不同措施黃綿土坡地暴雨侵蝕及磷素流失特點(diǎn)

遲宇博 ，吳磊 ，3*，李蕊 ，高爽

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)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，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

我國(guó)黃土高原地區(qū)溝壑縱橫，土質(zhì)疏松，降雨季節(jié)分配不均衡[1]，加上人類長(zhǎng)期的陡坡開(kāi)墾、濫伐濫牧等一系列不合理的生產(chǎn)活動(dòng)[2]，使得黃土高原大部分區(qū)域土壤侵蝕嚴(yán)重，土壤侵蝕面積達(dá)39萬(wàn)km2，占黃土高原地區(qū)總面積的60.9%以上，是世界上水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[3]。嚴(yán)重的水土流失一方面導(dǎo)致了土壤表層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量流失，使得耕地土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化，阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展；另一方面大量泥沙和氮、磷養(yǎng)分隨徑流進(jìn)入受納水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化及水質(zhì)惡化，加劇了農(nóng)業(yè)面源污染[4]，極大程度上制約著黃土高原區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升。

為減少坡地水土養(yǎng)分流失，緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境質(zhì)量之間的矛盾，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出大量控制措施來(lái)消減農(nóng)業(yè)面源污染，其中生物炭作為一種新型且高效的土壤改良劑，因具有多孔性、比表面積大、富含官能團(tuán)[5]等特性，能夠有效吸附氮磷元素，而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染控制[6]，但考慮到生物炭的成本效益和施加的不可逆性，探討坡面上生物炭施加量對(duì)土壤和生態(tài)環(huán)境的影響顯得尤為重要。在應(yīng)對(duì)坡地泥沙養(yǎng)分流失方面，橫壟與植被覆蓋措施在坡面上的應(yīng)用最為廣泛，橫壟作為一種最為常見(jiàn)的傳統(tǒng)耕作管理措施，通過(guò)改變坡面微地形，達(dá)到固土蓄水、防治土壤侵蝕和減緩養(yǎng)分流失[7]的作用，但當(dāng)攔截水量超過(guò)壟溝蓄水能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壟側(cè)滲流，反而加劇土壤流失[8]。根據(jù)黃土高原地區(qū)多年來(lái)的水保經(jīng)驗(yàn)，植被覆蓋措施在治理土壤侵蝕過(guò)程中起到了不可替代的作用，主要是通過(guò)增大植被覆蓋度達(dá)到降低雨滴動(dòng)能、攔蓄徑流及泥沙以及吸附污染負(fù)荷[9]等目的，其中草本植被因具有易于管理、發(fā)育迅速、植被茂密等優(yōu)點(diǎn)，常被視為一項(xiàng)低廉且高效的生物林草措施。

現(xiàn)階段，針對(duì)坡面不同水土保持措施下的水沙與養(yǎng)分流失規(guī)律已開(kāi)展了大量降雨試驗(yàn)研究，但大多數(shù)研究主要集中于單體措施對(duì)單一坡面徑流、泥沙的截留效應(yīng)上，針對(duì)不同措施組合下坡面泥沙及磷素輸出特征的研究還相對(duì)較少。因此本研究以黃綿土坡地為對(duì)象，采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究單體措施及其組合對(duì)坡面侵蝕及磷素流失的影響效應(yīng)，以期為黃土丘陵區(qū)多尺度養(yǎng)分流失模擬和水土資源調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次人工模擬降雨試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)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)室降雨大廳的側(cè)噴區(qū)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)所用徑流槽為6個(gè)相同尺寸的移動(dòng)變坡式鋼槽，如圖1所示，鋼槽規(guī)格均為2 m（長(zhǎng)）×1 m（寬）×0.45 m（高），每個(gè)土槽中間用鋼板等分成兩部分作為試驗(yàn)對(duì)照，另在土槽的其他三邊設(shè)置10 cm安全加高，防止槽內(nèi)土壤在雨滴打擊作用下濺出槽外，并在土槽底板處均勻打孔，便于土壤水分自由向下滲漏。

試驗(yàn)用土為采自延安市安塞縣的黃綿土，理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)所用生物炭（BC）由陜西省億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司提供，是以蘋(píng)果枝條為原料經(jīng)過(guò)600℃熱解法制得的鋸末黑炭，粒徑為80～400目。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 徑流槽示意圖Figure 1 Schematic diagram of runoff trough

土壤取回后自然風(fēng)干，過(guò)10 mm篩去除雜物。采用酒精燃燒法測(cè)得土壤前期含水量，并根據(jù)安塞地區(qū)氮磷水平計(jì)算得到所需尿素和過(guò)磷酸鈣用量，用所需補(bǔ)水量溶解定量的化學(xué)肥料，使用噴霧器均勻噴灑在土料上，為使坡地養(yǎng)分流失最低，保持土壤初始含水量在10%左右[10]。用電子天平稱取土質(zhì)量的3%、6%作為生物炭施加量（3%BC、6%BC），用攪拌機(jī)將生物炭與土壤充分?jǐn)嚢?，混和均勻后密封靜置24 h形成試驗(yàn)肥土備用。土槽填裝時(shí)，首先在底部鋪設(shè)厚5 cm天然細(xì)沙后用透水紗布覆蓋，保證水分均勻下滲。根據(jù)土壤設(shè)計(jì)容重1.20 g·cm-3，采用分層填裝法進(jìn)行填土并均勻壓實(shí)。對(duì)于設(shè)置橫壟措施的土槽，坡面按壟高5 cm、壟頂間距10 cm、壟寬5 cm的標(biāo)準(zhǔn)仿成橫坡壟作地，另一側(cè)土槽坡面設(shè)計(jì)為平地作為不同耕作措施試驗(yàn)對(duì)照。對(duì)于設(shè)置植被覆蓋措施的土槽，根據(jù)安塞地區(qū)當(dāng)?shù)刂脖坏纳L(zhǎng)分布情況，采用條播方式播種多年生黑麥草，播種密度為20 g·m-2，種植行距保持為10 cm，于草苗長(zhǎng)出后14 d左右對(duì)槽內(nèi)草被進(jìn)行間苗和移栽，使得土槽內(nèi)牧草蓋度基本相同，保持在80%左右。土槽內(nèi)具體措施布設(shè)情況及編號(hào)見(jiàn)表2。

1.3 樣品收集與測(cè)定

設(shè)定此次試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為60 mm·h-1，固定降雨時(shí)長(zhǎng)為90 min，坡度選取黃土丘陵區(qū)常見(jiàn)坡度水平：10°、15°、20°。降雨試驗(yàn)為2019年7月上旬至8月中旬，共降雨6次，每次降雨前需用時(shí)域反射儀（Time domain reflectometry，TDR）測(cè)量土壤含水量，測(cè)得含水量在10%左右后準(zhǔn)備降雨試驗(yàn)。正式降雨試驗(yàn)前需對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行多場(chǎng)次率定，直到雨強(qiáng)和均勻度（80%以上）均滿足要求時(shí)，快速揭開(kāi)遮雨布開(kāi)始降雨試驗(yàn)，并記錄開(kāi)始降雨時(shí)間。以土槽水流呈柱狀流出時(shí)記為初始產(chǎn)流時(shí)間并采取水樣，采樣方法為前20 min每間隔1 min取1次水樣，共取10次，此后每間隔10 min取1次水樣至降雨結(jié)束，采樣時(shí)長(zhǎng)均為1 min，共取17組徑流樣。試驗(yàn)結(jié)束后稱量各小桶內(nèi)水樣體積和質(zhì)量，用聚乙烯瓶取各桶內(nèi)50 mL徑流樣，帶回實(shí)驗(yàn)室對(duì)各組水樣分別進(jìn)行化學(xué)分析，剩余水樣放入烘箱烘干至恒質(zhì)量測(cè)得泥沙含量。渾水樣總磷（TP）和經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后的溶解態(tài)磷（DP）測(cè)定均采用5%過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法（GB 11893—1989），并通過(guò)TP濃度與DP濃度相減得到顆粒態(tài)磷（PP）濃度。

表1 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of experimental soil

表2 試驗(yàn)不同措施布設(shè)情況Table 2 Layout of different measures

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

本試驗(yàn)采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表制作，用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，不同措施組產(chǎn)沙數(shù)據(jù)計(jì)算包括產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙率和減沙率，養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)包括磷素流失量和磷素消減率。

產(chǎn)沙率（g·min-1）=第i次收集的泥沙量∕第i次采樣時(shí)間

減沙率（%）=（不同措施產(chǎn)沙量-對(duì)照措施產(chǎn)沙量）∕對(duì)照措施產(chǎn)沙量

磷素消減率（%）=（不同措施磷素流失量-對(duì)照措施磷素流失量）∕對(duì)照措施磷素流失量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度下不同措施泥沙流失特征

圖2為10°、15°和20°下不同措施隨降雨過(guò)程的產(chǎn)沙情況。由圖2可知，10°和15°裸坡上不同措施組產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的變化特征相似，即在產(chǎn)流初期裸坡產(chǎn)沙率隨產(chǎn)流時(shí)間先迅速減少，于20 min后趨于穩(wěn)定，但隨著坡度增大，20°下C2～C5產(chǎn)沙率先降低后波動(dòng)上漲。10°下CK～C5初始產(chǎn)沙量分別為7.78、3.02、25.62、4.23、36.61 g和6.73 g，從大到小依次為C4＞C2＞CK＞C5＞C3＞C1，可知同一生物炭施加量下，橫壟組初始產(chǎn)沙量小于平地對(duì)照組，表明橫坡壟作措施能有效攔截坡面泥沙；當(dāng)耕作措施相同時(shí)，初始產(chǎn)沙量隨生物炭含量增加而增大，表明施加本試驗(yàn)范圍生物炭含量加劇了坡面土壤侵蝕。

由圖2可知，3個(gè)坡度下除C10外，其余植被覆蓋組（C6～C9、C11）產(chǎn)沙率穩(wěn)定值和變化幅度均小于裸地對(duì)照組，且變幅隨坡度增大波動(dòng)相對(duì)較小，表明種植草被是削弱坡面土壤侵蝕程度的重要措施，可有效降低由坡度升高而造成坡地土壤侵蝕加劇的不利影響。從圖中還可知，C10產(chǎn)沙率隨坡度升高顯著增大，尤其在20°下產(chǎn)沙率甚至高于裸坡對(duì)照組，表明在陡坡條件下，添加大劑量生物炭同樣具備加重植被坡面侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

累積產(chǎn)沙量大小能準(zhǔn)確反映出土壤在雨滴擊濺作用下的侵蝕程度。由表3可知，以累積產(chǎn)沙量小于CK組為減沙判斷標(biāo)準(zhǔn)，10°、15°和20°下不同措施組累積產(chǎn)沙量從小到大依次為C1＜C6＜C8＜C7＜CK、C6＜C8＜CK、C6＜C7＜C9＜C8＜CK，表明緩坡上設(shè)置橫壟措施（C1），或在不同坡度下將植被措施（C6）與橫坡壟作、3%BC二者或三者合理搭配（C7、C8和C9）均能有效阻控泥沙流失。

在裸坡坡面上，從不同坡度來(lái)看，10°、15°和20°裸坡總產(chǎn)沙量（面積6 m2）分別為251.02、463.67 g·m-2和864.02 g·m-2，表明裸坡土壤侵蝕量隨坡度增大呈增加趨勢(shì)（P=0.001＜0.05）。從不同耕作方式來(lái)看，裸坡+平作總產(chǎn)沙量（CK+C2+C4）在10°、15°和20°下分別為334.39、394.44 g·m-2和884.41 g·m-2，裸坡+橫壟總產(chǎn)沙量（C1+C3+C5）在 10°、15°和 20°下分別為167.64、532.90 g·m-2和843.63 g·m-2，表明不同耕作方式坡面產(chǎn)沙量均隨坡度的增大而增大。橫壟措施在10°下泥沙消減率達(dá)到 49.87%，但在 15°和 20°坡面下，橫壟總產(chǎn)沙量是平地總產(chǎn)沙量的1.35倍和0.95倍，表明隨著坡度增大，橫壟措施對(duì)泥沙的消減效果減弱或者失效。從不同生物炭含量來(lái)看，不同坡度下生物炭含量與裸坡產(chǎn)沙量之間存在顯著關(guān)聯(lián)性（P=0.029＜0.05），不同坡度下0%生物炭組（CK+C1）、3%生物炭組（C2+C3）和6%生物炭組（C4+C5）產(chǎn)沙量（面積 2 m2）在 10°下分別為 36.53、175.67 g·m-2和540.84 g·m-2，15°下分別為 60.16、683.28 g·m-2和647.57 g·m-2，20°下分別為 282.41、1 315.58 g·m-2和994.08 g·m-2，表明3個(gè)坡度下施加生物炭均對(duì)裸坡泥沙流失起到負(fù)面影響，且同一生物炭施加量坡面的產(chǎn)沙量隨坡度的增大而增大。對(duì)施加生物炭的坡面（C2、C4）布設(shè)橫壟措施（C3、C5）能有效阻控泥沙流失，但橫壟減沙效應(yīng)隨生物炭含量增加而減小，以10°裸坡為例，C1減沙率最高（59.83%），C3減沙率其次（58.13%），而C5減沙率最低（46.22%）。

圖2 不同坡度下不同措施產(chǎn)沙過(guò)程Figure 2 Sediment yield process of different measures under different slopes

在植被坡面上，除C10累積產(chǎn)沙量高于C4以外，3個(gè)坡度下其他植被措施組（C6～C9、C11）累積產(chǎn)沙量均小于對(duì)應(yīng)裸地組（CK～C3、C5，P=0.017＜0.05），表明植被覆蓋是減緩坡地土壤侵蝕的有效措施。從不同坡度來(lái)看，10°、15°和 20°下植被覆蓋坡面總產(chǎn)沙量（面積6 m2）分別為189.53、137.27 g·m-2和688.83 g·m-2，相較于同坡度下裸地坡面產(chǎn)沙量，不同坡度下植被覆蓋對(duì)泥沙的消減率分別為24.49%、70.40%和20.28%，表明植被覆蓋能有效控制坡面泥沙流失，且在15°條件下調(diào)控效果最好。從不同耕作措施來(lái)看，植被+平作總產(chǎn)沙量（C6+C8+C10，面積3 m2）在10°、15°和20°下分別為308.45、185.49 g·m-2和1 128.17 g·m-2，植被+橫壟總產(chǎn)沙量（C7+C9+C11，面積3 m2）分別為70.61、89.05 g·m-2和249.48 g·m-2，對(duì)比可知植被覆蓋與不同耕作方式相結(jié)合，其產(chǎn)沙量均隨坡度的增大而增大。各坡度下植被+橫壟組減沙率分別為77.11%、51.99%和77.89%，表明植被覆蓋和橫壟措施相搭配在不同坡度下能進(jìn)一步消減泥沙流失。從不同生物炭含量來(lái)看，植被+3%生物炭（C8+C9，面積2 m2）減沙率由10°坡面下的61.33%升至15°坡面89.05%，最后達(dá)到20°坡面下的90.30%，植被+6%生物炭（C10+C11，面積2 m2）減沙率在10°和15°坡面下分別為15.58%和52.75%，但在20°坡面減沙率為負(fù)值，表明植被覆蓋對(duì)施加生物炭坡面整體上具有消減作用，但植被措施對(duì)施加生物炭坡地泥沙的消減作用存在一定的承載限度，在陡坡條件下其攔沙效果減弱甚至失效。

2.2 不同坡度下不同措施磷素流失特征

圖3不同坡度下不同措施總磷濃度變化過(guò)程Figure 3 Dynamics of TP concentration of different measures under different slopes

圖3 為不同坡度下不同措施TP濃度隨降雨歷時(shí)的變化過(guò)程。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在10°、15°裸坡下，不同措施TP流失過(guò)程與產(chǎn)沙趨勢(shì)大致相同，均在產(chǎn)流初期20 min內(nèi)迅速降低，最后趨于平穩(wěn)，且20°下C2～C5的TP濃度在產(chǎn)流前20 min內(nèi)先降低，之后開(kāi)始波動(dòng)上漲。相比于裸地坡面，植被覆蓋組（C6～C9、C11）TP濃度較低，濃度穩(wěn)定值集中在1～1.5 mg·L-1，且TP濃度隨坡度增大變幅很小，表明植物覆蓋能有效調(diào)控TP濃度，且可降低由于坡度升高而造成TP濃度增大的風(fēng)險(xiǎn)。由圖3可見(jiàn)，3個(gè)坡度下C10組TP濃度均遠(yuǎn)高于其他植被措施組，且TP濃度隨坡度增大呈增大趨勢(shì)，表明受坡度增大影響，植被措施對(duì)6%生物炭含量坡面磷素流失的消減作用逐漸減弱。

由表3可知，以累積TP流失量小于CK組為減磷判別標(biāo)準(zhǔn)，10°、15°和20°下不同措施組累積TP流失量從小到大依次為 C1＜C7＜CK、C7＜C6＜C8＜C9＜CK、C7＜C6＜C9＜C8＜CK，表明緩坡上布設(shè)橫壟（C1）、陡坡下設(shè)置植被覆蓋（C6）或?qū)⑵渑c橫壟、3%BC二者結(jié)合或三者混施（C7、C8和C9）均能減少坡面磷素流失。

從不同裸坡坡面的坡度來(lái)看，10°、15°和20°下裸坡累積TP流失量（面積6 m2）分別為211.55、321.57 mg·m-2和750.00 mg·m-2，表明裸坡累積TP流失量隨坡度增加而增大（P=0.001＜0.05）。從不同耕作方式來(lái)看，裸坡+平作累積TP流失量（CK+C2+C4，面積3 m2）在 10°、15°和 20°下分別為 255.63、272.78 mg·m-2和757.95 mg·m-2，而裸坡+橫壟TP流失量（C1+C3+C5，面積3 m2）分別為167.46、370.36 mg·m-2和742.06 mg·m-2，磷素流失趨勢(shì)表現(xiàn)為兩種耕作方式的磷素流失量均隨坡度增大而增大，且橫壟措施在緩坡條件下消減磷素效果顯著，磷素消減率在10°坡面上達(dá)到34.49%，但隨著坡度增大，消減效果減弱或者失效。從不同生物炭含量來(lái)看，0%生物炭組（CK+C1）、3%生物炭組（C2+C3）和6%生物炭組（C4+C5）的磷素流失量（面積2 m2）在10°下分別為19.57、153.12 mg·m-2和 461.96 mg·m-2，在 15°下分別為 61.87、389.69 mg·m-2和 513.15 mg·m-2，在 20°下分別為 189.10、924.18 mg·m-2和1 136.72 mg·m-2，可知不同坡度下裸坡磷素流失量與生物炭含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P=0.021＜0.05），表明施加生物炭加劇了裸坡磷素流失，且磷素流失量隨坡度的增大而增大。相較于施加生物炭坡面（C2、C4），在此基礎(chǔ)上添加橫壟措施（C3、C5）盡管能起到消減磷素流失的作用，但消減能力隨生物炭含量的增大而減弱，以10°裸坡為例，當(dāng)生物炭含量由3%（C2）提高到6%（C4）時(shí)，橫壟減磷率由50.77%（C3）降至25.49%（C5）。

在植被坡面上，除C10累積TP流失量高于C4以外，其他植被措施組（C6～C9、C11）累積TP流失量均小于對(duì)應(yīng)裸地組（CK～C3、C5，P=0.021＜0.05），這表明植被覆蓋能有效控制磷素流失。從不同坡度來(lái)看，10°、15°和20°植被坡面累積TP流失量（面積6 m2）分別為121.25、87.78 mg·m-2和269.14 mg·m-2，均小于相同坡度下裸地累積TP流失量，各坡度對(duì)應(yīng)的磷素消減率分別為42.69%、72.10%和64.12%，表明植被措施在15°上消減磷素效果最好，這與其減沙規(guī)律一致。在植被覆蓋基礎(chǔ)上添加不同耕作措施會(huì)影響坡地磷素流失，10°、15°和20°下植被+平作累積TP流失量（C6+C8+C10，面積 3 m2）分別為 187.90、122.77 mg·m-2和408.69 mg·m-2，植被+橫壟累積TP流失量（C7+C9+C11，面積 3 m2）分別為 54.60、52.78 mg·m-2和129.58 mg·m-2，各坡度下植被+橫壟措施的減磷率分別為70.94%、57.01%和68.29%，說(shuō)明植被覆蓋和橫壟措施結(jié)合可以進(jìn)一步減少TP流失，但減磷效應(yīng)隨坡度的增大而減弱。從不同生物炭含量來(lái)看，不同坡度下植被+3%生物炭（C8+C9，面積2 m2）磷素消減率分別為46.18%、87.05%和88.03%，植被+6%生物炭（C10+C11，面積2 m2）磷素消減率分別為48.42%、63.73%和40.77%，由此可見(jiàn)植被措施對(duì)施加生物炭的坡面均具有固磷作用，除陡坡條件下高生物炭含量坡面的磷素消減能力下降以外，整體上植被措施對(duì)施加生物炭坡面的減磷率隨坡度的增大而增大。

2.3 不同坡度下不同措施磷素流失形態(tài)特征

徑流流失的磷素主要分為溶解態(tài)磷素（DP）和顆粒態(tài)磷素（PP），其中顆粒態(tài)磷素含量由總磷流失量與溶解態(tài)磷素流失量相減得到。圖4為3種坡度下不同水土保持措施磷素流失形態(tài)比例構(gòu)成，從磷素流失形態(tài)構(gòu)成特征來(lái)看，多數(shù)措施情景下裸坡PP流失量占據(jù)TP流失量80%以上，這表明黃綿土裸坡磷素在徑流中主要以顆粒態(tài)形式流失，這與大部分研究結(jié)果一致[11]。從不同坡度來(lái)看，10°、15°、20°坡面下總PP∕TP比例分別為95.39%、97.43%和98.34%，表明裸地坡面PP∕TP比例隨坡度的增大而增大，以CK組為例，坡面由10°增大到20°時(shí)，PP∕TP比例由80.16%上升到89.11%，最后增至95.39%。從不同生物炭含量來(lái)看，施加3%、6%生物炭的裸地和植被坡面（C3～C5、C8～C11）PP∕TP比例均高于同條件下0%生物炭組（CK～C1、C6～C7），且比例隨坡度的增大而增大。從不同耕作方式來(lái)看，緩坡條件下坡面設(shè)置橫壟措施能顯著降低PP∕TP比例，但隨著坡度增大，橫壟裸坡PP∕TP比例與平作裸坡PP∕TP比例差異性不大，以C1組為例，10°時(shí)C1組PP∕TP比例（30.89%）遠(yuǎn)低于CK組（80.16%），在15°時(shí)C1組PP∕TP比例（88.64%）略小于CK 組（89.11%），而在 20°時(shí) C1組 PP∕TP比例（95.45%）與CK組（95.39%）基本持平，表明橫壟措施對(duì)PP∕TP比例的降低作用隨坡度的增大而減弱。從不同下墊面條件來(lái)看，15°和20°下植被坡面（C6～C11）PP∕TP比例范圍分別為58.31%～96.46%和61.33%～98.96%，小于同坡度下裸地坡面（C1～C5）PP∕TP比例范圍88.64%～98.62%和95.39%～99.06%，表明植被覆蓋措施在陡坡條件下仍能有效降低PP∕TP比例。

圖4 不同坡度下不同措施磷素比例構(gòu)成Figure 4 The phosphorus forms of different measures under different slopes

3 討論

本研究采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，探究60 mm·h-1降雨強(qiáng)度下不同坡度（10°、15°、20°）、不同下墊面條件（裸地、植被覆蓋）、不同生物炭施加量（0%、3%、6%）、不同耕作方式（平作、橫坡壟作）及其組合條件下黃綿土坡地泥沙及磷素流失規(guī)律，以期為黃土高原水土保持措施優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)在恒定雨強(qiáng)下，10°和15°裸坡不同措施產(chǎn)沙率與TP濃度變化規(guī)律相似，均在產(chǎn)流20 min前迅速減少，隨后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诮涤昵捌跁r(shí)，裸坡表層土壤顆粒及物質(zhì)比較豐富，受雨滴擊濺作用易隨徑流大量流失，故磷素容易從土壤中解吸出來(lái)并隨徑流向底部遷移，導(dǎo)致產(chǎn)流初期產(chǎn)沙率和TP濃度較高[12]。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，表層土壤顆粒在雨滴的不斷夯實(shí)作用下形成地表結(jié)皮，導(dǎo)致水流挾帶運(yùn)移泥沙的能力減弱，因此產(chǎn)沙率逐漸下降并趨于穩(wěn)定。與此同時(shí)，在結(jié)皮的保護(hù)作用下，雨水沖刷能力和土壤磷素吸附解吸反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，故徑流中TP濃度趨于平穩(wěn)。在20°條件下C2～C5產(chǎn)沙率先降低，于20 min后波動(dòng)上漲，這可能是受生物炭異質(zhì)性影響，導(dǎo)致施加生物炭坡面的結(jié)皮土質(zhì)較為松散，在陡坡條件下易受徑流沖刷而最先被破壞，故在降雨后期產(chǎn)沙率不降反升。裸坡產(chǎn)沙量和TP流失量均隨著坡度的增大而增大，且均存在顯著差異性（P＜0.05），這可能是因?yàn)槠露仍龃髮?dǎo)致徑流重力沿坡面方向分力增大，從而加大了徑流流速及動(dòng)能，使得雨水入滲量減少，挾沙能力增強(qiáng)；此外坡地土體重心也隨坡度增大而升高，導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性隨之降低，使得土壤可蝕性增強(qiáng)[13]，為土壤侵蝕提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源，因此坡度越陡，坡面泥沙流失越多[14]。由于磷素流失以顆粒態(tài)磷素流失方式為主，而顆粒態(tài)磷素一般吸附固結(jié)在土壤顆粒表面，與坡地土壤侵蝕程度息息相關(guān)，故磷素流失量也與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，這與喬閃閃等[15]對(duì)黃綿土坡面氮磷流失得出的結(jié)論一致，即產(chǎn)沙量與總磷流失量均隨坡度的增加而顯著增大。

研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋可有效降低產(chǎn)沙率波動(dòng)幅度，顯著減少泥沙及TP流失，這主要受兩方面影響：一是植物葉面減緩了雨滴對(duì)表土的濺蝕作用，同時(shí)植物莖稈還起到滯緩徑流，截留泥沙的作用；二是植被地下根系改善了土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了坡面入滲能力[16]，且根系還具有固土護(hù)坡、吸收磷素的作用[17]，故在實(shí)際條件允許范圍內(nèi)，設(shè)置植被覆蓋措施是減少坡地泥沙及磷素流失的有力舉措之一。分析本試驗(yàn)磷素?cái)?shù)據(jù)可知，10°坡面下C6產(chǎn)沙量小于CK，但磷素消減效率卻為負(fù)值，這可能是由于此次試驗(yàn)是植被坡面首次進(jìn)行降雨試驗(yàn)，生長(zhǎng)在黑麥草庇蔭處的綠藻類生物結(jié)皮不僅提高了土壤磷素含量[18]，同時(shí)還隨徑流沖刷進(jìn)入到待測(cè)水樣中，導(dǎo)致測(cè)得磷素含量數(shù)值偏大。

研究發(fā)現(xiàn)坡面泥沙累積量與磷素流失量和生物炭施加量呈正相關(guān)，這與Zhang等[19]研究結(jié)果相似，這可能與本試驗(yàn)生物炭施加劑量較大有關(guān)。吳媛媛等[20]對(duì)黃綿土可蝕性的研究發(fā)現(xiàn)，施加7%含量的生物炭即可增加坡面約1∕3侵蝕泥沙量。這是因?yàn)檫^(guò)量生物炭的加入一方面增大了坡面土壤孔隙度，導(dǎo)致土壤密度降低，另一方面生物炭的異質(zhì)性削弱了坡面表土顆粒的黏結(jié)程度，導(dǎo)致坡面在暴雨沖刷下更易被侵蝕[21-22]；同時(shí)生物炭自身含有大量的氮磷元素，大量施用生物炭使得土壤磷素基值增大，導(dǎo)致測(cè)得的磷素流失值偏大[23]，因此在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要針對(duì)土壤性質(zhì)、地形因素等具體條件合理施用生物炭。對(duì)比于裸地坡面，植被措施對(duì)施加3%生物炭坡面的泥沙控制效應(yīng)較好，但當(dāng)生物炭含量由3%增大到6%含量時(shí)，以C10為代表的高生物炭含量植被坡面產(chǎn)沙量和磷素流失量劇增，甚至在陡坡條件下侵蝕量高于裸坡對(duì)照組，這是因?yàn)槌似露取⑸锾亢吭龃髸?huì)加劇坡面土壤侵蝕和磷素流失以外，施加過(guò)量生物炭還會(huì)抑制黑麥草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育[24]，導(dǎo)致根系發(fā)育緩慢甚至爛根，多因素共同作用導(dǎo)致植被減沙固磷能力降低，從而造成坡地泥沙及養(yǎng)分流失加劇，因此在植被坡面上也需要合理選擇生物炭用量。

研究還發(fā)現(xiàn)橫壟措施只在緩坡上降低泥沙及磷素流失作用顯著，這與王海雯[25]對(duì)不同坡度下紫色坡地橫壟水土保持效應(yīng)研究結(jié)果一致，即橫壟在緩坡上易發(fā)生壟面漫流現(xiàn)象，在陡坡上易出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象而導(dǎo)致坡地水土流失加劇，并推測(cè)橫壟措施臨界坡度在15°～20°。這是因?yàn)樵诘推露葪l件下，徑流易被壟丘攔截并滯留在壟溝內(nèi)，增大了土壤入滲量，進(jìn)而起到蓄水?dāng)r沙作用[26-27]。但隨著坡度的增大，攔蓄的雨水對(duì)壟面?zhèn)认驂毫υ龃螅瑫r(shí)土體重心也隨坡度升高而上升，使得壟丘穩(wěn)固性降低；坡度的增大也使得徑流流速加快，對(duì)壟丘沖擊能力增強(qiáng)，使得陡坡上的橫壟更易垮塌毀壞，造成坡面產(chǎn)沙量增大[28]。雖然本次試驗(yàn)未出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象，但隨著坡度的增大，壟溝蓄水能力降低，當(dāng)匯集水量超過(guò)積蓄能力時(shí)，誘使壟側(cè)滲漏和漫流現(xiàn)象發(fā)生[29]，大量徑流挾沙下瀉造成坡面侵蝕加劇，導(dǎo)致磷素流失量加大。但在陡坡條件下，橫壟與植被覆蓋搭配使用仍能有效減緩侵蝕與磷素流失，且消減效率均大于50%，故針對(duì)不同坡度坡面應(yīng)該合理搭配選擇水保措施，這與多年來(lái)治理坡耕地侵蝕總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)一致，即8°以下建議設(shè)置橫壟措施，8°～15°時(shí)應(yīng)將坡耕地修整為水平梯田，15°以上采取退耕還林[30]。

由于本次試驗(yàn)施加生物炭含量較大，導(dǎo)致本試驗(yàn)只能探究生物炭對(duì)坡面侵蝕的不利影響，后續(xù)研究應(yīng)對(duì)0～3%范圍生物炭含量設(shè)置多組水平進(jìn)行對(duì)比，以探究減緩黃綿土坡面侵蝕的最佳生物炭用量。雖然本試驗(yàn)按照野外實(shí)際土壤容重進(jìn)行了土槽填裝，但與野外實(shí)際降雨環(huán)境仍有差別，且在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有涉及到草被根系對(duì)磷素的吸收利用和轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此后續(xù)試驗(yàn)需結(jié)合黑麥草全生育期水土流失特征，并統(tǒng)計(jì)草被地表和根系生物量，進(jìn)一步深入探究植被措施對(duì)坡面侵蝕與磷素流失的阻控機(jī)理。

4 結(jié)論

（1）在降雨強(qiáng)度60 mm·h-1條件下，不同措施下10°裸坡的產(chǎn)沙率和TP濃度變化規(guī)律基本一致，均在產(chǎn)流20 min前迅速減少，隨后趨于穩(wěn)定。隨著坡度增大，20°裸坡下施加生物炭組（C2～C5）呈先降低，達(dá)到最低值后顯著升高的變化趨勢(shì)。3個(gè)坡度下植被措施組（C6～C9）產(chǎn)沙及磷素流失過(guò)程較為平緩，且穩(wěn)定值小于裸坡對(duì)照組。

（2）不同坡度下C1、C6、C7、C8、C9具有有效減緩黃綿土坡面土壤侵蝕和阻控磷素流失的作用。3個(gè)坡度下施加生物炭均會(huì)加劇坡面土壤及磷素流失，因此要杜絕盲目、過(guò)量施用生物炭。設(shè)置橫壟和植被覆蓋措施能明顯減少泥沙和磷素流失，但橫壟對(duì)裸地坡面消減作用隨坡度升高而減弱，而植被覆蓋措施在3個(gè)坡度上均能有效控制土壤侵蝕及磷素流失，且在15°下阻控效果最好，消減效率可達(dá)70%以上。在植被覆蓋與橫壟措施結(jié)合的雙重作用下，不同坡度下坡地泥沙和磷素流失均得到了有效控制，且消減效率達(dá)50%以上，因此在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中建議將橫壟措施與植物措施搭配布設(shè)。

（3）黃綿土坡面徑流磷素流失以顆粒態(tài)為主，多數(shù)措施情景下顆粒態(tài)磷流失量占比高于80%，且PP∕TP比例隨著坡度的增加而增大。同一坡度下坡面施加生物炭會(huì)增大PP∕TP比例，緩坡橫壟對(duì)降低PP∕TP比例效果最佳，可低至30.89%，而植被覆蓋在不同坡度上均能降低PP∕TP比例，最低可達(dá)58.31%。