PAM特性對(duì)花崗巖崩崗崩積體徑流及產(chǎn)沙的影響

張兆福，黃炎和，林金石，蔣芳市，朱高立，林直鴻，曾昌碧，何愷文

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州350002）

崩崗是我國(guó)南方紅壤水土流失區(qū)最嚴(yán)重的一種土壤侵蝕類型［1－4］。崩積體是崩崗侵蝕中重要的組成部分，其坡度大、土質(zhì)疏松、結(jié)構(gòu)性差，抗侵蝕力弱，容易發(fā)生再次侵蝕，是崩崗侵蝕泥沙的主要來(lái)源。水保工作者在大量研究的基礎(chǔ)上提出種草造林、種經(jīng)濟(jì)林（竹）或種農(nóng)經(jīng)作物等方法以穩(wěn)定崩積體［5－7］，但在治理初期由于表土翻動(dòng)，在強(qiáng)降雨天氣下土壤流失量巨大，嚴(yán)重影響各種防治措施的效益，因此，找到一種快速穩(wěn)固崩積體地表和減少水土流失的方法具有重要意義。

聚丙烯酰胺（PAM）是丙烯酰胺（AMD）及其衍生物均聚或與其它單體共聚形成的一種線性水溶性高分子物的統(tǒng)稱，其分子量從10萬(wàn)至1 800萬(wàn)，每一種分子量又有不同的水解度，常見(jiàn)的有10%，20%，30%三種，分別被認(rèn)為是低、中、高水解度。PAM有陽(yáng)離子型、陰離子型和非離子型，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者［8－10］研究表明，陰離子型PAM 更適合被用作土壤調(diào)理劑使用。PAM有很多能改良土壤性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，如減少土壤表面徑流、增加土壤水分入滲、控制土壤侵蝕、抑制土壤表面結(jié)皮的形成以及改善土壤結(jié)構(gòu)等［11－12］。Green等［13］認(rèn)為，分子量和水解度是 PAM的主要特性，會(huì)影響土壤入滲和侵蝕。Stutzmann等［14］認(rèn)為PAM的電荷類型決定了PAM的吸附性能，而電荷密度由水解度和pH決定。于健等［15］對(duì)砂壤土施用PAM研究表明，中分子量PAM對(duì)減少侵蝕和增加入滲的效果好于低高分子量，中水解度的PAM入滲效果好于低高水解度，PAM水解度對(duì)侵蝕量無(wú)明顯影響。Lentz等［16］的研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)好的土壤，施用PAM后可以提高入滲率，減少?gòu)搅骱颓治g，而砂土等結(jié)構(gòu)差的土壤施用后反而會(huì)增加徑流，但可以減少侵蝕。因此，土壤結(jié)構(gòu)和應(yīng)用目的是決定PAM施用效果的關(guān)鍵因素。

當(dāng)前崩積體的治理以種草等生物措施為主，存在周期長(zhǎng)或見(jiàn)效慢等缺點(diǎn)，施用PAM等土壤改良劑對(duì)崩積體侵蝕的防治研究目前還沒(méi)有。為了更好地了解PAM及其特性對(duì)防治崩積體土壤侵蝕的作用關(guān)系，本研究分析不同分子量和水解度的PAM對(duì)徑流和侵蝕的影響，揭示PAM特性防治崩崗?fù)寥浪亮魇У男Ч斑^(guò)程機(jī)理，并篩選出最適合崩積體侵蝕防治的PAM類型，可為施用PAM治理崩崗侵蝕提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)，為河谷小盆地，丘陵地帶，屬于南亞熱帶氣候區(qū)，氣溫溫和，年平均溫度18℃，雨量充沛，年平均降水量1 800mm，但雨季分布不均，主要集中在3—9月，暴雨和臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)降雨天氣容易引起崩崗侵蝕的發(fā)生。龍門鎮(zhèn)崩崗侵蝕面積264.77hm2，約為總土地面積的2%，崩崗侵蝕劇烈，是安溪縣崩崗分布最多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一，不同時(shí)期和類型的崩崗在該地區(qū)均有分布，是南方花崗巖崩崗發(fā)育的典型區(qū)域。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)洋坑村，為花崗巖發(fā)育的崩崗崩積土，屬于擾動(dòng)土，土體疏松，無(wú)大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，＞0.25mm 團(tuán)聚體含量低（11.2%），結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)質(zhì)含量低（1.12g／kg），礫石和砂粒含量高，黏粒含量低，其中礫石（＞2mm）、砂礫（2～0.05 mm）、粉粒（0.05～0.002mm）和黏粒（＜0.002mm）的比例分別為39.36%，32.54%，25.41%，2.69%。

試驗(yàn)所用的PAM產(chǎn)自河南元亨凈水材料廠，為陰離子型。按其分子量的不同分為低、中、高三種，分子量分別為800萬(wàn)、1 500萬(wàn)和1 800萬(wàn)。每一種分子量的PAM又選取低、中、高三種水解度，其水解度分別為10%，20%和30%。

1.3 試驗(yàn)方法

將從野外取回的土樣風(fēng)干后過(guò)10mm篩，然后裝入長(zhǎng)100cm、寬50cm、高30cm的小型土槽中，填土厚度為20cm。在裝填土之前，先在土槽底部填2 cm厚的小碎石，并鋪上透水紗布，以保持試驗(yàn)土層的透水狀況接近天然坡面。土槽土壤容重控制在1.35 g／cm3左右，接近自然狀態(tài)下崩積體土壤容重。土槽填土完成之后，用水分測(cè)定儀測(cè)定土槽中土體的含水量，對(duì)比野外條件下崩積體土體的含水量（10%～15%），換算出需要澆水的量。用透水紗布蓋住土槽表面澆定量的水，靜置相同時(shí)間（1h）待其含水量穩(wěn)定之后，將事先配好的PAM溶液均勻地噴灑在供試土壤表面，待其充分風(fēng)干之后進(jìn)行降雨模擬試驗(yàn)。PAM溶液的濃度設(shè)定為0.5g／L，噴灑量相當(dāng)于2g／m2。將未施PAM 的土壤作為對(duì)照處理（CK）。試驗(yàn)采用人工模擬降雨裝置，降雨高度為3m，噴嘴為實(shí)心方形，可控降雨有效面積為2.0m×2.0m，降雨均勻系數(shù)89.4%，雨滴的平均直徑為（2.12±0.06）mm，試驗(yàn)采用的降雨強(qiáng)度為87mm／h，試驗(yàn)過(guò)程中土槽的坡度為30°（野外條件下崩積體的平均坡度），尾部放置集水器用來(lái)收集坡面產(chǎn)流和泥沙。每次試驗(yàn)降雨歷時(shí)30min，每分鐘收集徑流泥沙30s，再換算成一分鐘的數(shù)據(jù)測(cè)其徑流量和侵蝕量，同時(shí)記錄從開(kāi)始降雨到開(kāi)始產(chǎn)流的時(shí)間，收集的泥沙烘干后稱重并過(guò)篩，測(cè)定不同粒徑的顆粒含量情況。每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)2個(gè)重復(fù)，最后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同分子量和水解度PAM對(duì)徑流的影響

圖1（A，B，C）為不同分子量和水解度PAM處理的坡面徑流過(guò)程。相比對(duì)照，各處理下徑流過(guò)程有一定的波動(dòng)，但總體上都在增加。800萬(wàn)分子量PAM中，10%，20%，30%水解度處理徑流過(guò)程相似，都存在一定的波動(dòng)，10%水解度處理降雨過(guò)程徑流量最大，后兩者和對(duì)照相比不明顯；1 200萬(wàn)分子量PAM中，三種水解度處理下徑流過(guò)程也有一定的波動(dòng)，但也都在增加，10%水解度處理徑流量在降雨前期最大到后期有所減少，20%水解度處理徑流過(guò)程比較平穩(wěn)，徑流量低于其他兩種水解度處理，30%水解度處理徑流過(guò)程介于前兩者之間，在降雨后期有明顯增加；1 500萬(wàn)分子量PAM中，相比對(duì)照，10%，20%，30%水解度處理徑流增加明顯，但三者之間的徑流過(guò)程相似，在降雨后期，30%水解度處理徑流量有明顯降低。

圖1 不同分子量和水解度PAM處理的徑流過(guò)程

圖2 為不同分子量和水解度處理的徑流總量，不同分子量和水解度的PAM處理均使徑流總量增加。和對(duì)照相比，800萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理徑流總量分別增加6.13%，2.46%，1.32%，1 200萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理徑流總量分別增加21.34%，8.13%和15.67%，1 500萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理徑流總量分別增加32.51%，32.45%，22.26%。總體上，800萬(wàn)分子量的PAM處理徑流的增加量小于1 200萬(wàn)和1 500萬(wàn)的PAM，隨著分子量的變大，徑流量也在增加。崩積體土壤結(jié)構(gòu)性差，砂粒含量高，可分散的黏粒含量低，降雨過(guò)程中PAM的長(zhǎng)分子鏈在黏結(jié)土壤顆粒的同時(shí)，其長(zhǎng)鏈尾部堵塞了土壤中的傳導(dǎo)孔隙，在土壤表面形成結(jié)皮，導(dǎo)致土壤入滲降低，徑流量增加。同一分子量PAM中，10%水解度處理下徑流量大于20%和30%水解度處理，徑流量雖有不同，但差異不明顯，說(shuō)明水解度對(duì)徑流影響不明顯。

2.2 不同分子量和水解度PAM對(duì)產(chǎn)沙量的影響

圖3為不同分子量和水解度PAM處理的坡面產(chǎn)沙過(guò)程。在整個(gè)降雨過(guò)程中產(chǎn)沙過(guò)程存在一定的波動(dòng)，但相比對(duì)照，各處理下侵蝕量都在減少。800萬(wàn)分子量各水解度處理下產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)最大，10%水解度處理下產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)較小且效果最好，20%和30%水解度處理下產(chǎn)沙過(guò)程相似且波動(dòng)較大，在降雨后期，三種水解度處理產(chǎn)沙量趨于一致；1 200萬(wàn)分子量各水解度處理下產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)較小，10%的水解度處理效果最好，在整個(gè)降雨過(guò)程中產(chǎn)沙量都遠(yuǎn)小于對(duì)照，20%和30%水解度處理產(chǎn)沙過(guò)程相似，在降雨后期趨于一致；1 500萬(wàn)分子量中，10%和20%的水解度處理產(chǎn)沙過(guò)程相似，但前者的效果略好于后者，30%水解度處理和對(duì)照的產(chǎn)沙過(guò)程類似，其效果也不明顯。此外，在整個(gè)產(chǎn)沙過(guò)程中各處理存在一定的規(guī)律：在降雨初期，產(chǎn)沙量比較小，隨著降雨時(shí)間的增加，產(chǎn)沙量也有小幅度的增加，這可能是因?yàn)椋菏┯肞AM后，其絮凝作用將表層土壤顆粒緊緊粘結(jié)在一起，不易被降雨和徑流破壞，從而減小了侵蝕產(chǎn)沙量。隨著降雨時(shí)間的增加，在雨滴的擊打和徑流沖刷等作用下，PAM的粘結(jié)力受到一定的削弱，土壤顆粒被分離，徑流中的懸浮顆粒逐漸增多，侵蝕產(chǎn)沙量增加。

圖2 不同分子量和水解度PAM處理對(duì)徑流量的影響

圖3 不同分子量和水解度PAM處理的產(chǎn)沙過(guò)程

圖4為不同分子量和水解度PAM處理的累積侵蝕產(chǎn)沙量，不同分子量和水解度的PAM處理均能減少侵蝕量，但其效果不盡相同。與對(duì)照相比，800萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理侵蝕量分別減少35.1%，20.09%和20.28%，10%水解度的處理效果稍好于20%和30%，而后兩者之間的效果基本沒(méi)有差別；1 200萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理侵蝕量分別減少72.58%，59.73%，56.95%，與800萬(wàn)分子量的 PAM 相似，10%水解度的處理效果強(qiáng)于20%和30%的，后兩者之間的效果差距也很?。? 500萬(wàn)分子量的低、中、高三種水解度的PAM處理侵蝕量分別減少56.14%，53.02%，15.04%，同前兩者相同，該分子量中10%水解度的處理效果最好，與30%水解度的處理有顯著差異，但與20%水解度的處理只有微小差距，總體上，水解度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的影響也不明顯。

圖4 不同分子量和水解度PAM處理對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的影響

從總體上看，和對(duì)照相比，1 200萬(wàn)分子量PAM處理土壤侵蝕的效果好于800萬(wàn)和1 500萬(wàn)，而同一分子量PAM中，10%水解度處理產(chǎn)沙侵蝕量最小，各水解度之間雖有不同但沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明PAM水解度對(duì)PAM減少土壤侵蝕效果也不明顯。這可能主要是因?yàn)椋旱头肿恿康腜AM分子鏈比較短，相連的黏粒之間不容易搭接，黏結(jié)作用弱，高分子量的PAM的分子鏈過(guò)長(zhǎng)，難以穿透土壤顆粒之間的孔隙，中分子量的PAM分子鏈適中，既可以輕易穿透土壤顆粒之間的孔隙，又能在土壤黏粒之間搭接，產(chǎn)生較好的黏結(jié)效果，因而其防治侵蝕的效果較好；PAM水解度的大小代表了其分子鏈上的電荷密度，水解度越大，電荷密度也越大，吸附作用也越強(qiáng)，與土壤之間的粘結(jié)作用也增強(qiáng)；但隨著水解度的增大，PAM分子鏈之間的排斥力也增大，造成土壤孔隙堵塞，不利于PAM自身和水分的入滲。PAM分子量的大小決定了其分子鏈的長(zhǎng)短，分子鏈的長(zhǎng)短又影響其對(duì)控制土壤侵蝕的效果，而水解度只要是影響PAM對(duì)土壤表面孔隙的堵塞程度。通常情況下，坡面徑流量越大，引起的土壤侵蝕量也會(huì)增大，而同一分子量的PAM，其水解度對(duì)崩積體的作用卻是侵蝕量越小，徑流量越大，水解度對(duì)徑流量和侵蝕量的影響大致成反比關(guān)系。這可能主要是由于崩崗崩積體土壤結(jié)構(gòu)差，以礫砂粉為主，砂粒含量高，缺少可分散的黏粒，在降雨作用下容易產(chǎn)生結(jié)皮。施用PAM處理后會(huì)在土壤表面形成一層保護(hù)膜，形成“人工”結(jié)皮，可能再次引起土壤表面封閉，導(dǎo)致土壤入滲降低，徑流量增加。但PAM具有很強(qiáng)的粘結(jié)作用，能增加土壤的抗蝕性，減少?gòu)搅魉鸬耐寥罁p失，因此其徑流量增加而侵蝕量卻減少了。施用中分子量PAM對(duì)減少崩崗崩積體土壤侵蝕的效果最好。

2.3 不同分子量和水解度PAM對(duì)顆粒含量的影響

圖5為不同分子量和水解度處理下侵蝕土壤中不同粒徑顆粒的含量變化，與未施用PAM的對(duì)照相比，侵蝕土壤中的粗砂（2～0.25mm）、細(xì)砂（0.25～0.05mm）、粗粉粒（0.05～0.02mm）、細(xì)粉粒（0.02～0.002mm）和黏粒含量都發(fā)生了變化，其趨勢(shì)不盡一致，但都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

圖5 不同分子量和水解度PAM處理下不同粒徑顆粒含量變化對(duì)比

粗砂的含量除800萬(wàn)分子量的10%水解度處理下減少外都在增加，1 200分子量處理下粗砂粒含量的增加量高于800萬(wàn)和1 500萬(wàn)，該變化與徑流量的變化相似；細(xì)砂和粗粉粒的變化類似，二者的含量在不同分子量和水解度PAM處理下有一定的波動(dòng)，但總體上也在減少，不同分子量之間差異很小，同一分子量中，20%水解度處理效果最好；細(xì)粉粒和黏粒含量在各處理下也都在減少，其含量在不同分子量和水解度PAM處理之間有一定的差異，相比較而言，1 200萬(wàn)10%水解度的PAM處理下，侵蝕土壤中粉粒含量和黏粒含量最少。在不同分子量和水解度PAM處理下，各粒徑土壤顆粒中，黏粒含量的減少量最大。試驗(yàn)結(jié)果表明PAM主要對(duì)粉粒和黏粒起粘結(jié)作用，尤其是能夠有效的減少黏粒的流失。而砂粒之所以增加可能有兩方面的原因，一方面是PAM對(duì)其粘結(jié)作用弱，另一方面與徑流量增加有關(guān)，因?yàn)楸婪e體土體結(jié)構(gòu)性差，施用PAM后堵塞土壤表面孔隙，形成“人工”結(jié)皮，降低了土壤入滲，徑流量增加，砂粒流失量變大。

3 結(jié)論

試驗(yàn)所用的3種分子量和水解度的PAM都能夠減少崩積體土壤侵蝕產(chǎn)沙量，水解度對(duì)土壤侵蝕量影響沒(méi)有明顯差異，1 200萬(wàn)10%水解度的PAM處理減少土壤侵蝕效果最好；不同分子量和水解度的PAM處理均使徑流量增加，隨著分子量的變大，徑流量也在增加，水解度對(duì)徑流量的影響也不明顯；PAM主要對(duì)崩積體土壤中粉粒和黏粒起粘結(jié)作用，能有效減少黏粒的侵蝕量，徑流量的增加導(dǎo)致砂粒的含量增加。

崩崗崩積體治理的主要目的是減少泥沙向下游遷移，而1 200萬(wàn)10%水解度PAM在減少土壤侵蝕方面效果最好，同時(shí)，分子量越大，水解度越高，PAM的價(jià)格也越貴，因此建議施用1 200萬(wàn)分子量，水解度為10%的PAM來(lái)治理崩崗崩積體侵蝕。本實(shí)驗(yàn)只研究了PAM特性對(duì)崩積體產(chǎn)沙及徑流的影響，而施用PAM對(duì)崩積體土體理化性質(zhì)的影響及其與生物措施相結(jié)合的侵蝕防治研究值得關(guān)注。

［1］ 王禮先，孫保平，余新曉，等.中國(guó)水利百科全書：水土保持分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004：48－49.

［2］ 吳志峰，鐘偉青.崩崗災(zāi)害地貌及其環(huán)境效應(yīng)［J］.生態(tài)科學(xué)，1997，16（2）：91－96.

［3］ 張萍，査軒.崩崗侵蝕研究進(jìn)展［J］.水土保持研究，2007，14（1）：170－176.

［4］ 吳志峰，李定強(qiáng)，丘世均.華南水土流失區(qū)崩崗侵蝕地貌系統(tǒng)分析［J］.水土保持通報(bào)，1999，19（5）：24－26.

［5］ 丁光敏.福建崩崗侵蝕成因及治理模式研究［J］.水土保持通報(bào)，2001，21（5）：25－27.

［6］ 李旭義，查軒，劉先堯.南方紅壤區(qū)崩崗侵蝕治理模式探討［J］.太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，7（3）：106－110.

［7］ 阮伏水.福建省崩崗侵蝕與治理模式探討［J］.山地學(xué)報(bào)，2003，21（6）：675－680.

［8］ 夏海江，杜堯東，孟維忠.聚丙烯酰胺防治坡地土壤侵蝕的室內(nèi)模擬試［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（3）：14－17.

［9］ 杜堯東，夏海江，劉作新，等.聚丙烯酰胺防治坡地水土流失田間試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（3）：10－13.

［10］ 雷廷武，唐澤軍，于劍.坡面土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程與化學(xué)調(diào)控技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［11］ 員學(xué)鋒，汪有科，吳普特.聚丙烯酰胺對(duì)土壤物理性狀影響的實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（2）：37－40.

［12］ 雷廷武，唐澤軍，張晴雯，等.聚丙烯酰胺增加土壤降雨入滲減少侵蝕的模擬試驗(yàn)研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2003，40（3）：401－406.

［13］ Green V S，Stott D E，Norton L D，et al.Polyacrylamide molecular weight and charge effects on infiltration under simulated rainfall［J］.Soil Science Society of America Journal，2000，64（5）：1786－1791.

［14］ Stutzmann T，Siffert B.Contribution to the adsorption mechanism of acetamide and polyacrylamide on to clays［J］.Clays and Clay Minerals，1977，25（6）：392－406.

［15］ 于健，雷廷武，Shainberg I，等.PAM特性對(duì)砂壤土入滲及土壤侵蝕的影響［J］.土壤學(xué)報(bào)，2011，48（1）：21－27.

［16］ Lentz R D.Inhibiting water infiltration with polyacrylamide and serfactants：Applications for irrigated agriculture［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2003，58（5）：290－300.