南方典型土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程對PAM的響應(yīng)

宋月君 黃炎和 楊 潔 左繼超 廖凱濤 肖 龍

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院， 福州 350002； 2.江西省水土保持科學(xué)研究院， 南昌 330029；3.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 南昌 330029; 4.泰和縣水土保持站， 吉安 343700)

南方典型土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程對PAM的響應(yīng)

宋月君1,2黃炎和1楊 潔2,3左繼超2,3廖凱濤2,3肖 龍4

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院， 福州 350002； 2.江西省水土保持科學(xué)研究院， 南昌 330029；3.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 南昌 330029; 4.泰和縣水土保持站， 吉安 343700)

采用室外人工模擬降雨試驗方式，系統(tǒng)對比研究了2種聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)配比方案(2 g/m2和10 g/m2，分別用PAM1200-2和PAM1200-10表示)在140 mm/h短時強降雨條件下對坡度為10°的南方紅壤區(qū)4種不同典型巖性發(fā)育土壤坡面的產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程的影響機制。結(jié)果表明：各坡面總產(chǎn)流量、單位采樣時段徑流系數(shù)、累積單位采樣時段徑流系數(shù)均有顯著提升(p<0.01)，徑流提升率由大到小依次為：第四紀紅壤坡面、紅砂巖紅壤坡面、紫色土坡面、花崗巖紅壤坡面；除花崗巖紅壤坡面外，PAM1200-10的徑流提升率均大于PAM1200-2，坡面產(chǎn)生穩(wěn)流的時間由短到長依次為：第四紀紅壤坡面(12 min)、紅砂巖紅壤坡面(15 min)、花崗巖紅壤坡面(24 min)和紫色土坡面(24 min)，2種PAM配比在提升坡面產(chǎn)流方面，無顯著性差異；各坡面的總產(chǎn)沙量、單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度、單位采樣時段泥沙量均顯著降低(p<0.01)，2種PAM配比方式均以第四紀紅壤坡面減沙率最為顯著，其余不同配比的坡面減沙率略有不同，除紫色土坡面，PAM1200-10的減沙率均大于PAM1200-2；其中PAM1200-2的減沙率波動性較大，除紫色土坡面外，PAM1200-10配比的減沙率均較為平穩(wěn)，在花崗巖紅壤坡面，PAM1200-10與PAM1200-2相比，減沙成效顯著(p<0.01)。

南方紅壤區(qū)； 人工模擬； 短時強降雨； 聚丙烯酰胺； 典型土壤坡面； 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

引言

我國是世界水土流失最為嚴重的國家之一，自20世紀50年代開始水土保持治理工作以來，通過植物、工程以及耕作等措施的開展，取得了一定的成效。然而，據(jù)第一次全國水利普查成果，我國現(xiàn)有水土流失面積294.91萬km2，占國土總面積的30.72%，治理任務(wù)仍然艱巨。伴隨著水土保持治理工作對新技術(shù)、新方法的需求，聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)作為一種新的水土保持化學(xué)措施，受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，并針對其改良土壤、防控水土流失等方面開展了一系列的試驗研究與推廣工作。研究發(fā)現(xiàn)合理使用PAM可以很好地改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤水穩(wěn)性，提高土壤的抗水蝕能力[1-2]，還可以減少由于水土流失造成的大量有機質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分的流失[3-6]。目前，PAM已經(jīng)在東北黑土區(qū)、西北黃土區(qū)以及部分南方紅壤區(qū)進行了相關(guān)土壤侵蝕方面的試驗研究與推廣工作[1-20]。在東北黑土區(qū)坡地施用PAM可減少土壤侵蝕量56%以上，不同的PAM施用量以及分子類型對于土壤的蓄水保土效果各不相同，其中以陰離子型分子量300萬～400萬的效果最好[1]；黃土高原作為我國PAM研究最早的區(qū)域，相關(guān)學(xué)者分別從改良土壤理化性質(zhì)，減少水土流失方面開展了研究工作，PAM在改善土壤質(zhì)量以及防控水土流失方面效果顯著，施用PAM可有效提高砂壤土的土壤入滲率以及減少土壤侵蝕[11-12]；在南方紅壤區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，將PAM混合細土施于不同坡度的擾動紅壤坡面，其減沙效率均在90%以上[14]。針對不同的分子量、離子型、施用方式以及施用土壤對象，PAM防控土壤侵蝕的成效有所不同[3]，由于PAM防治水土流失操作簡單、投資少、見效快，在南方雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)具有廣泛的推廣應(yīng)用前景[2]。目前，關(guān)于PAM在南方紅壤區(qū)的研究主要集中在單一土壤類型的研究上[10,14]，而對于不同類型土壤坡面防控水土流失的系統(tǒng)對比研究鮮見報道。

南方紅壤區(qū)所在地區(qū)降雨豐沛，一次大的降雨造成的土壤侵蝕量可能會占到全年的60%以上[16]。鑒于此，本文通過野外人工模擬降雨試驗，研究南方紅壤區(qū)不同典型巖性發(fā)育土壤坡面在短時強降雨條件下PAM措施的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征，探討不同土壤坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征對PAM措施的響應(yīng)機制，以期為南方紅壤區(qū)坡耕地的水土保持化學(xué)治理措施提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

該試驗區(qū)位于江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)(115°42′38″～115°43′06″E、29°16′37″～29°17′40″N，海拔高度介于30～100 m之間)。園區(qū)地處江西省北部鄱陽湖流域博陽河水系的德安縣城郊，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1 397.3 mm，多年平均氣溫16.7℃，年日照時數(shù)1 650～2 100 h，多年平均無霜期249 d[16]。土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的紅壤，土壤呈酸性至微酸性。

1.2 研究方法

1.2.1 供試土壤

供試土壤分別為江西省內(nèi)分布廣泛的第四紀紅土、花崗巖、紅砂巖發(fā)育的紅壤以及紫色頁巖發(fā)育的紫色土，所有土壤均采自江西省各土壤類型分布中心地帶，具有較好的代表性，相關(guān)土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)特征Tab.1 Characteristics of soil physical and chemical properties

1.2.2 試驗設(shè)計與方法

試驗所用PAM試劑均產(chǎn)自河南元亨凈水材料廠，為陰離子型(水解度為10%)，相對分子量為1 200萬[10]。主要采取野外人工模擬降雨的方式開展試驗研究(圖1)，人工模擬降雨試驗主要是將從野外取回的4類土樣風(fēng)干后過5 mm篩，然后裝入4個長3 m、寬1.5 m、高0.5 m的土槽中，填土厚度為0.45 m。在裝填土之前，先在土槽底部填2 cm厚的小碎石。并鋪上透水紗布，以保持試驗土層的透水狀況接近天然坡面。靜置相同時間(4 h)待其含水量穩(wěn)定之后，將配好的PAM溶液均勻地噴灑在供試土壤表面，待其充分風(fēng)干后進行模擬降雨試驗。PAM溶液的質(zhì)量濃度設(shè)定為0.5 g/L，施用量設(shè)定為0、2、10 g/m2，通過折算，每個人工模擬降雨試驗土槽的PAM溶液噴適量分別為0、18、90 L。其中0 g/m2施用量土壤作為該試驗的對照處理(CK)，2 g/m2和10 g/m2施用量，分別用PAM1200-2和PAM1200-10來表示。該試驗采用的人工模擬降雨裝置降雨高度為3 m，噴嘴為下噴式組合噴嘴，降雨均勻度大于85%，可控降雨有效面積為4 m×10 m，試驗采用140 mm/h的降雨強度用以模擬短時強降雨事件，試驗土槽的坡度參照江西省坡耕地設(shè)定為10°，尾部放置集水器用來收集坡面產(chǎn)流和泥沙。每次試驗降雨歷時30 min，每3 min收集一次徑流泥沙，獲得其過程徑流量和泥沙量。每個試驗設(shè)2個重復(fù)，結(jié)果取平均值。

圖1 野外人工模擬降雨設(shè)備Fig.1 Field artificial rainfall simulator

1.2.3 數(shù)據(jù)獲取與分析方法

采用單位采樣時段(3 min)徑流系數(shù)、累積單位采樣時段徑流系數(shù)、單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度、單位采樣時段泥沙量、總徑流量以及總泥沙量等6項數(shù)據(jù)指標，開展產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程特征分析。

單位采樣時段徑流量(Unit sampling time runoff，UR)采用量筒測量法獲取(單位為L)。

單位采樣時段徑流系數(shù)(Unit sampling time runoff coefficient，URC)計算公式為

(1)

式中CURC——單位采樣時段徑流系數(shù)，%RUR——單位采樣時段徑流深，mmRUP——單位采樣時段降雨量，mm

累積單位采樣時段徑流系數(shù)(Cumulative sampling time runoff coefficient，CRC)計算公式為

(2)

式中CCRC——累積單位采樣時段徑流系數(shù)，%RURi——第i次采樣時段的徑流深，mmRUPi——第i次采樣時段的降雨量，mmN——采樣次數(shù)，取10

單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度(Unit sampling time sediment concentration，USC)：采用烘干法獲取(單位為g/L)。

單位采樣時段泥沙量(Unit sampling time sediment，US)計算公式為

SUS=4.5RURCUSC

(3)

式中SUS——單位采樣時段泥沙量，gRUR——單位采樣時段徑流深，mmCUSC——單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度，g/L

其中4.5(m2)為徑流深與徑流量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

總徑流量(Total runoff，TR)和總泥沙量(Total sediment，TS)分別為各單位采樣時段徑流量以及泥沙量的總和。

試驗采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析與制圖均采用Minitab 16.0和Excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同巖性土壤坡面產(chǎn)流過程特征分析

2.1.1 單位采樣時段徑流系數(shù)(URC)特征

施用PAM后各土壤坡面地表均易形成一層膠結(jié)物質(zhì)結(jié)皮，從而阻礙地表徑流的下滲[10]，各坡面URC均有不同程度的顯著提升(p<0.01)，其中以第四紀紅壤坡面提升最為顯著，提升率均在78%以上，第四紀紅壤質(zhì)地粘重，粉、粘粒質(zhì)量分數(shù)可占到土壤粒徑組成的70%以上(表1)，與其他土壤相比，土壤入滲能力差，同時有研究證明，第四紀紅壤中正電荷含量明顯高于其他3類土壤[17]，更有利于土壤顆粒與陰離子PAM結(jié)合，也是造成此結(jié)果的主要原因。如圖2所示，降雨初期，URC可提升3.5倍以上，6 min后產(chǎn)流趨于穩(wěn)定，URC提升率介于10%～70%之間；花崗巖紅壤坡面，PAM1200-2和PAM1200-10的URC提升率分別為30.92%和25.69%，降雨初期，URC的提升率可高達2.4倍和1.86倍，6 min后URC提升率介于0～25%之間，低于第四紀紅壤坡面；紅砂巖紅壤坡面，PAM1200-2和 PAM1200-10的URC提升率分別為55.45%和63.00%，降雨初期，可分別達2.5倍和2.3倍，后期主要介于0～100%之間，期間波動較大；紫色土坡面，PAM1200-2和PAM1200-10的URC提升率分別為39.62%和44.18%，降雨初期可高達2.0倍，后期主要介于0～40%之間。

表2 不同PAM配比坡面徑流提升率Tab.2 Runoff elevation rate of slopes with different PAM ratios %

由表2也可以看出，第四紀紅壤坡面的URC提升率最為顯著，紅砂巖紅壤坡面次之，花崗巖紅壤坡面最差。第四紀紅壤坡面、紅砂巖紅壤坡面和紫色土坡面的URC提升率均為PAM1200-10大于PAM1200-2，PAM施用量與坡面產(chǎn)流量呈正相關(guān)，該結(jié)果與王麗等[3]的研究結(jié)果一致。只有花崗巖紅壤坡面的PAM1200-10小于PAM1200-2，但均無明顯性差異。這可能與花崗巖土壤粒徑組成以砂粒為主，容重較其他巖性土壤小，土壤孔隙度較其他巖性土壤大有關(guān)，PAM1200-2配比溶液更容易下滲與土壤顆粒凝結(jié)，從而阻斷土壤徑流入滲所致。

圖2 不同PAM配比坡面單位采樣時段徑流系數(shù)變化曲線Fig.2 Unit sampling time runoff coefficient of slopes with different PAM ratios

2.1.2 累積單位采樣時段徑流系數(shù)(CRC)特征

如圖3所示，與URC類似，各坡面CRC均有不同程度的顯著提升(p<0.01)，其中以第四紀紅壤坡面最為顯著，提升率均在53%以上，CRC自降雨12 min起趨于穩(wěn)定，主要介于70%～80%之間，其中，PAM1200-2的CRC呈現(xiàn)微量下降趨勢；花崗巖紅壤坡面的CRC自降雨開始至15 min，PAM1200-10略高于PAM1200-2，隨后兩者相當，主要介于60%～70%之間，并呈現(xiàn)微量遞增趨勢；紅砂巖紅壤坡面的CRC自降雨開始至15 min提升顯著，隨后CRC趨于穩(wěn)定，主要介于70%～80%之間，PAM1200-10均高于PAM1200-2；紫色土坡面的CRC自降雨開始至21 min內(nèi)提升顯著，隨后趨于穩(wěn)定，主要介于80%～90%之間。

圖3 不同PAM配比坡面累積單位采樣時段徑流系數(shù)變化曲線Fig.3 Cumulative sampling time runoff coefficient of slopes with different PAM ratios

不同巖性土壤坡面的產(chǎn)流過程存在差異，第四紀紅壤坡面在降雨12 min時即出現(xiàn)了穩(wěn)流，并且PAM1200-2出現(xiàn)了微量下降趨勢，這可能與PAM施用配比較稀，在雨滴打擊坡面的影響下，破壞了地表PAM結(jié)皮層，致使雨水、徑流下滲所致，穩(wěn)流時間比CK對照提前了6 min；花崗巖紅壤坡面穩(wěn)流主要出現(xiàn)在降雨24 min后，這可能與其土壤粒徑組成有一定的關(guān)系，花崗巖土壤粒徑主要以砂粒為主，土質(zhì)松散，地表PAM膠結(jié)層易被降雨破壞，致使地表徑流入滲損耗，延長了穩(wěn)流出現(xiàn)的時間；紅砂巖紅壤坡面穩(wěn)流出現(xiàn)在降雨15 min后，與第四紀紅壤坡面相當；紫色土坡面穩(wěn)流出現(xiàn)在降雨24 min后，其CK對照在降雨后27 min才出現(xiàn)穩(wěn)流，出現(xiàn)穩(wěn)流的時間差別不大，這可能與紫色土土壤中所含負電荷最高有關(guān)[17]，影響了土壤顆粒對陰離子PAM的吸收與膠結(jié)，消減了PAM阻斷坡面徑流下滲的能力。CRC提升率從大到小依次為：第四紀紅壤坡面、紅砂巖紅壤坡面、紫色土坡面、花崗巖紅壤坡面，只有花崗巖紅壤坡面PAM1200-10的CRC小于PAM1200-2，其他均為PAM1200-10大于PAM1200-2。

2.2 不同巖性土壤坡面產(chǎn)沙過程特征分析

2.2.1 單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度(USC)特征

如表3所示，各坡面USC均有明顯減少，其中，以第四紀紅壤坡面減沙成效最為顯著，整體減沙率均在93%以上，PAM1200-10的減沙率最高，可達97.31%，第四紀紅壤因土壤黏重以及正電荷含量最高，有利于土壤顆粒對PAM陰離子的吸收，從而提高了土壤的抗侵蝕能力；其他3類巖性發(fā)育土壤坡面中，PAM1200-2的USC減沙率由大到小依次為：紫色土坡面(79.82%)、紅砂巖紅壤坡面(78.69%)、花崗巖紅壤坡面(77.77%)，PAM1200-10的減沙率正好與之相反；紫色土坡面PAM1200-2的減沙率要優(yōu)于PAM1200-10，其余巖性土壤坡面均為PAM1200-10優(yōu)于PAM1200-2，其中，花崗巖紅壤坡面PAM1200-10與PAM1200-2相比具有明顯的減沙效果(p<0.01)，花崗巖紅壤坡面PAM施用量與減沙率存在較好的正相關(guān)關(guān)系，這與張兆福[10]的研究結(jié)論一致，對于其余巖性土壤坡面，兩者之間的減沙效果差異不顯著。

表3 不同PAM配比坡面泥沙減少率Tab.3 Sediment reduction rate of slopes with different PAM ratios %

圖4 不同PAM配比坡面單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度及其減少率變化曲線Fig.4 Sediment concentration per unit sampling time of slopes with different PAM ratios

如圖4所示，第四紀紅壤坡面USC減少率主要介于88%～98%之間，較為平穩(wěn)；花崗巖紅壤坡面USC減少率主要介于60%～98%之間，其中，PAM1200-2的USC減少率存在波動式遞減趨勢，PAM1200-10的USC減少率較為平穩(wěn)，基本上保持在90%以上；紅砂巖紅壤坡面USC減少率主要介于70%～95%之間，PAM1200-2的USC減少率存在波動性，呈現(xiàn)“雙峰雙谷”現(xiàn)象，PAM1200-10的USC減少率基本維持在80%以上，波動性不大，整體呈現(xiàn)略微下降趨勢；紫色土坡面USC減少率主要介于60%～95%之間，PAM1200-2的USC減少率呈現(xiàn)“單峰單谷”式波動，整體呈現(xiàn)下降趨勢；PAM1200-10的USC減少率波動性顯著，整體呈現(xiàn)下降趨勢，主要介于60%～85%之間。

2.2.2 單位采樣時段泥沙量(US)特征

US是單位采樣時段產(chǎn)流與泥沙濃度的綜合體現(xiàn)，如表3所示，第四紀紅壤坡面US減少率總體在88%以上，其中以PAM1200-10的US減少率最高，可達94.90%；其他3類土壤坡面PAM1200-2的US減少率由大到小依次為：花崗巖紅壤坡面(75.03%)、紫色土坡面(72.28%)、紅砂巖紅壤坡面(68.09%)，PAM1200-10的減沙效果略有不同，從大到小依次為：花崗巖紅壤坡面(94.66%)、紅砂巖紅壤坡面(79.04%)、紫色土坡面(67.58%)；紫色土坡面PAM1200-2減沙成效優(yōu)于PAM1200-10，其余巖性土壤坡面均為PAM1200-10優(yōu)于PAM1200-2，花崗巖紅壤坡面PAM1200-10與PAM1200-2相比具有顯著的減沙效果(p<0.01)，這可能與各土壤中所含正負電荷量以及土壤質(zhì)地和粒徑組成有關(guān)，其中花崗巖紅壤坡面減沙結(jié)果與張兆福[10]研究得出的結(jié)果一致。同時也充分證明了PAM具有優(yōu)越的土壤顆粒膠結(jié)作用，在提升坡面產(chǎn)流量的同時，使得坡面產(chǎn)沙量大為降低[3]。

圖5 不同PAM配比坡面單位采樣時段泥沙量及減沙成效Fig.5 Sediment yield per unit sampling time of slopes with different PAM ratios

如圖5所示，第四紀紅壤坡面US減少率主要介于69%～98%之間，PAM1200-2和PAM1200-10的US減少率均表現(xiàn)為先增后減，但變化幅度不大；花崗巖紅壤坡面的US減少率主要介于65%～98%之間，PAM1200-2的US減少率整體呈現(xiàn)下降趨勢，PAM1200-10的US減少率基本保持在90%以上，后期略有降低；紅砂巖紅壤坡面的US減少率主要介于40%～85%之間，PAM1200-2的US減少率波動性較大，整體呈現(xiàn)上升趨勢，PAM1200-10的US減少率基本保持在80%左右，呈微量上升趨勢；紫色土坡面的US減少率主要介于30%～90%之間，PAM1200-2和PAM1200-10的US減少率均呈現(xiàn)先增后減趨勢，波動性均較大，降雨初期減沙率陡然提升，隨后呈下降趨勢。

PAM在防控不同巖性土壤坡面土壤侵蝕過程中，表現(xiàn)出了不同的特性，第四紀紅壤質(zhì)地黏重，正電荷含量最高，PAM防控土壤侵蝕成效最為平穩(wěn)和顯著；紅砂巖紅壤和紫色土砂粒含量高，不利于PAM與土壤微顆粒的膠結(jié)，PAM防控土壤侵蝕能力有所降低，波動性較大；紫色土所含負電荷最高，可能是造成PAM防控土壤侵蝕能力較低以及PAM1200-2比PAM1200-10減沙成效好的主要原因[17]。

2.3 總產(chǎn)流量(TR)和總產(chǎn)沙量(TS)特征分析

如表4所示，TR方面，不同巖性土壤坡面CK對照主要介于160.0～211.5 L之間，施用PAM后，各坡面產(chǎn)流均有所提升，除去花崗巖紅壤坡面PAM1200-2大于PAM1200-10，其他均為PAM1200-10大于PAM1200-2；TS方面，不同巖性土壤坡面CK對照主要介于991.59～1 310.69 g之間，施用PAM后，各坡面的總減沙成效顯著，其中以第四紀紅壤坡面的減沙率最高，其次為花崗巖紅壤坡面，紫色土坡面減沙率最小，其中，只有紫色土的總減沙率PAM1200-2大于PAM1200-10，其他均為PAM1200-10大于PAM1200-2。

3 討論

PAM的施用方法主要包括地面噴施[10]和土壤混施[3]，2種施用方式的對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響各不相同，其中，實施坡面噴施方式的研究發(fā)現(xiàn)，在減流方面效果不佳，反而會增加坡面的產(chǎn)流量，特別是坡度較緩的坡面[3]，本文主要采用地面噴施的方式進行PAM的施用，研究發(fā)現(xiàn)PAM對不同巖性發(fā)育土壤坡面均有提升徑流率的功效，同時伴隨著PAM施用量的增加，大多數(shù)巖性發(fā)育土壤坡面產(chǎn)流率存在遞增趨勢，這與王麗等[3]和張兆福[10]的研究結(jié)論一致；在產(chǎn)沙方面，施用PAM后，溶解在水中的 PAM具有絮凝劑的作用，PAM可將土壤顆粒橋接在一起而絮凝水中的泥沙，使土壤顆粒黏結(jié)在一起從而減少土壤侵蝕[16]，同時在坡面形成一層PAM膠結(jié)結(jié)皮層，減少雨滴對地表的賤蝕，使得地表土壤得以保留，減沙效率均較顯著，同時，伴隨著PAM施用量的增加，大多巖性發(fā)育土壤坡面減沙成效呈現(xiàn)遞增趨勢，這與王麗等[3]和劉紀根等[8]的研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)流特征方面，花崗巖發(fā)育紅壤坡面出現(xiàn)了伴隨PAM施用量增加，產(chǎn)流減少的情況；產(chǎn)沙特征方面，紫色土坡面出現(xiàn)伴隨PAM施用量增加，產(chǎn)沙量增大，出現(xiàn)此情況的原因可能與土壤本身性質(zhì)以及施用PAM后，隨著降雨的持續(xù)，雨滴打擊地表加上初始徑流對坡面的沖刷，PAM的粘結(jié)力受到一定的削弱，土壤顆粒被分離，徑流中的懸浮顆粒逐漸增多，從而侵蝕產(chǎn)沙量增加，此外不同巖性發(fā)育土壤所含的正電荷以及負電荷數(shù)量直接影響到土壤顆粒對PAM陰離子的吸收與膠結(jié)作用，致使不同土壤坡面表現(xiàn)出不同的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征。

表4 不同PAM配比坡面總產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量Tab.4 Total runoff yield and sediment yield of slopes with different PAM ratios

4 結(jié)論

(1)施用PAM后，南方紅壤區(qū)4種典型巖性土壤坡面的單位采樣時段徑流系數(shù)、累積單位采樣時段徑流系數(shù)均顯著提升(p<0.01)，其中以第四紀紅壤坡面徑流提升率最大，其次為紅砂巖紅壤坡面，提升率最小的為花崗巖紅壤坡面，除去花崗巖紅壤坡面，PAM1200-10的徑流提升率均大于PAM1200-2，但無顯著性差異。

(2)施用PAM后，不同巖性土壤坡面出現(xiàn)穩(wěn)流的時間存在差異，穩(wěn)流時間從短到長依次為：第四紀紅壤坡面(12 min)、紅砂巖紅壤坡面(15 min)、花崗巖紅壤坡面(24 min)和紫色土坡面(24 min)。

(3)施用PAM后，不同巖性土壤坡面的單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度、單位采樣時段泥沙量均顯著降低(p<0.01)，在單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度方面，PAM1200-2的減沙率從大到小依次為：第四紀紅壤坡面、紫色土坡面、紅砂巖紅壤坡面、花崗巖紅壤坡面，PAM1200-10除去第四紀紅壤坡面減沙率最大外，其他巖性土壤與之正好相反；單位采樣時段泥沙量方面，PAM1200-2的減沙率從大到小依次為：第四紀紅壤坡面、花崗巖紅壤坡面、紫色土坡面、紅砂巖紅壤坡面，PAM1200-10的減沙率排序與單位采樣時段泥沙質(zhì)量濃度排序相同，其中PAM1200-2的減沙率波動性較大，PAM1200-10除紫色土坡面外，其他土壤減沙率均較為平穩(wěn)，在花崗巖紅壤坡面，PAM1200-10的減沙率較PAM1200-2成效顯著(p<0.01)。

(4)在總產(chǎn)流量方面，施用PAM均有提升產(chǎn)流量的效果，施用量越大提升產(chǎn)流效果越明顯，只有花崗巖紅壤坡面相反；在總產(chǎn)沙量方面，施用PAM均有較好的減沙效果，伴隨著施用量的增加減沙率呈現(xiàn)增大趨勢，特別是第四紀紅壤和花崗巖紅壤坡面，PAM1200-10與PAM1200-2相比減沙成效顯著，紫色土坡面PAM1200-2減沙率略高于PAM1200-10。

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Response of Runoff and Sediment to PAM in Typical Soil Slopes of South China

SONG Yuejun1,2HUANG Yanhe1YANG Jie2,3ZUO Jichao2,3LIAO Kaitao2,3XIAO Long4

(1.CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China2.JiangxiInstituteofSoilandWaterConservation,Nanchang330029,China3.JiangxiKeyLaboratoryofSoilErosionandPrevention,Nanchang330029,China4.SoilandWaterConservationStationofTaiheCounty,Ji’an343700,China)

The artificial simulation rain experiment in field was designed to study the influence mechanism of polyacrylamide (PAM) on the process of runoff and sediment in four typical red soil slopes derived from different soil parent materials of South China under the condition of 140 mm/h short-duration heavy rainfall. The experimental treatments included two kinds of PAM application rate of 2 g/m2and 10 g/m2, which were expressed as PAM1200-2 and PAM1200-10, respectively. The results showed that the total runoff, unit sampling time runoff coefficient, cumulative sampling time runoff coefficient in each slope were increased significantly (p<0.01)， and the runoff with elevation order was quaternary red soil slope, red sandstone red soil slope, purple soil slope and granite red soil slope. The increase efficiency of runoff in the treatment of PAM1200-10 was more than that in PAM1200-2 treatment in different soil slopes except granite red soil slope. The increasing order of steady flow time was quaternary red soil slope (12 min), red sandstone red soil slope (15 min), granite red soil slope (24 min) and purple soil slope (24 min). There was no significant difference between the two kinds of PAM application rate (PAM1200-2 and PAM1200-10) in raising runoff yield. There was a significant decrease (p<0.01) in the total sediment, unit sampling time sediment concentration and unit sampling time sediment of each slope, the sediment reduction rate was the most remarkable in quaternary red soil slope with both of the two kinds of PAM application rate, there was slight difference in sediment reduction in red soil slopes derived from other three types of parent materials. The sediment reduction rate of PAM1200-10 was greater than that of PAM 1200-2 in different soil slopes, except purple soil slope. Among them, the sediment reduction rate of PAM1200-2 was more volatile than that of PAM1200-10. The sediment reduction rate of PAM1200-10 was relatively stable except the purple soil slope. In granite red soil slope, the effect of the sediment reduction of PAM1200-10 was significantly improved than that of PAM1200-2 (p<0.01).

red soil regions of South China; artificial simulation; short time heavy rainfall; PAM; typical soil slopes; runoff and sediment process

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.032

2017-06-01

2017-06-26

國家自然科學(xué)基金項目(41461058)、江西省科技成果重點轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化項目(20132BBI90025)、水利部公益性行業(yè)科研專項(201501047)和江西省水利重大科技項目(KT201616、KT201518)

宋月君(1982—)，男，博士生，江西省水土保持科學(xué)研究院高級工程師，主要從事土壤侵蝕研究，E-mail： well3292@126.com

黃炎和(1962—)，男，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，E-mail： yanhehuang@163.com

S157.2

A

1000-1298(2017)08-0279-09