PAM協(xié)同牧草對(duì)濱海鹽漬土區(qū)水土保持作用研究

王 俊，聶 杰，劉德斌，馬 莉，邵 莉，樊尊榮

(1.江蘇省水利科教中心，210029，南京；2.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所，224200，東臺(tái)）

PAM協(xié)同牧草對(duì)濱海鹽漬土區(qū)水土保持作用研究

王 俊1，聶 杰1，劉德斌2，馬 莉2，邵 莉1，樊尊榮1

(1.江蘇省水利科教中心，210029，南京；2.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所，224200，東臺(tái)）

探索適合濱海鹽漬土區(qū)的水土保持技術(shù)，江蘇省水利科教中心在東川農(nóng)場(chǎng)采取小區(qū)對(duì)比試驗(yàn)方法，研究聚丙烯酰胺（PAM）協(xié)同3種牧草對(duì)濱海鹽漬土區(qū)實(shí)施水土保持。研究表明：PAM的施用對(duì)3種牧草均有促進(jìn)土壤提高抗侵蝕能力的作用，可減少土壤侵蝕量，提升雨水截留量；1g/m2的PAM施用后，其水土保持效率最高，可減少年侵蝕量42.8%～46.7%。PAM的施用可抑制土壤騰發(fā)總量28.7%～40.4%，增大土壤水分散失量5.0%～12.4%，有利于防治濱海鹽漬土區(qū)水土流失，改善生態(tài)環(huán)境。

濱海鹽漬土；牧草；聚丙烯酰胺（PAM）；水土保持

一、研究背景

江蘇省地處我國(guó)東部沿海地區(qū)，擁有廣袤的海洋灘涂，這部分土地作為后備資源，在近年的圍墾開發(fā)下，陸續(xù)形成了具有典型濱海鹽漬土特征的墾區(qū)農(nóng)田。由于成陸時(shí)曾受海水長(zhǎng)期浸泡，部分田塊土壤存在著不同程度的鹽漬化、次生鹽漬化現(xiàn)象，其土壤中的 CL-1與 SO42-的濃度比值CSR普遍介于4.26～8.69之間，屬氯化物鹽土，具有沙性重、有機(jī)質(zhì)含量低、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)松散、遇雨水易流失等特性。為探索適合江蘇濱海鹽漬土區(qū)的水土保持技術(shù)，防治水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，2014年江蘇省重點(diǎn)水利科技項(xiàng)目，開展了聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，以下簡(jiǎn)稱PAM)協(xié)同牧草對(duì)濱海鹽漬土區(qū)水土保持的研究。

二、材料與方法

聚丙烯酰胺作為一種高分子土壤改良劑，因其造價(jià)低廉、施用方便、效果顯著等特點(diǎn)，近年被廣泛應(yīng)用于水土流失治理。聚丙烯酰胺能否適用于含鹽量高的濱海鹽漬土壤，江蘇省水利科教中心選擇了東臺(tái)市東川農(nóng)場(chǎng)為試驗(yàn)場(chǎng)地。

1.試驗(yàn)材料

（1）試區(qū)土壤

該場(chǎng)地處江蘇濱海鹽漬土區(qū)中心地帶，濱海鹽漬土在當(dāng)?shù)胤植紡V泛。試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性狀見表1。

（2）土壤改良劑

聚丙烯酰胺選用上海韋卓化工有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，分子量800萬～1 200萬，水解度30%，包裝規(guī)格為25 kg/袋的白色顆粒狀固體。

（3）牧草品種

濱海鹽漬土壤含鹽量高，試驗(yàn)選用的牧草品種應(yīng)具備一定耐鹽堿能力，且在當(dāng)?shù)赜幸欢ǖ姆N植歷史和規(guī)模。供試品種選用了狗牙根，禾本科狗牙根屬，多年生草本植物，引種自江蘇南京；高羊茅，禾本科羊茅屬，多年生草本植物，引種自浙江寧波；黑麥草，禾本科黑麥草屬，多年生草本植物，引種自江蘇淮安。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤（0～25 cm）理化性狀

2.試驗(yàn)方法

（1）試區(qū)布置

試驗(yàn)區(qū)布設(shè)于東川農(nóng)場(chǎng)內(nèi)蹲門路東側(cè)一排溝以西的青坎上，其南北長(zhǎng)400 m，東西寬10 m，坡比1∶3。區(qū)內(nèi)自北向南沿平行于一排溝方向單行布設(shè)36個(gè)試驗(yàn)分區(qū)，每分區(qū)面積均為100 m2（10 m×10 m）。為避免相鄰分區(qū)間試驗(yàn)結(jié)果干擾，分區(qū)間均設(shè)置隔離行，行寬1 m，且分區(qū)左右兩側(cè)埋設(shè)高度為0.5 m的混凝土隔板以隔離，埋設(shè)后的隔板上沿高出地表0.2 m。

（2）參數(shù)控制

參試的3個(gè)品種（狗牙根、高羊茅、黑麥草）于當(dāng)年3月25日播種，土壤改良劑（PAM）控制4個(gè)劑量水平依次為：高劑量（5 g/m2）、中劑量（3 g/m2）、低劑量（1 g/m2）和對(duì)照 CK（0 g/m2），每劑量水平重復(fù)2次；各試驗(yàn)分區(qū)采用隨機(jī)方式排布。

（3）主要指標(biāo)及方法

①土壤侵蝕量：釘子法。在待測(cè)分區(qū)內(nèi)（100 m2）均勻打入10 cm長(zhǎng)鐵釘50根，釘帽與地面平行，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)量露出地表鐵釘?shù)母叨龋M(jìn)而推算出分區(qū)土壤的侵蝕量。試驗(yàn)區(qū)地處江蘇沿海，屬典型的海洋性大陸氣候，降雨主要集中在4～9月，故本次試驗(yàn)只測(cè)量了4～9月試區(qū)土壤侵蝕量。

②土壤騰發(fā)量：取試驗(yàn)分區(qū)深1.5 m、直徑0.4 m的原狀土柱裝于有底PVC測(cè)桶內(nèi)（表土層栽植牧草），測(cè)桶底部與馬氏瓶間經(jīng)塑料軟管相連，如圖1所示，利用馬氏瓶的升降調(diào)節(jié)測(cè)桶內(nèi)原狀土柱水位,使之與觀測(cè)井中地下水水位一致，依據(jù)馬氏瓶?jī)?nèi)水量增減計(jì)算出分區(qū)單位面積土壤騰發(fā)量。

③雨水截留量：由牧草攔截與土壤下滲兩部分組成，利用試驗(yàn)分區(qū)內(nèi)布設(shè)的雨量筒與投影面積計(jì)算出自然降雨量QT，在分區(qū)坡面底部設(shè)置獨(dú)立集水溝，用于測(cè)量降雨后的地表徑流量QS，則雨水截留量Q=QT-QS。

④水分散失量：環(huán)刀法。取試驗(yàn)分區(qū)內(nèi)0～25 cm原狀土樣，浸泡于注有蒸餾水的容器內(nèi)至飽和，取出并擦去外部水漬稱重后，置于室內(nèi)常溫環(huán)境下存放一個(gè)月至自然風(fēng)干；取樣后每日用精度0.01 g電子天平稱重，則試驗(yàn)中相鄰兩日間環(huán)刀重量差值為單日水分散失量。

圖1 試驗(yàn)分區(qū)土壤騰發(fā)量測(cè)定裝置和雨水截留量測(cè)定示意圖

（4）監(jiān)測(cè)時(shí)間及頻次

土壤侵蝕量是在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定一次；土壤騰發(fā)強(qiáng)度是在試驗(yàn)初期（3月25日—5月31日）、中期（6月1日—7月31日）和末期（8月1日—9月30日）三個(gè)階段中連續(xù)7天無降雨情況下進(jìn)行測(cè)定，以7天內(nèi)日平均騰發(fā)量作為階段騰發(fā)強(qiáng)度；將試驗(yàn)期間（3月25日—9月30日)逐日騰發(fā)量匯總得騰發(fā)總量；雨水截留量在降雨后有地表徑流產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行測(cè)定，具體測(cè)定日期以實(shí)際降雨時(shí)間為準(zhǔn)；水分散失量是取樣后30天內(nèi)，每日上午9時(shí)稱重一次，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)加測(cè)105℃烘干至恒重的環(huán)刀 （含土樣）重量，計(jì)算出飽和含水量。

三、結(jié)果與分析

1.土壤抗侵蝕能力分析

一段時(shí)間內(nèi)土壤受降雨和風(fēng)力作用產(chǎn)生的流失量，通常以侵蝕模數(shù)表示。試驗(yàn)結(jié)束，量測(cè)各試區(qū)土壤侵蝕厚度，計(jì)算出相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)，見圖2。由圖2可知，土壤侵蝕模數(shù)與牧草品種的選擇有一定關(guān)系。3種牧草的侵蝕模數(shù)自大到小順序依次為黑麥草＞高羊茅＞狗牙根。原因分析：黑麥草品種在生長(zhǎng)后期，出現(xiàn)部分成熟枯萎現(xiàn)象影響了牧草的水土保持效果；狗牙根是一種矮生牧草且緊貼地面，對(duì)土壤有極強(qiáng)的鎖定抓牢作用，降雨時(shí)不易形成雨水滴濺導(dǎo)致土壤流失的發(fā)生，故狗牙根的侵蝕模數(shù)明顯小于高羊茅，兩者間相差1.74～3.02倍。

從圖2還可看出，同一牧草品種施用PAM后，土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)為低劑量＞中劑量＞高劑量，其值依次為524.1～1128.4 t/km2、113.8～454.1 t/km2和87.4～282.7 t/km2；土壤抗侵蝕能力表現(xiàn)為低劑量＜中劑量＜高劑量，與對(duì)照CK相比，可減少土壤侵蝕量895.8～1 689.9 t/km2，其減少量分別占對(duì)照 CK的 42.8%～46.7%、77.0%～88.4%和85.7%～91.1%。由此可知，同一牧草品種下，土壤抗侵蝕能力隨PAM施用劑量的增加而上升，保土效果相應(yīng)增強(qiáng)；但從單位質(zhì)量PAM所發(fā)揮的保土效益分析，施用中、高劑量后其值分別占低劑量值的60.0%～63.1%和 39.0%～40.8%，單位質(zhì)量PAM所發(fā)揮的保土效益呈逐步下降趨勢(shì)。

圖2 品種間不同劑量PAM施用下土壤侵蝕情況

2.土壤騰發(fā)量分析

通過研究土壤的騰發(fā)量變化規(guī)律，揭示自然狀態(tài)下分區(qū)土壤中水分消耗情況。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將各分區(qū)土壤騰發(fā)總量匯總，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，同一牧草品種土壤騰發(fā)總量一致表現(xiàn)為：對(duì)照CK＞低劑量＞中劑量＞高劑量，即施用PAM對(duì)土壤的騰發(fā)量有一定抑制作用，與對(duì)照CK相比，可減少土壤騰發(fā)量28.7%～40.4%，且抑制作用隨PAM施用劑量的增加而上升。此外，株型高大的牧草品種（高羊茅、黑麥草）騰發(fā)總量整體大于株型矮小品種（狗牙根），這是因?yàn)轵v發(fā)量由棵間蒸發(fā)與葉面蒸騰兩部分組成，盡管高大株型品種生長(zhǎng)中后期對(duì)地表的覆蓋能力得到增強(qiáng)，一定程度上可降低土壤的棵間蒸發(fā)量，但由于此階段經(jīng)葉面蒸騰所消耗的水量增加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)地面遮蓋所減少的棵間蒸發(fā)量，進(jìn)而導(dǎo)致土壤騰發(fā)量不斷增大且葉面蒸騰量所占比例進(jìn)一步上升，最終使得牧草株型對(duì)土壤騰發(fā)總量起決定作用。

圖3 品種間不同劑量PAM施用下土壤騰發(fā)總量變化

為研究試驗(yàn)分區(qū)間土壤水分消耗狀況與牧草生長(zhǎng)期間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將各階段土壤騰發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，不同劑量PAM的施用，土壤騰發(fā)強(qiáng)度在各品種間一致表現(xiàn)為：中期＞末期＞前期，且騰發(fā)強(qiáng)度間的差別隨著PAM施用劑量的增加而逐步減小，由0.18～0.64 mm/d減少為0.12～0.56 mm/d和0.09～0.53 mm/d；各階段土壤騰發(fā)強(qiáng)度差別顯著，四劑量水平PAM施用下其土壤騰發(fā)強(qiáng)度差別在1.61～6.57倍之間。

3.雨水截留量分析

將各分區(qū)自然降雨時(shí)的雨水截留量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，雨水截留量與牧草品種及PAM施用劑量間存在一定關(guān)系。同場(chǎng)次降雨下，不同品種牧草對(duì)雨水的截留能力表現(xiàn)為：高羊茅＞黑麥草＞狗牙根，且高羊茅與黑麥草較接近；同一品種各劑量PAM的施用，對(duì)雨水的截留能力表現(xiàn)為高劑量＞中劑量＞低劑量，且在牧草生長(zhǎng)前期表現(xiàn)得尤為顯著。這是因?yàn)橛晁亓袅坑傻乇砟敛輸r截量和試區(qū)土壤下滲量?jī)刹糠纸M成，相同水平PAM施用下，牧草對(duì)雨水的攔截能力與株型關(guān)系較密切，高羊茅與黑麥草的株型高大且葉片茂盛，其對(duì)雨水的攔截能力顯著大于株型矮小的狗牙根品種；各劑量PAM的施用會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在0～5 g/m2劑量范圍內(nèi),土壤下滲能力表現(xiàn)出隨PAM施用量的增加而增大趨勢(shì)。生長(zhǎng)前期的牧草發(fā)育尚未完全，對(duì)雨水的截留能力較弱且品種間差異較小，此階段影響雨水截留量的關(guān)鍵因素是土壤下滲能力，故受PAM施用量的影響較顯著，3種劑量水平PAM施用后可提升雨水截留量16.5%～33.8%；至生長(zhǎng)中后期，隨株型長(zhǎng)大，其對(duì)雨水?dāng)r截能力進(jìn)一步增強(qiáng)，牧草株型逐步轉(zhuǎn)化為影響雨水截留量的主導(dǎo)因素。

4.土壤持水能力分析

通過研究土壤水分散失情況分析土壤持水能力。以狗牙根品種為例，試驗(yàn)結(jié)束后，取分區(qū)原狀土樣進(jìn)行水分散失試驗(yàn)，通過試驗(yàn)可以看出，土壤水分逐日散失量與PAM施用劑量間存在一定相關(guān)性，整體表現(xiàn)為高劑量＞中劑量＞低劑量，與對(duì)照CK相比，測(cè)試初期土壤水分散失量偏大5.0%～12.4%，隨測(cè)定天數(shù)的延長(zhǎng)，差距逐漸減少。具體表現(xiàn)為取樣后1～5天內(nèi)，散失量為4.69～3.19 g/d，散失最為顯著；至6～15天之間，散失量逐步減小為2.94～1.28 g/d；16天以后，散失量進(jìn)一步減小為1.23～0.24g/d。

通過分析還可看出，累計(jì)散失率隨測(cè)定天數(shù)的延長(zhǎng)而逐漸增大，至試驗(yàn)?zāi)┢诓町愖畲笄易兓呌谄骄?，表現(xiàn)為低劑量＞中劑量＞高劑量，與空白CK相差1.83%～3.25%。分析原因是逐日散失量與土壤孔隙率、飽和含水量及散失時(shí)長(zhǎng)三者間密切相關(guān)，PAM施用后會(huì)加大土壤中團(tuán)聚體數(shù)量的形成，促使孔隙率上升，進(jìn)而使得飽和含水量增加，0～5g/m2PAM施用后的土壤飽和含水量依次為 45.73 g、50.81 g、54.08g和56.33 g；雖然逐日散失量呈現(xiàn)出隨PAM施用劑量的升高而增大的特點(diǎn)，但由于PAM施用后對(duì)飽和含水量的增大效果顯著，使得不同劑量土壤累計(jì)散失率呈現(xiàn)出隨PAM施用量的增加而降低趨勢(shì)。由此可知，PAM的施用會(huì)對(duì)土壤的持水能力產(chǎn)生影響，在0～5g/m2劑量范圍內(nèi)，逐日水分散失率呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，土壤持水能力表現(xiàn)為隨PAM施用劑量的上升而增大。

四、討論

①通過試驗(yàn)可知，施用PAM可促進(jìn)牧草的固土保水效果。分析原因是PAM作為一種高分子土壤改良劑，施用于濱海鹽漬土壤能顯著增加土壤中團(tuán)聚體含量，在1～5 g/m2劑量范圍內(nèi)，利于形成牧草生長(zhǎng)所需的良好土壤環(huán)境，促進(jìn)根系發(fā)育，進(jìn)而增加其固土保水能力。由于PAM利于土壤大顆粒的出現(xiàn)，易形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，從而增加了土壤對(duì)雨水的蓄積涵養(yǎng)能力。

②牧草措施下，受植株遮蓋作用的影響，土壤表層形成一定相對(duì)穩(wěn)定的氣候小環(huán)境，不利于土壤表面水分的散失，進(jìn)而對(duì)騰發(fā)量起到抑制作用；而在水分散失量試驗(yàn)時(shí)，由于無植物覆蓋，土壤表面直接暴露于外界干燥的室內(nèi)環(huán)境中，加之土壤結(jié)構(gòu)疏松多孔，加劇了水分散失，其散失的劇烈與否與土壤疏松多孔程度密切相關(guān)，使得施用高劑量的土壤水分散失量反而增大。

③從試驗(yàn)還可以看出，1～5 g/m2劑量范圍內(nèi)，PAM投加量變大時(shí)，土壤持水能力增強(qiáng)。另一方面，PAM溶于土壤后，形成一定數(shù)量的膠體物質(zhì)，通過水合作用結(jié)合一定量的土壤水，遇干旱時(shí)，這部分土壤水因滲透壓力的作用而緩慢釋放，可供作物吸收利用。

④PAM的協(xié)同作用主要集中在前期。牧草生長(zhǎng)的前期，水土保持能力較弱，前期主要是利用PAM的保水固土優(yōu)勢(shì)；至生長(zhǎng)中后期，隨著植株的長(zhǎng)大和PAM的消耗，牧草株型逐步轉(zhuǎn)化為影響水土保持效果的主導(dǎo)因素。

⑤當(dāng)PAM投加量為1 g/m2時(shí)，其固土保水效益最高。隨著PAM投加量的增加，過量溶解于土壤中的PAM，以水合狀態(tài)的形式出現(xiàn)，形成黏稠膠體，可能會(huì)堵塞土壤毛細(xì)管，抑制土壤水分散失；加之土壤中未參與PAM聚合的黏粒、團(tuán)聚體和小顆粒數(shù)量的減少，使得單位質(zhì)量PAM的水土保持效果隨PAM投加量的增大不斷下降。

五、結(jié)論

①生物措施下施用PAM，對(duì)江蘇濱海鹽漬土區(qū)土壤抗侵蝕能力的提升，具有良好的促進(jìn)作用。與對(duì)照CK相比，可減少土壤侵蝕895.8～1 689.9 t/km2，占侵蝕總量的85.7%～91.1%；就單位質(zhì)量PAM的水土保持效益而言，可優(yōu)先考慮低劑量（1 g/m2）的施用模式。

②PAM的施用會(huì)對(duì)土壤騰發(fā)量、雨水截留量和水分散失情況造成影響。施用PAM后，可抑制土壤騰發(fā)總量28.7%～40.4%；增大土壤逐日水分散失量5.0%～12.4%，降低水分散失率1.83%～3.25%，促進(jìn)土壤持水能力上升；在牧草生長(zhǎng)初期，提升雨水截留量16.5%～33.8%。

③從水源涵養(yǎng)角度考慮，PAM的協(xié)同作用主要集中在牧草生長(zhǎng)前期。前期利用PAM的改土保水優(yōu)勢(shì)，抑制土壤騰發(fā)的產(chǎn)生和加強(qiáng)雨水截留能力，適量的PAM可與植物間形成有利互補(bǔ)；后期隨著植物優(yōu)勢(shì)的增加，株型逐步轉(zhuǎn)化為影響水土保持效果的主導(dǎo)因素。

[1]趙明華，楊延春，鄒志國(guó)，等.江蘇沿海地區(qū)生物措施提高水土保持效益研究[J].水土保持研究,2004,11(3).

[2]劉紀(jì)根，雷廷武，蔡強(qiáng)國(guó).施加聚丙烯酰胺后坡長(zhǎng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過程的影響[J].水利學(xué)報(bào),2004(1).

[3]陳渠昌,雷廷武,李瑞平.PAM對(duì)坡地降雨徑流入滲和水力侵蝕的影響研究[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(11).

責(zé)任編輯 韋鳳年

Studies on function of PAM cooperated with pasture grass on salinized soil in coast area

Wang Jun,Nie Jie,Liu Debin,Ma Li,Shao Li,Fan Zunrong

Studies are made on the approach of soil conservation by using Polyacrylamide(PAM)cooperated with three types of pasture grasses to recover salinized soil in coast area.The study shows that PAM can enhance the ability of erosion control,reduce soil loss and increase amount of intercepted rainwater after it applied to these three types of grass.When 1g/m2of PAM is applied,the efficiency of soil conservation turns to be the highest and can reduce the amount of annual erosion by 42.8%～46.7%.The adoption of PAM can restrict the evapotranspiration of soil by 28.7%～ 40.4%,increase loss of soil moisture by 5.0%～12.4%,which is beneficial for control of soil and water loss in salinized land and eco-environment restoration in coast areas.

salinized soil in coast area;pasture grass;polyacrylamide(PAM);soil and water conservation

S157.2

B

1000-1123（2016）02-0051-04

2015-12-05

王俊，副研究員，博士。

江蘇省重點(diǎn)水利科技項(xiàng)目（2014017）。