施加PAM和PG对坡地产流产沙的影响研究

裴 峥，段喜明，侯礼婷

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

施加PAM和PG对坡地产流产沙的影响研究

裴 峥，段喜明，侯礼婷

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

坡地；人工降雨；聚丙烯酰胺(PAM)；磷石膏(PG)；产流；产沙

在人工降雨条件下，研究吕梁地区混合施加不同量的聚丙烯酰胺(PAM)和磷石膏(PG)对坡地产流和产沙的影响，结果表明：单独施加PAM可以明显减少产流量和产沙量，施加1、2 g/m2PAM处理分别比CK总产流量减少58.6%和21.2%，总产沙量减少41.7%和54.1%；单独施加PG对产流量影响不明显，而且产沙量会增加，施加100、200 g/m2PG处理比CK总产沙量增加7.8%和10.3%；PAM与PG混施可提高土壤的稳定入渗率，具有比单独施加等量PAM更佳的减流效果，但产沙量会有所增加；1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施具有最优的减流、减沙综合效果，相比CK总产流量减少71.2%、总产沙量减少33.2%。实践中建议采用1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施以达到最佳的蓄水减沙效果。

坡地是黄土高原地区水土流失治理的重点[1]。加强坡地降雨的就地入渗有利于保持水土、涵养水源，还有利于促进植被生长和改善生态环境[2-3]。聚丙烯酰胺(Polyacylamide，PAM)是一种比较常用的土壤结构改良剂[4-5]，施加PAM可以抑制土壤结皮形成，影响降雨就地入渗，还具有减沙作用,有着广泛的应用前景[6-10]。一般认为施加PAM可以提高土壤的入渗能力[11-13]，但随着对PAM研究的深入，有人得出了不同的结论[14-16]，比如杨永辉等[17-19]研究发现，在PAM施加量不同或施加在不同土壤中时，PAM对于水分入渗率的影响既有可能增强也有可能减弱。作为土壤调理剂，磷石膏(Phosphogypsum，PG)主要成分为石膏，含有少量P2O5，可以通过改变土壤的物理化学性质来改善土壤的入渗性能[20-21]。本研究以山西省吕梁市方山县沙沟综合观测场为试验地，研究不同用量PAM与PG混施对坡地的减流减沙效果，并寻求最佳的用量配比模式，以期为黄土高原坡地水土流失治理提供参考。

1 试验仪器和方法

1.1 试验地概况

山西省吕梁市方山县沙沟综合观测场位于沙沟小流域，属于黄土丘陵沟壑区，受暖温带大陆性季风气候控制，全年雨量分布不均；土壤质地疏松，植被稀少，抗蚀性较差，以水力侵蚀为主。沙沟综合观测场于2012年3月通过水利部验收，具备坡面水土流失监测能力。

1.2 试验设计

结合试验地的实际情况，人工降雨试验选择在观测站坡度15°、坡向E90°的径流小区上进行。径流小区投影面积2 m×6 m，下部留有收集小区产流产沙的出水口，四周用PVC板围砌。土壤类型为淡褐土，土壤容重为1.4 g/cm3，0～20 cm土层平均初始含水量为10%。

在坡地表面施加不同组合方式的PAM和PG，并设置对照组(CK)，研究其对坡面产流产沙的影响，不同处理的PAM与PG的用量和名称见表1。降雨前，每个小区用天平称取试验用量的PAM和PG，将其与6 kg当地土壤(淡褐土去除杂质、风干破碎后，过孔径2 mm筛)充分混合，然后均匀撒于小区表面。试验采用TSJY-081型全自动便携式人工模拟降雨器进行人工降雨，参考当地的实际降雨情况，雨强选择1.0 mm/min，降雨共进行45 min。试验记录初始产流时间，收集与记录自产流开始后每3 min的产流量，并取样品测量其含沙率。

表1 各试验处理PAM与PG用量和名称

注：PxGy表示x(g/m2)PAM与100y(g/m2)PG处理组合。

2 试验结果与分析

2.1 对初始产流时间的影响

试验结果表明，施加不同量的PG对初始产流时间的影响不明显，施加PAM可推迟初始产流时间。施加了PAM的组合中，初始产流时间推迟了2.1～5.8 min。PAM是分子链较长的高分子化合物，施加PAM会改变土壤的孔隙率。同时，PAM还具有聚合能力，能把细小的颗粒聚合成大的团聚体，增加表层土壤的入渗能力，因此施加PAM能推迟初始产流时间。此外，初始产流推迟时间与PAM的用量有关，施加有1 g/m2PAM的组合产流明显晚于施加2 g/m2PAM的组合。不同处理的初始产流时间见图1。

图1 不同处理的初始产流时间

2.2 对产流的影响

2.2.1 对产流过程的影响

开始产流后，径流小区产流量迅速增大，随着降雨的进行产流量逐渐趋于平缓，在产流开始10～15 min后产流量基本稳定。不同处理的径流速率随时间变化规律见图2，径流速率越大，小区产流量越大。试验结果表明，单独施加PAM可有效减少产流量，但PAM用量与产流量的减少值并不成正比，施加过量的PAM反而会影响降雨的入渗率，增加产流量。产流稳定后，P1G0与P2G0比CK的产流量分别减少50.1%和26.5%。这是因为当PAM用量较少时，PAM抑制了土壤结皮的产生，增加了降雨的入渗，但当PAM的用量较大时，PAM经水浸泡膨胀的分子链会进入土壤孔隙，PAM本身的透水性能较差，反而使PAM增强降雨入渗率的能力降低[17,19]。在混施100或200 g/m2PG的前提下，PAM的减流效果也呈现相似规律。

图2 不同处理的径流速率随时间的变化

单独施加PG对产流量的影响无明显规律。当PAM与PG混施时，初始产流量减少不明显，但减少了产流稳定后的产流量，增加了稳定入渗率，并且随着PG施加量的增加，稳定入渗率增加。产流稳定后，P1G2、P1G1比P1GO产流量分别减少29.4%和16.9%。在混施2 g/m2PAM的情况下，P2G2、P2G1的减流效果也呈现相似规律，但减流效果不如混施1 g/m2PAM的小区。

2.2.2 对总产流量的影响

表2 不同处理的减流效果

注：比例为总产流量比对照组减少的百分比。

2.3 对产沙的影响

2.3.1 对产沙过程的影响

图3为不同处理开始产流后径流含沙率随时间变化规律。产流开始后，径流含沙率比较大，随着产流量的增加，径流含沙率降低。从图4可以看出，累计产沙量先以较快速度增加，随后增速变缓，最后以一较小值稳定增加。累计产沙量的增加速度取决于产流量的大小和可供径流携带的泥沙量。 形成坡面径流后， 径流

图3 不同处理的径流含沙率变化

图4 不同处理的累计产沙量变化

带走表面松散细小的土壤颗粒，造成前期的产沙量较大，而随着降雨的进行，坡面无法产生足够供径流携带的细小土壤颗粒，所以产沙量基本稳定在一个水平上。产沙过程中，施加了PAM的小区产沙量增加速度明显低于对照组。

对图3中的数据利用SPSS进行数据拟合，得出累计产沙量与时间的关系式为

式中：Vs为累计产沙量，kg；t为时间，min；a、b、c为拟合参数，各个处理对应的拟合参数值见表3。

表3 拟合参数a、b、c

注：R2为拟合方程的拟合度。

2.3.2 对总产沙量的影响

不同处理在人工降雨45 min后的总产沙量见图5。在其他条件相同的情况下，无论单施还是混施，施加PAM都可明显减少总产沙量，且随着PAM用量的增加总产沙量减少。P1G0、P2G0总产沙量分别比CK减少41.7%和54.1%，在混施100或200 g/m2PG的情况下，P1G1、P2G1与P1G2、P2G2也呈现相似的减沙规律。这是因为施加PAM不但减少了产流量，降低了径流携带泥沙的能力，而且改善了土壤的物理性状，通过增加土壤水稳性团粒数量，在土壤表面形成了一层保护层，减少了径流对泥沙的侵蚀。

图5 不同处理降雨45 min的总产沙量

单独施加PG会增加产沙量，P0G1和P0G2比CK总产沙量增加了7.8%和10.3%。在混施1与2 g/m2PAM的情况下，各处理总产沙量随着PG用量的增加而增加。PAM与PG混施后，溶解的PG一方面提高了降雨的入渗率，另一方面降低了PAM对土壤的固结效果，降低了土壤的抗侵蚀能力。

综上所述，本试验中P1G2具有最优的减流效果，P2G0具有最优的减沙效果。试验结果显示，P1G2比P2GO总产流量减少55.22 L，减流50%以上，同时总产沙量却仅为P2G0的1.34倍，因此P1G2可达到最优的减流、减沙综合效果。

3 结 论

本试验在沙沟综合观测场人工降雨雨强1.0 mm/min、径流小区坡度15°、初始土壤平均含水量10%的条件下得出以下结论：

(1)单独施加PAM可增加土壤的稳定入渗率，推迟初始产流时间，减少产流量和产沙量。P1G0和P2G0比CK初始产流时间推迟了4.8和2.1 min，总产流量减少了58.6%和21.2%，总产沙量减少了41.7%和54.1%。

(2)单独施加PG不但无法减少产流量，而且会增加产沙量，在实际中不建议采用。

(3)PAM与PG混施可增强土壤的入渗能力，减少产流量，具有比单独施加PAM更好的减流效果，但产沙量略有增加。本试验地坡地采用1 g/m2PAM和200 g/m2PG混施，可以起到最优的蓄水保土效果，提高土壤含水率，促进植物的生长。

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(责任编辑 李杨杨)

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1000-0941(2017)04-0059-04

裴峥(1991—)，男，山西平遥县人，硕士研究生，研究方向为农业水土资源的高效利用；通信作者段喜明(1967—)，男，山西太谷县人，教授，硕士生导师，博士，研究方向为农业水土资源的高效利用。

2016-12-05