植被覆蓋條件下納米碳對黃土坡面養(yǎng)分流失調(diào)控的試驗(yàn)研究

丁 倩, 周蓓蓓, 呂金榜, 胡梓超, 陳曉鵬, 王全九,2

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 西安 710048;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌712100)

植被覆蓋條件下納米碳對黃土坡面養(yǎng)分流失調(diào)控的試驗(yàn)研究

丁 倩1, 周蓓蓓1, 呂金榜1, 胡梓超1, 陳曉鵬1, 王全九1,2

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院, 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 西安 710048;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌712100)

將納米材料應(yīng)用于坡面養(yǎng)分流失調(diào)控對減少黃土坡面養(yǎng)分流失等有著重要意義。基于神木六道溝流域上的坡面人工模擬降雨試驗(yàn)，分析了不同納米碳含量(質(zhì)量百分比分別為0%，0.1%，0.5%，0.7%，1.0%)對黃土坡面養(yǎng)分遷移過程的影響。結(jié)果表明：(1) 同一作物的小區(qū)添加不同納米碳含量對養(yǎng)分流失影響不明顯；5種下墊面條件下，養(yǎng)分流失量均呈隨納米碳含量增加而降低的趨勢，其中納米碳含量為0.5%及0.7%對降低徑流養(yǎng)分流失量的效果最好。不同納米碳含量條件下，徑流中的養(yǎng)分流失量從小到大為：空地>玉米>檸條>綠豆>苜蓿。(2) 人工模擬降雨條件下，土壤表層養(yǎng)分在0—5 cm內(nèi)均有明顯減少。而大于5 cm深度的土壤中的養(yǎng)分值在降雨后有所增加，但隨著深度增大養(yǎng)分增加量減少，而且添加不同濃度納米碳導(dǎo)致養(yǎng)分值減少的速率不同。(3) 不同納米碳含量下與不同植被覆蓋下徑流中各離子的養(yǎng)分流失調(diào)控效果評價是徑流中不同離子的平均濃度與平均流失率均隨納米碳含量的增加而減小，規(guī)律性較為明顯。

納米碳含量; 坡面養(yǎng)分流失; 坡面養(yǎng)分分布; 人工模擬降雨; 下墊面

近年來，隨著納米科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和快速發(fā)展，納米材料的獨(dú)特性質(zhì)使其可能在土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分遷移等方面產(chǎn)生重要作用[1-2]。國內(nèi)外已有學(xué)者利用了納米技術(shù)的開發(fā)空間，將納米材料研制成土壤修復(fù)劑，利用納米材料的強(qiáng)吸附性等來改善土壤的保水保肥性，并開展大量試驗(yàn)研究。納米碳由于其綠色環(huán)保的特性，使得眾多學(xué)者將其作為研究熱點(diǎn)。其中王艷等[3]通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加納米碳之后，大豆的吸水率隨著納米碳的濃度的升高而升高，而且失水率及失水速率均有所下降，此外納米碳還可以促進(jìn)種子萌發(fā)，提高磷肥的利用率，促使作物茁壯成長。李淑敏等[4]研究發(fā)現(xiàn)低施肥水平條件下時，納米碳對作物玉米的生長發(fā)育有著較明顯的積極影響，且納米碳對施加不同濃度的氮肥的玉米都有促進(jìn)氮肥吸收的作用，提高玉米根系活力及其酶的活性。劉健等[5]研究發(fā)現(xiàn)肥料添加納米碳后，在不同土壤類型、氣候條件下的水稻均表現(xiàn)出很明顯的增產(chǎn)趨勢，增幅為4.0%～11.9%，其結(jié)果說明在養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下，肥料添加納米碳能夠刺激水稻生長，提高產(chǎn)量。梁太波等[6]研究指出，施用納米碳煙株鉀素積累速率快，且提高了煙株各器官鉀素含量、積累量及煙株對鉀肥的吸收。以上研究均表明，納米碳可有效提高植物對養(yǎng)分的利用率，較少肥料浪費(fèi)，促進(jìn)植物生長。我國黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土養(yǎng)分流失嚴(yán)重，一方面導(dǎo)致該區(qū)域土壤生產(chǎn)力低下，肥料利用率低；另一方面，養(yǎng)分流失造成了面源污染。因此針對這一問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)和理論研究，但由于黃土區(qū)特殊的氣候條件及土壤性質(zhì)，使其收效甚微。同時提高糧食生產(chǎn)率就必須提高土壤的保水保肥性，因此了解水土流失的影響因素，并展開減少和抑制水土流失的研究對于該區(qū)域顯得尤為重要。研究學(xué)者們研究了不同水土流失影響因素對養(yǎng)分流失的影響[7-9]。在土壤環(huán)境方面，國內(nèi)外對納米碳在土壤修復(fù)以及肥料增效方面[5-6,10-11]的研究較多，但在黃土坡面養(yǎng)分遷移方面的研究卻很少。因此，本文通過野外模擬降雨試驗(yàn)，試圖探求降雨條件下在土壤中施加納米碳對坡地土壤養(yǎng)分隨徑流遷移基本特征的影響，為黃土坡面養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

降雨試驗(yàn)在中國科學(xué)院水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)位于陜西省神木縣以西14 km的六道溝小流域,地處黃土高原半干旱草原與干旱草原的過渡帶，屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶的強(qiáng)烈侵蝕中心。該流域面積6 189 km2，東經(jīng)110°26′,北緯38°49′，平均干燥度為118，年降水量為250～450 mm，且6—9月占全年降水量的70%～80%。植被類型屬于灌叢草原類型[12]。供試作物為綠豆、苜蓿、檸條、玉米，肥料為KNO3，KH2PO4，KBr。該地區(qū)主要土壤類型干潤砂質(zhì)新成土，其理化性質(zhì)見表1[13-14]。

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)處理

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H降雨量，將試驗(yàn)降雨強(qiáng)度設(shè)定為60 mm/h，試驗(yàn)開始前利用針孔模擬降雨器進(jìn)行調(diào)節(jié)。每個試驗(yàn)小區(qū)大小為1 m×1 m。小區(qū)中種植作物為玉米、綠豆、苜蓿、檸條以及裸地共5個處理，每個種作物根據(jù)納米碳含量0.0%，0.1%，0.5%，0.7%，1.0%共設(shè)5個處理，共25個1×1 m2的試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)中作物為四行，將納米碳按重量比例為0%，0.1%，0.5%，0.7%，1.0%施入作物行與行之間的空地地表以下5 cm，共三條，每條寬10 cm、長1 m、厚為5 cm。

1.3 降雨裝置與降雨設(shè)計

1.3.1 降雨裝置 降雨裝置為自行設(shè)計的針孔降雨器[15]。針孔降雨器主要由支架(可上下調(diào)節(jié)高度)，水槽(針頭，震動裝置)和供水裝置三部分。

1.3.2 降雨設(shè)計及取樣 試驗(yàn)降雨前3 h，用定量的純凈水將KNO3，KH2PO4，KBr配成溶液，然后用噴霧器將之均勻的噴施在小區(qū)坡面上。

降雨前取土，坡上中下土鉆沿坡面垂直方向取土，每5 cm一層取土，取土深度為表層30 cm，其中0—5 cm土層利用小鏟子分5層(每層1 cm)取土，裝入自封袋留待測量土壤中養(yǎng)分含量。同時利用土鉆0—30 cm取土，裝入鋁盒留待烘干法測量土壤含水量。取完土后回填。調(diào)節(jié)針孔降雨器雨強(qiáng)至60 mm/h，開始降雨，記錄降雨歷時，開始產(chǎn)流時間，產(chǎn)流開始后，用塑料桶分別收集每一時段內(nèi)試驗(yàn)土槽出口處的徑流，用稱重法測定每個徑流桶的重量，放置至澄清，之后利用針管盡量吸取上層清水，曬干桶底泥沙。

降雨結(jié)束后，移去降雨器，坡上中下土鉆取土，取土方法與降雨前相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同納米碳含量下徑流中養(yǎng)分變化

為了探求納米碳含量對徑流中養(yǎng)分流失變化的影響，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，將野外降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理繪于圖1。由圖1可以看出，不同植被類型覆蓋下的徑流中硝態(tài)氮濃度、水溶性磷濃度及鉀離子濃度均隨時間減小。在降雨初期，土壤表層內(nèi)的養(yǎng)分濃度均大量流失且下降速率較快，而在25 min左右徑流中養(yǎng)分濃度逐漸趨于穩(wěn)定，此時徑流中各離子濃度基本降至最低點(diǎn)。進(jìn)一步分析得出，納米碳對于徑流中的養(yǎng)分流失調(diào)控效果顯著(p<0.05)，隨納米碳含量增加，徑流中養(yǎng)分濃度逐漸降低。這主要由于地表徑流帶走土壤中有效養(yǎng)分，而納米碳具有的強(qiáng)吸附性特點(diǎn)使其能夠有效減少有效養(yǎng)分流失。

另外，不同植被覆蓋類型處理中，不同植被對于徑流中養(yǎng)分流失調(diào)控亦有不同。不同植被土壤的對養(yǎng)分的吸附性隨納米碳含量增大而增強(qiáng)。李淑敏等[4]以及梁太波等[6]研究表明納米碳對作物生長發(fā)育有著較明顯的積極影響，納米碳對施加不同濃度氮肥的玉米都有促進(jìn)氮肥吸收的作用，而且施用納米碳煙株鉀素積累速率快，且提高了煙株各器官鉀素含量、積累量及煙株對鉀肥的吸收。這與本文試驗(yàn)研究結(jié)果一致，表明納米碳可有效提高養(yǎng)分利用率，從而減少養(yǎng)分流失量。

2.2 不同納米碳含量下表層土壤中養(yǎng)分變化

為進(jìn)一步研究納米碳對坡面養(yǎng)分流失的調(diào)控，在降雨前后分別從小區(qū)坡上、坡中、坡下位置每5 cm取一次土，混合均勻，共取得0—30 cm深的土壤樣6個，測得降雨前后的土壤中的養(yǎng)分。依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，將土壤剖面養(yǎng)分差值繪于表2。由表2可以看出，不同植被覆蓋土壤中的養(yǎng)分差值變化規(guī)律類似。在0—5 cm內(nèi)，養(yǎng)分均有明顯減少。由于納米碳的結(jié)構(gòu)及吸附性使得隨徑流入滲至土壤的養(yǎng)分增加，從而大于5 cm深度的土壤中的養(yǎng)分值在降雨后有所增加，但隨著深度增大養(yǎng)分增加量減少，而且添加不同濃度納米碳導(dǎo)致養(yǎng)分值減少的速率不同。土層深度達(dá)到15 cm以上時降雨前后的養(yǎng)分差值并不明顯。降雨產(chǎn)生的徑流可帶走土壤表面的養(yǎng)分，但是隨著降雨的入滲作用將部分養(yǎng)分?jǐn)y帶進(jìn)入了較深層土壤。則降雨后不同類型植被土壤養(yǎng)分在0—5 cm的表層土壤中有較明顯減少，而更深層的土壤養(yǎng)分減少量很少甚至有所增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度一樣時，土壤滲透性及土壤對溶質(zhì)的吸附能力是影響溶質(zhì)入滲的重要因素。由于加入納米碳改變了土壤結(jié)構(gòu)，從而減少了土壤表層的水分流失，使得更多養(yǎng)分能夠隨著水分入滲至深層土壤。因此添加納米碳能夠有效減少土壤中的養(yǎng)分流失，增加作物對養(yǎng)分的吸收量，從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育。

2.3 養(yǎng)分流失調(diào)控

為進(jìn)一步分析納米碳含量對不同植被覆蓋處理下徑流中鉀離子、水溶性磷以及硝態(tài)氮濃度的影響，分析了徑流中硝態(tài)氮、鉀離子以及水溶性磷的平均濃度與平均流失率。

徑流溶質(zhì)的平均濃度可用公式表示為：

(1)

(2)

式中：m為徑流溶質(zhì)的平均流失率(mg/min)；t為降雨時間(min)。不同坡面地表狀況下的徑流各離子的平均濃度與徑流溶質(zhì)的平均流失率見表3。

由表3所示，不同納米碳含量(0%，0.1%，0.5%，0.7%，1%)對于坡面徑流中硝態(tài)氮的平均濃度及徑流中硝態(tài)氮的平均流失率均有著顯著(p<0.05)影響。不同植被覆蓋情況下徑流中硝態(tài)氮的平均濃度表現(xiàn)為隨納米碳含量增大而減小，但在納米碳含量高于0.7%時，1%納米碳含量下各離子的平均濃度在某些植被覆蓋類型下反而有所增加。而徑流中硝態(tài)氮的表現(xiàn)為隨納米碳含量增大而減小。對徑流中的水溶性磷和鉀采用同樣的分析可看出其變化規(guī)律與硝態(tài)氮的類似；數(shù)據(jù)對比中可看出徑流中不同離子的平均濃度與平均流失率均隨納米碳含量的增加而減小，規(guī)律性較為明顯。

圖1納米碳對徑流中養(yǎng)分流失的影響

表2 納米碳含量對土壤降雨前后養(yǎng)分差值的影響

表3 不同納米碳含量下徑流中各離子的養(yǎng)分流失調(diào)控效果評價

唐澤軍等[16]及張長保等[17]通過降雨試驗(yàn)得出施加PAM能夠很好地增加土壤的有效降雨量并促進(jìn)玉米的生長且不同PAM用量下均表現(xiàn)出降低入滲增加徑流,并能有效減少土壤侵蝕,其侵蝕量隨PAM用量增加而減少。王樹會等[18]施用腐殖酸能促進(jìn)煙株吸收養(yǎng)分，從而促進(jìn)其生長發(fā)育。這與本文的研究結(jié)果是一致的，施加納米碳含量可有效的減少徑流中的養(yǎng)分流失。這可能是由于納米碳極其細(xì)小且具有極大的吸附性，施加納米碳后填充了土壤中的孔隙，從而改變土壤結(jié)構(gòu)且增加土壤吸附性，導(dǎo)致養(yǎng)分流失量減小。這在改善土壤保水保肥性等方面具有極大潛力。

3 結(jié) 論

(1) 納米碳對坡地養(yǎng)分流失具有較顯著(p<0.05)的影響，但不同植被覆蓋條件下，其作用亦有差異，因此對于不同的植被覆蓋條件下，所添加的納米碳的量也應(yīng)有所不同。同一作物的小區(qū)添加不同納米碳含量對養(yǎng)分流失影響不明顯；5種下墊面條件下，養(yǎng)分流失量均呈隨納米碳含量增加而降低的趨勢，其中納米碳含量為0.5%及0.7%對降低徑流養(yǎng)分流失量的效果最好。不同納米碳含量條件下，徑流中的養(yǎng)分流失量從小到大為：空地>玉米>檸條>綠豆>苜蓿。

(2) 降雨后不同類型植被的土壤養(yǎng)分在0—5 cm的表層土壤中有較明顯的減少，土層深度達(dá)到15 cm以上時降雨前后的養(yǎng)分差值并不明顯。且更深層的土壤養(yǎng)分減少量很少甚至有所增加。隨著土壤剖面深度增大，土壤中養(yǎng)分差值減少，且不同濃度納米碳對養(yǎng)分值差值變化速率影響顯著(p<0.05)。降雨產(chǎn)生的徑流可帶走土壤表面的養(yǎng)分，但是隨著降雨的入滲作用將部分養(yǎng)分?jǐn)y帶進(jìn)入了較深層土壤。

(3) 徑流中不同離子的平均濃度與平均流失率均隨納米碳含量的增加而減小，規(guī)律性較為明顯。不同納米碳含量下坡面隨徑流遷移的溶質(zhì)的平均濃度具體表現(xiàn)為：空地>檸條>玉米>綠豆>苜蓿，這與坡面降雨過程中徑流的變化趨勢相一致。徑流中各溶質(zhì)的平均流失率表現(xiàn)為：空地>玉米>檸條>綠豆>苜蓿。不同納米碳含量下徑流中各離子的養(yǎng)分流失調(diào)控效果評價與不同植被覆蓋下徑流中各離子的養(yǎng)分流失調(diào)控效果評價結(jié)論一致。

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ExperimentalStudyontheRegulationofNanoCarbontoSoilNutrientLossesUnderDifferentVegetationCoverConditions

DING Qian1, ZHOU Beibei1, LYU Jinbang1, HU Zichao1, CHEN Xiaopeng1, WANG Quanjiu1,2

(1.CollegeofWaterResourcesandHydropower,StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLossesPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The nanometer materials applied in the nutrient loss control could improve the utilization rate of soil water and improve soil physical structure. Based on the artificial simulated rainfall experiment in Shenmu County, Shaanxi Province, we analyzed the different contents of nano carbon (0.0%, 0.1%, 0.5%, 0.7%, 1.0% in mass) on the nutrient affect the migration process on loess slope. The results showed that planting the same crop community adding different concentration of nano carbon has not the obvious effects on nutrient losses. Five kinds of underlying surface conditions, the nitrogen, phosphorus and potassium loss amounts in runoff on the slope all present a decreasing trend with the increase of nano carbon contents, when the nano carbon contents are 0.5% and 0.7%, the effect of reducing nutrient loss amount in runoff is more significant. Under the conditions of different nano carbon contents, the nitrogen, phosphorus and potassium loss amounts decrease in the order: bare land>corn>Korshinsk Peashrub>green bean>alfalfa. Regulation effect in runoff under different nano carbon contents and different vegetation coverage were consistent with different nutrient losses. After artificial simulation rainfall, nutrients in top soil profile under different types of vegetation decreased significantly, but with the increase of the depth, the nutrient loss became decreased, which indicated that rainfall runoff could take soil nutrient of the surface layer, but most of them would be leached into the deep soil. Nutrient content decreased with the increase of depth of the soil profile, moreover, the nutrient loss was quite different due to different applied nano carbon. The average concentration and the average loss rates of different nutrients in runoff decreased when the nanometer carbon concentration increased, the regularity is obvious.

nano carbon content; profile of solute migration; profile of solute distribution; artificial rainfall; underlying surface

S158

A

1005-3409(2017)06-0035-06

2016-10-13

2016-11-17

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239009);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371239);陜西省科技支撐項(xiàng)目(2013KJXX-38);陜西省水利專項(xiàng)支撐計劃(2012Slkj-04;2013Slkj-04);陜西省自然科學(xué)基金(2015JQ5161)

丁倩(1993—),女,陜西商洛人,在讀研究生,研究方向:農(nóng)業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境。E-mail:451059932@qq.com

周蓓蓓(1982—),女,陜西西安人,副教授,博士,研究方向:農(nóng)業(yè)水土與生態(tài)環(huán)境。E-mail:happyangle222@gmail.com