大荔縣沙質(zhì)土壤入滲特征研究

王雨點(diǎn)+謝恒星

摘要：以陜西省渭南市大荔縣的沙質(zhì)土壤為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析沙質(zhì)土壤入滲的特點(diǎn)。結(jié)果表明，聚丙烯酰胺（PAM）試劑對(duì)空隙較大、入滲較快的沙質(zhì)土壤具有保水作用，可以延緩水分的下滲速率，保持土壤的濕潤(rùn)。通過(guò)對(duì)純水（CK）以及濃度分別為1、2 g/m3的PAM溶液在滲入土壤時(shí)濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化的觀察，發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)土壤保水能力在加入PAM后有了較大的改善。

關(guān)鍵詞：沙質(zhì)土壤；聚丙烯酰胺；入滲特征；大荔縣

中圖分類(lèi)號(hào)：S152.7+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）07-1242-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.011

Research on Infiltration Characteristics of Sandy Loam Soil in Dali County

WANG Yu-dian， XIE Heng-xing

（College of Agricultural Business， Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： Taking the sandy soil in Dali county， Weinan city， Shaanxi province as the research object，the infiltration characteristics of sandy soil were analyzed by indoor simulation test. The results showed that the polyacrylamide（PAM） reagent had a water-retaining effect on the sandy soil with larger porosity and faster infiltration，which could delay the moisture content of water and keep the soil moist. Through the observation of wetting front change trend with time when the solution of pure water and PAM with concentration of 1，2 g/m3 seeped into sandy loam soil， we found that the water-holding capacity of sandy loam soil was greatly improved after adding PAM.

Key words： sandy loam soil； polyacrylamide （PAM）； infiltration characteristics； Dali county

陜西省渭南市大荔縣位于關(guān)中平原東部，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，年降水量514 mm。大荔縣土壤屬于沙質(zhì)土壤，土壤顆粒間隙大，毛細(xì)管作用弱，土壤質(zhì)地疏松，通透性好，由此導(dǎo)致土壤保水性差，蓄水能力弱，不耐寒，土溫變化較快，但耕作起來(lái)比較容易；沙質(zhì)土壤中有機(jī)質(zhì)分解快，導(dǎo)致土壤保肥性差，各種養(yǎng)分都比較貧乏。沙質(zhì)土壤對(duì)大荔縣的作物種植有明顯的限制，只適合種植花生、蘿卜、西瓜等抗旱類(lèi)作物。要發(fā)展該地農(nóng)業(yè)，必須改善土壤的灌溉條件，提高土壤的保水能力。目前國(guó)內(nèi)外在滴灌理論和技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作[1-3]。大量研究表明，使用土壤調(diào)理劑聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）可以減少地表徑流和土壤侵蝕[4-9]。近年來(lái)，在溝灌和噴灌過(guò)程中，將溶解的PAM加入到灌溉水中被廣泛用來(lái)防止土壤侵蝕，增加灌溉水入滲率。在自然降雨的情況下，PAM必須在雨季來(lái)臨之前施入到土壤表面，發(fā)揮其水土保持功效。本研究以陜西省渭南市大荔縣的沙質(zhì)土壤為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析沙質(zhì)土壤入滲的特點(diǎn)，以期為沙質(zhì)土壤的治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)土壤為陜西省渭南市大荔縣棕壤土。自然風(fēng)干后，過(guò)1 mm孔徑的土篩后利用沉降法對(duì)土壤進(jìn)行顆粒分析，沙粒、粉沙粒和黏粒含量分別為33.10%、35.60%和11.07%，按照中國(guó)土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤為沙質(zhì)土壤。

PAM是丙烯酰胺均聚物和各種共聚物的統(tǒng)稱(chēng)，包括非離子型（NPAM）、陰離子型（APAM）、陽(yáng)離子型（CPAM）和兩性離子型，有液態(tài)、膠裝、粉狀等各種物理形態(tài)數(shù)十種，是應(yīng)用廣泛的水溶性高分子化學(xué)產(chǎn)品。按分子質(zhì)量大小分為低、中、高和極高分子質(zhì)量4級(jí)。本試驗(yàn)采用的聚丙烯酰胺為高分子質(zhì)量，陰離子型，白色粉末非結(jié)晶固體，其物理性質(zhì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

1.2 方法

試驗(yàn)系統(tǒng)由三棱柱土箱和供水系統(tǒng)兩部分組成（圖1）。三棱柱土箱采用夾邊為100 cm、高50 cm、夾角為15°的三棱柱有機(jī)透明玻璃箱。供水部分用高40 cm、外徑15 cm的馬氏瓶供水并控制水壓保持溶液流速恒定。

本研究的PAM施用方式為溶液，分別設(shè)置0（CK，純水對(duì)照）、1（T1）、2（T2）g/m3 3種濃度。利用電子天平稱(chēng)量試驗(yàn)所需PAM的量，將稱(chēng)量好的試劑加入純凈水中，用玻璃棒攪拌均勻，使其充分溶解。利用馬氏瓶來(lái)控制溶液流速。將試驗(yàn)土自然風(fēng)干后（θi=3.1%）過(guò)1 mm孔徑土篩后，按照預(yù)定容重分層（5 cm）均勻裝入三棱柱有機(jī)玻璃箱。按照容重分層裝土有利于保證土箱內(nèi)各部分土壤均勻分布，減小因土壤分布不均而引起的溶液下滲誤差，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)在渭南師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院水文分析實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)進(jìn)行3組，其中兩組為對(duì)照組。試驗(yàn)開(kāi)始后，本著先密后疏的原則觀測(cè)濕潤(rùn)鋒在水平和垂直方向上的分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通滴灌條件下濕潤(rùn)鋒的變化分析

土壤滲透速率指單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積土壤的入滲水量。風(fēng)干土壤積水入滲過(guò)程中，在起始階段由于地表處的土壤基質(zhì)勢(shì)梯度很大，此時(shí)入滲率也非常大，即初滲期。水分一方面主要在分子力的作用下被土?？焖傥匠杀∧に硪环矫婵焖偬顫M(mǎn)表層土壤并形成水勢(shì)梯度，入滲鋒面快速延伸。隨著水分進(jìn)一步下滲，入滲水分在毛管力和重力的作用下，在土壤孔隙中向下不穩(wěn)定流動(dòng)，并逐步填充表層以下土壤孔隙，直至全部孔隙為水分所飽和，入滲率由遞減較快趨于穩(wěn)定，土壤進(jìn)入穩(wěn)滲期，成為由土粒和水分組成的二相系統(tǒng)[11]。

在沒(méi)有PAM流量條件下，普通滴灌水平濕潤(rùn)鋒與垂直濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可知，在整個(gè)入滲過(guò)程中，水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒始終保持著隨時(shí)間的增加而增大，且水平濕潤(rùn)鋒始終大于垂直濕潤(rùn)鋒。在入滲的初始階段（0～10 min），垂直與水平濕潤(rùn)鋒的比值隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，當(dāng)入滲到一定時(shí)間（10～20 min）時(shí)，水平與垂直濕潤(rùn)鋒的比值略有降低，30 min后兩者比值基本穩(wěn)定在1.35左右，說(shuō)明此時(shí)水平濕潤(rùn)鋒和垂直濕潤(rùn)鋒的擴(kuò)展速率基本同步。

2.2 不同PAM濃度滴灌條件下濕潤(rùn)鋒的對(duì)比分析

在PAM為0（CK）、1（T1）、2（T2） g/m3的滴頭流量條件下水平和垂直濕潤(rùn)鋒的對(duì)照結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3可知，在整個(gè)入滲過(guò)程中，相同時(shí)間下水平濕潤(rùn)鋒表現(xiàn)為T(mén)2

由圖4可知，在初始階段（0～20 min），純水對(duì)照的垂直濕潤(rùn)鋒與T2的比值迅速減小，從2.10降到1.16，與T1的比值也是迅速減小，不過(guò)下降速度略小于前者，從1.31降到1.19。20 min以后，純水對(duì)照與兩種濃度PMA條件下的灌溉水的垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的比值都趨于穩(wěn)定，且比值接近。綜合比較來(lái)看，純水對(duì)照的水平濕潤(rùn)鋒以及垂直濕潤(rùn)鋒與T1的比值始終小于與T2的比值。

3 結(jié)論

利用PAM試劑來(lái)改變沙質(zhì)土壤的結(jié)構(gòu)，使土粒的吸附能力加強(qiáng)以達(dá)到保水的效果。國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤入滲和水分運(yùn)移，PAM試劑研究較多，但大多屬于專(zhuān)項(xiàng)研究，綜合性研究較少。本試驗(yàn)在室內(nèi)模擬了點(diǎn)源灌溉，初步探討了沙質(zhì)土在點(diǎn)源滴灌條件下水分的水平垂直運(yùn)移規(guī)律以及不同PAM濃度條件下濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化，得到如下結(jié)論。

1）PAM在普通的滴灌條件下，水分運(yùn)移變化明顯。在入滲的初始階段，水平濕潤(rùn)鋒的水分運(yùn)移速率大于垂直濕潤(rùn)鋒水分運(yùn)移速率，兩者的比值隨著時(shí)間的增加而增大，當(dāng)入滲進(jìn)行到一定的時(shí)間，兩者的比值基本保持不變。

2）相同流速下，加入PAM的灌溉水和普通灌溉水的水平和垂直濕潤(rùn)鋒均隨時(shí)間的增加而增加，且加入PAM的灌溉水的水平、垂直濕潤(rùn)鋒均小于普通灌溉水條件下的水平、垂直濕潤(rùn)鋒。普通灌溉水和加入PAM的灌溉水在水平方向的濕潤(rùn)鋒比值先上升后基本保持穩(wěn)定，而在垂直方向上的濕潤(rùn)鋒比值則先降低后穩(wěn)定在某一值附近，說(shuō)明PAM可以改變水分的運(yùn)移速率。

3）不同濃度的PAM滴灌條件下，對(duì)于土壤的入滲效果影響明顯不同。PAM濃度為1 g/m3和PAM濃度為2 g/m3的滴灌條件下，水平和垂直濕潤(rùn)鋒均隨時(shí)間的增加而增加，但PAM濃度大的灌溉溶液較PAM濃度低的灌溉溶液在水平和垂直方向上運(yùn)移速率要慢。說(shuō)明PAM濃度越大，土粒吸附水分的能力越強(qiáng)。

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