









摘 要:PAM(聚丙烯酰胺)可用于控制土壤侵蝕、防治水土流失。為探尋施用PAM 的最佳方式、促進PAM 在水土流失防治實踐中的推廣應用,于2022 年5—10 月,在黃土丘陵溝壑區設置圓錐狀黃綿土工程堆積體,以不施用PAM 為對照,按照2.0 g/ m2的施用量采取先噴水后干撒PAM、先干撒PAM 后噴水、直接噴施PAM 溶液3 種方式在黃綿土工程堆積體表面施用PAM,監測了PAM 不同施用方式的黃綿土工程堆積體在自然降雨情況下的地表徑流量、侵蝕產沙量、細溝發育數量、土壤含水量、土壤容重等。結果表明:3 種方式施用PAM 均可增大產流次數、徑流量、徑流系數,減小侵蝕產沙量、細溝發育數量、細溝侵蝕量、細溝侵蝕系數,降低土壤含水量,其效果優劣排序為直接噴施PAM 溶液>先干撒PAM 后噴水>先噴水后干撒PAM,先干撒PAM 后噴水與直接噴施PAM 溶液效果相當。從便于操作和確保效果兩方面綜合考慮,建議采用先干撒PAM 后噴水的施用方式,或根據天氣預報在降雨前干撒PAM。
關鍵詞:PAM;施用方式;工程堆積體;地表徑流;侵蝕產沙
中圖分類號:S157.9 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.12.018
引用格式:羅東,鄒超煜,白崗栓.PAM 施用方式對黃綿土工程堆積體侵蝕產沙的影響[J].人民黃河,2024,46(12):110-116.
黃土丘陵溝壑區是黃土高原水土流失最嚴重的區域[1] ,經過多年大規模系統治理,大面積的水土流失已得到有效治理[2] ,但礦產資源(石油、煤炭等)開采、道路(鐵路、公路)建設、城鎮建設等造成的工程棄土棄渣堆積體(簡稱工程堆積體)成為新增水土流失的主要來源[3] 。工程堆積體與自然地貌相比,坡度陡峭、土質疏松、有機質含量低、植物根系缺乏等,易產生土壤侵蝕甚至泥石流、滑坡等[4-6] 。有關學者基于放水沖刷和人工模擬降雨試驗對不同土質、不同礫石含量、不同土體類型、不同形態工程堆積體的土壤侵蝕規律進行了研究[7-12] ,而有關減少工程堆積體侵蝕產沙量、提高工程堆積體穩定性方面的研究較少。當前,控制工程堆積體土壤侵蝕的措施主要有工程措施、植物措施及臨時措施等[6,13-14] ,其中:工程措施可有效降低工程堆積體的侵蝕產沙量,但需要投入大量人力物力且生態效益較差;植物措施雖然具有一定的生態效益,但植物達到控制土壤侵蝕效果的生長周期較長,短期內難以取得良好防治效果;臨時措施包括苫蓋和臨時攔擋等,成本較低,但對暴雨或持續降雨的防治作用較小且時效較短。PAM(聚丙烯酰胺)是一種線性水溶性高分子聚合物,廣泛用于石油開采、污水處理、造紙、洗煤、采礦及食品烘焙等行業[15] 。PAM 主鏈上含有大量的酰胺基和羥基等,能夠吸附、包裹、黏結土壤顆粒,增加土壤團聚體[16] 、控制土壤侵蝕[17-18] 。PAM 的控蝕能力與其類型、施用方法、施用量、分子量及土壤質地等有關[18-21] ,特別是與其施用量關系密切,當PAM 施用量較大時,可有效促進土壤表層結皮、增大土壤結皮厚度及其抗剪強度、減少土壤水分入滲、增加地表徑流量、減少侵蝕產沙量[22] 。PAM 用于防治水土流失、控制土壤侵蝕時,施用方式通常是首先將其溶于水中、然后噴施于土壤(沙土) 表層[15,17-18] ,由于PAM 具有強烈的絮凝作用和水合作用,溶解PAM 需要大量的水分,且PAM 溶液的黏性強,需要具有一定壓力的噴霧設備才能噴施,因此噴施效率較低、難以推廣應用。有關試驗結果表明,將PAM 干撒于土壤表層后噴水,可達到與噴施PAM 溶液相同的效果[18] 。把PAM 干撒到黃綿土工程堆積體表層以控制土壤侵蝕的研究尚未見報道,因此筆者通過在圓錐狀黃綿土工程堆積體的表層采用先噴水后干撒PAM、先干撒PAM后噴水和直接噴施PAM 溶液試驗,分析了PAM 不同施用方式對黃綿土工程堆積體侵蝕產沙量及其穩定性的影響,以探尋施用PAM 的最佳方式、促進PAM 在水土流失防治實踐中的推廣應用。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況及供試材料
試驗地位于延安市安塞區縣南溝流域(屬陜北黃土丘陵溝壑區),海拔1 230 m,多年平均氣溫8.8 ℃、無霜期159 d、降水量549.1 mm(其中7—9 月降雨量占全年降水量的65%左右且多為暴雨)、土壤侵蝕模數14 000 t/ km2。
供試PAM 由北京漢力淼公司提供,為陰離子型,單體為丙烯酰胺(C3 H5 NO),白色粉末狀,分子量為1 200萬Da(Da 表示一個12 C 原子質量的1/12),水解度為20%(水解度是陰離子PAM 在水解過程中分子中的氨基轉化為羧基的百分比),具有很強的水合作用和絮凝作用,在濃度為1.0%的氯化鈉溶液中的吸水能力(吸水量)為自身的63 倍,在純水中的吸水能力為自身的1 300 倍。
供試土壤為黃土丘陵溝壑區常見的黃綿土(粉砂壤質土),初始含水率為13%左右。過1.0 cm 篩(剔除料姜石和植物根系等)后,用環刀法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水性能,采用常規方法測定土壤pH值、土壤有機質含量和土壤顆粒組成,結果如下:土壤容重為1.10 g/ cm3,pH 值為7.8,有機質含量為6.8 g/ kg,土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度分別為45.2%、11.2%,田間持水量為22.1%,凋萎系數為6.18%,細砂粒、粉粒、黏粒含量分別為62.58%、25.19%、12.23%。
1.2 黃綿土工程堆積體布設
試驗前選擇地面平坦且開闊的地塊,在地面上鋪設雙層藍色無滴膜(無滴膜厚1.2 mm,長和寬均為3.0m),以無滴膜中部為中心,將黃綿土自然堆積(堆積過程中不碾壓)在無滴膜上,形成圖1 所示圓錐體(共布設了12 個黃綿土工程堆積體),其底面直徑為2.00 m,地面周長6.28 m,高約0.73 m,自然休止角約36°,母線長約1.24 m,側面積為3.89 m2,底面積為3.14 m2。堆積體形成后,將無滴膜進行裁剪并裹土折卷,在堆積體外側設置集流槽、集流管及集流桶。
1.3 試驗處理
根據前人的研究結果[18] ,單位面積PAM 施用量取2.0 g/ m2,根據黃綿土工程堆積體側面積確定每個黃綿土堆積體的PAM 施用量為7.78 g。試驗前準備9份PAM(每份質量為7.78 g),將其中3 份配制成濃度為0.1%的PAM 溶液備用,其他6 份與適量干細黃綿土混合均勻備用。
1)先噴水后干撒PAM(記為W-PAM)。隨機選擇3 個黃綿土工程堆積體用于先噴水后干撒PAM 試驗,為了使各供試黃綿土工程堆積體在試驗時土壤含水量基本一致,先用背負式電動噴霧器在隨機選擇的3 個黃綿土工程堆積體表層分別均勻噴水7.78 L,然后在3 個黃綿土工程堆積體表層均勻撒施與干細黃綿土混合均勻的PAM 各1 份。
2)先干撒PAM 后噴水(記為PAM-W)。在剩余的9 個黃綿土工程堆積體中隨機選擇3 個堆積體用于先干撒PAM 后噴水試驗,先在每個堆積體表層均勻撒施與干細黃綿土混合均勻的PAM 各1 份,然后在每個堆積體表層均勻噴水7.78 L。
3)直接噴施PAM 溶液(記為PAM-S)。在剩余的6 個黃綿土工程堆積體中隨機選擇3 個堆積體用于直接噴施PAM 溶液試驗,將3 份濃度為0.1%的PAM溶液分別均勻噴施在3 個黃綿土工程堆積體表面。
4)對照(記為CK)。剩余的3 個黃綿土工程堆積體用于對照試驗,試驗前在3 個黃綿土工程堆積體表面分別均勻噴水7.78 L。
1.4 監測項目與測算方法
試驗于2022 年5 月底開始,6—9 月監測降雨量和不同處理的地表徑流量、產沙量等,在雨季結束后的10 月10 日監測不同處理的細溝發育狀況、土壤容重和土壤含水量等。
1)降雨量、徑流量(徑流深)和產沙量。小區旁設置有自記雨量計,記錄每次降雨的降雨量、持續時間及降雨強度。每次降雨結束后及時測定徑流桶內的水深,根據水深、徑流桶直徑和堆積體底面積計算各次降雨的徑流深、徑流系數;測定徑流桶內的水深后,攪拌徑流桶內的徑流和泥沙使其混合均勻后快速提取1 L渾濁水樣,采用烘干法測定水樣中的泥沙量并計算徑流含沙量,根據次降雨徑流量、含沙量、堆積體底面積計算每次降雨的土壤侵蝕模數;根據次降雨量、徑流量、土壤侵蝕模數計算監測期降雨總量、徑流總量、徑流系數、土壤侵蝕模數。
2)細溝發育狀況及細溝侵蝕系數。采用容積法(也稱斷面測量法)[23] 測算細溝侵蝕量、細溝侵蝕強度、細溝侵蝕系數:首先目測細溝條數,用直尺測定每條細溝的長度、寬度和深度(對于形狀不規則的細溝分段進行測量);然后計算單條細溝體積及整個堆積體上的細溝體積(或稱為容積),根據細溝體積與土壤容重計算細溝侵蝕量并換算為細溝侵蝕強度,進而計算細溝侵蝕系數,公式為
ME = Er / S (2)
MEC = ME / M (3)
式中:Er 為細溝侵蝕量,ρb 為土壤容重(監測前與監測結束時的平均值),Wi 、Di 、Li 分別為第i 條細溝的平均寬度、平均深度、長度,n 為堆積體上的細溝條數,ME為細溝侵蝕強度,S 為堆積體底面積,MEC 為細溝侵蝕系數,M 為土壤侵蝕模數。
3)堆積體土壤含水量。堆積體的穩定性與其土壤抗剪強度密切相關,而土壤抗剪強度與土壤含水量密切相關,土壤含水量越高,堆積體抗剪強度越低、穩定性越差、越容易發生崩塌和滑坡等[24-25] 。為了便于衡量PAM 不同施用方式對黃綿土工程堆積體穩定性的影響,試驗中監測了堆積體土壤含水量。在細溝發育狀況測定結束后,沿堆積體中垂線從堆積體頂部(高度約為70 cm,受沉降、雨水沖擊等的影響,試驗結束后堆積體高度多為70 cm 左右) 開始按照厚度為10.0 cm 分層用孔徑5.0 cm 的土鉆采集土樣,再沿堆積體底部垂直相交的兩條直徑從內向外按照長度為10 cm 分段采集堆積體底部的土樣,采用烘干法測定堆積體中部垂直剖面及底部水平面不同部位的土壤含水量。
4)土壤容重。在測定土壤含水量的土樣采集結束后,沿堆積體中垂線從堆積體頂部開始,以10.0 cm厚為一層,用環刀采集不同土層土樣并測定土壤容重。
1.5 數據處理
采用Excel 2010 對試驗數據進行處理和圖表繪制等;采用SPSS19.0 軟件對試驗數據進行單因素方差分析,若差異顯著,則用Duncan’ s 多重比較方法進行檢驗。
2 結果與分析
2.1 降雨狀況及產流次數
試驗期間的降雨狀況統計見表1、產流次數統計見表2。由表1 可知:試驗期間共降雨36 次,其中6 月降雨次數最少、降雨量最小,9 月降雨次數最多、降雨量最大,8 月高強度、大雨量降雨最多。由表2 可知:產流次數6 月最少、9 月最多,各處理的產流次數在6月差異最大、9 月差異最小,試驗期間各處理產流總次數最多的是PAM-W 和PAM-S(二者相同)、其次為W-PAM、最少的為CK,PAM-W 和PAM-S 與CK 的差異顯著,PAM-W 和PAM-S 與W-PAM 的差異不顯著。
2.2 徑流深與土壤侵蝕模數
試驗期間不同處理的徑流深、徑流系數與土壤侵蝕模數統計見表3。由表3 可知:試驗期間,不同處理的徑流深及徑流系數大小為PAM - S > PAM - W >W-PAM>CK,其中PAM-S 略大于PAM-W 但二者差異不顯著、極顯著大于W-PAM 和CK,其他處理之間均存在極顯著差異;不同處理的土壤侵蝕模數大小與徑流深大小相反,即PAM-S<PAM-W<W-PAM<CK,施用PAM 的3 種處理均極顯著小于CK,PAM-S 與PAM-W 差異不顯著、與W-PAM 差異極顯著,PAMW與W-PAM差異極顯著。
2.3 細溝發育狀況及細溝侵蝕量
由表4、表5 可知:不同處理的細溝條數、細溝尺寸、細溝侵蝕量及侵蝕系數均表現為PAM-S<PAM-W<W-PAM<CK,施用PAM 的3 種處理均極顯著小于CK,PAM-S 與PAM-W 差異不顯著、與W-PAM 差異極顯著,PAM-W 與W-PAM 差異極顯著。
2.4 土壤含水量
各處理堆積體垂直剖面不同土層土壤含水量見表6。由表6 可知:同一堆積體不同部位土壤含水量不同(各處理堆積體垂直剖面土壤含水量最大值均位于高度為40~50 cm 土層,含水量最小值CK 和W-PAM 位于堆積體頂部即60~70 cm 土層、PAM-W 和PAM-S位于堆積體底部即0~10 cm 土層),這可能與降雨入滲和土壤蒸發有關[21-22,26-28] ;不同處理堆積體除頂部土壤含水量接近且差異不顯著外,其他土層含水量均表現為CK>W-PAM>PAM-W>PAM-S,除PAM-S 與PAM-W 之間無顯著差異和W-PAM 與PAM-W 之間無顯著差異外,其他處理之間均存在極顯著差異或顯著差異。
各處理堆積體底部不同部位土壤含水量見表7。由表7 可知:不同處理堆積體底部土壤含水量最大值CK 出現在距中心點40~50 cm 處、其他處理均出現在距中心點30~40 cm 處,最小值均出現在堆積體邊緣(距中心點90~100 cm);各處理堆積體底部土壤含水量總體表現為CK>W-PAM>PAM-W>PAM-S,3 種施用PAM 的堆積體底部土壤含水量顯著低于CK,其中W-PAM 略高于PAM-W、顯著高于PAM-S。
2.5 不同處理的土壤容重
受雨滴打擊及土壤沉積的影響,各處理堆積體表層土壤的容重較初始容重大。施用PAM 對50~70 cm土層土壤容重有一定影響,從整個垂直剖面(土層高度為0~70 cm)土壤容重看,各處理之間均無顯著差異(見表8)。
2.6 討論
PAM 用于控制土壤侵蝕試驗的施用量一般為1.0g/ m2,其機理是通過PAM 吸附、包裹、黏結土壤顆粒,促進土壤團聚體的形成,提高土壤孔隙度、增加雨水入滲量、減少地表徑流量來減少侵蝕產沙量[16-17] 。本試驗中PAM 施用量高達2.0 g/ m2,在土壤表層形成了較厚的土壤-化學結皮,相當于在堆積體表層覆蓋了一層膜,阻礙了雨水入滲、增加了地表徑流量、減少了徑流對土壤的沖刷[29] ,因而施用PAM 的3 種處理與對照相比,產流次數多、地表徑流量大、侵蝕產沙量小,產生的細溝條數少、細溝侵蝕量小,土壤含水量低。
在3 種PAM 施用方式中,W-PAM 由于干撒PAM前部分水分已入滲于土壤中,PAM 不能充分吸水膨脹,在堆積體表層形成的土壤-化學結皮厚度不均勻甚至個別區域沒有形成結皮,因此抗蝕能力相對較弱[18,29] ;PAM-W 在噴水過程中PAM 吸水膨脹,雨滴對地表的擊濺等使PAM 在堆積體表層分布更均勻,與W-PAM 相比,形成的土壤-化學結皮厚度大且更均勻,未形成土壤-化學結皮的區域少,因此抗蝕能力較W-PAM 強[18,29] ;PAM-S 能使堆積體表層形成厚度比PAM-W 更均勻的土壤-化學結皮,有效阻礙雨水入滲并對堆積體形成保護層,因而地表徑流量最大、侵蝕產沙量及細溝侵蝕量最小、堆積體土壤含水量最低。3種處理對土壤容重的影響均較小,主要原因是PAM 在土壤表層形成的土壤-化學結皮厚度僅0. 1 ~ 0. 3cm[18,29] ,而采樣環刀高度為5.0 cm,結皮所占比例很小,因而對土壤容重的影響小。
施用較大量的PAM 能夠有效增加地表徑流量、減少侵蝕產沙量,若將較大量的PAM 在降雨前干撒于堆積體表面,則可在保護堆積體的同時為干旱半干旱地區集蓄雨水資源提供條件,對此需進一步深化研究。
通常情況下,堆積體的土壤含水量越高其穩定性越差[24-25,30] 。本試驗表明,在堆積體表層按2.0 g/ m2施用PAM,能夠形成相對較厚的土壤-化學結皮,有效減少雨水入滲量,降低堆積體土壤含水量,從而有效提高堆積體的穩定性。在3 種施用方式中,PAM-W 與PAM-S 在增加地表徑流量、減少侵蝕產沙量、控制細溝侵蝕、降低堆積體土壤含水量方面效果相當,鑒于PAM-W 比PAM-S 更容易操作,建議在實踐中采用PAM- W 即先干撒PAM 后噴水, 或在降雨前干撒PAM。
3 結論
3 種方式施用PAM 均可增大產流次數、徑流量、徑流系數,減小侵蝕產沙量、細溝發育數量、細溝侵蝕量、細溝侵蝕系數,降低土壤含水量,其效果優劣排序為噴施PAM 溶液>先干撒PAM 后噴水>先噴水后干撒PAM,先干撒PAM 后噴水與直接噴施PAM 溶液效果相當,從便于操作和確保效果兩方面綜合考慮,建議采用先干撒PAM 后噴水的施用方式,或根據天氣預報在降雨前干撒PAM。
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