高分子多肽衍生物防治風蝕的風洞試驗

李元元，王占禮※,2

高分子多肽衍生物防治風蝕的風洞試驗

李元元1，王占禮※1,2

（1. 西北農林科技大學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，楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

利用高分子化學材料改善地表結構進行化學固沙，是防治風蝕的重要措施之一。為尋找有效的高分子化學材料防治黃土高原北部水蝕風蝕交錯區風積沙及沙黃土風蝕，將不同劑量（0（噴清水為對照）、0.4、0.6及1.2 g/m2）的4種高分子化學材料聚丙烯酰胺（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）噴施于沙黃土及風積沙表面，進行室內風洞試驗，測定其風蝕率及表面固積層硬度。結果表明：噴施不同劑量的高分子化學材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120于沙黃土及風積沙表面均能顯著降低松散擾動沙黃土及風積沙的風蝕率（P<0.05）。總體而言，在相同條件下，與其他3種材料相比，PAM防治沙黃土表面風蝕的效果最好，而CMC在防治風積沙風蝕效果最好。噴施4種化學材料于沙黃土和風積沙表面均能顯著增加固結層的硬度（0.4 g/m2Jag C162除外），且PAM對提高沙黃土表面硬度效果較好，Jag C162、CMC及HP-120對提高風積沙結皮硬度效果較好，其中CMC效果最顯著；使用4種高分子化學材料防治風積沙和沙黃土風蝕時，當施用劑量控制在1.2 g/m2時，幾乎可以抵御14 m/s的大風，歷時20 min的吹蝕而不產生風蝕。

風洞；多肽；硬度；防治風蝕；聚丙烯酰胺；羧甲基纖維素；Jag C162；HP-120

0 引 言

風蝕會破壞地表原有結構，造成干旱半干旱地區土地沙化，從而威脅土地持續利用及劣化人類生存環境及生活質量[1-3]。水蝕風蝕交錯區具有獨特的背景環境和侵蝕特征，故其生態平衡較易破壞，部分可利用土地的土壤侵蝕嚴重，甚至達到不可逆轉的沙漠化境地[4]。水蝕風蝕的交替作用也使該區成為黃土高原侵蝕產沙最嚴重及黃河泥沙來源最多的地區[5]。對該區進行風蝕治理對減輕該地區的土壤侵蝕具有重要的意義。

研究表明[6]，風蝕的形成必須具備2個基本條件：1）足夠的可蝕性顆粒物；2）使可蝕性顆粒物產生運動的風速。因此，通過改善地表結構來減少地表可蝕性顆粒物及降低近地面風速可有效地控制風蝕。傳統的生物固沙及機械固沙防治風蝕的措施如植被和機械沙障覆蓋等，一方面能有效地阻斷風與地表的直接接觸，另一方面能改善地表結構，從而降低地表風蝕的程度[7-10]，但這些方法具有相對遲緩的生態效益[11]，且在實施過程中經濟耗費比較大，在風蝕水蝕交錯區沙化及荒漠化土地的治理過程中很難大面積推廣。利用高分子化學材料改善易風蝕地表結構進行固沙、固土，是防治風蝕的重要化學措施之一。近年來許多研究表明，高分子化學材料固沙劑可使地表松散的可蝕性顆粒粘結在一起，改善地表土壤大團聚體、保持良好的土壤結構[12-13]，還可以抑制地表蒸發，使地表保持較高的含水率[14]，從而增強地表抗風蝕能力。多種高分子化學材料固沙劑、固土劑已被研制出來，部分已投入到沙化土地的治理當中，取得一定效果[15-20]。胡英娣[21]通過風洞模擬試驗研究了石油材料類、高分子聚合物類及無機類3大類共7種材料對沙坡頭流沙的固持效果，結果表明化學材料可以將松散的沙粒或土粒粘結成較大及較穩定的塊體，因而增強沙粒的臨界起動風速，降低風蝕量；韓致文等[19]對研制出的4種不同品種及配方的有機無機固沙材料進行理化性能、黏結體力學性能和抗風蝕性能等進行了測試，結果表明固沙劑噴灑在沙子表面后均能夠迅速形成強度較高的固結層，固沙效果顯著；陳渠昌等[22]通過室內風洞模擬試驗對聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）的抗風蝕性能進行試驗，結果表明經PAM噴施過的土表的起動風速顯著高于只噴施清水的處理；劉東等[23]進行室內風洞試驗，研究了凈風和挾沙風在不同地面坡度、不同地表風速下，分別噴施0.1、0.2、2、4、6 g/m2劑量的PAM對土壤風蝕的作用，研究發現，PAM能有效地改善土表結構，加強地表土粒的穩定，較顯著地提高了土壤抗風蝕的能力，而且較高劑量的PAM可以使土壤在較高坡度和挾沙風速條件下均不產生風蝕；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，使用室內風洞研究PAM對土壤抗風蝕的效果，表明在不同的情況下，拌施PAM對土壤的抗風蝕能力均產生了積極的作用；馮筱等[25]采用室內風洞試驗研究了不同凈風、挾沙風風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土壤風蝕控制效果，結果表明經3種固沙劑處理的土壤均具有較好的抗風蝕能力。

目前，化學固沙、土材料雖然種類很多，使用效果均很顯著[26]，但多數固沙、土材料的應用是以風蝕為主風蝕區的沙土以及松散沙為研究對象，采用化學固沙技術措施防治黃土高原北部水蝕風蝕交錯區風積沙及沙黃土風蝕研究較少。此外，大多數固沙材料在研究過程中以單個固沙、土材料進行，有的也只是在過去的材料中加以改進，使用過程中僅考慮到效果而未注意到實用及合理性[27]，仍存在很多問題，大多數推廣應用均受到限制[28]，更多更有效的防治風蝕的高分子化學材料還有待于進一步開發。因此，本研究的目的在于以黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶的風積沙和沙黃土為研究對象，采用室內風洞試驗，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）對沙黃土及風積沙風蝕以及表層固結層硬度的調控效應，為黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶風積沙及沙黃土風蝕的治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗風洞

風洞試驗是在中科院水利部水土保持研究所的室內風洞進行。該風洞全長24 m，主要由風機段、調風段、整流段、試驗段、集沙段和導流段等6部分組成，風速在0～16 m/s范圍內連續可調，如圖1所示。經測試該風洞截面風速均勻性良好，截面任一點氣流速度與氣流平均速度的相對誤差小于0.25%[29]。

圖1 試驗風洞Fig.1 Wind tunnel for experiment

風速采用衡欣AZ-8902智能風速儀（AZ Instrument Corp.）進行測量，其基本量程0.6～35 m/s，精度±0.2 m/s，其由風速感應器，專用電線及讀數儀器組成。試驗前，將3個風速儀分別安裝在風洞中心距離試驗段為0.2 m，離風洞底面的高度分別是0.2、0.5及0.8 m的3個固定點上，用于測取截面不同高度上的風速值。試驗前，對不同頻率下的風速進行率定，試驗時，將風機頻率調整到與試驗風速相對應的頻率，用風速儀對風速進行檢驗，如不相符調整風機頻率至相符。

1.2 供試材料

試驗所用高分子化學材料均由羅地亞公司開發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材料。現有試驗表明其對生物物種沒有不利影響和刺激性，在土壤中能夠促進部分有益菌落的形成，是綠色化學品[30]，極易分散在水中形成膠體狀。

本研究中沙地風蝕及土壤風蝕分別以黃土高原北部水蝕風蝕交錯區風積沙及沙黃土為對象。2種土壤均取自黃土高原北部水蝕風蝕交錯區的陜西省神木縣六道溝流域，其機械組成見表1。按照美國制土壤分級標準，黏粒、粉粒、極細砂粒、細砂粒、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，但含有相當一部分的粉粒和黏粒。試驗前將2種試驗材料自然風干后過2 mm的篩，篩除植物根系及小石子等物質，備用。

表1 試驗材料顆粒機械組成Table1 Mechanical composition of test materials %

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制作

4種化學材料皆為噴施，對照（CK）為噴施等量清水。施放劑量皆為3個等級：0.4、0.6、1.2 g/m2。試驗前，將制備好的風積沙和沙黃土以疏松自然狀態裝入98 cm（寬）×126 cm（長）×5 cm（深）鋼制土槽中，刮平表面，減少表面粗糙率對風蝕產生的干擾，如圖2。土槽中風積沙和沙黃土容重分別為1.36和1.29 g/m3；風干含水率分別為0.21%和0.25%。分別將PAM、Jag C162、CMC及HP-120按試驗設計溶于800 mL蒸餾水中，用塑料管充分攪拌約30 min，使其形成穩定膠體，然后用霧化較好的噴壺將不同濃度的高分子化學材料溶液均勻噴灑于風積沙和沙黃土表面供試，同時將等量清水（800 mL）均勻噴灑于沙黃土和風積沙表面作為對照供試。噴施化學材料和清水后的供試土槽均在室內自然風干，根據天氣環境條件不同至少風干7 d，含水率均控制在0.32%～0.56%，即開始試驗。

圖2 試驗土槽Fig.2 Experimental soil tank

1.3.2 試驗步驟

各處理6個試樣，3個用于測定表面固結層硬度，另3個用于吹蝕試驗。每組試驗重復3次。在土槽表面均勻選取6個點，用硬度儀測定土槽表面固結層硬度，取其均值。吹蝕試驗進行時是將預先制備好的土槽試樣稱質量并記錄吹蝕前的質量后慢慢推入風洞試驗段的風道中，在推入試驗土槽的過程中盡量保證土槽表面不產生裂縫，保證表面的完整性，減少試驗誤差，然后調整土槽高度使其表面與風道底部齊平，風洞密封后將風機頻率一次性調到其所對應的頻率48 Hz，再用風速儀對風速進行檢驗，如不相符，則上下調整風機頻率至14 m/s，吹蝕20 min后將土槽試樣取出稱質量記錄吹蝕后的質量。

試驗吹蝕前后土槽內試樣質量之差即為風蝕量，kg。風蝕率為風蝕量除以吹蝕時間與吹蝕面積的乘積，kg/(m2·h)。試驗數據用Sigmaplot和SPSS軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 材料及其劑量對沙黃土和風積沙風蝕率的影響

不同高分子化學材料及其劑量對沙黃土和風積沙風蝕率的影響見圖3。與CK相比，噴施高分子聚合物可顯著降低沙黃土的風蝕率（圖3a）。對于同種高分子聚合物，均表現為噴施劑量越大風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的風蝕率變化最明顯（HP-120除外）。對比4種高分子聚合物在相同劑量下防治沙黃土風蝕的效果可以看出，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的沙黃土風蝕率僅為1.36 kg/（m2·h），防治風蝕的效果最顯著；0.6和1.2 g/m2劑量下，噴施PAM防治沙黃土風蝕的效果最好，其風蝕率分別降低到0.32及0.18 kg/（m2·h）。由此可見，在相同條件下，經PAM、Jag C162、CMC及HP-120處理后的沙黃土表面均能不同程度地對沙黃土風蝕起到控制作用，這與陳渠昌等[1]利用PAM進行防擾動沙土風蝕試驗得出的結論一致，但在防治沙黃土風蝕的過程中，當噴施劑量不高于0.4 g/m2時，4種高分子聚合物防治風蝕的效果較差，當噴施劑量不小于0.6 g/m2時，4種高分子聚合物均能較好地防治風蝕，尤其PAM防治沙黃土風蝕效果最好。

由圖3b可知，在14 m/s風速下，與CK相比，噴施不同劑量的PAM、Jag C162、CMC及HP-120于風積沙表面均可以顯著地控制風積沙的風蝕作用（P<0.05），且使用劑量越大風蝕率越小。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蝕性能不同。在14 m/s的大風吹蝕20 min后，對照表面出現裂紋且破壞較明顯，其風蝕率高達6.33 kg/(m2·h)，噴施0.4 g/m2PAM、Jag C162、CMC及HP-120的沙盤表面沙粒發生運動，有吹蝕現象發生，其僅在PAM作用時風蝕率較大，在Jag C162、CMC及HP-120作用時，風積沙表面未發生風蝕或僅有少量風蝕出現。當劑量均增大到1.2 g/m2時，沙盤表面基本沒有變化，其風蝕率最大僅為0.18 kg/（m2·h）。可見，當4種高分子聚合物使用劑量達到1.2 g/m2時，風積沙表面所具有的穩定結構可以抵御14 m/s的大風歷時20 min的吹蝕而幾乎不發生風蝕。其中CMC抵抗風積沙表面風蝕的效果高于其他3種，其在經歷20 min大風的吹蝕下僅發生輕微的風蝕，可見其對風積沙具有較強的固定作用，而PAM防治風積沙風蝕的效果相對較差。

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

無論對沙黃土還是風積沙，當噴施劑量≤0.4 g/m2的4種高分子材料劑量時，均經受不住風的吹打；但噴施劑量≥1.2 g/m2時，均能夠經受14 m/s風速的大風吹打20 min發生輕微風蝕或不發生風蝕，表現出良好的防風沙流侵蝕的性能。由此可見，松散沙黃土和風積沙表面噴施PAM、Jag C162、CMC及HP-120高分子化學材料可極大提高松散沙黃土和風積沙的抗風蝕性能。

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

2.2 材料及其劑量對沙黃土及風積沙表面固結層硬度的影響

沙黃土和風積沙因本身的物理化學性質不同，在噴施高分子化學材料后產生的固結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積沙表面固結層硬度列于表2。

表2 噴施高分子材料后沙黃土和風積沙固結層硬度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層硬度（0.4 g/m2Jag C162除外）。噴施PAM及Jag C162的沙黃土表面固結層硬度各劑量之間差異顯著（P<0.05），均表現為噴施劑量越大硬度越大。噴施劑量為0.4 g/m2時，固結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，PAM及CMC處理下的固結層硬度差異顯著（P<0.05），噴施劑量為1.2 g/m2時，固結層硬度在各個材料處理下均顯著（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表面固結層硬度間差異不顯著（P>0.05），其他均表現為噴施劑量越大硬度越大（P<0.05）。噴施劑量為0.4 g/m2時，固結層的硬度在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，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，PAM及Jag C162處理間差異顯著（P<0.05）。

對比4種高分子材料對沙黃土及風積沙表面固結層硬度的影響可知，噴施在沙黃土表面固結層硬度相對CK提高的百分率以噴施PAM時最高，達到了356%；而對于風積沙以噴施CMC時最高，達到了746.15%。總體來看，4種高分子聚合物對增加沙黃土和風積沙表面固結層硬度均有積極的效果，其中PAM對提高沙黃土表面固結層硬度效果較好，其他3種在提高風積沙固結層硬度上效果較好，CMC效果最佳。

3 討 論

中國西北地區由于缺乏水分和大風頻發極易發生降低土壤養分，劣化土壤結構，加快土壤荒漠化速度的風蝕[27]，因此對土地荒漠化的治理成為各國學者要研究的重要問題。在大風發生時，由于缺乏水分以及地表覆蓋，尤其在黃土高原北部風蝕嚴重的水蝕風蝕交錯帶的松散擾動、可蝕性較強的沙黃土和風積沙表面，風蝕程度更加劇烈，使得土地條件越來越惡劣，逐漸失去其使用價值，這種現象在風蝕水蝕交錯區尤為明顯[29]。在風洞試驗條件下，噴施不同劑量不同種類的高分子化學材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120均能增大沙黃土和風積沙的抗風蝕能力，減輕風蝕發生程度，且使用劑量越大效果越好。

在觀察噴施高分子化學材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120的沙黃土和風積沙地表破壞過程中，筆者發現試樣在14 m/s的大風作用下的破壞過程一般是經過大風對試樣前段表面不斷地吹蝕破壞，前段試樣表面被破壞后，大風攜帶著前段吹起的風蝕物，即風沙流對后段的地表固結層產生更大的破壞，經過風沙流的磨蝕，試樣表面形成的固結層被不斷磨損變薄，再經過一段時間的吹蝕和風沙流的打擊，固結層被擊穿破壞，沙粒及土粒從破壞處逸出，開始產生風蝕；再經過短暫的時間，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，導致本已薄如濾紙的表面固結層徹底破壞，試樣失去保護，如同未經處理的試樣一樣開始產生強烈風蝕，這與前人研究的結果一致[1]。

化學固沙、固土措施可在沙、土表面形成一層具有一定結構和硬度的固結層，既能夠防止風力吹蝕，又可保持下層水分，以達到控制風蝕和改善風蝕風沙沙害環境的目的。固結層的硬度是反映高分子化學材料固沙能力大小的指標之一[30]。根據本試驗施用PAM、Jag C162、CMC以及HP-120試樣表面風蝕過程觀察可知，在松散沙黃土及風積沙表面噴施不同劑量的PAM、Jag C162、CMC及HP-120后，對于松散土粒來說，相鄰土粒之間的孔隙較大且彼此互相獨立，土粒間黏度極低，易被風蝕，而施放的化學材料都具有黏結性，當其噴施至沙黃土和風積沙表面時，液滴滲入土粒或沙粒之間的間隙，并將相鄰土粒或沙粒膠結起來，土粒或沙粒之間的內聚力增大，在沙黃土和風積沙表層形成一層相比于對照來說更加致密，硬度較高的固結層，固結層的形成，對固結層下部的松散沙黃土和風積沙起到極好的保護作用，不僅使試樣前段破壞后產生的風蝕物少產生含沙量較少的風沙流，減輕其對試樣后段的磨蝕作用，而且也增強了試樣表面整體的穩定性，從而減少風蝕率。

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

在本研究所用的4種高分子化學固沙材料，其中有關PAM對防治風蝕的研究在國內外已經很廣泛，本試驗所得PAM可以防止沙黃土和風積沙風蝕的試驗研究結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積沙的風蝕程度，由此可見，在未來固沙技術的研究上，Jag C162、CMC及HP-120將值得深度探討。此外，本研究還發現，PAM對沙黃土防治風蝕的效果要好于風積沙，而其他3種新型固沙材料防治沙黃土風蝕的效果比風積沙差，對于這一結果的解釋可能是相對于風積沙來說，沙黃土中含有少量的黏粒，PAM溶液更容易使這些黏粒粘結成穩定的土塊和土粒，大風條件下不易被風吹動，所以PAM對沙黃土的抗風蝕能力強于風積沙的抗風蝕能力。試驗中筆者觀察到，噴施Jag C162、CMC及HP-120化學材料于沙黃土和風積沙的表面可以形成結皮，但在風積沙表面形成的結皮硬度很明顯高于沙黃土表面，另外，由于高分子化學材料是透明的膠狀物，它更容易將沙粒粘結起來形成表面相對光滑的穩定坡面，使得高速氣流對其表面的影響減弱，結皮下部土層受到良好的保護而不易被風吹蝕，這2種效果的作用要強于單純地粘結沙黃土土粒作用。因此，在其他條件相同時，4種化學材料中，CMC防治松散擾動風積沙的風蝕效果最好，而PAM對于防治松散沙黃土風蝕的總體效果最佳因此，在風蝕嚴重的水蝕風蝕交錯帶，利用PAM、Jag C162、CMC及HP-120提高沙黃土和風積沙表面結構的穩定性、增強抗風蝕能力時，應考慮地區的土壤質地，對于沙質化比較嚴重的地區，可以考慮使用高分子化學材料Jag C162、CMC及HP-120，而對于含有一定黏粒和粉粒的土壤，由于PAM粘結粉粒和黏粒效果更好，采用PAM將會收到更好的效果。

根據本試驗的研究結果可知，在采用效果較好的PAM與CMC分別防治黃土高原北部風蝕嚴重的水蝕風蝕交錯帶松散沙黃土和風積沙風蝕時，只需將高分子化學材料的使用劑量控制在1.2 g/m2時，則幾乎可以抵御風速14 m/s的大風，歷時20 min的吹蝕而不產生風蝕。根據市面調查可知，PAM根據分子量不同，售價為5.0～20元/kg，CMC的售價為2.9～25元/kg。若使用劑量

1.2 g/m2，經濟成本最高分別為240和300 元/hm2。總體來說，經濟成本相對較低。綜上，PAM及CMC在防治黃土高原北部風蝕嚴重的水蝕風蝕交錯帶松散沙黃土和風積沙風蝕方面具有較高的應用價值。然而，本文基于室內試驗得出的結論有待于在野外進行進一步的驗證。

4 結 論

本研究通過室內風洞試驗，研究在同一風速條件下，不同劑量（0（噴清水為對照）、0.4、0.6及1.2 g/m2）的4種高分子化學材料聚丙烯酰胺（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蝕嚴重的水蝕風蝕交錯帶擾動松散沙黃土和風積沙風蝕的效果，研究結果如下：

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

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

3）使用4種高分子化學材料防治風積沙和沙黃土風蝕時，只需將其使用劑量控制在1.2 g/m2時，則幾乎可以抵御風速14 m/s的大風，歷時20 min的吹蝕而不產生風蝕。CMC可在風沙流較為嚴重的地區推廣應用，PAM適宜在荒漠化較輕的地區應用。

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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蝕的風洞試驗[J]. 農業工程學報，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

國家自然科學基金項目（41471230、41601282）；陜西省自然科學基金項目（2016JQ4020）；國家重點研發計劃（2016YFC0402401）；黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室專項經費項目（A314021403-C2）。作者簡介：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 西北農林科技大學水土保持研究所，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報模型研究。楊凌 中國科學院水利部水土保持研究所，712100。Email：zwang@nwsuaf. edu.cn