PAM 和PG 對土壤入滲及坡面產(chǎn)沙的調(diào)控效應

侯禮婷，焦愛萍，申震洲，段喜明，陳 誠

（1.河南省小流域生態(tài)水利工程技術研究中心，河南 開封 475000； 2.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475000；3.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 4.山西農(nóng)業(yè)大學，山西 太谷 030800）

黃土高原是黃河流域水土流失治理的重點區(qū)域，研究黃土坡面水土流失治理新措施是減少入黃泥沙、改善生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)實需求［1-3］。 近年來，高分子材料用于水土流失治理日益得到重視，其中PAM（聚丙烯酰胺）和PG（磷石膏）是頗受關注的高分子材料［4-5］。PAM 是一種水溶性的高分子聚合物，具有很強的吸水性，安全無毒，可使土壤中水穩(wěn)性團聚體增多，進而增強土壤滲透性、提高表層土壤抗蝕能力，因此多被用于土壤改良，其在改善土壤性質(zhì)、控制水土流失等方面有較好的效果［6-8］；PG 的主要成分為石膏，可作為土壤調(diào)理劑使土壤中黏粒的分散性減弱，從而抑制土壤表面結皮［9］。 在發(fā)達國家，一般將PAM 添加在灌溉水中，用于提高土壤入滲率［10-11］；國內(nèi)對PAM 的應用范圍相對更為廣泛，例如改良土壤、控制土壤侵蝕、增加土壤入滲量等，并開展了許多相關研究［12-16］。 趙偉等［17］研究了PAM 對坡面產(chǎn)沙的阻控效果，認為將PAM 拌于土中，能顯著減少坡面產(chǎn)沙量及溶質(zhì)的流失量、增加土壤水分入滲量；楊永輝等［18］的研究表明，雖然PAM 對提高黃綿土和黑壚土的持水量均有明顯效果，但對水土保持作用的改善效果并不明顯；王麗等［19］對黑壚土進行的室內(nèi)人工降雨試驗表明，施用PAM 使5°和15°坡面產(chǎn)流量增加而減少了25°坡面產(chǎn)流量，PAM 對坡面產(chǎn)沙的抑制作用有8 ～10 min 的滯后效應。 目前，施用PAM 和PG 對黃土坡面入滲、產(chǎn)沙過程的調(diào)控規(guī)律仍是需要研究的課題，因此筆者采用野外徑流小區(qū)人工降雨試驗的方法，結合黃土丘陵溝壑區(qū)淡褐土坡面的特點，研究了施用PAM、PG 對土壤入滲、坡面產(chǎn)沙過程的調(diào)控作用，以期為PAM 和PG用于黃土區(qū)水土流失治理、促進水土保持技術發(fā)展等提供基礎理論依據(jù)。

1 試驗設計與測量方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省呂梁市沙溝小流域，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地貌形態(tài)起伏變化不大，試驗坡面主要由以風積黃土為母質(zhì)的土壤組成，土壤有機質(zhì)含量低、結構不良、保水保肥性能較差［20］；多年平均降水量416 mm，降水年內(nèi)分布不均（主要集中在6—9 月）；土壤侵蝕以水力侵蝕為主，土壤侵蝕模數(shù)為6 800 t／（km2·a）。

1.2 試驗設計

根據(jù)試驗目的，設置5°、10°、15°等3 個坡度的試驗小區(qū)。 小區(qū)的水平投影尺寸均為1 m×3 m，地表為無植被覆蓋的裸露黃土。 采用人工模擬的方法產(chǎn)生試驗降雨，根據(jù)試驗區(qū)多年暴雨頻率分析，試驗降雨強度設定為較常發(fā)生的55 mm／h；經(jīng)現(xiàn)場率定，人工模擬降雨的均勻度在80%以上。

試驗采用的高分子材料有兩種：一種是PAM，主要成分是（C3H5NO）n；另一種是PG，主要成分為CaSO4·2H2O，其有效含量約為90%，屬磷銨工業(yè)的副產(chǎn)品。 據(jù)前人對PAM 的試驗研究成果［21-25］，PAM 施用量集中在0.3～2.0 g／m2，若施用量過高，則會使土壤黏度增大，導致土壤板結、孔隙堵塞。 經(jīng)比選，本試驗采用的PAM 施用量為1、2 g／m2。 PG 中含有微量有害物質(zhì)，為避免對土壤造成二次污染，PG 施用量應嚴格控制，經(jīng)分析比較，本試驗采用的PG 施用量為100、200 g／m2。 試驗時，將PAM 和PG 分別與少量土混合均勻后，直接撒在土壤表面，經(jīng)過3 d 自然沉降后開始試驗。 本試驗共設計5 個組次的試驗處理，各處理小區(qū)的PAM 和PG 施用量見表1（其中CK 為裸土對照）。

表1 各處理PAM 和PG 施用量 g／m2

1.3 測量方法

人工模擬降雨前，采用TDR 土壤水分速測儀測定土壤含水率，每次試驗前各小區(qū)的土壤含水率基本相同且與當?shù)赝寥辣３忠恢拢s為11%）；通過調(diào)節(jié)人工降雨系統(tǒng)壓力器校準雨強，在小區(qū)四角及中間部位布設自記雨量計。 試驗開始后，在自記雨量計記錄降雨開始時刻、降雨量的同時，觀察并記錄坡面產(chǎn)流開始時刻，產(chǎn)流開始后每隔2 min 用取樣器取徑流泥沙樣，把樣品裝入廣口瓶并貼上標簽，標記收集時間，同時記錄集流桶內(nèi)的水位。 降雨結束后，測定總徑流量，并采用全深剖面采樣器取樣，作為次徑流樣品。 采用烘干稱重法測定樣品泥沙量，進而計算次降雨產(chǎn)沙量；由降雨量、徑流總量推算土壤入滲率。

2 結果與分析

2.1 施用PAM 和PG 對土壤入滲率的調(diào)控效果比較

2.1.1 各種處理的增滲效果比較

圖1為同一坡度坡面不同處理的土壤入滲率變化過程比較。 經(jīng)統(tǒng)計分析，在同一坡度坡面上各處理小區(qū)的土壤入滲率變化規(guī)律基本一致，均符合如下二次多項式：

圖1 同一坡度不同處理的入滲率變化過程比較

式中：f為入滲率，mm／min；t為時間，min；a、b、c均為參數(shù)（常數(shù)），與地面坡度及PMA、PG 施用量有關，見表2。

表2 式（1）的參數(shù)及相關系數(shù)

圖1表明，各處理的土壤入滲率隨降雨歷時延長均呈降低趨勢，當降雨歷時達到一定時間后，3 個坡度的土壤入滲率均可達到穩(wěn)定狀態(tài)。 對式（1）求一階導數(shù)，并令其等于零，即可求得各試驗工況下達到穩(wěn)滲的臨界時間。

由圖1（a）可知：5°坡面達到穩(wěn)滲的臨界時間為14～17 min，其中PAM2 達到穩(wěn)滲的臨界時間最長、PAM1 達到穩(wěn)滲的臨界時間最短；5 種處理的穩(wěn)滲率差異明顯，其中PAM2 的最高、PG200 的最低（比CK 的還低）；與CK 相比，除PG200 外其他3 種處理的土壤入滲率均有所提高，為CK 的1.1 ～1.4 倍；從初始入滲率來看，除PG200 較?。?.77 mm／min）外，包括CK 的其他4 種處理相差不大（為0.82 ～0.88 mm／min）。PG200 的入滲率不升反降的原因，可能是加入的高純度磷石膏PG 質(zhì)地較細，加之坡度較小，施用量較高時，容易造成表層土壤孔隙被物理封閉，阻礙了水分入滲，對此需進一步研究。 綜上所述，在5°坡面上，在施用兩種高分子材料的4 種處理中，PAM2（即PAM 施用量為2 g／m2）對提高入滲率效果最佳。

由圖1（b）可知：在10°坡面上各處理的入滲過程與5°坡面的有一定差別，即施用高分子材料的各處理土壤入滲率均明顯提高（最大較CK 提高約1.3 倍），初始入滲率也明顯提高（提高幅度為2.8%～17.7%）；5 種處理達到穩(wěn)滲的臨界時間為14～18 min，PAM2 對提高土壤入滲率的效果最明顯、達到穩(wěn)滲的臨界時間最長，這與5°坡面的基本一致。 總體來說，PAM1 和PAM2 在降雨初期提高入滲率的效果顯著，二者的穩(wěn)滲率基本相同。 在施用PG 的試驗小區(qū)中，PG200 的入滲率提高幅度相對較小，PG100 的入滲率略高于PG200 的，兩者達到穩(wěn)滲的時間基本上一致。 整體來看，提高入滲率效果最好的處理仍是PAM2。

由圖1（c）可知：15°坡面達到穩(wěn)滲的時間為14 ～16 min，與上述5°、10°坡面的差別不大，提高入滲率效果最好的處理也是PAM2；與5°的相似，PG200 的入滲率較CK 有所降低。

綜上所述，在5°～15°坡面上各處理達到穩(wěn)滲的臨界時間基本一致，施用PAM 后土壤入滲率有一定程度的提高、施用PG 后出現(xiàn)了土壤入滲率降低的情況，其中PAM 施用量為2 g／m2的效果最好、PG 施用量為200 g／m2的效果相對較差。

2.1.2各種處理對不同坡度坡面的增滲效果比較

各種處理的不同坡度坡面入滲率變化過程比較見圖2，可以看出：無論采取何種處理， 5°與10°坡面的入滲率差別都不大且均明顯高于15°坡面的；在施用兩種高分子材料的4 種處理中，除PAM2 處理的試驗后期外，其他幾種處理的入滲率均是10°坡面的稍大于5°坡面的，并不是坡度越緩入滲率越高，這是值得注意的現(xiàn)象，其產(chǎn)生的機理需進一步研究。

圖2 各種處理的不同坡度坡面入滲率變化過程比較

從達到穩(wěn)滲的臨界時間來看：CK 的最長、PAM2的最短；不論何種處理，15°坡面均最早達到穩(wěn)滲，這同樣是值得注意的現(xiàn)象。 總體上來看，不同坡度達到穩(wěn)滲的臨界時間雖有差別但差別相對不大，15°坡面經(jīng)PAM2 處理后不僅達到穩(wěn)滲的臨界時間最短而且穩(wěn)滲率明顯高于對照（CK）的。

2.2 施用PAM 和PG 對產(chǎn)沙量的調(diào)控效果

圖3為各處理小區(qū)產(chǎn)沙量與徑流量雙累積曲線，可以看出：相同徑流量對應的產(chǎn)沙量均隨坡度增大而增加，15°小區(qū)的產(chǎn)沙量明顯大于5°、10°小區(qū)的，施用PAM、PG 并沒有改變產(chǎn)沙量與坡度的基本關系；施用PAM、PG 的4 種小區(qū)，產(chǎn)沙量與CK 相比均明顯減少，就試驗條件范圍內(nèi)的最大產(chǎn)沙量而言，其減幅大都在50%以上。

包括CK 在內(nèi)的各種處理小區(qū)的產(chǎn)沙量與徑流量雙累積曲線均符合式（2）所示冪函數(shù)關系，產(chǎn)沙量與徑流量之間的這種關系與李毅［26］的研究結論一致。

式中：WS為累積產(chǎn)沙量，g；W為累積徑流量，L；K、n分別為系數(shù)、指數(shù)，與地面坡度及PMA、PG 施用量有關（見表3）。

表3 式（2）的參數(shù)與相關系數(shù)

對式（2）求導，可以得到含沙量S與徑流量的關系：

式中：α＝n-1；K0＝Kn。

由表3 可知，式（2）中指數(shù)n的值除15°坡面PAM2 處理大于1 外，其他處理均小于1，即α＜0。 進而由式（3）可知，隨徑流量增大，水流含沙量呈減小趨勢，這與溫永福等［27］研究得出的隨徑流量增大產(chǎn)沙量增速趨緩或不再明顯增加的結論是一致的。

由圖3 可知，在試驗初期，隨著累積徑流量增加，各處理小區(qū)的累積產(chǎn)沙量均明顯增加，當累積徑流量達到一定值后，除CK 外，施用PAM、PG 的小區(qū)產(chǎn)沙量增速均明顯降低，即單位徑流量的產(chǎn)沙量較初期的降低，隨徑流量增加，產(chǎn)沙過程可較早地進入減緩階段，說明PAM、PG 對產(chǎn)沙過程具有明顯的調(diào)控作用。 總體而言，施用PAM 或PG 后，除PAM1 的產(chǎn)沙量變化呈現(xiàn)先快后慢的趨勢外，其他處理的雙累積曲線均較平緩，即產(chǎn)沙量的增長速率均較小。 導致PAM1 處理的產(chǎn)沙量變化速率隨累計徑流量增大先增后減的原因可能是，降雨初期小劑量施用的PAM 經(jīng)過沉降后分布得不均勻，導致分布在表層土壤中的PAM 較少，對表層土壤不足以產(chǎn)生足夠的黏結力，致使表層土壤被沖刷，因而降雨初期產(chǎn)沙量增速較大，在表土被沖刷后其下土層因受到PAM 黏結力的影響而產(chǎn)沙量增速開始減小。

綜上所述，施用高分子材料的4 種處理均可顯著減少產(chǎn)沙量，各處理減沙效果優(yōu)劣排序為PAM2 ＞PG200＞PAM1＞PG100，其中控制產(chǎn)沙效果最顯著的是15°坡面PAM2 處理（即PAM 施用量為2 g／m2），與CK 相比，其減沙率在70%以上。

3 結 論

基于野外人工模擬降雨小區(qū)試驗，分析了黃土丘陵溝壑區(qū)典型坡面施用高分子材料PAM 和PG 對土壤入滲、坡面產(chǎn)沙的調(diào)控作用，得到以下初步認識：在5°～15°黃土坡面上施用PAM、PG 可提高土壤入滲率并縮短達到相對穩(wěn)滲的時間、減少坡面產(chǎn)沙量，即對入滲、產(chǎn)沙過程均有一定的調(diào)控作用，增滲、減沙效果與高分子材料類型及施用量有關，在施用高分子材料的各種處理中， PAM 施用量為2 g／m2的增滲效果最為明顯、PAM 施用量為2 g／m2和PG 施用量為200 g／m2的減沙效果較明顯，但在5°和15°坡面上PG 施用量為200 g／m2時反而降低了土壤入滲率，這一現(xiàn)象值得進一步研究；雖然施用PAM、PG 可以提高土壤入滲率、減少坡面產(chǎn)沙量，但沒有改變土壤入滲率隨降雨歷時的變化規(guī)律和產(chǎn)沙量對徑流量增加的響應規(guī)律，土壤入滲率與降雨歷時呈二次多項式關系，產(chǎn)沙量隨徑流量的增加呈冪函數(shù)增加、含沙量隨徑流量增加呈減小趨勢。

由于高分子材料PAM、PG 具有復雜的化學、物理性質(zhì)，與土壤結合后對徑流、泥沙的調(diào)控作用機理也必然是非常復雜的，因此對于其增滲減蝕的調(diào)控機理及試驗中出現(xiàn)的個別特殊現(xiàn)象需開展進一步研究。