周蓓蓓，陳曉鵬，呂金榜，丁 倩，王全九,2

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納米碳對(duì)不同植被覆蓋下黃土坡地降雨侵蝕的抑制效果

周蓓蓓1，陳曉鵬1，呂金榜1，丁 倩1，王全九1,2

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊陵 712100）

納米碳對(duì)黃土高原地區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)具有顯著影響。該文基于野外人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了不同植被覆蓋（空地、檸條、苜蓿、黃豆和玉米）條件下，在黃土坡面上中下位置條施不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米碳（0、0.1%、0.5%、0.7%和1.0%）對(duì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響。該文試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.0 m × 1.0 m降雨小區(qū)，前期在小區(qū)坡面種植植被以及埋入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米碳，其中未做植被覆蓋處理和未施加納米碳的小區(qū)作為對(duì)照，共25個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。采用針孔式人工模擬降雨器進(jìn)行模擬降雨，雨強(qiáng)為60 mm/h，降雨歷時(shí)40 min。降雨過(guò)程中定時(shí)收集徑流及泥沙，用以研究在不同植被覆蓋條件下納米碳對(duì)黃土區(qū)坡地徑流與泥沙的調(diào)控機(jī)理影響。研究結(jié)果顯示，在土壤中施入納米碳，對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響顯著。隨著施入納米碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，不同植被覆蓋的初始產(chǎn)流時(shí)間總體隨之增加，在4種植被覆蓋中，苜蓿延緩產(chǎn)流時(shí)間效果最明顯，較之空白對(duì)照最大增加了287.1%。納米碳的施入，使各植被覆蓋中坡面徑流量明顯降低，施入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米碳，各植被覆蓋中減流效果最顯著的仍為苜蓿，徑流量較之對(duì)照減少了66.47%，而空地、檸條、黃豆、玉米這4種處理減流幅度均在31.5%~33.6%之間。同時(shí)，納米碳對(duì)于坡面徑流減沙效果亦非常顯著。施入納米碳后，各植被減沙效果排序依次是：苜蓿>檸條>玉米>黃豆。通過(guò)納米碳對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響進(jìn)行相關(guān)性分析，得出納米碳對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有顯著的影響；在水土流失調(diào)控效果評(píng)價(jià)值影響分析中，納米碳對(duì)水土流失調(diào)控效果較合適的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。綜上，在黃土區(qū)土壤中施加納米碳并提高施入納米碳的比例，對(duì)于該地區(qū)水土流失的治理具有積極作用。

土壤；產(chǎn)流；產(chǎn)沙；納米碳；植被覆蓋；黃土坡地；降雨侵蝕

0 引 言

黃土地區(qū)地域遼闊且自然資源豐富，對(duì)西北經(jīng)濟(jì)發(fā)展起關(guān)鍵作用。但黃土區(qū)開(kāi)發(fā)歷史長(zhǎng)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，嚴(yán)重的水分養(yǎng)分流失、土壤質(zhì)量持續(xù)下降及荒漠化，制約了黃土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者為了解決這一問(wèn)題進(jìn)行了大量室內(nèi)外試驗(yàn)及理論分析，如以植被覆蓋為主的生物調(diào)控措施[1-2]，坡地改建梯田，引水設(shè)施中加修沉沙溝等工程措施等[3-5]，但由于黃土區(qū)惡劣的氣候環(huán)境、疏松的土質(zhì)、土壤持水性差，研究進(jìn)展極為緩慢。因此，一些學(xué)者提出以改善土壤理化性質(zhì)為突破點(diǎn)，將不同的土壤改良劑應(yīng)用到黃土區(qū)，以進(jìn)行水土流失的調(diào)控[6-8]。目前研究較為廣泛的為聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）和生物炭。但PAM為高分子聚合物，對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)改善較小，且施加后雖可減少泥沙量，但也阻礙了水分在坡面下滲，因此使徑流量增加，進(jìn)而增大坡底水土流失的風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。生物炭因固有的特性和理化性質(zhì)也成為新興的土壤改良劑[11-12]，但生物炭粒徑較大，極易隨徑流遷移，污染區(qū)域河流，甚至引起地下水污染[13-14]，其應(yīng)用同樣受到局限。

近年來(lái)，土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的新興納米科技，主要通過(guò)研究尺寸范圍介于10-9～10-7m的納米材料，對(duì)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行改造[15]。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等基本特性，將納米材料應(yīng)用在土壤中，勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤中元素遷移及化學(xué)生物反應(yīng)等方面有一定影響[16-17]。同時(shí)，納米碳（nano-carbon，NC）不同于其他金屬納米材料，在土壤及土壤-植被-大氣循環(huán)體中廣泛存在，可避免給土壤及植被帶來(lái)不良影響，且已有研究表明NC遇水可提升土壤電動(dòng)位，降低土壤pH值，提升土壤離子濃度，促進(jìn)養(yǎng)分釋放[18]；同時(shí)NC具有的巨大的比表面及小尺寸效應(yīng)，極易與土壤中營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素發(fā)生吸附或耦合成為高效復(fù)合肥料[15]。

一些學(xué)者將NC引入土壤中，以期調(diào)節(jié)土壤的顆粒結(jié)構(gòu)，改善其理化性質(zhì)，提高土壤的持水保肥性。Lecoanet[19]通過(guò)室內(nèi)擾動(dòng)土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，重金屬在加入NC的砂土中的遷移速率仍大于壤土和黏土，且穿透性能隨土壤中NC含量增加而減小；Liang等[20]向擾動(dòng)土柱內(nèi)添加NC進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤中NC的存在可大大提高土壤的陽(yáng)離子交換量（cation exchange capacity，CEC），一定程度上影響土壤對(duì)離子的吸附量；Tan等[21]在黃綿土中加入不同含量的NC，發(fā)現(xiàn)NC對(duì)土壤水分入滲有顯著影響，且隨NC含量增加，土壤飽和導(dǎo)水率和飽和含水量增加。劉艷麗等[22]利用一維垂直土柱試驗(yàn)進(jìn)行養(yǎng)分遷移的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NC可有效延緩養(yǎng)分在沙質(zhì)土壤的遷移速率，提高沙質(zhì)土壤保肥性。呂金榜等[23]將NC施入到土壤剖面表層5 cm下進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)NC可顯著促進(jìn)土壤水分入滲，同時(shí)隨NC含量增加，土壤剖面含水量增加。本文基于人工模擬降雨試驗(yàn)，通過(guò)在黃土坡面建設(shè)降雨小區(qū)，在土壤中埋入不同比例NC，種植不同類(lèi)型的植被，初步研究NC對(duì)黃土坡地不同植被覆蓋下坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，擬為改善黃土區(qū)水土流失的治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2015年7－9月在中國(guó)科學(xué)院神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于陜西省神木縣六道溝流域，海拔1 081.0～1 273.9 m，平均氣溫8.4 ℃，平均降水408.5 mm，其中6－9月降雨量占全年的80.93%，而且多是暴雨，最大日降雨量為132 mm，降水年際變化大，最大年降水量8 191.1 mm，最小106.8 mm。該地區(qū)主要土壤類(lèi)型包括風(fēng)沙土和綿沙土，本試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)土壤為風(fēng)沙土，其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過(guò)野外修建面積為1.0 m×1.0 m，坡度為15°的試驗(yàn)小區(qū)，采用人工模擬降雨進(jìn)行降雨試驗(yàn)，分析在不同植被覆蓋條件下NC對(duì)黃土坡地降雨侵蝕的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)種植4種不同植物覆蓋類(lèi)型（檸條、苜蓿、黃豆和玉米），以及1組無(wú)植被覆蓋的小區(qū)作為對(duì)照。每種作物根據(jù)NC不同的施量，分別布置4個(gè)不同NC含量的處理（NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、0.7%和1.0%），另設(shè)計(jì)不施加NC空白對(duì)照小區(qū)，共計(jì)25個(gè)小區(qū)。在施加NC的小區(qū)選取坡上、坡中、坡下3個(gè)位置條施NC。條施NC寬度為5 cm，土壤與NC混合層深度為土壤表面以下5～10 cm。在施加NC之前，將土表5 cm土壤取出置于一旁，將地表下5 cm土壤與一定質(zhì)量NC混合而后將表土回填。小區(qū)條施NC后，靜置恢復(fù)4個(gè)月后進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。為防止雨滴打擊作用，降雨小區(qū)四周用鐵片擋板圍起，擋板插入地表10 cm左右直至固定，在小區(qū)下坡位用鐵片圍成V型匯流口，下接徑流桶承接降雨產(chǎn)生的徑流。

降雨采用西安理工大學(xué)自主研制的針孔式人工模擬降雨器（如圖1）。針孔式降雨器主要由支架（可上下調(diào)節(jié)高度），水槽（針頭，震動(dòng)裝置）和供水裝置三部分組成。水槽尺寸為1.2 m × 1.2 m，可控制降雨面積為1.5 m2。每次降雨前需反復(fù)率定雨強(qiáng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)水槽內(nèi)的水位高度來(lái)調(diào)節(jié)雨強(qiáng)的大小。本次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄昵治g性降雨資料，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為60 mm/h，降雨歷時(shí)為40 min。

試驗(yàn)所用NC來(lái)源于上海海諾炭業(yè)有限公司，碳粉粒徑為40 nm，原料采用5 a生竹子，經(jīng)高溫炭化，納米級(jí)超細(xì)研磨精制組成。

1.3 坡面作物預(yù)處理

為較好地模擬自然條件下，不同植被覆蓋的黃土坡地，本試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)植被和作物（檸條、苜蓿、黃豆和玉米）進(jìn)行研究。為了降低人為因素對(duì)降雨試驗(yàn)的干擾，本試驗(yàn)于降雨試驗(yàn)開(kāi)始前4個(gè)月，在已建成的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)種植各類(lèi)預(yù)設(shè)植物以供試研究，且之后無(wú)任何翻耕等農(nóng)業(yè)工作。玉米采用穴播，行距25 cm，株距35 cm；苜蓿采用條播，行距25 cm；黃豆采有穴播，行距25 cm，株距30 cm；檸條采用條播，行距25 cm。植被的種植與田間管理按照當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作習(xí)慣進(jìn)行。降雨試驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)尺量和單位面積拍照，利用Photoshop和MATLAB軟件對(duì)坡面植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)坡面植被覆蓋情況可代表當(dāng)?shù)匾话闱闆r。

表2 試驗(yàn)區(qū)植被生長(zhǎng)狀況

1.4 試驗(yàn)測(cè)定過(guò)程

降雨試驗(yàn)前，用土鉆在小區(qū)內(nèi)植株間（空地選在小區(qū)中間部分）采集土壤剖面土樣用來(lái)測(cè)定土壤初始質(zhì)量含水率。從坡面表層每間隔5 cm采樣1次，取土至地下30 cm處，用烘干法測(cè)定剖面各層土壤質(zhì)量含水率，當(dāng)土壤剖面質(zhì)量含水率平均值相差在10%以?xún)?nèi)（表層土壤質(zhì)量含水率在0.035～0.05之間），開(kāi)始模擬降雨試驗(yàn)。降雨開(kāi)始后，記錄坡面產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流后用塑料小桶承接坡面產(chǎn)生徑流，0～15 min之間，每隔3 min換1次徑流桶，15～40 min之間，每隔5 min換1次徑流桶。降雨結(jié)束后，與降雨前土壤剖面取樣方式相同，用土鉆每間隔5 cm土層采樣1次，取土至地下30 cm處，土壤樣品的處理方法同降雨前。記錄徑流桶中徑流量后，風(fēng)干徑流桶中的徑流液，收集徑流產(chǎn)生的泥沙，稱(chēng)質(zhì)量獲得泥沙含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為2次重復(fù)的平均值，采用Microsoft Excel和IBM Spss10.1軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析和圖表繪制，無(wú)重復(fù)雙因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（=0.05）。

為了進(jìn)一步分析NC含量及植被類(lèi)型對(duì)坡面降雨過(guò)程中水土流失調(diào)控效果的影響，我們引入了水土保持評(píng)價(jià)值這一指標(biāo)，土壤水分及養(yǎng)分的水土保持評(píng)價(jià)值使用Kumar和Srivastava[24]給出的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中C為水分或泥沙保持評(píng)價(jià)值；S為植被覆蓋中（含NC）水分或泥沙侵蝕值，g；S為裸地處理中（不含NC）水分或泥沙侵蝕值，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含量納米碳施加對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

在坡面自然降雨時(shí)，坡面環(huán)境對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響主要體現(xiàn)在土壤前期含水量[25]和坡面覆蓋物的攔蓄[26-28]。土壤前期含水量直接影響降雨在土壤中的入滲能力，進(jìn)而影響坡面產(chǎn)生徑流；坡面表層覆蓋物，如植被、碎石等，能夠減緩降雨對(duì)于坡面表層的擊打夯實(shí)作用，同時(shí)植被根部能夠起到攔蓄和分散徑流的作用，對(duì)降雨初始產(chǎn)流時(shí)間也有不同的程度的影響。本文通過(guò)降雨前期對(duì)土壤剖面含水量的測(cè)定，排除前期含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，僅考慮在不同植被覆蓋條件下NC對(duì)土壤入滲及坡面產(chǎn)流的影響。

依據(jù)實(shí)測(cè)降雨資料，將不同植被覆蓋條件下，NC含量對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響繪于圖2?？梢钥闯觯诓煌脖桓采w條件下，與不施入NC的對(duì)照處理相比，土壤中施入NC后各處理的初始產(chǎn)流時(shí)間顯著增長(zhǎng)，且初始產(chǎn)流時(shí)間隨著土壤中NC施入含量的增加，總體上呈逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)NC大于0.5%時(shí)，繼續(xù)增加NC，徑流延緩效果不明顯。在無(wú)NC施入的各空白對(duì)照處理中，苜蓿的初始產(chǎn)流時(shí)間為15.5 min，較之空地處理的產(chǎn)流時(shí)間增加了9.73 min，在各植被覆蓋中初始產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)。各植被覆蓋處理中，施入NC含量在1.0%與無(wú)施入的產(chǎn)流時(shí)間對(duì)比中，苜蓿處理增加最為顯著，增加了287.1%，對(duì)照處理空地增加了60.4%，檸條增加了19.9%，黃豆增加了28.7%，玉米增加了29.8%，說(shuō)明土壤中施入了NC，各植被覆蓋對(duì)于初始產(chǎn)流時(shí)間的影響顯著，其中，苜蓿處理施入了NC后對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響最大。

為進(jìn)一步研究NC對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響，利用線(xiàn)性方程對(duì)各植被覆蓋的初始產(chǎn)流時(shí)間擬合，擬合所得系數(shù)2均大于0.80，擬合效果較好。各擬合直線(xiàn)的斜率均大于0，說(shuō)明初始產(chǎn)流時(shí)間隨著NC施入量的增加，呈現(xiàn)上升增加的趨勢(shì)。其中，苜蓿的擬合直線(xiàn)斜率為3.848 9，在各植被線(xiàn)性擬合中斜率最大，進(jìn)一步確認(rèn)了苜蓿覆蓋條件下，施入了NC后對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響最大。這主要由于黃土地區(qū)多為超滲產(chǎn)流，當(dāng)降雨量大于土壤入滲量時(shí)，方能發(fā)生產(chǎn)流現(xiàn)象。呂金榜等[23]通過(guò)室內(nèi)一維土柱試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)表土5 cm下施加NC層，可顯著增加土壤入滲，且隨NC含量增加，入滲量增加。因此隨坡面NC含量增加，土壤坡面入滲能力增強(qiáng)，顯著延緩了徑流的產(chǎn)生。

2.2 不同含量納米碳施加對(duì)坡面徑流量的影響

在沒(méi)有上方來(lái)水影響的簡(jiǎn)單模擬降雨試驗(yàn)條件下，坡面徑流的產(chǎn)生主要是由于坡面入滲飽和后雨水匯集向下游流動(dòng)。在短歷時(shí)降雨過(guò)程中，土壤對(duì)于雨水的入滲接收能力直接影響坡面產(chǎn)流的多少，本文通過(guò)對(duì)各次降雨產(chǎn)生徑流量的對(duì)比，來(lái)分析不同NC含量對(duì)坡面表層土壤中水分運(yùn)動(dòng)的影響。

各植被覆蓋條件下，整個(gè)降雨事件中的總徑流量隨土壤中不同NC含量施入的變化情況繪于圖3。圖3中徑流累積量的變化曲線(xiàn)顯示，不論空地對(duì)照處理還是植被覆蓋，其徑流量隨著NC的施入而明顯減小，一般在15 min左右各次降雨產(chǎn)流趨于穩(wěn)定值，進(jìn)一步說(shuō)明在降雨過(guò)程中，NC的施入可增加土壤的入滲能力，減少坡面徑流。這主要由于土壤中加入NC，一方面改變了試驗(yàn)土樣結(jié)構(gòu)，使得黃綿土的總孔隙體積增加，同時(shí)小孔隙增多，毛細(xì)管作用力增強(qiáng)，土樣吸持水量增多，最終導(dǎo)致飽和質(zhì)量含水量增加[29]。另一方面，細(xì)粒徑的NC增加了土壤的粘粒含量，改善了土壤質(zhì)地[30]，而且NC具有極大比表面積，表面能極高，對(duì)水分有較高的吸持力[7]。降雨結(jié)束后，對(duì)小區(qū)內(nèi)土壤剖面含水量進(jìn)行測(cè)定，施入NC的土壤入滲濕潤(rùn)鋒比未施的下降得快，而且施入NC的土壤中同一深度土壤含水量高于未施NC的土壤，這可以說(shuō)明NC可以提高土壤持水性，促進(jìn)土壤入滲。

進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可以看出，各植被覆蓋條件下空地處理中累積徑流量最大，玉米、檸條、黃豆依次減少，減流效果最明顯的是苜蓿處理，減少了66.47%，其他幾種植被覆蓋減流效果介于31.5%～33.6%，說(shuō)明NC的施入對(duì)于苜蓿處理在降雨事件中減少?gòu)搅鞯男Ч蠲黠@。這主要是因?yàn)榈乇碛兄脖桓采w情況下，植被起到了截留降雨的作用，減少了可產(chǎn)流雨量，一方面植被葉片截留改變雨滴動(dòng)能，減少了可侵蝕性雨量，另一方面植被根系可攔濾徑流、減小坡面水流行進(jìn)速率。在苜蓿處理中，苜蓿根系較之其他幾種植被較密，能使土壤具有良好的結(jié)構(gòu)和提高土壤孔隙度以及較高的水分滲透性[31]。朱顯謨[32]認(rèn)為根系對(duì)土壤滲透力的作用，主要是根系能將土壤單粒黏結(jié)起來(lái)的同時(shí)也能將板結(jié)密實(shí)的土體分散，并通過(guò)根系自身的腐解和轉(zhuǎn)化合成腐殖質(zhì)，使土壤有良好團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀況。坡面徑流在產(chǎn)流過(guò)程中沿坡面流動(dòng)嚴(yán)重多種因素影響，進(jìn)而明顯影響其累積徑流量的大小[33]。因此，玉米、檸條、黃豆以及苜蓿處理中，累積徑流量均較空地處理有明顯的減少，但玉米、檸條以及黃豆根系比較稀疏，相似覆蓋度下對(duì)地面產(chǎn)流量沒(méi)有較明顯的影響。

為分析NC對(duì)降雨產(chǎn)流的影響，對(duì)不同NC含量下各次降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行的擬合分析，列于表3?？梢钥闯?，利用冪函數(shù)對(duì)降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行擬合，確定系數(shù)2均在0.99以上，擬合效果較好。在各植被覆蓋（含空地對(duì)照）中，指數(shù)和系數(shù)均隨NC含量的增加而呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。擬合方程中系數(shù)反映了降雨事件中第一時(shí)間的產(chǎn)流率，指數(shù)反映了NC對(duì)于坡面徑流的減流能力。系數(shù)隨著NC含量的增加而減小，說(shuō)明NC的施入降低了降雨過(guò)程中的初始產(chǎn)流率；而指數(shù)卻隨著NC含量的增加而增大，說(shuō)明土壤中NC含量的增多，坡面表層土壤的減流能力增加，降低坡面產(chǎn)流量。

表3 不同納米碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降雨產(chǎn)流量擬合分析

注：、分別表示時(shí)間、產(chǎn)流量。

Note:andrepresent time and runoff yield, respectively.

2.3 不同含量納米碳施加對(duì)坡面產(chǎn)沙量的影響

降雨對(duì)坡面土壤的濺蝕和坡面徑流對(duì)于表層土壤的沖刷，是引起坡面土壤隨徑流移動(dòng)的主要誘因。而土壤的結(jié)構(gòu)組成直接影響濺蝕和沖刷的結(jié)果，本文從坡面徑流的攜沙量來(lái)研究施入NC對(duì)于土壤抗侵蝕的影響，并將不同NC含量對(duì)坡面產(chǎn)沙的影響結(jié)果繪于圖4。

從圖4可以看出，與不施入NC的對(duì)照相比，各植被覆蓋條件下（含空地處理）中施入NC可以有效降低徑流中攜帶的泥沙量。與穩(wěn)定產(chǎn)流的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相同，第15分鐘左右徑流中泥沙輸出量趨于穩(wěn)定?？盏靥幚碇校?%的NC施入處理中，徑流泥沙累積流失356.39 g，而施入0.1%～1.0%的NC處理中，泥沙累積流失243.25～324.64 g，均少于無(wú)NC施入的處理，減少了8.9%～31.7%，說(shuō)明NC的施入可以穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，抗雨水濺蝕和徑流沖刷能力增強(qiáng)。在各植被覆蓋中，NC的施入，檸條處理可以有效減少泥沙輸出19.4%～43.1%；苜蓿處理減少泥沙輸出16.4%～64.2%；黃豆處理減少泥沙輸出14.0%～40.6%；玉米處理減少泥沙輸出15.1%～41.8%。苜蓿處理中施入NC對(duì)土壤流失量的降低效果最顯著。通過(guò)圖4還可以發(fā)現(xiàn)，各植被覆蓋中徑流泥沙的減幅并沒(méi)有隨NC含量的增加而嚴(yán)格增長(zhǎng)。黃豆處理中NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%以后，徑流泥沙的減幅隨NC含量的增加而減小，玉米處理中受實(shí)驗(yàn)誤差影響，0.7%時(shí)累計(jì)產(chǎn)沙量大于0.5%NC施加量處理，但從總體來(lái)言，坡面土壤施入NC，徑流攜沙量明顯減少，且隨著NC含量的增加，減幅大體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這主要由于NC對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改變，致使土壤抗濺蝕能力和抗沖刷能力增強(qiáng)，結(jié)合坡面徑流的減小，所以坡面產(chǎn)沙量隨NC含量的增加而減少。

另外，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)初期，坡面植被種植的同時(shí)，NC已按照比例埋入土壤中。NC改善了小區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤持水性，也改變了植被生長(zhǎng)的土壤環(huán)境。經(jīng)過(guò)對(duì)植被整個(gè)生育期的觀(guān)測(cè)，施入NC的坡面植被長(zhǎng)勢(shì)均優(yōu)于未施NC的坡面植被。說(shuō)明NC對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良，間接影響了坡面植被的生長(zhǎng)。在模擬降雨過(guò)程中，坡面產(chǎn)沙量隨不同NC含量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，其中不同長(zhǎng)勢(shì)的植被覆蓋也有一定的影響。苜蓿處理中NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量最低，一方面是NC改變土壤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，另一方面是NC引起坡面苜蓿長(zhǎng)勢(shì)較好，對(duì)于坡面有一定的截留固沙的作用。葉片較大的植被（黃豆、玉米）處理中，葉片遮蔽了部分坡面表層，阻擋了雨滴對(duì)于坡面表層土壤的濺蝕，因此產(chǎn)沙量較其他處理明顯減少。

表4是對(duì)不同NC含量下徑流運(yùn)移泥沙過(guò)程進(jìn)行的擬合分析。可以發(fā)現(xiàn)，徑流泥沙流失可以用冪函數(shù)較好地進(jìn)行擬合，確定系數(shù)均在0.98以上。其中，指數(shù)代表NC對(duì)于徑流泥沙的減沙能力，系數(shù)代表坡面徑流過(guò)程中初始的產(chǎn)沙率。空地和苜蓿處理中，系數(shù)隨著NC含量的增加而降低，表示坡面徑流的初始產(chǎn)沙率降低，而指數(shù)與NC含量成正比，表示坡面對(duì)于徑流的減沙能力增強(qiáng)。檸條處理、黃豆處理和玉米處理中，指數(shù)和系數(shù)隨NC含量的變化呈現(xiàn)峰值情況。當(dāng)NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，坡面徑流的初始產(chǎn)沙率最低，而且坡面對(duì)徑流的減沙效果最好。總體來(lái)說(shuō)，NC含量的增加，對(duì)于坡面徑流中泥沙量有降低作用，其中，NC為0.5%對(duì)檸條、黃豆和玉米處理的減沙作用最明顯。

表4 不同納米碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降雨產(chǎn)沙量擬合分析

注：、分別表示時(shí)間、產(chǎn)沙量。

Note:andrepresent time and sediment yield, respectively.

2.4 納米碳施加對(duì)黃土坡地水土流失調(diào)控效果評(píng)價(jià)

本文在設(shè)計(jì)不同NC含量的同時(shí)，還考慮了不同植被覆蓋類(lèi)型，因此為明確2種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)NC施入量和植被覆蓋進(jìn)行雙因素相關(guān)性分析以及2種因素對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果列于表5。可以看出，2種因素與產(chǎn)流產(chǎn)沙量均存在極顯著的相關(guān)性；值小于0.01，故2種因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響?？梢?jiàn)，在有植被覆蓋條件下，土壤中施入NC對(duì)坡面徑流過(guò)程具有重要影響。

表5 納米碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、植被覆蓋類(lèi)型對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)性分析

注：**代表試驗(yàn)因素與結(jié)果存在極顯著相關(guān)性（<0.01）。

Note: ** shows that text factor is significantly related with result (<0.01).

為了進(jìn)一步分析NC含量對(duì)坡面降雨過(guò)程中水土流失調(diào)控效果的影響，本文通過(guò)引入水土保持評(píng)價(jià)值來(lái)分析（見(jiàn)表6）。

表6 不同納米碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水土流失調(diào)控效果評(píng)價(jià)

由表6可以看出，各植被覆蓋中，隨著NC含量的升高，水分及泥沙保持評(píng)價(jià)值均總體呈增加趨勢(shì)，土壤中施加NC對(duì)于坡面水土保持評(píng)價(jià)的作用凸顯。各植被覆蓋中，水分保持評(píng)價(jià)值變化范圍為21.538～91.450，泥沙保持評(píng)價(jià)值變化范圍為6.720～90.755，2個(gè)評(píng)價(jià)值均存在1個(gè)較大的變化區(qū)間，說(shuō)明土壤中施加不同比例的NC，對(duì)于水土保持評(píng)價(jià)的影響較大。NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.7%及1.0%時(shí)水分及泥沙保持評(píng)價(jià)值變化不大，即當(dāng)NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí)，水土流失調(diào)控效果已經(jīng)比較明顯，之后隨著NC的增加，水土流失調(diào)控效果增加不明顯?？紤]NC的價(jià)格等綜合因素，可以得出，各植被覆蓋中，水土流失調(diào)控效果較合適的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)在神木六道溝的模擬降雨試驗(yàn)，研究了黃土坡面不同植被覆蓋條件下，施加不同NC含量對(duì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響，主要取得以下研究結(jié)果：

1）在黃土坡面中施入NC，對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響顯著。各植被覆蓋中，隨著施入NC含量的增加，初始產(chǎn)流時(shí)間總體隨之增加，其中，NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，苜蓿處理對(duì)比空白對(duì)照初始產(chǎn)流時(shí)間增加了287.1%，產(chǎn)流延緩效果最明顯，其次是空地、玉米、黃豆、檸條；

2）各植被覆蓋條件下，坡面徑流累積量隨著施入NC含量的增加而降低，施入不同NC含量，各植被覆蓋條件下，減流效果最明顯的為苜蓿處理，較之空白對(duì)照，徑流減少66.47%，而空地、檸條、黃豆、玉米這4種處理減流幅度均在31.5%～33.6%之間；

3）各植被覆蓋條件下，土壤中施入NC可以表現(xiàn)出明顯的減沙效果，其中空地處理施加不同含量NC后，泥沙減少了8.9%～31.7%。施入NC后，各植被減沙效果排序依次是：苜蓿>檸條>玉米>黃豆。植被覆蓋坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程可利用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，指數(shù)隨NC含量增加而增加，表示坡面的減沙能力增強(qiáng)。

4）NC和植被覆蓋對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的相關(guān)性分析中，兩種因素對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)果非常顯著；由水土流失調(diào)控效果評(píng)價(jià)值可得知，NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的水土流失調(diào)控方案。

本文著重研究了納米碳對(duì)于黃土地區(qū)4種典型植被覆蓋的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響，對(duì)于降雨過(guò)程中納米碳影響土壤中水分運(yùn)動(dòng)的機(jī)理并未涉及，因此后續(xù)的研究將從土壤剖面含水量變化特征展開(kāi)，同時(shí)建立試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)的納米碳作用下的綜合數(shù)學(xué)模型，以便深入了解納米碳改善黃土區(qū)水土保持作用的機(jī)理，擬為黃土區(qū)水土流失的治理提供依據(jù)。

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Inhibiting effect of nano-carbon on rainfall erosion of different vegetation cover on loess slope land

Zhou Beibei1, Chen Xiaopeng1, Lü Jinbang1, Ding Qian1, Wang Quanjiu1,2

(1.,710048,; 2.,,,712100,)

High weathered soils in arid and semi-arid area are characterized by low soil fertility and high erosion potential. This paper evaluated the influences of nano-carbon on soil erosion and water loss on the sloping land (15°) of the Chinese Loess Plateau. Simulated rainfall experiments were performed on a natural, fallow loessial slope in the Shenmu Erosion and Environment Research Station, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, which locates in the Liudaogou watershed, Shenmu County, Shaanxi Province. Five application rates (i.e., 0, 0.1%, 0.5%, 0.7%, and 1.0%) of nano-carbon were selected during the simulated rainfall experiments (rainfall intensity of 60 mm/h); and 4 vegetation species (i.e., caragana, alfafa, bean, and maize) were planted on the slope to evaluate the vegetation effect on soil and water conservation with the bare as the control. A constant-intensity rainfall method was adopted under natural conditions. Field plots were established on the slope that had been fallow for 5 years. The rainfall simulator came from the independent design of Xi'an University of Technology. Under the 60 mm/h rainfall intensity, the simulated rainfall experiments were carried out for 50 times in the 25 different pretreated plots in order to estimate soil erosion and water loss for all the treatments. The main results were as follows: the initial runoff time was delayed with the increase of nano-carbon contents. Compared to the control treatment without nano-carbon application in bare land, the initial runoff time in alfalfa plot was delayed by 287.1%, which was the most obvious. Furthermore, with the increase of nano-carbon contents, the runoff in each treatment decreased obviously. The nano-carbon alfalfa coverage also had the most obvious effect in the reducing runoff, and the runoff was reduced by 66.47%; for other vegetation species, the reduction was between 31.5% and 33.6%. Moreover, the nano-carbon had a significant effect on soil loss controlling. The nano-carbon in alfalfa land showed the best effect for soil loss controlling, which was followed by caragana. Soybean land showed the highest soil loss. For the bare land (control) and alfalfa coverage, when the nano-carbon content was 1%, the lowest sediment yield was obtained; while for caragana, soybean and maize coverage, when the nano-carbon content was 0.5%, the sediment yield was the lowest. Based on the correlation analysis between nano-carbon and runoff and sediment yield, it could be concluded that nano-carbon has a significant impact on the experimental results. In the evaluation of soil and water loss control effect, the 0.5% nano-carbon had the obvious effect, which was similar with the 0.7% and 1.0% nano-carbon content, so considering the price, 0.5% nano-carbon content was appropriate on soil and water loss control in loess area. The results provide a guide for controlling soil water and nutrient loss on the sloping land.

soils; runoff; sediment; nano-carbon; vegetation coverage; loess sloping land; rainfall erosion

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.016

S157.1

A

1002-6819(2017)-02-0116-09

2016-08-30

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51239009；41371239）；陜西省科技支撐項(xiàng)目（2013KJXX-38）；陜西省自然科學(xué)基金（2015JQ5161）；西安理工大學(xué)特色研究計(jì)劃項(xiàng)目（2016TS013）

周蓓蓓，女，江蘇徐州人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)水土與生態(tài)環(huán)境研究。西安 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，710048。 Email：happyangle222@gmail.com

周蓓蓓，陳曉鵬，呂金榜，丁 倩，王全九. 納米碳對(duì)不同植被覆蓋下黃土坡地降雨侵蝕的抑制效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：116－124. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.016 http://www.tcsae.org

Zhou Beibei, Chen Xiaopeng, Lü Jinbang, Ding Qian, Wang Quanjiu. Inhibiting effect of nano-carbon on rainfall erosion of different vegetation cover on loess slope land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 116－124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.016 http://www.tcsae.org