納米碳對不同植被覆蓋下黃土坡地降雨侵蝕的抑制效果

周蓓蓓，陳曉鵬，呂金榜，丁 倩，王全九,2

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納米碳對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. 西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048；2. 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊陵 712100）

納米碳對黃土高原地區土壤水分運動具有顯著影響。該文基于野外人工模擬降雨試驗，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量分數納米碳（0、0.1%、0.5%、0.7%和1.0%）對坡地產流產沙過程的影響。該文試驗設計1.0 m × 1.0 m降雨小區，前期在小區坡面種植植被以及埋入不同質量分數納米碳，其中未做植被覆蓋處理和未施加納米碳的小區作為對照，共25個試驗小區。采用針孔式人工模擬降雨器進行模擬降雨，雨強為60 mm/h，降雨歷時40 min。降雨過程中定時收集徑流及泥沙，用以研究在不同植被覆蓋條件下納米碳對黃土區坡地徑流與泥沙的調控機理影響。研究結果顯示，在土壤中施入納米碳，對坡面初始產流時間的影響顯著。隨著施入納米碳質量分數的增加，不同植被覆蓋的初始產流時間總體隨之增加，在4種植被覆蓋中，苜蓿延緩產流時間效果最明顯，較之空白對照最大增加了287.1%。納米碳的施入，使各植被覆蓋中坡面徑流量明顯降低，施入不同質量分數納米碳，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，納米碳對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。通過納米碳對產流產沙量的影響進行相關性分析，得出納米碳對試驗結果具有顯著的影響；在水土流失調控效果評價值影響分析中，納米碳對水土流失調控效果較合適的質量分數為0.5%。綜上，在黃土區土壤中施加納米碳并提高施入納米碳的比例，對于該地區水土流失的治理具有積極作用。

土壤；產流；產沙；納米碳；植被覆蓋；黃土坡地；降雨侵蝕

0 引 言

黃土地區地域遼闊且自然資源豐富，對西北經濟發展起關鍵作用。但黃土區開發歷史長，生態系統脆弱，嚴重的水分養分流失、土壤質量持續下降及荒漠化，制約了黃土區農業生產效率及生態環境的健康發展。國內眾多學者為了解決這一問題進行了大量室內外試驗及理論分析，如以植被覆蓋為主的生物調控措施[1-2]，坡地改建梯田，引水設施中加修沉沙溝等工程措施等[3-5]，但由于黃土區惡劣的氣候環境、疏松的土質、土壤持水性差，研究進展極為緩慢。因此，一些學者提出以改善土壤理化性質為突破點，將不同的土壤改良劑應用到黃土區，以進行水土流失的調控[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，對土壤化學性質改善較小，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，進而增大坡底水土流失的風險[9-10]。生物炭因固有的特性和理化性質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，污染區域河流，甚至引起地下水污染[13-14]，其應用同樣受到局限。

近年來，土壤與植物營養領域的新興納米科技，主要通過研究尺寸范圍介于10-9～10-7m的納米材料，對實際農業生產進行改造[15]。納米材料具有小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等基本特性，將納米材料應用在土壤中，勢必會對土壤結構、土壤中元素遷移及化學生物反應等方面有一定影響[16-17]。同時，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-大氣循環體中廣泛存在，可避免給土壤及植被帶來不良影響，且已有研究表明NC遇水可提升土壤電動位，降低土壤pH值，提升土壤離子濃度，促進養分釋放[18]；同時NC具有的巨大的比表面及小尺寸效應，極易與土壤中營養元素和微量元素發生吸附或耦合成為高效復合肥料[15]。

一些學者將NC引入土壤中，以期調節土壤的顆粒結構，改善其理化性質，提高土壤的持水保肥性。Lecoanet[19]通過室內擾動土柱試驗發現，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]向擾動土柱內添加NC進行研究，結果表明土壤中NC的存在可大大提高土壤的陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC），一定程度上影響土壤對離子的吸附量；Tan等[21]在黃綿土中加入不同含量的NC，發現NC對土壤水分入滲有顯著影響，且隨NC含量增加，土壤飽和導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進行養分遷移的研究，結果發現NC可有效延緩養分在沙質土壤的遷移速率，提高沙質土壤保肥性。呂金榜等[23]將NC施入到土壤剖面表層5 cm下進行試驗研究，發現NC可顯著促進土壤水分入滲，同時隨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，通過在黃土坡面建設降雨小區，在土壤中埋入不同比例NC，種植不同類型的植被，初步研究NC對黃土坡地不同植被覆蓋下坡地產流產沙的影響，擬為改善黃土區水土流失的治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2015年7－9月在中國科學院神木侵蝕與環境試驗站進行。該試驗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。該地區主要土壤類型包括風沙土和綿沙土，本試驗小區內土壤為風沙土，其理化性質見表1。

表1 試驗小區土壤理化性質

1.2 試驗設計

本試驗通過野外修建面積為1.0 m×1.0 m，坡度為15°的試驗小區，采用人工模擬降雨進行降雨試驗，分析在不同植被覆蓋條件下NC對黃土坡地降雨侵蝕的影響。試驗設計種植4種不同植物覆蓋類型（檸條、苜蓿、黃豆和玉米），以及1組無植被覆蓋的小區作為對照。每種作物根據NC不同的施量，分別布置4個不同NC含量的處理（NC質量分數分別為0.1%、0.5%、0.7%和1.0%），另設計不施加NC空白對照小區，共計25個小區。在施加NC的小區選取坡上、坡中、坡下3個位置條施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土壤與一定質量NC混合而后將表土回填。小區條施NC后，靜置恢復4個月后進行模擬降雨試驗。為防止雨滴打擊作用，降雨小區四周用鐵片擋板圍起，擋板插入地表10 cm左右直至固定，在小區下坡位用鐵片圍成V型匯流口，下接徑流桶承接降雨產生的徑流。

降雨采用西安理工大學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（可上下調節高度），水槽（針頭，震動裝置）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。每次降雨前需反復率定雨強，可通過調節水槽內的水位高度來調節雨強的大小。本次試驗降雨強度依據當地多年侵蝕性降雨資料，設計雨強為60 mm/h，降雨歷時為40 min。

試驗所用NC來源于上海海諾炭業有限公司，碳粉粒徑為40 nm，原料采用5 a生竹子，經高溫炭化，納米級超細研磨精制組成。

1.3 坡面作物預處理

為較好地模擬自然條件下，不同植被覆蓋的黃土坡地，本試驗采用當地常見植被和作物（檸條、苜蓿、黃豆和玉米）進行研究。為了降低人為因素對降雨試驗的干擾，本試驗于降雨試驗開始前4個月，在已建成的試驗小區內種植各類預設植物以供試研究，且之后無任何翻耕等農業工作。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地的農作習慣進行。降雨試驗開始前，通過尺量和單位面積拍照，利用Photoshop和MATLAB軟件對坡面植被覆蓋度進行計算，結果見表2。結果顯示，試驗小區內坡面植被覆蓋情況可代表當地一般情況。

表2 試驗區植被生長狀況

1.4 試驗測定過程

降雨試驗前，用土鉆在小區內植株間（空地選在小區中間部分）采集土壤剖面土樣用來測定土壤初始質量含水率。從坡面表層每間隔5 cm采樣1次，取土至地下30 cm處，用烘干法測定剖面各層土壤質量含水率，當土壤剖面質量含水率平均值相差在10%以內（表層土壤質量含水率在0.035～0.05之間），開始模擬降雨試驗。降雨開始后，記錄坡面產流時間，產流后用塑料小桶承接坡面產生徑流，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，風干徑流桶中的徑流液，收集徑流產生的泥沙，稱質量獲得泥沙含量。

1.5 數據處理與分析

所有試驗數據均為2次重復的平均值，采用Microsoft Excel和IBM Spss10.1軟件進行相關參數的統計分析和圖表繪制，無重復雙因素方差分析進行顯著性檢驗（=0.05）。

為了進一步分析NC含量及植被類型對坡面降雨過程中水土流失調控效果的影響，我們引入了水土保持評價值這一指標，土壤水分及養分的水土保持評價值使用Kumar和Srivastava[24]給出的公式進行計算：

式中C為水分或泥沙保持評價值；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 結果與分析

2.1 不同含量納米碳施加對初始產流時間的影響

在坡面自然降雨時，坡面環境對初始產流時間的影響主要體現在土壤前期含水量[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，進而影響坡面產生徑流；坡面表層覆蓋物，如植被、碎石等，能夠減緩降雨對于坡面表層的擊打夯實作用，同時植被根部能夠起到攔蓄和分散徑流的作用，對降雨初始產流時間也有不同的程度的影響。本文通過降雨前期對土壤剖面含水量的測定，排除前期含水量對試驗結果的干擾，僅考慮在不同植被覆蓋條件下NC對土壤入滲及坡面產流的影響。

依據實測降雨資料，將不同植被覆蓋條件下，NC含量對初始產流時間的影響繪于圖2。可以看出，在不同植被覆蓋條件下，與不施入NC的對照處理相比，土壤中施入NC后各處理的初始產流時間顯著增長，且初始產流時間隨著土壤中NC施入含量的增加，總體上呈逐漸上升的趨勢，當NC大于0.5%時，繼續增加NC，徑流延緩效果不明顯。在無NC施入的各空白對照處理中，苜蓿的初始產流時間為15.5 min，較之空地處理的產流時間增加了9.73 min，在各植被覆蓋中初始產流時間最長。各植被覆蓋處理中，施入NC含量在1.0%與無施入的產流時間對比中，苜蓿處理增加最為顯著，增加了287.1%，對照處理空地增加了60.4%，檸條增加了19.9%，黃豆增加了28.7%，玉米增加了29.8%，說明土壤中施入了NC，各植被覆蓋對于初始產流時間的影響顯著，其中，苜蓿處理施入了NC后對初始產流時間的影響最大。

為進一步研究NC對初始產流時間的影響，利用線性方程對各植被覆蓋的初始產流時間擬合，擬合所得系數2均大于0.80，擬合效果較好。各擬合直線的斜率均大于0，說明初始產流時間隨著NC施入量的增加，呈現上升增加的趨勢。其中，苜蓿的擬合直線斜率為3.848 9，在各植被線性擬合中斜率最大，進一步確認了苜蓿覆蓋條件下，施入了NC后對初始產流時間的影響最大。這主要由于黃土地區多為超滲產流，當降雨量大于土壤入滲量時，方能發生產流現象。呂金榜等[23]通過室內一維土柱試驗，研究發現表土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，顯著延緩了徑流的產生。

2.2 不同含量納米碳施加對坡面徑流量的影響

在沒有上方來水影響的簡單模擬降雨試驗條件下，坡面徑流的產生主要是由于坡面入滲飽和后雨水匯集向下游流動。在短歷時降雨過程中，土壤對于雨水的入滲接收能力直接影響坡面產流的多少，本文通過對各次降雨產生徑流量的對比，來分析不同NC含量對坡面表層土壤中水分運動的影響。

各植被覆蓋條件下，整個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顯示，不論空地對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左右各次降雨產流趨于穩定值，進一步說明在降雨過程中，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，一方面改變了試驗土樣結構，使得黃綿土的總孔隙體積增加，同時小孔隙增多，毛細管作用力增強，土樣吸持水量增多，最終導致飽和質量含水量增加[29]。另一方面，細粒徑的NC增加了土壤的粘粒含量，改善了土壤質地[30]，而且NC具有極大比表面積，表面能極高，對水分有較高的吸持力[7]。降雨結束后，對小區內土壤剖面含水量進行測定，施入NC的土壤入滲濕潤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，這可以說明NC可以提高土壤持水性，促進土壤入滲。

進一步分析數據可以看出，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%，說明NC的施入對于苜蓿處理在降雨事件中減少徑流的效果最明顯。這主要是因為地表有植被覆蓋情況下，植被起到了截留降雨的作用，減少了可產流雨量，一方面植被葉片截留改變雨滴動能，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構和提高土壤孔隙度以及較高的水分滲透性[31]。朱顯謨[32]認為根系對土壤滲透力的作用，主要是根系能將土壤單粒黏結起來的同時也能將板結密實的土體分散，并通過根系自身的腐解和轉化合成腐殖質，使土壤有良好團聚結構和孔隙狀況。坡面徑流在產流過程中沿坡面流動嚴重多種因素影響，進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，相似覆蓋度下對地面產流量沒有較明顯的影響。

為分析NC對降雨產流的影響，對不同NC含量下各次降雨產流過程進行的擬合分析，列于表3。可以看出，利用冪函數對降雨產流過程進行擬合，確定系數2均在0.99以上，擬合效果較好。在各植被覆蓋（含空地對照）中，指數和系數均隨NC含量的增加而呈現一致的變化規律。擬合方程中系數反映了降雨事件中第一時間的產流率，指數反映了NC對于坡面徑流的減流能力。系數隨著NC含量的增加而減小，說明NC的施入降低了降雨過程中的初始產流率；而指數卻隨著NC含量的增加而增大，說明土壤中NC含量的增多，坡面表層土壤的減流能力增加，降低坡面產流量。

表3 不同納米碳質量分數下降雨產流量擬合分析

注：、分別表示時間、產流量。

Note:andrepresent time and runoff yield, respectively.

2.3 不同含量納米碳施加對坡面產沙量的影響

降雨對坡面土壤的濺蝕和坡面徑流對于表層土壤的沖刷，是引起坡面土壤隨徑流移動的主要誘因。而土壤的結構組成直接影響濺蝕和沖刷的結果，本文從坡面徑流的攜沙量來研究施入NC對于土壤抗侵蝕的影響，并將不同NC含量對坡面產沙的影響結果繪于圖4。

從圖4可以看出，與不施入NC的對照相比，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。與穩定產流的時間節點相同，第15分鐘左右徑流中泥沙輸出量趨于穩定。空地處理中，0%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NC施入的處理，減少了8.9%～31.7%，說明NC的施入可以穩定土壤結構，抗雨水濺蝕和徑流沖刷能力增強。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對土壤流失量的降低效果最顯著。通過圖4還可以發現，各植被覆蓋中徑流泥沙的減幅并沒有隨NC含量的增加而嚴格增長。黃豆處理中NC質量分數達到0.5%以后，徑流泥沙的減幅隨NC含量的增加而減小，玉米處理中受實驗誤差影響，0.7%時累計產沙量大于0.5%NC施加量處理，但從總體來言，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，減幅大體上呈現增大趨勢。這主要由于NC對土壤結構的改變，致使土壤抗濺蝕能力和抗沖刷能力增強，結合坡面徑流的減小，所以坡面產沙量隨NC含量的增加而減少。

另外，在試驗設計初期，坡面植被種植的同時，NC已按照比例埋入土壤中。NC改善了小區域土壤結構，增加了土壤持水性，也改變了植被生長的土壤環境。經過對植被整個生育期的觀測，施入NC的坡面植被長勢均優于未施NC的坡面植被。說明NC對土壤結構的改良，間接影響了坡面植被的生長。在模擬降雨過程中，坡面產沙量隨不同NC含量呈現出一定的規律，其中不同長勢的植被覆蓋也有一定的影響。苜蓿處理中NC質量分數1.0%時，坡面產流產沙量最低，一方面是NC改變土壤結構導致，另一方面是NC引起坡面苜蓿長勢較好，對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，阻擋了雨滴對于坡面表層土壤的濺蝕，因此產沙量較其他處理明顯減少。

表4是對不同NC含量下徑流運移泥沙過程進行的擬合分析。可以發現，徑流泥沙流失可以用冪函數較好地進行擬合，確定系數均在0.98以上。其中，指數代表NC對于徑流泥沙的減沙能力，系數代表坡面徑流過程中初始的產沙率。空地和苜蓿處理中，系數隨著NC含量的增加而降低，表示坡面徑流的初始產沙率降低，而指數與NC含量成正比，表示坡面對于徑流的減沙能力增強。檸條處理、黃豆處理和玉米處理中，指數和系數隨NC含量的變化呈現峰值情況。當NC質量分數為0.5%時，坡面徑流的初始產沙率最低，而且坡面對徑流的減沙效果最好。總體來說，NC含量的增加，對于坡面徑流中泥沙量有降低作用，其中，NC為0.5%對檸條、黃豆和玉米處理的減沙作用最明顯。

表4 不同納米碳質量分數下降雨產沙量擬合分析

注：、分別表示時間、產沙量。

Note:andrepresent time and sediment yield, respectively.

2.4 納米碳施加對黃土坡地水土流失調控效果評價

本文在設計不同NC含量的同時，還考慮了不同植被覆蓋類型，因此為明確2種因素對實驗結果的影響，對NC施入量和植被覆蓋進行雙因素相關性分析以及2種因素對產流產沙量進行檢驗，結果列于表5。可以看出，2種因素與產流產沙量均存在極顯著的相關性；值小于0.01，故2種因素對試驗結果有非常顯著的影響。可見，在有植被覆蓋條件下，土壤中施入NC對坡面徑流過程具有重要影響。

表5 納米碳質量分數、植被覆蓋類型對產流產沙的相關性分析

注：**代表試驗因素與結果存在極顯著相關性（<0.01）。

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

為了進一步分析NC含量對坡面降雨過程中水土流失調控效果的影響，本文通過引入水土保持評價值來分析（見表6）。

表6 不同納米碳質量分數對水土流失調控效果評價

由表6可以看出，各植被覆蓋中，隨著NC含量的升高，水分及泥沙保持評價值均總體呈增加趨勢，土壤中施加NC對于坡面水土保持評價的作用凸顯。各植被覆蓋中，水分保持評價值變化范圍為21.538～91.450，泥沙保持評價值變化范圍為6.720～90.755，2個評價值均存在1個較大的變化區間，說明土壤中施加不同比例的NC，對于水土保持評價的影響較大。NC質量分數為0.5%、0.7%及1.0%時水分及泥沙保持評價值變化不大，即當NC質量分數增加到0.5%時，水土流失調控效果已經比較明顯，之后隨著NC的增加，水土流失調控效果增加不明顯。考慮NC的價格等綜合因素，可以得出，各植被覆蓋中，水土流失調控效果較合適的質量分數為0.5%。

3 結 論

本文通過在神木六道溝的模擬降雨試驗，研究了黃土坡面不同植被覆蓋條件下，施加不同NC含量對坡地產流產沙過程的影響，主要取得以下研究結果：

1）在黃土坡面中施入NC，對坡面初始產流時間的影響顯著。各植被覆蓋中，隨著施入NC含量的增加，初始產流時間總體隨之增加，其中，NC質量分數為1.0%時，苜蓿處理對比空白對照初始產流時間增加了287.1%，產流延緩效果最明顯，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。植被覆蓋坡面產流產沙過程可利用冪函數進行擬合，指數隨NC含量增加而增加，表示坡面的減沙能力增強。

4）NC和植被覆蓋對坡面產流產沙過程的相關性分析中，兩種因素對試驗分析結果非常顯著；由水土流失調控效果評價值可得知，NC質量分數為0.5%是最經濟實用的水土流失調控方案。

本文著重研究了納米碳對于黃土地區4種典型植被覆蓋的坡面產流產沙過程的影響，對于降雨過程中納米碳影響土壤中水分運動的機理并未涉及，因此后續的研究將從土壤剖面含水量變化特征展開，同時建立試驗資料為基礎的納米碳作用下的綜合數學模型，以便深入了解納米碳改善黃土區水土保持作用的機理，擬為黃土區水土流失的治理提供依據。

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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

國家自然科學基金項目（51239009；41371239）；陜西省科技支撐項目（2013KJXX-38）；陜西省自然科學基金（2015JQ5161）；西安理工大學特色研究計劃項目（2016TS013）

周蓓蓓，女，江蘇徐州人，博士，副教授，主要從事農業水土與生態環境研究。西安 西安理工大學水利水電學院，710048。 Email：happyangle222@gmail.com

周蓓蓓，陳曉鵬，呂金榜，丁 倩，王全九. 納米碳對不同植被覆蓋下黃土坡地降雨侵蝕的抑制效果[J]. 農業工程學報，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