保水劑施用方式對花崗巖紅壤坡面水土保持的影響分析

趙丹萍

(江西省修江水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，南昌 330000)

1 保水劑特點

近幾年，隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工程建筑大量崛起，水土流失問題日益突出，水土流失帶來的土壤肥力減退、旱澇災(zāi)害頻繁、河道擁堵等問題被國家相關(guān)部門關(guān)注，并加大整治力度。保水劑主要材料是高吸水性樹脂，這種樹脂材料有超強(qiáng)的吸水能力，材料無毒害，可以反復(fù)吸水、緩慢放水，是一個“微型水庫”[1]。另外，他除了能吸水外還能吸收肥料、農(nóng)藥，通過保水劑的緩慢釋放，增加肥效、藥效，廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝、建筑材料等方面。總結(jié)來說保水劑有以下4個特點：

1)保水作用。保水劑樹脂材料不溶于水，但能吸收比自重成百上千倍的水分，將這些水分吸進(jìn)樹脂材料網(wǎng)格中保存，土壤摻入一定量保水劑后，能夠有效抑制土壤中水分蒸發(fā)，降低土壤飽和導(dǎo)水率，提高飽和含水量，從而在土壤含水量豐富時吸水，土壤干旱時緩慢放水，提高水資源的利用率，植物在較濕潤的土壤環(huán)境下有利于它們的生長和發(fā)育，即使在惡劣環(huán)境中也能健康生長。

2)保肥作用。保水劑不僅能夠吸收水分，還能吸收溶于水的肥料和農(nóng)藥，將含有肥料和農(nóng)藥的水分吸收到保水劑樹脂材料中，能夠降低肥料和農(nóng)藥的雨水沖刷損失，提高肥料和農(nóng)藥的利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

3)保溫作用。在土壤中使用保水劑后，保水劑吸收水分的同時也吸收白天光照熱量，在夜晚溫度降低時，保水劑釋放能量散熱平衡夜間溫度，從而起到降低白天和夜晚溫差的緩沖作用。研究表明，在沙壤土中加入0.1-0.2%的保水劑，采用溫度檢測儀對10cm土層進(jìn)行溫度監(jiān)測，在相同環(huán)境條件下，加入保水劑土壤溫度為11-13.5℃，沒有保水劑土壤溫度為11-19.5℃，加入保水劑土壤溫差明顯小于未加保水劑土壤。

4)改善土壤結(jié)構(gòu)。將保水劑摻入土壤中，隨著保水劑的吸水膨脹、釋水收縮，可以降低土壤板結(jié)，使土壤孔隙增大變得疏松，增加土壤的通透性。

2 研究方法和材料選擇

保水劑施用方式多樣，主要有層施、溝施、混合施用3種，不同的施用方式對水土保持的效果有一定差距，為了研究保水劑施用方式對花崗巖紅壤坡面水土保持的影響，文章采用模擬降雨試驗進(jìn)行研究，從而確定中國南方紅壤地區(qū)水土保持保水劑的最佳施用方式[2-3]。

模擬降雨試驗使用HQJY全自動便攜式人工降雨模擬器，設(shè)置降雨均勻度在80%以上，降雨高度設(shè)置在6m，降雨強(qiáng)度控制在1.0mm/min、1.5mm/min兩個降雨強(qiáng)度，每個降雨強(qiáng)度分別進(jìn)行3次，試驗共進(jìn)行6次降雨。每次降雨降雨量控制在120mm，隔3min收取1份徑流泥沙樣本，降雨停止后，將泥沙樣本靜置24h，然后用量筒測量泥沙體積。底層的泥沙用篩子過濾然后置于105°烘箱中烘干，重新承重。土壤入滲率用環(huán)刀法測量，土壤含水量用烘干法測量。

試驗紅壤選擇江西省修水縣海拔800m以上低山地區(qū)，經(jīng)地質(zhì)勘測，該地區(qū)為典型花崗巖紅壤地區(qū)。試驗紅壤主要為砂質(zhì)粘壤土，<0.25mm的土壤顆粒占17.41%，0.25-0.5mm的土壤顆粒占16.80%，0.5-1.0mm的土壤顆粒占19.56%，1.0-2.0mm的土壤顆粒占22.05%，>2mm的土壤顆粒成分占24.18%。

試驗所用土槽為長寬高為30×15×11cm移動式塑料槽，土槽坡度為15°，保水劑的用量為土壤干重的0.05%，試驗前土壤需要晾曬風(fēng)干后過10mm篩子過濾，進(jìn)行土槽填土前為了保證模擬降雨試驗土壤的真實性需要在土槽底部填入2mm細(xì)沙，細(xì)沙上鋪設(shè)紗網(wǎng)布，并在土槽底部鉆小孔增加通氣性。填土按照分層填裝，每層保證在3cm，填土?xí)r要注意壓平，并保證表面平整，保證土層的厚度和密度一致，土壤的容重保證在1.20-1.26g/cm3[4-5]。

保水劑采用山東華濰新材料科技有限公司生產(chǎn)專利號為ZL200710114550.6的旱地寶，本產(chǎn)品的性能指標(biāo)完全符合《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)農(nóng)林保水劑》(NY886-2010)標(biāo)準(zhǔn)。保水劑施用方式分別用R1(層施)、R2(溝施)、R3(混施)代表，不施用保水劑用CT代表。

3 保水劑不同施用方式分析

3.1 不同施用方式花崗巖紅壤坡面徑流特征

徑流是土壤流失的主要外動力，不同雨強(qiáng)對實驗土壤產(chǎn)流的影響，見圖1。結(jié)果顯示：在一定雨強(qiáng)下，不同施用方式產(chǎn)流初期徑流量均比較低，隨著降雨時間延長，產(chǎn)流量隨時間推移逐漸上升，達(dá)到峰值以后徑流量趨于穩(wěn)定。當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到1.0mm/min時，CT的初始產(chǎn)流為60min，時間最早，R1、R2時間和CT接近，R3最晚63min；當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到1.5mm/min時，CT的初始產(chǎn)流時間最早，其次R1、R2，R3的初始產(chǎn)流時間最晚。由圖1數(shù)據(jù)可以證明：①在土壤中添加一定量保水劑可以有效減緩坡面的初始產(chǎn)流時間，降低土壤產(chǎn)流量；②當(dāng)雨強(qiáng)在1.0mm/min，CT的初始產(chǎn)流時間最早，R1、R2初始產(chǎn)流時間差異不大，R3的初始產(chǎn)流時間最晚，說明在雨強(qiáng)為1.0mm/min時，采用混合施用保水劑效果最好；③當(dāng)雨強(qiáng)在1.5mm/min時，CT的初始產(chǎn)流時間最早，其次R1、R2、R3，說明雨強(qiáng)為1.5mm/min時，同樣混合施用保水劑效果最好。

不同施用方式下的累積產(chǎn)流量，見圖2?？梢钥闯鲭S著雨強(qiáng)增大，坡面的累積產(chǎn)流量也越大，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，各施用方式累積產(chǎn)流量從大到小分別為CT、R1、R2、R3，CT未施用保水劑的累積產(chǎn)流量比R3的施用方式多34%，比R2的施用方式多15%，比R1的施用方式多18%，可以證明在1.0mm/min雨強(qiáng)下，不管采用哪種保水劑施用方式，均能降低土壤的累積產(chǎn)流量，3種保水劑施用方式對比，混合施用的累積產(chǎn)流量最少。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，各施用方式累積產(chǎn)流量從大到小分別為CT、R2、R3、R1，CT未施用保水劑的累積產(chǎn)流量比R1的施用方式多46%，比R3的施用方式多35%，比R2的施用方式多29%，可以證明在1.5mm/min雨強(qiáng)下，不管采用哪種保水劑施用方式，均能降低土壤的累積產(chǎn)流量，3種保水劑施用方式對比，層施的累積產(chǎn)流量最少。

圖1 不同雨強(qiáng)對實驗土壤產(chǎn)流的影響

圖2 不同施用方式下的累積產(chǎn)流量

3.2 不同施用方式花崗巖紅壤坡面產(chǎn)沙特征

產(chǎn)沙量是研究坡面侵蝕程度的重要指標(biāo)，不同施用方式對坡面產(chǎn)沙量影響，見圖3?？梢钥闯鯟T未施用保水劑坡面產(chǎn)沙量波動最大且產(chǎn)沙量最大，施用保水劑產(chǎn)沙量前期出現(xiàn)波動上升，達(dá)到一定高度后趨于穩(wěn)定，另外隨著雨強(qiáng)的增大，不同施用方式坡面產(chǎn)沙量波動均更加明顯。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，產(chǎn)沙量波動程度由高到低分別為CT、R1、R2、R3，可以證明保水劑采用混施產(chǎn)沙量波動最小，土壤穩(wěn)定性更強(qiáng)。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，產(chǎn)沙量波動程度由高到低分別為CT、R2、R3、R1，可以證明保水劑采用層施產(chǎn)沙量波動最小，土壤穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖3 不同施用方式對坡面產(chǎn)沙量影響

不同施用方式坡面產(chǎn)沙量，見圖4。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，產(chǎn)沙量由高到低分別為CT(2.13g)、R1(1.44g)、R2(1.39g)、R3(1.08g)，可以證明土壤中施用保水劑能夠明顯降低土壤坡面的產(chǎn)沙量，保水劑采用混施的方法坡面產(chǎn)沙量最少。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，產(chǎn)沙量由高到低分別為CT(2.3g)、R2(1.23g)、R3(1.19g)、R1(0.73g)，可以證明土壤中施用保水劑能夠明顯降低土壤坡面的產(chǎn)沙量，保水劑采用層施的方法坡面產(chǎn)沙量最少[6]。

圖4 不同施用方式坡面產(chǎn)沙量

3.3 不同施用方式坡面入滲率

土壤入滲率是反應(yīng)坡面抗侵蝕能力以及坡面涵養(yǎng)水分能力大小的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，入滲率的大小與坡面侵蝕產(chǎn)沙也有極大影響。降雨不僅是土壤水分的主要來源，也影響土壤的入滲過程，是水分入滲的主要控制因素。不同施用方式坡面入滲率，見圖5。從圖中數(shù)據(jù)可以看出隨著降雨時間增加，入滲率逐漸降低，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，剛開始不同施用方式的入滲率差別較小，隨著降雨時間增加，施加保水劑坡面入滲率比未施加保水劑坡面入滲率高，且波動較小。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，從降雨開始不同施用方式的入滲率差別較明顯，隨著降雨時間增加，施加保水劑坡面入滲率明顯比未施加保水劑坡面入滲率高，差距明顯，波動也較小。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，雨強(qiáng)1.5mm/min和雨強(qiáng)1.0mm/min相比，入滲率波動更小，入滲率數(shù)值更高；不同施用方式對比差異較?。辉谕寥乐刑砑颖Ｋ畡┖竽苊黠@提高坡面的入滲率，提高坡面抗侵蝕能力以及坡面涵養(yǎng)水分能力。

圖5 不同施用方式坡面入滲率

3.4 不同施用方式坡面土壤含水量

保水劑具有優(yōu)良想的吸水性能，能夠顯著提高土壤含水量，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，不同施用方式土壤含水量由大到小分別為R1(34%)、R3(33%)、R2(31%)、CT(23%)，施用保水劑的土壤含水量明顯高于未施用保水劑的土壤。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，不同施用方式土壤含水量由大到小分別為R3(36%)、R1(33%)、R2(32%)、CT(25%)，同樣施用保水劑的土壤含水量明顯高于未施用保水劑的土壤。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，添加保水劑土壤的幾種施用方式吸水性能無明顯差異，但都明顯高于未施加保水劑的土壤，說明保水劑的保水性能優(yōu)良，能夠明顯增加土壤中的含水量，且在一定程度下降雨量越大吸水效果越明顯，與未施加保水劑土壤的含水量差距越大。不同施用方式對土壤含水量影響，見圖6。

圖6 不同施用方式對土壤含水量影響

3.5 坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)分析

通過不同施用方式對坡面徑流量、泥沙量影響進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，坡面徑流量和泥沙量的關(guān)系滿足的函數(shù)方程式為：

Y=AXB

(1)

式中：X為代表累積徑流量；Y為代表累積泥沙量；A、B為代表相關(guān)系數(shù)。

不同施用方式、不同雨強(qiáng)下，坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)，見表1。從表1中可以看出：坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)均>0.99，說明在一定雨強(qiáng)下不管哪種施用方式保水劑對坡面徑流量、泥沙量的影響均比較大。公式(1)的函數(shù)類型為冪函數(shù)，當(dāng)累積徑流量增大時，積累泥沙量也隨之增大，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，不同施用方式坡面徑流量和泥沙量函數(shù)數(shù)值由大到小分別為CT、R1、R2、R3。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時，不同施用方式坡面徑流量和泥沙量函數(shù)數(shù)值由大到小分別為CT、R3、R2、R1。

表1 不同施用方式、不同雨強(qiáng)下，坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

施用保水劑能夠延緩徑流時間、降低產(chǎn)沙量、提高入滲率、提高含水量。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，采用混施的初始產(chǎn)流時間最長、混施的累積產(chǎn)流量最小、混施的產(chǎn)沙量最小、施加保水劑坡面入滲率比未施加入滲率高，不同施用方式的入滲率差別較小、層施的含水量最高。

當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時，采用混施的初始產(chǎn)流時間最長、層施的累積產(chǎn)流量最小、層施的產(chǎn)沙量最小、施加保水劑坡面入滲率比未施加入滲率高，不同施用方式的入滲率差別較小、混施的含水量最高。

坡面徑流量、泥沙量的函數(shù)類型為冪函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均>0.99，說明在一定雨強(qiáng)下不管哪種施用方式保水劑對坡面徑流量、泥沙量的影響均比較大。