PAM 和PG 對土壤入滲及坡面產沙的調控效應

侯禮婷，焦愛萍，申震洲，段喜明，陳 誠

（1.河南省小流域生態水利工程技術研究中心，河南 開封 475000； 2.黃河水利職業技術學院，河南 開封 475000；3.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 4.山西農業大學，山西 太谷 030800）

黃土高原是黃河流域水土流失治理的重點區域，研究黃土坡面水土流失治理新措施是減少入黃泥沙、改善生態環境的現實需求［1-3］。 近年來，高分子材料用于水土流失治理日益得到重視，其中PAM（聚丙烯酰胺）和PG（磷石膏）是頗受關注的高分子材料［4-5］。PAM 是一種水溶性的高分子聚合物，具有很強的吸水性，安全無毒，可使土壤中水穩性團聚體增多，進而增強土壤滲透性、提高表層土壤抗蝕能力，因此多被用于土壤改良，其在改善土壤性質、控制水土流失等方面有較好的效果［6-8］；PG 的主要成分為石膏，可作為土壤調理劑使土壤中黏粒的分散性減弱，從而抑制土壤表面結皮［9］。 在發達國家，一般將PAM 添加在灌溉水中，用于提高土壤入滲率［10-11］；國內對PAM 的應用范圍相對更為廣泛，例如改良土壤、控制土壤侵蝕、增加土壤入滲量等，并開展了許多相關研究［12-16］。 趙偉等［17］研究了PAM 對坡面產沙的阻控效果，認為將PAM 拌于土中，能顯著減少坡面產沙量及溶質的流失量、增加土壤水分入滲量；楊永輝等［18］的研究表明，雖然PAM 對提高黃綿土和黑壚土的持水量均有明顯效果，但對水土保持作用的改善效果并不明顯；王麗等［19］對黑壚土進行的室內人工降雨試驗表明，施用PAM 使5°和15°坡面產流量增加而減少了25°坡面產流量，PAM 對坡面產沙的抑制作用有8 ～10 min 的滯后效應。 目前，施用PAM 和PG 對黃土坡面入滲、產沙過程的調控規律仍是需要研究的課題，因此筆者采用野外徑流小區人工降雨試驗的方法，結合黃土丘陵溝壑區淡褐土坡面的特點，研究了施用PAM、PG 對土壤入滲、坡面產沙過程的調控作用，以期為PAM 和PG用于黃土區水土流失治理、促進水土保持技術發展等提供基礎理論依據。

1 試驗設計與測量方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于山西省呂梁市沙溝小流域，屬黃土丘陵溝壑區，地貌形態起伏變化不大，試驗坡面主要由以風積黃土為母質的土壤組成，土壤有機質含量低、結構不良、保水保肥性能較差［20］；多年平均降水量416 mm，降水年內分布不均（主要集中在6—9 月）；土壤侵蝕以水力侵蝕為主，土壤侵蝕模數為6 800 t／（km2·a）。

1.2 試驗設計

根據試驗目的，設置5°、10°、15°等3 個坡度的試驗小區。 小區的水平投影尺寸均為1 m×3 m，地表為無植被覆蓋的裸露黃土。 采用人工模擬的方法產生試驗降雨，根據試驗區多年暴雨頻率分析，試驗降雨強度設定為較常發生的55 mm／h；經現場率定，人工模擬降雨的均勻度在80%以上。

試驗采用的高分子材料有兩種：一種是PAM，主要成分是（C3H5NO）n；另一種是PG，主要成分為CaSO4·2H2O，其有效含量約為90%，屬磷銨工業的副產品。 據前人對PAM 的試驗研究成果［21-25］，PAM 施用量集中在0.3～2.0 g／m2，若施用量過高，則會使土壤黏度增大，導致土壤板結、孔隙堵塞。 經比選，本試驗采用的PAM 施用量為1、2 g／m2。 PG 中含有微量有害物質，為避免對土壤造成二次污染，PG 施用量應嚴格控制，經分析比較，本試驗采用的PG 施用量為100、200 g／m2。 試驗時，將PAM 和PG 分別與少量土混合均勻后，直接撒在土壤表面，經過3 d 自然沉降后開始試驗。 本試驗共設計5 個組次的試驗處理，各處理小區的PAM 和PG 施用量見表1（其中CK 為裸土對照）。

表1 各處理PAM 和PG 施用量 g／m2

1.3 測量方法

人工模擬降雨前，采用TDR 土壤水分速測儀測定土壤含水率，每次試驗前各小區的土壤含水率基本相同且與當地土壤保持一致（約為11%）；通過調節人工降雨系統壓力器校準雨強，在小區四角及中間部位布設自記雨量計。 試驗開始后，在自記雨量計記錄降雨開始時刻、降雨量的同時，觀察并記錄坡面產流開始時刻，產流開始后每隔2 min 用取樣器取徑流泥沙樣，把樣品裝入廣口瓶并貼上標簽，標記收集時間，同時記錄集流桶內的水位。 降雨結束后，測定總徑流量，并采用全深剖面采樣器取樣，作為次徑流樣品。 采用烘干稱重法測定樣品泥沙量，進而計算次降雨產沙量；由降雨量、徑流總量推算土壤入滲率。

2 結果與分析

2.1 施用PAM 和PG 對土壤入滲率的調控效果比較

2.1.1 各種處理的增滲效果比較

圖1為同一坡度坡面不同處理的土壤入滲率變化過程比較。 經統計分析，在同一坡度坡面上各處理小區的土壤入滲率變化規律基本一致，均符合如下二次多項式：

圖1 同一坡度不同處理的入滲率變化過程比較

式中：f為入滲率，mm／min；t為時間，min；a、b、c均為參數（常數），與地面坡度及PMA、PG 施用量有關，見表2。

表2 式（1）的參數及相關系數

圖1表明，各處理的土壤入滲率隨降雨歷時延長均呈降低趨勢，當降雨歷時達到一定時間后，3 個坡度的土壤入滲率均可達到穩定狀態。 對式（1）求一階導數，并令其等于零，即可求得各試驗工況下達到穩滲的臨界時間。

由圖1（a）可知：5°坡面達到穩滲的臨界時間為14～17 min，其中PAM2 達到穩滲的臨界時間最長、PAM1 達到穩滲的臨界時間最短；5 種處理的穩滲率差異明顯，其中PAM2 的最高、PG200 的最低（比CK 的還低）；與CK 相比，除PG200 外其他3 種處理的土壤入滲率均有所提高，為CK 的1.1 ～1.4 倍；從初始入滲率來看，除PG200 較小（為0.77 mm／min）外，包括CK 的其他4 種處理相差不大（為0.82 ～0.88 mm／min）。PG200 的入滲率不升反降的原因，可能是加入的高純度磷石膏PG 質地較細，加之坡度較小，施用量較高時，容易造成表層土壤孔隙被物理封閉，阻礙了水分入滲，對此需進一步研究。 綜上所述，在5°坡面上，在施用兩種高分子材料的4 種處理中，PAM2（即PAM 施用量為2 g／m2）對提高入滲率效果最佳。

由圖1（b）可知：在10°坡面上各處理的入滲過程與5°坡面的有一定差別，即施用高分子材料的各處理土壤入滲率均明顯提高（最大較CK 提高約1.3 倍），初始入滲率也明顯提高（提高幅度為2.8%～17.7%）；5 種處理達到穩滲的臨界時間為14～18 min，PAM2 對提高土壤入滲率的效果最明顯、達到穩滲的臨界時間最長，這與5°坡面的基本一致。 總體來說，PAM1 和PAM2 在降雨初期提高入滲率的效果顯著，二者的穩滲率基本相同。 在施用PG 的試驗小區中，PG200 的入滲率提高幅度相對較小，PG100 的入滲率略高于PG200 的，兩者達到穩滲的時間基本上一致。 整體來看，提高入滲率效果最好的處理仍是PAM2。

由圖1（c）可知：15°坡面達到穩滲的時間為14 ～16 min，與上述5°、10°坡面的差別不大，提高入滲率效果最好的處理也是PAM2；與5°的相似，PG200 的入滲率較CK 有所降低。

綜上所述，在5°～15°坡面上各處理達到穩滲的臨界時間基本一致，施用PAM 后土壤入滲率有一定程度的提高、施用PG 后出現了土壤入滲率降低的情況，其中PAM 施用量為2 g／m2的效果最好、PG 施用量為200 g／m2的效果相對較差。

2.1.2各種處理對不同坡度坡面的增滲效果比較

各種處理的不同坡度坡面入滲率變化過程比較見圖2，可以看出：無論采取何種處理， 5°與10°坡面的入滲率差別都不大且均明顯高于15°坡面的；在施用兩種高分子材料的4 種處理中，除PAM2 處理的試驗后期外，其他幾種處理的入滲率均是10°坡面的稍大于5°坡面的，并不是坡度越緩入滲率越高，這是值得注意的現象，其產生的機理需進一步研究。

圖2 各種處理的不同坡度坡面入滲率變化過程比較

從達到穩滲的臨界時間來看：CK 的最長、PAM2的最短；不論何種處理，15°坡面均最早達到穩滲，這同樣是值得注意的現象。 總體上來看，不同坡度達到穩滲的臨界時間雖有差別但差別相對不大，15°坡面經PAM2 處理后不僅達到穩滲的臨界時間最短而且穩滲率明顯高于對照（CK）的。

2.2 施用PAM 和PG 對產沙量的調控效果

圖3為各處理小區產沙量與徑流量雙累積曲線，可以看出：相同徑流量對應的產沙量均隨坡度增大而增加，15°小區的產沙量明顯大于5°、10°小區的，施用PAM、PG 并沒有改變產沙量與坡度的基本關系；施用PAM、PG 的4 種小區，產沙量與CK 相比均明顯減少，就試驗條件范圍內的最大產沙量而言，其減幅大都在50%以上。

包括CK 在內的各種處理小區的產沙量與徑流量雙累積曲線均符合式（2）所示冪函數關系，產沙量與徑流量之間的這種關系與李毅［26］的研究結論一致。

式中：WS為累積產沙量，g；W為累積徑流量，L；K、n分別為系數、指數，與地面坡度及PMA、PG 施用量有關（見表3）。

表3 式（2）的參數與相關系數

對式（2）求導，可以得到含沙量S與徑流量的關系：

式中：α＝n-1；K0＝Kn。

由表3 可知，式（2）中指數n的值除15°坡面PAM2 處理大于1 外，其他處理均小于1，即α＜0。 進而由式（3）可知，隨徑流量增大，水流含沙量呈減小趨勢，這與溫永福等［27］研究得出的隨徑流量增大產沙量增速趨緩或不再明顯增加的結論是一致的。

由圖3 可知，在試驗初期，隨著累積徑流量增加，各處理小區的累積產沙量均明顯增加，當累積徑流量達到一定值后，除CK 外，施用PAM、PG 的小區產沙量增速均明顯降低，即單位徑流量的產沙量較初期的降低，隨徑流量增加，產沙過程可較早地進入減緩階段，說明PAM、PG 對產沙過程具有明顯的調控作用。 總體而言，施用PAM 或PG 后，除PAM1 的產沙量變化呈現先快后慢的趨勢外，其他處理的雙累積曲線均較平緩，即產沙量的增長速率均較小。 導致PAM1 處理的產沙量變化速率隨累計徑流量增大先增后減的原因可能是，降雨初期小劑量施用的PAM 經過沉降后分布得不均勻，導致分布在表層土壤中的PAM 較少，對表層土壤不足以產生足夠的黏結力，致使表層土壤被沖刷，因而降雨初期產沙量增速較大，在表土被沖刷后其下土層因受到PAM 黏結力的影響而產沙量增速開始減小。

綜上所述，施用高分子材料的4 種處理均可顯著減少產沙量，各處理減沙效果優劣排序為PAM2 ＞PG200＞PAM1＞PG100，其中控制產沙效果最顯著的是15°坡面PAM2 處理（即PAM 施用量為2 g／m2），與CK 相比，其減沙率在70%以上。

3 結 論

基于野外人工模擬降雨小區試驗，分析了黃土丘陵溝壑區典型坡面施用高分子材料PAM 和PG 對土壤入滲、坡面產沙的調控作用，得到以下初步認識：在5°～15°黃土坡面上施用PAM、PG 可提高土壤入滲率并縮短達到相對穩滲的時間、減少坡面產沙量，即對入滲、產沙過程均有一定的調控作用，增滲、減沙效果與高分子材料類型及施用量有關，在施用高分子材料的各種處理中， PAM 施用量為2 g／m2的增滲效果最為明顯、PAM 施用量為2 g／m2和PG 施用量為200 g／m2的減沙效果較明顯，但在5°和15°坡面上PG 施用量為200 g／m2時反而降低了土壤入滲率，這一現象值得進一步研究；雖然施用PAM、PG 可以提高土壤入滲率、減少坡面產沙量，但沒有改變土壤入滲率隨降雨歷時的變化規律和產沙量對徑流量增加的響應規律，土壤入滲率與降雨歷時呈二次多項式關系，產沙量隨徑流量的增加呈冪函數增加、含沙量隨徑流量增加呈減小趨勢。

由于高分子材料PAM、PG 具有復雜的化學、物理性質，與土壤結合后對徑流、泥沙的調控作用機理也必然是非常復雜的，因此對于其增滲減蝕的調控機理及試驗中出現的個別特殊現象需開展進一步研究。