifera 黄栀子 Gardenia jasminoides — 马尾松林现存密度Existing density of upper stand/(Trees·hm-2) 1 024.18 997.27 1 157.59 1 074.33 933.85 补植套种树种现存密度Existing density of interplanting tree species/(Trees·hm-2) 1 627.33 2 158.33 1 927.33 2 114.33 — pH 4.94 4.50 4.68 4.73 4.38 土壤孔隙度Soil porosity/% 52.66 51.51 50.28 47.87 47.74 土壤密度Soil bulk density/(g·cm-3) 1.31 1.30 1.36 1.37 1.38 土壤全氮Soil total nitrogen (N) content/(g·kg-1) 0.64 0.57 0.51 0.45 0.44 土壤水解氮Soil hydrolyzed N content/(mg·kg-1) 191.79 209.29 180.36 176.07 152.50 土壤全磷Soil total phosphorus (P) content/(g·kg-1) 0.74 0.56 0.62 0.65 0.56 土壤有效磷Soil available P content/(mg·kg-1) 6.84 7.51 8.24 7.82 5.61 土壤全钾Soil total kalium (K) content/(g·kg-1) 23.28 32.74 24.94 37.37 31.29 土壤速效钾Soil available K content/(mg·kg-1) 63.26 72.87 80.22 82.67 54.92 土壤有机碳Soil organic C content/(g·kg-1) 8.71 8.37 7.59 6.24 4.94 年凋落物生物量Annual litter biomass/(t·hm-2·a-1) 5.43 2.59 1.27 1.72 1.80 注：“—”为无相关记录数据，下同。Notes: — represents no relevant recorded data. The same below.

表 1 供试样地基本情况 Tab. 1 Basic information of sample plot

在供试林地立地因子基本一致的条件下，对每种模式林分及对照地均布设3个标准径流小区，共计15个。小区顺坡长边的垂直投影长度为20 m，平行于等高线的短边宽5 m，垂直投影面积为100 m²，利用边长为50 cm的方形水泥预制板对小区2条长边及上短边埋深35 cm进行围挡。在小区下短边处，设置导流槽、集流池和分流池。将Onset HOBO RG3-M, US自计雨量计布设于试验地附近空旷处，用以记录降雨事件。

径流小区于2016年10月建成，2018年1月开始收集相关数据，截止至次年1月。数据收集频率以每场次降雨后6 h内未发生产流产沙活动为准，降雨数据则利用雨量计携带的数据采集器，每个月采集1次。

1) 产流产沙量测定。先用钢卷尺对集流池和分流池进行多点测深，取平均值后换算径流小区产流量，再用水泵将集流池上层清液泵出，至悬移质水层停止泵水，然后用一次性医用尿杯(容量为150 mL)满杯采样，每个集流池取6~10份水样，并按径流小区编号做好记号，带回实验室后，将水样平均分成2组，其中1组用定量滤纸过滤后备用，用以测定径流养分流失量，另外1组将定量滤纸过滤后的滤出泥沙连同滤纸置于鼓风干燥箱55 ℃烘干至恒质量，换算悬移质输沙量。将悬移质水层继续泵出，见池底推移质泥沙后停止泵水，然后用铁锹全部取出装入塑料桶称量，换算净湿土质量后，均匀取其中1 kg泥沙样放入铝盒(具体视池中泥沙量而定，若总泥沙量 < 1 kg，则全部取回)，带回实验室后，平均分成2组，其中1组自然风干后备用，用以测定泥沙养分流失量，另外1组用鼓风干燥箱55 ℃烘干至恒质量，换算推移质输沙量。单次降雨事件悬移质输沙量和推移质输沙量之和即为单次降雨事件径流小区产沙量。

2) 养分流失量测定。径流池水样采用SmartChem 200, AMS, Italy全自动间断化学分析仪测定有效磷、水解性氮、硝态氮、铵态氮，采用火焰光度法测定速效钾；泥沙样用NaOH碱熔—钼锑抗比色法测定全磷，用氟化铵—盐酸浸提法测定有效磷，用醋酸铵浸提—火焰光度法测定速效钾，用NaOH碱熔—火焰光度法测定全钾，用碱解扩散法测定水解性氮，用Vario EL Ⅲ, Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau, Germany碳氮分析仪测定碳、氮含量。

试验数据利用Microsoft Excel 2016进行整理，IBM SPSS 25.0进行方差分析和DUNCAN多重比较，Origin 9.5进行PCA分析及作图。

由表 2可知，供试样地降雨主要集中在5—10月，占全年总降雨量的63.7%，而发生产流产沙的降雨量和降雨次数则分别占全年的72.8%和95.6%，因此，降雨引发供试样地产流产沙活动主要集中在5—10月。其中，5、6月的侵蚀性降雨量和降雨次数最多，7—9月次之，10月最小。平均场次侵蚀性降雨的降雨量(即侵蚀性降雨量/侵蚀性降雨次数)最大的是8月，达到每场次40.5 mm，其次为7月和10月，为每场次33.3~37.7 mm，6月、8月和9月较小，为每场次25.8~29.7 mm。

表 2(Tab. 2)

表 2 观测周期内降雨基本特征 Tab. 2 Basic characteristics of rainfall in the observation period 月份 Month 降雨量 Rainfall/ mm 月均温度 Monthly mean temperature/℃ 降雨次数 Number of rainfalls 侵蚀性降雨Erosive rainfall 次数 Number 次数比例 Number ratio/% 降雨量 Rainfall/mm 降雨量比例 Rainfall ratio/% 1 123.8 7.2 7 — — — — 2 104.5 7.9 6 — — — — 3 266.4 14.6 11 2 18.2 176.2 66.1 4 118.6 17.6 7 — — — — 5 320.4 23.0 18 9 50.0 255.0 79.6 6 482.4 24.4 22 14 63.6 361.5 74.9 7 289.4 27.8 9 6 66.7 199.7 69.0 8 258.0 26.4 11 5 45.5 202.7 78.6 9 253.0 24.3 13 7 53.8 207.9 82.2 10 102.9 17.5 8 2 25.0 75.4 73.3 11 225.1 15.7 5 — — — — 12 132.8 10.2 3 — — — — 注：侵蚀性降雨是指使径流小区发生产流产沙活动的单次降雨事件。Notes: Erosive rainfall refers to an individual rainfall event that causes runoff occurring and sediment transport activities in runoff plot.

表 2 观测周期内降雨基本特征 Tab. 2 Basic characteristics of rainfall in the observation period

从图 1可以看出，在降雨量较大的5—7月，模式1和模式2与对照地相比，径流量分别降低24.96%~33.14%和13.93%~27.23%，模式3和模式4分别降低4.55%~10.38%和8.59%~16.79%；在降雨量较小的8—10月，模式1和模式2分别降低29.08%~42.19%和45.22%~53.68%，模式3和模式4分别降低19.89%~26.45%和14.71%~32.98%。DUNCAN多重比较结果显示，5—10月，模式1和模式2径流量与对照地均存在显著差异(P < 0.05，下同)，模式3和模式4除5月外，其他月份与对照地也存在显著差异。

图 1(Fig. 1)

字母相同表示差异不显著，不同则表示差异显著，P < 0.05，下同。 The same letter indicates that the difference is not significant, while the different letters indicate that the difference is significant, P < 0.05. The same below. 图 1 4种补植套种模式下马尾松林分的产流特征 Fig. 1 Characteristics of runoffs in Pinus massoniana stands under 4 interplanting modes

图 2中显示，5—10月，模式1和模式2的泥沙流失量较接近，除了8月和10月，其他各月差异不显著，各月平均泥沙流失量仅为对照地的1/4。模式3和模式4的泥沙流失量较接近，各月均没有显著差异，各月平均泥沙流失量为对照地的1/2。

图 2(Fig. 2)

图 2 4种补植套种模式下马尾松林分的泥沙流失特征 Fig. 2 Characteristics of sediment loss in Pinus massoniana stands under 4 interplanting modes

图 3显示，各模式的径流全氮、铵态氮、硝态氮流失量的变化趋势相似，其中，模式1和模式2的径流全氮、铵态氮和硝态氮流失量显著高于对照地，模式3和模式4与对照地则差异不显著。模式3、模式4和对照地的径流全磷流失量除6月较大外，其他各月变化幅度较小。模式1和模式2各月径流全钾流失量均显著低于对照地，模式3和模式4则差异不显著。

图 3(Fig. 3)

图 3 4种补植套种模式下马尾松林分的径流养分流失特征 Fig. 3 Characteristics of runoff nutrient loss in Pinus massoniana stands under 4 interplanting modes

由图 4可知，模式1~模式4的侵蚀泥沙全氮流失量在5—10月均显著低于对照地，模式1和模式2与模式3和模式4则在各月差异不显著。模式1~模式4在各月的侵蚀泥沙全磷流失量总体上差异不显著，在降雨量较大的5—7月，与对照地没有显著差异，在降雨量较小的8—10月，存在显著差异。另外，模式1和模式2的侵蚀泥沙全钾流失量在6—8月显著低于其他模式。模式3和模式4的侵蚀泥沙水解性氮流失量在各月显著低于其他模式，模式1和模式2与对照地没有显著差异。模式1~模式4的侵蚀泥沙有效磷流失量总体上略高于对照地。在降雨量较大的5—6月，各模式的侵蚀泥沙速效钾流失量显著高于降雨量较小的7—10月，且模式1和模式2总体上低于其他模式。对照地的侵蚀泥沙总碳流失量显著低于其他各模式。

图 4(Fig. 4)

图 4 4种补植套种模式下马尾松林分的侵蚀泥沙养分流失特征 Fig. 4 Characteristics of nutrient loss in sediment in Pinus massoniana stands under 4 interplanting modes

通过Pearson相关分析(表 3)表明：各模式及对照地降雨量、产流产沙量及其养分流失量存在正相关关系，且0.5以上的相关系数比例达到80.95%。因此，可以在保证数据信息完整性的基础上，利用主成分分析(principal component analysis, PCA)对原始数据进行线性变换，投影到低维空间，以更直观表现各变量间的相关关系。

表 3(Tab. 3)

表 3 降雨量、产流产沙量及其养分流失量的相关系数矩阵 Tab. 3 Correlation coefficient matrix of rainfall, runoff and sediment yield and nutrient diversion loss RO SL RTNL ANL NNL RTPL RTKL STNL SHNL STPL SAPL STKL SAKL STCL RF 0.84 0.70 0.71 0.72 0.65 0.80 0.84 0.77 0.74 0.79 0.71 0.80 0.85 0.86 RO 0.80 0.49 0.48 0.45 0.82 0.92 0.91 0.66 0.93 0.78 0.93 0.95 0.75 SL 0.18 0.13 0.18 0.89 0.78 0.93 0.45 0.92 0.64 0.82 0.79 0.49 RTNL 0.74 0.99 0.40 0.53 0.30 0.72 0.40 0.58 0.51 0.52 0.80 ANL 0.62 0.34 0.39 0.24 0.70 0.30 0.51 0.40 0.58 0.82 NNL 0.38 0.52 0.29 0.67 0.40 0.55 0.50 0.46 0.73 RTPL 0.82 0.87 0.56 0.91 0.69 0.85 0.82 0.64 RTKL 0.90 0.55 0.91 0.72 0.89 0.84 0.68 STNL 0.53 0.96 0.72 0.90 0.87 0.58 SHNL 0.56 0.72 0.61 0.72 0.85 STPL 0.77 0.95 0.90 0.67 SAPL 0.78 0.85 0.75 STKL 0.88 0.72 SAKL 0.82 注：RO为坡面径流量，SL为泥沙流失量，RTNL为径流全氮流失量，ANL为径流铵态氮流失量，NNL为径流硝态氮流失量，RTPL为径流全磷流失量，RTKL为径流全钾流失量，STNL为侵蚀泥沙全氮流失量，SHNL为侵蚀泥沙水解性氮流失量，STPL为侵蚀泥沙全磷流失量，SAPL为侵蚀泥沙有效磷流失量，STKL为侵蚀泥沙全钾流失量，SAKL为侵蚀泥沙速效钾流失量，STCL为侵蚀泥沙总碳流失量，RF为降雨量，下同。Notes: RO is runoff on slope. SL is sediment loss. RTNL is total N loss in runoff. ANL is ammonium N loss in runoff. NNL is nitrate N loss in runoff. RTPL is total P loss in runoff. RTKL is total K loss in runoff. STNL is total N loss in sediment. SHNL is hydrolytic N loss. STPL is total P loss in sediment. SAPL is available P loss in sediment. STKL is total K loss in sediment. SAKL is available K loss inn sediment. STCL is total C loss in sediment. RF is rainfall. The same below.

表 3 降雨量、产流产沙量及其养分流失量的相关系数矩阵 Tab. 3 Correlation coefficient matrix of rainfall, runoff and sediment yield and nutrient diversion loss

在PCA双序图(图 5)中，由于前2个主成分轴贡献度达到87.33%，说明该双序图具有较好的降维解读效果，其中，径流全氮流失量与径流铵态氮和硝态氮流失量呈高度正相关，侵蚀泥沙水解性氮流失量和侵蚀泥沙总碳流失量呈高度正相关，降雨量和侵蚀泥沙有效磷流失量、侵蚀泥沙有效钾流失量呈高度正相关，径流量与径流全钾流失量、侵蚀泥沙全钾流失量呈高度正相关，径流全磷流失量、侵蚀泥沙全磷和全氮流失量呈高度正相关。

图 5(Fig. 5)

样方M11~M16表示5—10月的模式1样地，样方M21~M26表示5—10月的模式2样地，样方M31~M36表示5—10月的模式3样地，样方M41~M46表示5—10月的模式4样地，样方CK1~CK6表示5—10月的对照地。 M11-M16 correspond to sample plot of mode 1 in May to October, respectively. M21-M26 correspond to sample plot of mode 2 in May to October, respectively. M31-M36 correspond to sample plot of mode 3 in May to October, respectively. M41-M46 correspond to sample plot of mode 4 in May to October, respectively. CK 1-CK 6 correspond to sample plot of control group in May to October, respectively. 图 5 降雨量、产流产沙量及养分流失量的PCA分析 Fig. 5 PCA analysis of rainfall, runoff, sediment yield and nutrient loss

M15~M45、M16~M46和CK5~CK6聚集在PCA双序图左侧，说明降雨量较小的9—10月，各模式林分及对照地产流产沙量及其养分流失量显著下降；而M11~M41、M12~M42和CK1~CK2聚集在PCA双序图右侧，说明降雨量较大的5—6月，各模式林分及对照地产流产沙量及其养分流失量显著上升。

M41~M42、M31~M32和CK1~CK2聚集双序图右下方，而M11~M13和M21~M23聚集在双序图的右上方，说明在降雨量较大的条件下，模式3、模式4和对照地较易引起土壤磷、钾的流失，模式1和模式2较易引起土壤碳、氮的流失。

笔者发现，低效马尾松林下补植套种不同阔叶树种，坡面产流产沙量均小于对照地。其中，马尾松补植套种杨梅和马尾松补植套种无患子模式减流减沙效果比补植套种油茶和补植套种黄栀子好，这可能与杨梅和无患子的冠幅及凋落物年凋落量较大有关。在调查过程中发现，杨梅和无患子平均冠幅分别达到2.0 m和2.8 m，且2种模式的林下凋落物年凋落量分别达到5.43 t/hm²和2.59 t/hm²，显著高于其他模式，这对截持和拦蓄降雨、减少径流量和径流侵蚀力有重要作用^[5-6]。此外，杨梅具有能够形成固氮根瘤，适应养分瘠薄的酸性土壤的能力，使其能在马尾松改造林分中较好的生长^[7-8]。无患子是速生落叶阔叶深根树种，耐干瘠，对改良马尾松林地土壤理化性质有积极作用^[2]。油茶生长相对缓慢，黄栀子是灌木树种，树体生长体量小于乔木树种，凋落物年凋落量较少。

土壤氮素、磷素和钾素在坡面产流产沙过程中流失的形式有2种：一种是以水溶性态存在于径流液相中，另外一种则附着于径流携带的泥沙中，以固体结合态的形式流失^[9]。本研究中，各模式的径流养分元素流失量均远高于侵蚀泥沙养分流失量，表明径流是供试林地土壤养分流失的主要载体。这与刘洋等^[10]和张展羽等^[11]的研究结果不同，可能与研究区的土壤结构有关，福建长汀红壤发育于粗粒花岗岩，加上历史时期植被破坏严重，造成严重水土流失，致使土壤大粒径的石英类矿物含量高，而细粉粒和黏粒的长石类矿物含量少^[12]；因此，土壤中缺少能够吸附土壤养分元素的黏、粉颗粒，使流失的养分元素主要以水溶性态存在于径流液相中^[13-14]。

笔者发现，虽然各马尾松补植套种模式林地坡面的产流产沙量小于对照地，但各模式的径流全氮、铵态氮、硝态氮和侵蚀泥沙总碳、水解性氮流失量反而高于对照地，这可能是由于红壤中的胶体主要为高岭石和铁铝氧化物，其所带负电荷少，不利于吸附土壤中带正电荷的铵离子，造成铵离子和硝酸根离子极易随径流流失^[15-16]。另外，各模式土壤表层的碳、氮含量均高于对照地，增加了土壤碳、氮进入降雨径流的可能性^{[15, 17]}。各模式产流产沙中的磷素和钾素流失量均小于对照地，一方面是由于补植套种树种根系的吸收利用，另一方面阔叶树种能够一定程度改良土壤结构，增加土壤水稳性团聚体，吸附固定土壤中游离的磷素和钾素^{[2, 18]}。其中，马尾松林补植套种杨梅和马尾松林补植套种无患子模式土壤磷素和钾素的流失量最小。

降雨是影响坡面土壤产流产沙和养分流失的主要因素^[19-20]。笔者对不同马尾松林补植套种模式的降雨、产流产沙及其养分流失的相关分析表明，它们之间存在正相关关系。其中，径流全氮、铵态氮、硝态氮流失量和侵蚀泥沙全氮、水解性氮流失量相关系数较高，这与前人的研究结果^[21]一致：径流在坡面形成、汇集和传递的过程，一方面与土壤发生作用，土壤中水溶性极强的硝态氮因径流的浸提向径流扩散，土壤颗粒表面吸附的铵态氮因径流的冲洗作用而解吸进入径流，构成径流氮素流失的形式；另一方面，在径流的冲刷作用下，一些土壤颗粒被径流携带流出坡面，在这种方式中与土壤颗粒结合的氮素主要以简单的有机态氮为主，构成侵蚀泥沙氮素流失的形式。

本研究中，侵蚀泥沙磷素流失量高于径流磷素流失量，说明本试验区的侵蚀红壤仍是磷素流失的主要载体。相关研究表明，酸性土壤中的磷素，通过与无定形的铁铝氧化物络合或吸附在其他黏土矿物表面形成难溶于水且相对稳定的闭蓄态或吸附态磷，占土壤全磷的90%以上，使磷素通过土壤水淋溶损失的很少，主要途径是随降雨产流对土壤的冲刷侵蚀而流失^[22-23]。

土壤中的钾素很活跃，容易迁移，成土过程对土壤全钾含量影响最大的是淋溶作用^[24]，酸性红壤中H⁺和Al³⁺对钾素随降雨产流产沙的流失有重要作用^[25]，笔者发现，试验地不同马尾松补植套种模式林分的降雨产流产沙过程，携带的钾素含量是氮素和磷素的8~10倍，流失量较大。相关分析也表明，控制坡面产流量，能够有效控制土壤钾素的流失。

主成分分析结果表明，马尾松补植套种杨梅和马尾松补植套种无患子在降雨径流的作用下，较易引起土壤碳、氮流失，而马尾松补植套种油茶、马尾松补植套种黄栀子和对照地则较易引起土壤磷和钾的流失，这可能是由于前者土壤碳、氮含量较高，流失于产流产沙活动的可能性更高^{[15, 17]}，而后者由于凋落物年凋落量小，形成的腐殖质较少，土壤水稳性团聚体较少，土壤抗冲蚀能力较低^[26]，土壤磷、钾较易随降雨径流流失。