保水劑和PAM對人工土壤顆粒水分蒸發(fā)的影響

劉 洋，龍 鳳，李紹才,2，王 琴，孫 琦

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064； 2.四川沃爾宜環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 610031)

保水劑和PAM對人工土壤顆粒水分蒸發(fā)的影響

劉 洋1，龍 鳳1，李紹才1,2，王 琴1，孫 琦1

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064； 2.四川沃爾宜環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 610031)

保水劑；PAM；人工土壤；累積蒸發(fā)量；蒸發(fā)失水比

合理的保水劑和聚丙烯酰胺(PAM)用量能夠減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)，增加土壤水分有效量，對干旱地區(qū)或者土壤缺水條件下的植物生長具有重要作用。通過模擬試驗，分別從累積蒸發(fā)量、含水率變化及蒸發(fā)失水比等方面進(jìn)行分析比較，定量研究了保水劑與PAM用量對人工土壤顆粒水分蒸發(fā)的作用規(guī)律。結(jié)果表明：保水劑和PAM對蒸發(fā)確有抑制作用，隨著PAM用量的增加，累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)失水比均呈現(xiàn)降低趨勢，其中PAM用量為2 g/m2的處理水分蒸發(fā)量最小，保水效果最好；而隨著保水劑用量的增加，累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)失水比呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當(dāng)保水劑用量超過175 g/m2后對蒸發(fā)的抑制作用開始顯現(xiàn)。

蒸發(fā)是地表水分消耗的主要途徑，也是陸地水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，但在巖石邊坡等干旱無植生條件下，蒸發(fā)對于土壤中有效水分的保持則是較大的威脅。因此，在解決邊坡干旱無植生問題時，如何抑制土壤蒸發(fā)、減緩水分蒸發(fā)能力，以延長土壤水分在土壤中的駐留時間就顯得尤為重要[1]。

目前關(guān)于保水劑和聚丙烯酰胺(PAM)對土壤水分蒸發(fā)的影響研究已較為成熟[2-4]，但在人工土壤水分特性研究中，人工土壤顆粒水分蒸發(fā)隨保水劑和PAM用量變化的規(guī)律尚不明確。因此，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，通過模擬試驗，比較不同保水劑用量和PAM用量條件下人工土壤顆粒的蒸發(fā)釋水過程，旨在分析人工土壤顆粒的水分蒸發(fā)特性，以期為人工土壤顆粒在實(shí)際應(yīng)用中的配比設(shè)計提供依據(jù)，也為其在邊坡防護(hù)工程上的運(yùn)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

人工土壤顆粒(為底面直徑5 mm、高度2～5 mm的圓柱體)制備原料選用成都平原的泥炭土，在自然條件下風(fēng)干后，經(jīng)實(shí)驗室測得泥炭土含水率為30%，容重為0.55 g/cm3。人工土壤顆粒由泥炭土、保水劑及PAM等原料按計劃用量和比例混合壓縮制成。試驗于2013年4—5月在四川省彭州市山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。

1.2 試驗設(shè)計

試驗主要研究保水劑用量和PAM用量對人工土壤顆粒水分蒸發(fā)的影響，每個變量因素設(shè)3個水平，為全因子試驗設(shè)計，共9個處理(見表1)，各處理的通用代碼為PxMy(Px表示PAM的某個用量水平，分別為P1、P2、P3；My表示保水劑的用量水平，分別為M1、M2、M3)。保水劑與PAM的用量單位為g/m2，1 g/m2相當(dāng)于保水劑或PAM與泥炭土的質(zhì)量混合比為1 ∶1 500。試件模型采用圓柱形自制塑料器皿，內(nèi)徑5 cm，凈高5 cm。將試件底部鉆孔，并墊以濾紙，以防土壤顆粒漏出。

表1 試驗變量因素設(shè)計

g/m2

1.3 測定內(nèi)容

試驗統(tǒng)一將人工土壤顆粒初始含水量控制在同一水平。在室溫下，根據(jù)試件規(guī)格，按照比例，每個處理稱取約6 g人工土壤顆粒進(jìn)行試驗。填土完成后，將試件擺放在水槽中，然后緩緩向水槽中加水，直到水面達(dá)到距試件上口2 cm處為止。飽和吸水完成后，取出試件置于干砂上，靜置2 h后稱重，測定初始含水量；之后，將容器放置于恒溫氣候箱中觀測其釋水蒸發(fā)過程，恒溫氣候箱溫度設(shè)置為40 ℃，每天早9時、晚21時稱重。試驗中用烘干法測定人工土壤顆粒含水量，用稱重法測定人工土壤顆粒蒸發(fā)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

圖表中所有數(shù)據(jù)均為3次測定的平均值。采用SPSS18.0軟件進(jìn)行方差分析，并在0.05水平上進(jìn)行Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑和PAM對累積蒸發(fā)量的影響

2.1.1 累積蒸發(fā)量的比較分析

將保水劑用量和PAM用量分別作為變量因素，每個因素3個水平，每個水平3個重復(fù)，對所得累積蒸發(fā)量進(jìn)行雙因素試驗統(tǒng)計分析。本試驗中，將累積蒸發(fā)量定義為：累積蒸發(fā)量=蒸發(fā)量/物質(zhì)量，其中物質(zhì)量=土壤顆粒量-保水劑用量-PAM用量。分析所得結(jié)果見圖1。

圖1 各處理累積蒸發(fā)量比較

注：圖中相同字母表示處理間的差異在0.05水平上不顯著，不同字母表示差異顯著，下同。

由圖1可看出：在M1條件下，累積蒸發(fā)量為P1M1>P2M1>P3M1，3種處理中P1M1分別與P2M1、P3M1差異顯著；在M2條件下，累積蒸發(fā)量為P1M2>P2M2>P3M2，且3種處理間均達(dá)到顯著差異；在M3條件下，累積蒸發(fā)量為P1M3>P2M3>P3M3，P1M3分別與P2M3、P3M3差異顯著。由圖1及其分析可知：在釋水蒸發(fā)過程中，PAM用量對累積蒸發(fā)量有顯著影響，表現(xiàn)為隨著PAM用量的增加累積蒸發(fā)量減少。以在M2條件下的3種處理為例，PAM用量為2 g/m2時的累積蒸發(fā)量比0、1 g/m2處理的分別少21.16%、10.40%。這說明PAM對人工土壤顆粒水分蒸發(fā)具有抑制作用，且隨著其用量的增加，抑制作用也增強(qiáng)。

而在PAM用量一定的條件下，保水劑不同用量間累積蒸發(fā)量均為PxM2>PxM3>PxM1，但PxM3與PxM1之間的差異不顯著。說明保水劑用量對累積蒸發(fā)量的影響表現(xiàn)為隨著其用量增大，累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。以在P1條件下的3種處理為例，當(dāng)保水劑用量為150 g/m2時，累積蒸發(fā)量達(dá)到最大，而保水劑用量為175 g/m2時，累積蒸發(fā)量反而減小，此時累積蒸發(fā)量值較150 g/m2處理低13.58%。說明隨著保水劑用量的加大，由于保水劑的強(qiáng)吸水性，土壤初始含水量增大，因而累積蒸發(fā)量值呈現(xiàn)增加趨勢，但超過175 g/m2后，累積蒸發(fā)量值開始減小。因而可以知道，保水劑用量在超過一定范圍后，也會對土壤顆粒的水分蒸發(fā)產(chǎn)生抑制作用。

2.1.2 累積蒸發(fā)量與時間的模擬分析

對各處理累積蒸發(fā)量變化的時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，各處理累積蒸發(fā)量與時間的關(guān)系均符合二次多項式方程，且確定系數(shù)R2均在0.99以上。

2.2 保水劑和PAM對含水率的影響

土壤含水率作為分析土壤水分特性的一個重要指標(biāo)，其變化趨勢也反映了土壤持水能力的大小[5-6]。在本研究中，通過對人工土壤顆粒飽和吸水后的初始含水率及蒸發(fā)完成后的含水率的測定，比較含水率的變化趨勢，可以考察各因素條件下人工土壤顆粒的水分蒸發(fā)情況，并了解不同處理條件下人工土壤顆粒之間持水能力的差異。

2.1.2 飽和吸水后各處理初始含水率比較分析

人工土壤顆粒飽和吸水后的初始含水情況對蒸發(fā)量有著重大影響。對9種處理土壤顆粒飽和吸水后的初始含水率進(jìn)行測定，并分析其差異顯著性情況，結(jié)果見圖2。圖2表明：在M1條件下，初始含水率為P1M1

圖2 各處理飽和吸水后的初始含水率比較

而在相同PAM用量條件下，不同保水劑用量間初始含水率均為PxM1

2.2.2 蒸發(fā)完成后各處理含水率分析比較

人工土壤顆粒蒸發(fā)完成后的含水情況對蒸發(fā)過程的分析有著重要參考價值[4-6]。對9種處理土壤顆粒蒸發(fā)完成后的含水率進(jìn)行測定，并分析其差異顯著性情況，結(jié)果見圖3。圖3表明：在保水劑用量相同的條件下，含水率趨勢均表現(xiàn)為P1My

圖3 各處理蒸發(fā)后含水率比較

而在相同PAM用量的條件下，含水率均為PxM2

2.2.3 蒸發(fā)前后含水率比較

通過對蒸發(fā)前后含水率的變化值進(jìn)行計算并分析，比較其顯著性情況，結(jié)果見表2。由表2可知：各處理之間相比較，當(dāng)保水劑用量一定時，含水率變化值呈現(xiàn)為隨著PAM用量增加而減小的趨勢；而當(dāng)PAM用量一定時，含水率變化值則隨著保水劑用量的增加而增加。說明在PAM用量增加的情況下，土壤顆粒蒸發(fā)量會減少；而在保水劑用量增加時，會使土壤顆粒蒸發(fā)量增加。

表2 各處理蒸發(fā)前后含水率變化比較 百分點(diǎn)

2.3 保水劑和PAM對蒸發(fā)失水比的影響

蒸發(fā)失水比是指在某一段時間內(nèi)的蒸發(fā)量與土壤顆粒吸水總量的比值。由于各處理的初始飽和吸水量不同，因而單純比較各處理之間的累積蒸發(fā)量可能會因比較的基點(diǎn)不同而對結(jié)果產(chǎn)生影響，而通過對土壤顆粒蒸發(fā)失水比進(jìn)行比較，可以使其處于同一基點(diǎn)，有助于進(jìn)一步了解土壤顆粒的蒸發(fā)釋水規(guī)律[7-8]。

對9種處理土壤顆粒蒸發(fā)一定時間后的蒸發(fā)失水比進(jìn)行計算，并分析其顯著性情況，結(jié)果見圖4。圖4表明：在M1條件下，蒸發(fā)失水比為P1M1>P2M1>P3M1，P1M1與P3M1達(dá)到顯著差異；在M2條件下，蒸發(fā)失水比為P1M2>P2M2>P3M2，且3種處理間均達(dá)到顯著差異；在M3條件下，蒸發(fā)失水比為P1M3>P2M3>P3M3，P1M3分別與P2M3、P3M3差異顯著，但P2M3與P3M3之間差異不顯著。

圖4 各處理蒸發(fā)失水比比較

而在PAM用量相同的條件下，保水劑不同用量間蒸發(fā)失水比均為PxM2>PxM3>PxM1，且P1M2分別與P1M1、P1M3差異顯著，P2M2分別與P2M1、P2M3差異顯著，P1M1與P1M3之間的差異不顯著，P2M1與P2M3之間的差異不顯著，P3M1、P3M2、P3M3三者間差異均不顯著，這與累積蒸發(fā)量的分析結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 語

保水劑和PAM對土壤顆粒水分蒸發(fā)確實(shí)具有抑制作用，在本研究中，從各處理土壤顆粒累積蒸發(fā)量、蒸發(fā)失水比及含水率比較情況看，三者分析結(jié)果基本一致，表現(xiàn)為隨著PAM用量的增加，累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)失水比均有所降低，且差異性也愈加明顯。差異性分析表明，在0.05的顯著性水平下，PAM用量多少對土壤顆粒水分蒸發(fā)影響顯著，用量越大對蒸發(fā)的抑制作用越強(qiáng)。而保水劑對土壤顆粒水分蒸發(fā)的影響則表現(xiàn)為隨著其用量增大，累積蒸發(fā)量值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 在用量超過一定范圍后，對蒸發(fā)的抑制作用才得以體現(xiàn)。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S152.73；S156.2

A

1000-0941(2015)02-0044-04

劉洋(1989—)，女，四川宜賓市人，碩士研究生，主要從事生態(tài)工程、植被恢復(fù)方面的研究；通信作者龍鳳(1983—)，女，四川成都市人，講師，博士，主要從事生態(tài)工程、植被恢復(fù)方面的研究。

2014-04-15