裴 崢，段喜明，侯禮婷

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

施加PAM和PG對(duì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響研究

裴 崢，段喜明，侯禮婷

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

坡地；人工降雨；聚丙烯酰胺(PAM)；磷石膏(PG)；產(chǎn)流；產(chǎn)沙

在人工降雨條件下，研究呂梁地區(qū)混合施加不同量的聚丙烯酰胺(PAM)和磷石膏(PG)對(duì)坡地產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)施加PAM可以明顯減少產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，施加1、2 g/m2PAM處理分別比CK總產(chǎn)流量減少58.6%和21.2%，總產(chǎn)沙量減少41.7%和54.1%；單獨(dú)施加PG對(duì)產(chǎn)流量影響不明顯，而且產(chǎn)沙量會(huì)增加，施加100、200 g/m2PG處理比CK總產(chǎn)沙量增加7.8%和10.3%；PAM與PG混施可提高土壤的穩(wěn)定入滲率，具有比單獨(dú)施加等量PAM更佳的減流效果，但產(chǎn)沙量會(huì)有所增加；1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施具有最優(yōu)的減流、減沙綜合效果，相比CK總產(chǎn)流量減少71.2%、總產(chǎn)沙量減少33.2%。實(shí)踐中建議采用1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施以達(dá)到最佳的蓄水減沙效果。

坡地是黃土高原地區(qū)水土流失治理的重點(diǎn)[1]。加強(qiáng)坡地降雨的就地入滲有利于保持水土、涵養(yǎng)水源，還有利于促進(jìn)植被生長(zhǎng)和改善生態(tài)環(huán)境[2-3]。聚丙烯酰胺(Polyacylamide，PAM)是一種比較常用的土壤結(jié)構(gòu)改良劑[4-5]，施加PAM可以抑制土壤結(jié)皮形成，影響降雨就地入滲，還具有減沙作用,有著廣泛的應(yīng)用前景[6-10]。一般認(rèn)為施加PAM可以提高土壤的入滲能力[11-13]，但隨著對(duì)PAM研究的深入，有人得出了不同的結(jié)論[14-16]，比如楊永輝等[17-19]研究發(fā)現(xiàn)，在PAM施加量不同或施加在不同土壤中時(shí)，PAM對(duì)于水分入滲率的影響既有可能增強(qiáng)也有可能減弱。作為土壤調(diào)理劑，磷石膏(Phosphogypsum，PG)主要成分為石膏，含有少量P2O5，可以通過(guò)改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)改善土壤的入滲性能[20-21]。本研究以山西省呂梁市方山縣沙溝綜合觀測(cè)場(chǎng)為試驗(yàn)地，研究不同用量PAM與PG混施對(duì)坡地的減流減沙效果，并尋求最佳的用量配比模式，以期為黃土高原坡地水土流失治理提供參考。

1 試驗(yàn)儀器和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

山西省呂梁市方山縣沙溝綜合觀測(cè)場(chǎng)位于沙溝小流域，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，受暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候控制，全年雨量分布不均；土壤質(zhì)地疏松，植被稀少，抗蝕性較差，以水力侵蝕為主。沙溝綜合觀測(cè)場(chǎng)于2012年3月通過(guò)水利部驗(yàn)收，具備坡面水土流失監(jiān)測(cè)能力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)地的實(shí)際情況，人工降雨試驗(yàn)選擇在觀測(cè)站坡度15°、坡向E90°的徑流小區(qū)上進(jìn)行。徑流小區(qū)投影面積2 m×6 m，下部留有收集小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的出水口，四周用PVC板圍砌。土壤類(lèi)型為淡褐土，土壤容重為1.4 g/cm3，0～20 cm土層平均初始含水量為10%。

在坡地表面施加不同組合方式的PAM和PG，并設(shè)置對(duì)照組(CK)，研究其對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，不同處理的PAM與PG的用量和名稱(chēng)見(jiàn)表1。降雨前，每個(gè)小區(qū)用天平稱(chēng)取試驗(yàn)用量的PAM和PG，將其與6 kg當(dāng)?shù)赝寥?淡褐土去除雜質(zhì)、風(fēng)干破碎后，過(guò)孔徑2 mm篩)充分混合，然后均勻撒于小區(qū)表面。試驗(yàn)采用TSJY-081型全自動(dòng)便攜式人工模擬降雨器進(jìn)行人工降雨，參考當(dāng)?shù)氐膶?shí)際降雨情況，雨強(qiáng)選擇1.0 mm/min，降雨共進(jìn)行45 min。試驗(yàn)記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，收集與記錄自產(chǎn)流開(kāi)始后每3 min的產(chǎn)流量，并取樣品測(cè)量其含沙率。

表1 各試驗(yàn)處理PAM與PG用量和名稱(chēng)

注：PxGy表示x(g/m2)PAM與100y(g/m2)PG處理組合。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，施加不同量的PG對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響不明顯，施加PAM可推遲初始產(chǎn)流時(shí)間。施加了PAM的組合中，初始產(chǎn)流時(shí)間推遲了2.1～5.8 min。PAM是分子鏈較長(zhǎng)的高分子化合物，施加PAM會(huì)改變土壤的孔隙率。同時(shí)，PAM還具有聚合能力，能把細(xì)小的顆粒聚合成大的團(tuán)聚體，增加表層土壤的入滲能力，因此施加PAM能推遲初始產(chǎn)流時(shí)間。此外，初始產(chǎn)流推遲時(shí)間與PAM的用量有關(guān)，施加有1 g/m2PAM的組合產(chǎn)流明顯晚于施加2 g/m2PAM的組合。不同處理的初始產(chǎn)流時(shí)間見(jiàn)圖1。

圖1 不同處理的初始產(chǎn)流時(shí)間

2.2 對(duì)產(chǎn)流的影響

2.2.1 對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響

開(kāi)始產(chǎn)流后，徑流小區(qū)產(chǎn)流量迅速增大，隨著降雨的進(jìn)行產(chǎn)流量逐漸趨于平緩，在產(chǎn)流開(kāi)始10～15 min后產(chǎn)流量基本穩(wěn)定。不同處理的徑流速率隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖2，徑流速率越大，小區(qū)產(chǎn)流量越大。試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)施加PAM可有效減少產(chǎn)流量，但PAM用量與產(chǎn)流量的減少值并不成正比，施加過(guò)量的PAM反而會(huì)影響降雨的入滲率，增加產(chǎn)流量。產(chǎn)流穩(wěn)定后，P1G0與P2G0比CK的產(chǎn)流量分別減少50.1%和26.5%。這是因?yàn)楫?dāng)PAM用量較少時(shí)，PAM抑制了土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，增加了降雨的入滲，但當(dāng)PAM的用量較大時(shí)，PAM經(jīng)水浸泡膨脹的分子鏈會(huì)進(jìn)入土壤孔隙，PAM本身的透水性能較差，反而使PAM增強(qiáng)降雨入滲率的能力降低[17,19]。在混施100或200 g/m2PG的前提下，PAM的減流效果也呈現(xiàn)相似規(guī)律。

圖2 不同處理的徑流速率隨時(shí)間的變化

單獨(dú)施加PG對(duì)產(chǎn)流量的影響無(wú)明顯規(guī)律。當(dāng)PAM與PG混施時(shí)，初始產(chǎn)流量減少不明顯，但減少了產(chǎn)流穩(wěn)定后的產(chǎn)流量，增加了穩(wěn)定入滲率，并且隨著PG施加量的增加，穩(wěn)定入滲率增加。產(chǎn)流穩(wěn)定后，P1G2、P1G1比P1GO產(chǎn)流量分別減少29.4%和16.9%。在混施2 g/m2PAM的情況下，P2G2、P2G1的減流效果也呈現(xiàn)相似規(guī)律，但減流效果不如混施1 g/m2PAM的小區(qū)。

2.2.2 對(duì)總產(chǎn)流量的影響

表2 不同處理的減流效果

注：比例為總產(chǎn)流量比對(duì)照組減少的百分比。

2.3 對(duì)產(chǎn)沙的影響

2.3.1 對(duì)產(chǎn)沙過(guò)程的影響

圖3為不同處理開(kāi)始產(chǎn)流后徑流含沙率隨時(shí)間變化規(guī)律。產(chǎn)流開(kāi)始后，徑流含沙率比較大，隨著產(chǎn)流量的增加，徑流含沙率降低。從圖4可以看出，累計(jì)產(chǎn)沙量先以較快速度增加，隨后增速變緩，最后以一較小值穩(wěn)定增加。累計(jì)產(chǎn)沙量的增加速度取決于產(chǎn)流量的大小和可供徑流攜帶的泥沙量。 形成坡面徑流后， 徑流

圖3 不同處理的徑流含沙率變化

圖4 不同處理的累計(jì)產(chǎn)沙量變化

帶走表面松散細(xì)小的土壤顆粒，造成前期的產(chǎn)沙量較大，而隨著降雨的進(jìn)行，坡面無(wú)法產(chǎn)生足夠供徑流攜帶的細(xì)小土壤顆粒，所以產(chǎn)沙量基本穩(wěn)定在一個(gè)水平上。產(chǎn)沙過(guò)程中，施加了PAM的小區(qū)產(chǎn)沙量增加速度明顯低于對(duì)照組。

對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)利用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出累計(jì)產(chǎn)沙量與時(shí)間的關(guān)系式為

式中：Vs為累計(jì)產(chǎn)沙量，kg；t為時(shí)間，min；a、b、c為擬合參數(shù)，各個(gè)處理對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 擬合參數(shù)a、b、c

注：R2為擬合方程的擬合度。

2.3.2 對(duì)總產(chǎn)沙量的影響

不同處理在人工降雨45 min后的總產(chǎn)沙量見(jiàn)圖5。在其他條件相同的情況下，無(wú)論單施還是混施，施加PAM都可明顯減少總產(chǎn)沙量，且隨著PAM用量的增加總產(chǎn)沙量減少。P1G0、P2G0總產(chǎn)沙量分別比CK減少41.7%和54.1%，在混施100或200 g/m2PG的情況下，P1G1、P2G1與P1G2、P2G2也呈現(xiàn)相似的減沙規(guī)律。這是因?yàn)槭┘覲AM不但減少了產(chǎn)流量，降低了徑流攜帶泥沙的能力，而且改善了土壤的物理性狀，通過(guò)增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒數(shù)量，在土壤表面形成了一層保護(hù)層，減少了徑流對(duì)泥沙的侵蝕。

圖5 不同處理降雨45 min的總產(chǎn)沙量

單獨(dú)施加PG會(huì)增加產(chǎn)沙量，P0G1和P0G2比CK總產(chǎn)沙量增加了7.8%和10.3%。在混施1與2 g/m2PAM的情況下，各處理總產(chǎn)沙量隨著PG用量的增加而增加。PAM與PG混施后，溶解的PG一方面提高了降雨的入滲率，另一方面降低了PAM對(duì)土壤的固結(jié)效果，降低了土壤的抗侵蝕能力。

綜上所述，本試驗(yàn)中P1G2具有最優(yōu)的減流效果，P2G0具有最優(yōu)的減沙效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，P1G2比P2GO總產(chǎn)流量減少55.22 L，減流50%以上，同時(shí)總產(chǎn)沙量卻僅為P2G0的1.34倍，因此P1G2可達(dá)到最優(yōu)的減流、減沙綜合效果。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)在沙溝綜合觀測(cè)場(chǎng)人工降雨雨強(qiáng)1.0 mm/min、徑流小區(qū)坡度15°、初始土壤平均含水量10%的條件下得出以下結(jié)論：

(1)單獨(dú)施加PAM可增加土壤的穩(wěn)定入滲率，推遲初始產(chǎn)流時(shí)間，減少產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。P1G0和P2G0比CK初始產(chǎn)流時(shí)間推遲了4.8和2.1 min，總產(chǎn)流量減少了58.6%和21.2%，總產(chǎn)沙量減少了41.7%和54.1%。

(2)單獨(dú)施加PG不但無(wú)法減少產(chǎn)流量，而且會(huì)增加產(chǎn)沙量，在實(shí)際中不建議采用。

(3)PAM與PG混施可增強(qiáng)土壤的入滲能力，減少產(chǎn)流量，具有比單獨(dú)施加PAM更好的減流效果，但產(chǎn)沙量略有增加。本試驗(yàn)地坡地采用1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施，可以起到最優(yōu)的蓄水保土效果，提高土壤含水率，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

[1] 吳發(fā)啟,趙西寧,崔衛(wèi)芳.坡耕地耕作管理措施對(duì)降雨入滲的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(3):115-117.

[2] 穆興民.黃土高原土壤水分與水土保持措施相互作用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000,16(2):41-45.

[3] 朱顯謨.搶救“土壤水庫(kù)”實(shí)為黃土高原生態(tài)環(huán)境綜合治理與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵——四論黃土高原國(guó)土整治28字方略[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(1):1-6.

[4] 曹麗花,趙世偉,梁向鋒,等.PAM對(duì)黃土高原主要土壤類(lèi)型水穩(wěn)性團(tuán)聚體的改良效果及機(jī)理研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,24(1):45-48.

[5] 員學(xué)鋒.PAM的土壤保水、保肥及作物增產(chǎn)效應(yīng)研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2003:1-60.

[6] 董文財(cái).黃土高原坡面養(yǎng)分徑流流失模擬研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2012:1-116.

[7] 董英,郭紹輝,詹亞力.聚丙烯酰胺的土壤改良效應(yīng)[J].高分子通報(bào),2004(5):83-87.

[8] 李晶晶,白崗栓.聚丙烯酰胺的水土保持機(jī)制及研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2011,9(5):115-120.

[9] 胡霞,蔡強(qiáng)國(guó),劉連友,等.聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)黃土結(jié)皮形成的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(4):65-68.

[10] 趙偉,吳軍虎,王全九,等.聚丙烯酰胺對(duì)黃土坡面水分入滲及溶質(zhì)遷移的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(6):36-40.

[11] 馮浩,吳普特,黃占斌.聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)黃土坡地降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(5):48-51.

[12] 王麗,王力,王全九.PAM對(duì)不同坡度坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及氮磷流失的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(12):3956-3964.

[13] 唐澤軍,雷延武,張晴雯,等.聚丙烯酰胺增加土壤降雨入滲減少侵蝕的模擬試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2003,40(2):178-185.

[14] 于健,雷廷武,ISAAC S,等.PAM特性對(duì)砂壤土入滲及土壤侵蝕的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2011,48(1):21-27.

[15] 張長(zhǎng)保,王全九,樊軍,等.模擬降雨下 PAM 對(duì)砂黃土養(yǎng)分遷移影響實(shí)驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(1):82-85.

[16] 王輝,王全九,邵明安.聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)不同土壤坡地水分養(yǎng)分遷移過(guò)程的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(2):86-89.

[17] 楊永輝,武繼承,趙世偉,等.PAM的土壤保水性能研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(12):120-124.

[18] 劉東,任樹(shù)梅,楊培嶺.聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)土壤水分蓄滲能力的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2006,25(4):56-63.

[19] 韓鳳朋,鄭紀(jì)勇,李占斌,等.PAM 對(duì)土壤物理性狀以及水分分布的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(4):70-74.

[20] 潘英華.物理化學(xué)調(diào)控對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)特性的影響研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2004:1-84.

[21] 潘英華,雷延武,谷曉巖.PAM與PG對(duì)土壤水平入滲的影響[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2007(12):17-21,34.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)04-0059-04

裴崢(1991—)，男，山西平遙縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源的高效利用；通信作者段喜明(1967—)，男，山西太谷縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源的高效利用。

2016-12-05