聚丙烯酰胺和石膏粉對黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

摘 要：為揭示聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）和石膏粉對黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，進行ＰＡＭ 施用量為０～６．０ ｇ／ ｍ２、石膏粉施用量為０～１５０ｇ／ ｍ２、坡面坡角為１５°～２５°、不同雨強共１８ 種處理小區(qū)的野外模擬人工降雨試驗，分析了各類小區(qū)降雨產(chǎn)流時間、徑流系數(shù)、徑流挾沙率隨ＰＡＭ 和石膏粉施用量的變化情況。結(jié)果表明：１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延緩降雨初始產(chǎn)流，且施用量越大延緩時間越長。２）施用ＰＡＭ 使徑流系數(shù)增大，不同施用量的徑流系數(shù)均在對照的１．４ 倍以上；施用石膏粉使徑流系數(shù)減小，施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數(shù)較對照減小幅度為２２．２％；ＰＡＭ、石膏粉分別對連續(xù)降雨的前２ 場、首場降雨產(chǎn)流的影響顯著，對后續(xù)場次降雨產(chǎn)流的影響均明顯衰減。３）施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量，且施用量越大抗蝕、減沙作用越大，ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率較對照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率比對照提高１２５％；ＰＡＭ、石膏粉分別對連續(xù)降雨的前２ 場、前３ 場降雨產(chǎn)沙有較顯著的影響，對后續(xù)場次降雨產(chǎn)沙的影響均明顯衰減。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酰胺；石膏粉；黃土坡地；徑流系數(shù)；徑流挾沙率；土壤抗蝕性

中圖分類號：Ｓ１５７．１ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２１

引用格式：李樊敏．聚丙烯酰胺和石膏粉對黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１１６－１１９，１３９．

坡地是黃土高原水土流失嚴(yán)重的土地類型［１－４］ 。聚丙烯酰胺（ＰＡＭ ）與石膏粉都是效果良好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，有關(guān)學(xué)者對其用于坡地水土流失防治的效果等進行了大量研究［５］ 。多數(shù)研究表明ＰＡＭ 與石膏粉的施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)、增加水分入滲量、增強土壤的吸水能力、減少水土流失等［６－１０］ ；也有學(xué)者認(rèn)為ＰＡＭ 吸水后體積膨脹，在一定程度上堵塞了土壤孔隙，進而降低土壤入滲率［１１］ 。筆者通過野外人工模擬降雨試驗，研究了坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉對不同降雨強度下產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，以期為黃土高原坡地水土流失治理及相關(guān)研究提供參考。

１ 研究方法

１．１ 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃土高原腹地的陜西省延安市安塞區(qū)縣南溝流域，屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)土壤以黃綿土為主，其質(zhì)地疏松，沙粒及粉沙粒含量較高（約為６０％）、黏粒含量低，穩(wěn)定性差，抗蝕性弱，土壤侵蝕強烈，水土流失嚴(yán)重［１２］ ；年均降水量５０５ ｍｍ，雨季主要為６—９ 月（降水量占全年的７４．３％）；人均水資源量僅為全國人均水資源量的４１．５％，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。

１．２ 試驗材料

ＰＡＭ 選用膠粉（Ａ３０ 型），它是一種聚丙烯酰胺和丙烯酸鹽的交鏈體共聚物，為陰離子型高分子白色粉末，能以任意濃度溶于水，可與土壤中的陽離子交換，增強土壤中水穩(wěn)性團聚體的凝聚能力，形成大的團聚體，增強土壤的抗蝕性，且可防止土壤結(jié)皮的形成，從而改善土壤入滲狀況、保水保土。

石膏粉主要成分為硫酸鈣ＣａＳＯ４，通常為白色粉末，潮濕情況下易結(jié)塊，可作為鈣、硫復(fù)合礦物肥料用于改良土壤、調(diào)節(jié)土壤酸堿度，或作為家禽、家畜飼料添加劑等。

１．３ 試驗設(shè)計

本試驗采用噴灌組合系統(tǒng)進行人工模擬降雨。通過正交試驗設(shè)計，設(shè)置ＰＡＭ 施用量（用ｘＰＡＭ表示，取值為０、０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ ）、石膏粉施用量（用ｘＰＧ表示，取值為０、８０、１５０ ｇ／ ｍ２ ）、坡角（１５°、２０°、２５°）、雨型（大雨、中雨、小雨）等４ 個因素，共１８ 種處理（見表１），其中：ＰＡＭ 和石膏粉施用量的設(shè)定參考了于鍵等的研究［８］ ；坡角設(shè)定的依據(jù)是縣南溝流域自然山坡及坡耕地的最大坡度；雨型設(shè)定參考了王玲莉等［１３］ 的研究，設(shè)定小雨雨強為１５ ～ ２０ ｍｍ／ ｈ、中雨雨強為２５～３０ ｍｍ／ ｈ、大雨雨強為３５～４０ ｍｍ／ ｈ。試驗小區(qū)尺寸為３ ｍ×１ ｍ（長×寬），相鄰小區(qū)用地埂隔開（埂寬０．１ ｍ）。每次人工降雨范圍為并列的６ 個小區(qū)，用塑料布遮蓋相鄰小區(qū)以避免其受到影響。每種處理小區(qū)連續(xù)進行５ 場降雨試驗，每場降雨歷時約為３０ ｍｉｎ，每種試驗重復(fù)２ 次。

１．４ 試驗過程及數(shù)據(jù)處理

采用多噴頭組合進行人工模擬降雨，通過增減噴頭數(shù)量和設(shè)置噴頭仰角、擺角等來調(diào)節(jié)降雨強度。為每個小區(qū)準(zhǔn)備１０ 個徑流桶，按順序編號備用。當(dāng)坡面開始產(chǎn)流時記錄產(chǎn)流時間，之后每隔３～５ ｍｉｎ 更換一次徑流桶并記錄更換時間。降雨停止后測量徑流桶中的徑流量，結(jié)合降雨量計算降雨徑流系數(shù)。將每個徑流桶中的泥沙分別倒入帶編號的試驗瓶中進行風(fēng)干，之后稱重。依據(jù)風(fēng)干沙重、產(chǎn)流時間、換桶時間可繪制產(chǎn)沙過程線、計算累計產(chǎn)沙量等。采用ＥＸＣＥＬ 軟件進行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制等。

２ 結(jié)果與分析

２．１ ＰＡＭ 和石膏粉對產(chǎn)流的影響

２．１．１ ＰＡＭ 和石膏粉對土壤初始產(chǎn)流時間的影響

施用ＰＡＭ 后坡地小區(qū)在大雨、中雨、小雨情況下的初始產(chǎn)流時間均有所延長，且延長幅度隨ＰＡＭ 施用量的增加呈增大趨勢（在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時初始產(chǎn)流時間最長），即施用ＰＡＭ 后對坡地產(chǎn)流具有滯后作用（在施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時對中雨產(chǎn)流的滯后作用最明顯），其主要原因是ＰＡＭ 遇水膨脹后形成的水凝膠具有一定持水能力，延緩了產(chǎn)流。計算ＰＡＭ 不同施用量情況下大雨、中雨、小雨初始產(chǎn)流時間的平均值，未施用ＰＡＭ 的坡地小區(qū)平均初始產(chǎn)流時間為２．３４ｍｉｎ，對平均初始產(chǎn)流時間與ＰＡＭ 施用量的關(guān)系進行擬合（見圖１，其中ｙ 為平均初始產(chǎn)流時間，ｘ 為ＰＡＭ施用量，Ｒ２ 為決定系數(shù)）表明，ＰＡＭ 的施用量每增加１ ｇ／ ｍ２平均初始產(chǎn)流時間延長約０．２５ ｍｉｎ。

石膏粉的施用對雨水入滲具有促進作用，因而可以延緩產(chǎn)流。大雨、中雨、小雨平均初始產(chǎn)流時間與石膏粉施用量的關(guān)系擬合（見圖２）表明，平均初始產(chǎn)流時間隨石膏粉施用量的增加而延長，施用量每增加１００ ｇ／ ｍ２平均初始產(chǎn)流時間延長０．７５ ｍｉｎ。

野外模擬降雨的初始產(chǎn)流時間除了受ＰＡＭ 和石膏粉施用量的影響，還受小區(qū)坡度及降雨強度的影響。在坡度（坡角）一定的情況下，雨強與初始產(chǎn)流時間負(fù)相關(guān)，其主要原因：一是隨著降雨強度的增大，在降雨強度大于土壤入滲率時坡地的產(chǎn)流方式由蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑵B產(chǎn)流，土壤尚未達到飽和狀態(tài)就產(chǎn)生了徑流，因而縮短了初始產(chǎn)流時間；二是黃土質(zhì)地疏松，大雨強降雨可將土粒擊碎并充填于土壤孔隙中，因而降低雨水入滲率并產(chǎn)流，使初始產(chǎn)流時間縮短。

２．１．２ ＰＡＭ 和石膏粉對降雨徑流系數(shù)的影響

根據(jù)降雨徑流系數(shù)的變化情況分析ＰＡＭ 和石膏粉對降雨產(chǎn)流的影響。由表２ 可知，施用ＰＡＭ 的坡面小區(qū)徑流系數(shù)明顯增大，不同施用量的徑流系數(shù)均在對照的１．４ 倍以上，其中施用量為４．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流系數(shù)最大（為對照的１．６４ 倍），這與ＰＡＭ 對水分的吸收有很大關(guān)系，ＰＡＭ 吸水形成水凝膠后成為一層保護膜，在一定程度上降低了降雨入滲率，減小了土壤入滲量、增大了地表徑流量。

徑流系數(shù)隨石膏粉施用量的增加而減小，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２時徑流系數(shù)由不施石膏粉的６３％減小至５３％，當(dāng)石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數(shù)進一步減小至４９％（減小幅度為２２．２％）。

２．１．３ ＰＡＭ 和石膏粉對產(chǎn)流影響的持續(xù)性

通過方差分析（結(jié)果見表３），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強對降雨徑流系數(shù)變化的影響程度（貢獻率）及其持續(xù)性。第一場降雨，ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、平均雨強對徑流系數(shù)變化的影響均達到極顯著水平，貢獻率分別為３８％、１２％、２３％；第二場降雨，ＰＡＭ 施用量、坡角對徑流系數(shù)變化的影響達到極顯著水平，二者的貢獻率之和達到５０％，而石膏粉施用量和平均雨強的貢獻率之和僅為１１％；第三、第四、第五場降雨，坡角和平均雨強對徑流系數(shù)變化的影響達到極顯著水平，二者的貢獻率之和分別達到５８％、８８％、７４％，而ＰＡＭ 施用量和石膏粉施用量的貢獻率之和均在１０％以下。綜上所述，ＰＡＭ 對前兩場降雨產(chǎn)流的影響顯著，對第三場降雨產(chǎn)流的影響大幅度衰減，之后其影響呈進一步衰減趨勢；石膏粉對首場降雨產(chǎn)流的影響顯著，對第二降雨產(chǎn)流的影響大幅度衰減，之后其影響更小。

２．２ ＰＡＭ 和石膏粉對產(chǎn)沙的影響

２．２．１ ＰＡＭ 和石膏粉對徑流挾沙率的影響

根據(jù)徑流挾沙率的變化情況分析ＰＡＭ 和石膏粉對產(chǎn)沙的影響。徑流挾沙率計算公式為

β ＝ Ｓ ／ （Ｑρ） × １００％

式中：β 為徑流挾沙率，Ｓ 為產(chǎn)沙量，Ｑ 為徑流量，ρ 為水的密度。

各類小區(qū)每場降雨的徑流挾沙率計算結(jié)果表明：

ＰＡＭ 施加量為０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ 的各類坡地小區(qū)平均徑流挾沙率分別比對照降低１９％、３５％、５８％、７４％、８１％，即施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量，且ＰＡＭ 施用量越大抗蝕、減沙作用越大；石膏粉施用量為８０、１５０ ｇ／ ｍ２的各類坡地小區(qū)平均徑流挾沙率分別比對照提高２７．１％、１２５％，即石膏粉的施用使坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加，且石膏粉施用量越大坡地的抗蝕性越弱、產(chǎn)沙量越大。

ＰＡＭ 與石膏粉不同施用量組合的徑流挾沙率比較見圖３。由圖３ 可知：在不施用ＰＡＭ 的情況下，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率有所下降，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率大幅度提高；在ＰＡＭ 施用量為０．５、１．０、２．０ ｇ／ ｍ２ 的情況下，同時施用石膏粉時徑流挾沙率呈上升趨勢；在ＰＡＭ 施用量為４．０ ｇ／ ｍ２情況下，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率最低；在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２ 時，徑流挾沙率隨著石膏粉施用量的增加逐漸下降。

２．２．２ ＰＡＭ 和石膏粉對產(chǎn)沙影響的持續(xù)性

通過方差分析（結(jié)果見表４），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強對徑流挾沙率變化的影響程度（貢獻率）及其持續(xù)性。第一場降雨，各因素對徑流挾沙率變化的影響均未達到極顯著水平，各因素貢獻率大小順序為ＰＡＭ 施用量＞石膏粉施用量＞平均雨強＞坡角；第二場降雨，僅石膏粉施量量對徑流挾沙率變化有極顯著影響（其貢獻率為１６％），ＰＡＭ 對徑流挾沙率變化的貢獻率為２４％，坡角和平均雨強的貢獻率之和為１７％；第三場降雨，平均雨強和石膏粉施用量對徑流挾沙率變化有極顯著影響（對徑流挾沙率變化的貢獻率分別為４９％、１０％），ＰＡＭ 施用量和坡角的影響較?。ǘ哓暙I率之和僅為９％）；第四、第五場降雨，雨強對徑流挾沙率變化的影響進一步增強（貢獻率分別為６７％、７２％），而ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量及坡角的影響均很?。ㄈ哓暙I率之和僅為１０％左右）。

綜上所述，ＰＡＭ 對前２ 場降雨產(chǎn)沙有較穩(wěn)定的影響、對第三場及以后場次降雨產(chǎn)沙的影響大幅度衰減，石膏粉對前３ 場降雨產(chǎn)沙有一定影響、之后其影響明顯衰減，石膏粉對降雨產(chǎn)沙影響的持續(xù)時間比ＰＡＭ 的稍長。

２．３ 討論

坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉后，表層土壤的微團聚結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因而對降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙有一定影響。

施用石膏粉后，增加了土壤中Ｃａ２＋的含量，可使土壤入滲量增加、地表徑流量減少；施用ＰＡＭ 后，其陰離子可吸附負(fù)電性土壤顆粒［１４］ ，使土壤中的一些細(xì)小顆粒在ＰＡＭ 水凝膠的作用下逐漸團聚，減少游離的土壤微粒，改變土壤的入滲性能，即降低土壤入滲率、增加地表徑流量。這與雷廷武等［１１］ 的研究結(jié)論一致，與侯禮婷等［７］ 的研究結(jié)論（即施用ＰＡＭ 后土壤入滲率有一定程度的提高、施用磷石膏后土壤入滲率降低）不一致，原因可能是受降雨強度、試驗土壤性狀、ＰＡＭ 及石膏粉施用量差異的影響。

ＰＡＭ 水凝膠能黏結(jié)細(xì)小土壤顆粒、形成團聚體，從而增強土壤抗蝕性、減少降雨徑流的產(chǎn)沙量，在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率較對照降低８１％；坡地施用石膏粉后，地表可被徑流輸移沖蝕的松散物質(zhì)增加，導(dǎo)致產(chǎn)沙量增加、徑流挾沙率提高，這與夏海江等［９］ 、陳渠昌［１０］ 的研究結(jié)論基本一致。

ＰＡＭ 對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度較石膏粉對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度高，二者以適當(dāng)?shù)氖┯昧肯嗯浜希捎行г黾油寥廊霛B量、減少產(chǎn)流產(chǎn)沙量，但還需進一步研究。

３ 結(jié)論

１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延緩降雨初始產(chǎn)流，且施用量越大延緩時間越長。

２）施用ＰＡＭ 使徑流系數(shù)增大，不同施用量的徑流系數(shù)均在對照的１．４ 倍以上，施用量為４．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流系數(shù)為對照的１．６４ 倍；施用石膏粉使徑流系數(shù)減小，施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數(shù)較對照減小幅度為２２．２％。ＰＡＭ、石膏粉分別對連續(xù)降雨的前２ 場、首場降雨產(chǎn)流的影響顯著，對后續(xù)場次降雨產(chǎn)流的影響均明顯衰減。

３）施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量，且施用量越大抗蝕、減沙作用越大，ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率較對照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加，且施用量越大對抗蝕、減沙的負(fù)面影響越大，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率比對照提高１２５％。ＰＡＭ、石膏粉分別對連續(xù)降雨的前２ 場、前３ 場降雨產(chǎn)沙有較顯著的影響，對后續(xù)場次降雨產(chǎn)沙的影響均明顯衰減。為了有效利用雨水資源、調(diào)控土壤水分、減少土壤流失，還需對ＰＡＭ 和石膏粉的最佳施用量、施用方式及施用時間等開展進一步研究。

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【責(zé)任編輯 張智民】