保水剂施用方式对花岗岩红壤坡面水土保持的影响分析

赵丹萍

(江西省修江水利电力勘察设计有限责任公司，南昌 330000)

1 保水剂特点

近几年，随着中国经济发展，工程建筑大量崛起，水土流失问题日益突出，水土流失带来的土壤肥力减退、旱涝灾害频繁、河道拥堵等问题被国家相关部门关注，并加大整治力度。保水剂主要材料是高吸水性树脂，这种树脂材料有超强的吸水能力，材料无毒害，可以反复吸水、缓慢放水，是一个“微型水库”[1]。另外，他除了能吸水外还能吸收肥料、农药，通过保水剂的缓慢释放，增加肥效、药效，广泛应用于林业、农业、园艺、建筑材料等方面。总结来说保水剂有以下4个特点：

1)保水作用。保水剂树脂材料不溶于水，但能吸收比自重成百上千倍的水分，将这些水分吸进树脂材料网格中保存，土壤掺入一定量保水剂后，能够有效抑制土壤中水分蒸发，降低土壤饱和导水率，提高饱和含水量，从而在土壤含水量丰富时吸水，土壤干旱时缓慢放水，提高水资源的利用率，植物在较湿润的土壤环境下有利于它们的生长和发育，即使在恶劣环境中也能健康生长。

2)保肥作用。保水剂不仅能够吸收水分，还能吸收溶于水的肥料和农药，将含有肥料和农药的水分吸收到保水剂树脂材料中，能够降低肥料和农药的雨水冲刷损失，提高肥料和农药的利用率，节约生产成本。

3)保温作用。在土壤中使用保水剂后，保水剂吸收水分的同时也吸收白天光照热量，在夜晚温度降低时，保水剂释放能量散热平衡夜间温度，从而起到降低白天和夜晚温差的缓冲作用。研究表明，在沙壤土中加入0.1-0.2%的保水剂，采用温度检测仪对10cm土层进行温度监测，在相同环境条件下，加入保水剂土壤温度为11-13.5℃，没有保水剂土壤温度为11-19.5℃，加入保水剂土壤温差明显小于未加保水剂土壤。

4)改善土壤结构。将保水剂掺入土壤中，随着保水剂的吸水膨胀、释水收缩，可以降低土壤板结，使土壤孔隙增大变得疏松，增加土壤的通透性。

2 研究方法和材料选择

保水剂施用方式多样，主要有层施、沟施、混合施用3种，不同的施用方式对水土保持的效果有一定差距，为了研究保水剂施用方式对花岗岩红壤坡面水土保持的影响，文章采用模拟降雨试验进行研究，从而确定中国南方红壤地区水土保持保水剂的最佳施用方式[2-3]。

模拟降雨试验使用HQJY全自动便携式人工降雨模拟器，设置降雨均匀度在80%以上，降雨高度设置在6m，降雨强度控制在1.0mm/min、1.5mm/min两个降雨强度，每个降雨强度分别进行3次，试验共进行6次降雨。每次降雨降雨量控制在120mm，隔3min收取1份径流泥沙样本，降雨停止后，将泥沙样本静置24h，然后用量筒测量泥沙体积。底层的泥沙用筛子过滤然后置于105°烘箱中烘干，重新承重。土壤入渗率用环刀法测量，土壤含水量用烘干法测量。

试验红壤选择江西省修水县海拔800m以上低山地区，经地质勘测，该地区为典型花岗岩红壤地区。试验红壤主要为砂质粘壤土，<0.25mm的土壤颗粒占17.41%，0.25-0.5mm的土壤颗粒占16.80%，0.5-1.0mm的土壤颗粒占19.56%，1.0-2.0mm的土壤颗粒占22.05%，>2mm的土壤颗粒成分占24.18%。

试验所用土槽为长宽高为30×15×11cm移动式塑料槽，土槽坡度为15°，保水剂的用量为土壤干重的0.05%，试验前土壤需要晾晒风干后过10mm筛子过滤，进行土槽填土前为了保证模拟降雨试验土壤的真实性需要在土槽底部填入2mm细沙，细沙上铺设纱网布，并在土槽底部钻小孔增加通气性。填土按照分层填装，每层保证在3cm，填土时要注意压平，并保证表面平整，保证土层的厚度和密度一致，土壤的容重保证在1.20-1.26g/cm3[4-5]。

保水剂采用山东华潍新材料科技有限公司生产专利号为ZL200710114550.6的旱地宝，本产品的性能指标完全符合《中华人民共和国农业行业农林保水剂》(NY886-2010)标准。保水剂施用方式分别用R1(层施)、R2(沟施)、R3(混施)代表，不施用保水剂用CT代表。

3 保水剂不同施用方式分析

3.1 不同施用方式花岗岩红壤坡面径流特征

径流是土壤流失的主要外动力，不同雨强对实验土壤产流的影响，见图1。结果显示：在一定雨强下，不同施用方式产流初期径流量均比较低，随着降雨时间延长，产流量随时间推移逐渐上升，达到峰值以后径流量趋于稳定。当雨强达到1.0mm/min时，CT的初始产流为60min，时间最早，R1、R2时间和CT接近，R3最晚63min；当雨强达到1.5mm/min时，CT的初始产流时间最早，其次R1、R2，R3的初始产流时间最晚。由图1数据可以证明：①在土壤中添加一定量保水剂可以有效减缓坡面的初始产流时间，降低土壤产流量；②当雨强在1.0mm/min，CT的初始产流时间最早，R1、R2初始产流时间差异不大，R3的初始产流时间最晚，说明在雨强为1.0mm/min时，采用混合施用保水剂效果最好；③当雨强在1.5mm/min时，CT的初始产流时间最早，其次R1、R2、R3，说明雨强为1.5mm/min时，同样混合施用保水剂效果最好。

不同施用方式下的累积产流量，见图2。可以看出随着雨强增大，坡面的累积产流量也越大，当雨强为1.0mm/min时，各施用方式累积产流量从大到小分别为CT、R1、R2、R3，CT未施用保水剂的累积产流量比R3的施用方式多34%，比R2的施用方式多15%，比R1的施用方式多18%，可以证明在1.0mm/min雨强下，不管采用哪种保水剂施用方式，均能降低土壤的累积产流量，3种保水剂施用方式对比，混合施用的累积产流量最少。当雨强为1.5mm/min时，各施用方式累积产流量从大到小分别为CT、R2、R3、R1，CT未施用保水剂的累积产流量比R1的施用方式多46%，比R3的施用方式多35%，比R2的施用方式多29%，可以证明在1.5mm/min雨强下，不管采用哪种保水剂施用方式，均能降低土壤的累积产流量，3种保水剂施用方式对比，层施的累积产流量最少。

图1 不同雨强对实验土壤产流的影响

图2 不同施用方式下的累积产流量

3.2 不同施用方式花岗岩红壤坡面产沙特征

产沙量是研究坡面侵蚀程度的重要指标，不同施用方式对坡面产沙量影响，见图3。可以看出CT未施用保水剂坡面产沙量波动最大且产沙量最大，施用保水剂产沙量前期出现波动上升，达到一定高度后趋于稳定，另外随着雨强的增大，不同施用方式坡面产沙量波动均更加明显。当雨强为1.0mm/min时，产沙量波动程度由高到低分别为CT、R1、R2、R3，可以证明保水剂采用混施产沙量波动最小，土壤稳定性更强。当雨强为1.5mm/min时，产沙量波动程度由高到低分别为CT、R2、R3、R1，可以证明保水剂采用层施产沙量波动最小，土壤稳定性更强。

图3 不同施用方式对坡面产沙量影响

不同施用方式坡面产沙量，见图4。当雨强为1.0mm/min时，产沙量由高到低分别为CT(2.13g)、R1(1.44g)、R2(1.39g)、R3(1.08g)，可以证明土壤中施用保水剂能够明显降低土壤坡面的产沙量，保水剂采用混施的方法坡面产沙量最少。当雨强为1.5mm/min时，产沙量由高到低分别为CT(2.3g)、R2(1.23g)、R3(1.19g)、R1(0.73g)，可以证明土壤中施用保水剂能够明显降低土壤坡面的产沙量，保水剂采用层施的方法坡面产沙量最少[6]。

图4 不同施用方式坡面产沙量

3.3 不同施用方式坡面入渗率

土壤入渗率是反应坡面抗侵蚀能力以及坡面涵养水分能力大小的重要标准之一，入渗率的大小与坡面侵蚀产沙也有极大影响。降雨不仅是土壤水分的主要来源，也影响土壤的入渗过程，是水分入渗的主要控制因素。不同施用方式坡面入渗率，见图5。从图中数据可以看出随着降雨时间增加，入渗率逐渐降低，当雨强为1.0mm/min时，刚开始不同施用方式的入渗率差别较小，随着降雨时间增加，施加保水剂坡面入渗率比未施加保水剂坡面入渗率高，且波动较小。当雨强为1.5mm/min时，从降雨开始不同施用方式的入渗率差别较明显，随着降雨时间增加，施加保水剂坡面入渗率明显比未施加保水剂坡面入渗率高，差距明显，波动也较小。从图中数据可以得出，雨强1.5mm/min和雨强1.0mm/min相比，入渗率波动更小，入渗率数值更高；不同施用方式对比差异较小；在土壤中添加保水剂后能明显提高坡面的入渗率，提高坡面抗侵蚀能力以及坡面涵养水分能力。

图5 不同施用方式坡面入渗率

3.4 不同施用方式坡面土壤含水量

保水剂具有优良想的吸水性能，能够显著提高土壤含水量，当雨强为1.0mm/min时，不同施用方式土壤含水量由大到小分别为R1(34%)、R3(33%)、R2(31%)、CT(23%)，施用保水剂的土壤含水量明显高于未施用保水剂的土壤。当雨强为1.5mm/min时，不同施用方式土壤含水量由大到小分别为R3(36%)、R1(33%)、R2(32%)、CT(25%)，同样施用保水剂的土壤含水量明显高于未施用保水剂的土壤。从图中数据可以得出，添加保水剂土壤的几种施用方式吸水性能无明显差异，但都明显高于未施加保水剂的土壤，说明保水剂的保水性能优良，能够明显增加土壤中的含水量，且在一定程度下降雨量越大吸水效果越明显，与未施加保水剂土壤的含水量差距越大。不同施用方式对土壤含水量影响，见图6。

图6 不同施用方式对土壤含水量影响

3.5 坡面径流量、泥沙量的相关分析

通过不同施用方式对坡面径流量、泥沙量影响进行相关分析发现，坡面径流量和泥沙量的关系满足的函数方程式为：

Y=AXB

(1)

式中：X为代表累积径流量；Y为代表累积泥沙量；A、B为代表相关系数。

不同施用方式、不同雨强下，坡面径流量、泥沙量的相关系数，见表1。从表1中可以看出：坡面径流量、泥沙量的相关系数均>0.99，说明在一定雨强下不管哪种施用方式保水剂对坡面径流量、泥沙量的影响均比较大。公式(1)的函数类型为幂函数，当累积径流量增大时，积累泥沙量也随之增大，当雨强为1.0mm/min时，不同施用方式坡面径流量和泥沙量函数数值由大到小分别为CT、R1、R2、R3。当雨强为1.5mm/min时，不同施用方式坡面径流量和泥沙量函数数值由大到小分别为CT、R3、R2、R1。

表1 不同施用方式、不同雨强下，坡面径流量、泥沙量的相关系数

3 结 论

施用保水剂能够延缓径流时间、降低产沙量、提高入渗率、提高含水量。当雨强为1.0mm/min时，采用混施的初始产流时间最长、混施的累积产流量最小、混施的产沙量最小、施加保水剂坡面入渗率比未施加入渗率高，不同施用方式的入渗率差别较小、层施的含水量最高。

当雨强为1.0mm/min时，采用混施的初始产流时间最长、层施的累积产流量最小、层施的产沙量最小、施加保水剂坡面入渗率比未施加入渗率高，不同施用方式的入渗率差别较小、混施的含水量最高。

坡面径流量、泥沙量的函数类型为幂函数，相关系数均>0.99，说明在一定雨强下不管哪种施用方式保水剂对坡面径流量、泥沙量的影响均比较大。