Jag C162對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)研究

焦 念， 王占禮， 劉俊娥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 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； 3.中國科學(xué)院 水利部 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)

中國是世界水土流失最為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)第3次全國土壤侵蝕普查資料，中國每年土壤流失量約5.0×1010t[1]。大量的水土流失已經(jīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅，尤其是在黃土高原地區(qū)，嚴(yán)重的水土流失使大部分土地退化，植被破壞，泥沙、洪水災(zāi)害加劇，水利設(shè)施功能減低乃至喪失、損毀等[2]，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。影響黃土高原水土流失的因子主要有降雨、地形、土壤質(zhì)地、降雨入滲、抗蝕性、抗沖性等，其中，降雨入滲是影響降雨產(chǎn)流規(guī)律最重要的過程之一，是模擬土壤侵蝕過程的基本輸入變量，也是實(shí)施水土保持規(guī)劃需要認(rèn)真考慮的重要因素。許多學(xué)者將增加入滲、就地?cái)r蓄降雨徑流作為防治水土流失的基本戰(zhàn)略措施[3-4]。所以，提高降雨入滲是減少水土流失必不可少的一部分。防治水土流失的傳統(tǒng)技術(shù)主要有生物措施和工程措施，近年來興起一類非傳統(tǒng)的化學(xué)措施，即在土壤中添加高分子化合物，利用其改善土壤結(jié)構(gòu)以達(dá)到調(diào)控水、土和減少侵蝕的目的。化學(xué)措施具有見效快、成本低的特點(diǎn)，特別是對(duì)防治無植被或少植被覆蓋裸土的水蝕與減小徑流具有重要價(jià)值。高分子化合物應(yīng)用于調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)始于20世紀(jì)50年代，其中聚丙烯酰胺(PAM)應(yīng)用最為廣泛，保持水土的效果也相當(dāng)明顯。大量研究表明，應(yīng)用PAM作為一種土壤結(jié)構(gòu)改良劑或穩(wěn)定劑，可以增加土壤表層顆粒間凝聚力，維持良好的土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤結(jié)皮，增加降雨入滲[5]，減少地表徑流，防止土壤流失[6]。因此將PAM用于土壤提高入滲率具有十分重要的意義。

有關(guān)施放PAM可以增加降雨入滲，國內(nèi)外的學(xué)者做了大量的研究。大量的室內(nèi)試驗(yàn)和大田試驗(yàn)表明在土壤表面施用PAM可以保持土壤較高的入滲率[7-10]。Onofiok等[11]的試驗(yàn)表明，PAM可改善土壤表層結(jié)構(gòu)，抑制土壤封閉和結(jié)皮形成，改善土壤滲透性能，增加降雨入滲。Ben—Hur等[12]通過室內(nèi)模擬降雨研究表明在土層上噴施PAM可以大大地提高降雨入滲。Lentz[13]和Levy等[14]的模擬噴灌試驗(yàn)表明濃度1.00×10-5的PAM灌入水中，最終入滲量增加30%～70%。Green 等[15]根據(jù)試驗(yàn)分析，認(rèn)為不同分子量的PAM對(duì)不同質(zhì)地的土壤均有很好的效果，提高滲透率3～5倍。唐澤軍等[16]通過人工降雨模擬試驗(yàn)研究PAM對(duì)入滲能力的響應(yīng)，結(jié)果表明，PAM能顯著地增加降水入滲量，而且隨PAM施放量的增加，累積降水入滲量也增加。陳渠昌等[17]的試驗(yàn)研究表明，PAM用量0.5 g/m2時(shí)，可以提高降雨入滲。于健等[18]研究不同PAM施用方法對(duì)降雨入滲的影響得出，無論什么施放方法和PAM的不同形態(tài)均能夠顯著增加降雨入滲，最大可增加2.8倍。趙偉等[19]通過上方供水方式模擬降雨徑流，研究PAM對(duì)黃土坡面水分入滲的試驗(yàn)表明，在放水沖刷試驗(yàn)前期不同用量PAM均能增加水分入滲。于海龍等[20]的試驗(yàn)表明PAM混入土壤中可明顯增加降雨入滲，可提高穩(wěn)定入滲率1.8～2.7倍。

由以上的研究可見，PAM可很大程度地提高降雨入滲，減少地表徑流，從而為減少水土流失奠定基礎(chǔ)。PAM作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑在增加降雨入滲中，雖然得到了廣泛的應(yīng)用，效果也是可觀的，但隨著社會(huì)的發(fā)展，研發(fā)新的化學(xué)材料，尋找不同化學(xué)材料調(diào)控水、土的不同作用，以滿足不同的水、土調(diào)控需求，更好地發(fā)揮化學(xué)材料保持水土的多功能效應(yīng)，已成為一些水土保持工作者及化工企業(yè)的研究課題。

本文通過人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)羅亞公司新開發(fā)的化學(xué)材料Jag C162對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)進(jìn)行研究，分析施放不同劑量Jag C162的土壤相對(duì)于裸土的入滲動(dòng)態(tài)變化過程，探討Jag C162的強(qiáng)化入滲效應(yīng)，為黃土坡面水土流失治理及其措施選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)土壤取自黃土高原的陜西省安塞縣，土壤類型為黃綿土，土壤顆粒組成見表1。試驗(yàn)前期土壤容重均為1.2 g/cm3，前期含水量均為14%。

表1 試驗(yàn)土壤機(jī)械組成

試驗(yàn)設(shè)備為變坡鋼質(zhì)小區(qū)，長120 cm，寬40 cm，深25 cm。所有試驗(yàn)土壤自然風(fēng)干并過5 mm篩，除去雜草和石塊。裸土小區(qū)裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細(xì)沙，鋪上透水紗布，保持土層的透水狀況接近天然坡面。為保證裝土的均勻性，試驗(yàn)小區(qū)采用分層裝土。填土?xí)r，采用邊填充邊壓實(shí)，以減小邊壁對(duì)入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及坡面侵蝕微形態(tài)發(fā)育等的影響，并使下墊面土壤條件的變異性達(dá)到最小，保證試驗(yàn)土壤容重達(dá)到設(shè)計(jì)要求。填土后，用刮板將表面刮平整。試驗(yàn)所用化學(xué)材料為一種多肽衍生物，此處簡稱為Jag C162，該產(chǎn)品呈黃白色粉末狀，遇水形成膠體。

Jag C162的施放方式為干撒施，按試驗(yàn)裸土小區(qū)裝土的方法將土裝好，然后取相當(dāng)于2 mm厚的過篩干土壤，將其與Jag C162混合，攪拌均勻，然后分為10份均勻地撒在裸土小區(qū)相應(yīng)的10段表面上，用刮板將其刮平整，靜置一段時(shí)間后在其表面均勻地噴撒2 L水，使其與下層土壤很好的融合，將其放置15 h即可試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：雨強(qiáng)1.5 mm/min，試驗(yàn)坡度10°，15°，20°，土壤表面處理為裸土和撒施Jag C162 劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗(yàn)12場；坡度15°，雨強(qiáng)1.0，1.5，2.0 mm/min ，土壤表面處理為裸土和撒施Jag C162 劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗(yàn)12場；各場試驗(yàn)重復(fù)1次，共進(jìn)行試驗(yàn)40場。試驗(yàn)開始后，出現(xiàn)產(chǎn)流后在小區(qū)的出口接樣，產(chǎn)流后前3 min每隔1，2 min觀測(cè)1次，以后每隔3 min觀測(cè)1次，直到降雨結(jié)束。降雨歷時(shí)為40 min。降雨結(jié)束后，量取接樣渾水體積，并通過烘干稱重法測(cè)量、計(jì)算得到接樣中的泥沙體積，進(jìn)而計(jì)算清水徑流量，最后按照水量平衡原理計(jì)算出降雨入滲量和入滲率。

2 結(jié)果與分析

2.1 撒施Jag C162對(duì)降雨入滲過程的影響

坡面降雨入滲的過程可分為3個(gè)階段： (1)初滲階段，此時(shí)的入滲能力大于降雨強(qiáng)度，全部降雨就地入滲，地表沒有產(chǎn)生徑流，入滲率則等于降雨強(qiáng)度； (2)入滲衰退階段，當(dāng)表土已經(jīng)飽和，地表開始積水，此時(shí)的入滲衰退，并隨含水量的增加而減少； (3)穩(wěn)滲階段，此時(shí)入滲已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)滲，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.1 不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162對(duì)降雨入滲過程的影響 將同坡度(15°坡度)不同降雨強(qiáng)度下，裸土和撒施3種不同劑量Jag C162時(shí)段入滲率隨時(shí)間的變化點(diǎn)繪如圖1所示。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162對(duì)入滲率隨降雨過程變化的影響

從圖1可以看出，在各降雨強(qiáng)度條件下，撒施不同劑量Jag C162后，入滲率都隨降雨時(shí)間的增加而逐漸減少。小劑量(1 g/m2)和中劑量(3 g/m2)下，隨時(shí)間的增加，入滲率減少的趨勢(shì)比較一致，而大劑量(5 g/m2)下，入滲率在降雨初始階段減少速率比較大，經(jīng)過一段時(shí)間，減少速率逐漸變小。在同一降雨時(shí)間下，裸土和撒施不同劑量Jag C162的入滲率的大小為3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。圖1還可以看出，在不同降雨強(qiáng)度條件下，裸土的入滲曲線都顯示了一個(gè)大致相同的趨勢(shì)，產(chǎn)流形成后，在最初的短時(shí)間內(nèi)，入滲率急劇減少，然后逐步地趨于穩(wěn)定，最終入滲率很低。施放Jag C162的入滲率隨時(shí)間下降幅度比較平緩，產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)滯后，其中撒施3 g/m2的土壤產(chǎn)流時(shí)間最長，其次為撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤產(chǎn)流所需時(shí)間最短。到降雨結(jié)束時(shí)，施放Jag C162的入滲過程基本都沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲階段，入滲率減小的雖然很平緩，但也沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲率。各降雨強(qiáng)度下，降雨30 min時(shí)裸土基本都到了穩(wěn)滲階段，穩(wěn)定入滲率為0.63～0.74 mm/min，而撒施Jag C162的入滲率都沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲率，但還是顯著地高于裸土，其平均入滲率分別增加了22.95%～49.92%，32.64%～75.96%和30.39%～75.84%。

對(duì)比圖1中不同降雨強(qiáng)度下的入滲率變化曲線得出，隨著雨強(qiáng)的增大，初始產(chǎn)流時(shí)間提前，裸土達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的入滲率和此時(shí)撒施Jag C162的平均入滲率相對(duì)有所增加。其原因可能是隨著雨強(qiáng)的增大，水體自身重力和雨滴打擊所產(chǎn)生的沖力的增加，不僅可以加速入滲水流的速率，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中[21]。

2.1.2 不同坡度下撒施Jag C162對(duì)降雨入滲過程的影響 同降雨強(qiáng)度(1.5 mm/min)不同坡度下，裸土和撒施3種不同劑量Jag C162的入滲曲線如圖2所示。

圖2 不同坡度下撒施Jag C162對(duì)入滲率隨降雨過程變化的影響

從圖2可以看出，在各坡度下，撒施不同劑量Jag C162后，入滲率都隨降雨時(shí)間的增加而逐漸減少。小劑量(1 g/m2)和中劑量(3 g/m2)下，隨時(shí)間的增加，入滲率減少的趨勢(shì)比較一致，而大劑量(5 g/m2)下，入滲率在剛開始降雨時(shí)減少速率比較大，經(jīng)過一段時(shí)間，減少速率逐漸變小。在同一降雨時(shí)間下，裸土和撒施不同劑量Jag C162的入滲率的大小為3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。由圖2可見，在各坡度條件下，裸土的入滲曲線都顯示了一個(gè)大致相同的趨勢(shì)，產(chǎn)流形成后，在最初的短時(shí)間內(nèi)，入滲率急劇減少，然后逐步地趨于穩(wěn)定，最終入滲率很低，其中撒施3 g/m2的土壤的產(chǎn)流時(shí)間最長，其次為撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤的產(chǎn)流所需時(shí)間。到降雨結(jié)束時(shí)，施放Jag C162的入滲過程基本都沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲階段，較少情況下入滲率減小速率雖然很小，但也沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲率。各坡度下，在降雨30 min時(shí)，裸土基本都到了穩(wěn)滲階段，穩(wěn)定入滲率為0.71～0.75 mm/min，而撒施Jag C162的入滲率都沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲率，但還是顯著地高于裸土，其平均入滲率分別增加了13.70%～26.63%，41.21%～54.22%和34.53%～48.83%。

對(duì)比圖2中不同坡度下入滲率變化曲線可以得出，隨著坡度的增大，裸土達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的入滲率和此時(shí)撒施Jag C162的平均降雨入滲率都減小。造成這一現(xiàn)象的原因主要與坡面上水層的受壓情況有關(guān)。坡面上的水分入滲主要受大氣壓力和水層壓力的共同作用，隨著坡度的增大，水層沿水平方向的壓力增大，而垂直坡面的壓力減小。同時(shí)由于水體沿坡面移動(dòng)，水分進(jìn)入土壤的機(jī)會(huì)減少，從而導(dǎo)致入滲率減小。

由圖1—2可以看出，撒施Jag C162可增加降雨入滲，主要是由于Jag C162遇水可形成膠體，不但能有效地維護(hù)土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，而且能形成新的團(tuán)聚體，增強(qiáng)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效地緩解了雨滴對(duì)土壤表面的打擊，增加了土壤總孔隙率和毛管孔隙度，提高了入滲性能，大大降低了地表流速，產(chǎn)流時(shí)間推遲，入滲時(shí)間增加，從而增加降雨入滲。其次，在土壤表面撒施一定的Jag C162可有效地減少土壤的封閉作用，抑制結(jié)皮的形成，從而增加降雨入滲，但撒施的劑量超過一定的范圍，反而會(huì)減少入滲率，不同雨強(qiáng)和不同坡度下撒施5 g/m2Jag C162的條件下入滲效果都較3 g/m2的條件下有所降低，究其原因可能是由于Jag C162加入過量，使過量的Jag C162隨水分進(jìn)入到土壤顆粒的孔隙當(dāng)中，降低了土壤孔隙度，一定程度上抑制了水分入滲過程。隨降雨過程的進(jìn)行，雨滴不斷打擊，一方面使黏粒分散，堵塞土壤表層孔隙，另一方面使土壤顆粒緊密堆積，從而造成土壤封閉，形成土壤結(jié)皮，因而入滲率隨降雨時(shí)間逐漸降低。

2.2 撒施Jag C162對(duì)入滲的強(qiáng)化效應(yīng)

2.2.1 不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162對(duì)入滲的強(qiáng)化效應(yīng) 降雨強(qiáng)度是影響入滲量的重要因素之一。

從圖3中可以看出，撒施Jag C162的降雨入滲量明顯高于裸土的入滲量，在不同劑量下，降雨入滲量隨雨強(qiáng)的增加而呈現(xiàn)遞增變化總趨勢(shì)，各劑量下的增加速率不一致。小劑量下，降雨入滲量隨雨強(qiáng)增大的增速相對(duì)平緩，中劑量和大劑量下降雨入滲量隨雨強(qiáng)增大的增速不一致，1.5 mm/min雨強(qiáng)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)之前撒施3 g/m2Jag C162的土壤緩慢增大，降雨入滲量變化較小，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速比較大，超過該點(diǎn)，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量隨雨強(qiáng)的增大而快速增大，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速相比略有減小。從圖3中還可以看出，小雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量最大，中雨強(qiáng)下3種劑量的降雨入滲量基本一致，相差無幾。表2為不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162的強(qiáng)化入滲效應(yīng)。從表2中可以看出，在各雨強(qiáng)下，相對(duì)于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入滲的作用，其中撒施3 g/m2的入滲效應(yīng)比較明顯，入滲量最大可增加56.70%。撒施1和5 g/m2Jag C162的入滲效應(yīng)相比，在1.0 mm/min雨強(qiáng)下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入滲效應(yīng)大于撒施5 g/m2Jag C162的土壤，在2.0 mm/min雨強(qiáng)下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入滲效應(yīng)小于撒施5 g/m2Jag C162的土壤。

圖3 裸土和撒施不同劑量Jag C162下入滲量隨降雨強(qiáng)度的變化

2.2.2 不同坡度下撒施Jag C162對(duì)入滲的強(qiáng)化效應(yīng) 圖4為裸土和撒施不同劑量Jag C162下降雨入滲量隨坡度變化關(guān)系。從圖4中可以看出，撒施Jag C162的降雨入滲量明顯高于裸土的入滲量，裸土的入滲量隨坡度的增大略微有所增加，沒有太大的變化，在撒施1和5 g/m2劑量Jag C162的土壤下，入滲量隨坡度的增加而呈現(xiàn)遞減變化趨勢(shì)，而且減少速率基本一致，比較平緩，撒施3 g/m2劑量Jag C162的降雨入滲量隨坡度先減少后增加。從圖4中還可以看出，小坡度和大坡度下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量最大，中坡度下3種劑量的降雨入滲量基本一致，相差無幾。

表2 不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag C162的強(qiáng)化入滲效應(yīng)

表3為不同坡度下撒施Jag C162的強(qiáng)化入滲效應(yīng)。從表3中可見，在各坡度下，相對(duì)于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入滲的作用，其中撒施3 g/m2Jag C162的入滲效應(yīng)比較明顯，入滲量最大可增加42.46%。比較不同坡度下，由撒施不同劑量Jag C162的降雨入滲效應(yīng)可以看出，大坡度下的入滲量增加的百分比均小于小坡度，表明隨著坡度的增大，撒施不同劑量的Jag C162的入滲效應(yīng)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖4裸土和撒施不同劑量JagC162下入滲量隨坡度的變化

表3 不同坡度下撒施Jag C162的強(qiáng)化入滲效應(yīng)

3 結(jié) 論

(1)隨著降雨時(shí)間的增加，裸土和撒施Jag C162的降雨入滲率都減小，但裸土的入滲率減小速率大于撒施Jag C162的土壤。裸土經(jīng)過一段時(shí)間后入滲達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而撒施Jag C162的入滲率基本上都沒有達(dá)到穩(wěn)定入滲率。裸土達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的平均入滲率小于此刻對(duì)應(yīng)的撒施Jag C162的平均入滲率，撒施Jag C162的入滲率最多增加了75.96%。撒施Jag C162后，初始產(chǎn)流的時(shí)間也相應(yīng)地推遲，撒施3 g/m2Jag C162的土壤的產(chǎn)流時(shí)間最長。

(2)同坡度不同雨強(qiáng)和同雨強(qiáng)不同坡度下，撒施Jag C162后，入滲率都有顯著的提高，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲效果比其他兩個(gè)好。隨著降雨強(qiáng)度增大，裸土的穩(wěn)定入滲率和撒施3種不同劑量下的平均入滲率有增大的趨勢(shì)。隨著坡度的增加，裸土的穩(wěn)定入滲率和撒施3種不同劑量下的平均入滲率逐漸減小。

(3)撒施Jag C162的入滲量明顯高于裸土的入滲量，在不同劑量下，入滲量隨雨強(qiáng)的增加而呈現(xiàn)遞增變化總趨勢(shì)，各劑量下的增加速率不一致；入滲量隨坡度的增加逐漸減小。

(4)撒施Jag C162對(duì)坡面降雨入滲有明顯的調(diào)控效應(yīng)，可大幅度的增加入滲率，減少地表徑流和土壤侵蝕。

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，撒施Jag C162可以提高降雨入滲率，增加降雨入滲量，具有很好的強(qiáng)化入滲效應(yīng)。無論是同坡度不同雨強(qiáng)還是同雨強(qiáng)不同坡度條件下，撒施3 g/m2Jag C162的入滲率和入滲量增加量最多，最大可分別增加75.96%和56%，而且入滲效應(yīng)也是最顯著的。這與許多學(xué)者研究高分子化合物(如PAM)對(duì)降雨入滲的影響的結(jié)果[16-19]基本一致。但是仍有一些學(xué)者的研究與之不同。陳渠昌等[17]研究認(rèn)為當(dāng)PAM用量達(dá)到3 g/m2，反而降低了降雨入滲速率。這可能與高分子化合物PAM和Jag C162的化學(xué)組成、性能有很大的關(guān)系，除此之外試驗(yàn)土壤、試驗(yàn)條件的不同也可能是造成試驗(yàn)結(jié)果不同的原因。

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