纳米碳对不同植被覆盖下黄土坡地降雨侵蚀的抑制效果

周蓓蓓，陈晓鹏，吕金榜，丁 倩，王全九,2



纳米碳对不同植被覆盖下黄土坡地降雨侵蚀的抑制效果

周蓓蓓1，陈晓鹏1，吕金榜1，丁 倩1，王全九1,2

（1. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048；2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨陵 712100）

纳米碳对黄土高原地区土壤水分运动具有显著影响。该文基于野外人工模拟降雨试验，研究了不同植被覆盖（空地、柠条、苜蓿、黄豆和玉米）条件下，在黄土坡面上中下位置条施不同质量分数纳米碳（0、0.1%、0.5%、0.7%和1.0%）对坡地产流产沙过程的影响。该文试验设计1.0 m × 1.0 m降雨小区，前期在小区坡面种植植被以及埋入不同质量分数纳米碳，其中未做植被覆盖处理和未施加纳米碳的小区作为对照，共25个试验小区。采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨，雨强为60 mm/h，降雨历时40 min。降雨过程中定时收集径流及泥沙，用以研究在不同植被覆盖条件下纳米碳对黄土区坡地径流与泥沙的调控机理影响。研究结果显示，在土壤中施入纳米碳，对坡面初始产流时间的影响显著。随着施入纳米碳质量分数的增加，不同植被覆盖的初始产流时间总体随之增加，在4种植被覆盖中，苜蓿延缓产流时间效果最明显，较之空白对照最大增加了287.1%。纳米碳的施入，使各植被覆盖中坡面径流量明显降低，施入不同质量分数纳米碳，各植被覆盖中减流效果最显著的仍为苜蓿，径流量较之对照减少了66.47%，而空地、柠条、黄豆、玉米这4种处理减流幅度均在31.5%~33.6%之间。同时，纳米碳对于坡面径流减沙效果亦非常显著。施入纳米碳后，各植被减沙效果排序依次是：苜蓿>柠条>玉米>黄豆。通过纳米碳对产流产沙量的影响进行相关性分析，得出纳米碳对试验结果具有显著的影响；在水土流失调控效果评价值影响分析中，纳米碳对水土流失调控效果较合适的质量分数为0.5%。综上，在黄土区土壤中施加纳米碳并提高施入纳米碳的比例，对于该地区水土流失的治理具有积极作用。

土壤；产流；产沙；纳米碳；植被覆盖；黄土坡地；降雨侵蚀

0 引 言

黄土地区地域辽阔且自然资源丰富，对西北经济发展起关键作用。但黄土区开发历史长，生态系统脆弱，严重的水分养分流失、土壤质量持续下降及荒漠化，制约了黄土区农业生产效率及生态环境的健康发展。国内众多学者为了解决这一问题进行了大量室内外试验及理论分析，如以植被覆盖为主的生物调控措施[1-2]，坡地改建梯田，引水设施中加修沉沙沟等工程措施等[3-5]，但由于黄土区恶劣的气候环境、疏松的土质、土壤持水性差，研究进展极为缓慢。因此，一些学者提出以改善土壤理化性质为突破点，将不同的土壤改良剂应用到黄土区，以进行水土流失的调控[6-8]。目前研究较为广泛的为聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）和生物炭。但PAM为高分子聚合物，对土壤化学性质改善较小，且施加后虽可减少泥沙量，但也阻碍了水分在坡面下渗，因此使径流量增加，进而增大坡底水土流失的风险[9-10]。生物炭因固有的特性和理化性质也成为新兴的土壤改良剂[11-12]，但生物炭粒径较大，极易随径流迁移，污染区域河流，甚至引起地下水污染[13-14]，其应用同样受到局限。

近年来，土壤与植物营养领域的新兴纳米科技，主要通过研究尺寸范围介于10-9～10-7m的纳米材料，对实际农业生产进行改造[15]。纳米材料具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等基本特性，将纳米材料应用在土壤中，势必会对土壤结构、土壤中元素迁移及化学生物反应等方面有一定影响[16-17]。同时，纳米碳（nano-carbon，NC）不同于其他金属纳米材料，在土壤及土壤-植被-大气循环体中广泛存在，可避免给土壤及植被带来不良影响，且已有研究表明NC遇水可提升土壤电动位，降低土壤pH值，提升土壤离子浓度，促进养分释放[18]；同时NC具有的巨大的比表面及小尺寸效应，极易与土壤中营养元素和微量元素发生吸附或耦合成为高效复合肥料[15]。

一些学者将NC引入土壤中，以期调节土壤的颗粒结构，改善其理化性质，提高土壤的持水保肥性。Lecoanet[19]通过室内扰动土柱试验发现，重金属在加入NC的砂土中的迁移速率仍大于壤土和黏土，且穿透性能随土壤中NC含量增加而减小；Liang等[20]向扰动土柱内添加NC进行研究，结果表明土壤中NC的存在可大大提高土壤的阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC），一定程度上影响土壤对离子的吸附量；Tan等[21]在黄绵土中加入不同含量的NC，发现NC对土壤水分入渗有显著影响，且随NC含量增加，土壤饱和导水率和饱和含水量增加。刘艳丽等[22]利用一维垂直土柱试验进行养分迁移的研究，结果发现NC可有效延缓养分在沙质土壤的迁移速率，提高沙质土壤保肥性。吕金榜等[23]将NC施入到土壤剖面表层5 cm下进行试验研究，发现NC可显著促进土壤水分入渗，同时随NC含量增加，土壤剖面含水量增加。本文基于人工模拟降雨试验，通过在黄土坡面建设降雨小区，在土壤中埋入不同比例NC，种植不同类型的植被，初步研究NC对黄土坡地不同植被覆盖下坡地产流产沙的影响，拟为改善黄土区水土流失的治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2015年7－9月在中国科学院神木侵蚀与环境试验站进行。该试验站位于陕西省神木县六道沟流域，海拔1 081.0～1 273.9 m，平均气温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，最大日降雨量为132 mm，降水年际变化大，最大年降水量8 191.1 mm，最小106.8 mm。该地区主要土壤类型包括风沙土和绵沙土，本试验小区内土壤为风沙土，其理化性质见表1。

表1 试验小区土壤理化性质

1.2 试验设计

本试验通过野外修建面积为1.0 m×1.0 m，坡度为15°的试验小区，采用人工模拟降雨进行降雨试验，分析在不同植被覆盖条件下NC对黄土坡地降雨侵蚀的影响。试验设计种植4种不同植物覆盖类型（柠条、苜蓿、黄豆和玉米），以及1组无植被覆盖的小区作为对照。每种作物根据NC不同的施量，分别布置4个不同NC含量的处理（NC质量分数分别为0.1%、0.5%、0.7%和1.0%），另设计不施加NC空白对照小区，共计25个小区。在施加NC的小区选取坡上、坡中、坡下3个位置条施NC。条施NC宽度为5 cm，土壤与NC混合层深度为土壤表面以下5～10 cm。在施加NC之前，将土表5 cm土壤取出置于一旁，将地表下5 cm土壤与一定质量NC混合而后将表土回填。小区条施NC后，静置恢复4个月后进行模拟降雨试验。为防止雨滴打击作用，降雨小区四周用铁片挡板围起，挡板插入地表10 cm左右直至固定，在小区下坡位用铁片围成V型汇流口，下接径流桶承接降雨产生的径流。

降雨采用西安理工大学自主研制的针孔式人工模拟降雨器（如图1）。针孔式降雨器主要由支架（可上下调节高度），水槽（针头，震动装置）和供水装置三部分组成。水槽尺寸为1.2 m × 1.2 m，可控制降雨面积为1.5 m2。每次降雨前需反复率定雨强，可通过调节水槽内的水位高度来调节雨强的大小。本次试验降雨强度依据当地多年侵蚀性降雨资料，设计雨强为60 mm/h，降雨历时为40 min。

试验所用NC来源于上海海诺炭业有限公司，碳粉粒径为40 nm，原料采用5 a生竹子，经高温炭化，纳米级超细研磨精制组成。

1.3 坡面作物预处理

为较好地模拟自然条件下，不同植被覆盖的黄土坡地，本试验采用当地常见植被和作物（柠条、苜蓿、黄豆和玉米）进行研究。为了降低人为因素对降雨试验的干扰，本试验于降雨试验开始前4个月，在已建成的试验小区内种植各类预设植物以供试研究，且之后无任何翻耕等农业工作。玉米采用穴播，行距25 cm，株距35 cm；苜蓿采用条播，行距25 cm；黄豆采有穴播，行距25 cm，株距30 cm；柠条采用条播，行距25 cm。植被的种植与田间管理按照当地的农作习惯进行。降雨试验开始前，通过尺量和单位面积拍照，利用Photoshop和MATLAB软件对坡面植被覆盖度进行计算，结果见表2。结果显示，试验小区内坡面植被覆盖情况可代表当地一般情况。

表2 试验区植被生长状况

1.4 试验测定过程

降雨试验前，用土钻在小区内植株间（空地选在小区中间部分）采集土壤剖面土样用来测定土壤初始质量含水率。从坡面表层每间隔5 cm采样1次，取土至地下30 cm处，用烘干法测定剖面各层土壤质量含水率，当土壤剖面质量含水率平均值相差在10%以内（表层土壤质量含水率在0.035～0.05之间），开始模拟降雨试验。降雨开始后，记录坡面产流时间，产流后用塑料小桶承接坡面产生径流，0～15 min之间，每隔3 min换1次径流桶，15～40 min之间，每隔5 min换1次径流桶。降雨结束后，与降雨前土壤剖面取样方式相同，用土钻每间隔5 cm土层采样1次，取土至地下30 cm处，土壤样品的处理方法同降雨前。记录径流桶中径流量后，风干径流桶中的径流液，收集径流产生的泥沙，称质量获得泥沙含量。

1.5 数据处理与分析

所有试验数据均为2次重复的平均值，采用Microsoft Excel和IBM Spss10.1软件进行相关参数的统计分析和图表绘制，无重复双因素方差分析进行显著性检验（=0.05）。

为了进一步分析NC含量及植被类型对坡面降雨过程中水土流失调控效果的影响，我们引入了水土保持评价值这一指标，土壤水分及养分的水土保持评价值使用Kumar和Srivastava[24]给出的公式进行计算：

式中C为水分或泥沙保持评价值；S为植被覆盖中（含NC）水分或泥沙侵蚀值，g；S为裸地处理中（不含NC）水分或泥沙侵蚀值，g。

2 结果与分析

2.1 不同含量纳米碳施加对初始产流时间的影响

在坡面自然降雨时，坡面环境对初始产流时间的影响主要体现在土壤前期含水量[25]和坡面覆盖物的拦蓄[26-28]。土壤前期含水量直接影响降雨在土壤中的入渗能力，进而影响坡面产生径流；坡面表层覆盖物，如植被、碎石等，能够减缓降雨对于坡面表层的击打夯实作用，同时植被根部能够起到拦蓄和分散径流的作用，对降雨初始产流时间也有不同的程度的影响。本文通过降雨前期对土壤剖面含水量的测定，排除前期含水量对试验结果的干扰，仅考虑在不同植被覆盖条件下NC对土壤入渗及坡面产流的影响。

依据实测降雨资料，将不同植被覆盖条件下，NC含量对初始产流时间的影响绘于图2。可以看出，在不同植被覆盖条件下，与不施入NC的对照处理相比，土壤中施入NC后各处理的初始产流时间显著增长，且初始产流时间随着土壤中NC施入含量的增加，总体上呈逐渐上升的趋势，当NC大于0.5%时，继续增加NC，径流延缓效果不明显。在无NC施入的各空白对照处理中，苜蓿的初始产流时间为15.5 min，较之空地处理的产流时间增加了9.73 min，在各植被覆盖中初始产流时间最长。各植被覆盖处理中，施入NC含量在1.0%与无施入的产流时间对比中，苜蓿处理增加最为显著，增加了287.1%，对照处理空地增加了60.4%，柠条增加了19.9%，黄豆增加了28.7%，玉米增加了29.8%，说明土壤中施入了NC，各植被覆盖对于初始产流时间的影响显著，其中，苜蓿处理施入了NC后对初始产流时间的影响最大。

为进一步研究NC对初始产流时间的影响，利用线性方程对各植被覆盖的初始产流时间拟合，拟合所得系数2均大于0.80，拟合效果较好。各拟合直线的斜率均大于0，说明初始产流时间随着NC施入量的增加，呈现上升增加的趋势。其中，苜蓿的拟合直线斜率为3.848 9，在各植被线性拟合中斜率最大，进一步确认了苜蓿覆盖条件下，施入了NC后对初始产流时间的影响最大。这主要由于黄土地区多为超渗产流，当降雨量大于土壤入渗量时，方能发生产流现象。吕金榜等[23]通过室内一维土柱试验，研究发现表土5 cm下施加NC层，可显著增加土壤入渗，且随NC含量增加，入渗量增加。因此随坡面NC含量增加，土壤坡面入渗能力增强，显著延缓了径流的产生。

2.2 不同含量纳米碳施加对坡面径流量的影响

在没有上方来水影响的简单模拟降雨试验条件下，坡面径流的产生主要是由于坡面入渗饱和后雨水汇集向下游流动。在短历时降雨过程中，土壤对于雨水的入渗接收能力直接影响坡面产流的多少，本文通过对各次降雨产生径流量的对比，来分析不同NC含量对坡面表层土壤中水分运动的影响。

各植被覆盖条件下，整个降雨事件中的总径流量随土壤中不同NC含量施入的变化情况绘于图3。图3中径流累积量的变化曲线显示，不论空地对照处理还是植被覆盖，其径流量随着NC的施入而明显减小，一般在15 min左右各次降雨产流趋于稳定值，进一步说明在降雨过程中，NC的施入可增加土壤的入渗能力，减少坡面径流。这主要由于土壤中加入NC，一方面改变了试验土样结构，使得黄绵土的总孔隙体积增加，同时小孔隙增多，毛细管作用力增强，土样吸持水量增多，最终导致饱和质量含水量增加[29]。另一方面，细粒径的NC增加了土壤的粘粒含量，改善了土壤质地[30]，而且NC具有极大比表面积，表面能极高，对水分有较高的吸持力[7]。降雨结束后，对小区内土壤剖面含水量进行测定，施入NC的土壤入渗湿润锋比未施的下降得快，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，这可以说明NC可以提高土壤持水性，促进土壤入渗。

进一步分析数据可以看出，各植被覆盖条件下空地处理中累积径流量最大，玉米、柠条、黄豆依次减少，减流效果最明显的是苜蓿处理，减少了66.47%，其他几种植被覆盖减流效果介于31.5%～33.6%，说明NC的施入对于苜蓿处理在降雨事件中减少径流的效果最明显。这主要是因为地表有植被覆盖情况下，植被起到了截留降雨的作用，减少了可产流雨量，一方面植被叶片截留改变雨滴动能，减少了可侵蚀性雨量，另一方面植被根系可拦滤径流、减小坡面水流行进速率。在苜蓿处理中，苜蓿根系较之其他几种植被较密，能使土壤具有良好的结构和提高土壤孔隙度以及较高的水分渗透性[31]。朱显谟[32]认为根系对土壤渗透力的作用，主要是根系能将土壤单粒黏结起来的同时也能将板结密实的土体分散，并通过根系自身的腐解和转化合成腐殖质，使土壤有良好团聚结构和孔隙状况。坡面径流在产流过程中沿坡面流动严重多种因素影响，进而明显影响其累积径流量的大小[33]。因此，玉米、柠条、黄豆以及苜蓿处理中，累积径流量均较空地处理有明显的减少，但玉米、柠条以及黄豆根系比较稀疏，相似覆盖度下对地面产流量没有较明显的影响。

为分析NC对降雨产流的影响，对不同NC含量下各次降雨产流过程进行的拟合分析，列于表3。可以看出，利用幂函数对降雨产流过程进行拟合，确定系数2均在0.99以上，拟合效果较好。在各植被覆盖（含空地对照）中，指数和系数均随NC含量的增加而呈现一致的变化规律。拟合方程中系数反映了降雨事件中第一时间的产流率，指数反映了NC对于坡面径流的减流能力。系数随着NC含量的增加而减小，说明NC的施入降低了降雨过程中的初始产流率；而指数却随着NC含量的增加而增大，说明土壤中NC含量的增多，坡面表层土壤的减流能力增加，降低坡面产流量。

表3 不同纳米碳质量分数下降雨产流量拟合分析

注：、分别表示时间、产流量。

Note:andrepresent time and runoff yield, respectively.

2.3 不同含量纳米碳施加对坡面产沙量的影响

降雨对坡面土壤的溅蚀和坡面径流对于表层土壤的冲刷，是引起坡面土壤随径流移动的主要诱因。而土壤的结构组成直接影响溅蚀和冲刷的结果，本文从坡面径流的携沙量来研究施入NC对于土壤抗侵蚀的影响，并将不同NC含量对坡面产沙的影响结果绘于图4。

从图4可以看出，与不施入NC的对照相比，各植被覆盖条件下（含空地处理）中施入NC可以有效降低径流中携带的泥沙量。与稳定产流的时间节点相同，第15分钟左右径流中泥沙输出量趋于稳定。空地处理中，0%的NC施入处理中，径流泥沙累积流失356.39 g，而施入0.1%～1.0%的NC处理中，泥沙累积流失243.25～324.64 g，均少于无NC施入的处理，减少了8.9%～31.7%，说明NC的施入可以稳定土壤结构，抗雨水溅蚀和径流冲刷能力增强。在各植被覆盖中，NC的施入，柠条处理可以有效减少泥沙输出19.4%～43.1%；苜蓿处理减少泥沙输出16.4%～64.2%；黄豆处理减少泥沙输出14.0%～40.6%；玉米处理减少泥沙输出15.1%～41.8%。苜蓿处理中施入NC对土壤流失量的降低效果最显著。通过图4还可以发现，各植被覆盖中径流泥沙的减幅并没有随NC含量的增加而严格增长。黄豆处理中NC质量分数达到0.5%以后，径流泥沙的减幅随NC含量的增加而减小，玉米处理中受实验误差影响，0.7%时累计产沙量大于0.5%NC施加量处理，但从总体来言，坡面土壤施入NC，径流携沙量明显减少，且随着NC含量的增加，减幅大体上呈现增大趋势。这主要由于NC对土壤结构的改变，致使土壤抗溅蚀能力和抗冲刷能力增强，结合坡面径流的减小，所以坡面产沙量随NC含量的增加而减少。

另外，在试验设计初期，坡面植被种植的同时，NC已按照比例埋入土壤中。NC改善了小区域土壤结构，增加了土壤持水性，也改变了植被生长的土壤环境。经过对植被整个生育期的观测，施入NC的坡面植被长势均优于未施NC的坡面植被。说明NC对土壤结构的改良，间接影响了坡面植被的生长。在模拟降雨过程中，坡面产沙量随不同NC含量呈现出一定的规律，其中不同长势的植被覆盖也有一定的影响。苜蓿处理中NC质量分数1.0%时，坡面产流产沙量最低，一方面是NC改变土壤结构导致，另一方面是NC引起坡面苜蓿长势较好，对于坡面有一定的截留固沙的作用。叶片较大的植被（黄豆、玉米）处理中，叶片遮蔽了部分坡面表层，阻挡了雨滴对于坡面表层土壤的溅蚀，因此产沙量较其他处理明显减少。

表4是对不同NC含量下径流运移泥沙过程进行的拟合分析。可以发现，径流泥沙流失可以用幂函数较好地进行拟合，确定系数均在0.98以上。其中，指数代表NC对于径流泥沙的减沙能力，系数代表坡面径流过程中初始的产沙率。空地和苜蓿处理中，系数随着NC含量的增加而降低，表示坡面径流的初始产沙率降低，而指数与NC含量成正比，表示坡面对于径流的减沙能力增强。柠条处理、黄豆处理和玉米处理中，指数和系数随NC含量的变化呈现峰值情况。当NC质量分数为0.5%时，坡面径流的初始产沙率最低，而且坡面对径流的减沙效果最好。总体来说，NC含量的增加，对于坡面径流中泥沙量有降低作用，其中，NC为0.5%对柠条、黄豆和玉米处理的减沙作用最明显。

表4 不同纳米碳质量分数下降雨产沙量拟合分析

注：、分别表示时间、产沙量。

Note:andrepresent time and sediment yield, respectively.

2.4 纳米碳施加对黄土坡地水土流失调控效果评价

本文在设计不同NC含量的同时，还考虑了不同植被覆盖类型，因此为明确2种因素对实验结果的影响，对NC施入量和植被覆盖进行双因素相关性分析以及2种因素对产流产沙量进行检验，结果列于表5。可以看出，2种因素与产流产沙量均存在极显著的相关性；值小于0.01，故2种因素对试验结果有非常显著的影响。可见，在有植被覆盖条件下，土壤中施入NC对坡面径流过程具有重要影响。

表5 纳米碳质量分数、植被覆盖类型对产流产沙的相关性分析

注：**代表试验因素与结果存在极显著相关性（<0.01）。

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

为了进一步分析NC含量对坡面降雨过程中水土流失调控效果的影响，本文通过引入水土保持评价值来分析（见表6）。

表6 不同纳米碳质量分数对水土流失调控效果评价

由表6可以看出，各植被覆盖中，随着NC含量的升高，水分及泥沙保持评价值均总体呈增加趋势，土壤中施加NC对于坡面水土保持评价的作用凸显。各植被覆盖中，水分保持评价值变化范围为21.538～91.450，泥沙保持评价值变化范围为6.720～90.755，2个评价值均存在1个较大的变化区间，说明土壤中施加不同比例的NC，对于水土保持评价的影响较大。NC质量分数为0.5%、0.7%及1.0%时水分及泥沙保持评价值变化不大，即当NC质量分数增加到0.5%时，水土流失调控效果已经比较明显，之后随着NC的增加，水土流失调控效果增加不明显。考虑NC的价格等综合因素，可以得出，各植被覆盖中，水土流失调控效果较合适的质量分数为0.5%。

3 结 论

本文通过在神木六道沟的模拟降雨试验，研究了黄土坡面不同植被覆盖条件下，施加不同NC含量对坡地产流产沙过程的影响，主要取得以下研究结果：

1）在黄土坡面中施入NC，对坡面初始产流时间的影响显著。各植被覆盖中，随着施入NC含量的增加，初始产流时间总体随之增加，其中，NC质量分数为1.0%时，苜蓿处理对比空白对照初始产流时间增加了287.1%，产流延缓效果最明显，其次是空地、玉米、黄豆、柠条；

2）各植被覆盖条件下，坡面径流累积量随着施入NC含量的增加而降低，施入不同NC含量，各植被覆盖条件下，减流效果最明显的为苜蓿处理，较之空白对照，径流减少66.47%，而空地、柠条、黄豆、玉米这4种处理减流幅度均在31.5%～33.6%之间；

3）各植被覆盖条件下，土壤中施入NC可以表现出明显的减沙效果，其中空地处理施加不同含量NC后，泥沙减少了8.9%～31.7%。施入NC后，各植被减沙效果排序依次是：苜蓿>柠条>玉米>黄豆。植被覆盖坡面产流产沙过程可利用幂函数进行拟合，指数随NC含量增加而增加，表示坡面的减沙能力增强。

4）NC和植被覆盖对坡面产流产沙过程的相关性分析中，两种因素对试验分析结果非常显著；由水土流失调控效果评价值可得知，NC质量分数为0.5%是最经济实用的水土流失调控方案。

本文着重研究了纳米碳对于黄土地区4种典型植被覆盖的坡面产流产沙过程的影响，对于降雨过程中纳米碳影响土壤中水分运动的机理并未涉及，因此后续的研究将从土壤剖面含水量变化特征展开，同时建立试验资料为基础的纳米碳作用下的综合数学模型，以便深入了解纳米碳改善黄土区水土保持作用的机理，拟为黄土区水土流失的治理提供依据。

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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

国家自然科学基金项目（51239009；41371239）；陕西省科技支撑项目（2013KJXX-38）；陕西省自然科学基金（2015JQ5161）；西安理工大学特色研究计划项目（2016TS013）

周蓓蓓，女，江苏徐州人，博士，副教授，主要从事农业水土与生态环境研究。西安 西安理工大学水利水电学院，710048。 Email：happyangle222@gmail.com

周蓓蓓，陈晓鹏，吕金榜，丁 倩，王全九. 纳米碳对不同植被覆盖下黄土坡地降雨侵蚀的抑制效果[J]. 农业工程学报，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