保土剂对黄土丘陵区土壤保土效果的实验研究

崔 亮，牛最荣，於旭东，扈家昱

(1.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000；2.北京永盛安水利电力工程技术有限公司，北京 100026)

保土剂对黄土丘陵区土壤保土效果的实验研究

崔 亮1，牛最荣1，於旭东2，扈家昱1

(1.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000；2.北京永盛安水利电力工程技术有限公司，北京 100026)

水土流失是降雨侵蚀力与径流冲刷力共同作用的结果，使用保土剂可以有效减小土壤侵蚀，通过选择陕西省安塞县山坡作为实验区，在该区域内分别施用不同剂量保土剂，研究保土剂对黄土丘陵区的土壤保土效果的影响，实验结果可知：(1)施用保土剂可以有效减小径流挟沙率，减少土壤侵蚀量，随着保土剂用量的增加减沙效果越明显。(2)保土剂混施石膏后，随着用量增加，径流挟沙率大致呈线性降低且降低速率逐渐减缓。(3)保土剂用量3.0 g/m2时为最佳用量，保土效果可经受4次较大和较长时间降雨径流。该实验对于推广应用保土剂，开展黄土丘陵区水土流失治理等具有重要的应用价值。

保土剂；水土流失；持效性；黄土丘陵区

水土流失是降雨侵蚀力与径流冲刷力共同作用的结果，在坡地施用保土剂，当降雨发生时保土剂形成水凝胶与土壤颗粒胶结在一起，良好的黏结力能有效改良土壤的表层结构、增加团聚体含量、稳定土壤结构，减小降雨及径流对土壤颗粒的剥离、冲蚀和搬运作用，从而减小侵蚀产沙量。黄土高原丘陵区是我国水土流失最严重的地区之一，通过实验研究保土剂对黄土丘陵区土壤的保土效果，进一步推广应用保土剂，对于治理黄土丘陵区水土流失、保护生态环境等具有重要的应用价值。

1 研究区概况

陕西安塞县地处西北内陆黄土高原腹地，鄂尔多斯盆地边缘，域内沟壑纵横、梁峁遍布、川道狭长，属典型的黄土高原丘陵沟壑区。总土地面积2 950 km2，其中耕地106.4万亩，其中95%属于山地[1]。区域土壤以黄土母质发育来的黄绵土(钙质干润雏形土)为主，此外还有二色土、红胶土、五花土、石泡土和洪淤土，水土流失严重，耕层有机质含量仅0.53%～0.77%左右，氮、磷俱缺，土壤瘠薄。

2 实验设计

本次实验区选在陕西省安塞县南沟的自然山坡上，坡长3 m，将其独立均匀分为5个小区域，宽1 m，下端分别设集流池，试验区布置如图1所示。当在小区域分别施用不同剂量保土剂后，模拟降水径流过程，并通过集流池收集径流，测定径流量及泥沙含量并进行对比分析[2-5]。

实验选用的保土剂为胶粉。胶粉是一种聚丙烯酰胺(PAM)和丙烯酸盐高纯度的交链体共聚物，是农用土壤调理剂系列产品之一。胶粉为高分子阴离子白色粉末状物质，活性成分大于85%，密度为0.8 g/cm3。当溶于水时，其分子带电荷的一端将土壤胶体颗粒吸附，使地表土壤微粒结块，能够显著提高土壤的水分入渗速率，减少地表径流，可用于防止水土流失,具有防止地表径流造成的土壤流失、提高土壤渗透力、保土保肥、缓解和调节土壤水分蒸发等特点[6-7]。

图1 试验区布置示意图

3 保土效果分析

3.1 对径流挟沙率的影响

降雨径流引起的坡地土壤侵蚀，可以从降雨所产生径流的挟沙率和一次降雨的泥沙总量两方面来分析[8]。将同一保土剂用量的坡地径流挟沙率试验结果进行平均，得到保土剂用量与径流挟沙率的关系如图2所示。经保土剂处理坡地径流挟沙率均小于未经过保土剂处理的，径流挟沙率随保土剂用量的增加呈减小趋势，当保土剂用量为0.5 g/m2时，径流挟沙率减小85%；当保土剂用量为3.0 g/m2时，径流挟沙率减小93%。

图2 保土剂用量与径流挟沙率的关系

3.2 对侵蚀量的影响

经过保土剂处理的不同坡度实验区侵蚀产沙量结果对应保土剂用量如图3所示，可以看出，保土剂能够显著减少一次降雨的侵蚀产沙总量。当保土剂用量为0.5 g/m2时与对照相比平均可减少侵蚀产沙量7倍左右，当保土剂用量为3.0 g/m2时可平均减少16倍左右，且随保土剂用量的增加侵蚀产沙量逐渐减小。

图3 保土剂用量与一次降雨侵蚀产沙量的关系

图4 保土剂施加量与径流挟沙率的关系

图5 石膏粉施加量与径流挟沙率关系

图6 径流挟沙率与保土剂及石膏粉施用量的关系

3.3 混施石膏对侵蚀量的影响

石膏富含作物生长所需要的钙、硫等农作物生长所需要的营养元素，对农作物的生长发育，尤其是增加籽实和生物学产量有较为明显的效果。图4为保土剂混施石膏后对径流挟沙率的影响。保土剂施加量为0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2、4.0 g/m2、6.0 g/m2时，其径流挟沙率分别降低19%、35%、58%、74%及81%。随着保土剂用量的增加，径流挟沙率大致呈线性降低且降低速率逐渐减缓。

(a)保土剂用量0.5 g/m2

(b)保土剂用量1.0 g/m2

(c)保土剂用量2.0 g/m2

(d)保土剂用量3.0 g/m2

图5显示了径流挟沙率随石膏粉施用量的增加的变化情况，在坡地小区土壤表面以80 g/m2的水平施加石膏粉后，径流挟沙率增加27.1%，但当石膏粉施加量由80 g/m2增加到150 g/m2时，径流挟沙率大幅增加，增幅达到125%，产生这种状况的原因主要有两个方面：(1)干施石膏粉后，坡地表面可被径流搬移冲蚀的松散物质增加，泥沙量增加；(2)坡地表面施加石膏粉后，小区径流系数降低，径流量减少。

保土剂具有保土效益，且随着施用量的增加保土效益更加明显，石膏粉具有增加入渗、减少径流的特性。图6描述了径流挟沙率与保土剂和石膏粉施用量的关系，石膏粉水平1-3分别对应0、80 g/m2、150 g/m2。从图中可以看出，当保土剂施用量为0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2时，经过石膏粉处理的实验小区径流挟沙率呈增大趋势，保土剂的保土效益和石膏粉的减流效益并未消除松散物质增多对土壤侵蚀带来的影响。当保土剂施用量为4.0 g/m2时，经过80 g/m2石膏粉处理的小区径流挟沙率才减小，保土剂的保土效益和石膏粉的减流效益才逐渐发挥出来；当保土剂施用量为6.0 g/m2时，径流挟沙率随着石膏粉施用量的增加逐渐减小。

4 保土剂持效性分析

保土剂应用于调控坡面土壤径流、降低侵蚀产沙量具有良好的效果，但其持效时间直接关系到其应用成本。为准确把握保土剂的持效性，在试验区不同坡度的坡地模拟了不同用量和降雨的组合试验。对每个经过保土剂处理的试验区都进行同雨强的四次降雨，将各次降雨的径流挟沙率与未施用保土剂的情况进行比较分析，得到保土剂的重复应用效果，图7(a)～7(d)为不同保土剂用量的重复应用效果图。

当保土剂用量为0.5 g/m2时，第一次降雨径流挟沙率仅为0.279%，而第四次降雨径流挟沙率增加到0.931%，此时径流挟沙率减少7.84%， 基本起不到减少土壤侵蚀的作用。当保土剂用量为3.0 g/m2时，第一次与第四次降雨径流挟沙率分别为0.06%和0.47%，保土剂效果好，随着降雨次数的增加，保土剂的有效性逐渐减小。

通过实验发现，坡地施用保土剂能大幅提高土壤的入渗速率，显著减小径流挟沙率，有效减少坡面土壤侵蚀。总体上，随着保土剂用量增加保土时效性越长，随降雨次数的增加而衰减，当保土剂用量为3.0 g/m2时，可减少降雨侵蚀产沙量16倍左右，能经受4次左右的较大和较长时间(30 min)的降雨径流，为最佳用量。因此，建议在该区域每年可施用一次保土剂，可起到治理水土流失的效果。

5 结语

通过以上黄土丘陵区坡地施用保土剂实验分析，结果可知：(1)施用保土剂可以有效减小径流挟沙率，减少土壤侵蚀量，随着保土剂用量的增加减沙效果越明显；(2)保土剂混施石膏后，随着用量增加，径流挟沙率大致呈线性降低且降低速率逐渐减缓。当按照4.0 g/m2的保土剂用量施用在经过80 g/m2石膏粉处理的实验区上时，保土剂的保土效益和石膏粉的减流效益将逐渐发挥出来；(3)保土剂用量3.0 g/m2时为最佳用量，保土效果可经受4次较大和较长时间降雨径流。

[1]安塞年鉴．陕西人民出版社.2006．

[2]蔡强国, 王贵平, 陈永宗. 黄土高原小流域侵蚀产沙过程与模拟[M]. 北京科学出版社.1998(9), 3(5): 223-225．

[3]牛最荣，崔亮．气候变化和人类活动对洮河输沙量变化的影响分析[J]．水利水电技术.2016，47(5)．

[4]崔亮,陈学林,安冬,等.60年来黑河流域东部子水系中上游径流量、输沙量变化特征分析[J].水文.2015,35(1):82-87.

[5]陈渠昌，雷廷武，李瑞平．PAM对坡地降雨径流入渗和水力侵蚀的影响研究[J]．水利学报.2006，37(11)：1290-1296．

[6]吴淑芳，吴普特．高分子聚合物对坡地产流产沙特征影响的研究．土壤学报.2005，42(1)：167-170．

[7]李樊敏，冀慧，陈渠昌．聚丙烯酰胺改良土壤的应用研究综述[J]．人民黄河.2010，32(7)．

[8]王万中， 焦菊英. 中国降雨侵蚀力R值的计算与分布(Ⅰ)[J].水土保持学报.1995(4), 5(6): 45-49．

2016-09-28

崔亮(1982-)，男，陕西凤翔人，高级工程师，主要从事水文分析计算工作。

牛最荣(1964-)，男，甘肃通渭人，教授级高工，主要从事水文水资源及水环境监测、评价和研究工作。

S156.2

A

1004-1184(2017)01-0183-03