不同濃度聚丙烯酰胺(PAM)防治土壤侵蝕的試驗研究

潘德峰，閆少鋒

(1.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所，江蘇 東臺 224200；2.河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

作為一種有效的土壤改良劑，聚丙烯酰胺(PAM)具有改善土壤條件、降低土壤侵蝕的作用，但是目前學(xué)術(shù)界就其對土壤的影響機制存在不同的觀點，比如有的研究人員進行了室內(nèi)模擬試驗，結(jié)果表明PAM對增加降水入滲、減少地表徑流、降低土壤侵蝕具有很好的作用[1-2]；有的用2種不同的土壤進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PAM對土壤入滲率的影響有著截然相反的效果，一種土壤用PAM處理后提高了入滲率，另一種則相反[3]。

江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機質(zhì)含量低、保水性差、黏性小，加之該地區(qū)雨量充沛，集中降雨較多，在強降雨過程中容易引發(fā)水土流失。水土流失會帶走大量土壤養(yǎng)分，降低耕地質(zhì)量，破壞生態(tài)環(huán)境，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅。目前，田間水土流失的治理主要有工程措施、生物措施、農(nóng)業(yè)措施等，但存在或投資大或周期長或見效慢等問題[4]。我國于20世紀80年代開始對聚丙烯酰胺(PAM)進行研究，目前PAM的實際應(yīng)用還處在探索階段，但大量的研究表明，PAM在防治土壤侵蝕方面應(yīng)用前景廣闊[5]。

本研究通過室內(nèi)模擬降雨試驗，研究江蘇沿海地區(qū)粉質(zhì)砂壤土經(jīng)PAM處理后的徑流入滲及土壤侵蝕情況，旨在探索利用化學(xué)措施防治沿海地區(qū)土壤侵蝕的方法。同時綜合前人研究結(jié)果，探討PAM防治土壤侵蝕機制、應(yīng)用中的關(guān)鍵因素以及應(yīng)用前景，以期能為PAM在防治土壤侵蝕中的應(yīng)用與推廣提供指導(dǎo)。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗設(shè)計

(1)試驗設(shè)備。本試驗于2013年6—7月在江蘇省沿海水利科學(xué)研究所人工模擬降雨大廳進行，降雨設(shè)備為下噴式人工降雨器，降雨高度為6 m，有效降雨面積為30 m2，降雨均勻度在85%以上。試驗土槽為移動式變坡鋼槽，尺寸為2 m×3 m×0.2 m，坡長為3 m，坡度調(diào)節(jié)范圍為0～45°。設(shè)計試驗坡度為10°，降雨強度為42 mm/h，降雨歷時30 min。

(2)試驗土壤。供試土壤為江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)的粉質(zhì)砂壤土，取自東臺市弶港鎮(zhèn)，平均干容重1.48 g/cm3，土壤各粒級質(zhì)量分數(shù)分別為粒徑>0.05 mm的土壤顆粒含量12.3%、0.005—0.05 mm含量81.1%、<0.005 mm含量6.6%。試驗時，先在鋼槽底部鋪紗布，然后分層裝土，每層厚5 cm，逐層壓實，總厚度為10 cm，裝滿后將表土平整壓實。

(3)試驗準備。將1.25、2.5、3.75、5、10、15 g PAM用蒸餾水分別定溶至1 L，待其充分溶解后攪拌均勻。在試驗前將PAM溶液均勻淋于待試土壤表面，待其全部滲入土壤后靜置24 h，方才進行模擬降雨試驗。土壤表面施用PAM溶液濃度分別為空白、1.25‰、2.5‰、3.75‰、5‰、10‰、15‰，共7個處理，各處理重復(fù)3次，共21次，取各處理平均值進行計算。

1.2 測試指標

(1)徑流量。在鋼槽的出口處放置一個水桶收集徑流，采用體積法測定徑流量。

(2)侵蝕量。降雨結(jié)束后，將桶中徑流充分攪勻，迅速取出1 L水樣，用烘干法測定其中的泥沙量，并根據(jù)總徑流量計算總侵蝕量。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM濃度對入滲產(chǎn)流過程的影響

圖1為試驗得出的PAM濃度對產(chǎn)流時間的影響結(jié)果，反映了經(jīng)不同濃度PAM處理的粉質(zhì)砂壤土坡面產(chǎn)流時間的變化情況。由圖1知，未經(jīng)PAM處理的土壤由于導(dǎo)水率高，降雨后坡面產(chǎn)流時間較晚，在大約10 min時鋼槽出口開始產(chǎn)流；隨著PAM濃度提高，供試土壤產(chǎn)流時間逐漸縮短，在濃度10‰時產(chǎn)流時間最短；濃度達到15‰時，產(chǎn)流時間又有所延長?？偨Y(jié)起來，PAM濃度在0～5‰?yún)^(qū)間時，隨著濃度的提高坡面土壤產(chǎn)流時間逐漸縮短，PAM對縮短產(chǎn)流時間效果很明顯；濃度在由5‰增加到10‰的過程中，產(chǎn)流時間減少趨勢趨于平緩，僅有小幅下降；PAM溶液濃度大于10‰后，坡面土壤產(chǎn)流時間有所延長，說明10‰為閾值濃度，大于此值后產(chǎn)流時間延長。由此可見，在相同降雨條件下，土壤表層經(jīng)PAM處理后并未增加土壤入滲、延長產(chǎn)流時間，反而縮短了產(chǎn)流時間，最小產(chǎn)流時間比未經(jīng)PAM溶液處理的對照試驗縮短了54.4%，這說明江蘇沿海地區(qū)的粉質(zhì)砂壤土經(jīng)試驗濃度范圍內(nèi)的PAM處理后降低了土壤入滲速率，這與前人研究顯示的PAM增加土壤入滲的結(jié)果相反。

圖1 PAM濃度對產(chǎn)流時間的影響

王愛萍等[6]研究發(fā)現(xiàn)PAM對抑制土壤表面結(jié)皮和減少土壤侵蝕的效果相當顯著，但它對土壤的滲透能力和地表徑流的影響作用目前尚無定論，而PAM的性質(zhì)、施用方式、施用時間以及土壤性質(zhì)和地形條件等都可能影響PAM對土壤入滲的作用效果[7-11]。PAM作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑，具有增加土壤表層顆粒間凝聚力、改善土壤微結(jié)構(gòu)、增強土壤團聚體穩(wěn)定性、抑制土壤結(jié)皮發(fā)生等作用，從而增加土壤入滲[6]。本試驗出現(xiàn)相反的試驗結(jié)果，究其原因在于供試土壤為江蘇沿海粉質(zhì)砂壤土，其結(jié)構(gòu)很差，砂粒含量很高，缺少可分散的黏粒，因此經(jīng)PAM處理后會引起土壤表面封閉，導(dǎo)致土壤入滲率降低，縮短了坡面土壤的產(chǎn)流時間。

2.2 PAM濃度對徑流量的影響

陳渠昌等[12]通過野外沙壤土坡地人工降雨產(chǎn)流試驗發(fā)現(xiàn)，施用PAM確實具有影響土壤入滲率的作用，但其用量的大小可以改變PAM對土壤入滲率的影響結(jié)果，小用量時能夠提高土壤的入滲率，減小坡地徑流；大用量時能降低土壤的入滲率，增加坡地徑流。崔海英等[13]對粗砂土進行研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤施用PAM后對產(chǎn)流量的影響不同，結(jié)構(gòu)較差的粗砂土施用后會減小土壤的入滲率、增加徑流量，結(jié)構(gòu)較好的壤土施用后會增加土壤的入滲率、減少徑流量。綜合多位學(xué)者的研究成果得出結(jié)論，PAM對土壤徑流量的影響受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及PAM用量等多方面因素的制約。

圖2 為試驗得出的PAM濃度與徑流量的關(guān)系。由圖2知，就整體趨勢而言，試驗土壤徑流量隨PAM濃度升高呈現(xiàn)增加趨勢。PAM濃度在0～10‰范圍內(nèi)時，隨著PAM濃度的逐漸升高，徑流量也隨之升高；PAM濃度在由10‰升至15‰時，徑流量呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 PAM濃度與徑流量的關(guān)系

2.3 PAM濃度與土壤侵蝕量的關(guān)系

不同濃度PAM溶液處理的土壤坡面產(chǎn)生的土壤侵蝕量見圖3。由圖3知，在相同降雨強度、降雨歷時的情況下，未經(jīng)PAM溶液處理的供試土壤侵蝕明顯，而PAM溶液處理措施對土壤侵蝕有明顯的抑制作用。施加1.25‰PAM溶液后，土壤侵蝕量降低了約97.2%；PAM溶液濃度增加至2.5‰、3.75‰時，土壤侵蝕量繼續(xù)保持減少趨勢；PAM溶液濃度為5‰、10‰、15‰時，土壤侵蝕量保持不變，達到最低值，說明PAM溶液對土壤侵蝕的抑制作用存在閾值濃度，即PAM濃度達到5‰時，其對土壤侵蝕的抑制作用達到最大，此后繼續(xù)提高PAM溶液濃度，其對土壤侵蝕的抑制作用不再增加。

在一定濃度范圍內(nèi)，用量會影響PAM減小土壤侵蝕的作用。增大用量，土壤侵蝕量將明顯減小，但同時成本也會增加。由試驗結(jié)果知，對于江蘇沿海地區(qū)粉質(zhì)砂壤土施加PAM溶液的最優(yōu)濃度為5‰，可以達到最適宜用量、發(fā)揮最大限度減少土壤侵蝕的作用。

綜上所述，江蘇沿海地區(qū)粉質(zhì)砂壤土施用PAM溶液后，在相同降雨條件下，呈現(xiàn)出土壤坡面產(chǎn)流時間變短、徑流量增加以及土壤侵蝕量減少的趨勢。分析其原因，江蘇沿海地區(qū)的粉質(zhì)砂壤土經(jīng)PAM溶液處理后會引起土壤表面封閉，出現(xiàn)坡面硬化，導(dǎo)致土壤入滲率降低，進而導(dǎo)致產(chǎn)流時間變短，在相同降雨量條件下徑流量增加；雖然徑流量增加增大了攜帶泥土的可能性，但由于土壤表面封閉作用，使得徑流攜帶泥沙的能力大大下降，因此坡面的土壤侵蝕量大大減小了。

3 結(jié) 語

(1)PAM濃度在0～10‰范圍內(nèi)時，土壤產(chǎn)流時間隨著PAM濃度的升高逐漸縮短；濃度升高達5‰～10‰時，產(chǎn)流時間縮短幅度變??；濃度10‰為PAM影響產(chǎn)流時間的拐點閾值，濃度繼續(xù)升高則產(chǎn)流時間有所推遲。

(2)由于本試驗選取的土壤為江蘇沿海粉質(zhì)砂壤土，其結(jié)構(gòu)較差，砂粒含量很高，缺少可分散的黏粒，因此經(jīng)PAM處理后會引起土壤表面封閉，導(dǎo)致土壤入滲率降低，土壤坡面徑流量呈上升趨勢。這可能是其土壤入滲機制與常規(guī)土壤呈現(xiàn)相反趨勢的原因。

(3)PAM對抑制土壤侵蝕有明顯作用。在0～5‰濃度范圍內(nèi)時，隨PAM濃度的升高土壤侵蝕量逐漸降低；當濃度大于5‰后，其對土壤侵蝕的抑制作用不再增加。

(4)上述結(jié)論僅為室內(nèi)模擬試驗所得，其正確性有待進一步證實。

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