抗蝕降解液膜保土性能分析

周曉樂，谷健，馬寧寧

（1.遼寧省水土保持局，遼寧沈陽110003；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽100072）

抗蝕降解液膜保土性能分析

周曉樂1，谷健2，馬寧寧2

（1.遼寧省水土保持局，遼寧沈陽110003；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽100072）

該研究是針對于降雨條件下水土保持型可降解液膜的作用機(jī)理的探索，水土保持型可降解液膜是一種以有機(jī)高分子為主要材料合成的新型保水保土覆蓋產(chǎn)品。該產(chǎn)品噴施于土壤地表并經(jīng)固化定型后，將使土壤表面顆粒粘結(jié)在一起，進(jìn)而達(dá)到封閉和固定表土和保水的作用。以實現(xiàn)在不對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染的基礎(chǔ)上提高林草成活率和生態(tài)固埂的長效性，為水土流失易發(fā)區(qū)綜合治理提供一項新的環(huán)境友好型化學(xué)措施，并推動我國的生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)程。

水土保持；抗蝕降解液膜；人工降雨

該研究所采用的水土保持型抗蝕降解液膜是一種以有機(jī)高分子為主要材料合成的新型保水保土覆蓋產(chǎn)品，主要成分為聚乙烯醇、硅溶膠、木鈣、羥甲基纖維素鈉、腐植酸、交聯(lián)劑、消泡劑、甘油等。該產(chǎn)品噴施于土壤地表并經(jīng)固化定型后，將土壤表面顆粒粘結(jié)在一起，進(jìn)而達(dá)到封閉和固定表土和保水的作用。同時，土壤施用該液膜后，還可以有效增加土壤地溫、保持土壤濕度，提高作物出苗率和成活率，有利于作物生長發(fā)育，涵養(yǎng)水源，保持水土，并有效減緩風(fēng)、雨、水對土壤的沖刷，從而減輕水土流失量和強(qiáng)度，而且這種水土保持型抗蝕降解液膜具有成膜效果好、使用成本低、操作簡單等的特點(diǎn)，并且在土壤微生物的作用下可以自行降解形成碳水化合物，不會對土壤產(chǎn)生任何有害殘留，但該產(chǎn)品作用在水土保持方面作用效果的研究報道較少。所以研究水土保持型抗蝕型降解液體地膜在人工降雨條件下的作用機(jī)理和保土效果，是建立抗蝕降解液態(tài)地膜水土保持應(yīng)用技術(shù)模式的基礎(chǔ)，也可為以后在水土保持、生態(tài)保護(hù)等行業(yè)的大范圍應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

該研究采用室內(nèi)模擬降雨和室外徑流小區(qū)模擬降雨2種方法，室內(nèi)模擬降雨地點(diǎn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利綜合試驗基地的室內(nèi)人工模擬降雨試驗大廳進(jìn)行。試驗所用材料采自遼寧省沈陽市東陵區(qū)天柱山腳下，取表層30 cm的棕壤土。試驗所用土槽為雙土槽，尺寸規(guī)格為3.0 m×1.5 m×0.8 m。試驗采用人工模擬降雨噴頭為下噴旋轉(zhuǎn)噴射式噴頭，高9 m，以120°的角度傘狀噴出。填裝土槽時先用20 cm細(xì)沙鋪墊土槽底部并壓實，并在細(xì)沙上面覆蓋1層鐵絲網(wǎng)，再鋪墊試驗土樣。設(shè)計土樣分層填裝，先填裝10 cm，剩余10 cm分2層填裝，每層5 cm；每次填裝上層之前抓毛下層土壤表面，防止土壤出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并壓實土槽四周的槽壁邊緣，防止雨滴擊濺提前產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕。

室外徑流小區(qū)位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研實驗基地，坡面徑流場水平投影長4 m，寬為1.5 m，四周邊埂采用磚砌，并用水泥抹面。徑流小區(qū)底端設(shè)置簸箕型集水槽，并用接樣桶采集坡面徑流。試驗小區(qū)坡面朝向為西，坡度設(shè)計為8°。小區(qū)在上一年的秋末霜凍前進(jìn)行布設(shè)，使坡面土壤狀況接近天然狀態(tài)。土壤及降雨裝置與室內(nèi)人工模擬降雨實驗一致。

1.2 實驗設(shè)計

室內(nèi)試驗設(shè)噴施降解液態(tài)膜、噴施清水2個處理，考慮到遼寧地區(qū)坡耕地的坡度集中在8°左右，試驗坡度設(shè)為10°，雨強(qiáng)設(shè)為70 mm/h，降雨歷時30 min。降雨前調(diào)節(jié)土槽坡度，備好徑流取樣的小桶和大桶。開始降雨并記錄時間，當(dāng)坡面開始產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時間，用小桶接徑流樣，前10 min每1 min取樣1次，10～20 min每5 min取樣1次。采用稱重法測定徑流量和含沙量。在試驗結(jié)束后，在土壤表層0～10 cm，10～20 cm分別取樣，測定水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

室外試驗設(shè)噴施降解液態(tài)膜、噴施等量清水兩個處理，于無風(fēng)天或微風(fēng)天進(jìn)行降雨，減少風(fēng)速對降雨均勻度的影響。降雨裝置與室內(nèi)模擬試驗相同，雨強(qiáng)設(shè)為70 mm/h。試驗用雨量計測定降雨量。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量測定：坡面產(chǎn)生徑流時，用秒表記錄產(chǎn)流時間，用集流桶每1 min接取一個水沙樣，直至降雨結(jié)束；觀察并記錄跌坎、細(xì)溝產(chǎn)生的時間及位置，記錄每場降雨后侵蝕溝的溝深、溝長變化；將收集的徑流泥沙樣靜置72 h，待泥沙沉淀后濾出泥沙，同時用量筒測量水體積；把濾出沙樣放到盒內(nèi)，置于烘干箱內(nèi)在105℃烘干8～12 h。烘干后的泥沙樣品稱重測定產(chǎn)沙量。試驗結(jié)束1個月后，環(huán)刀法取土，用濕篩法測定土壤水穩(wěn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)模擬降雨實驗防治水土流失效應(yīng)分析

試驗的初始產(chǎn)流時間與徑流量結(jié)果見表1。由表1可以看出，與對照處理（噴等量清水）相比，噴施液膜后的初始降雨產(chǎn)流時間顯著增長。從徑流量上來看，與對照相比，噴施液膜的徑流量顯著降低。

表1 不同處理對初始產(chǎn)流時間和徑流量的影響

試驗的徑流量與降雨時間的關(guān)系見圖1。由圖中可以看出，隨著產(chǎn)流過程的發(fā)生，噴施液膜的徑流量均比對照要小，說明噴施液膜后，液膜與土壤表層形成的“土—膜”結(jié)構(gòu)可以有效的攔截降雨，提高降雨的入滲率，從而使徑流量減少。

為進(jìn)一步定量分析徑流量與降雨時間之間的關(guān)系，研究以徑流量為因變量，以降雨時間為自變量，進(jìn)行相關(guān)分析。得到的線性回歸方程如下：

噴施液膜處理：

對照處理：

式中：Y為徑流量，kg；X為降雨時間，min；R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)果顯示，從方程的相關(guān)系數(shù)R2來看，線性回歸方程的回歸效果較好。

由此可見，人工降雨模擬試驗條件下，隨著降雨歷時的發(fā)生，噴施液膜比對照可以顯著降低徑流量。

不同處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定結(jié)果見表2。由表2可以看出，無論是0～10 cm，還是10～20 cm土層，噴施抗蝕液態(tài)地膜＞0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著大于對照；從土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）指標(biāo)來看，噴施抗蝕液膜的處理均大于對照，且噴施抗蝕液膜的表層0～10 cm土層達(dá)到最大。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性指標(biāo)，一般以大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量作為土壤抗蝕性的指標(biāo)，且MWD越大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，由此可見，噴施抗蝕液膜的土壤大于0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量大，且表層0～10 cm的MWD最大，表明噴施抗蝕液膜的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表2 不同處理對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

試驗的土壤侵蝕量與降雨時間的關(guān)系見圖1?？梢钥闯?，開始產(chǎn)流的5 min內(nèi)，噴施液膜與對照的土壤侵蝕量相差不大，噴施液膜的侵蝕量要略小于對照；隨著產(chǎn)流時間的增加，在5～20 min時間內(nèi)，噴施液膜的侵蝕量要顯著低于對照；隨著降雨的增加，噴施液膜與對照的侵蝕量開始接近，但對照要大于噴施液膜處理。分析原因，開始產(chǎn)流時，噴施清水的對照土壤表層也有一定的攔截作用，因而與噴施液膜處理侵蝕量相差不大；隨著產(chǎn)流時間的增加，對照的土壤“保護(hù)層”被徑流破壞，而液膜形成的“土壤—液膜”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致對照的侵蝕量越來越大，而噴施液膜的侵蝕量較??；但隨著降水量的增加，“土壤—液膜”結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)一些破損縫隙，使土壤被徑流帶走，使噴施液膜處理的侵蝕量開始接近對照。

圖1 土壤侵蝕量與降雨時間的關(guān)系

為進(jìn)一步定量分析土壤侵蝕量與降雨時間之間的關(guān)系，同樣以土壤侵蝕量為因變量，以降雨時間為自變量，進(jìn)行相關(guān)分析。得到的線性回歸方程如下：

噴施液膜處理：

對照處理：

式中：Y為土壤侵蝕量，g；X為降雨時間，min；R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)果顯示，從方程的決定系數(shù)R2來看，線性回歸方程的回歸效果較好。

由此可見，人工降雨模擬試驗條件下，隨著降雨歷時的發(fā)生，噴施液膜比對照可以顯著降低土壤侵蝕量。

2.2 室外徑流小區(qū)模擬實驗防治水土流失效果分析

噴施液膜的地塊初始產(chǎn)流時間為68 min，徑流量為8.26 kg，對照地塊初始產(chǎn)流時間為54.5 min，徑流量為16.83 kg。可以看出，與對照處理相比，噴施液膜后的初始降雨產(chǎn)流時間略微增長，這與室內(nèi)人工模擬降雨試驗結(jié)果有差別。從徑流量上來看，與對照相比，噴施液膜的徑流量顯著降低，大約為對照的一半。

試驗的徑流量與降雨時間的關(guān)系，見圖2。由圖中可以看出，隨著產(chǎn)流過程的發(fā)生，噴施液膜的徑流量均比對照要小。說明噴施液膜后，液膜與土壤表層形成的“土—膜”結(jié)構(gòu)可以有效的攔截降雨，提高降雨的入滲率，從而使徑流量減少。

為進(jìn)一步定量分析徑流量與降雨時間之間的關(guān)系，以徑流量為因變量，以降雨時間為自變量，進(jìn)行相關(guān)分析。得到的線性回歸方程如下：

噴施液膜處理：

對照處理：

圖2 徑流量與產(chǎn)流歷時的關(guān)系

式中：Y為徑流量，kg；X為降雨時間，min；R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)果顯示，從方程的決定系數(shù)R2來看，線性回歸方程的回歸效果較好。

由此可見，人工降雨模擬試驗條件下，隨著產(chǎn)流歷時的發(fā)生，噴施液膜能夠達(dá)到很好的減流效果。

土壤團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種土壤微生物的生境。團(tuán)聚體發(fā)達(dá)的土壤，其結(jié)構(gòu)就好，大孔隙豐富，通氣透水性能良好，為根系的伸展和保持根系活力創(chuàng)造適宜的條件，從而有利于養(yǎng)分的保持和供應(yīng)。一般把大于0.25 mm的團(tuán)聚體稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)。因此研究采用大于0.25 mm團(tuán)聚體來說明土壤團(tuán)聚體的數(shù)量變化。

采用濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，不同處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定結(jié)果見表3。由表3可以看出，無論是0～10 cm，還是10～20 cm土層，噴施抗蝕液態(tài)地膜大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著大于對照；從土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）指標(biāo)來看，噴施抗蝕液膜的處理均大于對照，且噴施抗蝕液膜的表層0～10 cm土層達(dá)到最大，表明噴施抗蝕液膜可以提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

表3 不同處理對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

噴施液膜處理的地塊土壤侵蝕量1.26 kg，未噴施液膜處理的對照地塊土壤侵蝕量1.50 kg，可以看出，與對照相比，噴施液膜的土壤侵蝕量比對照降低了16%，表明噴施液膜都能有效減少土壤侵蝕量。

該試驗的土壤侵蝕量與產(chǎn)流歷時的關(guān)系見圖3。由圖中可以看出，開始產(chǎn)流的10 min，噴施液膜與對照的土壤侵蝕量相差不大，噴施液膜的侵蝕量小于對照；隨著產(chǎn)流時間的增加，在10～30 min時間時，噴施液膜的侵蝕量要顯著低于對照。

圖3 土壤侵蝕量與產(chǎn)流歷時的關(guān)系

為進(jìn)一步定量分析土壤侵蝕量與產(chǎn)流歷時之間的關(guān)系，以土壤侵蝕量為因變量，以產(chǎn)流歷時為自變量，進(jìn)行相關(guān)分析。得到的線性回歸方程如下：

噴施液膜處理：

對照處理：

式中：Y為土壤侵蝕量，g；X為產(chǎn)流歷時，min；R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)果顯示，從方程的決定系數(shù)R2來看，線性回歸方程的回歸效果較好。

由此可見，徑流小區(qū)模擬降雨試驗條件下，隨著產(chǎn)流歷時的發(fā)生，噴施液膜比對照可以顯著降低土壤侵蝕量。

3 結(jié)論

通過人工模擬降雨實驗研究，無論在室內(nèi)還是室外，噴施抗蝕性降解液膜可有效縮短產(chǎn)流時間，提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，在降低徑流量的同時，有效減少土壤侵蝕量，對控制水土流失有積極作用。如果在水土流失易發(fā)地區(qū)的坡耕地和整地造林等水土保持工程上推廣應(yīng)用抗蝕降解液態(tài)地膜，可在消除“白色污染”的同時，顯著提高苗木成活率，固持水土，保障水土保持工程措施的長效性，提高林草覆蓋率。

S157

B

1002－0624（2017）03－0051－03

2016-05-16