大荔縣沙質土壤入滲特征研究

王雨點+謝恒星

摘要：以陜西省渭南市大荔縣的沙質土壤為研究對象，通過室內模擬試驗，分析沙質土壤入滲的特點。結果表明，聚丙烯酰胺（PAM）試劑對空隙較大、入滲較快的沙質土壤具有保水作用，可以延緩水分的下滲速率，保持土壤的濕潤。通過對純水（CK）以及濃度分別為1、2 g/m3的PAM溶液在滲入土壤時濕潤鋒隨時間變化的觀察，發現沙質土壤保水能力在加入PAM后有了較大的改善。

關鍵詞：沙質土壤；聚丙烯酰胺；入滲特征；大荔縣

中圖分類號：S152.7+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）07-1242-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.011

Research on Infiltration Characteristics of Sandy Loam Soil in Dali County

WANG Yu-dian， XIE Heng-xing

（College of Agricultural Business， Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： Taking the sandy soil in Dali county， Weinan city， Shaanxi province as the research object，the infiltration characteristics of sandy soil were analyzed by indoor simulation test. The results showed that the polyacrylamide（PAM） reagent had a water-retaining effect on the sandy soil with larger porosity and faster infiltration，which could delay the moisture content of water and keep the soil moist. Through the observation of wetting front change trend with time when the solution of pure water and PAM with concentration of 1，2 g/m3 seeped into sandy loam soil， we found that the water-holding capacity of sandy loam soil was greatly improved after adding PAM.

Key words： sandy loam soil； polyacrylamide （PAM）； infiltration characteristics； Dali county

陜西省渭南市大荔縣位于關中平原東部，屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，年降水量514 mm。大荔縣土壤屬于沙質土壤，土壤顆粒間隙大，毛細管作用弱，土壤質地疏松，通透性好，由此導致土壤保水性差，蓄水能力弱，不耐寒，土溫變化較快，但耕作起來比較容易；沙質土壤中有機質分解快，導致土壤保肥性差，各種養分都比較貧乏。沙質土壤對大荔縣的作物種植有明顯的限制，只適合種植花生、蘿卜、西瓜等抗旱類作物。要發展該地農業，必須改善土壤的灌溉條件，提高土壤的保水能力。目前國內外在滴灌理論和技術方面已經進行了大量的研究工作[1-3]。大量研究表明，使用土壤調理劑聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）可以減少地表徑流和土壤侵蝕[4-9]。近年來，在溝灌和噴灌過程中，將溶解的PAM加入到灌溉水中被廣泛用來防止土壤侵蝕，增加灌溉水入滲率。在自然降雨的情況下，PAM必須在雨季來臨之前施入到土壤表面，發揮其水土保持功效。本研究以陜西省渭南市大荔縣的沙質土壤為研究對象，通過室內模擬試驗，分析沙質土壤入滲的特點，以期為沙質土壤的治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗土壤為陜西省渭南市大荔縣棕壤土。自然風干后，過1 mm孔徑的土篩后利用沉降法對土壤進行顆粒分析，沙粒、粉沙粒和黏粒含量分別為33.10%、35.60%和11.07%，按照中國土壤質地分類標準，供試土壤為沙質土壤。

PAM是丙烯酰胺均聚物和各種共聚物的統稱，包括非離子型（NPAM）、陰離子型（APAM）、陽離子型（CPAM）和兩性離子型，有液態、膠裝、粉狀等各種物理形態數十種，是應用廣泛的水溶性高分子化學產品。按分子質量大小分為低、中、高和極高分子質量4級。本試驗采用的聚丙烯酰胺為高分子質量，陰離子型，白色粉末非結晶固體，其物理性質參見文獻[10]。

1.2 方法

試驗系統由三棱柱土箱和供水系統兩部分組成（圖1）。三棱柱土箱采用夾邊為100 cm、高50 cm、夾角為15°的三棱柱有機透明玻璃箱。供水部分用高40 cm、外徑15 cm的馬氏瓶供水并控制水壓保持溶液流速恒定。

本研究的PAM施用方式為溶液，分別設置0（CK，純水對照）、1（T1）、2（T2）g/m3 3種濃度。利用電子天平稱量試驗所需PAM的量，將稱量好的試劑加入純凈水中，用玻璃棒攪拌均勻，使其充分溶解。利用馬氏瓶來控制溶液流速。將試驗土自然風干后（θi=3.1%）過1 mm孔徑土篩后，按照預定容重分層（5 cm）均勻裝入三棱柱有機玻璃箱。按照容重分層裝土有利于保證土箱內各部分土壤均勻分布，減小因土壤分布不均而引起的溶液下滲誤差，保證試驗數據的準確性。本試驗在渭南師范學院化學與環境學院水文分析實驗室內進行，試驗進行3組，其中兩組為對照組。試驗開始后，本著先密后疏的原則觀測濕潤鋒在水平和垂直方向上的分布。

2 結果與分析

2.1 普通滴灌條件下濕潤鋒的變化分析

土壤滲透速率指單位時間內地表單位面積土壤的入滲水量。風干土壤積水入滲過程中，在起始階段由于地表處的土壤基質勢梯度很大，此時入滲率也非常大，即初滲期。水分一方面主要在分子力的作用下被土粒快速吸附成薄膜水，另一方面快速填滿表層土壤并形成水勢梯度，入滲鋒面快速延伸。隨著水分進一步下滲，入滲水分在毛管力和重力的作用下，在土壤孔隙中向下不穩定流動，并逐步填充表層以下土壤孔隙，直至全部孔隙為水分所飽和，入滲率由遞減較快趨于穩定，土壤進入穩滲期，成為由土粒和水分組成的二相系統[11]。

在沒有PAM流量條件下，普通滴灌水平濕潤鋒與垂直濕潤鋒隨時間的變化如圖2所示。由圖2可知，在整個入滲過程中，水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒始終保持著隨時間的增加而增大，且水平濕潤鋒始終大于垂直濕潤鋒。在入滲的初始階段（0～10 min），垂直與水平濕潤鋒的比值隨著時間的延長而升高，當入滲到一定時間（10～20 min）時，水平與垂直濕潤鋒的比值略有降低，30 min后兩者比值基本穩定在1.35左右，說明此時水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒的擴展速率基本同步。

2.2 不同PAM濃度滴灌條件下濕潤鋒的對比分析

在PAM為0（CK）、1（T1）、2（T2） g/m3的滴頭流量條件下水平和垂直濕潤鋒的對照結果如圖3、圖4所示。由圖3可知，在整個入滲過程中，相同時間下水平濕潤鋒表現為T2

由圖4可知，在初始階段（0～20 min），純水對照的垂直濕潤鋒與T2的比值迅速減小，從2.10降到1.16，與T1的比值也是迅速減小，不過下降速度略小于前者，從1.31降到1.19。20 min以后，純水對照與兩種濃度PMA條件下的灌溉水的垂直濕潤鋒運移的比值都趨于穩定，且比值接近。綜合比較來看，純水對照的水平濕潤鋒以及垂直濕潤鋒與T1的比值始終小于與T2的比值。

3 結論

利用PAM試劑來改變沙質土壤的結構，使土粒的吸附能力加強以達到保水的效果。國內關于土壤入滲和水分運移，PAM試劑研究較多，但大多屬于專項研究，綜合性研究較少。本試驗在室內模擬了點源灌溉，初步探討了沙質土在點源滴灌條件下水分的水平垂直運移規律以及不同PAM濃度條件下濕潤鋒隨時間的變化，得到如下結論。

1）PAM在普通的滴灌條件下，水分運移變化明顯。在入滲的初始階段，水平濕潤鋒的水分運移速率大于垂直濕潤鋒水分運移速率，兩者的比值隨著時間的增加而增大，當入滲進行到一定的時間，兩者的比值基本保持不變。

2）相同流速下，加入PAM的灌溉水和普通灌溉水的水平和垂直濕潤鋒均隨時間的增加而增加，且加入PAM的灌溉水的水平、垂直濕潤鋒均小于普通灌溉水條件下的水平、垂直濕潤鋒。普通灌溉水和加入PAM的灌溉水在水平方向的濕潤鋒比值先上升后基本保持穩定，而在垂直方向上的濕潤鋒比值則先降低后穩定在某一值附近，說明PAM可以改變水分的運移速率。

3）不同濃度的PAM滴灌條件下，對于土壤的入滲效果影響明顯不同。PAM濃度為1 g/m3和PAM濃度為2 g/m3的滴灌條件下，水平和垂直濕潤鋒均隨時間的增加而增加，但PAM濃度大的灌溉溶液較PAM濃度低的灌溉溶液在水平和垂直方向上運移速率要慢。說明PAM濃度越大，土粒吸附水分的能力越強。

參考文獻：

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