保水劑施用方式對(duì)花崗巖紅壤坡面水土保持的影響分析

趙丹萍

(江西省修江水利電力勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，南昌 330000)

1 保水劑特點(diǎn)

近幾年，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工程建筑大量崛起，水土流失問題日益突出，水土流失帶來的土壤肥力減退、旱澇災(zāi)害頻繁、河道擁堵等問題被國(guó)家相關(guān)部門關(guān)注，并加大整治力度。保水劑主要材料是高吸水性樹脂，這種樹脂材料有超強(qiáng)的吸水能力，材料無毒害，可以反復(fù)吸水、緩慢放水，是一個(gè)“微型水庫(kù)”[1]。另外，他除了能吸水外還能吸收肥料、農(nóng)藥，通過保水劑的緩慢釋放，增加肥效、藥效，廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、園藝、建筑材料等方面。總結(jié)來說保水劑有以下4個(gè)特點(diǎn)：

1)保水作用。保水劑樹脂材料不溶于水，但能吸收比自重成百上千倍的水分，將這些水分吸進(jìn)樹脂材料網(wǎng)格中保存，土壤摻入一定量保水劑后，能夠有效抑制土壤中水分蒸發(fā)，降低土壤飽和導(dǎo)水率，提高飽和含水量，從而在土壤含水量豐富時(shí)吸水，土壤干旱時(shí)緩慢放水，提高水資源的利用率，植物在較濕潤(rùn)的土壤環(huán)境下有利于它們的生長(zhǎng)和發(fā)育，即使在惡劣環(huán)境中也能健康生長(zhǎng)。

2)保肥作用。保水劑不僅能夠吸收水分，還能吸收溶于水的肥料和農(nóng)藥，將含有肥料和農(nóng)藥的水分吸收到保水劑樹脂材料中，能夠降低肥料和農(nóng)藥的雨水沖刷損失，提高肥料和農(nóng)藥的利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

3)保溫作用。在土壤中使用保水劑后，保水劑吸收水分的同時(shí)也吸收白天光照熱量，在夜晚溫度降低時(shí)，保水劑釋放能量散熱平衡夜間溫度，從而起到降低白天和夜晚溫差的緩沖作用。研究表明，在沙壤土中加入0.1-0.2%的保水劑，采用溫度檢測(cè)儀對(duì)10cm土層進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，在相同環(huán)境條件下，加入保水劑土壤溫度為11-13.5℃，沒有保水劑土壤溫度為11-19.5℃，加入保水劑土壤溫差明顯小于未加保水劑土壤。

4)改善土壤結(jié)構(gòu)。將保水劑摻入土壤中，隨著保水劑的吸水膨脹、釋水收縮，可以降低土壤板結(jié)，使土壤孔隙增大變得疏松，增加土壤的通透性。

2 研究方法和材料選擇

保水劑施用方式多樣，主要有層施、溝施、混合施用3種，不同的施用方式對(duì)水土保持的效果有一定差距，為了研究保水劑施用方式對(duì)花崗巖紅壤坡面水土保持的影響，文章采用模擬降雨試驗(yàn)進(jìn)行研究，從而確定中國(guó)南方紅壤地區(qū)水土保持保水劑的最佳施用方式[2-3]。

模擬降雨試驗(yàn)使用HQJY全自動(dòng)便攜式人工降雨模擬器，設(shè)置降雨均勻度在80%以上，降雨高度設(shè)置在6m，降雨強(qiáng)度控制在1.0mm/min、1.5mm/min兩個(gè)降雨強(qiáng)度，每個(gè)降雨強(qiáng)度分別進(jìn)行3次，試驗(yàn)共進(jìn)行6次降雨。每次降雨降雨量控制在120mm，隔3min收取1份徑流泥沙樣本，降雨停止后，將泥沙樣本靜置24h，然后用量筒測(cè)量泥沙體積。底層的泥沙用篩子過濾然后置于105°烘箱中烘干，重新承重。土壤入滲率用環(huán)刀法測(cè)量，土壤含水量用烘干法測(cè)量。

試驗(yàn)紅壤選擇江西省修水縣海拔800m以上低山地區(qū)，經(jīng)地質(zhì)勘測(cè)，該地區(qū)為典型花崗巖紅壤地區(qū)。試驗(yàn)紅壤主要為砂質(zhì)粘壤土，<0.25mm的土壤顆粒占17.41%，0.25-0.5mm的土壤顆粒占16.80%，0.5-1.0mm的土壤顆粒占19.56%，1.0-2.0mm的土壤顆粒占22.05%，>2mm的土壤顆粒成分占24.18%。

試驗(yàn)所用土槽為長(zhǎng)寬高為30×15×11cm移動(dòng)式塑料槽，土槽坡度為15°，保水劑的用量為土壤干重的0.05%，試驗(yàn)前土壤需要晾曬風(fēng)干后過10mm篩子過濾，進(jìn)行土槽填土前為了保證模擬降雨試驗(yàn)土壤的真實(shí)性需要在土槽底部填入2mm細(xì)沙，細(xì)沙上鋪設(shè)紗網(wǎng)布，并在土槽底部鉆小孔增加通氣性。填土按照分層填裝，每層保證在3cm，填土?xí)r要注意壓平，并保證表面平整，保證土層的厚度和密度一致，土壤的容重保證在1.20-1.26g/cm3[4-5]。

保水劑采用山東華濰新材料科技有限公司生產(chǎn)專利號(hào)為ZL200710114550.6的旱地寶，本產(chǎn)品的性能指標(biāo)完全符合《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)農(nóng)林保水劑》(NY886-2010)標(biāo)準(zhǔn)。保水劑施用方式分別用R1(層施)、R2(溝施)、R3(混施)代表，不施用保水劑用CT代表。

3 保水劑不同施用方式分析

3.1 不同施用方式花崗巖紅壤坡面徑流特征

徑流是土壤流失的主要外動(dòng)力，不同雨強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)土壤產(chǎn)流的影響，見圖1。結(jié)果顯示：在一定雨強(qiáng)下，不同施用方式產(chǎn)流初期徑流量均比較低，隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)流量隨時(shí)間推移逐漸上升，達(dá)到峰值以后徑流量趨于穩(wěn)定。當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到1.0mm/min時(shí)，CT的初始產(chǎn)流為60min，時(shí)間最早，R1、R2時(shí)間和CT接近，R3最晚63min；當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到1.5mm/min時(shí)，CT的初始產(chǎn)流時(shí)間最早，其次R1、R2，R3的初始產(chǎn)流時(shí)間最晚。由圖1數(shù)據(jù)可以證明：①在土壤中添加一定量保水劑可以有效減緩坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間，降低土壤產(chǎn)流量；②當(dāng)雨強(qiáng)在1.0mm/min，CT的初始產(chǎn)流時(shí)間最早，R1、R2初始產(chǎn)流時(shí)間差異不大，R3的初始產(chǎn)流時(shí)間最晚，說明在雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，采用混合施用保水劑效果最好；③當(dāng)雨強(qiáng)在1.5mm/min時(shí)，CT的初始產(chǎn)流時(shí)間最早，其次R1、R2、R3，說明雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，同樣混合施用保水劑效果最好。

不同施用方式下的累積產(chǎn)流量，見圖2。可以看出隨著雨強(qiáng)增大，坡面的累積產(chǎn)流量也越大，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，各施用方式累積產(chǎn)流量從大到小分別為CT、R1、R2、R3，CT未施用保水劑的累積產(chǎn)流量比R3的施用方式多34%，比R2的施用方式多15%，比R1的施用方式多18%，可以證明在1.0mm/min雨強(qiáng)下，不管采用哪種保水劑施用方式，均能降低土壤的累積產(chǎn)流量，3種保水劑施用方式對(duì)比，混合施用的累積產(chǎn)流量最少。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，各施用方式累積產(chǎn)流量從大到小分別為CT、R2、R3、R1，CT未施用保水劑的累積產(chǎn)流量比R1的施用方式多46%，比R3的施用方式多35%，比R2的施用方式多29%，可以證明在1.5mm/min雨強(qiáng)下，不管采用哪種保水劑施用方式，均能降低土壤的累積產(chǎn)流量，3種保水劑施用方式對(duì)比，層施的累積產(chǎn)流量最少。

圖1 不同雨強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)土壤產(chǎn)流的影響

圖2 不同施用方式下的累積產(chǎn)流量

3.2 不同施用方式花崗巖紅壤坡面產(chǎn)沙特征

產(chǎn)沙量是研究坡面侵蝕程度的重要指標(biāo)，不同施用方式對(duì)坡面產(chǎn)沙量影響，見圖3。可以看出CT未施用保水劑坡面產(chǎn)沙量波動(dòng)最大且產(chǎn)沙量最大，施用保水劑產(chǎn)沙量前期出現(xiàn)波動(dòng)上升，達(dá)到一定高度后趨于穩(wěn)定，另外隨著雨強(qiáng)的增大，不同施用方式坡面產(chǎn)沙量波動(dòng)均更加明顯。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，產(chǎn)沙量波動(dòng)程度由高到低分別為CT、R1、R2、R3，可以證明保水劑采用混施產(chǎn)沙量波動(dòng)最小，土壤穩(wěn)定性更強(qiáng)。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，產(chǎn)沙量波動(dòng)程度由高到低分別為CT、R2、R3、R1，可以證明保水劑采用層施產(chǎn)沙量波動(dòng)最小，土壤穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖3 不同施用方式對(duì)坡面產(chǎn)沙量影響

不同施用方式坡面產(chǎn)沙量，見圖4。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，產(chǎn)沙量由高到低分別為CT(2.13g)、R1(1.44g)、R2(1.39g)、R3(1.08g)，可以證明土壤中施用保水劑能夠明顯降低土壤坡面的產(chǎn)沙量，保水劑采用混施的方法坡面產(chǎn)沙量最少。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，產(chǎn)沙量由高到低分別為CT(2.3g)、R2(1.23g)、R3(1.19g)、R1(0.73g)，可以證明土壤中施用保水劑能夠明顯降低土壤坡面的產(chǎn)沙量，保水劑采用層施的方法坡面產(chǎn)沙量最少[6]。

圖4 不同施用方式坡面產(chǎn)沙量

3.3 不同施用方式坡面入滲率

土壤入滲率是反應(yīng)坡面抗侵蝕能力以及坡面涵養(yǎng)水分能力大小的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，入滲率的大小與坡面侵蝕產(chǎn)沙也有極大影響。降雨不僅是土壤水分的主要來源，也影響土壤的入滲過程，是水分入滲的主要控制因素。不同施用方式坡面入滲率，見圖5。從圖中數(shù)據(jù)可以看出隨著降雨時(shí)間增加，入滲率逐漸降低，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，剛開始不同施用方式的入滲率差別較小，隨著降雨時(shí)間增加，施加保水劑坡面入滲率比未施加保水劑坡面入滲率高，且波動(dòng)較小。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，從降雨開始不同施用方式的入滲率差別較明顯，隨著降雨時(shí)間增加，施加保水劑坡面入滲率明顯比未施加保水劑坡面入滲率高，差距明顯，波動(dòng)也較小。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，雨強(qiáng)1.5mm/min和雨強(qiáng)1.0mm/min相比，入滲率波動(dòng)更小，入滲率數(shù)值更高；不同施用方式對(duì)比差異較小；在土壤中添加保水劑后能明顯提高坡面的入滲率，提高坡面抗侵蝕能力以及坡面涵養(yǎng)水分能力。

圖5 不同施用方式坡面入滲率

3.4 不同施用方式坡面土壤含水量

保水劑具有優(yōu)良想的吸水性能，能夠顯著提高土壤含水量，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，不同施用方式土壤含水量由大到小分別為R1(34%)、R3(33%)、R2(31%)、CT(23%)，施用保水劑的土壤含水量明顯高于未施用保水劑的土壤。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，不同施用方式土壤含水量由大到小分別為R3(36%)、R1(33%)、R2(32%)、CT(25%)，同樣施用保水劑的土壤含水量明顯高于未施用保水劑的土壤。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，添加保水劑土壤的幾種施用方式吸水性能無明顯差異，但都明顯高于未施加保水劑的土壤，說明保水劑的保水性能優(yōu)良，能夠明顯增加土壤中的含水量，且在一定程度下降雨量越大吸水效果越明顯，與未施加保水劑土壤的含水量差距越大。不同施用方式對(duì)土壤含水量影響，見圖6。

圖6 不同施用方式對(duì)土壤含水量影響

3.5 坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)分析

通過不同施用方式對(duì)坡面徑流量、泥沙量影響進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，坡面徑流量和泥沙量的關(guān)系滿足的函數(shù)方程式為：

Y=AXB

(1)

式中：X為代表累積徑流量；Y為代表累積泥沙量；A、B為代表相關(guān)系數(shù)。

不同施用方式、不同雨強(qiáng)下，坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)，見表1。從表1中可以看出：坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)均>0.99，說明在一定雨強(qiáng)下不管哪種施用方式保水劑對(duì)坡面徑流量、泥沙量的影響均比較大。公式(1)的函數(shù)類型為冪函數(shù)，當(dāng)累積徑流量增大時(shí)，積累泥沙量也隨之增大，當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，不同施用方式坡面徑流量和泥沙量函數(shù)數(shù)值由大到小分別為CT、R1、R2、R3。當(dāng)雨強(qiáng)為1.5mm/min時(shí)，不同施用方式坡面徑流量和泥沙量函數(shù)數(shù)值由大到小分別為CT、R3、R2、R1。

表1 不同施用方式、不同雨強(qiáng)下，坡面徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

施用保水劑能夠延緩徑流時(shí)間、降低產(chǎn)沙量、提高入滲率、提高含水量。當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，采用混施的初始產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)、混施的累積產(chǎn)流量最小、混施的產(chǎn)沙量最小、施加保水劑坡面入滲率比未施加入滲率高，不同施用方式的入滲率差別較小、層施的含水量最高。

當(dāng)雨強(qiáng)為1.0mm/min時(shí)，采用混施的初始產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)、層施的累積產(chǎn)流量最小、層施的產(chǎn)沙量最小、施加保水劑坡面入滲率比未施加入滲率高，不同施用方式的入滲率差別較小、混施的含水量最高。

坡面徑流量、泥沙量的函數(shù)類型為冪函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均>0.99，說明在一定雨強(qiáng)下不管哪種施用方式保水劑對(duì)坡面徑流量、泥沙量的影響均比較大。