摘 要:為揭示聚丙烯酰胺(PAM)和石膏粉對(duì)黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,進(jìn)行PAM 施用量為0~6.0 g/ m2、石膏粉施用量為0~150g/ m2、坡面坡角為15°~25°、不同雨強(qiáng)共18 種處理小區(qū)的野外模擬人工降雨試驗(yàn),分析了各類小區(qū)降雨產(chǎn)流時(shí)間、徑流系數(shù)、徑流挾沙率隨PAM 和石膏粉施用量的變化情況。結(jié)果表明:1)施用PAM、石膏粉均可延緩降雨初始產(chǎn)流,且施用量越大延緩時(shí)間越長(zhǎng)。2)施用PAM 使徑流系數(shù)增大,不同施用量的徑流系數(shù)均在對(duì)照的1.4 倍以上;施用石膏粉使徑流系數(shù)減小,施用量為150 g/ m2時(shí)徑流系數(shù)較對(duì)照減小幅度為22.2%;PAM、石膏粉分別對(duì)連續(xù)降雨的前2 場(chǎng)、首場(chǎng)降雨產(chǎn)流的影響顯著,對(duì)后續(xù)場(chǎng)次降雨產(chǎn)流的影響均明顯衰減。3)施用PAM 可有效增強(qiáng)坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量,且施用量越大抗蝕、減沙作用越大,PAM 施用量為6.0 g/ m2時(shí)徑流挾沙率較對(duì)照降低81%;施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加,石膏粉施用量為150 g/ m2 時(shí)徑流挾沙率比對(duì)照提高125%;PAM、石膏粉分別對(duì)連續(xù)降雨的前2 場(chǎng)、前3 場(chǎng)降雨產(chǎn)沙有較顯著的影響,對(duì)后續(xù)場(chǎng)次降雨產(chǎn)沙的影響均明顯衰減。
關(guān)鍵詞:聚丙烯酰胺;石膏粉;黃土坡地;徑流系數(shù);徑流挾沙率;土壤抗蝕性
中圖分類號(hào):S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.07.021
引用格式:李樊敏.聚丙烯酰胺和石膏粉對(duì)黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].人民黃河,2023,45(7):116-119,139.
坡地是黃土高原水土流失嚴(yán)重的土地類型[1-4] 。聚丙烯酰胺(PAM )與石膏粉都是效果良好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑,有關(guān)學(xué)者對(duì)其用于坡地水土流失防治的效果等進(jìn)行了大量研究[5] 。多數(shù)研究表明PAM 與石膏粉的施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)、增加水分入滲量、增強(qiáng)土壤的吸水能力、減少水土流失等[6-10] ;也有學(xué)者認(rèn)為PAM 吸水后體積膨脹,在一定程度上堵塞了土壤孔隙,進(jìn)而降低土壤入滲率[11] 。筆者通過野外人工模擬降雨試驗(yàn),研究了坡地施用PAM 和石膏粉對(duì)不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,以期為黃土高原坡地水土流失治理及相關(guān)研究提供參考。
1 研究方法
1.1 試驗(yàn)區(qū)概況
試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原腹地的陜西省延安市安塞區(qū)縣南溝流域,屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)土壤以黃綿土為主,其質(zhì)地疏松,沙粒及粉沙粒含量較高(約為60%)、黏粒含量低,穩(wěn)定性差,抗蝕性弱,土壤侵蝕強(qiáng)烈,水土流失嚴(yán)重[12] ;年均降水量505 mm,雨季主要為6—9 月(降水量占全年的74.3%);人均水資源量?jī)H為全國(guó)人均水資源量的41.5%,屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。
1.2 試驗(yàn)材料
PAM 選用膠粉(A30 型),它是一種聚丙烯酰胺和丙烯酸鹽的交鏈體共聚物,為陰離子型高分子白色粉末,能以任意濃度溶于水,可與土壤中的陽(yáng)離子交換,增強(qiáng)土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的凝聚能力,形成大的團(tuán)聚體,增強(qiáng)土壤的抗蝕性,且可防止土壤結(jié)皮的形成,從而改善土壤入滲狀況、保水保土。
石膏粉主要成分為硫酸鈣CaSO4,通常為白色粉末,潮濕情況下易結(jié)塊,可作為鈣、硫復(fù)合礦物肥料用于改良土壤、調(diào)節(jié)土壤酸堿度,或作為家禽、家畜飼料添加劑等。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)采用噴灌組合系統(tǒng)進(jìn)行人工模擬降雨。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置PAM 施用量(用xPAM表示,取值為0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0 g/ m2 )、石膏粉施用量(用xPG表示,取值為0、80、150 g/ m2 )、坡角(15°、20°、25°)、雨型(大雨、中雨、小雨)等4 個(gè)因素,共18 種處理(見表1),其中:PAM 和石膏粉施用量的設(shè)定參考了于鍵等的研究[8] ;坡角設(shè)定的依據(jù)是縣南溝流域自然山坡及坡耕地的最大坡度;雨型設(shè)定參考了王玲莉等[13] 的研究,設(shè)定小雨雨強(qiáng)為15 ~ 20 mm/ h、中雨雨強(qiáng)為25~30 mm/ h、大雨雨強(qiáng)為35~40 mm/ h。試驗(yàn)小區(qū)尺寸為3 m×1 m(長(zhǎng)×寬),相鄰小區(qū)用地埂隔開(埂寬0.1 m)。每次人工降雨范圍為并列的6 個(gè)小區(qū),用塑料布遮蓋相鄰小區(qū)以避免其受到影響。每種處理小區(qū)連續(xù)進(jìn)行5 場(chǎng)降雨試驗(yàn),每場(chǎng)降雨歷時(shí)約為30 min,每種試驗(yàn)重復(fù)2 次。
1.4 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理
采用多噴頭組合進(jìn)行人工模擬降雨,通過增減噴頭數(shù)量和設(shè)置噴頭仰角、擺角等來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。為每個(gè)小區(qū)準(zhǔn)備10 個(gè)徑流桶,按順序編號(hào)備用。當(dāng)坡面開始產(chǎn)流時(shí)記錄產(chǎn)流時(shí)間,之后每隔3~5 min 更換一次徑流桶并記錄更換時(shí)間。降雨停止后測(cè)量徑流桶中的徑流量,結(jié)合降雨量計(jì)算降雨徑流系數(shù)。將每個(gè)徑流桶中的泥沙分別倒入帶編號(hào)的試驗(yàn)瓶中進(jìn)行風(fēng)干,之后稱重。依據(jù)風(fēng)干沙重、產(chǎn)流時(shí)間、換桶時(shí)間可繪制產(chǎn)沙過程線、計(jì)算累計(jì)產(chǎn)沙量等。采用EXCEL 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制等。
2 結(jié)果與分析
2.1 PAM 和石膏粉對(duì)產(chǎn)流的影響
2.1.1 PAM 和石膏粉對(duì)土壤初始產(chǎn)流時(shí)間的影響
施用PAM 后坡地小區(qū)在大雨、中雨、小雨情況下的初始產(chǎn)流時(shí)間均有所延長(zhǎng),且延長(zhǎng)幅度隨PAM 施用量的增加呈增大趨勢(shì)(在PAM 施用量為6.0 g/ m2時(shí)初始產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)),即施用PAM 后對(duì)坡地產(chǎn)流具有滯后作用(在施用量為6.0 g/ m2時(shí)對(duì)中雨產(chǎn)流的滯后作用最明顯),其主要原因是PAM 遇水膨脹后形成的水凝膠具有一定持水能力,延緩了產(chǎn)流。計(jì)算PAM 不同施用量情況下大雨、中雨、小雨初始產(chǎn)流時(shí)間的平均值,未施用PAM 的坡地小區(qū)平均初始產(chǎn)流時(shí)間為2.34min,對(duì)平均初始產(chǎn)流時(shí)間與PAM 施用量的關(guān)系進(jìn)行擬合(見圖1,其中y 為平均初始產(chǎn)流時(shí)間,x 為PAM施用量,R2 為決定系數(shù))表明,PAM 的施用量每增加1 g/ m2平均初始產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng)約0.25 min。
石膏粉的施用對(duì)雨水入滲具有促進(jìn)作用,因而可以延緩產(chǎn)流。大雨、中雨、小雨平均初始產(chǎn)流時(shí)間與石膏粉施用量的關(guān)系擬合(見圖2)表明,平均初始產(chǎn)流時(shí)間隨石膏粉施用量的增加而延長(zhǎng),施用量每增加100 g/ m2平均初始產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng)0.75 min。
野外模擬降雨的初始產(chǎn)流時(shí)間除了受PAM 和石膏粉施用量的影響,還受小區(qū)坡度及降雨強(qiáng)度的影響。在坡度(坡角)一定的情況下,雨強(qiáng)與初始產(chǎn)流時(shí)間負(fù)相關(guān),其主要原因:一是隨著降雨強(qiáng)度的增大,在降雨強(qiáng)度大于土壤入滲率時(shí)坡地的產(chǎn)流方式由蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑵B產(chǎn)流,土壤尚未達(dá)到飽和狀態(tài)就產(chǎn)生了徑流,因而縮短了初始產(chǎn)流時(shí)間;二是黃土質(zhì)地疏松,大雨強(qiáng)降雨可將土粒擊碎并充填于土壤孔隙中,因而降低雨水入滲率并產(chǎn)流,使初始產(chǎn)流時(shí)間縮短。
2.1.2 PAM 和石膏粉對(duì)降雨徑流系數(shù)的影響
根據(jù)降雨徑流系數(shù)的變化情況分析PAM 和石膏粉對(duì)降雨產(chǎn)流的影響。由表2 可知,施用PAM 的坡面小區(qū)徑流系數(shù)明顯增大,不同施用量的徑流系數(shù)均在對(duì)照的1.4 倍以上,其中施用量為4.0 g/ m2 時(shí)徑流系數(shù)最大(為對(duì)照的1.64 倍),這與PAM 對(duì)水分的吸收有很大關(guān)系,PAM 吸水形成水凝膠后成為一層保護(hù)膜,在一定程度上降低了降雨入滲率,減小了土壤入滲量、增大了地表徑流量。
徑流系數(shù)隨石膏粉施用量的增加而減小,石膏粉施用量為80 g/ m2時(shí)徑流系數(shù)由不施石膏粉的63%減小至53%,當(dāng)石膏粉施用量為150 g/ m2時(shí)徑流系數(shù)進(jìn)一步減小至49%(減小幅度為22.2%)。
2.1.3 PAM 和石膏粉對(duì)產(chǎn)流影響的持續(xù)性
通過方差分析(結(jié)果見表3),探究PAM 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強(qiáng)對(duì)降雨徑流系數(shù)變化的影響程度(貢獻(xiàn)率)及其持續(xù)性。第一場(chǎng)降雨,PAM 施用量、石膏粉施用量、平均雨強(qiáng)對(duì)徑流系數(shù)變化的影響均達(dá)到極顯著水平,貢獻(xiàn)率分別為38%、12%、23%;第二場(chǎng)降雨,PAM 施用量、坡角對(duì)徑流系數(shù)變化的影響達(dá)到極顯著水平,二者的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到50%,而石膏粉施用量和平均雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率之和僅為11%;第三、第四、第五場(chǎng)降雨,坡角和平均雨強(qiáng)對(duì)徑流系數(shù)變化的影響達(dá)到極顯著水平,二者的貢獻(xiàn)率之和分別達(dá)到58%、88%、74%,而PAM 施用量和石膏粉施用量的貢獻(xiàn)率之和均在10%以下。綜上所述,PAM 對(duì)前兩場(chǎng)降雨產(chǎn)流的影響顯著,對(duì)第三場(chǎng)降雨產(chǎn)流的影響大幅度衰減,之后其影響呈進(jìn)一步衰減趨勢(shì);石膏粉對(duì)首場(chǎng)降雨產(chǎn)流的影響顯著,對(duì)第二降雨產(chǎn)流的影響大幅度衰減,之后其影響更小。
2.2 PAM 和石膏粉對(duì)產(chǎn)沙的影響
2.2.1 PAM 和石膏粉對(duì)徑流挾沙率的影響
根據(jù)徑流挾沙率的變化情況分析PAM 和石膏粉對(duì)產(chǎn)沙的影響。徑流挾沙率計(jì)算公式為
β = S / (Qρ) × 100%
式中:β 為徑流挾沙率,S 為產(chǎn)沙量,Q 為徑流量,ρ 為水的密度。
各類小區(qū)每場(chǎng)降雨的徑流挾沙率計(jì)算結(jié)果表明:
PAM 施加量為0.5、1.0、2.0、4.0、6.0 g/ m2 的各類坡地小區(qū)平均徑流挾沙率分別比對(duì)照降低19%、35%、58%、74%、81%,即施用PAM 可有效增強(qiáng)坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量,且PAM 施用量越大抗蝕、減沙作用越大;石膏粉施用量為80、150 g/ m2的各類坡地小區(qū)平均徑流挾沙率分別比對(duì)照提高27.1%、125%,即石膏粉的施用使坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加,且石膏粉施用量越大坡地的抗蝕性越弱、產(chǎn)沙量越大。
PAM 與石膏粉不同施用量組合的徑流挾沙率比較見圖3。由圖3 可知:在不施用PAM 的情況下,石膏粉施用量為80 g/ m2 時(shí)徑流挾沙率有所下降,石膏粉施用量為150 g/ m2 時(shí)徑流挾沙率大幅度提高;在PAM 施用量為0.5、1.0、2.0 g/ m2 的情況下,同時(shí)施用石膏粉時(shí)徑流挾沙率呈上升趨勢(shì);在PAM 施用量為4.0 g/ m2情況下,石膏粉施用量為80 g/ m2時(shí)徑流挾沙率最低;在PAM 施用量為6.0 g/ m2 時(shí),徑流挾沙率隨著石膏粉施用量的增加逐漸下降。
2.2.2 PAM 和石膏粉對(duì)產(chǎn)沙影響的持續(xù)性
通過方差分析(結(jié)果見表4),探究PAM 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強(qiáng)對(duì)徑流挾沙率變化的影響程度(貢獻(xiàn)率)及其持續(xù)性。第一場(chǎng)降雨,各因素對(duì)徑流挾沙率變化的影響均未達(dá)到極顯著水平,各因素貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋校粒?施用量>石膏粉施用量>平均雨強(qiáng)>坡角;第二場(chǎng)降雨,僅石膏粉施量量對(duì)徑流挾沙率變化有極顯著影響(其貢獻(xiàn)率為16%),PAM 對(duì)徑流挾沙率變化的貢獻(xiàn)率為24%,坡角和平均雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率之和為17%;第三場(chǎng)降雨,平均雨強(qiáng)和石膏粉施用量對(duì)徑流挾沙率變化有極顯著影響(對(duì)徑流挾沙率變化的貢獻(xiàn)率分別為49%、10%),PAM 施用量和坡角的影響較?。ǘ哓暙I(xiàn)率之和僅為9%);第四、第五場(chǎng)降雨,雨強(qiáng)對(duì)徑流挾沙率變化的影響進(jìn)一步增強(qiáng)(貢獻(xiàn)率分別為67%、72%),而PAM 施用量、石膏粉施用量及坡角的影響均很?。ㄈ哓暙I(xiàn)率之和僅為10%左右)。
綜上所述,PAM 對(duì)前2 場(chǎng)降雨產(chǎn)沙有較穩(wěn)定的影響、對(duì)第三場(chǎng)及以后場(chǎng)次降雨產(chǎn)沙的影響大幅度衰減,石膏粉對(duì)前3 場(chǎng)降雨產(chǎn)沙有一定影響、之后其影響明顯衰減,石膏粉對(duì)降雨產(chǎn)沙影響的持續(xù)時(shí)間比PAM 的稍長(zhǎng)。
2.3 討論
坡地施用PAM 和石膏粉后,表層土壤的微團(tuán)聚結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,因而對(duì)降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙有一定影響。
施用石膏粉后,增加了土壤中Ca2+的含量,可使土壤入滲量增加、地表徑流量減少;施用PAM 后,其陰離子可吸附負(fù)電性土壤顆粒[14] ,使土壤中的一些細(xì)小顆粒在PAM 水凝膠的作用下逐漸團(tuán)聚,減少游離的土壤微粒,改變土壤的入滲性能,即降低土壤入滲率、增加地表徑流量。這與雷廷武等[11] 的研究結(jié)論一致,與侯禮婷等[7] 的研究結(jié)論(即施用PAM 后土壤入滲率有一定程度的提高、施用磷石膏后土壤入滲率降低)不一致,原因可能是受降雨強(qiáng)度、試驗(yàn)土壤性狀、PAM 及石膏粉施用量差異的影響。
PAM 水凝膠能黏結(jié)細(xì)小土壤顆粒、形成團(tuán)聚體,從而增強(qiáng)土壤抗蝕性、減少降雨徑流的產(chǎn)沙量,在PAM 施用量為6.0 g/ m2 時(shí)徑流挾沙率較對(duì)照降低81%;坡地施用石膏粉后,地表可被徑流輸移沖蝕的松散物質(zhì)增加,導(dǎo)致產(chǎn)沙量增加、徑流挾沙率提高,這與夏海江等[9] 、陳渠昌[10] 的研究結(jié)論基本一致。
PAM 對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度較石膏粉對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度高,二者以適當(dāng)?shù)氖┯昧肯嗯浜?,可有效增加土壤入滲量、減少產(chǎn)流產(chǎn)沙量,但還需進(jìn)一步研究。
3 結(jié)論
1)施用PAM、石膏粉均可延緩降雨初始產(chǎn)流,且施用量越大延緩時(shí)間越長(zhǎng)。
2)施用PAM 使徑流系數(shù)增大,不同施用量的徑流系數(shù)均在對(duì)照的1.4 倍以上,施用量為4.0 g/ m2 時(shí)徑流系數(shù)為對(duì)照的1.64 倍;施用石膏粉使徑流系數(shù)減小,施用量為150 g/ m2時(shí)徑流系數(shù)較對(duì)照減小幅度為22.2%。PAM、石膏粉分別對(duì)連續(xù)降雨的前2 場(chǎng)、首場(chǎng)降雨產(chǎn)流的影響顯著,對(duì)后續(xù)場(chǎng)次降雨產(chǎn)流的影響均明顯衰減。
3)施用PAM 可有效增強(qiáng)坡地抗蝕性、減少產(chǎn)沙量,且施用量越大抗蝕、減沙作用越大,PAM 施用量為6.0 g/ m2時(shí)徑流挾沙率較對(duì)照降低81%;施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產(chǎn)沙量增加,且施用量越大對(duì)抗蝕、減沙的負(fù)面影響越大,石膏粉施用量為150 g/ m2時(shí)徑流挾沙率比對(duì)照提高125%。PAM、石膏粉分別對(duì)連續(xù)降雨的前2 場(chǎng)、前3 場(chǎng)降雨產(chǎn)沙有較顯著的影響,對(duì)后續(xù)場(chǎng)次降雨產(chǎn)沙的影響均明顯衰減。為了有效利用雨水資源、調(diào)控土壤水分、減少土壤流失,還需對(duì)PAM 和石膏粉的最佳施用量、施用方式及施用時(shí)間等開展進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn):
[1] 王滿瑩.坡耕地水土流失治理方案設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2015,5(6):45-47.
[2] 馬波,劉雨鑫,吳發(fā)啟.植大豆對(duì)坡耕地徑流侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(4):32-36.
[3] 張惠霞,鄭書彥,徐伯榮.黃土高原水土流失災(zāi)害研究[J].水土保持研究,2004,11(3):320-321.
[4] 關(guān)曉迪,李榮建,張世斌,等.不同雨強(qiáng)和坡比條件下黃土邊坡降雨入滲研究[J].人民黃河,2022,44(1):106-111.
[5] 陸紹娟,王占禮.土壤改良劑聚丙烯酰胺的研究進(jìn)展[J].人民黃河,2016,38(7):73-77.
[6] 潘英華,雷廷武,張晴雯,等.土壤結(jié)構(gòu)改良劑影響下的土壤水分有效性研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2007,26(5):63-67.
[7] 侯禮婷,焦愛萍,申震洲,等.PAM 和PG 對(duì)土壤入滲及坡面產(chǎn)沙的調(diào)控效應(yīng)[J].人民黃河,2022,44(6):116-120.
[8] 于鍵,雷廷武.PAM 與石膏對(duì)土壤入滲與侵蝕的影響[C] // 中國(guó)水利學(xué)會(huì)青年科技工作委員會(huì).中國(guó)水利學(xué)會(huì)首屆青年科技論壇論文集.北京:中國(guó)水利水電出版社,2004:269-275.
[9] 夏海江,杜堯東,孟維忠.聚丙烯酰胺防治坡地土壤侵蝕的室內(nèi)模擬試驗(yàn)[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(3):14-17,83.
[10] 陳渠昌.坡地松散土壤水土流失理化綜合調(diào)控方法研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:58-65.
[11] 雷廷武,袁普金,詹衛(wèi)華,等. PAM 及波涌灌溉對(duì)水分入滲影響的微型水槽試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2004,41(1):140-143.
[12] 關(guān)連珠.普通土壤學(xué)[M].2 版.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2015:294-304.
[13] 王玲莉,張富,胡彥婷,等.侵蝕性降雨分類及植被類型對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].人民黃河,2021,43(10):109-113.
[14] 員學(xué)鋒,汪有科,吳普特,等.PAM 對(duì)土壤物理性狀影響的試驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(2):37-40.
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