董勤各,馮浩,莊文化

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院,100049,北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌)

聚丙烯酸鈉對 3種土壤質(zhì)地入滲特征的影響

董勤各1,2,馮浩1,3?,莊文化1,2

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院,100049,北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌)

采用一維垂直積水入滲法,分析聚丙烯酸鈉在 4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、0.08%、0.20%與 0.50%)處理下對砂土、壤土和黏土水分入滲性能以及 Kostiakov入滲模型參數(shù)的影響。結(jié)果表明:聚丙烯酸鈉與土壤質(zhì)量比在 0.08%～0.50%范圍內(nèi)時,3種土壤質(zhì)地入滲速率都隨時間推移呈下降趨勢,土壤入滲能力隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大明顯降低;聚丙烯酸鈉顯著抑制土壤入滲能力;入滲系數(shù)k隨聚丙烯酸鈉用量的增加而下降;入滲指數(shù)a值隨聚丙烯酸鈉用量的增加基本呈上升趨勢;k/a值對聚丙烯酸鈉的響應(yīng)隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸增強。

一維垂直積水入滲;入滲速率;聚丙烯酸鈉;累積入滲量;入滲模型參數(shù)

土壤的入滲過程受供水能力和土壤本身性質(zhì)的影響[1],土壤質(zhì)地、土壤含水量和土壤結(jié)構(gòu)等對土壤入滲能力和入滲預(yù)測模型的參數(shù)影響較大。而高分子保水劑具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤持水能力等功能,它作為一種新型的化學(xué)調(diào)控措施與手段被提出并用于改善土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)等,也越來越得到重視。目前研究應(yīng)用較多的是樹脂類保水劑,包括聚丙烯酰胺保水劑(PAM)、聚丙烯酸保水劑(PAA)等,它們是利用強吸水性樹脂等材料制成的一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,通過黏結(jié)土粒與自身溶漲來改良土壤結(jié)構(gòu),可以有效模擬許多天然團(tuán)粒膠結(jié)物質(zhì)。黃占斌等[2]發(fā)現(xiàn)土壤中添加高分子保水劑可以增強易分散微粒間的黏結(jié)力,形成較大團(tuán)粒結(jié)構(gòu),特別是大于 1mm的團(tuán)聚體。馮浩等[3]發(fā)現(xiàn),聚丙烯酸、聚乙烯醇、脲醛樹脂均能改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒含量,增強土壤持水能力。莊文化等[4]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),在0.01～1.50MPa水吸力下,土壤持水能力隨聚丙烯酸鈉(Sodium Polyacrylate)用量的增加而增加,砂土的作用效果比壤土和黏土更顯著。黃占斌等[5]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn),保水劑的各種使用方法對玉米(Zea mays L.)株高都有促進(jìn)作用,且主要在玉米生長中后期和周期性干旱條件下能促進(jìn)玉米根系發(fā)育。 M.Agassi等[6]、R.D.Lentz等[7]研究發(fā)現(xiàn) ,保水劑 PAM不會對土壤與地下水造成污染,還能減輕肥料、生化需氧量等對地下水的污染程度。杜太生等[8]認(rèn)為,保水劑加入土壤中可減少水分的無效蒸發(fā),減少深層滲漏,從而提高水分利用率。員學(xué)鋒等[9]通過模擬試驗發(fā)現(xiàn),保水劑 PAM可有效降低土壤密度、增加土壤飽和含水量和田間持水量,但施用量過大時會降低土壤入滲能力。A.R.Sepaskhah等[10]在室內(nèi)通過降雨模擬器噴灑含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)保水劑 PAM的雨水來測定壤土條件下 USLE模型中各個抗蝕因子的變化情況,認(rèn)為 PAM可以黏結(jié)表層土壤,有利于抑制土壤侵蝕。S.S.Kukal等[11]通過試驗發(fā)現(xiàn),土壤中加入 0.10%的聚乙烯醇可以使裸地土壤的抗蝕性達(dá)到對照草地水平。

對于保水劑材料,目前的研究涉及聚丙烯酰胺的較多,而對高分子聚丙烯酸鈉的研究較少,尤其對其影響土壤入滲特征方面的研究更少。筆者通過室內(nèi)模擬試驗來研究聚丙烯酸鈉對砂土、壤土和黏土入滲性能以及 Kostiakov入滲模型參數(shù)變化情況的影響,以了解聚丙烯酸鈉作用于土壤入滲的效果,為其未來在保水保土方面的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用陜西楊凌郊區(qū)節(jié)水園、法喜村、嶺后村典型代表性土壤 10～30 cm耕層土作為試驗土壤,土壤類型屬黃壤土類,其主要的土壤物理性狀見表 1。

表 1 供試土壤的物理性狀Tab.1 Physical characteristics of samp les

聚丙烯酸鈉由西北工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)并提供,相對分子質(zhì)量為 1 500萬 ～2 000萬,無色無味,水溶性直鏈高分子聚合物,遇水易膨脹,吸濕性極強,緩慢溶于水后形成極黏稠的透明液體,直徑為 0.2mm左右,是一種球狀半透明晶體顆粒。聚丙烯酸鈉的分子結(jié)構(gòu)式見圖 1。

圖 1 聚丙烯酸鈉分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular formula of sodium polyacrylate

1.2 試驗設(shè)計與方法

采用 2因素完全設(shè)計,方案如下:1)土壤類型(砂土、壤土、黏土);2)聚丙烯酸鈉與土壤質(zhì)量比例m分別為 0、0.08%、0.20%、0.50%。試驗前清除所選取土樣中的植物根系,將土樣自然風(fēng)干(含水率控制在 1.80%左右)后過 2mm篩備用。

采用垂直一維積水入滲法[12-14]測定土壤的入滲速率。試驗裝置由土柱和馬氏瓶組成,土柱由內(nèi)徑 10 cm、高 15 cm的 PVC管制成;馬氏瓶由統(tǒng)一型號的有機玻璃管改裝,內(nèi)徑 10 cm,管內(nèi)水柱高 30 cm左右,外壁標(biāo)定馬氏瓶內(nèi)水柱下降情況。砂土、壤土、黏土的裝土密度分別為 1.53、1.15、1.25 g/cm3。在裝入土樣前,管壁內(nèi)側(cè)均勻涂抹一薄層凡士林,然后分 5層(2 cm/層)裝入土柱中,每次裝入的土壤表面必須打毛,以避免上下土層之間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和水動力學(xué)特性突變等不必要的內(nèi)邊界現(xiàn)象[1]。馬氏瓶供水水頭控制在 2 cm左右,同時記錄馬氏瓶內(nèi)水位下降高度。整個試驗過程中實驗室內(nèi)溫度為(25±1)℃。試驗重復(fù) 5次,結(jié)果取平均值。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗設(shè)計和測得數(shù)據(jù),按如下公式計算土壤入滲速率

式中:f(t)i為第 i時刻的土壤入滲率,cm/min;hi,hi-1為第 i和第 i-1時刻的馬氏瓶水位高度,cm;A1為馬氏瓶的斷面面積,cm2;A2為土柱的斷面面積,cm2;Δti為第 i時刻和第 i-1時刻的時間差,min。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯酸鈉對不同土壤入滲性能的影響

2.1.1 聚丙烯酸鈉對不同土壤入滲速率的影響通過砂土、壤土和黏土室內(nèi)模擬試驗,得出不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤入滲速率(IR)隨時間(t)的變化規(guī)律(圖 2)。土壤入滲速率有如下變化趨勢:初始入滲階段,水分入滲非常迅速,入滲速率和變化率都很大,此階段水分主要受分子力作用,入滲速率的變化與初始含水量關(guān)系比較密切,而聚丙烯酸鈉所起到的作用還很小;然后隨著土壤含水量的增加,入滲速率逐漸降低,這是由于聚丙烯酸鈉分子溶脹黏結(jié),改變了土壤結(jié)構(gòu),使得土壤孔隙狀況發(fā)生變化,強化了毛管力作用,土壤蓄持水分能力增強;隨著入滲過程的進(jìn)行,聚丙烯酸鈉黏結(jié)土壤顆粒與蓄持水分能力趨于穩(wěn)定,分子力不再起作用,毛管力也非常微弱,主要受重力作用影響[15],此時進(jìn)入穩(wěn)滲階段。

從聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對 3種土壤入滲能力的影響來看,在同一時間點上,隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,土壤入滲速率下降;在入滲過程中,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,入滲速率曲線越趨于平緩。圖 2(a)反映的是聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下砂土入滲速率變化情況,可知,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0和 0.50%時的土壤入滲速率高于聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%和 0.20%的,而聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%和 0.20%的入滲速率則相差不大。圖 2(b)反映的是聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下壤土的土壤入滲速率變化情況,可知,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%和 0.20%的土壤入滲速率在初滲階段低于聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的,其后入滲速率曲線與聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的基本吻合;而當(dāng)聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.50%時,土壤入滲速率則顯著降低。圖 2(c)反映的是不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下黏土入滲速率變化情況,可知,在初滲階段,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%的黏土土壤入滲速率高于聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的,而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.20%和 0.50%的則低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的,這是因為聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時,高分子在土壤表層過度黏結(jié)土粒,抑制了水分的滲透所造成的[9]。?

圖 2 聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對土壤入滲速率變化的影響Fig.2 Effectof different concentration of sodium polyacrylate on changing of IR of different soils

由圖 2可知,不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,3種土壤的入滲性能是一個動態(tài)變化過程,在使用聚丙烯酸鈉時可根據(jù)具體情況確定使用量。作為土壤改良劑時,宜施用于耕層底部,能有效抑制土壤水分滲漏,增加土壤水分的有效使用;作為集水材料時,增加聚丙烯酸鈉用量能夠減少土壤水分的下滲,從而有效蓄積降水,這是因為聚丙烯酸鈉高分子內(nèi)許多陰離子基團(tuán)的離子現(xiàn)象可以使分子鏈增長,表現(xiàn)黏度增大而形成高黏性溶液,當(dāng)用量加大時,聚丙烯酸鈉分子溶于水形成極黏稠的液體并滲入到土壤孔隙中,影響土壤結(jié)構(gòu)和孔隙分布,最終抑制水分滲漏。

2.1.2 聚丙烯酸鈉對不同土壤累積入滲量的影響圖 3為不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下 3種土壤的累積入滲量柱狀圖。由試驗結(jié)果可知,穩(wěn)滲發(fā)生在 80 min處,故以此為分界點,求取 80m in內(nèi)的土壤累積入滲量。聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的砂土累積入滲量為 4.17 cm,與之相比,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%、0.20%和 0.50%的土壤累積入滲量降幅分別達(dá) 57.79%、72.18%和 85.85%;聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的壤土累積入滲量為5.68 cm,而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%、0.20%和 0.50%的累積入滲量降幅分別達(dá) 15.34%、20.42%和 64.37%;聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0的黏土累積入滲量為 3.31 cm,而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%、0.20%和 0.50%的累積入滲量降幅分別達(dá) 18.31%、55.58%和 82.17%。由此可以看出:施用聚丙烯酸鈉后,砂土的累積入滲量變化幅度最大,都在 50%以上;黏土累積入滲量的降低幅度次之,且隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈均勻下降趨勢;壤土累積入滲量變化幅度最小,主要表現(xiàn)在0.08%和 0.20%2個水平上。上述現(xiàn)象說明,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.08～0.50%時的聚丙烯酸鈉能夠抑制土壤滲漏,且抑制滲漏能力隨著聚丙烯酸鈉用量的加大而增強。對土壤累積入滲量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的結(jié)果見表 2,可以認(rèn)為,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯酸鈉影響土壤入滲能力的差異極顯著,3種不同質(zhì)地間的土壤入滲能力差異也極顯著。同時由圖 2可以看出,土壤累積入滲量的不同與各處理前30min內(nèi)土壤入滲速率的差異有關(guān)。

圖 3 不同土壤 80min內(nèi)土壤累積入滲量Fig.3 Cumulative infiltration capacity of different soil in 80min

由非飽和土壤達(dá)西定律可知,土壤水分入滲量與土壤水力傳導(dǎo)度和土水勢梯度有關(guān)。而土壤水力傳導(dǎo)度又與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、含水量和基質(zhì)勢有關(guān)[16]。在土壤質(zhì)地、土壤干密度、含水率基本相近的情況下,土壤水力傳導(dǎo)度主要取決于土壤結(jié)構(gòu)狀況和土壤基質(zhì)勢大小。莊文化等[17]通過大田試驗發(fā)現(xiàn),聚丙烯酸鈉處理下,＞0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著地高于未施用聚丙烯酸鈉處理的。員學(xué)鋒等[9]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn),保水劑聚丙烯酰胺可以改變土壤微結(jié)構(gòu)。J.A.Kristian等[18]認(rèn)為,土壤改良劑可以使土壤孔隙度特別是毛管孔隙度增大。據(jù)此推斷,聚丙烯酸鈉可能是通過對土壤團(tuán)粒大小、孔隙分布狀況的影響來作用于土壤水力傳導(dǎo)度的。

表 2 不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同土壤間的方差分析Tab.2 Variance ofanalysis between different concentration of sodium polyacrylate and different soil textures

2.2 聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對土壤入滲模型參數(shù)的影響

土壤入滲速率隨時間的變化關(guān)系可以按Kostiakov入滲模型[16]進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合,公式為

式中:f(t)為土壤入滲速率,cm/min;k為土壤入滲系數(shù),相當(dāng)于風(fēng)干土吸水系數(shù);a為土壤入滲指數(shù),隨土壤性質(zhì)而變化的參數(shù),t為入滲時間,min。

分別對不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的 3種土壤入滲速率實測結(jié)果進(jìn)行擬合,得出相應(yīng)的入滲系數(shù)k和入滲指數(shù) a,相關(guān)系數(shù)都在 0.95以上,相關(guān)程度很高,結(jié)果見表 3。從圖 2的入滲速率曲線和表 3的擬合結(jié)果可以看出,隨著聚丙烯酸鈉用量的增加,3種土壤的入滲速率均有減小趨勢,且 a值越大,入滲速率隨時間減小的越快,a值越小,入滲速率隨時間減小的越慢。

2.2.1 聚丙烯酸鈉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對土壤入滲系數(shù)k的影響 由圖 4(a)可知,按 Kostiakov入滲模型擬合后生成的入滲系數(shù) k值隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈下降趨勢。在未施用聚丙烯酸鈉時,砂土、壤土和黏土的 k值差異較大,分別為 0.409、0.785和0.255,但隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,3種土壤的 k值存在接近的趨勢。

k值表征土壤入滲開始后第 1個單位時間(1 min)內(nèi)單位面積上的平均入滲速度,是反映土壤入滲能力的一個重要指標(biāo),其值大小主要取決于入滲時土壤的結(jié)構(gòu)狀況。在土壤質(zhì)地、土壤干密度和原始含水量都相近的條件下,k值的大小主要取決于土壤孔隙分布狀況。當(dāng)聚丙烯酸鈉遇水溶解并同土粒相互作用,形成一定數(shù)量的絮團(tuán)時,這些絮團(tuán)對土壤水穩(wěn)性團(tuán)?？赡芫哂袆?chuàng)建和穩(wěn)定作用,而創(chuàng)建的水穩(wěn)性團(tuán)粒有可能改變土壤結(jié)構(gòu),對土壤孔隙分布狀況產(chǎn)生影響。對于壤土,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0時,土壤結(jié)構(gòu)良好,中等孔隙(直徑界于 30～100μm之間,利于水、肥、氣的運轉(zhuǎn))可能較多,初期入滲能力強;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%～0.50%時,土壤結(jié)構(gòu)可能受到聚丙烯酸鈉的作用,進(jìn)而影響到孔隙的分布情況,以致土壤吸水排水緩慢,初滲能力相對下降。對于砂土,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0時,大孔隙較多,致使初滲能力增強;聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%和 0.20%時,土壤孔隙結(jié)構(gòu)改變,吸水排水減緩,初滲能力相對下降。對于黏土,聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0時,土壤中細(xì)孔隙較多,不利于水分入滲,初滲能力一般;聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%時,溶脹的聚丙烯酸鈉分子黏結(jié)一定數(shù)量的土壤顆粒形成團(tuán)聚體,可能導(dǎo)致土壤孔隙度變大,初滲能力相對較好;但當(dāng)聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.20%和0.50%時,過多的聚丙烯酸鈉分子會形成黏稠液體堵塞孔隙,不利于水分入滲。

表 3 不同土壤的 Kostiakov入滲公式擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of Kostiakov infiltration model for various sodium polyacrylate-soil ratios and different soil textures

圖 4 不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對 Kostiakov入滲模型參數(shù)的影響Fig.4 Influence of different concentration of sodium polyacrylate on the parameters of Kostiakov infiltration model

2.2.2 聚丙烯酸鈉對入滲指數(shù) a的影響 由圖 4(b)可以看出,不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下不同土壤的 a值都隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢,但聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0～0.20%時的 a值上升率要大于聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.20%～0.50%時的。從物理意義來看,入滲指數(shù) a值反映土壤入滲能力的衰減速度,其大小取決于土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和初始含水量等。在土壤質(zhì)地、初始含水量一定的情況下,a值的大小取決于由濕潤引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變,這主要與最終入滲速率有關(guān)。由圖 4(b)的現(xiàn)象可以推測,由于聚丙烯酸鈉的施用,在水分入滲到土壤后,聚丙烯酸鈉溶脹變成黏稠的液體,而該黏稠物質(zhì)可能具有膠結(jié)作用,當(dāng)入滲一段時間后,遇水溶脹的聚丙烯酸鈉與土壤顆粒充分結(jié)合形成團(tuán)粒物質(zhì),改變了土壤原有的結(jié)構(gòu)和孔隙分布狀況。另外,其中一部分黏稠物質(zhì)可能滲入到孔隙中,影響到孔隙的吸水排水能力,并且隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,黏稠物質(zhì)增多,作用于孔隙的影響力就越強,導(dǎo)致土壤入滲速率和入滲能力衰減速度加快,反映在 a值上就表現(xiàn)為隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,a值越大。同時,根據(jù)圖 3和圖 4(b)可以看出,隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,a值逐漸增大,而80min內(nèi)的土壤累積入滲量則依次減小,這也表明a值可以反映土壤入滲能力的衰減速度。

2.2.3 擬合參數(shù)比值 k/a對土壤中不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng) k/a值反映入滲過程中土壤入滲速率的變化情況,表征入滲速率隨時間變化的起伏程度。k/a值越小,說明入滲速率曲線起伏程度越大,變化越劇烈;k/a值越大,說明入滲速率曲線越平緩,變化幅度較小。對 k/a值進(jìn)行分析,據(jù)此可以了解不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的土壤水分入滲過程。從圖 4(c)可知,3種土壤的 k/a值都隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而下降,其中壤土的 k/a值下降幅度較大。從 k/a值對土壤中不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)響應(yīng)的角度來看,隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,壤土的 k/a值對聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)程度越來越強烈;砂土的 k/a值對聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)程度由強烈趨于平緩;而黏土 k/a值對聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)則一直較弱;3種土壤的 k/a值在 0.50%時很接近。對圖 3和圖 4(c)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見表 4?？梢园l(fā)現(xiàn),不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,土壤累積入滲量(y)與 k/a值(x)之間有很好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在 0.925～0.956之間,說明 k/a值能很好地反映土壤的入滲能力。

表 4 不同聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤的累積入滲量與k/a值關(guān)系擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of the relation between cumulative infiltration capacity and k/a for various sodium polyacrylate-soil ratios

3 結(jié)論

1)聚丙烯酸鈉處理下,砂土、壤土、黏土的土壤入滲速率隨時間推移呈下降趨勢,尤其在入滲初期表現(xiàn)顯著;隨著聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,3種土壤入滲能力都顯著降低。

2)砂土累積入滲量最大降低幅度達(dá) 85.85%,而壤土和黏土的累積入滲量最大降幅分別達(dá)64.37%和 82.17%。

3)聚丙烯酸鈉與土壤質(zhì)量比在 0.08%～0.50%之間時可以顯著地降低土壤入滲能力,能夠有效抑制土壤水分滲漏。

4)入滲速率曲線符合 Kostiakov經(jīng)驗?zāi)Ｐ?且入滲速率隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈冪函數(shù)趨勢減小。入滲系數(shù) k值隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加基本呈下降趨勢,入滲指數(shù) a值隨聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加則呈上升趨勢,而 k/a值對聚丙烯酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)整體上逐漸增強,且可以一定程度上反映土壤的入滲能力。

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In fluence of sodium polyacrylate on infiltration characteristic of three soil textures

Dong Qinge1,2,Feng Hao1,3?,Zhuang Wenhua1,2

(1.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry ofWater Resources,712100,Yangling,Shaanxi;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing;3.Institute of Soil andWater Conservation,Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,712100,Yangling,Shaanxi:China)

Based on the experiment of one-dimensional vertical infiltration in laboratory conditions,the effect of Sodium Polyacrylate on infiltration capacity of sandy,loamy,and clayey soil and infiltration parameters of Kostiakov infiltration equations were studied.Four concentrations of sodium polyacrylate(0,0.08%,0.20%,and 0.50%),on dry weightbasis,were added to these three soils.The results show that the concentration of sodium polyacrylate is controlled from 0.08%to 0.50%by weight,then the infiltration rate of these soils decrease with the time;the infiltration capacity significantly decrease with the increasing of sodium polyacrylate concentration;the infiltration capacity of three soils is restrained by sodium polyacrylate.The infiltration parameter k of soil decreases,while a ascenders with the increasing addition of sodium polyacrylate and the response of k/a on sodium polyacrylate gradually ascendeds with increasing sodium polyacrylate concentration.

one-dimensional vertical infiltration;infiltration rate;sodium polyacrylate;cumulative infiltration capacity;infiltration model parameter

2009-03-31

2009-11-03

項目名稱:“十一五”863計劃課題“降水資源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)”(2006AA 100204);新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃“降水 -土壤水 -作物水高效轉(zhuǎn)化新技術(shù)”(01140602)

董勤各(1982—),男,碩士研究生。主要研究方向:水土資源高效利用。E-mail:agesb1@163.com

?責(zé)任作者簡介:馮浩(1970—),男,研究員,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土資源高效利用。E-mail:nercwsi@vip.sina.com

(責(zé)任編輯:宋如華)