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        保土劑對黃土丘陵區(qū)土壤保土效果的實驗研究

        2017-03-08 05:11:02牛最榮於旭東扈家昱
        地下水 2017年1期
        關(guān)鍵詞:保土石膏粉產(chǎn)沙量

        崔 亮,牛最榮,於旭東,扈家昱

        (1.甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000;2.北京永盛安水利電力工程技術(shù)有限公司,北京 100026)

        保土劑對黃土丘陵區(qū)土壤保土效果的實驗研究

        崔 亮1,牛最榮1,於旭東2,扈家昱1

        (1.甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000;2.北京永盛安水利電力工程技術(shù)有限公司,北京 100026)

        水土流失是降雨侵蝕力與徑流沖刷力共同作用的結(jié)果,使用保土劑可以有效減小土壤侵蝕,通過選擇陜西省安塞縣山坡作為實驗區(qū),在該區(qū)域內(nèi)分別施用不同劑量保土劑,研究保土劑對黃土丘陵區(qū)的土壤保土效果的影響,實驗結(jié)果可知:(1)施用保土劑可以有效減小徑流挾沙率,減少土壤侵蝕量,隨著保土劑用量的增加減沙效果越明顯。(2)保土劑混施石膏后,隨著用量增加,徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。(3)保土劑用量3.0 g/m2時為最佳用量,保土效果可經(jīng)受4次較大和較長時間降雨徑流。該實驗對于推廣應(yīng)用保土劑,開展黃土丘陵區(qū)水土流失治理等具有重要的應(yīng)用價值。

        保土劑;水土流失;持效性;黃土丘陵區(qū)

        水土流失是降雨侵蝕力與徑流沖刷力共同作用的結(jié)果,在坡地施用保土劑,當降雨發(fā)生時保土劑形成水凝膠與土壤顆粒膠結(jié)在一起,良好的黏結(jié)力能有效改良土壤的表層結(jié)構(gòu)、增加團聚體含量、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),減小降雨及徑流對土壤顆粒的剝離、沖蝕和搬運作用,從而減小侵蝕產(chǎn)沙量。黃土高原丘陵區(qū)是我國水土流失最嚴重的地區(qū)之一,通過實驗研究保土劑對黃土丘陵區(qū)土壤的保土效果,進一步推廣應(yīng)用保土劑,對于治理黃土丘陵區(qū)水土流失、保護生態(tài)環(huán)境等具有重要的應(yīng)用價值。

        1 研究區(qū)概況

        陜西安塞縣地處西北內(nèi)陸黃土高原腹地,鄂爾多斯盆地邊緣,域內(nèi)溝壑縱橫、梁峁遍布、川道狹長,屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)??偼恋孛娣e2 950 km2,其中耕地106.4萬畝,其中95%屬于山地[1]。區(qū)域土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育來的黃綿土(鈣質(zhì)干潤雛形土)為主,此外還有二色土、紅膠土、五花土、石泡土和洪淤土,水土流失嚴重,耕層有機質(zhì)含量僅0.53%~0.77%左右,氮、磷俱缺,土壤瘠薄。

        2 實驗設(shè)計

        本次實驗區(qū)選在陜西省安塞縣南溝的自然山坡上,坡長3 m,將其獨立均勻分為5個小區(qū)域,寬1 m,下端分別設(shè)集流池,試驗區(qū)布置如圖1所示。當在小區(qū)域分別施用不同劑量保土劑后,模擬降水徑流過程,并通過集流池收集徑流,測定徑流量及泥沙含量并進行對比分析[2-5]。

        實驗選用的保土劑為膠粉。膠粉是一種聚丙烯酰胺(PAM)和丙烯酸鹽高純度的交鏈體共聚物,是農(nóng)用土壤調(diào)理劑系列產(chǎn)品之一。膠粉為高分子陰離子白色粉末狀物質(zhì),活性成分大于85%,密度為0.8 g/cm3。當溶于水時,其分子帶電荷的一端將土壤膠體顆粒吸附,使地表土壤微粒結(jié)塊,能夠顯著提高土壤的水分入滲速率,減少地表徑流,可用于防止水土流失,具有防止地表徑流造成的土壤流失、提高土壤滲透力、保土保肥、緩解和調(diào)節(jié)土壤水分蒸發(fā)等特點[6-7]。

        圖1 試驗區(qū)布置示意圖

        3 保土效果分析

        3.1 對徑流挾沙率的影響

        降雨徑流引起的坡地土壤侵蝕,可以從降雨所產(chǎn)生徑流的挾沙率和一次降雨的泥沙總量兩方面來分析[8]。將同一保土劑用量的坡地徑流挾沙率試驗結(jié)果進行平均,得到保土劑用量與徑流挾沙率的關(guān)系如圖2所示。經(jīng)保土劑處理坡地徑流挾沙率均小于未經(jīng)過保土劑處理的,徑流挾沙率隨保土劑用量的增加呈減小趨勢,當保土劑用量為0.5 g/m2時,徑流挾沙率減小85%;當保土劑用量為3.0 g/m2時,徑流挾沙率減小93%。

        圖2 保土劑用量與徑流挾沙率的關(guān)系

        3.2 對侵蝕量的影響

        經(jīng)過保土劑處理的不同坡度實驗區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量結(jié)果對應(yīng)保土劑用量如圖3所示,可以看出,保土劑能夠顯著減少一次降雨的侵蝕產(chǎn)沙總量。當保土劑用量為0.5 g/m2時與對照相比平均可減少侵蝕產(chǎn)沙量7倍左右,當保土劑用量為3.0 g/m2時可平均減少16倍左右,且隨保土劑用量的增加侵蝕產(chǎn)沙量逐漸減小。

        圖3 保土劑用量與一次降雨侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系

        圖4 保土劑施加量與徑流挾沙率的關(guān)系

        圖5 石膏粉施加量與徑流挾沙率關(guān)系

        圖6 徑流挾沙率與保土劑及石膏粉施用量的關(guān)系

        3.3 混施石膏對侵蝕量的影響

        石膏富含作物生長所需要的鈣、硫等農(nóng)作物生長所需要的營養(yǎng)元素,對農(nóng)作物的生長發(fā)育,尤其是增加籽實和生物學(xué)產(chǎn)量有較為明顯的效果。圖4為保土劑混施石膏后對徑流挾沙率的影響。保土劑施加量為0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2、4.0 g/m2、6.0 g/m2時,其徑流挾沙率分別降低19%、35%、58%、74%及81%。隨著保土劑用量的增加,徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。

        (a)保土劑用量0.5 g/m2

        (b)保土劑用量1.0 g/m2

        (c)保土劑用量2.0 g/m2

        (d)保土劑用量3.0 g/m2

        圖5顯示了徑流挾沙率隨石膏粉施用量的增加的變化情況,在坡地小區(qū)土壤表面以80 g/m2的水平施加石膏粉后,徑流挾沙率增加27.1%,但當石膏粉施加量由80 g/m2增加到150 g/m2時,徑流挾沙率大幅增加,增幅達到125%,產(chǎn)生這種狀況的原因主要有兩個方面:(1)干施石膏粉后,坡地表面可被徑流搬移沖蝕的松散物質(zhì)增加,泥沙量增加;(2)坡地表面施加石膏粉后,小區(qū)徑流系數(shù)降低,徑流量減少。

        保土劑具有保土效益,且隨著施用量的增加保土效益更加明顯,石膏粉具有增加入滲、減少徑流的特性。圖6描述了徑流挾沙率與保土劑和石膏粉施用量的關(guān)系,石膏粉水平1-3分別對應(yīng)0、80 g/m2、150 g/m2。從圖中可以看出,當保土劑施用量為0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2時,經(jīng)過石膏粉處理的實驗小區(qū)徑流挾沙率呈增大趨勢,保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益并未消除松散物質(zhì)增多對土壤侵蝕帶來的影響。當保土劑施用量為4.0 g/m2時,經(jīng)過80 g/m2石膏粉處理的小區(qū)徑流挾沙率才減小,保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益才逐漸發(fā)揮出來;當保土劑施用量為6.0 g/m2時,徑流挾沙率隨著石膏粉施用量的增加逐漸減小。

        4 保土劑持效性分析

        保土劑應(yīng)用于調(diào)控坡面土壤徑流、降低侵蝕產(chǎn)沙量具有良好的效果,但其持效時間直接關(guān)系到其應(yīng)用成本。為準確把握保土劑的持效性,在試驗區(qū)不同坡度的坡地模擬了不同用量和降雨的組合試驗。對每個經(jīng)過保土劑處理的試驗區(qū)都進行同雨強的四次降雨,將各次降雨的徑流挾沙率與未施用保土劑的情況進行比較分析,得到保土劑的重復(fù)應(yīng)用效果,圖7(a)~7(d)為不同保土劑用量的重復(fù)應(yīng)用效果圖。

        當保土劑用量為0.5 g/m2時,第一次降雨徑流挾沙率僅為0.279%,而第四次降雨徑流挾沙率增加到0.931%,此時徑流挾沙率減少7.84%, 基本起不到減少土壤侵蝕的作用。當保土劑用量為3.0 g/m2時,第一次與第四次降雨徑流挾沙率分別為0.06%和0.47%,保土劑效果好,隨著降雨次數(shù)的增加,保土劑的有效性逐漸減小。

        通過實驗發(fā)現(xiàn),坡地施用保土劑能大幅提高土壤的入滲速率,顯著減小徑流挾沙率,有效減少坡面土壤侵蝕??傮w上,隨著保土劑用量增加保土?xí)r效性越長,隨降雨次數(shù)的增加而衰減,當保土劑用量為3.0 g/m2時,可減少降雨侵蝕產(chǎn)沙量16倍左右,能經(jīng)受4次左右的較大和較長時間(30 min)的降雨徑流,為最佳用量。因此,建議在該區(qū)域每年可施用一次保土劑,可起到治理水土流失的效果。

        5 結(jié)語

        通過以上黃土丘陵區(qū)坡地施用保土劑實驗分析,結(jié)果可知:(1)施用保土劑可以有效減小徑流挾沙率,減少土壤侵蝕量,隨著保土劑用量的增加減沙效果越明顯;(2)保土劑混施石膏后,隨著用量增加,徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。當按照4.0 g/m2的保土劑用量施用在經(jīng)過80 g/m2石膏粉處理的實驗區(qū)上時,保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益將逐漸發(fā)揮出來;(3)保土劑用量3.0 g/m2時為最佳用量,保土效果可經(jīng)受4次較大和較長時間降雨徑流。

        [1]安塞年鑒.陜西人民出版社.2006.

        [2]蔡強國, 王貴平, 陳永宗. 黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙過程與模擬[M]. 北京科學(xué)出版社.1998(9), 3(5): 223-225.

        [3]牛最榮,崔亮.氣候變化和人類活動對洮河輸沙量變化的影響分析[J].水利水電技術(shù).2016,47(5).

        [4]崔亮,陳學(xué)林,安冬,等.60年來黑河流域東部子水系中上游徑流量、輸沙量變化特征分析[J].水文.2015,35(1):82-87.

        [5]陳渠昌,雷廷武,李瑞平.PAM對坡地降雨徑流入滲和水力侵蝕的影響研究[J].水利學(xué)報.2006,37(11):1290-1296.

        [6]吳淑芳,吳普特.高分子聚合物對坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征影響的研究.土壤學(xué)報.2005,42(1):167-170.

        [7]李樊敏,冀慧,陳渠昌.聚丙烯酰胺改良土壤的應(yīng)用研究綜述[J].人民黃河.2010,32(7).

        [8]王萬中, 焦菊英. 中國降雨侵蝕力R值的計算與分布(Ⅰ)[J].水土保持學(xué)報.1995(4), 5(6): 45-49.

        2016-09-28

        崔亮(1982-),男,陜西鳳翔人,高級工程師,主要從事水文分析計算工作。

        牛最榮(1964-),男,甘肅通渭人,教授級高工,主要從事水文水資源及水環(huán)境監(jiān)測、評價和研究工作。

        S156.2

        A

        1004-1184(2017)01-0183-03

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