不同措施黃綿土坡地暴雨侵蝕及磷素流失特點

遲宇博 ，吳磊 ，3*，李蕊 ，高爽

（1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

我國黃土高原地區溝壑縱橫，土質疏松，降雨季節分配不均衡[1]，加上人類長期的陡坡開墾、濫伐濫牧等一系列不合理的生產活動[2]，使得黃土高原大部分區域土壤侵蝕嚴重，土壤侵蝕面積達39萬km2，占黃土高原地區總面積的60.9%以上，是世界上水土流失最為嚴重的區域之一[3]。嚴重的水土流失一方面導致了土壤表層營養物質大量流失，使得耕地土壤質量嚴重退化，阻礙了當地農業生產發展；另一方面大量泥沙和氮、磷養分隨徑流進入受納水體，造成水體富營養化及水質惡化，加劇了農業面源污染[4]，極大程度上制約著黃土高原區域生態環境質量的提升。

為減少坡地水土養分流失，緩解農業生產與環境質量之間的矛盾，近年來國內外學者已經提出大量控制措施來消減農業面源污染，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[5]等特性，能夠有效吸附氮磷元素，而被廣泛應用于農業面源污染控制[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土壤和生態環境的影響顯得尤為重要。在應對坡地泥沙養分流失方面，橫壟與植被覆蓋措施在坡面上的應用最為廣泛，橫壟作為一種最為常見的傳統耕作管理措施，通過改變坡面微地形，達到固土蓄水、防治土壤侵蝕和減緩養分流失[7]的作用，但當攔截水量超過壟溝蓄水能力時，會導致壟側滲流，反而加劇土壤流失[8]。根據黃土高原地區多年來的水保經驗，植被覆蓋措施在治理土壤侵蝕過程中起到了不可替代的作用，主要是通過增大植被覆蓋度達到降低雨滴動能、攔蓄徑流及泥沙以及吸附污染負荷[9]等目的，其中草本植被因具有易于管理、發育迅速、植被茂密等優點，常被視為一項低廉且高效的生物林草措施。

現階段，針對坡面不同水土保持措施下的水沙與養分流失規律已開展了大量降雨試驗研究，但大多數研究主要集中于單體措施對單一坡面徑流、泥沙的截留效應上，針對不同措施組合下坡面泥沙及磷素輸出特征的研究還相對較少。因此本研究以黃綿土坡地為對象，采用室內人工模擬降雨試驗，研究單體措施及其組合對坡面侵蝕及磷素流失的影響效應，以期為黃土丘陵區多尺度養分流失模擬和水土資源調控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次人工模擬降雨試驗在西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室降雨大廳的側噴區內進行。試驗所用徑流槽為6個相同尺寸的移動變坡式鋼槽，如圖1所示，鋼槽規格均為2 m（長）×1 m（寬）×0.45 m（高），每個土槽中間用鋼板等分成兩部分作為試驗對照，另在土槽的其他三邊設置10 cm安全加高，防止槽內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。

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

1.2 試驗方法

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

土壤取回后自然風干，過10 mm篩去除雜物。采用酒精燃燒法測得土壤前期含水量，并根據安塞地區氮磷水平計算得到所需尿素和過磷酸鈣用量，用所需補水量溶解定量的化學肥料，使用噴霧器均勻噴灑在土料上，為使坡地養分流失最低，保持土壤初始含水量在10%左右[10]。用電子天平稱取土質量的3%、6%作為生物炭施加量（3%BC、6%BC），用攪拌機將生物炭與土壤充分攪拌，混和均勻后密封靜置24 h形成試驗肥土備用。土槽填裝時，首先在底部鋪設厚5 cm天然細沙后用透水紗布覆蓋，保證水分均勻下滲。根據土壤設計容重1.20 g·cm-3，采用分層填裝法進行填土并均勻壓實。對于設置橫壟措施的土槽，坡面按壟高5 cm、壟頂間距10 cm、壟寬5 cm的標準仿成橫坡壟作地，另一側土槽坡面設計為平地作為不同耕作措施試驗對照。對于設置植被覆蓋措施的土槽，根據安塞地區當地植被的生長分布情況，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，于草苗長出后14 d左右對槽內草被進行間苗和移栽，使得土槽內牧草蓋度基本相同，保持在80%左右。土槽內具體措施布設情況及編號見表2。

1.3 樣品收集與測定

設定此次試驗降雨強度為60 mm·h-1，固定降雨時長為90 min，坡度選取黃土丘陵區常見坡度水平：10°、15°、20°。降雨試驗為2019年7月上旬至8月中旬，共降雨6次，每次降雨前需用時域反射儀（Time domain reflectometry，TDR）測量土壤含水量，測得含水量在10%左右后準備降雨試驗。正式降雨試驗前需對降雨強度進行多場次率定，直到雨強和均勻度（80%以上）均滿足要求時，快速揭開遮雨布開始降雨試驗，并記錄開始降雨時間。以土槽水流呈柱狀流出時記為初始產流時間并采取水樣，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次水樣至降雨結束，采樣時長均為1 min，共取17組徑流樣。試驗結束后稱量各小桶內水樣體積和質量，用聚乙烯瓶取各桶內50 mL徑流樣，帶回實驗室對各組水樣分別進行化學分析，剩余水樣放入烘箱烘干至恒質量測得泥沙含量。渾水樣總磷（TP）和經0.45 μm濾膜過濾后的溶解態磷（DP）測定均采用5%過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法（GB 11893—1989），并通過TP濃度與DP濃度相減得到顆粒態磷（PP）濃度。

表1 試驗土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of experimental soil

表2 試驗不同措施布設情況Table 2 Layout of different measures

1.4 數據處理與計算

本試驗采用Excel 2016進行數據統計和圖表制作，用SPSS 23.0軟件進行數據分析和處理，不同措施組產沙數據計算包括產沙量、產沙率和減沙率，養分數據包括磷素流失量和磷素消減率。

產沙率（g·min-1）=第i次收集的泥沙量∕第i次采樣時間

減沙率（%）=（不同措施產沙量-對照措施產沙量）∕對照措施產沙量

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

2 結果與分析

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程的產沙情況。由圖2可知，10°和15°裸坡上不同措施組產沙率隨降雨歷時的變化特征相似，即在產流初期裸坡產沙率隨產流時間先迅速減少，于20 min后趨于穩定，但隨著坡度增大，20°下C2～C5產沙率先降低后波動上漲。10°下CK～C5初始產沙量分別為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，橫壟組初始產沙量小于平地對照組，表明橫坡壟作措施能有效攔截坡面泥沙；當耕作措施相同時，初始產沙量隨生物炭含量增加而增大，表明施加本試驗范圍生物炭含量加劇了坡面土壤侵蝕。

由圖2可知，3個坡度下除C10外，其余植被覆蓋組（C6～C9、C11）產沙率穩定值和變化幅度均小于裸地對照組，且變幅隨坡度增大波動相對較小，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產沙率隨坡度升高顯著增大，尤其在20°下產沙率甚至高于裸坡對照組，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險。

累積產沙量大小能準確反映出土壤在雨滴擊濺作用下的侵蝕程度。由表3可知，以累積產沙量小于CK組為減沙判斷標準，10°、15°和20°下不同措施組累積產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，從不同坡度來看，10°、15°和20°裸坡總產沙量（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（P=0.001＜0.05）。從不同耕作方式來看，裸坡+平作總產沙量（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°下泥沙消減率達到 49.87%，但在 15°和 20°坡面下，橫壟總產沙量是平地總產沙量的1.35倍和0.95倍，表明隨著坡度增大，橫壟措施對泥沙的消減效果減弱或者失效。從不同生物炭含量來看，不同坡度下生物炭含量與裸坡產沙量之間存在顯著關聯性（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個坡度下施加生物炭均對裸坡泥沙流失起到負面影響，且同一生物炭施加量坡面的產沙量隨坡度的增大而增大。對施加生物炭的坡面（C2、C4）布設橫壟措施（C3、C5）能有效阻控泥沙流失，但橫壟減沙效應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沙過程Figure 2 Sediment yield process of different measures under different slopes

在植被坡面上，除C10累積產沙量高于C4以外，3個坡度下其他植被措施組（C6～C9、C11）累積產沙量均小于對應裸地組（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。從不同坡度來看，10°、15°和 20°下植被覆蓋坡面總產沙量（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沙量，不同坡度下植被覆蓋對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°條件下調控效果最好。從不同耕作措施來看，植被+平作總產沙量（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，對比可知植被覆蓋與不同耕作方式相結合，其產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一步消減泥沙流失。從不同生物炭含量來看，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°坡面減沙率為負值，表明植被覆蓋對施加生物炭坡面整體上具有消減作用，但植被措施對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濃度隨降雨歷時的變化過程。從圖中可以發現，在10°、15°裸坡下，不同措施TP流失過程與產沙趨勢大致相同，均在產流初期20 min內迅速降低，最后趨于平穩，且20°下C2～C5的TP濃度在產流前20 min內先降低，之后開始波動上漲。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控TP濃度，且可降低由于坡度升高而造成TP濃度增大的風險。由圖3可見，3個坡度下C10組TP濃度均遠高于其他植被措施組，且TP濃度隨坡度增大呈增大趨勢，表明受坡度增大影響，植被措施對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組為減磷判別標準，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，表明緩坡上布設橫壟（C1）、陡坡下設置植被覆蓋（C6）或將其與橫壟、3%BC二者結合或三者混施（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，磷素流失趨勢表現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關系（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，當生物炭含量由3%（C2）提高到6%（C4）時，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流失量均小于對應裸地組（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，各坡度對應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，這與其減沙規律一致。在植被覆蓋基礎上添加不同耕作措施會影響坡地磷素流失，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%，說明植被覆蓋和橫壟措施結合可以進一步減少TP流失，但減磷效應隨坡度的增大而減弱。從不同生物炭含量來看，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%，由此可見植被措施對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特征

徑流流失的磷素主要分為溶解態磷素（DP）和顆粒態磷素（PP），其中顆粒態磷素含量由總磷流失量與溶解態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比例構成，從磷素流失形態構成特征來看，多數措施情景下裸坡PP流失量占據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形式流失，這與大部分研究結果一致[11]。從不同坡度來看，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，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。從不同耕作方式來看，緩坡條件下坡面設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C1組PP∕TP比例（30.89%）遠低于CK組（80.16%），在15°時C1組PP∕TP比例（88.64%）略小于CK 組（89.11%），而在 20°時 C1組 PP∕TP比例（95.45%）與CK組（95.39%）基本持平，表明橫壟措施對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成Figure 4 The phosphorus forms of different measures under different slopes

3 討論

本研究采用室內人工模擬降雨試驗，探究60 mm·h-1降雨強度下不同坡度（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律，以期為黃土高原水土保持措施優化配置提供科學依據。

研究發現在恒定雨強下，10°和15°裸坡不同措施產沙率與TP濃度變化規律相似，均在產流20 min前迅速減少，隨后趨于穩定。這是因為在降雨前期時，裸坡表層土壤顆粒及物質比較豐富，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并隨徑流向底部遷移，導致產流初期產沙率和TP濃度較高[12]。隨著降雨歷時的延長，表層土壤顆粒在雨滴的不斷夯實作用下形成地表結皮，導致水流挾帶運移泥沙的能力減弱，因此產沙率逐漸下降并趨于穩定。與此同時，在結皮的保護作用下，雨水沖刷能力和土壤磷素吸附解吸反應逐漸穩定，故徑流中TP濃度趨于平穩。在20°條件下C2～C5產沙率先降低，于20 min后波動上漲，這可能是受生物炭異質性影響，導致施加生物炭坡面的結皮土質較為松散，在陡坡條件下易受徑流沖刷而最先被破壞，故在降雨后期產沙率不降反升。裸坡產沙量和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），這可能是因為坡度增大導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能，使得雨水入滲量減少，挾沙能力增強；此外坡地土體重心也隨坡度增大而升高，導致土壤穩定性隨之降低，使得土壤可蝕性增強[13]，為土壤侵蝕提供了豐富的物質來源，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磷素流失方式為主，而顆粒態磷素一般吸附固結在土壤顆粒表面，與坡地土壤侵蝕程度息息相關，故磷素流失量也與坡度呈正相關關系，這與喬閃閃等[15]對黃綿土坡面氮磷流失得出的結論一致，即產沙量與總磷流失量均隨坡度的增加而顯著增大。

研究發現植被覆蓋可有效降低產沙率波動幅度，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表土的濺蝕作用，同時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構，增強了坡面入滲能力[16]，且根系還具有固土護坡、吸收磷素的作用[17]，故在實際條件允許范圍內，設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。分析本試驗磷素數據可知，10°坡面下C6產沙量小于CK，但磷素消減效率卻為負值，這可能是由于此次試驗是植被坡面首次進行降雨試驗，生長在黑麥草庇蔭處的綠藻類生物結皮不僅提高了土壤磷素含量[18]，同時還隨徑流沖刷進入到待測水樣中，導致測得磷素含量數值偏大。

研究發現坡面泥沙累積量與磷素流失量和生物炭施加量呈正相關，這與Zhang等[19]研究結果相似，這可能與本試驗生物炭施加劑量較大有關。吳媛媛等[20]對黃綿土可蝕性的研究發現，施加7%含量的生物炭即可增加坡面約1∕3侵蝕泥沙量。這是因為過量生物炭的加入一方面增大了坡面土壤孔隙度，導致土壤密度降低，另一方面生物炭的異質性削弱了坡面表土顆粒的黏結程度，導致坡面在暴雨沖刷下更易被侵蝕[21-22]；同時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，導致測得的磷素流失值偏大[23]，因此在實際農業生產中，要針對土壤性質、地形因素等具體條件合理施用生物炭。對比于裸地坡面，植被措施對施加3%生物炭坡面的泥沙控制效應較好，但當生物炭含量由3%增大到6%含量時，以C10為代表的高生物炭含量植被坡面產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照組，這是因為除了坡度、生物炭含量增大會加劇坡面土壤侵蝕和磷素流失以外，施加過量生物炭還會抑制黑麥草幼苗生長發育[24]，導致根系發育緩慢甚至爛根，多因素共同作用導致植被減沙固磷能力降低，從而造成坡地泥沙及養分流失加劇，因此在植被坡面上也需要合理選擇生物炭用量。

研究還發現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]對不同坡度下紫色坡地橫壟水土保持效應研究結果一致，即橫壟在緩坡上易發生壟面漫流現象，在陡坡上易出現斷壟現象而導致坡地水土流失加劇，并推測橫壟措施臨界坡度在15°～20°。這是因為在低坡度條件下，徑流易被壟丘攔截并滯留在壟溝內，增大了土壤入滲量，進而起到蓄水攔沙作用[26-27]。但隨著坡度的增大，攔蓄的雨水對壟面側向壓力增大，同時土體重心也隨坡度升高而上升，使得壟丘穩固性降低；坡度的增大也使得徑流流速加快，對壟丘沖擊能力增強，使得陡坡上的橫壟更易垮塌毀壞，造成坡面產沙量增大[28]。雖然本次試驗未出現斷壟現象，但隨著坡度的增大，壟溝蓄水能力降低，當匯集水量超過積蓄能力時，誘使壟側滲漏和漫流現象發生[29]，大量徑流挾沙下瀉造成坡面侵蝕加劇，導致磷素流失量加大。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%，故針對不同坡度坡面應該合理搭配選擇水保措施，這與多年來治理坡耕地侵蝕總結得出的經驗一致，即8°以下建議設置橫壟措施，8°～15°時應將坡耕地修整為水平梯田，15°以上采取退耕還林[30]。

由于本次試驗施加生物炭含量較大，導致本試驗只能探究生物炭對坡面侵蝕的不利影響，后續研究應對0～3%范圍生物炭含量設置多組水平進行對比，以探究減緩黃綿土坡面侵蝕的最佳生物炭用量。雖然本試驗按照野外實際土壤容重進行了土槽填裝，但與野外實際降雨環境仍有差別，且在試驗過程中沒有涉及到草被根系對磷素的吸收利用和轉化過程，因此后續試驗需結合黑麥草全生育期水土流失特征，并統計草被地表和根系生物量，進一步深入探究植被措施對坡面侵蝕與磷素流失的阻控機理。

4 結論

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

（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個坡度下施加生物炭均會加劇坡面土壤及磷素流失，因此要杜絕盲目、過量施用生物炭。設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70%以上。在植被覆蓋與橫壟措施結合的雙重作用下，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50%以上，因此在實際農業生產過程中建議將橫壟措施與植物措施搭配布設。

（3）黃綿土坡面徑流磷素流失以顆粒態為主，多數措施情景下顆粒態磷流失量占比高于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增大PP∕TP比例，緩坡橫壟對降低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58.31%。