李元元, 王占禮, 申 楠, 焦 念, 劉俊娥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕

與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;

4.黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站， 甘肅 西峰 745000; 5.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710019)

Jag S對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)

李元元1,2, 王占禮2,3, 申 楠1,2, 焦 念4, 劉俊娥5

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕

與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;

4.黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站， 甘肅 西峰 745000; 5.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710019)

摘要：[目的] Jag S是一種新型可用于調(diào)控水土流失的高分子化學(xué)材料，揭示Jag S對(duì)降雨入滲的化學(xué)調(diào)控效應(yīng)，為黃土坡面水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究Jag S對(duì)黃土坡面入滲調(diào)控效應(yīng)。[結(jié)果] (1) 撒施Jag S坡面入滲率隨降雨過程的變化趨勢(shì)與裸坡相似，起初皆隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)先快速減小，隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)； (2) 撒施Jag S的坡面和裸坡相比，初始產(chǎn)流的時(shí)間提前，入滲率減小速率較大，達(dá)到穩(wěn)滲階段所用的時(shí)間少，且前期入滲率小于裸坡坡面前期入滲率，但穩(wěn)滲率大于裸坡； (3) 撒施Jag S坡面的入滲量明顯高于裸坡的入滲量，在各個(gè)劑量下，入滲量均隨坡度的增加而減小，隨雨強(qiáng)的增加而呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)。[結(jié)論] 因此撒施Jag S可有效增加土壤入滲和強(qiáng)化入滲效應(yīng)。強(qiáng)化入滲效應(yīng)的Jag S劑量順序依次為：1 g/m2>3 g/m2>5 g/m2。

關(guān)鍵詞：Jag S; 黃土坡面; 降雨入滲; 調(diào)控效應(yīng)

中國(guó)是全球水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，而地處中國(guó)黃河上中游地區(qū)的黃土高原由于土壤質(zhì)地疏松，暴雨強(qiáng)度大，更成為我國(guó)乃至全球土壤流失最嚴(yán)重的地區(qū)，該區(qū)嚴(yán)重的水土流失造成了土壤退化，土地資源破壞，水體污染，水利設(shè)施功能減低乃至喪失、損毀，黃河下游兩岸安全受到嚴(yán)重威脅等諸多生態(tài)、及洪澇與泥沙災(zāi)害問題[1]。降雨入滲是制約黃土高原水土流失強(qiáng)弱的主要因子之一，降雨入滲量越小，則產(chǎn)生的地表徑流量越大，徑流的分離與搬運(yùn)能力越強(qiáng)，水土流失就越嚴(yán)重，反之亦然。因此，在黃土高原水土流失防治中，如何增加和強(qiáng)化降雨入滲就成為有效治理該區(qū)水土流失亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

化學(xué)調(diào)控措施是一種不同于工程措施和生物措施的非傳統(tǒng)新興水土保持技術(shù)措施。該措施通過在土壤表面施放高分子化合物，可以改善土壤性質(zhì)，增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防治土壤結(jié)皮產(chǎn)生，達(dá)到增加降雨入滲，減少地表徑流，實(shí)現(xiàn)控制水土流失的目的。國(guó)內(nèi)外目前化學(xué)調(diào)控水土流失措施中廣泛采用的化學(xué)材料主要是聚丙烯酰胺(PAM)，它是一種能夠維持良好的土壤結(jié)構(gòu)從而增加降雨入滲的高分子化合物。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在PAM可以增加降雨入滲方面已經(jīng)取得了大量的研究結(jié)果[2-10]。坡面降雨入滲具有豐富的內(nèi)涵，盡管PAM在很大程度上可以增加降雨入滲，減少坡面徑流，從而保持水土，但單一的高分子化合物使得我們?cè)谑褂脮r(shí)具有很大的局限性，因此研發(fā)新化學(xué)材料，以滿足不同的水、土調(diào)控需求，更好地發(fā)揮化學(xué)材料強(qiáng)化入滲、保持水土的多功能效應(yīng)，已成為一些水土保持工作者及化工企業(yè)新的研究課題，Jag S就是基于這樣的考量而由羅地亞公司新研發(fā)出的一種化學(xué)材料。

本研究通過人工模擬降雨試驗(yàn)，首次對(duì)羅地亞公司新開發(fā)的化學(xué)材料Jag S對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)進(jìn)行研究，分析施放不同劑量Jag S的土壤相對(duì)于裸土的入滲動(dòng)態(tài)變化過程，探討Jag S的強(qiáng)化入滲效應(yīng)，為黃土坡面水土流失治理及其措施選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為取自黃土高原腹地的陜西省安塞縣的黃綿土，試驗(yàn)土壤機(jī)械組成詳見表1。試驗(yàn)土壤前期含水量為14%，填土容重為1.2 g/cm3。

表1　供試土壤機(jī)械組成

試驗(yàn)設(shè)備為變坡鋼質(zhì)小區(qū)，長(zhǎng)120 cm，寬40 cm，深25 cm。所有試驗(yàn)土壤自然風(fēng)干并過5 mm篩，除去雜草和石塊。裸土小區(qū)裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細(xì)沙，并用透水紗布覆蓋，保持土層的透水狀況接近天然坡面。試驗(yàn)小區(qū)采用分層裝土以保證裝土的均勻性。

填土?xí)r，采用邊填充邊壓實(shí)，以減少邊壁對(duì)入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及坡面侵蝕微形態(tài)發(fā)育等的影響，并使下墊面土壤條件的變異性達(dá)到最小，保證試驗(yàn)土壤容重達(dá)到設(shè)計(jì)要求。填土后，用刮板將表面刮平整。試驗(yàn)所用化學(xué)材料Jag S為一種多肽衍生物,該產(chǎn)品呈黃白色粉末狀，遇水形成膠體。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

Jag S的施放方式為干撒施，試驗(yàn)小區(qū)裝土后取相當(dāng)于2 mm厚的過篩干土壤，將其與Jag S混合，攪拌均勻，然后分為10份均勻地撒在裸土小區(qū)相應(yīng)的10段表面上，用刮板將其刮平整，靜置一段時(shí)間后，在其表面均勻地噴撒2 L水，將其放置15 h即可試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)次為:雨強(qiáng)1.5 mm/min，試驗(yàn)坡度10°，15°，20°，土壤表面處理為裸土和撒施Jag S劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗(yàn)12場(chǎng)，各場(chǎng)試驗(yàn)重復(fù)1次共24場(chǎng)；坡度15°，雨強(qiáng)1.0，1.5，2.0 mm/min，土壤表面處理為裸土和撒施Jag S劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗(yàn)12場(chǎng)，除去已經(jīng)進(jìn)行過的雨強(qiáng)1.5 mm/min，坡度15°的土壤表面處理為裸土和撒施Jag S劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗(yàn)4場(chǎng)，實(shí)際場(chǎng)次為8場(chǎng)，各場(chǎng)試驗(yàn)重復(fù)1次共16場(chǎng)，總共40場(chǎng)試驗(yàn)。每場(chǎng)試驗(yàn)開始后均認(rèn)真觀測(cè)小區(qū)產(chǎn)流情況，出現(xiàn)產(chǎn)流后在小區(qū)的出口接樣，產(chǎn)流后的前3 min每隔1，2 min觀測(cè)1次，以后每隔3 min觀測(cè)1次，直到降雨結(jié)束，降雨歷時(shí)為40 min。降雨結(jié)束后，量取接樣渾水體積，并通過烘干稱重法測(cè)量、計(jì)算得到接樣中的泥沙體積，進(jìn)而計(jì)算清水徑流量，最后按照水量平衡原理計(jì)算出降雨入滲量和入滲率。

2結(jié)果與分析

2.1　撒施Jag S對(duì)黃土坡面入滲過程的影響

降雨入滲是指在降雨條件下，水分由地表滲入土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。入滲不僅影響地面徑流量的大小，而且也影響坡面水土流失過程。

2.1.1不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag S對(duì)降雨入滲過程的影響將坡度為15°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下裸坡和撒施3種不同劑量Jag S坡面的入滲率隨降雨過程的變化點(diǎn)繪在圖上，如圖1所示。從圖1可以看出，在坡度為15°，雨強(qiáng)分別為1.0，1.5及2.0 mm/min下，撒施1，3及5 g/m2劑量Jag S坡面的入滲率皆隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)先減小，隨后趨于穩(wěn)定變化狀態(tài)或低速率下降，與裸坡坡面入滲率隨降雨過程的變化大體相似，但也略有差異，撒施不同劑量Jag S坡面前期入滲率減小速率較裸坡大，入滲率趨于穩(wěn)定的時(shí)間早于裸坡坡面(大降雨強(qiáng)度下更為顯著)；在降雨過程的前期階段，撒施不同劑量Jag S的前期入滲率小于裸坡坡面前期入滲率，但其穩(wěn)滲率大于裸坡坡面。兩個(gè)大降雨強(qiáng)度下，撒施不同劑量Jag S坡面基本同時(shí)開始產(chǎn)流，而在小雨強(qiáng)下，撒施兩個(gè)大劑量Jag S坡面的產(chǎn)流時(shí)間較撒施小劑量Jag S坡面的產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)提前，但總體皆早于裸坡。撒施Jag S后增加了坡面的穩(wěn)滲率，但在同一降雨強(qiáng)度下，撒施Jag S劑量越大，穩(wěn)滲率越小。小、大降雨強(qiáng)度下，3個(gè)劑量入滲率在隨降雨過程的整個(gè)變化過程中差值相當(dāng)，但在中降雨強(qiáng)度1.5 mm/min下，3 g/m2劑量的入滲率與1 g/m2劑量的入滲率在隨降雨過程的整個(gè)變化過程中差值較小，而與劑量為5 g/m2的入滲率隨降雨過程的整個(gè)變化過程中差值則較大。對(duì)比圖1不同降雨強(qiáng)度下的入滲率變化曲線得出，隨著雨強(qiáng)的增大，初始產(chǎn)流時(shí)間提前，并且裸土坡面和撒施Jag S坡面入滲率均增加。隨著雨強(qiáng)增大入滲率增大的原因可能是由于隨著雨強(qiáng)的增大，水體自身重力和雨滴打擊所產(chǎn)生的沖力的增加，不僅可以加速入滲水流的速率，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中[11]。

圖1　不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag S對(duì)坡面入滲過程的影響

2.1.2不同坡度下撒施Jag S對(duì)降雨入滲過程的影響降雨強(qiáng)度為1.5 mm/min時(shí)，不同坡度下裸坡和撒施3種不同劑量Jag S坡面的土壤入滲過程如圖2所示。從圖2可以看出，1.5 mm/min，坡度分別為10°，15°及20°下，撒施1，3及5 g/m2劑量Jag S坡面入滲率隨降雨過程的變化規(guī)律與裸坡坡面大體相似，但也略有差異，撒施不同劑量Jag S坡面入滲率趨于穩(wěn)定的時(shí)間早于裸坡坡面，且前期入滲率減小速率較裸坡前期入滲率減小速率大，產(chǎn)流開始到產(chǎn)流后的3～9 min之間，入滲率減小，產(chǎn)流后的3～9 min至降雨結(jié)束入滲率基本維持穩(wěn)定或低速下降的變化過程。1.5 mm/min，坡度分別為10°,15°及20°下，撒施1，3，及5 g/m2不同劑量Jag S的坡面，其產(chǎn)流開始時(shí)間差異很小，但皆早于裸坡坡面。在降雨前期，撒施1，3及5 g/m2不同劑量Jag S的前期入滲率小于裸坡坡面前期入滲率，當(dāng)入滲率達(dá)到穩(wěn)定變化之后，撒施1，3及5 g/m2不同劑量Jag S的入滲率大于裸坡坡面入滲率，但5 g/m2劑量下穩(wěn)滲率與裸坡穩(wěn)滲率很接近。撒施Jag S能夠增加坡面的滲率，但在同一坡度下，撒施Jag S劑量越大，穩(wěn)滲率越小。3個(gè)坡度下，3 g/m2劑量的入滲率與1 g/m2劑量的入滲率隨降雨過程的整個(gè)變化過程中差值均較小，而與劑量為5 g/m2的入滲率隨降雨過程的整個(gè)變化過程差值則均較大。對(duì)比圖1—2可以得出，撒施Jag S可以增加降雨穩(wěn)滲率，其原因可能是在降雨過程中，Jag S與土壤發(fā)生作用，增強(qiáng)了水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，保持了土壤的團(tuán)聚體，減少了結(jié)皮的形成，維持良好的空隙狀況，形成較好的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的導(dǎo)水能力，從而增加入滲。但撒施的劑量超過一定的范圍，反而會(huì)減少滲率，同一坡度不同雨強(qiáng)下入滲效果表現(xiàn)為：1 g/m2>3 g/m2>裸坡>5 g/m2。其原因可能是當(dāng)施加量過大時(shí)，Jag S在土壤表層過度黏結(jié)土粒，降低了土壤的孔隙度，反而抑制了水的滲透。因此，在撒施使用Jag S時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其使用量進(jìn)行控制。

圖2　不同坡度下撒施Jag S對(duì)坡面入滲過程的影響

2.2　撒施Jag S對(duì)降雨入滲的強(qiáng)化效應(yīng)

2.2.1不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag S對(duì)降雨入滲的強(qiáng)化效應(yīng)將坡度為15°時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下撒施不同劑量Jag S時(shí)的坡面入滲量及其與裸坡坡面入滲量比較所得的強(qiáng)化入滲效應(yīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表2。從表2可以看出，同一降雨強(qiáng)度下，撒施Jag S劑量越大，入滲量越小，強(qiáng)化入滲效應(yīng)越差，5 g/m2劑量時(shí)減少入滲，但1.0 mm/min降雨強(qiáng)度下，入滲量先增大后減小，且3個(gè)劑量很接近。對(duì)于同一劑量，降雨強(qiáng)度越大，入滲量越大，強(qiáng)化入滲效應(yīng)越好。將同一劑量3個(gè)降雨強(qiáng)度下的強(qiáng)化入滲效應(yīng)進(jìn)行平均，得到撒施Jag S劑量為1 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡增加13.38%，劑量為3 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡增加6.92%，劑量為5 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡減少7.7%，劑量為1，3 g/m2時(shí)有強(qiáng)化入滲效應(yīng)，劑量為5 g/m2時(shí)則減少入滲效應(yīng)，可能是因?yàn)镴ag S加入過量，降低了土壤孔隙度，從而降低土壤入滲。[12]裸土和撒施不同劑量Jag S的坡面入滲量的大小順序依次為：1 g/m2>3 g/m2>裸坡>5 g/m2。

2.2.2不同坡度下撒施Jag S對(duì)降雨入滲的強(qiáng)化效應(yīng)將降雨強(qiáng)度為1.5 mm/min 時(shí)，不同坡度下撒施不同劑量Jag S時(shí)的坡面入滲量及與裸坡坡面入滲量比較所得的強(qiáng)化入滲效應(yīng)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)列于表3。從表3中可以看出，同一坡度下，撒施Jag S劑量越大，入滲量越小，強(qiáng)化入滲效應(yīng)越差。在同一劑量各個(gè)坡度下都強(qiáng)化了入滲效應(yīng)，但5 g/m2劑量下減少入滲效應(yīng)。將同一劑量3個(gè)坡度下的強(qiáng)化入滲效應(yīng)進(jìn)行平均，得到撒施Jag S劑量為1 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡增加11.14%；劑量為3 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡增加6.09%；劑量為5 g/m2時(shí)，入滲量相比裸坡減少13.94%。劑量為1，3 g/m2時(shí)強(qiáng)化入滲效應(yīng)，劑量為5 g/m2時(shí)減少入滲效應(yīng)。裸土和撒施不同劑量Jag S的坡面入滲量的大小為：1 g/m2>3 g/m2>裸坡>5 g/m2，這與不同雨強(qiáng)下得出的結(jié)論相似。

表2　不同降雨強(qiáng)度下撒施Jag S的強(qiáng)化入滲效應(yīng)

對(duì)比表2—3可以看出，坡度越大，入滲量越?。挥陱?qiáng)越大，入滲量越大。原因主要與坡面上水層的受壓情況有關(guān)。坡面上的水分入滲主要受大氣壓力和水層壓力的共同作用，隨著坡度的增大，水層沿坡面向下的壓力增大，而垂直坡面的壓力減小。同時(shí)由于水體沿坡面移動(dòng)，水分進(jìn)入土壤的機(jī)會(huì)減少，從而導(dǎo)致入滲率減小；雨強(qiáng)越大，水層壓力越大，從而可以增加入滲水流的流速，增加入滲[12]。

表3　不同坡度下撒施Jag S的強(qiáng)化入滲效應(yīng)

3結(jié) 論

(1) 不同坡度不同降雨強(qiáng)度下，撒施不同劑量Jag S坡面的入滲率皆隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)先減小，隨后趨于穩(wěn)定變化狀態(tài)或低速率下降，與裸坡坡面入滲率隨降雨過程的變化大體相似。

(2) 在降雨過程中撒施不同劑量Jag S坡面入滲率趨于穩(wěn)定的時(shí)間早于裸坡坡面(大降雨強(qiáng)度下比較顯著)，入滲率減小速率較裸坡大，且前期入滲率小于裸坡坡面前期入滲率，但穩(wěn)滲率大于裸坡。

(3) 撒施Jag S坡面的入滲量明顯高于裸坡的入滲量，在各個(gè)劑量下，入滲量均隨坡度的增加而減小，隨雨強(qiáng)的增加而呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)。

(4) 不同降雨強(qiáng)度及不同坡度下，撒施Jag S提高了坡面入滲量，強(qiáng)化了入滲效應(yīng)，各劑量強(qiáng)化入滲效應(yīng)的大小順序?yàn)椋? g/m2>3 g/m2>5 g/m2。

(5) 撒施Jag S能有效地增加土壤入滲，這與PAM對(duì)降雨入滲的影響結(jié)果類似，但是，仍然存在使用多大劑量Jag S在增加入滲方面最優(yōu)，以及Jag S和PAM對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控機(jī)理是否類似等問題有待于進(jìn)一步研究。

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Regulating Effect of Jag S Application on Rainfall Infiltration of Loess Slope

LI Yuanyuan1,2, WANG Zhanli2,3, SHEN Nan1,2, JIAO Nian4, LIU June5

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.XifengofSoilandWaterConservationScientificExperimentStationofYellowRiverWaterConservancyCommission,Xifeng,Gansu745000,China; 5.CollegeofTourismEnvironmentScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710019,China)

Abstract：[Objective] Jag S is a kind of new macromolecule polymers which can regulate water and soil loss. Studying Jag’s chemical regulation effect on the rainfall infiltration can provide the scientific basis for the control of soil and water loss on loess slope. [Methods] A simulated rainfall experiment was conducted to study the regulating effect of Jag S on infiltration of loess slope. [Results] (1) Variation trend of the infiltration rate of the slope with the spreading of Jag S was similar to bare soil. It rapidly decreased at first and then stabilized with the increase of the rainfall duration. (2) Compared to the bare soil, the soil with spreading Jag S had greater reduction of infiltration rate, less initial runoff time and less time for the infiltration rate to be stable, and the infiltration rate in the soil with dry spreading Jag S was lower than bare soil, but its stable infiltration rate was higher than bare soil. (3) Infiltration amount of the soil with spreading Jag S was significantly higher than bare soil. With different doses, the infiltration capacity decreased with slope increase, and increased with the increasing rainfall intensity. [Conclusion] The dry spreading Jag S increased the infiltration capacity, the regulating effect of different doses was 1 g/m2>3 g/m2>5 g/m2.

Keywords:Jag S; loess slope; rainfall infiltration; regulating effect

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0135-05

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：王占禮(1960—),男(漢族),陜西省榆林市人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕過程及預(yù)報(bào)模型研究。E-mail:zwang@nwsuaf.edu.cn。

收稿日期：2014-09-10修回日期：2014-09-26

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“應(yīng)用三區(qū)土盤試驗(yàn)解析黃土坡面片蝕動(dòng)力學(xué)過程”(41471230), “黃土坡面細(xì)溝侵蝕關(guān)鍵參數(shù)及其耦合關(guān)系試驗(yàn)研究”(41171227); 中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(KZZDEW0403)

第一作者：李元元(1988—),女(漢族),安徽省蚌埠市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g。E-mail:836434985@qq.com。