PAM 和PG 对土壤入渗及坡面产沙的调控效应

侯礼婷，焦爱萍，申震洲，段喜明，陈 诚

（1.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南 开封 475000； 2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475000；3.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 4.山西农业大学，山西 太谷 030800）

黄土高原是黄河流域水土流失治理的重点区域，研究黄土坡面水土流失治理新措施是减少入黄泥沙、改善生态环境的现实需求［1-3］。 近年来，高分子材料用于水土流失治理日益得到重视，其中PAM（聚丙烯酰胺）和PG（磷石膏）是颇受关注的高分子材料［4-5］。PAM 是一种水溶性的高分子聚合物，具有很强的吸水性，安全无毒，可使土壤中水稳性团聚体增多，进而增强土壤渗透性、提高表层土壤抗蚀能力，因此多被用于土壤改良，其在改善土壤性质、控制水土流失等方面有较好的效果［6-8］；PG 的主要成分为石膏，可作为土壤调理剂使土壤中黏粒的分散性减弱，从而抑制土壤表面结皮［9］。 在发达国家，一般将PAM 添加在灌溉水中，用于提高土壤入渗率［10-11］；国内对PAM 的应用范围相对更为广泛，例如改良土壤、控制土壤侵蚀、增加土壤入渗量等，并开展了许多相关研究［12-16］。 赵伟等［17］研究了PAM 对坡面产沙的阻控效果，认为将PAM 拌于土中，能显著减少坡面产沙量及溶质的流失量、增加土壤水分入渗量；杨永辉等［18］的研究表明，虽然PAM 对提高黄绵土和黑垆土的持水量均有明显效果，但对水土保持作用的改善效果并不明显；王丽等［19］对黑垆土进行的室内人工降雨试验表明，施用PAM 使5°和15°坡面产流量增加而减少了25°坡面产流量，PAM 对坡面产沙的抑制作用有8 ～10 min 的滞后效应。 目前，施用PAM 和PG 对黄土坡面入渗、产沙过程的调控规律仍是需要研究的课题，因此笔者采用野外径流小区人工降雨试验的方法，结合黄土丘陵沟壑区淡褐土坡面的特点，研究了施用PAM、PG 对土壤入渗、坡面产沙过程的调控作用，以期为PAM 和PG用于黄土区水土流失治理、促进水土保持技术发展等提供基础理论依据。

1 试验设计与测量方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省吕梁市沙沟小流域，属黄土丘陵沟壑区，地貌形态起伏变化不大，试验坡面主要由以风积黄土为母质的土壤组成，土壤有机质含量低、结构不良、保水保肥性能较差［20］；多年平均降水量416 mm，降水年内分布不均（主要集中在6—9 月）；土壤侵蚀以水力侵蚀为主，土壤侵蚀模数为6 800 t／（km2·a）。

1.2 试验设计

根据试验目的，设置5°、10°、15°等3 个坡度的试验小区。 小区的水平投影尺寸均为1 m×3 m，地表为无植被覆盖的裸露黄土。 采用人工模拟的方法产生试验降雨，根据试验区多年暴雨频率分析，试验降雨强度设定为较常发生的55 mm／h；经现场率定，人工模拟降雨的均匀度在80%以上。

试验采用的高分子材料有两种：一种是PAM，主要成分是（C3H5NO）n；另一种是PG，主要成分为CaSO4·2H2O，其有效含量约为90%，属磷铵工业的副产品。 据前人对PAM 的试验研究成果［21-25］，PAM 施用量集中在0.3～2.0 g／m2，若施用量过高，则会使土壤黏度增大，导致土壤板结、孔隙堵塞。 经比选，本试验采用的PAM 施用量为1、2 g／m2。 PG 中含有微量有害物质，为避免对土壤造成二次污染，PG 施用量应严格控制，经分析比较，本试验采用的PG 施用量为100、200 g／m2。 试验时，将PAM 和PG 分别与少量土混合均匀后，直接撒在土壤表面，经过3 d 自然沉降后开始试验。 本试验共设计5 个组次的试验处理，各处理小区的PAM 和PG 施用量见表1（其中CK 为裸土对照）。

表1 各处理PAM 和PG 施用量 g／m2

1.3 测量方法

人工模拟降雨前，采用TDR 土壤水分速测仪测定土壤含水率，每次试验前各小区的土壤含水率基本相同且与当地土壤保持一致（约为11%）；通过调节人工降雨系统压力器校准雨强，在小区四角及中间部位布设自记雨量计。 试验开始后，在自记雨量计记录降雨开始时刻、降雨量的同时，观察并记录坡面产流开始时刻，产流开始后每隔2 min 用取样器取径流泥沙样，把样品装入广口瓶并贴上标签，标记收集时间，同时记录集流桶内的水位。 降雨结束后，测定总径流量，并采用全深剖面采样器取样，作为次径流样品。 采用烘干称重法测定样品泥沙量，进而计算次降雨产沙量；由降雨量、径流总量推算土壤入渗率。

2 结果与分析

2.1 施用PAM 和PG 对土壤入渗率的调控效果比较

2.1.1 各种处理的增渗效果比较

图1为同一坡度坡面不同处理的土壤入渗率变化过程比较。 经统计分析，在同一坡度坡面上各处理小区的土壤入渗率变化规律基本一致，均符合如下二次多项式：

图1 同一坡度不同处理的入渗率变化过程比较

式中：f为入渗率，mm／min；t为时间，min；a、b、c均为参数（常数），与地面坡度及PMA、PG 施用量有关，见表2。

表2 式（1）的参数及相关系数

图1表明，各处理的土壤入渗率随降雨历时延长均呈降低趋势，当降雨历时达到一定时间后，3 个坡度的土壤入渗率均可达到稳定状态。 对式（1）求一阶导数，并令其等于零，即可求得各试验工况下达到稳渗的临界时间。

由图1（a）可知：5°坡面达到稳渗的临界时间为14～17 min，其中PAM2 达到稳渗的临界时间最长、PAM1 达到稳渗的临界时间最短；5 种处理的稳渗率差异明显，其中PAM2 的最高、PG200 的最低（比CK 的还低）；与CK 相比，除PG200 外其他3 种处理的土壤入渗率均有所提高，为CK 的1.1 ～1.4 倍；从初始入渗率来看，除PG200 较小（为0.77 mm／min）外，包括CK 的其他4 种处理相差不大（为0.82 ～0.88 mm／min）。PG200 的入渗率不升反降的原因，可能是加入的高纯度磷石膏PG 质地较细，加之坡度较小，施用量较高时，容易造成表层土壤孔隙被物理封闭，阻碍了水分入渗，对此需进一步研究。 综上所述，在5°坡面上，在施用两种高分子材料的4 种处理中，PAM2（即PAM 施用量为2 g／m2）对提高入渗率效果最佳。

由图1（b）可知：在10°坡面上各处理的入渗过程与5°坡面的有一定差别，即施用高分子材料的各处理土壤入渗率均明显提高（最大较CK 提高约1.3 倍），初始入渗率也明显提高（提高幅度为2.8%～17.7%）；5 种处理达到稳渗的临界时间为14～18 min，PAM2 对提高土壤入渗率的效果最明显、达到稳渗的临界时间最长，这与5°坡面的基本一致。 总体来说，PAM1 和PAM2 在降雨初期提高入渗率的效果显著，二者的稳渗率基本相同。 在施用PG 的试验小区中，PG200 的入渗率提高幅度相对较小，PG100 的入渗率略高于PG200 的，两者达到稳渗的时间基本上一致。 整体来看，提高入渗率效果最好的处理仍是PAM2。

由图1（c）可知：15°坡面达到稳渗的时间为14 ～16 min，与上述5°、10°坡面的差别不大，提高入渗率效果最好的处理也是PAM2；与5°的相似，PG200 的入渗率较CK 有所降低。

综上所述，在5°～15°坡面上各处理达到稳渗的临界时间基本一致，施用PAM 后土壤入渗率有一定程度的提高、施用PG 后出现了土壤入渗率降低的情况，其中PAM 施用量为2 g／m2的效果最好、PG 施用量为200 g／m2的效果相对较差。

2.1.2各种处理对不同坡度坡面的增渗效果比较

各种处理的不同坡度坡面入渗率变化过程比较见图2，可以看出：无论采取何种处理， 5°与10°坡面的入渗率差别都不大且均明显高于15°坡面的；在施用两种高分子材料的4 种处理中，除PAM2 处理的试验后期外，其他几种处理的入渗率均是10°坡面的稍大于5°坡面的，并不是坡度越缓入渗率越高，这是值得注意的现象，其产生的机理需进一步研究。

图2 各种处理的不同坡度坡面入渗率变化过程比较

从达到稳渗的临界时间来看：CK 的最长、PAM2的最短；不论何种处理，15°坡面均最早达到稳渗，这同样是值得注意的现象。 总体上来看，不同坡度达到稳渗的临界时间虽有差别但差别相对不大，15°坡面经PAM2 处理后不仅达到稳渗的临界时间最短而且稳渗率明显高于对照（CK）的。

2.2 施用PAM 和PG 对产沙量的调控效果

图3为各处理小区产沙量与径流量双累积曲线，可以看出：相同径流量对应的产沙量均随坡度增大而增加，15°小区的产沙量明显大于5°、10°小区的，施用PAM、PG 并没有改变产沙量与坡度的基本关系；施用PAM、PG 的4 种小区，产沙量与CK 相比均明显减少，就试验条件范围内的最大产沙量而言，其减幅大都在50%以上。

包括CK 在内的各种处理小区的产沙量与径流量双累积曲线均符合式（2）所示幂函数关系，产沙量与径流量之间的这种关系与李毅［26］的研究结论一致。

式中：WS为累积产沙量，g；W为累积径流量，L；K、n分别为系数、指数，与地面坡度及PMA、PG 施用量有关（见表3）。

表3 式（2）的参数与相关系数

对式（2）求导，可以得到含沙量S与径流量的关系：

式中：α＝n-1；K0＝Kn。

由表3 可知，式（2）中指数n的值除15°坡面PAM2 处理大于1 外，其他处理均小于1，即α＜0。 进而由式（3）可知，随径流量增大，水流含沙量呈减小趋势，这与温永福等［27］研究得出的随径流量增大产沙量增速趋缓或不再明显增加的结论是一致的。

由图3 可知，在试验初期，随着累积径流量增加，各处理小区的累积产沙量均明显增加，当累积径流量达到一定值后，除CK 外，施用PAM、PG 的小区产沙量增速均明显降低，即单位径流量的产沙量较初期的降低，随径流量增加，产沙过程可较早地进入减缓阶段，说明PAM、PG 对产沙过程具有明显的调控作用。 总体而言，施用PAM 或PG 后，除PAM1 的产沙量变化呈现先快后慢的趋势外，其他处理的双累积曲线均较平缓，即产沙量的增长速率均较小。 导致PAM1 处理的产沙量变化速率随累计径流量增大先增后减的原因可能是，降雨初期小剂量施用的PAM 经过沉降后分布得不均匀，导致分布在表层土壤中的PAM 较少，对表层土壤不足以产生足够的黏结力，致使表层土壤被冲刷，因而降雨初期产沙量增速较大，在表土被冲刷后其下土层因受到PAM 黏结力的影响而产沙量增速开始减小。

综上所述，施用高分子材料的4 种处理均可显著减少产沙量，各处理减沙效果优劣排序为PAM2 ＞PG200＞PAM1＞PG100，其中控制产沙效果最显著的是15°坡面PAM2 处理（即PAM 施用量为2 g／m2），与CK 相比，其减沙率在70%以上。

3 结 论

基于野外人工模拟降雨小区试验，分析了黄土丘陵沟壑区典型坡面施用高分子材料PAM 和PG 对土壤入渗、坡面产沙的调控作用，得到以下初步认识：在5°～15°黄土坡面上施用PAM、PG 可提高土壤入渗率并缩短达到相对稳渗的时间、减少坡面产沙量，即对入渗、产沙过程均有一定的调控作用，增渗、减沙效果与高分子材料类型及施用量有关，在施用高分子材料的各种处理中， PAM 施用量为2 g／m2的增渗效果最为明显、PAM 施用量为2 g／m2和PG 施用量为200 g／m2的减沙效果较明显，但在5°和15°坡面上PG 施用量为200 g／m2时反而降低了土壤入渗率，这一现象值得进一步研究；虽然施用PAM、PG 可以提高土壤入渗率、减少坡面产沙量，但没有改变土壤入渗率随降雨历时的变化规律和产沙量对径流量增加的响应规律，土壤入渗率与降雨历时呈二次多项式关系，产沙量随径流量的增加呈幂函数增加、含沙量随径流量增加呈减小趋势。

由于高分子材料PAM、PG 具有复杂的化学、物理性质，与土壤结合后对径流、泥沙的调控作用机理也必然是非常复杂的，因此对于其增渗减蚀的调控机理及试验中出现的个别特殊现象需开展进一步研究。