W-OH材料對(duì)贛南山區(qū)土壤減滲抗蝕作用的影響

摘" 要：贛州市屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，降水集中，雨量充沛，以山地、丘陵為主，土壤類型為花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的紅壤，砂粒含量極高，不利的自然地理?xiàng)l件極易造成水力侵蝕。而新型親水性聚氨酯材料（W-OH）能增加土壤顆粒之間的黏結(jié)力，有效抑制土壤侵蝕的發(fā)生。為此，通過(guò)土壤滲透試驗(yàn)和土壤可蝕性模型測(cè)算，研究不同濃度W-OH溶液（2.0%、3.0%、4.0%）對(duì)贛南山區(qū)邊坡土壤減滲抗蝕作用的影響。結(jié)果表明，W-OH材料能夠顯著降低贛南山區(qū)邊坡土壤的土壤飽和導(dǎo)水率，減滲效果隨W-OH濃度的升高而增加；W-OH材料可顯著改變表層土壤的侵蝕過(guò)程，明顯增強(qiáng)邊坡土壤的抗蝕能力，其中，施用3.0%濃度W-OH溶液對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤抗蝕性效果最明顯。

關(guān)鍵詞：贛南山區(qū)；W-OH材料；土壤飽和導(dǎo)水率；土壤可蝕性；土壤侵蝕

中圖分類號(hào)：TV441" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0055-04

Abstract： Ganzhou City is a subtropical monsoon area with concentrated precipitation and abundant rainfall， mainly in mountains and hills， and the soil type is red soil developed by granite weathering. The content of sand is extremely high， and unfavorable natural and geographical conditions are easy to cause hydraulic erosion. The new hydrophilic polyurethane material （W-OH） can increase the adhesion between soil particles and effectively inhibit the occurrence of soil erosion. For this reason， through soil infiltration test and soil erodibility model calculation， the effects of different concentrations of W-OH solution （2.0%， 3.0%， and 4.0%） on soil seepage reduction and anti-erosion of mountain slope in southern Jiangxi were studied. The results show that W-OH material can significantly reduce the soil saturated hydraulic conductivity of slope soil in Gannan mountain area， and the seepage reduction effect increases with the increase of W-OH concentration; W-OH material significantly changes the erosion process of surface soil and significantly enhances the anti-erosion ability of slope soil， among which the application of 3.0% concentration W-OH solution has the most obvious anti-erodibility effect on the soil in the experimental area.

Keywords： Gannan mountain area; W-OH material; soil saturated hydraulic conductivity; soil erodibility; soil erosion

贛南屬南方紅壤區(qū)，降雨集中、溝壑縱橫、土壤結(jié)構(gòu)差，不利的自然地理?xiàng)l件極易造成水土流失頻發(fā)。此外，過(guò)度開(kāi)發(fā)和不合理的耕作方式也是導(dǎo)致水土流失的主要原因。輸變電項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)山地丘陵地貌及地表植被產(chǎn)生擾動(dòng)和損毀，加劇水土流失，產(chǎn)生崩崗、山區(qū)石漠化、土地退化等現(xiàn)象，對(duì)丘陵山區(qū)生態(tài)安全、糧食安全、防洪安全和人居安全造成威脅。

新型親水性聚氨酯材料W-OH是一種以水為固化劑，成本低廉、施工方便、環(huán)境負(fù)荷小的新型高分子材料[1]，將濃度2.0%～5.0%的W-OH溶液直接或與其他植生方法結(jié)合，在邊坡復(fù)綠[2]、水渠防滲[3]、荒漠化防治[4-5]及砒砂巖山體的治理中都取得了較為理想的效果，但在輸變電項(xiàng)目邊坡治理上還未見(jiàn)報(bào)道。以往的研究表明，減少入滲與降低沖刷是遏制土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的合理切入點(diǎn)，基于W-OH材料減滲與降低土壤侵蝕模數(shù)的研究成果，本研究將W-OH材料引入贛南山區(qū)花崗巖紅壤邊坡的治理中，設(shè)計(jì)了滲透試驗(yàn)與土壤可蝕性模型測(cè)算，以分析該材料在贛南山區(qū)邊坡土壤上的減滲與抗蝕效用。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

本項(xiàng)目研究區(qū)位于贛州市，地處江西省南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為19.8 ℃，年平均降雨量為1 318.9 mm，土壤類型以花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤為主，土壤質(zhì)地主要為砂質(zhì)壤土，是崩崗主要發(fā)生區(qū)域。根據(jù)《江西省水土保持公報(bào)2021》，全省水力侵蝕總面積23 326.19 km2，占全省土地總面積的13.96%。從全省11個(gè)設(shè)區(qū)市的水土流失現(xiàn)狀來(lái)看，水力侵蝕面積最大的是位于贛南的贛州市。贛州市是典型的南方山地丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量1 500.40 mm，土壤以由花崗巖風(fēng)化物發(fā)育形成的紅壤為主，是崩崗主要發(fā)生區(qū)域。該區(qū)水土流失以水力侵蝕為主，侵蝕面積為6 865.55 km2，占土地總面積的17.43%。

1.2" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料新型親水性聚氨酯材料（W-OH）以水為固化劑，是一種兼具低成本、施工便捷、環(huán)境友好等特點(diǎn)的新材料。由江蘇杰成凱新材料科技有限公司提供，化學(xué)式為（OCN-R-NCO）n，淡黃色液體，常溫密度1.18 g·cm-3，黏度650～700 m·Pa·s，硬化時(shí)間30～1 800 s，有以下應(yīng)用特性[3]：①極易溶于水，和水反應(yīng)后可迅速聚合形成彈性凝膠體，且不再溶解于水；②能以任何濃度與包括海水在內(nèi)的各種水質(zhì)的水發(fā)生反應(yīng)；③耐久性良好，通過(guò)添加防紫外線添加劑可實(shí)現(xiàn)對(duì)凝膠體降解周期的調(diào)控；④與多種材質(zhì)（土、沙、混凝土等）具有很強(qiáng)的附著力；⑤通過(guò)選擇W-OH的種類及調(diào)整其濃度，可設(shè)計(jì)凝膠體的性能及用途，如固土、固沙、防塵和止水等；⑥具有高度的安全性，對(duì)植物不產(chǎn)生藥害，對(duì)生態(tài)環(huán)境不造成二次污染。

1.3" 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)布設(shè)于贛縣區(qū)吉埠鎮(zhèn)新建吉埠變電站北側(cè)邊坡（E115°11′8.14″，N25°59′53.05″），設(shè)計(jì)W-OH溶液3個(gè)濃度梯度（2.0%、3.0%、4.0%）及一個(gè)對(duì)照（0.0%），按照3.0 L·m-2的標(biāo)準(zhǔn)將W-OH溶液均勻噴涂于試驗(yàn)區(qū)土壤表面。為此，現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)置了4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)1.5 m，寬3.5 m。分別標(biāo)記為固坡試驗(yàn)空白組、施用2%濃度W-OH、施用3%濃度W-OH、施用4%濃度W-OH。

W-OH材料的具體施工工序?yàn)槠旅嬲怼ト霾莘N—噴涂W-OH—后期養(yǎng)護(hù)和觀測(cè)。

坡面整理：考慮坡面的施工性和種子的噴撒，需對(duì)坡面進(jìn)行處理，保證坡面的平整性、滲透性和整體的施工性能。

播撒草種：選用適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的草種（黑麥草），使用撒播的形式進(jìn)行，撒播后用耙子耙勻，使得種子被土覆蓋，防止種子的流失。

濃度控制：例如3%，則采用體積比（質(zhì)量比一樣）W-OH∶水=3∶97的比例。進(jìn)行充分混合后迅速噴灑，控制的量約為3～4 L/m2。

噴灑W-OH：為保證順利噴灑，請(qǐng)混合后立即噴灑，防止固化，影響噴灑。

1.4" 樣品采集與分析

分別于2023年9月、10月、11月和12月進(jìn)場(chǎng)采集試驗(yàn)土樣，每組樣品采取3組重復(fù)。采用環(huán)刀法取樣測(cè)定土樣的土壤飽和導(dǎo)水率；采用五點(diǎn)取樣法采集邊坡土壤，風(fēng)干過(guò)篩后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成。

環(huán)刀采樣在小區(qū)的上、中、下3個(gè)部位各取一個(gè)土樣做重復(fù)。采樣時(shí)，將環(huán)刀垂直壓入土中，壓至手感到阻力時(shí)為止，然后將環(huán)刀提出，用附有烘盒和天平的環(huán)刀口小槽內(nèi)的土樣，并削去兩端多余的土。

五點(diǎn)取樣法先確定對(duì)角線的中點(diǎn)作為中心抽樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇4個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)（距離中心點(diǎn)1.5 m）作為樣點(diǎn)，在5個(gè)點(diǎn)采取等量（50 g）的土樣混合后作為一個(gè)樣本。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，具體測(cè)定方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。試驗(yàn)土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.5" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

土壤的滲透性和抗蝕性對(duì)水土流失的發(fā)生和發(fā)展有著重要影響[7]，施用W-OH材料能夠明顯提高崩積體土壤的抗蝕能力[8]。故本研究設(shè)計(jì)了土壤滲透試驗(yàn)和土壤可蝕性模型測(cè)算來(lái)驗(yàn)證W-OH材料對(duì)贛南山區(qū)邊坡土壤減滲抗蝕作用的影響。

1.5.1" 土壤滲透試驗(yàn)

水分的入滲深刻影響著邊坡土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展，本研究根據(jù)中國(guó)科學(xué)院研究生院教材《土壤物理學(xué)》（2006）中介紹的定水頭法（圖1）分析W-OH材料對(duì)贛南山區(qū)紅壤土壤飽和導(dǎo)水率的影響。將采回的土樣稱重，放于托盤浸泡48 h使水分飽和，浸泡時(shí)水位位于環(huán)刀高度的1/2處。試驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)整好水頭，將飽和土樣放入測(cè)定儀的土室內(nèi)并開(kāi)始測(cè)定。待水流穩(wěn)定流出后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每3 min測(cè)定一次出水量，共測(cè)定3次，求平均值，測(cè)定完成后對(duì)飽和導(dǎo)水率進(jìn)行計(jì)算。

土壤飽和導(dǎo)水率即單位時(shí)間單位面積水通過(guò)飽和土壤的傳導(dǎo)能力，反映了土壤的入滲和滲漏性質(zhì)，是研究水分、溶質(zhì)在土壤中運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)的重要水力參數(shù)[9]。研究贛南山區(qū)集水坡面土壤滲透性特征，有助于分析其滲透性對(duì)土壤侵蝕形成的影響，并為集水坡面的固土減滲提供依據(jù)。其計(jì)算公式如下

式中：Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，mm/min；Q為出水量，cm3；A為土柱橫截面積，cm2；T為測(cè)定的時(shí)間，min；L為土柱長(zhǎng)度，mm；H為測(cè)定的水頭，cm。

1.5.2" 土壤可蝕性模型測(cè)算

土壤可蝕性反映土壤在雨滴擊濺、徑流沖刷，或者兩者共同作用下，被分散、搬運(yùn)的難易程度，計(jì)算坡面表層土壤的土壤可蝕性有利于反映其表層土壤對(duì)坡面徑流沖刷的敏感程度。本研究采用EPIC模型中的可蝕性K值計(jì)算公式

式中：SAN為砂粒（2.0～0.05 mm）含量，%；SIL為粉粒（0.05～0.002 mm）含量，%；CLA為黏粒（lt;0.002 mm）含量，%；SN1=1-SAN/100；C為有機(jī)碳含量，%，可根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)的含量得出。

2" 結(jié)果與討論

2.1" W-OH濃度對(duì)贛南山區(qū)邊坡土壤減滲的影響

王黎軍[3]2011年對(duì)青海黃土的研究得出，濃度7.0%的W-OH溶液能夠基本杜絕水分下滲，有很好的防滲效果。而本研究的目標(biāo)是減小贛南山區(qū)坡面土壤的下滲，同時(shí)不能影響植物生長(zhǎng)，因此7.0%不是值得推薦的施用濃度。參考祝亞云[10]2016年關(guān)于W-OH材料在福建長(zhǎng)汀崩崗上的應(yīng)用結(jié)果表明，水流功率小于40 kg·s-3的侵蝕區(qū)域施用3.0%～4.0%濃度的W-OH減滲抗蝕效果最佳。從植被的用水需要與入滲對(duì)坡面土壤侵蝕的影響2方面來(lái)看，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，本項(xiàng)目選擇施用2.0%～4.0%的濃度。

通過(guò)測(cè)定的結(jié)果顯示（表2），未施用W-OH材料的土樣土壤飽和導(dǎo)水率增加18.4%，土樣表面施用3種濃度的W-OH溶液能在不同程度上降低土樣的土壤飽和導(dǎo)水率，2.0%濃度的W-OH溶液能使土壤飽和導(dǎo)水率下降18.8%，3.0%濃度的W-OH溶液能使土壤飽和導(dǎo)水率下降40.9%，4.0%濃度的W-OH溶液則能使土壤飽和導(dǎo)水率下降55.7%。對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率下降率與W-OH溶液濃度進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果顯示（圖2），土壤飽和導(dǎo)水率的下降率與W-OH溶液濃度之間呈線性關(guān)系（R2=0.987 4），隨著W-OH溶液濃度的增加，土壤飽和導(dǎo)水率的下降呈線性增大趨勢(shì)。

2.2" W-OH濃度對(duì)贛南山區(qū)邊坡土壤抗蝕的影響

土壤可蝕性是指土壤在雨滴打擊、徑流沖刷等外營(yíng)力作用下被分散、搬運(yùn)的難易程度?；谕寥阑纠砘再|(zhì)測(cè)定結(jié)果，計(jì)算試驗(yàn)土壤的可蝕性K值（表3）。測(cè)定結(jié)果表明，未施用W-OH溶液的土樣2023年9月測(cè)定K值為0.248 2，2023年12月K值為0.248 5，土壤可蝕性K值增加0.000 3；施用2.0%W-OH溶液的土樣2023年9月測(cè)定K值為0.261 5，2023年12月K值為0.248 6，土壤可蝕性K值減少0.012 9；施用3.0%W-OH溶液的土樣2023年9月測(cè)定K值為0.297 3， 2023年12月K值為0.245 7，土壤可蝕性K值減少0.051 6；施用4.0%W-OH溶液的土樣2023年9月測(cè)定K值為0.256 4，2023年12月K值為0.244 1，土壤可蝕性K值減少0.012 3。

可以看出，施用3種濃度W-OH溶液的土樣土壤可蝕性K值會(huì)有不同程度的減少，其中，施用2.0%濃度W-OH的土樣土壤可蝕性降低4.92%，施用3.0%濃度W-OH的土樣土壤可蝕性降低17.36%，施用4.0%濃度W-OH的土樣土壤可蝕性降低4.80%。施用3.0%濃度的W-OH溶液對(duì)降低試驗(yàn)區(qū)土壤可蝕性效用最大。

3" 結(jié)論與展望

W-OH材料能夠有效地降低贛南山區(qū)坡面的土壤飽和導(dǎo)水率，4.0%濃度的W-OH溶液能使贛南山區(qū)坡面表土的土壤飽和導(dǎo)水率降低超50%，隨著溶液濃度的增大，W-OH材料減滲效果呈線性遞增。

W-OH材料能夠有效地降低贛南山區(qū)坡面土壤的可蝕性K值，顯著增強(qiáng)了邊坡土壤的抗蝕能力，其中，施用3.0%濃度W-OH溶液對(duì)增強(qiáng)試驗(yàn)區(qū)土壤抗蝕性效果最明顯。

本研究成果可指導(dǎo)贛南山區(qū)輸變電工程施工后期的固坡和跡地恢復(fù)，提高山區(qū)輸變電工程的安全性，有效控制水土流失，將“爛山地貌”和侵蝕劣地發(fā)展為可利用地，提升植被恢復(fù)效果，改善生態(tài)環(huán)境。但本研究對(duì)W-OH溶液在贛南山區(qū)邊坡土壤減滲抗蝕作用的研究主要限于土壤指標(biāo)的線性變化，雖然在一定程度上反映了施用W-OH溶液的積極作用，但對(duì)土壤侵蝕復(fù)雜的發(fā)生發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)，還不夠深入。今后的研究當(dāng)中，應(yīng)考慮加入植被恢復(fù)情況，深入從不同角度探索不同階段W-OH溶液施用對(duì)贛南山區(qū)跡地的恢復(fù)效果?？梢钥紤]圍繞“WOH材料-土壤菌-土壤-植被”四聯(lián)生境重構(gòu)的核心技術(shù)原理，將W-OH新材料和土壤菌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、集成應(yīng)用，為江西贛州山區(qū)輸變電工程跡地植物生長(zhǎng)構(gòu)建起一個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分自循環(huán)環(huán)境，形成一種速效、質(zhì)效、長(zhǎng)效的植被修復(fù)技術(shù)。

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