施加PAM和PG對坡地產流產沙的影響研究

裴 崢，段喜明，侯禮婷

(山西農業大學 林學院，山西 太谷 030801)

施加PAM和PG對坡地產流產沙的影響研究

裴 崢，段喜明，侯禮婷

(山西農業大學 林學院，山西 太谷 030801)

坡地；人工降雨；聚丙烯酰胺(PAM)；磷石膏(PG)；產流；產沙

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

坡地是黃土高原地區水土流失治理的重點[1]。加強坡地降雨的就地入滲有利于保持水土、涵養水源，還有利于促進植被生長和改善生態環境[2-3]。聚丙烯酰胺(Polyacylamide，PAM)是一種比較常用的土壤結構改良劑[4-5]，施加PAM可以抑制土壤結皮形成，影響降雨就地入滲，還具有減沙作用,有著廣泛的應用前景[6-10]。一般認為施加PAM可以提高土壤的入滲能力[11-13]，但隨著對PAM研究的深入，有人得出了不同的結論[14-16]，比如楊永輝等[17-19]研究發現，在PAM施加量不同或施加在不同土壤中時，PAM對于水分入滲率的影響既有可能增強也有可能減弱。作為土壤調理劑，磷石膏(Phosphogypsum，PG)主要成分為石膏，含有少量P2O5，可以通過改變土壤的物理化學性質來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場為試驗地，研究不同用量PAM與PG混施對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 試驗儀器和方法

1.1 試驗地概況

山西省呂梁市方山縣沙溝綜合觀測場位于沙溝小流域，屬于黃土丘陵溝壑區，受暖溫帶大陸性季風氣候控制，全年雨量分布不均；土壤質地疏松，植被稀少，抗蝕性較差，以水力侵蝕為主。沙溝綜合觀測場于2012年3月通過水利部驗收，具備坡面水土流失監測能力。

1.2 試驗設計

結合試驗地的實際情況，人工降雨試驗選擇在觀測站坡度15°、坡向E90°的徑流小區上進行。徑流小區投影面積2 m×6 m，下部留有收集小區產流產沙的出水口，四周用PVC板圍砌。土壤類型為淡褐土，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，并設置對照組(CK)，研究其對坡面產流產沙的影響，不同處理的PAM與PG的用量和名稱見表1。降雨前，每個小區用天平稱取試驗用量的PAM和PG，將其與6 kg當地土壤(淡褐土去除雜質、風干破碎后，過孔徑2 mm篩)充分混合，然后均勻撒于小區表面。試驗采用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器進行人工降雨，參考當地的實際降雨情況，雨強選擇1.0 mm/min，降雨共進行45 min。試驗記錄初始產流時間，收集與記錄自產流開始后每3 min的產流量，并取樣品測量其含沙率。

表1 各試驗處理PAM與PG用量和名稱

注：PxGy表示x(g/m2)PAM與100y(g/m2)PG處理組合。

2 試驗結果與分析

2.1 對初始產流時間的影響

試驗結果表明，施加不同量的PG對初始產流時間的影響不明顯，施加PAM可推遲初始產流時間。施加了PAM的組合中，初始產流時間推遲了2.1～5.8 min。PAM是分子鏈較長的高分子化合物，施加PAM會改變土壤的孔隙率。同時，PAM還具有聚合能力，能把細小的顆粒聚合成大的團聚體，增加表層土壤的入滲能力，因此施加PAM能推遲初始產流時間。此外，初始產流推遲時間與PAM的用量有關，施加有1 g/m2PAM的組合產流明顯晚于施加2 g/m2PAM的組合。不同處理的初始產流時間見圖1。

圖1 不同處理的初始產流時間

2.2 對產流的影響

2.2.1 對產流過程的影響

開始產流后，徑流小區產流量迅速增大，隨著降雨的進行產流量逐漸趨于平緩，在產流開始10～15 min后產流量基本穩定。不同處理的徑流速率隨時間變化規律見圖2，徑流速率越大，小區產流量越大。試驗結果表明，單獨施加PAM可有效減少產流量，但PAM用量與產流量的減少值并不成正比，施加過量的PAM反而會影響降雨的入滲率，增加產流量。產流穩定后，P1G0與P2G0比CK的產流量分別減少50.1%和26.5%。這是因為當PAM用量較少時，PAM抑制了土壤結皮的產生，增加了降雨的入滲，但當PAM的用量較大時，PAM經水浸泡膨脹的分子鏈會進入土壤孔隙，PAM本身的透水性能較差，反而使PAM增強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的減流效果也呈現相似規律。

圖2 不同處理的徑流速率隨時間的變化

單獨施加PG對產流量的影響無明顯規律。當PAM與PG混施時，初始產流量減少不明顯，但減少了產流穩定后的產流量，增加了穩定入滲率，并且隨著PG施加量的增加，穩定入滲率增加。產流穩定后，P1G2、P1G1比P1GO產流量分別減少29.4%和16.9%。在混施2 g/m2PAM的情況下，P2G2、P2G1的減流效果也呈現相似規律，但減流效果不如混施1 g/m2PAM的小區。

2.2.2 對總產流量的影響

表2 不同處理的減流效果

注：比例為總產流量比對照組減少的百分比。

2.3 對產沙的影響

2.3.1 對產沙過程的影響

圖3為不同處理開始產流后徑流含沙率隨時間變化規律。產流開始后，徑流含沙率比較大，隨著產流量的增加，徑流含沙率降低。從圖4可以看出，累計產沙量先以較快速度增加，隨后增速變緩，最后以一較小值穩定增加。累計產沙量的增加速度取決于產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 不同處理的累計產沙量變化

帶走表面松散細小的土壤顆粒，造成前期的產沙量較大，而隨著降雨的進行，坡面無法產生足夠供徑流攜帶的細小土壤顆粒，所以產沙量基本穩定在一個水平上。產沙過程中，施加了PAM的小區產沙量增加速度明顯低于對照組。

對圖3中的數據利用SPSS進行數據擬合，得出累計產沙量與時間的關系式為

式中：Vs為累計產沙量，kg；t為時間，min；a、b、c為擬合參數，各個處理對應的擬合參數值見表3。

表3 擬合參數a、b、c

注：R2為擬合方程的擬合度。

2.3.2 對總產沙量的影響

不同處理在人工降雨45 min后的總產沙量見圖5。在其他條件相同的情況下，無論單施還是混施，施加PAM都可明顯減少總產沙量，且隨著PAM用量的增加總產沙量減少。P1G0、P2G0總產沙量分別比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也呈現相似的減沙規律。這是因為施加PAM不但減少了產流量，降低了徑流攜帶泥沙的能力，而且改善了土壤的物理性狀，通過增加土壤水穩性團粒數量，在土壤表面形成了一層保護層，減少了徑流對泥沙的侵蝕。

圖5 不同處理降雨45 min的總產沙量

單獨施加PG會增加產沙量，P0G1和P0G2比CK總產沙量增加了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對土壤的固結效果，降低了土壤的抗侵蝕能力。

綜上所述，本試驗中P1G2具有最優的減流效果，P2G0具有最優的減沙效果。試驗結果顯示，P1G2比P2GO總產流量減少55.22 L，減流50%以上，同時總產沙量卻僅為P2G0的1.34倍，因此P1G2可達到最優的減流、減沙綜合效果。

3 結 論

本試驗在沙溝綜合觀測場人工降雨雨強1.0 mm/min、徑流小區坡度15°、初始土壤平均含水量10%的條件下得出以下結論：

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

(2)單獨施加PG不但無法減少產流量，而且會增加產沙量，在實際中不建議采用。

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

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(責任編輯 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，研究方向為農業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，碩士生導師，博士，研究方向為農業水土資源的高效利用。

2016-12-05