Jag C162對黃土坡面降雨入滲的調控效應研究

焦 念， 王占禮， 劉俊娥

(1.西北農林科技大學 資源環境學院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

中國是世界水土流失最為嚴重的國家之一。據第3次全國土壤侵蝕普查資料，中國每年土壤流失量約5.0×1010t[1]。大量的水土流失已經對生態環境和經濟可持續發展造成了嚴重的威脅，尤其是在黃土高原地區，嚴重的水土流失使大部分土地退化，植被破壞，泥沙、洪水災害加劇，水利設施功能減低乃至喪失、損毀等[2]，嚴重制約了當地經濟的發展和人民生活水平的提高。影響黃土高原水土流失的因子主要有降雨、地形、土壤質地、降雨入滲、抗蝕性、抗沖性等，其中，降雨入滲是影響降雨產流規律最重要的過程之一，是模擬土壤侵蝕過程的基本輸入變量，也是實施水土保持規劃需要認真考慮的重要因素。許多學者將增加入滲、就地攔蓄降雨徑流作為防治水土流失的基本戰略措施[3-4]。所以，提高降雨入滲是減少水土流失必不可少的一部分。防治水土流失的傳統技術主要有生物措施和工程措施，近年來興起一類非傳統的化學措施，即在土壤中添加高分子化合物，利用其改善土壤結構以達到調控水、土和減少侵蝕的目的。化學措施具有見效快、成本低的特點，特別是對防治無植被或少植被覆蓋裸土的水蝕與減小徑流具有重要價值。高分子化合物應用于調節土壤結構始于20世紀50年代，其中聚丙烯酰胺(PAM)應用最為廣泛，保持水土的效果也相當明顯。大量研究表明，應用PAM作為一種土壤結構改良劑或穩定劑，可以增加土壤表層顆粒間凝聚力，維持良好的土壤結構，防止土壤結皮，增加降雨入滲[5]，減少地表徑流，防止土壤流失[6]。因此將PAM用于土壤提高入滲率具有十分重要的意義。

有關施放PAM可以增加降雨入滲，國內外的學者做了大量的研究。大量的室內試驗和大田試驗表明在土壤表面施用PAM可以保持土壤較高的入滲率[7-10]。Onofiok等[11]的試驗表明，PAM可改善土壤表層結構，抑制土壤封閉和結皮形成，改善土壤滲透性能，增加降雨入滲。Ben—Hur等[12]通過室內模擬降雨研究表明在土層上噴施PAM可以大大地提高降雨入滲。Lentz[13]和Levy等[14]的模擬噴灌試驗表明濃度1.00×10-5的PAM灌入水中，最終入滲量增加30%～70%。Green 等[15]根據試驗分析，認為不同分子量的PAM對不同質地的土壤均有很好的效果，提高滲透率3～5倍。唐澤軍等[16]通過人工降雨模擬試驗研究PAM對入滲能力的響應，結果表明，PAM能顯著地增加降水入滲量，而且隨PAM施放量的增加，累積降水入滲量也增加。陳渠昌等[17]的試驗研究表明，PAM用量0.5 g/m2時，可以提高降雨入滲。于健等[18]研究不同PAM施用方法對降雨入滲的影響得出，無論什么施放方法和PAM的不同形態均能夠顯著增加降雨入滲，最大可增加2.8倍。趙偉等[19]通過上方供水方式模擬降雨徑流，研究PAM對黃土坡面水分入滲的試驗表明，在放水沖刷試驗前期不同用量PAM均能增加水分入滲。于海龍等[20]的試驗表明PAM混入土壤中可明顯增加降雨入滲，可提高穩定入滲率1.8～2.7倍。

由以上的研究可見，PAM可很大程度地提高降雨入滲，減少地表徑流，從而為減少水土流失奠定基礎。PAM作為土壤結構改良劑在增加降雨入滲中，雖然得到了廣泛的應用，效果也是可觀的，但隨著社會的發展，研發新的化學材料，尋找不同化學材料調控水、土的不同作用，以滿足不同的水、土調控需求，更好地發揮化學材料保持水土的多功能效應，已成為一些水土保持工作者及化工企業的研究課題。

本文通過人工模擬降雨試驗，對羅亞公司新開發的化學材料Jag C162對黃土坡面降雨入滲的調控效應進行研究，分析施放不同劑量Jag C162的土壤相對于裸土的入滲動態變化過程，探討Jag C162的強化入滲效應，為黃土坡面水土流失治理及其措施選擇提供科學依據。

1 材料與方法

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行。試驗土壤取自黃土高原的陜西省安塞縣，土壤類型為黃綿土，土壤顆粒組成見表1。試驗前期土壤容重均為1.2 g/cm3，前期含水量均為14%。

表1 試驗土壤機械組成

試驗設備為變坡鋼質小區，長120 cm，寬40 cm，深25 cm。所有試驗土壤自然風干并過5 mm篩，除去雜草和石塊。裸土小區裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細沙，鋪上透水紗布，保持土層的透水狀況接近天然坡面。為保證裝土的均勻性，試驗小區采用分層裝土。填土時，采用邊填充邊壓實，以減小邊壁對入滲和產流產沙過程及坡面侵蝕微形態發育等的影響，并使下墊面土壤條件的變異性達到最小，保證試驗土壤容重達到設計要求。填土后，用刮板將表面刮平整。試驗所用化學材料為一種多肽衍生物，此處簡稱為Jag C162，該產品呈黃白色粉末狀，遇水形成膠體。

Jag C162的施放方式為干撒施，按試驗裸土小區裝土的方法將土裝好，然后取相當于2 mm厚的過篩干土壤，將其與Jag C162混合，攪拌均勻，然后分為10份均勻地撒在裸土小區相應的10段表面上，用刮板將其刮平整，靜置一段時間后在其表面均勻地噴撒2 L水，使其與下層土壤很好的融合，將其放置15 h即可試驗。

試驗設計：雨強1.5 mm/min，試驗坡度10°，15°，20°，土壤表面處理為裸土和撒施Jag C162 劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗12場；坡度15°，雨強1.0，1.5，2.0 mm/min ，土壤表面處理為裸土和撒施Jag C162 劑量為1，3，5 g/m2的組合試驗12場；各場試驗重復1次，共進行試驗40場。試驗開始后，出現產流后在小區的出口接樣，產流后前3 min每隔1，2 min觀測1次，以后每隔3 min觀測1次，直到降雨結束。降雨歷時為40 min。降雨結束后，量取接樣渾水體積，并通過烘干稱重法測量、計算得到接樣中的泥沙體積，進而計算清水徑流量，最后按照水量平衡原理計算出降雨入滲量和入滲率。

2 結果與分析

2.1 撒施Jag C162對降雨入滲過程的影響

坡面降雨入滲的過程可分為3個階段： (1)初滲階段，此時的入滲能力大于降雨強度，全部降雨就地入滲，地表沒有產生徑流，入滲率則等于降雨強度； (2)入滲衰退階段，當表土已經飽和，地表開始積水，此時的入滲衰退，并隨含水量的增加而減少； (3)穩滲階段，此時入滲已經達到穩滲，基本保持穩定狀態。

2.1.1 不同降雨強度下撒施Jag C162對降雨入滲過程的影響 將同坡度(15°坡度)不同降雨強度下，裸土和撒施3種不同劑量Jag C162時段入滲率隨時間的變化點繪如圖1所示。

圖1 不同降雨強度下撒施Jag C162對入滲率隨降雨過程變化的影響

從圖1可以看出，在各降雨強度條件下，撒施不同劑量Jag C162后，入滲率都隨降雨時間的增加而逐漸減少。小劑量(1 g/m2)和中劑量(3 g/m2)下，隨時間的增加，入滲率減少的趨勢比較一致，而大劑量(5 g/m2)下，入滲率在降雨初始階段減少速率比較大，經過一段時間，減少速率逐漸變小。在同一降雨時間下，裸土和撒施不同劑量Jag C162的入滲率的大小為3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。圖1還可以看出，在不同降雨強度條件下，裸土的入滲曲線都顯示了一個大致相同的趨勢，產流形成后，在最初的短時間內，入滲率急劇減少，然后逐步地趨于穩定，最終入滲率很低。施放Jag C162的入滲率隨時間下降幅度比較平緩，產流時間相對滯后，其中撒施3 g/m2的土壤產流時間最長，其次為撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤產流所需時間最短。到降雨結束時，施放Jag C162的入滲過程基本都沒有達到穩定入滲階段，入滲率減小的雖然很平緩，但也沒有達到穩定入滲率。各降雨強度下，降雨30 min時裸土基本都到了穩滲階段，穩定入滲率為0.63～0.74 mm/min，而撒施Jag C162的入滲率都沒有達到穩定入滲率，但還是顯著地高于裸土，其平均入滲率分別增加了22.95%～49.92%，32.64%～75.96%和30.39%～75.84%。

對比圖1中不同降雨強度下的入滲率變化曲線得出，隨著雨強的增大，初始產流時間提前，裸土達到穩定時的入滲率和此時撒施Jag C162的平均入滲率相對有所增加。其原因可能是隨著雨強的增大，水體自身重力和雨滴打擊所產生的沖力的增加，不僅可以加速入滲水流的速率，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中[21]。

2.1.2 不同坡度下撒施Jag C162對降雨入滲過程的影響 同降雨強度(1.5 mm/min)不同坡度下，裸土和撒施3種不同劑量Jag C162的入滲曲線如圖2所示。

圖2 不同坡度下撒施Jag C162對入滲率隨降雨過程變化的影響

從圖2可以看出，在各坡度下，撒施不同劑量Jag C162后，入滲率都隨降雨時間的增加而逐漸減少。小劑量(1 g/m2)和中劑量(3 g/m2)下，隨時間的增加，入滲率減少的趨勢比較一致，而大劑量(5 g/m2)下，入滲率在剛開始降雨時減少速率比較大，經過一段時間，減少速率逐漸變小。在同一降雨時間下，裸土和撒施不同劑量Jag C162的入滲率的大小為3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。由圖2可見，在各坡度條件下，裸土的入滲曲線都顯示了一個大致相同的趨勢，產流形成后，在最初的短時間內，入滲率急劇減少，然后逐步地趨于穩定，最終入滲率很低，其中撒施3 g/m2的土壤的產流時間最長，其次為撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤的產流所需時間。到降雨結束時，施放Jag C162的入滲過程基本都沒有達到穩定入滲階段，較少情況下入滲率減小速率雖然很小，但也沒有達到穩定入滲率。各坡度下，在降雨30 min時，裸土基本都到了穩滲階段，穩定入滲率為0.71～0.75 mm/min，而撒施Jag C162的入滲率都沒有達到穩定入滲率，但還是顯著地高于裸土，其平均入滲率分別增加了13.70%～26.63%，41.21%～54.22%和34.53%～48.83%。

對比圖2中不同坡度下入滲率變化曲線可以得出，隨著坡度的增大，裸土達到穩定時的入滲率和此時撒施Jag C162的平均降雨入滲率都減小。造成這一現象的原因主要與坡面上水層的受壓情況有關。坡面上的水分入滲主要受大氣壓力和水層壓力的共同作用，隨著坡度的增大，水層沿水平方向的壓力增大，而垂直坡面的壓力減小。同時由于水體沿坡面移動，水分進入土壤的機會減少，從而導致入滲率減小。

由圖1—2可以看出，撒施Jag C162可增加降雨入滲，主要是由于Jag C162遇水可形成膠體，不但能有效地維護土壤團聚體的結構，而且能形成新的團聚體，增強了土壤結構的穩定性，有效地緩解了雨滴對土壤表面的打擊，增加了土壤總孔隙率和毛管孔隙度，提高了入滲性能，大大降低了地表流速，產流時間推遲，入滲時間增加，從而增加降雨入滲。其次，在土壤表面撒施一定的Jag C162可有效地減少土壤的封閉作用，抑制結皮的形成，從而增加降雨入滲，但撒施的劑量超過一定的范圍，反而會減少入滲率，不同雨強和不同坡度下撒施5 g/m2Jag C162的條件下入滲效果都較3 g/m2的條件下有所降低，究其原因可能是由于Jag C162加入過量，使過量的Jag C162隨水分進入到土壤顆粒的孔隙當中，降低了土壤孔隙度，一定程度上抑制了水分入滲過程。隨降雨過程的進行，雨滴不斷打擊，一方面使黏粒分散，堵塞土壤表層孔隙，另一方面使土壤顆粒緊密堆積，從而造成土壤封閉，形成土壤結皮，因而入滲率隨降雨時間逐漸降低。

2.2 撒施Jag C162對入滲的強化效應

2.2.1 不同降雨強度下撒施Jag C162對入滲的強化效應 降雨強度是影響入滲量的重要因素之一。

從圖3中可以看出，撒施Jag C162的降雨入滲量明顯高于裸土的入滲量，在不同劑量下，降雨入滲量隨雨強的增加而呈現遞增變化總趨勢，各劑量下的增加速率不一致。小劑量下，降雨入滲量隨雨強增大的增速相對平緩，中劑量和大劑量下降雨入滲量隨雨強增大的增速不一致，1.5 mm/min雨強為轉折點，在該點之前撒施3 g/m2Jag C162的土壤緩慢增大，降雨入滲量變化較小，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速比較大，超過該點，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量隨雨強的增大而快速增大，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速相比略有減小。從圖3中還可以看出，小雨強和大雨強下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量最大，中雨強下3種劑量的降雨入滲量基本一致，相差無幾。表2為不同降雨強度下撒施Jag C162的強化入滲效應。從表2中可以看出，在各雨強下，相對于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入滲的作用，其中撒施3 g/m2的入滲效應比較明顯，入滲量最大可增加56.70%。撒施1和5 g/m2Jag C162的入滲效應相比，在1.0 mm/min雨強下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入滲效應大于撒施5 g/m2Jag C162的土壤，在2.0 mm/min雨強下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入滲效應小于撒施5 g/m2Jag C162的土壤。

圖3 裸土和撒施不同劑量Jag C162下入滲量隨降雨強度的變化

2.2.2 不同坡度下撒施Jag C162對入滲的強化效應 圖4為裸土和撒施不同劑量Jag C162下降雨入滲量隨坡度變化關系。從圖4中可以看出，撒施Jag C162的降雨入滲量明顯高于裸土的入滲量，裸土的入滲量隨坡度的增大略微有所增加，沒有太大的變化，在撒施1和5 g/m2劑量Jag C162的土壤下，入滲量隨坡度的增加而呈現遞減變化趨勢，而且減少速率基本一致，比較平緩，撒施3 g/m2劑量Jag C162的降雨入滲量隨坡度先減少后增加。從圖4中還可以看出，小坡度和大坡度下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲量最大，中坡度下3種劑量的降雨入滲量基本一致，相差無幾。

表2 不同降雨強度下撒施Jag C162的強化入滲效應

表3為不同坡度下撒施Jag C162的強化入滲效應。從表3中可見，在各坡度下，相對于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入滲的作用，其中撒施3 g/m2Jag C162的入滲效應比較明顯，入滲量最大可增加42.46%。比較不同坡度下，由撒施不同劑量Jag C162的降雨入滲效應可以看出，大坡度下的入滲量增加的百分比均小于小坡度，表明隨著坡度的增大，撒施不同劑量的Jag C162的入滲效應呈現減小趨勢。

圖4裸土和撒施不同劑量JagC162下入滲量隨坡度的變化

表3 不同坡度下撒施Jag C162的強化入滲效應

3 結 論

(1)隨著降雨時間的增加，裸土和撒施Jag C162的降雨入滲率都減小，但裸土的入滲率減小速率大于撒施Jag C162的土壤。裸土經過一段時間后入滲達到穩定狀態，而撒施Jag C162的入滲率基本上都沒有達到穩定入滲率。裸土達到穩定時的平均入滲率小于此刻對應的撒施Jag C162的平均入滲率，撒施Jag C162的入滲率最多增加了75.96%。撒施Jag C162后，初始產流的時間也相應地推遲，撒施3 g/m2Jag C162的土壤的產流時間最長。

(2)同坡度不同雨強和同雨強不同坡度下，撒施Jag C162后，入滲率都有顯著的提高，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入滲效果比其他兩個好。隨著降雨強度增大，裸土的穩定入滲率和撒施3種不同劑量下的平均入滲率有增大的趨勢。隨著坡度的增加，裸土的穩定入滲率和撒施3種不同劑量下的平均入滲率逐漸減小。

(3)撒施Jag C162的入滲量明顯高于裸土的入滲量，在不同劑量下，入滲量隨雨強的增加而呈現遞增變化總趨勢，各劑量下的增加速率不一致；入滲量隨坡度的增加逐漸減小。

(4)撒施Jag C162對坡面降雨入滲有明顯的調控效應，可大幅度的增加入滲率，減少地表徑流和土壤侵蝕。

由試驗結果可以得出，撒施Jag C162可以提高降雨入滲率，增加降雨入滲量，具有很好的強化入滲效應。無論是同坡度不同雨強還是同雨強不同坡度條件下，撒施3 g/m2Jag C162的入滲率和入滲量增加量最多，最大可分別增加75.96%和56%，而且入滲效應也是最顯著的。這與許多學者研究高分子化合物(如PAM)對降雨入滲的影響的結果[16-19]基本一致。但是仍有一些學者的研究與之不同。陳渠昌等[17]研究認為當PAM用量達到3 g/m2，反而降低了降雨入滲速率。這可能與高分子化合物PAM和Jag C162的化學組成、性能有很大的關系，除此之外試驗土壤、試驗條件的不同也可能是造成試驗結果不同的原因。

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