PAM噴施量與施用方式對風沙土風蝕的影響

白崗栓，羅 東，苗慶豐，周 楠，杜社妮

PAM噴施量與施用方式對風沙土風蝕的影響

白崗栓1,2，羅 東3，苗慶豐4，周 楠2，杜社妮1,2

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 陜西怡安建設工程有限公司，西安 710021；4. 內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010020）

固定流沙和減少風蝕是一個世界性的難題。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作為一種線性高分子聚合物，噴灑在土壤表層能形成結皮，能有效抵御風蝕，但噴施PAM溶液的結皮狀況及抗風蝕能力與PAM的噴施量及土壤特性等密切相關，且PAM溶液的濃度越大則黏性越強，越不易噴灑。為了探尋PAM防風固沙的適宜噴施量及簡便施用方法，該研究以烏蘭布和沙漠流動沙丘的風沙土為試驗材料，以風沙土的風干土及飽和濕土為對照，首先探討PAM不同噴施量對風干土（風沙土）表層結皮狀況、土壤含水率及土壤風蝕量的影響，以尋求PAM的適宜噴施量，然后再將適量的PAM干撒、干撒后噴水和噴施于風干土表層，探尋PAM的簡便施用方法。結果表明：1）PAM不同噴施量的結皮覆蓋度、結皮厚度、結皮抗剪強度均隨PAM噴施量的增加而增加，均顯著高于風干土和飽和濕土；PAM不同噴施量的土壤含水率均高于風干土，且隨時間的延續均顯著高于飽和濕土；噴施1、2、3和4 g/m2的PAM風蝕量分別為風干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，為飽和濕土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%，當PAM噴施量達到2 g/m2時，PAM能有效降低風沙土的風蝕量。2）將2 g/m2的PAM干撒、干撒后噴水和噴施于風干土表層，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的土壤結皮覆蓋度、結皮厚度、結皮抗剪強度均高于風干土、飽和濕土和干撒PAM，干撒PAM的土壤表層結皮覆蓋度低于飽和濕土但高于風干土，結皮厚度和結皮抗剪強度高于風干土及飽和濕土，干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液的土壤含水率高于風干土、飽和濕土及干撒PAM，干撒PAM的土壤含水率與風干土基本一致。干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風蝕量分別為風干土的53.13%、11.17%和6.35%，為飽和濕土的76.34%、16.05%和9.12%，干撒PAM后噴水的抗風蝕能力接近于風沙土表層噴施PAM溶液。3）由于噴施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建議風沙區可在降雨前將2 g/m2的PAM干撒于土壤表層或干撒后向土壤噴水，可有效減少風蝕量。

土壤；水分；PAM；施用量；施用方法；結皮；風蝕

0 引 言

土壤風蝕是指在一定的風力作用下土壤或土壤母質、土壤顆粒發生位移造成土壤結構破壞、土壤物質損失的過程，同時也是氣流或氣固兩相流對土壤表層的吹蝕和磨蝕過程[1]。中國沙化土地面積已達1.74×106km2，占國土總面積的18.2%，風蝕是中國北方地區土壤退化的主要因素，是干旱、半干旱區荒漠化的主要過程[2]?？刂骑L蝕的主要的措施一是覆蓋（包括植被覆蓋、秸稈覆蓋及黏土、石塊覆蓋等）土壤表層，阻斷風力與土壤表層的直接接觸；二是改善土壤特性，增強土壤顆粒間的粘滯力，提高土壤的抗風蝕能力。植被覆蓋可有效減少風蝕，但在風沙嚴重和極端干旱、寒冷的環境條件下卻難以發揮作用。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作為一種線性水溶性高分子聚合物，主鏈上含有大量的酰胺基，具有很強的粘滯作用和水合作用，能夠吸附、包裹、粘結土壤顆粒，改善土壤顆粒結構，增加土壤團聚體，降低土壤水蝕和風蝕[3-8]，且對土壤無毒害作用[9-10]，但PAM降低土壤水蝕和風蝕的能力主要與PAM的施用量、施用方法、土壤質地、土壤水分及PAM分子量的大小、PAM的類型等密切相關[11-17]。陳渠昌等[18-20]的研究表明，小劑量的PAM可增加土壤團聚體，提高土壤孔隙度，改善土壤結構，抑制土壤表層結皮，促進土壤水分入滲，減少地表徑流，減少土壤水蝕量；大劑量的 PAM噴施于土壤表層則可促進土壤表層結皮，提高土壤結皮厚度及抗剪強度，增加地表徑流，減少土壤水蝕量及土壤風蝕量。PAM噴灑于土壤表層，能夠在土壤表層形成相對穩定、緊密的土壤結皮，能夠有效減少土壤水蝕和風蝕[21-22]，尤其是當結皮變得干燥時，其抗剪強度及抗御風蝕的能力更加增強[23-25]。沙塵暴與土地沙漠化直接威脅著人們的生存環境，固定流沙和減少風蝕是一個世界性的難題[1-2]。目前有關PAM減少風蝕的試驗多為風洞試驗[1-2, 18-19, 25-26]，野外應用PAM防風固沙的報道較少，且制取PAM溶液需消耗大量的人力物力，不利于野外大面積推廣應用[17]。為了尋求PAM防沙治沙的適宜施用量及簡便方法，本試驗在烏蘭布和沙漠東緣，以流動沙丘的風沙土為材料，開展了PAM不同噴施量及施用方式對風沙土風蝕的影響研究。

1 材料與方法

1.1 試驗區的自然狀況

烏蘭布和沙漠是中國八大沙漠之一，地處內蒙古自治區西部，106°09′-106°57′E，39°16′-40°57′N，面積9 082 km2，其中沙丘面積為8 640 km2。沙丘中的流動沙丘為4 536 km2，半固定沙丘為1 978 km2，固定沙丘為2 126 km2 [27]，流動沙丘的坡度多為18°～22°；年均風速3.0～3.7 m/s，其中3－5月為4.8 m/s，最大瞬時風速為24 m/s，以西風及西南風為主，其中春夏季以西風為主；年均沙塵暴日數10.9 d，大風日數12.5 d，揚沙日數30.2 d，主要集中于3－5月。烏蘭布和沙漠夏季炎熱干燥，冬春季干旱少雨，年降水量為140.3 mm，其中6－9月降水量為全年降水量的78.8%，年蒸發量為2 380.6 mm，相對濕度為47%，最大凍土層為58 cm，無霜期146 d，日照時數3 181 h。以旱生、超旱生類型的荒漠植被和鹽生植被為主，如白刺（）、梭梭（）、鹽爪爪（）等。土壤主要有灰漠土、鹽土、灌淤土、風沙土、淡棕鈣土等。試驗地位于烏蘭布和沙漠東緣的磴口縣壩楞村，107°02′11″E，40°24′52″N，海拔1 049.6 m。

1.2 試驗材料

供試PAM為陰離子型，白色粉末狀，分子量為12.0×106g/mol（即1200萬Da，Da 表示一個12C原子質量的 1/12），水解度為20.0%，能夠吸附63倍的1%氯化鈉溶液或1 300倍的純水，殘余單體小于0.5%，具有很強的水合作用和絮凝作用，由勝利油田長安集團提供。

供試土壤取自于烏蘭布和沙漠東緣的流動沙丘，為風沙土，容重1.57 g/cm3，顆粒直徑<0.075、0.075～0.25、>0.25 mm分別占2.65%、97.1% 和0.25%，風干后質量含水率為0.55%，質量飽和含水率為5.65%。

1.3 試驗設計

試驗于2017年3－6月及2018年3－6月在烏蘭布和沙漠東緣的磴口縣壩楞村進行。

1.3.1 PAM噴施量

2017年3－6月，試驗以風干的風沙土（簡稱風干土，質量水分含量0.55%）及水分飽和的風沙土（簡稱飽和濕土，質量水分含量為5.65%）為對照，分別向風干土表層噴施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2的PAM溶液，并使風干土水分達到飽和，探討PAM不同噴施量對烏蘭布和沙漠風沙土風蝕的影響，以篩選PAM防風固沙的適宜施用量。

2017年試驗為6個處理，每個處理均重復6次，共36個樣箱（不包含相當于保護行的樣箱），其中每個處理的3個樣箱用于測定土壤表層的結皮覆蓋度和風蝕量，3個樣箱用于測定土壤表層的結皮厚度、抗剪強度和土壤含水率。

2017年3月10日，在烏蘭布和沙漠空曠處，試驗前將15.70 kg自然風干的風沙土裝入寬20 cm，高10 cm，長50 cm的鋼板樣箱中（每個樣箱重4.0 kg），所有樣箱面向正西方向，間隔60 cm，隨機排列成一條直線，以消除上風向樣箱對下風方向樣箱風速、風向的影響。為了避免地面流沙及測量過程中樣箱變形和振動等對試驗結果的影響，將樣箱以當地流動沙丘的自然坡度20°（36.40%）固定于距地面100 cm的試驗鋼架上，然后按試驗設計噴水及噴施PAM溶液。為了避免邊際效應（主要是北風和南風）對試驗結果造成影響，在測試樣箱的兩端，各擺放同一高度、同一角度和同一間隔距離的相當于保護行的空樣箱3個，以減少非主流風向對試驗結果的影響。

試驗前分別將0.1，0.2，0.3，0.4 g各6份的PAM溶入24份800.7 g的純凈水中，待PAM完全溶解后分別噴施于對應的24個樣箱中，相當于向風干土噴施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2（樣箱土壤表層面積為0.1 m2）的PAM溶液并使風干土的水分含量達到飽和（質量含水率達到5.65%，噴灑水量=（飽和濕土土壤水分－風干土土壤水分）×樣箱風干土質量），簡稱PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0。同時向相應的6個風干土樣箱各噴灑800.7 g的純凈水，促使土壤含水率達到飽和，作為對照中的飽和濕土，剩余6個樣箱作為對照中的風干土。

1.3.2 PAM施用方式

根據2017年的試驗結果及相關文獻[1,3-4,18-19,25-26,28]，2018年3－6月，以風干土和飽和濕土為對照，將2 g/m2的PAM分別干撒于風干土表層（簡稱干撒PAM）、PAM干撒于風干土表層后噴水至風干土水分達到飽和（簡稱干撒PAM后噴水）及噴施PAM溶液至風干土水分達到飽和（簡稱噴施PAM溶液），探討PAM施用方法對風沙土風蝕的影響，以尋求PAM防風固沙的簡便施用方法。

2018年試驗共5個處理，6次重復，共30個樣箱（不包含相當于保護行的樣箱），其中每個處理的3個樣箱用于測定土壤表層的結皮覆蓋度和風蝕量，3個樣箱用于測定土壤表層的結皮厚度、抗剪強度和土壤含水率。

2018年各處理的樣箱大小、間隔距離、固定高度及角度、樣箱中的土壤量及保護行樣箱等均與2017年相同。

2018年3月14日在干撒PAM的6個樣箱和干撒PAM后噴水處理的6個樣箱表層采取200 g土樣，與0.2 g PAM混合均勻（樣箱土壤表層面積為0.1 m2，PAM施用量為2 g/m2），然后均勻撒施于風干土表層。對于飽和濕土的6個樣箱及干撒PAM后噴水的6個樣箱，待PAM干撒完后，每個樣箱土壤表層均勻噴灑800.7 g純凈水，促使樣箱中的土壤水分達到飽和。對于噴施PAM溶液處理的6個樣箱，每個樣箱用800.7 g純凈水溶解0.2 g PAM，不斷晃動以達到充分溶解，溶解后均勻噴灑到樣箱中的土壤表層，并促使樣箱中的土壤水分達到飽和，剩余6個樣箱作為對照中的風干土。

1.3.3 試驗過程注意事項

2017年及2018年，試驗布設中為了避免撒施PAM、噴施PAM溶液和噴水時風力對撒施、噴施均勻度的影響，干撒PAM、噴施PAM溶液和噴水時樣箱上罩一大紙箱，紙箱口背對主風向，干撒PAM、噴施PAM溶液和噴水完畢后移走大紙箱。所有樣箱在填滿風干土、干撒PAM、噴施PAM溶液及噴水后土壤表層及時用塑料薄膜嚴密覆蓋，確保樣箱土壤水分不會散失并促使土壤表層結皮形成，第2天上午10時左右輕輕去除塑料薄膜，確保去除塑料薄膜時不粘帶土粒及破壞樣箱土壤表層的結皮。測試期間樣箱土壤中萌發的雜草均及時貼土壤表層剪除，以防影響試驗結果。

1.4 測試項目

1）降水量及風速

在樣箱旁空曠處設置 HOBO小型自動氣象站（H21-001數據采集器），監測試驗期間的降水量及距地面2.0 m處的日均風速和每日最大瞬時風速。

2）結皮覆蓋度和風蝕量

從2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d（當天10：00時左右）在每個處理測定結皮覆蓋度和風蝕量的樣箱中，測定不同處理的結皮覆蓋度（土壤結皮覆蓋度指土壤表層形成的結皮面積占土壤表層面積的百分比，不包含土壤表層的裂隙、小風蝕坑等，%）和風蝕量。結皮覆蓋度用樣方法即方格法測定（在1塊20 cm×50 cm 玻璃面上按1 cm×1 cm 劃成網格，然后放在樣箱上測定土壤表層結皮格子的比例）[29]。從2017年3月25日至6月8日（含3月25日）、2018年3月29日至6月12日（含2018年3月29日），每隔15 d用稱重法測定不同處理的風蝕量。為避免風力對稱質量的影響，將天平放置于大紙箱內，紙箱口背對主風向，輕取輕放對樣箱進行稱質量。根據每次稱質量前后2次土壤的減少量及土壤中的質量水分含量，將減少的土壤量折合為風干土質量，作為不同測定期不同處理的土壤風蝕量，并根據測定面積及土壤容重，折合成單位面積的風蝕量（g/m2）及風蝕深度。

3）結皮厚度、結皮抗剪強度及土壤含水率

從2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d在每個處理測定結皮厚度、結皮抗剪強度及土壤含水率的樣箱中，用電子游標卡尺測定土壤表層結皮厚度（土壤表層結皮厚度指較為干燥時施加外力能夠使土壤表層的結皮層完整自然剝離的厚度，mm），用袖珍剪力儀（BWT2XZJL）測定結皮抗剪強度（kPa）[29]，用烘干法測定樣箱表層至底層的土壤質量含水率（%）（取樣后及時用含水率相近的風沙土填補取樣孔隙，以減少風力掏蝕對表層結皮的影響）。

1.5 數據處理

測試數據采用Excel 2010制作圖表，采用SPSS19.0軟件進行單因素方差分析；采用Duncan’s 多重比較進行檢驗。測試時僅2個處理有試驗數據，則用student test檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 試驗期間的降水量及風速

2017年監測期間共降水42.6 mm，其中3月14日至3月23日降水日數高達6 d，降水量達15.1 mm。3月24日至5月13日連續58 d無降水過程，5月14日降水1.8 mm，6月4日和6月5日分別降水12.3和13.4 mm。監測期間日均風速平均為3.83 m/s，每日最大風速平均為6.33 m/s，等于或超過起沙風速5.0 m/s[25]的天數分別為41和 49 d，最大瞬時風速為15.4 m/s（圖1a）。

圖1 2017－2018年試驗監測期間的風速與降水量

2018年監測期間3月16日、3月19日、3月20日及5月18日分別降水2.2、2.6、3.7和2.3 mm，共計降水10.8 mm。3月21日至5月17日連續58 d無降水。監測期間日均風速平均為4.59 m/s，每日最大風速平均為7.09 m/s，超過起沙風速的天數分別為44 d和 48 d，最大瞬時風速為15.4 m/s（圖1b）。

2.2 PAM噴施量對土壤風蝕的影響

2.2.1 PAM噴施量對土壤結皮覆蓋度、結皮厚度和結皮抗剪強度的影響

風干土在試驗初期未形成結皮，風干土和飽和濕土在長時段缺乏降水的情況下如5月9日和5月24日無結皮殘存，而PAM不同噴施量的結皮覆蓋度則隨噴施量的升高而升高，受自然降水的影響程度相對較低。當降水稀少或無降水，起沙風速天數多時，不同處理的結皮覆蓋度降低或無結皮殘存；當有降水或降水較多，起沙風速天數少時，不同處理的結皮覆蓋度升高。監測期間風干土的平均結皮覆蓋度極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著低于PAM不同噴施量（<0.01）；PAM不同噴施量的結皮覆蓋度隨著噴施量的降低而降低，不同噴施量之間無顯著差異（表1）。

表1 PAM不同噴施量條件下土壤結皮覆蓋度、結皮厚度和抗剪強度

注：PAM1.0 、PAM2.0、PAM3.0、PAM4.0分別表示PAM噴施為量1.0，2.0，3.0，4.0 g·m-2。“-”表示未形成結皮，計算平均值時其值為0。同列不同小寫字母表示不同處理之間存在顯著差異（<0.05），不同大寫字母表示不同處理之間存在極顯著差異（<0.01）。下同。

Note: PAM1.0, PAM2.0, PAM3.0, PAM4.0 indicate that spraying amounts of PAM are 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 g·m-2, respectively.The “-” indicates that the crust is not formed, when calculating the average value, its value is 0. Different lowercase letter within the same column indicate significant difference (<0.05) between different treatments, while different uppercase letters indicate extremely significant difference (< 0.01) between different treatments. The same as below.

風干土及飽和濕土的結皮厚度主要受降水的影響，降水量偏多則結皮較厚，降水偏少則較薄或無結皮存在。PAM不同噴施量的結皮厚度主要隨噴施量的增高而增厚，隨時間的延續則變薄，遇雨則略微增厚。監測期間風干土的平均結皮厚度極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的顯著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0的顯著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

風干土和飽和濕土的結皮抗剪強度主要隨降水的發生而改變，PAM不同噴施量的結皮抗剪強度主要受噴施量的影響，且隨時間延續緩慢上升。監測期間風干土的平均結皮抗剪強度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的極顯著（<0.01）低于PAM2.0，PAM2.0的顯著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

2.2.2 PAM噴施量對土壤含水率和土壤風蝕的影響

風干土和飽和濕土的土壤含水率主要受降水影響，PAM不同噴施量的土壤水分除受降水影響外，也受PAM噴施量的影響。監測期間風干土的平均土壤含水率極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著（<0.01）低于PAM1.0，PAM1.0的顯著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0與PAM3.0、PAM4.0之間無顯著差異（表2）。

風干土和飽和濕土的風蝕量主要受起沙風速、起沙風速天數及降水的影響，表現為起沙風速越大，起沙風速天數越多，風蝕量則越大；降水天數越多，降雨量越大，風蝕量則越小。PAM不同噴施量的土壤風蝕量除受起沙風速、起沙風速天數和降水影響外，也與PAM的噴施量密切相關。監測期間風干土、飽和濕土、PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的風蝕量合計分別為24 743、23 065、6 639、3 488、3 234和3 216 g/m2，折合風蝕深度為15.76、14.69、4.23、2.22、2.06和2.05 mm。PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的風蝕量分別為風干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，為飽和濕土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%；飽和濕土為風干土的93.22%。PAM不同噴施量均具有良好的固沙作用，綜合考慮當PAM的噴施量達到2.0 g/m2以上時效果更佳（表3）。

表2 PAM不同噴施量條件下土壤含水率

表3 PAM不同噴施量條件下土壤風蝕量

2.3 PAM施用方式對土壤風蝕的影響

2.3.1 PAM施用方式對土壤結皮覆蓋度、結皮厚度和結皮抗剪強度的影響

2018年監測期間的降水量較2017年小，受降水、風蝕和施用方法的影響，監測期間風干土有5次無結皮殘存，飽和濕土和干撒PAM有4次無結皮殘存，而干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液則一直有結皮存在，且隨時間的延續，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的結皮覆蓋度差異逐漸增大，由初始的無顯著差異逐漸演變為顯著差異（<0.05），最終達到極顯著（<0.01）。監測期間風干土的平均結皮覆蓋度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，與2017年的結果一致；干撒PAM的平均結皮覆蓋度極顯著（<0.01）高于風干土但卻極顯著（<0.01）低于飽和濕土，說明在干旱環境下受風蝕的影響，干撒PAM難以形成良好的土壤結皮；干撒PAM后噴水的結皮覆蓋度極顯著（<0.01）高于PAM飽和濕土卻顯著（<0.05）低于噴施PAM溶液，說明干撒PAM后噴水可促進土壤表層形成結皮，但卻遜于噴施PAM溶液（表4）。

表4 PAM不同施用方式條件下土壤結皮覆蓋度、結皮厚度和抗剪強度

2018年監測期間風干土、飽和濕土和干撒PAM形成結皮的機會少且結皮厚度薄，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液始終均有結皮存在且較厚，但隨時間延續則緩慢變薄。監測期間風干土的平均結皮厚度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，與2017年的結果相同；飽和濕土的極顯著低于干撒PAM（<0.01），干撒PAM的則極顯著低于干撒PAM后噴水（<0.01），干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表4）。

當風干土和飽和濕土同時有結皮殘存時，二者的結皮抗剪強度基本一致。前期干撒PAM的結皮抗剪強度極顯著（<0.01）高于風干土和飽和濕土，后期則與風干土和飽和濕土基本相同，說明后期干撒PAM表層基本無PAM殘存。干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的結皮抗剪強度隨時間的延續緩慢上升。監測期間風干土的平均結皮抗剪強度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著（<0.01）低于干撒PAM，干撒PAM的極顯著（<0.01）低于干撒PAM后噴水，干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表4）。

2.3.2 PAM不同施用方式對土壤水分和土壤風蝕的影響

風干土、飽和濕土和干撒PAM的土壤水分除飽和濕土前期受施用方式影響外，三者的土壤水分主要隨降水量的多少而發生變化，干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液的除受降水影響外，也受施用方式的影響。監測期間風干土的平均土壤含水率與干撒PAM的基本相同，2者均極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著（<0.01）低于干撒PAM后噴水，干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表5）。

表5 PAM不同施用方式下土壤含水率

風干土、干撒PAM和飽和濕土的風蝕量主要受起沙風速及降水的影響。干撒PAM后噴水和噴施PAM的除受起沙風速和降水影響外，也與PAM的施用方法密切相關。監測期間風干土、飽和濕土、干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風蝕量合計分別為42 249、29 403、22 445、4 720及2 681 g/m2，折合風蝕深度為26.91、18.73、14.30、3.01和1.71 mm。干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風蝕量分別為風干土的53.13%、11.17%和6.35%，為飽和濕土的76.34%、16.05%和9.12%；飽和濕土的風蝕量為風干土的69.59%。干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液均有良好的減少風蝕作用（表6）。

表6 PAM不同施用方式下土壤風蝕量

3 討 論

沙塵暴與土地沙漠化直接威脅著人們的生存環境，固定流沙和減少風蝕是一個世界性的難題[1-2]。PAM作為一種線性高分子聚合物，具有很強的水合作用和粘滯作用[30-31]。PAM溶液噴施在土壤表層能夠防風固沙，首先是PAM遇水溶解后形成的鏈狀結構，能夠吸附、包裹、粘結大量松散的可蝕性土壤顆粒，在松散的土壤表層形成結皮，增加土壤表層的整體性，隔絕土壤顆粒與風力接觸，避免土壤顆粒遭受風力侵蝕，從而減少了風蝕量；第二是PAM具有強烈的吸附、包裹、粘結作用，能將細小的土壤顆粒吸附、包裹、粘結成新的或更大的土壤團聚體，從而提高了土壤顆粒的起動風速[1-2,18-19]；第三是PAM的長鏈可深入到土壤顆粒之間，減少土壤顆粒之間的直接接觸，減少土壤顆粒之間的能量傳遞，減少土壤顆粒的振動，提高了土壤顆粒的穩定性，從而減少了土壤顆粒的風蝕量[18-19]。此外，PAM在土壤表層形成結皮，可有效減少土壤顆粒的水分蒸發，促進土壤顆粒保持較高的含水率，提高土壤顆粒表面水膜的靜電引力，提高土壤顆粒間的黏著力，從而提高了土壤顆粒的抗風蝕能力[21-22, 25, 32]。風干土及飽和濕土表層形成的土壤結皮是物理性結皮，是降雨或噴灑的水分打擊夯實土壤表層顆粒導致土壤團聚體發生物理變化而形成的結構性結皮，其結皮覆蓋度、結皮厚度、結皮抗剪強度及水分含量不但受自然降水的影響，而且結皮較薄，抗剪強度低，易遭受風力的破壞，因而風蝕量較大。受試驗方法的影響，飽和濕土在試驗初始階段水分含量高且形成結皮，因而試驗初始階段抗風蝕能力高于風干土，隨后受水分蒸散及風力侵蝕的影響，抗風蝕能力逐漸與風干土保持一致。PAM的噴施量越大，形成的結皮覆蓋度越高，越厚，抗剪強度越大，整體性越強，越不易遭受風力破壞，因而固沙能力越強，抗風蝕能力越強；且結皮的整體性越強，土壤中的水分越不易散失，越利于提高土壤的起沙風速，降低風蝕量。PAM1.0形成的結皮相對較薄，抗剪強度相對較低，在遭遇風力的不斷吹蝕及風沙流的不斷磨蝕時易遭到破壞，易為風力掏蝕提供機會，因而抗風蝕能力較弱。PAM2.0的結皮厚度及結皮抗剪強度較PAM3.0和PAM4.0較低，但其風蝕量與PAM3.0和PAM4.0基本一致，說明PAM2.0已具有良好的抗風蝕能力。PAM不同噴施量的結皮抗剪強度隨時間的延長而緩慢增加，這主要是結皮中的水分含量降低，促使結皮形成更為緊密的結構[21-23]。

PAM干撒于土壤表層，由于缺少水分難以溶解，不能在土壤表層形成結皮，只有在降水后才能形成。試驗初期有少量降水，但干撒的PAM大多已被風吹蝕掉，故在試驗初期測定時有少量結皮，風蝕量低于風干土，說明PAM干撒后遇到降水可降低風蝕量；干撒PAM在試驗初期形成的結皮不夠完整，隨著風力的不斷吹蝕及掏蝕被逐漸蠶食掉，因而在試驗中后期其抗風蝕能力消耗殆盡。干撒PAM后噴水與噴施PAM溶液在試驗初期土壤表層能夠形成完整的結皮，且結皮覆蓋度高，結皮較厚且抗剪強度大，土壤含水率高，因而其抗風蝕的能力強；隨著風力的不斷吹蝕及風沙流對表層土壤及結皮的不斷磨蝕及掏蝕，結皮厚度逐漸變薄（遇雨后則變厚），土壤含水率逐漸降低且部分結皮遭到破壞，土壤顆粒從破壞處不斷逸出并逐漸被鏤空而產生風蝕，因而干撒PAM后噴水與噴施PAM溶液的風蝕量逐漸增大，抗風蝕能力逐漸降低。干撒PAM后噴水的結皮較噴施PAM溶液的薄且不均勻，易受到風力的破壞及掏蝕，故其風蝕量高于噴施PAM溶液。噴施PAM溶液形成的結皮均勻、光滑且較厚，能夠有效保護結皮下的土壤顆粒不受風力吹蝕及風沙流的磨蝕，因而其抗風蝕的能力較強。

烏蘭布和沙漠流沙區水資源缺乏，地廣人稀，溶解PAM需要消耗大量的水分及人力，且PAM溶液非常黏稠，不便噴施[17]，將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于土壤表層后噴水或根據天氣預報在降水前將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流動沙丘或土壤表層，能夠在流動沙丘或土壤表層形成結皮，可有效降低風蝕量，可取得與PAM溶液噴施于流動沙丘或土壤表層的同等效果。

4 結 論

1）風沙土表層噴施不同量的PAM溶液，均可提高土壤表層的結皮覆蓋度、結皮厚度、結皮抗剪強度和土壤含水率，降低土壤風蝕量；當PAM噴施量達到2.0 g/m2時，噴施PAM溶液可有效降低風蝕量。

2）當PAM施用量為2.0 g/m2時，將PAM干撒于風沙土表層和PAM干撒后及時噴水，也可有效提高土壤表層的結皮覆蓋度、結皮厚度、結皮抗剪強度和土壤含水率，降低土壤風蝕量，其中干撒PAM后噴水的抗風蝕能力接近風沙土表層噴施PAM溶液。

3）噴施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建議烏蘭布和風沙區在降雨前將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流動沙丘或土壤表層或撒施后及時向流動沙丘或土壤表層噴水，可有效減少風蝕量。

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Effects of spraying amounts and application methods of polyacrylamide (PAM) on aeolian sandy soil wind erosion

Bai Gangshuan1,2, Luo Dong3, Miao Qingfeng4, Zhou Nan2, Du Sheni1,2

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.710021,; 4.,,010020,)

Sandstorm and desertification have posed a worldwide threat to fix quicksand and reduce soil wind erosion for people's living environment. PAM (polyacrylamide), a kind of linear polymer, has been widely used in metallurgy, building materials, paper, mineral processing, oil production, sewage treatment and other industries due to its strong hydration and viscosity, and thereby it is also expected to resist the wind erosion. There is no any toxic effect on soil when spraying PAM solution on the soil surface. The main reason is that the sprayed PAM solution can form hard crust on the soil surface, and then the crust can effectively protect soil from wind erosion. However, the crust condition and wind erosion resistance of PAM are closely related to the PAM application methods, spraying amount and structure of soil. Moreover, high concentration of PAM solution can be a high viscosity, difficult to dissolve or spray, and lead to inconvenient spray on the surface of sand dune or soil. Taking the aeolian sandy soil as test material, this study aims to explore the optimal spraying amount and application method of PAM to prevent wind and fix sand, while reduce water consumption, by tailoring the properties of air-dried soil (aeolian sandy soil) and saturated soil. Specifically, the effects PAM of spraying amounts on surface crust, moisture and soil wind erosion of air-dried soil were investigated to determine the optimal spraying amount of PAM, and then, an optimal amount of PAM was used in the following ways: dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water, and spraying PAM solution, to explore a facile method for the application of PAM. The results showed that the soil shear strength, the coverage and thickness of soil crust after PAM treatment increased with the increase of PAM spraying amounts, all of which were significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil. The soil moisture after PAM treatment was significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil over time. When spraying PAM of 1, 2, 3, and 4 g/m2, the wind erosion were 26.83%, 14.10%, 13.01% and 13.00% of air-dried soil, whereas, 28.78%, 15.12%, 14.02% and 13.94% of saturated soil, respectively. When the spraying amount of PAM reached 2 g/m2, PAM can effectively reduce the wind erosion of aeolian sandy soil. After 2 g/m2dry PAM sprinkled+spraying water and spraying, the coverage and thickness of soil crust, and soil shear strength were higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled treatment, the coverage of soil crust was lower than that of saturated soil, but higher than that of air-dried soil, whereas, the thickness of soil crust and soil shear strength were higher than that of air-dried soil and saturated soil. In dry PAM sprinkled+spraying and spraying PAM solution, the soil moisture was higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled, the soil moisture was basically the same as that of air-dried soil. The soil wind erosion after dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water and spraying PAM solution were 53.13%, 11.17% and 6.35%, of air-dried soil, respectively, and 76.34%, 16.05% and 9.12%, of saturated soil, respectively. In the dry PAM sprinkled+spraying water, the resistance of wind erosion was close to that in the spraying PAM solution on the surface of aeolian sandy soil. In order to save water and manpower when preparing and spraying the PAM solution, two measurements were proposed. One is that 2 g/m2PAM powder can be dry sprinkled on the surface of sand dunes and soil before rain in the wind-sand areas according to weather forecast. Another is, after dry PAM powder sprinkling, the sprayed water on the surface of sand dunes and soil can effectively fix the quicksand and reduce the amount of soil wind erosion.

soils; moisture; PAM; spraying amount; application method; crust; wind erosion

白崗栓，羅東，苗慶豐，等. PAM噴施量與施用方式對風沙土風蝕的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(10)：90-98.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011 http://www.tcsae.org

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2020-01-03

2020-04-18

國家重點研發計劃項目（2016YFC0501602）

白崗栓，研究員，主要從事農田生態及果樹栽培方面的研究。Email：gshb@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011

S157.2; X43

A

1002-6819(2020)-10-0090-09