不同措施黄绵土坡地暴雨侵蚀及磷素流失特点

迟宇博 ，吴磊 ，3*，李蕊 ，高爽

（1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

我国黄土高原地区沟壑纵横，土质疏松，降雨季节分配不均衡[1]，加上人类长期的陡坡开垦、滥伐滥牧等一系列不合理的生产活动[2]，使得黄土高原大部分区域土壤侵蚀严重，土壤侵蚀面积达39万km2，占黄土高原地区总面积的60.9%以上，是世界上水土流失最为严重的区域之一[3]。严重的水土流失一方面导致了土壤表层营养物质大量流失，使得耕地土壤质量严重退化，阻碍了当地农业生产发展；另一方面大量泥沙和氮、磷养分随径流进入受纳水体，造成水体富营养化及水质恶化，加剧了农业面源污染[4]，极大程度上制约着黄土高原区域生态环境质量的提升。

为减少坡地水土养分流失，缓解农业生产与环境质量之间的矛盾，近年来国内外学者已经提出大量控制措施来消减农业面源污染，其中生物炭作为一种新型且高效的土壤改良剂，因具有多孔性、比表面积大、富含官能团[5]等特性，能够有效吸附氮磷元素，而被广泛应用于农业面源污染控制[6]，但考虑到生物炭的成本效益和施加的不可逆性，探讨坡面上生物炭施加量对土壤和生态环境的影响显得尤为重要。在应对坡地泥沙养分流失方面，横垄与植被覆盖措施在坡面上的应用最为广泛，横垄作为一种最为常见的传统耕作管理措施，通过改变坡面微地形，达到固土蓄水、防治土壤侵蚀和减缓养分流失[7]的作用，但当拦截水量超过垄沟蓄水能力时，会导致垄侧渗流，反而加剧土壤流失[8]。根据黄土高原地区多年来的水保经验，植被覆盖措施在治理土壤侵蚀过程中起到了不可替代的作用，主要是通过增大植被覆盖度达到降低雨滴动能、拦蓄径流及泥沙以及吸附污染负荷[9]等目的，其中草本植被因具有易于管理、发育迅速、植被茂密等优点，常被视为一项低廉且高效的生物林草措施。

现阶段，针对坡面不同水土保持措施下的水沙与养分流失规律已开展了大量降雨试验研究，但大多数研究主要集中于单体措施对单一坡面径流、泥沙的截留效应上，针对不同措施组合下坡面泥沙及磷素输出特征的研究还相对较少。因此本研究以黄绵土坡地为对象，采用室内人工模拟降雨试验，研究单体措施及其组合对坡面侵蚀及磷素流失的影响效应，以期为黄土丘陵区多尺度养分流失模拟和水土资源调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次人工模拟降雨试验在西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅的侧喷区内进行。试验所用径流槽为6个相同尺寸的移动变坡式钢槽，如图1所示，钢槽规格均为2 m（长）×1 m（宽）×0.45 m（高），每个土槽中间用钢板等分成两部分作为试验对照，另在土槽的其他三边设置10 cm安全加高，防止槽内土壤在雨滴打击作用下溅出槽外，并在土槽底板处均匀打孔，便于土壤水分自由向下渗漏。

试验用土为采自延安市安塞县的黄绵土，理化性质如表1所示。试验所用生物炭（BC）由陕西省亿鑫生物能源科技开发有限公司提供，是以苹果枝条为原料经过600℃热解法制得的锯末黑炭，粒径为80～400目。

1.2 试验方法

图1 径流槽示意图Figure 1 Schematic diagram of runoff trough

土壤取回后自然风干，过10 mm筛去除杂物。采用酒精燃烧法测得土壤前期含水量，并根据安塞地区氮磷水平计算得到所需尿素和过磷酸钙用量，用所需补水量溶解定量的化学肥料，使用喷雾器均匀喷洒在土料上，为使坡地养分流失最低，保持土壤初始含水量在10%左右[10]。用电子天平称取土质量的3%、6%作为生物炭施加量（3%BC、6%BC），用搅拌机将生物炭与土壤充分搅拌，混和均匀后密封静置24 h形成试验肥土备用。土槽填装时，首先在底部铺设厚5 cm天然细沙后用透水纱布覆盖，保证水分均匀下渗。根据土壤设计容重1.20 g·cm-3，采用分层填装法进行填土并均匀压实。对于设置横垄措施的土槽，坡面按垄高5 cm、垄顶间距10 cm、垄宽5 cm的标准仿成横坡垄作地，另一侧土槽坡面设计为平地作为不同耕作措施试验对照。对于设置植被覆盖措施的土槽，根据安塞地区当地植被的生长分布情况，采用条播方式播种多年生黑麦草，播种密度为20 g·m-2，种植行距保持为10 cm，于草苗长出后14 d左右对槽内草被进行间苗和移栽，使得土槽内牧草盖度基本相同，保持在80%左右。土槽内具体措施布设情况及编号见表2。

1.3 样品收集与测定

设定此次试验降雨强度为60 mm·h-1，固定降雨时长为90 min，坡度选取黄土丘陵区常见坡度水平：10°、15°、20°。降雨试验为2019年7月上旬至8月中旬，共降雨6次，每次降雨前需用时域反射仪（Time domain reflectometry，TDR）测量土壤含水量，测得含水量在10%左右后准备降雨试验。正式降雨试验前需对降雨强度进行多场次率定，直到雨强和均匀度（80%以上）均满足要求时，快速揭开遮雨布开始降雨试验，并记录开始降雨时间。以土槽水流呈柱状流出时记为初始产流时间并采取水样，采样方法为前20 min每间隔1 min取1次水样，共取10次，此后每间隔10 min取1次水样至降雨结束，采样时长均为1 min，共取17组径流样。试验结束后称量各小桶内水样体积和质量，用聚乙烯瓶取各桶内50 mL径流样，带回实验室对各组水样分别进行化学分析，剩余水样放入烘箱烘干至恒质量测得泥沙含量。浑水样总磷（TP）和经0.45 μm滤膜过滤后的溶解态磷（DP）测定均采用5%过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法（GB 11893—1989），并通过TP浓度与DP浓度相减得到颗粒态磷（PP）浓度。

表1 试验土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of experimental soil

表2 试验不同措施布设情况Table 2 Layout of different measures

1.4 数据处理与计算

本试验采用Excel 2016进行数据统计和图表制作，用SPSS 23.0软件进行数据分析和处理，不同措施组产沙数据计算包括产沙量、产沙率和减沙率，养分数据包括磷素流失量和磷素消减率。

产沙率（g·min-1）=第i次收集的泥沙量∕第i次采样时间

减沙率（%）=（不同措施产沙量-对照措施产沙量）∕对照措施产沙量

磷素消减率（%）=（不同措施磷素流失量-对照措施磷素流失量）∕对照措施磷素流失量

2 结果与分析

2.1 不同坡度下不同措施泥沙流失特征

图2为10°、15°和20°下不同措施随降雨过程的产沙情况。由图2可知，10°和15°裸坡上不同措施组产沙率随降雨历时的变化特征相似，即在产流初期裸坡产沙率随产流时间先迅速减少，于20 min后趋于稳定，但随着坡度增大，20°下C2～C5产沙率先降低后波动上涨。10°下CK～C5初始产沙量分别为7.78、3.02、25.62、4.23、36.61 g和6.73 g，从大到小依次为C4＞C2＞CK＞C5＞C3＞C1，可知同一生物炭施加量下，横垄组初始产沙量小于平地对照组，表明横坡垄作措施能有效拦截坡面泥沙；当耕作措施相同时，初始产沙量随生物炭含量增加而增大，表明施加本试验范围生物炭含量加剧了坡面土壤侵蚀。

由图2可知，3个坡度下除C10外，其余植被覆盖组（C6～C9、C11）产沙率稳定值和变化幅度均小于裸地对照组，且变幅随坡度增大波动相对较小，表明种植草被是削弱坡面土壤侵蚀程度的重要措施，可有效降低由坡度升高而造成坡地土壤侵蚀加剧的不利影响。从图中还可知，C10产沙率随坡度升高显著增大，尤其在20°下产沙率甚至高于裸坡对照组，表明在陡坡条件下，添加大剂量生物炭同样具备加重植被坡面侵蚀的风险。

累积产沙量大小能准确反映出土壤在雨滴击溅作用下的侵蚀程度。由表3可知，以累积产沙量小于CK组为减沙判断标准，10°、15°和20°下不同措施组累积产沙量从小到大依次为C1＜C6＜C8＜C7＜CK、C6＜C8＜CK、C6＜C7＜C9＜C8＜CK，表明缓坡上设置横垄措施（C1），或在不同坡度下将植被措施（C6）与横坡垄作、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，从不同坡度来看，10°、15°和20°裸坡总产沙量（面积6 m2）分别为251.02、463.67 g·m-2和864.02 g·m-2，表明裸坡土壤侵蚀量随坡度增大呈增加趋势（P=0.001＜0.05）。从不同耕作方式来看，裸坡+平作总产沙量（CK+C2+C4）在10°、15°和20°下分别为334.39、394.44 g·m-2和884.41 g·m-2，裸坡+横垄总产沙量（C1+C3+C5）在 10°、15°和 20°下分别为167.64、532.90 g·m-2和843.63 g·m-2，表明不同耕作方式坡面产沙量均随坡度的增大而增大。横垄措施在10°下泥沙消减率达到 49.87%，但在 15°和 20°坡面下，横垄总产沙量是平地总产沙量的1.35倍和0.95倍，表明随着坡度增大，横垄措施对泥沙的消减效果减弱或者失效。从不同生物炭含量来看，不同坡度下生物炭含量与裸坡产沙量之间存在显著关联性（P=0.029＜0.05），不同坡度下0%生物炭组（CK+C1）、3%生物炭组（C2+C3）和6%生物炭组（C4+C5）产沙量（面积 2 m2）在 10°下分别为 36.53、175.67 g·m-2和540.84 g·m-2，15°下分别为 60.16、683.28 g·m-2和647.57 g·m-2，20°下分别为 282.41、1 315.58 g·m-2和994.08 g·m-2，表明3个坡度下施加生物炭均对裸坡泥沙流失起到负面影响，且同一生物炭施加量坡面的产沙量随坡度的增大而增大。对施加生物炭的坡面（C2、C4）布设横垄措施（C3、C5）能有效阻控泥沙流失，但横垄减沙效应随生物炭含量增加而减小，以10°裸坡为例，C1减沙率最高（59.83%），C3减沙率其次（58.13%），而C5减沙率最低（46.22%）。

图2 不同坡度下不同措施产沙过程Figure 2 Sediment yield process of different measures under different slopes

在植被坡面上，除C10累积产沙量高于C4以外，3个坡度下其他植被措施组（C6～C9、C11）累积产沙量均小于对应裸地组（CK～C3、C5，P=0.017＜0.05），表明植被覆盖是减缓坡地土壤侵蚀的有效措施。从不同坡度来看，10°、15°和 20°下植被覆盖坡面总产沙量（面积6 m2）分别为189.53、137.27 g·m-2和688.83 g·m-2，相较于同坡度下裸地坡面产沙量，不同坡度下植被覆盖对泥沙的消减率分别为24.49%、70.40%和20.28%，表明植被覆盖能有效控制坡面泥沙流失，且在15°条件下调控效果最好。从不同耕作措施来看，植被+平作总产沙量（C6+C8+C10，面积3 m2）在10°、15°和20°下分别为308.45、185.49 g·m-2和1 128.17 g·m-2，植被+横垄总产沙量（C7+C9+C11，面积3 m2）分别为70.61、89.05 g·m-2和249.48 g·m-2，对比可知植被覆盖与不同耕作方式相结合，其产沙量均随坡度的增大而增大。各坡度下植被+横垄组减沙率分别为77.11%、51.99%和77.89%，表明植被覆盖和横垄措施相搭配在不同坡度下能进一步消减泥沙流失。从不同生物炭含量来看，植被+3%生物炭（C8+C9，面积2 m2）减沙率由10°坡面下的61.33%升至15°坡面89.05%，最后达到20°坡面下的90.30%，植被+6%生物炭（C10+C11，面积2 m2）减沙率在10°和15°坡面下分别为15.58%和52.75%，但在20°坡面减沙率为负值，表明植被覆盖对施加生物炭坡面整体上具有消减作用，但植被措施对施加生物炭坡地泥沙的消减作用存在一定的承载限度，在陡坡条件下其拦沙效果减弱甚至失效。

2.2 不同坡度下不同措施磷素流失特征

图3不同坡度下不同措施总磷浓度变化过程Figure 3 Dynamics of TP concentration of different measures under different slopes

图3 为不同坡度下不同措施TP浓度随降雨历时的变化过程。从图中可以发现，在10°、15°裸坡下，不同措施TP流失过程与产沙趋势大致相同，均在产流初期20 min内迅速降低，最后趋于平稳，且20°下C2～C5的TP浓度在产流前20 min内先降低，之后开始波动上涨。相比于裸地坡面，植被覆盖组（C6～C9、C11）TP浓度较低，浓度稳定值集中在1～1.5 mg·L-1，且TP浓度随坡度增大变幅很小，表明植物覆盖能有效调控TP浓度，且可降低由于坡度升高而造成TP浓度增大的风险。由图3可见，3个坡度下C10组TP浓度均远高于其他植被措施组，且TP浓度随坡度增大呈增大趋势，表明受坡度增大影响，植被措施对6%生物炭含量坡面磷素流失的消减作用逐渐减弱。

由表3可知，以累积TP流失量小于CK组为减磷判别标准，10°、15°和20°下不同措施组累积TP流失量从小到大依次为 C1＜C7＜CK、C7＜C6＜C8＜C9＜CK、C7＜C6＜C9＜C8＜CK，表明缓坡上布设横垄（C1）、陡坡下设置植被覆盖（C6）或将其与横垄、3%BC二者结合或三者混施（C7、C8和C9）均能减少坡面磷素流失。

从不同裸坡坡面的坡度来看，10°、15°和20°下裸坡累积TP流失量（面积6 m2）分别为211.55、321.57 mg·m-2和750.00 mg·m-2，表明裸坡累积TP流失量随坡度增加而增大（P=0.001＜0.05）。从不同耕作方式来看，裸坡+平作累积TP流失量（CK+C2+C4，面积3 m2）在 10°、15°和 20°下分别为 255.63、272.78 mg·m-2和757.95 mg·m-2，而裸坡+横垄TP流失量（C1+C3+C5，面积3 m2）分别为167.46、370.36 mg·m-2和742.06 mg·m-2，磷素流失趋势表现为两种耕作方式的磷素流失量均随坡度增大而增大，且横垄措施在缓坡条件下消减磷素效果显著，磷素消减率在10°坡面上达到34.49%，但随着坡度增大，消减效果减弱或者失效。从不同生物炭含量来看，0%生物炭组（CK+C1）、3%生物炭组（C2+C3）和6%生物炭组（C4+C5）的磷素流失量（面积2 m2）在10°下分别为19.57、153.12 mg·m-2和 461.96 mg·m-2，在 15°下分别为 61.87、389.69 mg·m-2和 513.15 mg·m-2，在 20°下分别为 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与生物炭含量之间存在显著正相关关系（P=0.021＜0.05），表明施加生物炭加剧了裸坡磷素流失，且磷素流失量随坡度的增大而增大。相较于施加生物炭坡面（C2、C4），在此基础上添加横垄措施（C3、C5）尽管能起到消减磷素流失的作用，但消减能力随生物炭含量的增大而减弱，以10°裸坡为例，当生物炭含量由3%（C2）提高到6%（C4）时，横垄减磷率由50.77%（C3）降至25.49%（C5）。

在植被坡面上，除C10累积TP流失量高于C4以外，其他植被措施组（C6～C9、C11）累积TP流失量均小于对应裸地组（CK～C3、C5，P=0.021＜0.05），这表明植被覆盖能有效控制磷素流失。从不同坡度来看，10°、15°和20°植被坡面累积TP流失量（面积6 m2）分别为121.25、87.78 mg·m-2和269.14 mg·m-2，均小于相同坡度下裸地累积TP流失量，各坡度对应的磷素消减率分别为42.69%、72.10%和64.12%，表明植被措施在15°上消减磷素效果最好，这与其减沙规律一致。在植被覆盖基础上添加不同耕作措施会影响坡地磷素流失，10°、15°和20°下植被+平作累积TP流失量（C6+C8+C10，面积 3 m2）分别为 187.90、122.77 mg·m-2和408.69 mg·m-2，植被+横垄累积TP流失量（C7+C9+C11，面积 3 m2）分别为 54.60、52.78 mg·m-2和129.58 mg·m-2，各坡度下植被+横垄措施的减磷率分别为70.94%、57.01%和68.29%，说明植被覆盖和横垄措施结合可以进一步减少TP流失，但减磷效应随坡度的增大而减弱。从不同生物炭含量来看，不同坡度下植被+3%生物炭（C8+C9，面积2 m2）磷素消减率分别为46.18%、87.05%和88.03%，植被+6%生物炭（C10+C11，面积2 m2）磷素消减率分别为48.42%、63.73%和40.77%，由此可见植被措施对施加生物炭的坡面均具有固磷作用，除陡坡条件下高生物炭含量坡面的磷素消减能力下降以外，整体上植被措施对施加生物炭坡面的减磷率随坡度的增大而增大。

2.3 不同坡度下不同措施磷素流失形态特征

径流流失的磷素主要分为溶解态磷素（DP）和颗粒态磷素（PP），其中颗粒态磷素含量由总磷流失量与溶解态磷素流失量相减得到。图4为3种坡度下不同水土保持措施磷素流失形态比例构成，从磷素流失形态构成特征来看，多数措施情景下裸坡PP流失量占据TP流失量80%以上，这表明黄绵土裸坡磷素在径流中主要以颗粒态形式流失，这与大部分研究结果一致[11]。从不同坡度来看，10°、15°、20°坡面下总PP∕TP比例分别为95.39%、97.43%和98.34%，表明裸地坡面PP∕TP比例随坡度的增大而增大，以CK组为例，坡面由10°增大到20°时，PP∕TP比例由80.16%上升到89.11%，最后增至95.39%。从不同生物炭含量来看，施加3%、6%生物炭的裸地和植被坡面（C3～C5、C8～C11）PP∕TP比例均高于同条件下0%生物炭组（CK～C1、C6～C7），且比例随坡度的增大而增大。从不同耕作方式来看，缓坡条件下坡面设置横垄措施能显著降低PP∕TP比例，但随着坡度增大，横垄裸坡PP∕TP比例与平作裸坡PP∕TP比例差异性不大，以C1组为例，10°时C1组PP∕TP比例（30.89%）远低于CK组（80.16%），在15°时C1组PP∕TP比例（88.64%）略小于CK 组（89.11%），而在 20°时 C1组 PP∕TP比例（95.45%）与CK组（95.39%）基本持平，表明横垄措施对PP∕TP比例的降低作用随坡度的增大而减弱。从不同下垫面条件来看，15°和20°下植被坡面（C6～C11）PP∕TP比例范围分别为58.31%～96.46%和61.33%～98.96%，小于同坡度下裸地坡面（C1～C5）PP∕TP比例范围88.64%～98.62%和95.39%～99.06%，表明植被覆盖措施在陡坡条件下仍能有效降低PP∕TP比例。

图4 不同坡度下不同措施磷素比例构成Figure 4 The phosphorus forms of different measures under different slopes

3 讨论

本研究采用室内人工模拟降雨试验，探究60 mm·h-1降雨强度下不同坡度（10°、15°、20°）、不同下垫面条件（裸地、植被覆盖）、不同生物炭施加量（0%、3%、6%）、不同耕作方式（平作、横坡垄作）及其组合条件下黄绵土坡地泥沙及磷素流失规律，以期为黄土高原水土保持措施优化配置提供科学依据。

研究发现在恒定雨强下，10°和15°裸坡不同措施产沙率与TP浓度变化规律相似，均在产流20 min前迅速减少，随后趋于稳定。这是因为在降雨前期时，裸坡表层土壤颗粒及物质比较丰富，受雨滴击溅作用易随径流大量流失，故磷素容易从土壤中解吸出来并随径流向底部迁移，导致产流初期产沙率和TP浓度较高[12]。随着降雨历时的延长，表层土壤颗粒在雨滴的不断夯实作用下形成地表结皮，导致水流挟带运移泥沙的能力减弱，因此产沙率逐渐下降并趋于稳定。与此同时，在结皮的保护作用下，雨水冲刷能力和土壤磷素吸附解吸反应逐渐稳定，故径流中TP浓度趋于平稳。在20°条件下C2～C5产沙率先降低，于20 min后波动上涨，这可能是受生物炭异质性影响，导致施加生物炭坡面的结皮土质较为松散，在陡坡条件下易受径流冲刷而最先被破坏，故在降雨后期产沙率不降反升。裸坡产沙量和TP流失量均随着坡度的增大而增大，且均存在显著差异性（P＜0.05），这可能是因为坡度增大导致径流重力沿坡面方向分力增大，从而加大了径流流速及动能，使得雨水入渗量减少，挟沙能力增强；此外坡地土体重心也随坡度增大而升高，导致土壤稳定性随之降低，使得土壤可蚀性增强[13]，为土壤侵蚀提供了丰富的物质来源，因此坡度越陡，坡面泥沙流失越多[14]。由于磷素流失以颗粒态磷素流失方式为主，而颗粒态磷素一般吸附固结在土壤颗粒表面，与坡地土壤侵蚀程度息息相关，故磷素流失量也与坡度呈正相关关系，这与乔闪闪等[15]对黄绵土坡面氮磷流失得出的结论一致，即产沙量与总磷流失量均随坡度的增加而显著增大。

研究发现植被覆盖可有效降低产沙率波动幅度，显著减少泥沙及TP流失，这主要受两方面影响：一是植物叶面减缓了雨滴对表土的溅蚀作用，同时植物茎秆还起到滞缓径流，截留泥沙的作用；二是植被地下根系改善了土壤结构，增强了坡面入渗能力[16]，且根系还具有固土护坡、吸收磷素的作用[17]，故在实际条件允许范围内，设置植被覆盖措施是减少坡地泥沙及磷素流失的有力举措之一。分析本试验磷素数据可知，10°坡面下C6产沙量小于CK，但磷素消减效率却为负值，这可能是由于此次试验是植被坡面首次进行降雨试验，生长在黑麦草庇荫处的绿藻类生物结皮不仅提高了土壤磷素含量[18]，同时还随径流冲刷进入到待测水样中，导致测得磷素含量数值偏大。

研究发现坡面泥沙累积量与磷素流失量和生物炭施加量呈正相关，这与Zhang等[19]研究结果相似，这可能与本试验生物炭施加剂量较大有关。吴媛媛等[20]对黄绵土可蚀性的研究发现，施加7%含量的生物炭即可增加坡面约1∕3侵蚀泥沙量。这是因为过量生物炭的加入一方面增大了坡面土壤孔隙度，导致土壤密度降低，另一方面生物炭的异质性削弱了坡面表土颗粒的黏结程度，导致坡面在暴雨冲刷下更易被侵蚀[21-22]；同时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，导致测得的磷素流失值偏大[23]，因此在实际农业生产中，要针对土壤性质、地形因素等具体条件合理施用生物炭。对比于裸地坡面，植被措施对施加3%生物炭坡面的泥沙控制效应较好，但当生物炭含量由3%增大到6%含量时，以C10为代表的高生物炭含量植被坡面产沙量和磷素流失量剧增，甚至在陡坡条件下侵蚀量高于裸坡对照组，这是因为除了坡度、生物炭含量增大会加剧坡面土壤侵蚀和磷素流失以外，施加过量生物炭还会抑制黑麦草幼苗生长发育[24]，导致根系发育缓慢甚至烂根，多因素共同作用导致植被减沙固磷能力降低，从而造成坡地泥沙及养分流失加剧，因此在植被坡面上也需要合理选择生物炭用量。

研究还发现横垄措施只在缓坡上降低泥沙及磷素流失作用显著，这与王海雯[25]对不同坡度下紫色坡地横垄水土保持效应研究结果一致，即横垄在缓坡上易发生垄面漫流现象，在陡坡上易出现断垄现象而导致坡地水土流失加剧，并推测横垄措施临界坡度在15°～20°。这是因为在低坡度条件下，径流易被垄丘拦截并滞留在垄沟内，增大了土壤入渗量，进而起到蓄水拦沙作用[26-27]。但随着坡度的增大，拦蓄的雨水对垄面侧向压力增大，同时土体重心也随坡度升高而上升，使得垄丘稳固性降低；坡度的增大也使得径流流速加快，对垄丘冲击能力增强，使得陡坡上的横垄更易垮塌毁坏，造成坡面产沙量增大[28]。虽然本次试验未出现断垄现象，但随着坡度的增大，垄沟蓄水能力降低，当汇集水量超过积蓄能力时，诱使垄侧渗漏和漫流现象发生[29]，大量径流挟沙下泻造成坡面侵蚀加剧，导致磷素流失量加大。但在陡坡条件下，横垄与植被覆盖搭配使用仍能有效减缓侵蚀与磷素流失，且消减效率均大于50%，故针对不同坡度坡面应该合理搭配选择水保措施，这与多年来治理坡耕地侵蚀总结得出的经验一致，即8°以下建议设置横垄措施，8°～15°时应将坡耕地修整为水平梯田，15°以上采取退耕还林[30]。

由于本次试验施加生物炭含量较大，导致本试验只能探究生物炭对坡面侵蚀的不利影响，后续研究应对0～3%范围生物炭含量设置多组水平进行对比，以探究减缓黄绵土坡面侵蚀的最佳生物炭用量。虽然本试验按照野外实际土壤容重进行了土槽填装，但与野外实际降雨环境仍有差别，且在试验过程中没有涉及到草被根系对磷素的吸收利用和转化过程，因此后续试验需结合黑麦草全生育期水土流失特征，并统计草被地表和根系生物量，进一步深入探究植被措施对坡面侵蚀与磷素流失的阻控机理。

4 结论

（1）在降雨强度60 mm·h-1条件下，不同措施下10°裸坡的产沙率和TP浓度变化规律基本一致，均在产流20 min前迅速减少，随后趋于稳定。随着坡度增大，20°裸坡下施加生物炭组（C2～C5）呈先降低，达到最低值后显著升高的变化趋势。3个坡度下植被措施组（C6～C9）产沙及磷素流失过程较为平缓，且稳定值小于裸坡对照组。

（2）不同坡度下C1、C6、C7、C8、C9具有有效减缓黄绵土坡面土壤侵蚀和阻控磷素流失的作用。3个坡度下施加生物炭均会加剧坡面土壤及磷素流失，因此要杜绝盲目、过量施用生物炭。设置横垄和植被覆盖措施能明显减少泥沙和磷素流失，但横垄对裸地坡面消减作用随坡度升高而减弱，而植被覆盖措施在3个坡度上均能有效控制土壤侵蚀及磷素流失，且在15°下阻控效果最好，消减效率可达70%以上。在植被覆盖与横垄措施结合的双重作用下，不同坡度下坡地泥沙和磷素流失均得到了有效控制，且消减效率达50%以上，因此在实际农业生产过程中建议将横垄措施与植物措施搭配布设。

（3）黄绵土坡面径流磷素流失以颗粒态为主，多数措施情景下颗粒态磷流失量占比高于80%，且PP∕TP比例随着坡度的增加而增大。同一坡度下坡面施加生物炭会增大PP∕TP比例，缓坡横垄对降低PP∕TP比例效果最佳，可低至30.89%，而植被覆盖在不同坡度上均能降低PP∕TP比例，最低可达58.31%。