高分子多肽衍生物防治風(fēng)蝕的風(fēng)洞試驗(yàn)

李元元，王占禮※,2

高分子多肽衍生物防治風(fēng)蝕的風(fēng)洞試驗(yàn)

李元元1，王占禮※1,2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

利用高分子化學(xué)材料改善地表結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)固沙，是防治風(fēng)蝕的重要措施之一。為尋找有效的高分子化學(xué)材料防治黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)風(fēng)積沙及沙黃土風(fēng)蝕，將不同劑量（0（噴清水為對(duì)照）、0.4、0.6及1.2 g/m2）的4種高分子化學(xué)材料聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）、陽離子羥丙基多糖（cationic hydroxypropyl quito sugar，Jag C162）、羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)及羥丙基化多糖（hydroxypropyl polysaccharide，HP-120）噴施于沙黃土及風(fēng)積沙表面，進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)定其風(fēng)蝕率及表面固積層硬度。結(jié)果表明：噴施不同劑量的高分子化學(xué)材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120于沙黃土及風(fēng)積沙表面均能顯著降低松散擾動(dòng)沙黃土及風(fēng)積沙的風(fēng)蝕率（P<0.05）?？傮w而言，在相同條件下，與其他3種材料相比，PAM防治沙黃土表面風(fēng)蝕的效果最好，而CMC在防治風(fēng)積沙風(fēng)蝕效果最好。噴施4種化學(xué)材料于沙黃土和風(fēng)積沙表面均能顯著增加固結(jié)層的硬度（0.4 g/m2Jag C162除外），且PAM對(duì)提高沙黃土表面硬度效果較好，Jag C162、CMC及HP-120對(duì)提高風(fēng)積沙結(jié)皮硬度效果較好，其中CMC效果最顯著；使用4種高分子化學(xué)材料防治風(fēng)積沙和沙黃土風(fēng)蝕時(shí)，當(dāng)施用劑量控制在1.2 g/m2時(shí)，幾乎可以抵御14 m/s的大風(fēng)，歷時(shí)20 min的吹蝕而不產(chǎn)生風(fēng)蝕。

風(fēng)洞；多肽；硬度；防治風(fēng)蝕；聚丙烯酰胺；羧甲基纖維素；Jag C162；HP-120

0 引 言

風(fēng)蝕會(huì)破壞地表原有結(jié)構(gòu)，造成干旱半干旱地區(qū)土地沙化，從而威脅土地持續(xù)利用及劣化人類生存環(huán)境及生活質(zhì)量[1-3]。水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)具有獨(dú)特的背景環(huán)境和侵蝕特征，故其生態(tài)平衡較易破壞，部分可利用土地的土壤侵蝕嚴(yán)重，甚至達(dá)到不可逆轉(zhuǎn)的沙漠化境地[4]。水蝕風(fēng)蝕的交替作用也使該區(qū)成為黃土高原侵蝕產(chǎn)沙最嚴(yán)重及黃河泥沙來源最多的地區(qū)[5]。對(duì)該區(qū)進(jìn)行風(fēng)蝕治理對(duì)減輕該地區(qū)的土壤侵蝕具有重要的意義。

研究表明[6]，風(fēng)蝕的形成必須具備2個(gè)基本條件：1）足夠的可蝕性顆粒物；2）使可蝕性顆粒物產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速。因此，通過改善地表結(jié)構(gòu)來減少地表可蝕性顆粒物及降低近地面風(fēng)速可有效地控制風(fēng)蝕。傳統(tǒng)的生物固沙及機(jī)械固沙防治風(fēng)蝕的措施如植被和機(jī)械沙障覆蓋等，一方面能有效地阻斷風(fēng)與地表的直接接觸，另一方面能改善地表結(jié)構(gòu)，從而降低地表風(fēng)蝕的程度[7-10]，但這些方法具有相對(duì)遲緩的生態(tài)效益[11]，且在實(shí)施過程中經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)比較大，在風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)沙化及荒漠化土地的治理過程中很難大面積推廣。利用高分子化學(xué)材料改善易風(fēng)蝕地表結(jié)構(gòu)進(jìn)行固沙、固土，是防治風(fēng)蝕的重要化學(xué)措施之一。近年來許多研究表明，高分子化學(xué)材料固沙劑可使地表松散的可蝕性顆粒粘結(jié)在一起，改善地表土壤大團(tuán)聚體、保持良好的土壤結(jié)構(gòu)[12-13]，還可以抑制地表蒸發(fā)，使地表保持較高的含水率[14]，從而增強(qiáng)地表抗風(fēng)蝕能力。多種高分子化學(xué)材料固沙劑、固土劑已被研制出來，部分已投入到沙化土地的治理當(dāng)中，取得一定效果[15-20]。胡英娣[21]通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究了石油材料類、高分子聚合物類及無機(jī)類3大類共7種材料對(duì)沙坡頭流沙的固持效果，結(jié)果表明化學(xué)材料可以將松散的沙?；蛲亮Ｕ辰Y(jié)成較大及較穩(wěn)定的塊體，因而增強(qiáng)沙粒的臨界起動(dòng)風(fēng)速，降低風(fēng)蝕量；韓致文等[19]對(duì)研制出的4種不同品種及配方的有機(jī)無機(jī)固沙材料進(jìn)行理化性能、黏結(jié)體力學(xué)性能和抗風(fēng)蝕性能等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明固沙劑噴灑在沙子表面后均能夠迅速形成強(qiáng)度較高的固結(jié)層，固沙效果顯著；陳渠昌等[22]通過室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)對(duì)聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）的抗風(fēng)蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)PAM噴施過的土表的起動(dòng)風(fēng)速顯著高于只噴施清水的處理；劉東等[23]進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了凈風(fēng)和挾沙風(fēng)在不同地面坡度、不同地表風(fēng)速下，分別噴施0.1、0.2、2、4、6 g/m2劑量的PAM對(duì)土壤風(fēng)蝕的作用，研究發(fā)現(xiàn)，PAM能有效地改善土表結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)地表土粒的穩(wěn)定，較顯著地提高了土壤抗風(fēng)蝕的能力，而且較高劑量的PAM可以使土壤在較高坡度和挾沙風(fēng)速條件下均不產(chǎn)生風(fēng)蝕；和繼軍等[24]將劑量為2、4 g/m2的PAM按照一定比例溶于水后摻在土壤中，使用室內(nèi)風(fēng)洞研究PAM對(duì)土壤抗風(fēng)蝕的效果，表明在不同的情況下，拌施PAM對(duì)土壤的抗風(fēng)蝕能力均產(chǎn)生了積極的作用；馮筱等[25]采用室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同凈風(fēng)、挾沙風(fēng)風(fēng)速和沙面坡度條件下3種不同噴灑濃度的醋酸乙烯酯類固沙劑對(duì)土壤風(fēng)蝕控制效果，結(jié)果表明經(jīng)3種固沙劑處理的土壤均具有較好的抗風(fēng)蝕能力。

目前，化學(xué)固沙、土材料雖然種類很多，使用效果均很顯著[26]，但多數(shù)固沙、土材料的應(yīng)用是以風(fēng)蝕為主風(fēng)蝕區(qū)的沙土以及松散沙為研究對(duì)象，采用化學(xué)固沙技術(shù)措施防治黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)風(fēng)積沙及沙黃土風(fēng)蝕研究較少。此外，大多數(shù)固沙材料在研究過程中以單個(gè)固沙、土材料進(jìn)行，有的也只是在過去的材料中加以改進(jìn)，使用過程中僅考慮到效果而未注意到實(shí)用及合理性[27]，仍存在很多問題，大多數(shù)推廣應(yīng)用均受到限制[28]，更多更有效的防治風(fēng)蝕的高分子化學(xué)材料還有待于進(jìn)一步開發(fā)。因此，本研究的目的在于以黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的風(fēng)積沙和沙黃土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，研究由PAM、陽離子羥丙基多糖（cationic hydroxypropyl quito sugar，Jag C162）、羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）及羥丙基化多糖（hydroxypropyl polysaccharide，HP-120）對(duì)沙黃土及風(fēng)積沙風(fēng)蝕以及表層固結(jié)層硬度的調(diào)控效應(yīng)，為黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶風(fēng)積沙及沙黃土風(fēng)蝕的治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞

風(fēng)洞試驗(yàn)是在中科院水利部水土保持研究所的室內(nèi)風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞全長(zhǎng)24 m，主要由風(fēng)機(jī)段、調(diào)風(fēng)段、整流段、試驗(yàn)段、集沙段和導(dǎo)流段等6部分組成，風(fēng)速在0～16 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，如圖1所示。經(jīng)測(cè)試該風(fēng)洞截面風(fēng)速均勻性良好，截面任一點(diǎn)氣流速度與氣流平均速度的相對(duì)誤差小于0.25%[29]。

圖1 試驗(yàn)風(fēng)洞Fig.1 Wind tunnel for experiment

風(fēng)速采用衡欣AZ-8902智能風(fēng)速儀（AZ Instrument Corp.）進(jìn)行測(cè)量，其基本量程0.6～35 m/s，精度±0.2 m/s，其由風(fēng)速感應(yīng)器，專用電線及讀數(shù)儀器組成。試驗(yàn)前，將3個(gè)風(fēng)速儀分別安裝在風(fēng)洞中心距離試驗(yàn)段為0.2 m，離風(fēng)洞底面的高度分別是0.2、0.5及0.8 m的3個(gè)固定點(diǎn)上，用于測(cè)取截面不同高度上的風(fēng)速值。試驗(yàn)前，對(duì)不同頻率下的風(fēng)速進(jìn)行率定，試驗(yàn)時(shí)，將風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整到與試驗(yàn)風(fēng)速相對(duì)應(yīng)的頻率，用風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，如不相符調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率至相符。

1.2 供試材料

試驗(yàn)所用高分子化學(xué)材料均由羅地亞公司開發(fā)的天然高分子多肽衍生物及其他高分子化合物，分別為PAM、Jag C162、CMC及HP-120。其中Jag C162，HP-120為多糖類新型高分子化學(xué)材料。現(xiàn)有試驗(yàn)表明其對(duì)生物物種沒有不利影響和刺激性，在土壤中能夠促進(jìn)部分有益菌落的形成，是綠色化學(xué)品[30]，極易分散在水中形成膠體狀。

本研究中沙地風(fēng)蝕及土壤風(fēng)蝕分別以黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)風(fēng)積沙及沙黃土為對(duì)象。2種土壤均取自黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的陜西省神木縣六道溝流域，其機(jī)械組成見表1。按照美國制土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，黏粒、粉粒、極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒、中砂粒、粗砂粒、極粗砂粒粒徑分別為<0.002、0.002～<0.05、0.05～<0.1、0.1～<0.25、0.25～<0.5、0.5～<1、1～<2 mm。風(fēng)積沙主要由砂粒組成，粉粒和黏粒含量很少，沙黃土雖然也以砂粒為主，但含有相當(dāng)一部分的粉粒和黏粒。試驗(yàn)前將2種試驗(yàn)材料自然風(fēng)干后過2 mm的篩，篩除植物根系及小石子等物質(zhì)，備用。

表1 試驗(yàn)材料顆粒機(jī)械組成Table1 Mechanical composition of test materials %

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制作

4種化學(xué)材料皆為噴施，對(duì)照（CK）為噴施等量清水。施放劑量皆為3個(gè)等級(jí)：0.4、0.6、1.2 g/m2。試驗(yàn)前，將制備好的風(fēng)積沙和沙黃土以疏松自然狀態(tài)裝入98 cm（寬）×126 cm（長(zhǎng)）×5 cm（深）鋼制土槽中，刮平表面，減少表面粗糙率對(duì)風(fēng)蝕產(chǎn)生的干擾，如圖2。土槽中風(fēng)積沙和沙黃土容重分別為1.36和1.29 g/m3；風(fēng)干含水率分別為0.21%和0.25%。分別將PAM、Jag C162、CMC及HP-120按試驗(yàn)設(shè)計(jì)溶于800 mL蒸餾水中，用塑料管充分?jǐn)嚢杓s30 min，使其形成穩(wěn)定膠體，然后用霧化較好的噴壺將不同濃度的高分子化學(xué)材料溶液均勻噴灑于風(fēng)積沙和沙黃土表面供試，同時(shí)將等量清水（800 mL）均勻噴灑于沙黃土和風(fēng)積沙表面作為對(duì)照供試。噴施化學(xué)材料和清水后的供試土槽均在室內(nèi)自然風(fēng)干，根據(jù)天氣環(huán)境條件不同至少風(fēng)干7 d，含水率均控制在0.32%～0.56%，即開始試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)土槽Fig.2 Experimental soil tank

1.3.2 試驗(yàn)步驟

各處理6個(gè)試樣，3個(gè)用于測(cè)定表面固結(jié)層硬度，另3個(gè)用于吹蝕試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。在土槽表面均勻選取6個(gè)點(diǎn)，用硬度儀測(cè)定土槽表面固結(jié)層硬度，取其均值。吹蝕試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)是將預(yù)先制備好的土槽試樣稱質(zhì)量并記錄吹蝕前的質(zhì)量后慢慢推入風(fēng)洞試驗(yàn)段的風(fēng)道中，在推入試驗(yàn)土槽的過程中盡量保證土槽表面不產(chǎn)生裂縫，保證表面的完整性，減少試驗(yàn)誤差，然后調(diào)整土槽高度使其表面與風(fēng)道底部齊平，風(fēng)洞密封后將風(fēng)機(jī)頻率一次性調(diào)到其所對(duì)應(yīng)的頻率48 Hz，再用風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，如不相符，則上下調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率至14 m/s，吹蝕20 min后將土槽試樣取出稱質(zhì)量記錄吹蝕后的質(zhì)量。

試驗(yàn)吹蝕前后土槽內(nèi)試樣質(zhì)量之差即為風(fēng)蝕量，kg。風(fēng)蝕率為風(fēng)蝕量除以吹蝕時(shí)間與吹蝕面積的乘積，kg/(m2·h)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Sigmaplot和SPSS軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料及其劑量對(duì)沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕率的影響

不同高分子化學(xué)材料及其劑量對(duì)沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕率的影響見圖3。與CK相比，噴施高分子聚合物可顯著降低沙黃土的風(fēng)蝕率（圖3a）。對(duì)于同種高分子聚合物，均表現(xiàn)為噴施劑量越大風(fēng)蝕率降低程度越顯著（P< 0.05），其中以劑量從0.4 g/m2增大到0.6 g/m2的風(fēng)蝕率變化最明顯（HP-120除外）。對(duì)比4種高分子聚合物在相同劑量下防治沙黃土風(fēng)蝕的效果可以看出，在0.4 g/m2劑量下，4種高聚物處理下的風(fēng)蝕率差異均顯著（P<0.05）。與其他材料相比，噴施HP-120的沙黃土風(fēng)蝕率僅為1.36 kg/（m2·h），防治風(fēng)蝕的效果最顯著；0.6和1.2 g/m2劑量下，噴施PAM防治沙黃土風(fēng)蝕的效果最好，其風(fēng)蝕率分別降低到0.32及0.18 kg/（m2·h）。由此可見，在相同條件下，經(jīng)PAM、Jag C162、CMC及HP-120處理后的沙黃土表面均能不同程度地對(duì)沙黃土風(fēng)蝕起到控制作用，這與陳渠昌等[1]利用PAM進(jìn)行防擾動(dòng)沙土風(fēng)蝕試驗(yàn)得出的結(jié)論一致，但在防治沙黃土風(fēng)蝕的過程中，當(dāng)噴施劑量不高于0.4 g/m2時(shí)，4種高分子聚合物防治風(fēng)蝕的效果較差，當(dāng)噴施劑量不小于0.6 g/m2時(shí)，4種高分子聚合物均能較好地防治風(fēng)蝕，尤其PAM防治沙黃土風(fēng)蝕效果最好。

由圖3b可知，在14 m/s風(fēng)速下，與CK相比，噴施不同劑量的PAM、Jag C162、CMC及HP-120于風(fēng)積沙表面均可以顯著地控制風(fēng)積沙的風(fēng)蝕作用（P<0.05），且使用劑量越大風(fēng)蝕率越小。相同種類不同劑量的高分子聚合物噴施后的固沙試樣其抗風(fēng)蝕性能不同。在14 m/s的大風(fēng)吹蝕20 min后，對(duì)照表面出現(xiàn)裂紋且破壞較明顯，其風(fēng)蝕率高達(dá)6.33 kg/(m2·h)，噴施0.4 g/m2PAM、Jag C162、CMC及HP-120的沙盤表面沙粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，有吹蝕現(xiàn)象發(fā)生，其僅在PAM作用時(shí)風(fēng)蝕率較大，在Jag C162、CMC及HP-120作用時(shí)，風(fēng)積沙表面未發(fā)生風(fēng)蝕或僅有少量風(fēng)蝕出現(xiàn)。當(dāng)劑量均增大到1.2 g/m2時(shí)，沙盤表面基本沒有變化，其風(fēng)蝕率最大僅為0.18 kg/（m2·h）?？梢?，當(dāng)4種高分子聚合物使用劑量達(dá)到1.2 g/m2時(shí)，風(fēng)積沙表面所具有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可以抵御14 m/s的大風(fēng)歷時(shí)20 min的吹蝕而幾乎不發(fā)生風(fēng)蝕。其中CMC抵抗風(fēng)積沙表面風(fēng)蝕的效果高于其他3種，其在經(jīng)歷20 min大風(fēng)的吹蝕下僅發(fā)生輕微的風(fēng)蝕，可見其對(duì)風(fēng)積沙具有較強(qiáng)的固定作用，而PAM防治風(fēng)積沙風(fēng)蝕的效果相對(duì)較差。

圖3 不同劑量和材料對(duì)沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕率的影響Fig.3 Effects of different chemical materials with different doses on wind erosion rates of sandy loess and drift-sand

無論對(duì)沙黃土還是風(fēng)積沙，當(dāng)噴施劑量≤0.4 g/m2的4種高分子材料劑量時(shí)，均經(jīng)受不住風(fēng)的吹打；但噴施劑量≥1.2 g/m2時(shí)，均能夠經(jīng)受14 m/s風(fēng)速的大風(fēng)吹打20 min發(fā)生輕微風(fēng)蝕或不發(fā)生風(fēng)蝕，表現(xiàn)出良好的防風(fēng)沙流侵蝕的性能。由此可見，松散沙黃土和風(fēng)積沙表面噴施PAM、Jag C162、CMC及HP-120高分子化學(xué)材料可極大提高松散沙黃土和風(fēng)積沙的抗風(fēng)蝕性能。

相比于CK，噴施PAM、Jag C162、CMC及HP-120于沙黃土表面平均風(fēng)蝕率分別降低了65.47%、51.78%、62.34%及50.29%（P<0.05），于風(fēng)積沙平均風(fēng)蝕率分別降低了62.52%、92.58%、98.45%及92.88%（P<0.05）。由此可見，在防治沙黃土風(fēng)蝕上，高分子化學(xué)材料PAM表現(xiàn)出了較顯著的效果，這與和繼軍等[24]的研究結(jié)果一致；在防治風(fēng)積沙風(fēng)蝕上，CMC防治風(fēng)積沙風(fēng)蝕效果最好，其次為HP-120和Jag C162。

2.2 材料及其劑量對(duì)沙黃土及風(fēng)積沙表面固結(jié)層硬度的影響

沙黃土和風(fēng)積沙因本身的物理化學(xué)性質(zhì)不同，在噴施高分子化學(xué)材料后產(chǎn)生的固結(jié)層硬度在一定程度上也不同。將3種劑量4種高分子聚合物處理下的沙黃土和風(fēng)積沙表面固結(jié)層硬度列于表2。

表2 噴施高分子材料后沙黃土和風(fēng)積沙固結(jié)層硬度Table2 Consolidation layer hardness of drift-sand and sandy loess after spraying chemical materials

由表2可知，與CK相比，在沙黃土表面噴施4種高分子聚合物均能不同程度地增加固結(jié)層硬度（0.4 g/m2Jag C162除外）。噴施PAM及Jag C162的沙黃土表面固結(jié)層硬度各劑量之間差異顯著（P<0.05），均表現(xiàn)為噴施劑量越大硬度越大。噴施劑量為0.4 g/m2時(shí)，固結(jié)層的硬度在大部分材料下不顯著（P>0.05），噴施劑量為0.6 g/m2時(shí)，PAM及CMC處理下的固結(jié)層硬度差異顯著（P<0.05），噴施劑量為1.2 g/m2時(shí)，固結(jié)層硬度在各個(gè)材料處理下均顯著（P<0.05），其大小依次為PAM≈CMC>Jag C162> HP-120。

表2表明，在風(fēng)積沙表面噴施各劑量的4種高分子聚合物均能顯著增加固結(jié)層的硬度（P<0.05）。同種材料不同劑量下，除噴施0.6和1.2 g/m2Jag C162表面固結(jié)層硬度間差異不顯著（P>0.05），其他均表現(xiàn)為噴施劑量越大硬度越大（P<0.05）。噴施劑量為0.4 g/m2時(shí)，固結(jié)層的硬度在PAM及HP-120處理間差異不顯著（P>0.05），在Jag C162及CMC處理間差異顯著（P<0.05），噴施劑量為0.6 g/m2時(shí)，在Jag C162及HP-120處理間差異不顯著（P>0.05），噴施劑量為1.2 g/m2時(shí)，PAM及Jag C162處理間差異顯著（P<0.05）。

對(duì)比4種高分子材料對(duì)沙黃土及風(fēng)積沙表面固結(jié)層硬度的影響可知，噴施在沙黃土表面固結(jié)層硬度相對(duì)CK提高的百分率以噴施PAM時(shí)最高，達(dá)到了356%；而對(duì)于風(fēng)積沙以噴施CMC時(shí)最高，達(dá)到了746.15%?？傮w來看，4種高分子聚合物對(duì)增加沙黃土和風(fēng)積沙表面固結(jié)層硬度均有積極的效果，其中PAM對(duì)提高沙黃土表面固結(jié)層硬度效果較好，其他3種在提高風(fēng)積沙固結(jié)層硬度上效果較好，CMC效果最佳。

3 討 論

中國西北地區(qū)由于缺乏水分和大風(fēng)頻發(fā)極易發(fā)生降低土壤養(yǎng)分，劣化土壤結(jié)構(gòu)，加快土壤荒漠化速度的風(fēng)蝕[27]，因此對(duì)土地荒漠化的治理成為各國學(xué)者要研究的重要問題。在大風(fēng)發(fā)生時(shí)，由于缺乏水分以及地表覆蓋，尤其在黃土高原北部風(fēng)蝕嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的松散擾動(dòng)、可蝕性較強(qiáng)的沙黃土和風(fēng)積沙表面，風(fēng)蝕程度更加劇烈，使得土地條件越來越惡劣，逐漸失去其使用價(jià)值，這種現(xiàn)象在風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)尤為明顯[29]。在風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，噴施不同劑量不同種類的高分子化學(xué)材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120均能增大沙黃土和風(fēng)積沙的抗風(fēng)蝕能力，減輕風(fēng)蝕發(fā)生程度，且使用劑量越大效果越好。

在觀察噴施高分子化學(xué)材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120的沙黃土和風(fēng)積沙地表破壞過程中，筆者發(fā)現(xiàn)試樣在14 m/s的大風(fēng)作用下的破壞過程一般是經(jīng)過大風(fēng)對(duì)試樣前段表面不斷地吹蝕破壞，前段試樣表面被破壞后，大風(fēng)攜帶著前段吹起的風(fēng)蝕物，即風(fēng)沙流對(duì)后段的地表固結(jié)層產(chǎn)生更大的破壞，經(jīng)過風(fēng)沙流的磨蝕，試樣表面形成的固結(jié)層被不斷磨損變薄，再經(jīng)過一段時(shí)間的吹蝕和風(fēng)沙流的打擊，固結(jié)層被擊穿破壞，沙粒及土粒從破壞處逸出，開始產(chǎn)生風(fēng)蝕；再經(jīng)過短暫的時(shí)間，由于沙粒及土粒逸出從而在沙粒及土粒逸出處表面下方被鏤空，導(dǎo)致本已薄如濾紙的表面固結(jié)層徹底破壞，試樣失去保護(hù)，如同未經(jīng)處理的試樣一樣開始產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)蝕，這與前人研究的結(jié)果一致[1]。

化學(xué)固沙、固土措施可在沙、土表面形成一層具有一定結(jié)構(gòu)和硬度的固結(jié)層，既能夠防止風(fēng)力吹蝕，又可保持下層水分，以達(dá)到控制風(fēng)蝕和改善風(fēng)蝕風(fēng)沙沙害環(huán)境的目的。固結(jié)層的硬度是反映高分子化學(xué)材料固沙能力大小的指標(biāo)之一[30]。根據(jù)本試驗(yàn)施用PAM、Jag C162、CMC以及HP-120試樣表面風(fēng)蝕過程觀察可知，在松散沙黃土及風(fēng)積沙表面噴施不同劑量的PAM、Jag C162、CMC及HP-120后，對(duì)于松散土粒來說，相鄰?fù)亮Ｖg的孔隙較大且彼此互相獨(dú)立，土粒間黏度極低，易被風(fēng)蝕，而施放的化學(xué)材料都具有黏結(jié)性，當(dāng)其噴施至沙黃土和風(fēng)積沙表面時(shí)，液滴滲入土?；蛏沉Ｖg的間隙，并將相鄰?fù)亮；蛏沉Ｄz結(jié)起來，土?；蛏沉Ｖg的內(nèi)聚力增大，在沙黃土和風(fēng)積沙表層形成一層相比于對(duì)照來說更加致密，硬度較高的固結(jié)層，固結(jié)層的形成，對(duì)固結(jié)層下部的松散沙黃土和風(fēng)積沙起到極好的保護(hù)作用，不僅使試樣前段破壞后產(chǎn)生的風(fēng)蝕物少產(chǎn)生含沙量較少的風(fēng)沙流，減輕其對(duì)試樣后段的磨蝕作用，而且也增強(qiáng)了試樣表面整體的穩(wěn)定性，從而減少風(fēng)蝕率。

從本研究結(jié)果可以看出，與對(duì)照相比，4種化學(xué)材料通過提高沙黃土和風(fēng)積沙表面固結(jié)層的硬度顯著降低沙黃土和風(fēng)積沙的風(fēng)蝕率（P<0.05）。PAM對(duì)提高沙黃土表面結(jié)皮硬度效果較好，其相應(yīng)的降低沙黃土風(fēng)蝕率效果也最好；Jag C162、CMC、HP-120對(duì)提高風(fēng)積沙結(jié)皮硬度上效果較好，其中CMC效果最顯著，在降低風(fēng)蝕率上也表現(xiàn)出一致的。

在本研究所用的4種高分子化學(xué)固沙材料，其中有關(guān)PAM對(duì)防治風(fēng)蝕的研究在國內(nèi)外已經(jīng)很廣泛，本試驗(yàn)所得PAM可以防止沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕的試驗(yàn)研究結(jié)果和前人研究的一致[1]。另外3種新型的固沙材料在各劑量條件也能減輕沙黃土和風(fēng)積沙的風(fēng)蝕程度，由此可見，在未來固沙技術(shù)的研究上，Jag C162、CMC及HP-120將值得深度探討。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，PAM對(duì)沙黃土防治風(fēng)蝕的效果要好于風(fēng)積沙，而其他3種新型固沙材料防治沙黃土風(fēng)蝕的效果比風(fēng)積沙差，對(duì)于這一結(jié)果的解釋可能是相對(duì)于風(fēng)積沙來說，沙黃土中含有少量的黏粒，PAM溶液更容易使這些黏粒粘結(jié)成穩(wěn)定的土塊和土粒，大風(fēng)條件下不易被風(fēng)吹動(dòng)，所以PAM對(duì)沙黃土的抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)于風(fēng)積沙的抗風(fēng)蝕能力。試驗(yàn)中筆者觀察到，噴施Jag C162、CMC及HP-120化學(xué)材料于沙黃土和風(fēng)積沙的表面可以形成結(jié)皮，但在風(fēng)積沙表面形成的結(jié)皮硬度很明顯高于沙黃土表面，另外，由于高分子化學(xué)材料是透明的膠狀物，它更容易將沙粒粘結(jié)起來形成表面相對(duì)光滑的穩(wěn)定坡面，使得高速氣流對(duì)其表面的影響減弱，結(jié)皮下部土層受到良好的保護(hù)而不易被風(fēng)吹蝕，這2種效果的作用要強(qiáng)于單純地粘結(jié)沙黃土土粒作用。因此，在其他條件相同時(shí)，4種化學(xué)材料中，CMC防治松散擾動(dòng)風(fēng)積沙的風(fēng)蝕效果最好，而PAM對(duì)于防治松散沙黃土風(fēng)蝕的總體效果最佳因此，在風(fēng)蝕嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶，利用PAM、Jag C162、CMC及HP-120提高沙黃土和風(fēng)積沙表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)抗風(fēng)蝕能力時(shí)，應(yīng)考慮地區(qū)的土壤質(zhì)地，對(duì)于沙質(zhì)化比較嚴(yán)重的地區(qū)，可以考慮使用高分子化學(xué)材料Jag C162、CMC及HP-120，而對(duì)于含有一定黏粒和粉粒的土壤，由于PAM粘結(jié)粉粒和黏粒效果更好，采用PAM將會(huì)收到更好的效果。

根據(jù)本試驗(yàn)的研究結(jié)果可知，在采用效果較好的PAM與CMC分別防治黃土高原北部風(fēng)蝕嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶松散沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕時(shí)，只需將高分子化學(xué)材料的使用劑量控制在1.2 g/m2時(shí)，則幾乎可以抵御風(fēng)速14 m/s的大風(fēng)，歷時(shí)20 min的吹蝕而不產(chǎn)生風(fēng)蝕。根據(jù)市面調(diào)查可知，PAM根據(jù)分子量不同，售價(jià)為5.0～20元/kg，CMC的售價(jià)為2.9～25元/kg。若使用劑量

1.2 g/m2，經(jīng)濟(jì)成本最高分別為240和300 元/hm2?？傮w來說，經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低。綜上，PAM及CMC在防治黃土高原北部風(fēng)蝕嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶松散沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。然而，本文基于室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)論有待于在野外進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)，研究在同一風(fēng)速條件下，不同劑量（0（噴清水為對(duì)照）、0.4、0.6及1.2 g/m2）的4種高分子化學(xué)材料聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）、陽離子羥丙基多糖（cationic hydroxypropyl quito sugar，Jag C162）、羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）及羥丙基化多糖（hydroxypropyl polysaccharide，HP-120）防治黃土高原北部風(fēng)蝕嚴(yán)重的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶擾動(dòng)松散沙黃土和風(fēng)積沙風(fēng)蝕的效果，研究結(jié)果如下：

1）PAM、Jag C162、CMC及HP-120均能增強(qiáng)地表固結(jié)層的硬度，提高沙黃土顆粒及沙粒的穩(wěn)定性，極大地提高松散沙黃土及沙的抗風(fēng)蝕性能。

2）在相同噴施劑量下，4種高分子化學(xué)材料防風(fēng)蝕效果不同?？傮w而言，PAM防治沙黃土風(fēng)蝕的效果最好，而CMC防治風(fēng)積沙風(fēng)蝕的效果最佳。對(duì)于松散沙黃土而言，在劑量為0.4 g/m2時(shí)，噴施HP-120降低風(fēng)蝕率的效果最好，在劑量為0.6及1.2 g/m2時(shí)，PAM降低風(fēng)蝕率的效果最好。對(duì)于松散風(fēng)積沙而言，劑量為1.2 g/m2時(shí)，固積層硬度為CMC≈PAM＞Jag C162＞HP-120。

3）使用4種高分子化學(xué)材料防治風(fēng)積沙和沙黃土風(fēng)蝕時(shí)，只需將其使用劑量控制在1.2 g/m2時(shí)，則幾乎可以抵御風(fēng)速14 m/s的大風(fēng)，歷時(shí)20 min的吹蝕而不產(chǎn)生風(fēng)蝕。CMC可在風(fēng)沙流較為嚴(yán)重的地區(qū)推廣應(yīng)用，PAM適宜在荒漠化較輕的地區(qū)應(yīng)用。

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Wind tunnel experiment on polypeptide derivatives in controlling wind erosion

Li Yuanyuan1, Wang Zhanli1,2※
(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

The utilization of macromolecular polymers that can improve soil structure to fix sand is one of important measures for controlling soil wind erosion. Indoor wind tunnel experiments were conducted to study the effect of macromolecular polymers and polypeptide derivatives on wind erosion control in drift-sand and sandy loess. The soils used in this study were collected from the wind-water erosion crisscross region on the Loess Plateau. Four macromolecular polymers or polypeptide derivatives were used and they were polyacrylamide (PAM), cationic hydroxypropyl quito sugar (Jag C162), carboxymethyl cellulose (CMC) and hydroxypropyl polysaccharide (HP-120). The application doses of the polymers were 0 (CK), 0.4, 0.6 and 1.2 g/m2. All the tests were repeated for 3 times. The wind tunnel had a length in 24 m. The wind speed could be adjusted in a range of 0-16 m/s. The wind speed was measured by using an AZ-8902 Anemobiagraph with a range of 0.6-35 m/s. The soil tank had the width of 98 cm, the length of 126 cm and the depth of 5 cm. The soil density of the drift-sand and sandy loess was 1.36 and 1.29 g/cm3, respectively. The water content of air-dried sandy loess and drift-sand was 0.25% and 0.21%, respectively. During the experiment, the wind speed was adjusted to 14 m/s for 20 min. The wind erosion rate was calculated and the consolidation layer hardness was determined. The results showed that all the materials with different doses could significantly reduce wind erosion rate (P<0.05) on the disturbed drift-sand and sandy loess surface. Compared with the others, PAM was the best in decreasing wind erosion rate on the surface of sandy loess. Averagely, PAM, Jag C162, CMC and HP-120 on the surface of sandy loess could decrease the wind erosion rate by 65.47%, 51.78%, 62.34% and 50.29% (P<0.05), respectively; On the surface of drift-sand, PAM, Jag C162, CMC and HP-120 could decrease the wind erosion rate by 62.56%, 92.58%, 98.45% and 92.88% (P<0.05), respectively. The CMC had the best effect in reducing wind erosion rate on the surface of drift-sand among the polymers. Compared with the CK, the polymers could increase the consolidation layer hardness of the sandy loess significantly except for the 0.4 g/m2Jag C162 treatment. For the most treatments, the hardness increased with application doses. At the application dose of 1.2 g/m2, the hardness was the highest after spraying PAM and the least after spraying HP-120 on the surface of sandy loess. Compared with the CK, the hardness could be increased by 356% using the PAM. On the drift-sand, the CMC had the best effect in increasing consolidation layer hardness and the hardness could be increased by 746.15% using the CMC. Overall, the PAM had the best effect in decreasing wind erosion rate and increasing hardness on the surface of sandy loess while the CMC was the best for the drift-sand. At the application dose of 1.2 g/m2, all the polymers showed good wind erosion control capacity to resist against 14 m/s wind for 20 min with little wind erosion.

wind tunnels; polypeptides; hardness; wind erosion control; polyacrylamide; carboxymethyl cellulose; Jag C162; HP-120

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022

U216.41+3

A

1002-6819(2017)-05-0149-07

李元元，王占禮. 高分子多肽衍生物防治風(fēng)蝕的風(fēng)洞試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：149－155.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022 http://www.tcsae.org

Li Yuanyuan, Wang Zhanli. Wind tunnel experiment on polypeptide derivatives in controlling wind erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 149－155. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022 http://www.tcsae.org

2016-07-04

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471230、41601282）；陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016JQ4020）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0402401）；黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（A314021403-C2）。作者簡(jiǎn)介：李元元，女，安徽蚌埠市人，博士生，主要從事土壤侵蝕研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。

Email：836434985@qq.com

※通信作者：王占禮，男，陜西榆林市人，博士，研究員，主要從事土壤侵蝕過程及預(yù)報(bào)模型研究。楊凌 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100。Email：zwang@nwsuaf. edu.cn