土壤侵蚀在我国呈现多发态势，表层土壤及碳氮养分的流失不仅削弱地力，还直接压低作物产能^[1]。南方红壤区以低山丘陵为主，受季风暴雨和干湿交替驱动，成为侵蚀高风险带^[2]。红壤富含铁铝氧化物且土壤酸化^[3]，但有机质匮乏，极易在暴雨诱发下经历片蚀–沟蚀–崩岗递进式退化^[4-5]。长期剥蚀后，土壤表层黏粒流失、砂粒富集，叠加土壤酸化及贫瘠化，区域生态弹性显著下降^[6]。

红壤区现有网纹层裸露的裸地、1987年人工恢复的樟树和胡枝子林地、树龄五六十年的马尾松林地等不同土地利用方式^[7]。在亚热带红壤区，裸地往往因高强度降雨极易产生地表径流，且地形破碎为径流提供了较大的冲刷势能和泥沙携带能力，导致区域水土流失呈持续恶化态势。通过人工恢复植被的措施，可增强土壤抗蚀性，使侵蚀量显著减少^[8]。长期监测证实，排除人为干扰，借助丰沛雨热的自然封育，红壤可在3 ~ 5年内重建高密度植被及厚枯落物层，显著提升水分入渗率并削弱径流剪切力，从而降低坡面泥沙输出量^[9]。径流小区与流域卡口站观测显示，网纹层裸露的红壤裸地侵蚀剧烈，其径流深度和泥沙浓度可达林地的数十倍。究其原因为无植被屏障时，雨滴直接击溅土壤，结合径流剪切力，导致表土剥离^[10]。而自然恢复林地和天然林地凭借冠层、枯落物层及根系三重防护^[11]，使侵蚀量降低至裸地的1%^[12]。

典型红壤不同利用方式的土壤侵蚀程度可用土壤可蚀性因子(K值)来表征。K值表示土壤颗粒抵抗水滴分散与水流搬运的能力，K值越低，土壤抗蚀能力越强，其是评估区域土壤侵蚀风险的关键指标^[13]。1971年，Wischmeier等^[14]提出，可利用土壤质地、有机质含量、结构等级和渗透能力这4项基本属性，对土壤可蚀性K值进行定量估算。近年来，随着数字土壤制图技术的发展，基于土壤质地、有机质含量估算K值的方法得到了优化，其可更好地适用于红壤K值的估算^[15]。

由此，本研究基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站林地和裸地近40年的长期监测数据，对比分析了两种利用方式下的产流产沙量及土壤基本性质变化，探讨了红壤在长期侵蚀过程中土壤抗蚀性能的变化特征，以为科学评价红壤地区土壤侵蚀程度及抗蚀性能提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

中国科学院鹰潭红壤生态实验站(以下简称为：红壤站)位于江西省鹰潭市余江区(28°15′20″N，116°55′30″E)，地处江西省东北山区向鄱阳湖平原过渡地带，以低丘和岗地为主，是研究南方红壤的典型区域。该地为亚热带湿润季风气候区，四季分明，年均气温17.6 ℃，年均降水量1 785 mm，但季节分布不均，50% 降雨集中于每年的3—6月，年均日照时数1 852.4 h，年均蒸发量1 378 mm，具有明显的干湿季节变化^[16]。试区成土母质为第四纪红黏土，土壤类型为红壤，富含铁铝氧化物，黏土矿物以高岭石为主。区域内地势变化平缓，坡度在3° ~ 15°。由于红壤区人口密度大、丘陵坡地利用率高、雨量丰富且雨热同期，加之土壤自然风化程度高、黏粒含量高、肥力水平低，土壤具有易板结、易侵蚀等特点^[17]。

1.2 试验设计与过程

本研究收集了1987—2024年近40年间红壤站林地及裸地利用状态下的径流泥沙特征、土壤理化性质以及土壤可蚀性数据。其中，1987—1999年、2015—2016年的降雨、径流泥沙、土壤理化性质来自1987年建设的自然恢复林地和裸地对照(CK)2个集水区。林地恢复区面积为562.5 m²，坡度为10° ~ 30°，建设之初为寸草不生的裸地，采用植被快速恢复技术进行治理，至2015年恢复时间已有30年，林地覆盖度由零演变为乔灌草完全覆盖，乔木主要以香樟(Cinnamomum camphora (L.) J. Presl.)、杨梅(Myrica rubra (Lour.) Siebold & Zucc.)、喜树(Camptotheca acuminata Decne.) 等为主，灌木主要以山胡椒(Lindera glauca (Siebold & Zucc.) Blume)、栀子(Gardenia jasminoides Ellis)、胡枝子( Lespedeza bicolor Turcz.)为主。裸地对照小区面积为146.3 m²，沟道两侧的坡度为20° ~ 30°，土壤侵蚀一直十分强烈，网纹层出露，至2015年仍鲜有植被恢复。上述集水区自1987年开始径流泥沙人工监测，并于2015年改为无动力水土流失自动观测装置(中国科学院东北地理与农业生态研究所研发，型号XYZ-Ⅲ)进行水沙过程监测。试区降雨过程资料来自红壤站气象观测数据，记录降雨次降雨间隔为6 h^[18]。

1997—2005年裸地的土壤理化性质来自红壤站内的5个径流小区，每个小区的水平投影长8 m、宽1.5 m，合12 m²，坡度约为5^°，小区编号为9、10、11、18、21。试验地原为稀疏的马尾松林地，植被覆盖度为15% 以下，林间为稀疏荒草地。各小区用水泥板与外界分隔，均无任何林草覆盖，在每年3月底翻耕1次。各小区在每次自然降雨前都将土层表面耙平，以破坏前一次降雨形成的表面结壳^[19]。

2012—2015年林地的降雨、径流泥沙、土壤理化性质来自红壤站站区西侧建立的3个花生+柑橘套作处理径流小区，花生为横坡垄作，小区长20 m、宽10 m，面积为200 m²，坡度约为5°。每个小区在径流池内安装自制翻斗仪，翻斗事件的脉冲信号由计数器(HOBO Pendant Event计数器，Campbell Scientific, Logan, UT, USA)记录，实时监测径流事件全过程，并在降雨过后采集水样计算各小区泥沙含量等信息。降雨量数据观测来源于试验小区附近放置的标准雨量筒^[16]。

2024年裸地的降雨、径流泥沙、土壤理化性质来自红壤站站区西侧的10个径流小区，小区长20 m、宽5 m，面积为100 m²，坡度约为5^°。各小区径流泥沙数据获取同上述花生+柑橘套作处理径流小区。首先获得场次降雨土壤流失量，并按年尺度累加得到年土壤流失量^[20]。

1989—2015年林地的径流泥沙数据来自1个562.5 m²的自然恢复小区以及2个200 m²的花生+柑橘套作处理的径流小区，小区均位于红壤站，气候和土壤条件一致。且自然恢复小区和花生+柑橘套作小区在2015年均有径流泥沙数据，数据基本一致。但自然恢复小区和花生+柑橘套作小区是植物措施、坡度、面积不同的样地，样地不匹配，仅能代表长期变化趋势。1989—2024年裸地的径流泥沙数据来自1个146.3 m²的自然坡地以及10个100 m²的标准径流小区，小区均位于红壤站，气候和土壤条件一致。但自然坡地小区和标准径流小区是坡度、面积、监测时间不同的样地，样地不匹配，仅能代表长期变化的趋势。本研究基于每3年的平均径流和泥沙监测值，拟合曲线，反映近40年来的径流泥沙变化的大概趋势，构建土壤侵蚀演变的时间序列。

1.3 土壤可蚀性K值

利用各小区土壤的机械组成和有机质含量的实测值，使用通用土壤流失方程中的诺模图(Nomo)计算土壤可蚀性K值^[21]。

$ \begin{aligned} K= & \left(2.1 \times 10^{-4} M^{1.14}(12-O)\right. \\ & +3.25(S-2)+2.5(P-3) /(100 \times 7.593)) \end{aligned}$

(1)

$ M = {N_1}(100 - {N_2}) $

(2)

式中：K为土壤可蚀性，t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)；O为土壤有机质质量分数，%；S为土壤结构系数(计算土壤粒径几何平均直径后查表所得，量纲为1)；P为土壤渗透性等级(根据质地分类查表所得，量纲为1)；M为质地指数，由N₁和N₂计算所得，%；N₁为粒径在0.002 ~ 0.1 mm的土壤颗粒质量分数，%；N₂为粒径 < 0.002 mm的土壤颗粒质量分数，%。

当土壤有机质 > 12% 时，采用EPIC模型计算K值^[15]：

$ \begin{aligned} K= & \left(0.2+0.3 \mathrm{e}^{\left(0.0256 S_{\mathrm{a}}\left(1-\frac{S_{\mathrm{i}}}{100}\right)\right)}\right). \\ & \left(\frac{S_{\mathrm{i}}}{C_1+S_{\mathrm{i}}}\right)^{0.3}\left(1-\frac{0.25 C}{C+\mathrm{e}^{(3.72-2.95 C)}}\right). \\ & \left(1-\frac{0.7 S_{\mathrm{nl}}}{S_{\mathrm{nl}}+\mathrm{e}^{\left(22.9 S_{\mathrm{nl}}-5.51\right)}}\right) / 7.593 \end{aligned} $

(3)

$ {S_{{\text{nl}}}}{\text{ = 1}} - {S_{\text{a}}}{\text{/100}} $

(4)

式中：S_a为粒径0.05 ~ 2 mm的土壤砂粒质量分数，%；S_i为粒径0.002 ~ 0.05 mm的土壤粉粒质量分数，%；C₁为粒径 < 0.002 mm的土壤黏粒质量分数，%；C为土壤有机碳质量分数，%，通过有机质乘以转换系数58% 所得；S_nl为土壤碳酸钙质量分数，%。

1987年、1999年、2000年、2015年林地和裸地的土壤机械组成和有机质含量均各来自1个小区，采样数量为3个；2013年林地的土壤机械组成和有机质含量来自2个小区，每个小区采样数量为3个；2024年裸地的土壤机械组成和有机质含量来自1个小区，采样数量为3个。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2016和Origin 9.0进行处理和分析，作图采用Excel 2016。

2 结果与讨论 2.1 近40年不同利用方式土壤机械组成和有机质变化特征

红壤站长期监测数据(表 1)表明，在监测初期(1987年)裸地和林地间土壤理化性质差异不显著。随时间推移，裸地和林地土壤均呈现砂粒含量增加、黏粒含量降低的趋势，粉粒的含量变化不大；裸地和林地的土壤有机质含量均呈现明显上升的趋势。尽管裸地没有种植植被，但存在少量苔藓及草本植物生成的土壤结皮，随着时间推移使得土壤有机质缓慢增加。裸地与林地的土壤有机质增加趋势具有显著差异(图 1)，1987年裸地和林地土壤有机质含量基本一致，随着时间推移，林地植被更替，有机质含量明显上升。各个时期林地土壤有机质含量均高于裸地，且林地土壤有机质含量的增加速度明显高于裸地。2015年林地土壤有机质含量为27.07 g/kg，相较1987年，28年间林地土壤有机质含量提高了近10倍；2024年裸地土壤有机质含量为19.43 g/kg，37年间裸地土壤有机质含量提高了近5.5倍，两种利用方式土壤有机质状况均得到了极大的改善。

2.2 近40年不同利用方式土壤产流特征

坡地红壤径流量变化，本研究使用3年平均观测值进行考量。近40年来，林地径流量均小于裸地，且随时间的变化趋势不同(图 2)，其中裸地径流量呈现波动变化的趋势，林地径流量呈现直线下降的趋势，这与王钰双等^[22]观测到的裸地月均径流量呈现波动特征一致。裸地径流量在1993年左右到达极值后，随着土壤有机质含量增加，土壤性质得以改善，径流量逐渐减少。总体上，裸地径流量受降水量的影响较大，与降水量变化趋势相似，均呈先升高后降低再升高的趋势(图 3) 2024年降水量在观测期间最高，达到了2 543.3 mm，该年裸地径流量也较大。林地径流量受降水量的影响较小，由于植被截留及入渗增强，径流量保持持续减少的趋势。林地由于植被恢复年限增加，植被覆盖率提高，形成了乔灌草结构，有效减少了径流量^[16]。林地径流量在观测期间逐渐降低，在1989—2015年，林地的3年平均径流量减少至原来的约58%。

2.3 近40年不同利用方式土壤产沙特征

红壤坡地产沙量变化，本研究使用3年平均观测值进行考量(图 4)。近40年来，裸地产沙量的变化与其径流量变化相似，均呈现先升高后降低再升高的趋势；林地产沙量逐年降低，并在1996年林地乔灌草结构形成后几乎趋于0。这一趋势与孙雪娇等^[23]的研究结果基本吻合，其对天山北坡山地的研究发现，2009—2015年裸地产沙量先升后降，之后随侵蚀基准面降低呈波动式上升，而林地产沙量逐年递减。值得注意的是，本研究中裸地产沙量的峰值早于其径流量峰值，产沙量最大值出现在1992—1994年间，径流量最大值出现在1995—1997年间，表明在1994—1995年间裸地土壤抗蚀性发生转变。温永福等^[24]与牟丽敏等^[25]在裸地径流小区试验中同样发现“产沙量先达峰、径流峰滞后”的现象，且当径流量继续增大时，产沙量反而趋于稳定或略有下降。由于产沙量与径流量变化不同步，径流含沙量能更好地反映裸地的侵蚀量。从裸地径流含沙量来看，其呈现逐年直线下降的趋势，在1987—2024年裸地径流含沙量每3年的平均值降低至原来的约42%(图 5)。这解释了裸地产沙量变化与裸地径流量变化不完全一致的现象。

2.4 近40年不同利用方式土壤年均K值波动特征

图 6展示了红壤近40年间土壤可蚀性K值的变化趋势。裸地和林地在监测初期(1987年)K值接近，但它们随时间的变化趋势不同。裸地的K值呈现先上升后下降的趋势；林地的K值相反，呈现先下降后上升的趋势。裸地土壤随着侵蚀的产生，抗蚀性减弱，K值先上升，导致产流产沙量增加；随后在2015—2024年裸地K值降低，这是由于裸地在2010—2018年土壤有机质含量增加的速度明显增加，土壤抗侵蚀能力有所提升。林地土壤随着植被的恢复，抗蚀性增加，K值在前期发生下降；然而林地的径流量较小，在逐年侵蚀的过程中仅带走了土壤细粒物质，使得土壤中砂粒含量升高，土壤抗侵蚀能力降低。查小春和唐克丽^[26]及朱冰冰等^[27]发现，林地被开垦后，随着侵蚀时间延长，细颗粒不断流失，10年间黏粒占比下降2.74%，粗粉粒占比上升3.18%，土壤质地整体趋于粗骨化。本研究中，林地是自然坡面集水区，虽然在出口处监测到无泥沙或者较少泥沙，但坡面内部仍然存在侵蚀过程。坡面径流会逐步带走土壤中的黏粒物质，泥沙颗粒碰撞会使其在输移时产生絮凝^[28]，导致K值升高。在这一过程中，黏粒被径流优先搬运是驱动林地土壤可蚀性K值升高、侵蚀强度增加的关键机制。总之，近40年来红壤裸地的土壤抗侵蚀能力增强，但林地土壤存在侵蚀加剧的风险。

3 结论

1) 近40年长期监测结果表明，红壤林地和裸地的土壤机械组成均呈现砂粒增加、黏粒减少的趋势。植被恢复显著促进了土壤有机质积累，林地有机质含量较裸地提高更显著，表明植被覆盖对土壤肥力恢复具有决定性作用。

2) 林地径流量呈现持续下降趋势，减少至原来的约58%，主要归因于植被冠层截留及土壤入渗能力增强；而裸地径流量受降雨量和土壤性质共同影响，呈现波动变化特征。

3) 林地产沙量在乔灌草结构形成后趋近于零，裸地产沙量呈现“先峰后谷”的动态变化，且产沙峰值较径流峰值提前，反映土壤K值降低、土壤抗蚀性能提升是抑制侵蚀量的关键因素。

4) 土壤可蚀性K值分析显示，裸地由于前期侵蚀严重、后期有机质逐步积累，使得K值先升后降；林地尽管初期K值下降，但后期因土壤黏粒含量降低，质地粗骨化，导致K值回升，因此在长期植被恢复下仍存在潜在侵蚀风险。