噴施中性多聚糖對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響*

李元元王占禮，2?劉俊娥焦 念張加瓊

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100 ）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710019）

（4 黃河西峰水土保持治理監(jiān)督局，甘肅西峰 745000）

噴施中性多聚糖對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響*

李元元1王占禮1，2?劉俊娥3焦 念4張加瓊1

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100 ）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710019）

（4 黃河西峰水土保持治理監(jiān)督局，甘肅西峰 745000）

中性多聚糖（Jag S）是一種新型高聚物，研究該高聚物對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響可對(duì)采用土壤侵蝕化學(xué)調(diào)控技術(shù)措施防治黃土坡面土壤侵蝕提供新的理論基礎(chǔ)。通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究不同雨強(qiáng)（1.0、1.5、2.0 mm min-1），不同坡度（10°、15°、20°）條件下，坡面降雨入滲及產(chǎn)流時(shí)間與噴施不同劑量（1、3、5 g m-2）Jag S之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在不同坡度不同雨強(qiáng)下，與裸露坡面相比，噴施3種劑量的高分子化學(xué)材料Jag S均減少了前期降雨入滲率，但1及3 g m-2劑量Jag S處理能夠明顯提高黃土坡面入滲性能，減緩入滲在整個(gè)降雨過(guò)程的下降趨勢(shì)，提高穩(wěn)滲率，強(qiáng)化入滲效應(yīng)均值分別為21.53%及9.17%，大劑量（5 g m-2）Jag S反而降低了土壤入滲性能（小雨強(qiáng)下除外）。噴施不同劑量Jag S的坡面其產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間差異很小，但均早于裸露坡面，且表現(xiàn)為Jag S噴施劑量越大，坡面越早產(chǎn)流，大坡度大劑量對(duì)降雨產(chǎn)流時(shí)間影響較大。三個(gè)劑量對(duì)應(yīng)產(chǎn)流時(shí)間提前百分比均值分別為47.26%、50.47%及66.28%。總之，Jag S在一定程度上能改善黃土坡面土壤結(jié)構(gòu)，提高黃土坡面降雨入滲性能，從而降低土壤侵蝕，為采用高聚物進(jìn)行水土保持提供了科學(xué)依據(jù)。

多聚糖（Jag S）；黃土坡面；降雨入滲；水土保持

雨滴對(duì)地表的打擊會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，使團(tuán)聚體破裂，引起地表封閉，形成結(jié)皮［1］，降低入滲，增加地表徑流和土壤侵蝕量。降雨入滲是影響黃土高原水土流失的主要因素之一，是模擬土壤侵蝕過(guò)程的基本輸入變量，也是本研究實(shí)施水土保持規(guī)劃需要認(rèn)真考慮的重要因素［2］。在黃土高原地區(qū)，許多學(xué)者將增加入滲，就地?cái)r蓄降雨徑流作為防止水土流失的基本戰(zhàn)略措施。增加降雨入滲，控制降雨引起的土壤流失的傳統(tǒng)好方法是建立植被，但由于植被生長(zhǎng)期的緣故，對(duì)降雨入滲和土壤侵蝕的控制在時(shí)間上是不完整的。此外，防止土壤封閉及其所帶來(lái)的不利影響的另一傳統(tǒng)措施是在土壤表面進(jìn)行覆蓋來(lái)降低雨滴對(duì)土壤的打擊作用，阻止地表封閉。常見(jiàn)覆蓋物有秸稈，稻草和草皮等，但由于其易燃，體積大，阻礙光線，成本高等原因在某些情況下不宜使用［3］。從而不能大面積推廣。高分子聚合物作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑，其成本低，能改善土壤結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提高團(tuán)聚體的數(shù)量，防止土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，增加降雨入滲。因此，就如何通過(guò)添加改良劑改善土壤結(jié)構(gòu)、增加降雨入滲、減少地表徑流、防止土壤侵蝕，是我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［4-5］。

土壤改良劑的研究始于19世紀(jì)末，其中沸石、粉煤灰、污泥、綠肥、聚丙烯酰胺等單一改良劑研究較為廣泛［6-7］。近年來(lái)，高聚物土壤改良劑因其較好的效果及低廉的價(jià)格引起了人們的關(guān)注，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)其可以加強(qiáng)地表土壤顆粒之間的凝聚力，維護(hù)良好的土壤結(jié)構(gòu)，防止地表結(jié)皮產(chǎn)生，減少地表徑流，增加土壤入滲率，從而可以防止或減少土壤侵蝕［8］。多糖類物質(zhì)屬于天然高聚物，其中甲殼素類化合物是目前廣泛應(yīng)用于土壤改良的多糖類高聚物。大量研究表明其能有效地改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，在土壤表面形成保護(hù)膜，具有保墑作用［9-10］。Sarathchandra等［11］研究表明，甲殼素不僅能增加土壤中礦化氮含量，而且能增加土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量。Hallmann等［12］研究發(fā)現(xiàn)甲殼素可誘導(dǎo)土壤、根際和根內(nèi)微生物產(chǎn)生有利的變化，對(duì)棉花、白苜蓿和黑麥草的寄生線蟲(chóng)有抑制作用從而提高作物產(chǎn)量。此外，多糖類物質(zhì)用于改良干旱和半干旱土壤時(shí)，土壤的滲透率和水土流失量之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系［13］；殼聚糖與土壤混合后制成的液體土壤改良劑能有效地改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)［9］；黃澤波和劉永定［14］對(duì)藍(lán)細(xì)菌體內(nèi)貯藏的多糖物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該物質(zhì)除了能保持土壤濕潤(rùn)外，其良好的黏性可以將土壤顆粒聚積在一起，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可以防止土壤侵蝕的發(fā)生；Liu等［15］通過(guò)人工降雨模擬實(shí)驗(yàn)研究天然高聚物（NDP）對(duì)黃土坡面片蝕的影響，結(jié)果表明，NDP能顯著改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高坡面剪切力，降低坡面侵蝕量。

本文通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)羅地亞公司新開(kāi)發(fā)的高分子多聚糖Jag S對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響進(jìn)行研究，目的是了解新型高聚物Jag S對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)，從而為采用高聚物改良黃土坡面土壤、增加黃土坡面降雨入滲和防治黃土坡面水土流失提供一個(gè)新的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中國(guó)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)土壤為取自黃土高原腹地的陜西省安塞縣的黃綿土，試驗(yàn)土壤顆粒組成見(jiàn)表1。試驗(yàn)土壤前期含水量為14%，填土容重為1.2 g cm-3。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒組成Table 1 Mechanical composition of the experimental soil

試驗(yàn)設(shè)備為變坡鋼質(zhì)小區(qū)，長(zhǎng)120 cm、寬40 cm、深25 cm。所有試驗(yàn)土壤自然風(fēng)干除去雜草和石塊，并過(guò)5 mm篩。裸露小區(qū)裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細(xì)沙，并用透水紗布覆蓋，保持土層的透水狀況接近天然坡面。試驗(yàn)小區(qū)采用分層裝土以保證裝土的均勻性。填土?xí)r，采用邊填充邊壓實(shí)，以減少邊壁對(duì)入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)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。試驗(yàn)所用化學(xué)材料中性多聚糖（Jag S）是一種從大豆胚胎中提取出來(lái)，不帶電，呈白色粉末狀，分子量為30萬(wàn)～100萬(wàn)的天然高分子多肽衍生物，羅地亞公司新開(kāi)發(fā)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)表明其對(duì)試驗(yàn)水生物種沒(méi)有不利影響和刺激，在土壤中能夠促進(jìn)部分有益菌落的形成，是綠色化學(xué)品，不溶于酒精和油，極易分散在水中形成具有一定黏性的膠體，經(jīng)過(guò)充分溶解后黏度達(dá)到最大，遇水后再失水后形成半透明的固體。英文名為neutral polysaccharide，分子式為（C6H10O5）n，由多個(gè)單糖分子縮合、失水而成，是一類分子結(jié)構(gòu)龐大的糖類物質(zhì)。材料成本為人民幣10 yuan kg-1，若使用劑量為1 g m-2，則每公頃成本約為100 yuan。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

Jag S的施放方式為噴施，將設(shè)計(jì)劑量重的混合物溶于2 L的水中，用塑料管充分?jǐn)嚢瑁蛊湫纬煞€(wěn)定膠體，然后用塑料噴壺均勻噴灑于土壤表面，放置約15 h，使聚合物材料和土壤充分作用，然后進(jìn)行降雨試驗(yàn)，作為對(duì)照的裸土試驗(yàn)，小區(qū)裝填土壤完成后也在小區(qū)土表由上至下用塑料噴壺均勻噴灑2 L水，放置15 h左右，然后進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)次為：雨強(qiáng)1.5 mm min-1，試驗(yàn)坡度10°、15°、20°，土壤表面處理為裸土和噴施Jag S劑量為1、3、5 g m-2的組合試驗(yàn)；坡度15°，雨強(qiáng)1.0、1.5、2.0 mm min-1，土壤表面處理為裸土和噴施Jag S劑量為1、3、5 g m-2的組合試驗(yàn)。每場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始后均認(rèn)真觀測(cè)小區(qū)產(chǎn)流情況，出現(xiàn)產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時(shí)間的同時(shí)在小區(qū)的出口接樣，產(chǎn)流后的前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(guò)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：降雨入滲率（mm min-1）=（降雨量mm—徑流量mm）/降雨時(shí)間（min），計(jì)算出坡面降雨入滲率，然后根據(jù)強(qiáng)化入滲效應(yīng)（%）=（噴施化學(xué)材料入滲量—裸露坡面入滲量）/裸露坡面入滲量×100，計(jì)算強(qiáng)化入滲效應(yīng)，每組試驗(yàn)重復(fù)2次。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴施Jag S下的黃土坡面降雨入滲過(guò)程

2.1.1 不同降雨強(qiáng)度 將坡度為15°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下裸露坡面和噴施3種不同劑量Jag S時(shí)土壤入滲率隨降雨過(guò)程變化的點(diǎn)繪在圖上，如圖1。

圖1 不同Jag S劑量和不同雨強(qiáng)對(duì)降雨過(guò)程中坡面入滲速率的影響Fig. 1 Effect of spraying of Jag S on infiltration rate during the process of each rainfall event relative to dosage of the spraying and rainfall intensity

由圖1可知，3個(gè)不同降雨強(qiáng)度下，噴施不同劑量Jag S坡面和裸露坡面的入滲率隨降雨歷時(shí)均呈現(xiàn)兩個(gè)階段，第一階段降雨入滲率呈迅速下降的趨勢(shì)，第二階段趨于穩(wěn)定變化狀態(tài)，且入滲率與降雨強(qiáng)度總體呈正相關(guān)關(guān)系。但不同雨強(qiáng)不同劑量下的穩(wěn)滲率不同，未噴施Jag S時(shí)，1.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下穩(wěn)滲率最?。s0.62 mm min-1）；其次為1.5 mm min-1降雨強(qiáng)度（約0.71 mm min-1）；2.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下穩(wěn)滲率最大（約0.76 mm min-1）；噴施Jag S時(shí)，小降雨強(qiáng)度下，噴施各個(gè)劑量的黃土坡面穩(wěn)滲率均高于裸坡，大、中降雨強(qiáng)度下，除了噴施大劑量坡面穩(wěn)滲率小于裸坡，其他兩個(gè)劑量均能提高穩(wěn)滲率。

不同Jag S噴施量對(duì)3個(gè)降雨強(qiáng)度的入滲過(guò)程有明顯影響，但影響趨勢(shì)因劑量和降雨強(qiáng)度不同而異。1.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下，噴施不同劑量Jag S坡面入滲率在整個(gè)降雨過(guò)程中均大于裸露坡面入滲率；1.5 mm min-1和2.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下，噴施小、中劑量Jag S坡面入滲率在產(chǎn)流開(kāi)始初期較裸露坡面入滲率小，之后大于裸露坡面入滲率，而大劑量時(shí)坡面入滲率在整個(gè)降雨過(guò)程中均小于裸露坡面入滲率，降雨后期與裸露坡面入滲率比較接近。除此以外，與裸露坡面相比，噴施不同劑量Jag S的坡面在各個(gè)雨強(qiáng)下降雨過(guò)程入滲率下降趨勢(shì)也不相同。小雨強(qiáng)條件下，噴施3個(gè)劑量Jag S坡面的入滲率變化較緩慢，中、大雨強(qiáng)下，除大劑量時(shí)坡面入滲率下降趨勢(shì)在整個(gè)降雨過(guò)程中較陡，中、小劑量與小雨強(qiáng)的趨勢(shì)類似。可見(jiàn)，3個(gè)不同降雨強(qiáng)度下，噴施Jag S劑量越大，入滲率越小，入滲率下降速率越大，達(dá)到一定劑量時(shí)，入滲率小于裸坡入滲率。具體表現(xiàn)為：中、小劑量Jag S均可以增強(qiáng)黃土坡面降雨入滲，減緩降雨入滲在整個(gè)降雨過(guò)程的下降趨勢(shì)，具有較大的穩(wěn)滲率，大劑量Jag S只有在小雨強(qiáng)下才能達(dá)到相同的效果。

2.1.2 不同坡度 降雨強(qiáng)度為1.5 mm min-1時(shí)，不同坡度下裸露坡面和噴施3種不同劑量Jag S坡面的土壤入滲率隨降雨過(guò)程變化的點(diǎn)繪在圖上，如圖2。

圖2 不同Jag S劑量和不同坡度對(duì)降雨過(guò)程中坡面入滲速率的影響Fig. 2 Effect of spraying of Jag S on infiltration rate during the process of each rainfall event relative to dosage of the spraying and slope gradient

從圖2中可以看出，不同坡度下，噴施3種劑量的Jag S對(duì)黃土坡面的入滲過(guò)程均有明顯影響，但規(guī)律不同。與裸露坡面相比，3個(gè)坡度下，40 min入滲時(shí)間內(nèi)，噴施大劑量Jag S坡面入滲率和穩(wěn)滲率在整個(gè)降雨過(guò)程中均小于裸露坡面，噴施中、小劑量Jag S坡面入滲率在最初的0～7 min時(shí)間內(nèi)較裸露坡面入滲率小，但7～40 min內(nèi)降雨入滲率與裸露坡面差異較大，且隨著噴施劑量增大，這種差異不明顯。

在相同入滲時(shí)間內(nèi)，與裸露坡面相比，隨著降雨時(shí)間的變化，1和3 g m-2處理的坡面入滲率下降趨勢(shì)較緩慢，穩(wěn)滲率大，5 g m-2處理的黃土坡面入滲率下降速率較顯著地大于裸露坡面，最終的穩(wěn)滲率也小。由上述結(jié)果可知，不同坡度下，噴施1 g m-2及3 g m-2劑量的Jag S可以增加黃土坡面的降雨入滲率和穩(wěn)滲率，而且入滲率隨時(shí)間的減少速率較裸露坡面平緩。進(jìn)一步增加Jag S劑量（5 g m-2），土壤降雨入滲率開(kāi)始逐漸減小至低于裸露坡面。噴施3種劑量Jag S的黃土坡面入滲的差異可能與Jag S對(duì)土壤的改良作用有關(guān)。這與于健等［16］對(duì)PAM添加到土壤后入滲變化趨勢(shì)的研究結(jié)果相似。

2.2 噴施Jag S下的降雨入滲的強(qiáng)化入滲效應(yīng)

2.2.1 不同降雨強(qiáng)度 將坡度為15°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下噴施不同劑量Jag S時(shí)的坡面入滲量及其與裸露坡面入滲量比較所得的強(qiáng)化入滲效應(yīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表2。

從表2中可以看出，同一降雨強(qiáng)度下，噴施Jag S劑量越大，入滲量越小，強(qiáng)化入滲效應(yīng)越差。1.5和2.0 mm min-1降雨大雨強(qiáng)下，5 g m-2劑量下入滲減少；但1.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下，3個(gè)劑量下入滲量非常接近，強(qiáng)化入滲效應(yīng)大小為3 g m-2＞1 g m-2＞5 g m-2。對(duì)于同一劑量，降雨強(qiáng)度越大，入滲量越大。總體而言強(qiáng)化入滲效應(yīng)在1 g m-2劑量下最好，3 g m-2劑量下為2.0 mm min-1＞1.0 mm min-1＞1.5 mm min-1，5 g m-2劑量下1.5和2.0 mm min-1降雨強(qiáng)度下表現(xiàn)為減少入滲效應(yīng)。將同一劑量3個(gè)降雨強(qiáng)度下的強(qiáng)化入滲效應(yīng)進(jìn)行平均，得到噴施Jag S劑量1 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面增加22.81%，劑量為3 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面增加13.69%，劑量為5 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面減少6.3%，1 g m-2和3 g m-2劑量表現(xiàn)為強(qiáng)化入滲效應(yīng)，5 g m-2劑量表現(xiàn)為減少入滲效應(yīng)（除小降雨強(qiáng)度）。裸露坡面和噴施不同劑量Jag S的坡面入滲量的大小為：1 g m-2＞3 g m-2＞裸露坡面＞5 g m-2。

表2 不同降雨強(qiáng)度下噴施Jag S的強(qiáng)化入滲效應(yīng)Table 2 Effect of spraying Jag S enhancing infiltration relative to rainfall intensity

表3 不同坡度下噴施Jag S的強(qiáng)化入滲效應(yīng)Table 3 Effect of Spraying Jag S enhancing infiltration relative to slope

2.2.2 不同坡度 將降雨強(qiáng)度為1.5 mm min-1時(shí)，不同坡度下噴施不同劑量Jag S時(shí)的坡面入滲量及其與裸露坡面入滲量比較所得的強(qiáng)化入滲效應(yīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表3。

從表3中可以看出，不同坡度相同降雨條件下噴施Jag S對(duì)降雨入滲有一定的影響但受劑量影響較大。同一坡度下，噴施Jag S劑量越大，入滲量越小，強(qiáng)化入滲效應(yīng)越差。5 g m-2劑量下減少入滲效應(yīng)。對(duì)于同一劑量，不同坡度下的入滲量接近，強(qiáng)化入滲效應(yīng)在1 g m-2劑量下為坡度20°＞10°＞15°，在3 g m-2劑量下變差，5 g m-2劑量下表現(xiàn)為減少入滲效應(yīng)。將同一劑量3個(gè)坡度下的強(qiáng)化入滲效應(yīng)進(jìn)行平均，得到噴施Jag S劑量為1 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面增加20.25%，劑量為3 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面增加4.64%，劑量為5 g m-2時(shí)，入滲量較裸露坡面減少15.17%，1 g m-2和3 g m-2劑量表現(xiàn)為強(qiáng)化入滲效應(yīng)，5 g m-2劑量表現(xiàn)為少入滲效應(yīng)。裸露坡面和噴施不同劑量Jag S的坡面入滲量的大小為：1 g m-2＞3 g m-2＞裸露坡面＞5 g m-2。

綜合以上分析可知，不同坡度不同雨強(qiáng)下，小劑量的Jag S對(duì)降雨入滲具有積極的效果但隨著劑量的增加，土壤的入滲率減小，達(dá)到一定劑量時(shí)，表現(xiàn)為減少入滲效應(yīng)。同時(shí)也可以看出，在相同條件下，與未噴施處理相比，中、低劑量Jag S處理顯著增加了黃土坡面降雨穩(wěn)滲率，而高劑量處理顯著降低了穩(wěn)滲率。

2.3 噴施Jag S下的坡面初始產(chǎn)流時(shí)間

2.3.1 不同降雨強(qiáng)度 將坡度為15°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下噴施不同劑量Jag S時(shí)的坡面產(chǎn)流時(shí)間及其與裸露坡面產(chǎn)流時(shí)間比較所得的產(chǎn)流時(shí)間提高百分比試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表4。

由表4可以看出，裸露坡面和噴施不同劑量的Jag S的坡面的產(chǎn)流時(shí)間均隨雨強(qiáng)的增大而減小?？傮w而言，噴施不同劑量Jag S的坡面，其產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間均早于裸露坡面，且表現(xiàn)為Jag S噴施劑量越大，坡面產(chǎn)流時(shí)間越短，產(chǎn)流時(shí)間提前百分率越大。

表4 不同降雨強(qiáng)度下噴施Jag S的產(chǎn)流時(shí)間及其提前百分比Table 4 Time of initiation of runoff and advancement of the initiation time in as affected by spraying of Jag S relative to rainfall intensity

表5 不同坡度下噴施Jag S的產(chǎn)流時(shí)間及其提前百分比Table 5 Time of initiation of runoff and advancement of the initiation time in percentage as affected by spraying Jag S relative to slope gradient

2.3.2 不同坡度 將降雨強(qiáng)度為1.5 mm min-1時(shí)，不同坡度下噴施不同劑量Jag S時(shí)的坡面產(chǎn)流時(shí)間及其與裸露坡面產(chǎn)流時(shí)間比較所得的產(chǎn)流時(shí)間提高百分比試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表5。

3個(gè)不同坡度下，噴施不同劑量Jag S的坡面，其產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間差異很小，但皆早于裸露坡面，且Jag S使用劑量越大產(chǎn)流提前的時(shí)間越長(zhǎng)，在坡度為20°，劑量為5 g m-2組合條件下，產(chǎn)流提前時(shí)間最顯著，達(dá)到了3.63 min，大坡度大劑量對(duì)降雨產(chǎn)流時(shí)間影響較大。

從上述討論和分析中可以得出，噴施Jag S確實(shí)具有影響土壤入滲的作用，但其用量的大小可以改變Jag S對(duì)降雨入滲的影響結(jié)果，小劑量時(shí)能夠增加降雨的入滲率，表現(xiàn)為強(qiáng)化入滲效應(yīng)；大劑量時(shí)反而減小了降雨的入滲率，減弱入滲效應(yīng)，這與陳渠昌等［17］研究得出的小劑量的PAM可以增加降入入滲，大劑量的PAM反而降低降雨入滲的結(jié)論一致。

3 討 論

3.1 噴施Jag S對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響

黃土坡面土壤黏粒含量高、孔隙率低、導(dǎo)水率小，降雨時(shí)易在表面產(chǎn)生結(jié)皮［1］，從而降低降雨入滲。相比于裸露黃土坡面，在不同坡度不同雨強(qiáng)下，噴施中、小劑量的Jag S對(duì)坡面降雨入滲具有積極的效果，能在一定程度上強(qiáng)化入滲效應(yīng)，這與前人研究得出的另一種高聚物聚丙烯酰胺（PAM）能有效地抑制降雨過(guò)程中土壤結(jié)皮的形成，提高降雨入滲率的結(jié)論一致［18-20］。在降雨的過(guò)程中，由于雨滴的打擊，裸露坡面的土壤會(huì)分散，崩解成細(xì)小的顆粒，細(xì)小的土壤顆粒會(huì)隨水流進(jìn)入土壤孔隙中，使土壤孔隙度逐漸變小，劣化土壤結(jié)構(gòu)，從而降低入滲，適量的高聚物Jag S在雨水里充分溶解后隨水流進(jìn)入土壤的內(nèi)部，其膠結(jié)凝固的作用把土壤牢固地粘結(jié)在一起，不易被雨滴打碎，從而使土壤原先的孔隙得以維持。此外，Jag S和PAM類似，可以增加土壤表層顆粒之間的凝聚力，不僅能維持土壤中原有的團(tuán)聚體，而且能形成新的團(tuán)聚體，增加土壤團(tuán)聚體的數(shù)量，從而維護(hù)良好的表土結(jié)構(gòu)，防治土壤結(jié)皮產(chǎn)生，增加土壤的入滲能力。因此，噴施中、小劑量Jag S黃土坡面較裸露黃土坡面可明顯提高降雨入滲，強(qiáng)化入滲效應(yīng)。不同Jag S噴施量對(duì)不同坡度不同雨強(qiáng)降雨入滲過(guò)程有明顯影響，但影響趨勢(shì)因噴施劑量大小而有差異。噴施中、小劑量Jag S均可以增強(qiáng)黃土坡面降雨入滲，減緩降雨入滲在整個(gè)降雨過(guò)程中的下降趨勢(shì)，具有較大的穩(wěn)滲率，大劑量Jag S的作用效果卻相反，只有在小雨強(qiáng)下才能達(dá)到相同的效果。噴施Jag S劑量較大時(shí)，溶解在水中高濃度的Jag S溶液可能會(huì)在很短的時(shí)間堵塞坡面土壤孔隙以及吸附土壤顆粒從而降低土壤的孔隙度，使噴施大劑量Jag S坡面的入滲率在短時(shí)間內(nèi)快速下降，其下降趨勢(shì)較裸露坡面大，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的穩(wěn)滲率也較裸露坡面小，而較小的雨強(qiáng)能使高濃度的Jag S有充分的時(shí)間在土壤中進(jìn)行溶解，從而達(dá)到和中、小劑量相同的效果。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要發(fā)揮高聚物Jag S的持水效果，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇合適的噴施劑量。

3.2 噴施Jag S對(duì)黃土坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

陳渠昌等［17］研究表明，高聚物PAM只能改變土壤的入滲速率，對(duì)坡地降雨的初始產(chǎn)流時(shí)間影響不顯著，而唐澤軍等［18］研究的結(jié)果表明PAM對(duì)坡地降雨的初始產(chǎn)流時(shí)間有一定的影響，其覆蓋率與降雨產(chǎn)流滯后呈正相關(guān)關(guān)系，尤其在小雨強(qiáng)、小坡度的條件下，這種滯后現(xiàn)象更加顯著。由此可見(jiàn)，高聚物對(duì)黃土坡面降雨初始產(chǎn)流時(shí)間的影響存在著爭(zhēng)議。本研究結(jié)果顯示，在不同坡面不同降雨條件下，噴施不同劑量Jag S的坡面產(chǎn)流均早于裸露坡面，且表現(xiàn)為Jag S噴施劑量越大，坡面越早產(chǎn)流，初始產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)于裸露坡面提前程度越大，這一現(xiàn)象與唐澤軍等［18］研究PAM可以滯后初始產(chǎn)流時(shí)間的結(jié)論以及陳渠昌等［17］的研究結(jié)果不同，其原因可能為：（1）陳渠昌等［17］和唐澤軍等［18］研究中PAM是由丙烯酰胺聚合而成的高分子量、陰離子型、白色粉末非結(jié)晶固體，而化學(xué)材料Jag S為天然高分子多肽衍生物，是從大豆胚胎中提取出來(lái)的一種中性多糖，不帶電，白色粉末狀，分子量?jī)H為30萬(wàn)～100萬(wàn)，兩種材料本身的不同而引起的物理化學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致它們對(duì)不同坡度下坡面產(chǎn)流時(shí)間的影響也有差異；（2）兩個(gè)試驗(yàn)材料施用方式有差異導(dǎo)致的。陳渠昌等［17］和唐澤軍等［18］將PAM按一定的比例與黃綿土混合制作成均勻的PAM混合土，使得在降雨初期，PAM在土壤中就能夠充分溶解，發(fā)揮良好的改良土壤結(jié)構(gòu)的作用（改善土壤孔隙，使坡面產(chǎn)流滯后）。本試驗(yàn)采用的方式是噴施，溶解在水中高濃度的Jag S溶液噴施在坡面可能堵塞坡面土壤孔隙以及吸附土壤顆粒從而降低土壤的孔隙度，使坡面在降雨初期的很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)流，且劑量越大，現(xiàn)象越顯著。由表4～表5分析可得，不同雨強(qiáng)及坡度下，與裸露坡面相比，噴施不同劑量的Jag S的坡面產(chǎn)流時(shí)間均有提前，表現(xiàn)為劑量越大，提前的百分率越高，分析認(rèn)為，可能是在降雨試驗(yàn)最初時(shí)間及產(chǎn)流的最初時(shí)間里，一方面Jag S沒(méi)有充分溶解，而未溶解的Jag S可能堵塞土壤孔隙從而降低土壤的孔隙度，另一方面溶解的Jag S可能會(huì)吸附由于雨滴的打擊形成的一些細(xì)小的土壤顆粒，這些相互吸附的細(xì)小顆粒會(huì)填充或沉積在土壤表層的孔隙中，改變土壤的表面結(jié)構(gòu)，使土壤顆粒更緊密地堆積，從而更易產(chǎn)生具有封閉性的結(jié)皮，使得入滲率快速下降，因此，經(jīng)Jag S處理后的坡面較裸露坡面在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)流，且劑量越大，這種現(xiàn)象越明顯。但隨著降雨的繼續(xù)，Jag S已充分發(fā)揮作用，細(xì)小的土壤顆粒就會(huì)形成大的土壤團(tuán)聚體，改善土壤表面的結(jié)構(gòu)，因而會(huì)減弱由于充填或沉積而產(chǎn)生的封閉作用。

4 結(jié) 論

采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，在分析裸露坡面入滲過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了噴施Jag S坡面與裸露坡面入滲過(guò)程特征，揭示了Jag S對(duì)坡面入滲的影響。在不同坡度不同雨強(qiáng)下，與裸露坡面相比，中小劑量Jag S能夠明顯提高土壤入滲性能，減緩降雨入滲在整個(gè)降雨過(guò)程的下降趨勢(shì)，提高穩(wěn)滲率，大劑量Jag S處理反而明顯降低土壤入滲性能。雖然噴施不同劑量Jag S的坡面與裸露坡面相比可以增加坡面降雨的穩(wěn)滲率，但在一定程度上減少了降雨前期入滲率，在產(chǎn)流時(shí)間上也早于裸坡，且表現(xiàn)為Jag S噴施劑量越大，坡面越早產(chǎn)流，產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)于裸露坡面提前程度越大。高分子化學(xué)材料Jag S在一定程度上可以降低降雨入滲減少速率、增加降雨的入滲和降雨的穩(wěn)滲率，為水土保持措施的選擇提供依據(jù)，但由于Jag S是一種新型高分子化學(xué)材料，對(duì)于它的研究在一定程度上存在很多的不足，例如對(duì)于Jag S與土壤的作用機(jī)理，最佳使用量，時(shí)效性以及對(duì)不同土壤類型的作用是否相同等問(wèn)題仍不是很清楚，有待于進(jìn)一步研究。

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Effect of Spraying Jag S on Rain Water Infiltration on Loess Slope

LI Yuanyuan1WANG Zhanli1，2?LIU Jun’e3JIAO Nian4ZHANG Jiaqiong1
（1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（3 College of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi’an 710019，China）
（4 Xifeng of Soil and Water Conservation Scientific Experiment Station of Yellow River Water Conservancy Commission，Xifeng，Gansu 745000，China）

【Objective】The technology of using chemicals to control soil erosion is mainly implemented through spraying high molecular compounds over on the surface soil layer to improve its soil structure，to enhance stability of its soil aggregates，to prevent dispersion of its clays and hence to increase rain water infiltration rate and eventually to control surface runoff and soil erosion. Jag S is a kind of neutral polysaccharide and a new type of high polymer. This study on effect of the use of this high polymer on rainwater infiltration rate in loess slopes is intended to lay down a new theoretic basis for applying the technology of using chemicals to control soil erosion to the Loess Plateau in arid and semi-arid regions for erosion control and water conservation. Control of soil erosion with chemicals is a new method，which is developed on the basis of the modern chemical industry and different from the traditional soil and water conservation methods.【Method】An indoor experiment was conducted in the Rainfall Simulation Hall at the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau at the Institute of Soil and Water Conservation. A rainfall simulator system with side-sprinklers was used to simulate rainfall events different in intensity ranging from 0.5 to 3.5 mm min-1. The sprinklers were 16 m high above the experimental field，providing simulated rainfall events over 80% in uniformity and raindrops 0.25 to 0.375 mm in diameter，when a rainfall event was set at 1～2 mm min-1in rainfall intensity. Kinetic energy of the raindrops striking at surface soil of the field ranged from 365 to 847 J h-1m-2. The indoor simulated rainfall experiment was designed to explorerelationships of rain water infiltration rate and initiation time of runoff with dosage（1，3 and 5 g m-2）of Jag S used relative to slope gradient（10°，15° and 20°）and rainfall intensity（1.0，1.5 and 2.0 mm min-1）.【Result】Results show that compared with the CK slope，all the slopes sprayed with Jag S regardless of rate were lowered in infiltration rate during the initial period of all rainfall events. However，the spraying of 1 and 3 g m-2Jag S significantly raised rain water infiltration rate on all loess soil slopes in the late stages of the rainfall events，and reduced the buffering effect during the initial periods of the rainfalls. Consequently，the rain water infiltration rate increased by 21.53% and the infiltration enhancement rate by 9.17%. On the contrary，the spraying of 5 g m-2Jag S weakened the rainfall water infiltration rate in all rainfall events except for the one lowest in intensity（1.0 mm min-1）and in all the loess slopes. The soil slopes sprayed with Jag S，regardless of rate，differed very slightly in runoff initiation time，however，they had runoff initiated earlier than the CK slope. The higher the Jag S spraying rat，the earlier the runoff initiated. Obviously the effects of a high Jag S spraying rate and a high slope gradient on runoff initiation were significant. The runoff initiation advancement rate on slopes sprayed with 1，3 and 5 g m-2was 47.26%，50.47% and 66.28%，respectively，under rainfalls the same in intensity. 【Conclusion】All the finding indicate that Jag S is to a certain extent，effective to improve soil structure of the loess slopes and increase rainwater infiltration rate and hence reduce soil erosion. Consequently，spraying of the neutral polymer Jag S on surface soil of a loess slope is a potential alternative to control soil erosion on the Loess Plateau. The findings of this study may serve as a scientific basis for soil and water conservation using polymers.

Polysaccharide（Jag S）；Loess slope；Rainfall infiltration；Soil and water conservation

S157.1

A

（責(zé)任編輯：檀滿枝）

10.11766/trxb201609170365

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471230，41601282）、陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015JQ4115）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFC0402401）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41471230，41601282），Shaanxi Province Natural Science Foundation of China（No. 2015JQ4115），the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFC0402401）

? 通信作者 Corresponding author，E-mail：zwang@nwsuaf. edu.cn

李元元（1988—），女，安徽省蚌埠市人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕研究。 E-mail：836434985@qq.com

2016-09-17 ；

2017-02-24；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-03-24