Jag S對黃土坡面降雨入滲的調控效應

李元元, 王占禮, 申 楠, 焦 念, 劉俊娥

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

與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;

4.黃河水利委員會 西峰水土保持科學試驗站， 甘肅 西峰 745000; 5.陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710019)

Jag S對黃土坡面降雨入滲的調控效應

李元元1,2, 王占禮2,3, 申 楠1,2, 焦 念4, 劉俊娥5

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

與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;

4.黃河水利委員會 西峰水土保持科學試驗站， 甘肅 西峰 745000; 5.陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710019)

摘要：[目的] Jag S是一種新型可用于調控水土流失的高分子化學材料，揭示Jag S對降雨入滲的化學調控效應，為黃土坡面水土流失治理提供科學依據。[方法] 采用人工模擬降雨試驗研究Jag S對黃土坡面入滲調控效應。[結果] (1) 撒施Jag S坡面入滲率隨降雨過程的變化趨勢與裸坡相似，起初皆隨降雨歷時的延長先快速減小，隨后趨于穩定狀態； (2) 撒施Jag S的坡面和裸坡相比，初始產流的時間提前，入滲率減小速率較大，達到穩滲階段所用的時間少，且前期入滲率小于裸坡坡面前期入滲率，但穩滲率大于裸坡； (3) 撒施Jag S坡面的入滲量明顯高于裸坡的入滲量，在各個劑量下，入滲量均隨坡度的增加而減小，隨雨強的增加而呈現遞增變化趨勢。[結論] 因此撒施Jag S可有效增加土壤入滲和強化入滲效應。強化入滲效應的Jag S劑量順序依次為：1 g/m2>3 g/m2>5 g/m2。

關鍵詞：Jag S; 黃土坡面; 降雨入滲; 調控效應

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

化學調控措施是一種不同于工程措施和生物措施的非傳統新興水土保持技術措施。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，增加土壤結構穩定性，防治土壤結皮產生，達到增加降雨入滲，減少地表徑流，實現控制水土流失的目的。國內外目前化學調控水土流失措施中廣泛采用的化學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構從而增加降雨入滲的高分子化合物。近年來，國內外學者在PAM可以增加降雨入滲方面已經取得了大量的研究結果[2-10]。坡面降雨入滲具有豐富的內涵，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在使用時具有很大的局限性，因此研發新化學材料，以滿足不同的水、土調控需求，更好地發揮化學材料強化入滲、保持水土的多功能效應，已成為一些水土保持工作者及化工企業新的研究課題，Jag S就是基于這樣的考量而由羅地亞公司新研發出的一種化學材料。

本研究通過人工模擬降雨試驗，首次對羅地亞公司新開發的化學材料Jag S對黃土坡面降雨入滲的調控效應進行研究，分析施放不同劑量Jag S的土壤相對于裸土的入滲動態變化過程，探討Jag S的強化入滲效應，為黃土坡面水土流失治理及其措施選擇提供科學依據。

1材料與方法

1.1　試驗裝置與試驗土壤

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

表1　供試土壤機械組成

試驗設備為變坡鋼質小區，長120 cm，寬40 cm，深25 cm。所有試驗土壤自然風干并過5 mm篩，除去雜草和石塊。裸土小區裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細沙，并用透水紗布覆蓋，保持土層的透水狀況接近天然坡面。試驗小區采用分層裝土以保證裝土的均勻性。

填土時，采用邊填充邊壓實，以減少邊壁對入滲和產流產沙過程及坡面侵蝕微形態發育等的影響，并使下墊面土壤條件的變異性達到最小，保證試驗土壤容重達到設計要求。填土后，用刮板將表面刮平整。試驗所用化學材料Jag S為一種多肽衍生物,該產品呈黃白色粉末狀，遇水形成膠體。

1.2　試驗設計與觀測

Jag S的施放方式為干撒施，試驗小區裝土后取相當于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相應的10段表面上，用刮板將其刮平整，靜置一段時間后，在其表面均勻地噴撒2 L水，將其放置15 h即可試驗。試驗設計場次為:雨強1.5 mm/min，試驗坡度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12場，各場試驗重復1次共24場；坡度15°，雨強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12場，除去已經進行過的雨強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4場，實際場次為8場，各場試驗重復1次共16場，總共40場試驗。每場試驗開始后均認真觀測小區產流情況，出現產流后在小區的出口接樣，產流后的前3 min每隔1，2 min觀測1次，以后每隔3 min觀測1次，直到降雨結束，降雨歷時為40 min。降雨結束后，量取接樣渾水體積，并通過烘干稱重法測量、計算得到接樣中的泥沙體積，進而計算清水徑流量，最后按照水量平衡原理計算出降雨入滲量和入滲率。

2結果與分析

2.1　撒施Jag S對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的運動過程。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不同降雨強度下撒施Jag S對降雨入滲過程的影響將坡度為15°時，不同降雨強度下裸坡和撒施3種不同劑量Jag S坡面的入滲率隨降雨過程的變化點繪在圖上，如圖1所示。從圖1可以看出，在坡度為15°，雨強分別為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的延長先減小，隨后趨于穩定變化狀態或低速率下降，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，入滲率趨于穩定的時間早于裸坡坡面(大降雨強度下更為顯著)；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，但其穩滲率大于裸坡坡面。兩個大降雨強度下，撒施不同劑量Jag S坡面基本同時開始產流，而在小雨強下，撒施兩個大劑量Jag S坡面的產流時間較撒施小劑量Jag S坡面的產流時間相對提前，但總體皆早于裸坡。撒施Jag S后增加了坡面的穩滲率，但在同一降雨強度下，撒施Jag S劑量越大，穩滲率越小。小、大降雨強度下，3個劑量入滲率在隨降雨過程的整個變化過程中差值相當，但在中降雨強度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變化過程中差值則較大。對比圖1不同降雨強度下的入滲率變化曲線得出，隨著雨強的增大，初始產流時間提前，并且裸土坡面和撒施Jag S坡面入滲率均增加。隨著雨強增大入滲率增大的原因可能是由于隨著雨強的增大，水體自身重力和雨滴打擊所產生的沖力的增加，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　不同降雨強度下撒施Jag S對坡面入滲過程的影響

2.1.2不同坡度下撒施Jag S對降雨入滲過程的影響降雨強度為1.5 mm/min時，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坡面入滲率趨于穩定的時間早于裸坡坡面，且前期入滲率減小速率較裸坡前期入滲率減小速率大，產流開始到產流后的3～9 min之間，入滲率減小，產流后的3～9 min至降雨結束入滲率基本維持穩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，其產流開始時間差異很小，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，當入滲率達到穩定變化之后，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劑量下穩滲率與裸坡穩滲率很接近。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，穩滲率越小。3個坡度下，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變化過程差值則均較大。對比圖1—2可以得出，撒施Jag S可以增加降雨穩滲率，其原因可能是在降雨過程中，Jag S與土壤發生作用，增強了水穩性團聚體含量，保持了土壤的團聚體，減少了結皮的形成，維持良好的空隙狀況，形成較好的結構，增強土壤的導水能力，從而增加入滲。但撒施的劑量超過一定的范圍，反而會減少滲率，同一坡度不同雨強下入滲效果表現為：1 g/m2>3 g/m2>裸坡>5 g/m2。其原因可能是當施加量過大時，Jag S在土壤表層過度黏結土粒，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時應根據實際情況對其使用量進行控制。

圖2　不同坡度下撒施Jag S對坡面入滲過程的影響

2.2　撒施Jag S對降雨入滲的強化效應

2.2.1不同降雨強度下撒施Jag S對降雨入滲的強化效應將坡度為15°時，不同降雨強度下撒施不同劑量Jag S時的坡面入滲量及其與裸坡坡面入滲量比較所得的強化入滲效應試驗觀測數據列于表2。從表2可以看出，同一降雨強度下，撒施Jag S劑量越大，入滲量越小，強化入滲效應越差，5 g/m2劑量時減少入滲，但1.0 mm/min降雨強度下，入滲量先增大后減小，且3個劑量很接近。對于同一劑量，降雨強度越大，入滲量越大，強化入滲效應越好。將同一劑量3個降雨強度下的強化入滲效應進行平均，得到撒施Jag S劑量為1 g/m2時，入滲量相比裸坡增加13.38%，劑量為3 g/m2時，入滲量相比裸坡增加6.92%，劑量為5 g/m2時，入滲量相比裸坡減少7.7%，劑量為1，3 g/m2時有強化入滲效應，劑量為5 g/m2時則減少入滲效應，可能是因為Jag 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對降雨入滲的強化效應將降雨強度為1.5 mm/min 時，不同坡度下撒施不同劑量Jag S時的坡面入滲量及與裸坡坡面入滲量比較所得的強化入滲效應試驗觀測數據列于表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，強化入滲效應越差。在同一劑量各個坡度下都強化了入滲效應，但5 g/m2劑量下減少入滲效應。將同一劑量3個坡度下的強化入滲效應進行平均，得到撒施Jag S劑量為1 g/m2時，入滲量相比裸坡增加11.14%；劑量為3 g/m2時，入滲量相比裸坡增加6.09%；劑量為5 g/m2時，入滲量相比裸坡減少13.94%。劑量為1，3 g/m2時強化入滲效應，劑量為5 g/m2時減少入滲效應。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，這與不同雨強下得出的結論相似。

表2　不同降雨強度下撒施Jag S的強化入滲效應

對比表2—3可以看出，坡度越大，入滲量越小；雨強越大，入滲量越大。原因主要與坡面上水層的受壓情況有關。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。同時由于水體沿坡面移動，水分進入土壤的機會減少，從而導致入滲率減小；雨強越大，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的強化入滲效應

3結 論

(1) 不同坡度不同降雨強度下，撒施不同劑量Jag S坡面的入滲率皆隨降雨歷時的延長先減小，隨后趨于穩定變化狀態或低速率下降，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坡面入滲率趨于穩定的時間早于裸坡坡面(大降雨強度下比較顯著)，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，在各個劑量下，入滲量均隨坡度的增加而減小，隨雨強的增加而呈現遞增變化趨勢。

(4) 不同降雨強度及不同坡度下，撒施Jag S提高了坡面入滲量，強化了入滲效應，各劑量強化入滲效應的大小順序為：1 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對降雨入滲的影響結果類似，但是，仍然存在使用多大劑量Jag S在增加入滲方面最優，以及Jag S和PAM對黃土坡面降雨入滲的調控機理是否類似等問題有待于進一步研究。

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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

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0135-05

中圖分類號：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,博士生導師,主要從事土壤侵蝕過程及預報模型研究。E-mail:zwang@nwsuaf.edu.cn。

收稿日期：2014-09-10修回日期：2014-09-26

資助項目：國家自然科學基金項目“應用三區土盤試驗解析黃土坡面片蝕動力學過程”(41471230), “黃土坡面細溝侵蝕關鍵參數及其耦合關系試驗研究”(41171227); 中國科學院重點項目(KZZDEW0403)

第一作者：李元元(1988—),女(漢族),安徽省蚌埠市人,碩士研究生,研究方向為土壤侵蝕。E-mail:836434985@qq.com。