聚丙烯酰胺和石膏粉對黃土坡地產流產沙的影響

摘 要：為揭示聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）和石膏粉對黃土坡地產流產沙的影響，進行ＰＡＭ 施用量為０～６．０ ｇ／ ｍ２、石膏粉施用量為０～１５０ｇ／ ｍ２、坡面坡角為１５°～２５°、不同雨強共１８ 種處理小區的野外模擬人工降雨試驗，分析了各類小區降雨產流時間、徑流系數、徑流挾沙率隨ＰＡＭ 和石膏粉施用量的變化情況。結果表明：１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延緩降雨初始產流，且施用量越大延緩時間越長。２）施用ＰＡＭ 使徑流系數增大，不同施用量的徑流系數均在對照的１．４ 倍以上；施用石膏粉使徑流系數減小，施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數較對照減小幅度為２２．２％；ＰＡＭ、石膏粉分別對連續降雨的前２ 場、首場降雨產流的影響顯著，對后續場次降雨產流的影響均明顯衰減。３）施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產沙量，且施用量越大抗蝕、減沙作用越大，ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率較對照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產沙量增加，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率比對照提高１２５％；ＰＡＭ、石膏粉分別對連續降雨的前２ 場、前３ 場降雨產沙有較顯著的影響，對后續場次降雨產沙的影響均明顯衰減。

關鍵詞：聚丙烯酰胺；石膏粉；黃土坡地；徑流系數；徑流挾沙率；土壤抗蝕性

中圖分類號：Ｓ１５７．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２１

引用格式：李樊敏．聚丙烯酰胺和石膏粉對黃土坡地產流產沙的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１１６－１１９，１３９．

坡地是黃土高原水土流失嚴重的土地類型［１－４］ 。聚丙烯酰胺（ＰＡＭ ）與石膏粉都是效果良好的土壤結構改良劑，有關學者對其用于坡地水土流失防治的效果等進行了大量研究［５］ 。多數研究表明ＰＡＭ 與石膏粉的施用可以改善土壤結構、增加水分入滲量、增強土壤的吸水能力、減少水土流失等［６－１０］ ；也有學者認為ＰＡＭ 吸水后體積膨脹，在一定程度上堵塞了土壤孔隙，進而降低土壤入滲率［１１］ 。筆者通過野外人工模擬降雨試驗，研究了坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉對不同降雨強度下產流產沙的影響，以期為黃土高原坡地水土流失治理及相關研究提供參考。

１ 研究方法

１．１ 試驗區概況

試驗區位于黃土高原腹地的陜西省延安市安塞區縣南溝流域，屬典型的黃土丘陵溝壑區。該區土壤以黃綿土為主，其質地疏松，沙粒及粉沙粒含量較高（約為６０％）、黏粒含量低，穩定性差，抗蝕性弱，土壤侵蝕強烈，水土流失嚴重［１２］ ；年均降水量５０５ ｍｍ，雨季主要為６—９ 月（降水量占全年的７４．３％）；人均水資源量僅為全國人均水資源量的４１．５％，屬于嚴重缺水地區。

１．２ 試驗材料

ＰＡＭ 選用膠粉（Ａ３０ 型），它是一種聚丙烯酰胺和丙烯酸鹽的交鏈體共聚物，為陰離子型高分子白色粉末，能以任意濃度溶于水，可與土壤中的陽離子交換，增強土壤中水穩性團聚體的凝聚能力，形成大的團聚體，增強土壤的抗蝕性，且可防止土壤結皮的形成，從而改善土壤入滲狀況、保水保土。

石膏粉主要成分為硫酸鈣ＣａＳＯ４，通常為白色粉末，潮濕情況下易結塊，可作為鈣、硫復合礦物肥料用于改良土壤、調節土壤酸堿度，或作為家禽、家畜飼料添加劑等。

１．３ 試驗設計

本試驗采用噴灌組合系統進行人工模擬降雨。通過正交試驗設計，設置ＰＡＭ 施用量（用ｘＰＡＭ表示，取值為０、０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ ）、石膏粉施用量（用ｘＰＧ表示，取值為０、８０、１５０ ｇ／ ｍ２ ）、坡角（１５°、２０°、２５°）、雨型（大雨、中雨、小雨）等４ 個因素，共１８ 種處理（見表１），其中：ＰＡＭ 和石膏粉施用量的設定參考了于鍵等的研究［８］ ；坡角設定的依據是縣南溝流域自然山坡及坡耕地的最大坡度；雨型設定參考了王玲莉等［１３］ 的研究，設定小雨雨強為１５ ～ ２０ ｍｍ／ ｈ、中雨雨強為２５～３０ ｍｍ／ ｈ、大雨雨強為３５～４０ ｍｍ／ ｈ。試驗小區尺寸為３ ｍ×１ ｍ（長×寬），相鄰小區用地埂隔開（埂寬０．１ ｍ）。每次人工降雨范圍為并列的６ 個小區，用塑料布遮蓋相鄰小區以避免其受到影響。每種處理小區連續進行５ 場降雨試驗，每場降雨歷時約為３０ ｍｉｎ，每種試驗重復２ 次。

１．４ 試驗過程及數據處理

采用多噴頭組合進行人工模擬降雨，通過增減噴頭數量和設置噴頭仰角、擺角等來調節降雨強度。為每個小區準備１０ 個徑流桶，按順序編號備用。當坡面開始產流時記錄產流時間，之后每隔３～５ ｍｉｎ 更換一次徑流桶并記錄更換時間。降雨停止后測量徑流桶中的徑流量，結合降雨量計算降雨徑流系數。將每個徑流桶中的泥沙分別倒入帶編號的試驗瓶中進行風干，之后稱重。依據風干沙重、產流時間、換桶時間可繪制產沙過程線、計算累計產沙量等。采用ＥＸＣＥＬ 軟件進行數據處理、圖表繪制等。

２ 結果與分析

２．１ ＰＡＭ 和石膏粉對產流的影響

２．１．１ ＰＡＭ 和石膏粉對土壤初始產流時間的影響

施用ＰＡＭ 后坡地小區在大雨、中雨、小雨情況下的初始產流時間均有所延長，且延長幅度隨ＰＡＭ 施用量的增加呈增大趨勢（在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時初始產流時間最長），即施用ＰＡＭ 后對坡地產流具有滯后作用（在施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時對中雨產流的滯后作用最明顯），其主要原因是ＰＡＭ 遇水膨脹后形成的水凝膠具有一定持水能力，延緩了產流。計算ＰＡＭ 不同施用量情況下大雨、中雨、小雨初始產流時間的平均值，未施用ＰＡＭ 的坡地小區平均初始產流時間為２．３４ｍｉｎ，對平均初始產流時間與ＰＡＭ 施用量的關系進行擬合（見圖１，其中ｙ 為平均初始產流時間，ｘ 為ＰＡＭ施用量，Ｒ２ 為決定系數）表明，ＰＡＭ 的施用量每增加１ ｇ／ ｍ２平均初始產流時間延長約０．２５ ｍｉｎ。

石膏粉的施用對雨水入滲具有促進作用，因而可以延緩產流。大雨、中雨、小雨平均初始產流時間與石膏粉施用量的關系擬合（見圖２）表明，平均初始產流時間隨石膏粉施用量的增加而延長，施用量每增加１００ ｇ／ ｍ２平均初始產流時間延長０．７５ ｍｉｎ。

野外模擬降雨的初始產流時間除了受ＰＡＭ 和石膏粉施用量的影響，還受小區坡度及降雨強度的影響。在坡度（坡角）一定的情況下，雨強與初始產流時間負相關，其主要原因：一是隨著降雨強度的增大，在降雨強度大于土壤入滲率時坡地的產流方式由蓄滿產流轉變為超滲產流，土壤尚未達到飽和狀態就產生了徑流，因而縮短了初始產流時間；二是黃土質地疏松，大雨強降雨可將土粒擊碎并充填于土壤孔隙中，因而降低雨水入滲率并產流，使初始產流時間縮短。

２．１．２ ＰＡＭ 和石膏粉對降雨徑流系數的影響

根據降雨徑流系數的變化情況分析ＰＡＭ 和石膏粉對降雨產流的影響。由表２ 可知，施用ＰＡＭ 的坡面小區徑流系數明顯增大，不同施用量的徑流系數均在對照的１．４ 倍以上，其中施用量為４．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流系數最大（為對照的１．６４ 倍），這與ＰＡＭ 對水分的吸收有很大關系，ＰＡＭ 吸水形成水凝膠后成為一層保護膜，在一定程度上降低了降雨入滲率，減小了土壤入滲量、增大了地表徑流量。

徑流系數隨石膏粉施用量的增加而減小，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２時徑流系數由不施石膏粉的６３％減小至５３％，當石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數進一步減小至４９％（減小幅度為２２．２％）。

２．１．３ ＰＡＭ 和石膏粉對產流影響的持續性

通過方差分析（結果見表３），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強對降雨徑流系數變化的影響程度（貢獻率）及其持續性。第一場降雨，ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、平均雨強對徑流系數變化的影響均達到極顯著水平，貢獻率分別為３８％、１２％、２３％；第二場降雨，ＰＡＭ 施用量、坡角對徑流系數變化的影響達到極顯著水平，二者的貢獻率之和達到５０％，而石膏粉施用量和平均雨強的貢獻率之和僅為１１％；第三、第四、第五場降雨，坡角和平均雨強對徑流系數變化的影響達到極顯著水平，二者的貢獻率之和分別達到５８％、８８％、７４％，而ＰＡＭ 施用量和石膏粉施用量的貢獻率之和均在１０％以下。綜上所述，ＰＡＭ 對前兩場降雨產流的影響顯著，對第三場降雨產流的影響大幅度衰減，之后其影響呈進一步衰減趨勢；石膏粉對首場降雨產流的影響顯著，對第二降雨產流的影響大幅度衰減，之后其影響更小。

２．２ ＰＡＭ 和石膏粉對產沙的影響

２．２．１ ＰＡＭ 和石膏粉對徑流挾沙率的影響

根據徑流挾沙率的變化情況分析ＰＡＭ 和石膏粉對產沙的影響。徑流挾沙率計算公式為

β ＝ Ｓ ／ （Ｑρ） × １００％

式中：β 為徑流挾沙率，Ｓ 為產沙量，Ｑ 為徑流量，ρ 為水的密度。

各類小區每場降雨的徑流挾沙率計算結果表明：

ＰＡＭ 施加量為０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ 的各類坡地小區平均徑流挾沙率分別比對照降低１９％、３５％、５８％、７４％、８１％，即施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產沙量，且ＰＡＭ 施用量越大抗蝕、減沙作用越大；石膏粉施用量為８０、１５０ ｇ／ ｍ２的各類坡地小區平均徑流挾沙率分別比對照提高２７．１％、１２５％，即石膏粉的施用使坡地抗蝕性減弱、產沙量增加，且石膏粉施用量越大坡地的抗蝕性越弱、產沙量越大。

ＰＡＭ 與石膏粉不同施用量組合的徑流挾沙率比較見圖３。由圖３ 可知：在不施用ＰＡＭ 的情況下，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率有所下降，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率大幅度提高；在ＰＡＭ 施用量為０．５、１．０、２．０ ｇ／ ｍ２ 的情況下，同時施用石膏粉時徑流挾沙率呈上升趨勢；在ＰＡＭ 施用量為４．０ ｇ／ ｍ２情況下，石膏粉施用量為８０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率最低；在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２ 時，徑流挾沙率隨著石膏粉施用量的增加逐漸下降。

２．２．２ ＰＡＭ 和石膏粉對產沙影響的持續性

通過方差分析（結果見表４），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨強對徑流挾沙率變化的影響程度（貢獻率）及其持續性。第一場降雨，各因素對徑流挾沙率變化的影響均未達到極顯著水平，各因素貢獻率大小順序為ＰＡＭ 施用量＞石膏粉施用量＞平均雨強＞坡角；第二場降雨，僅石膏粉施量量對徑流挾沙率變化有極顯著影響（其貢獻率為１６％），ＰＡＭ 對徑流挾沙率變化的貢獻率為２４％，坡角和平均雨強的貢獻率之和為１７％；第三場降雨，平均雨強和石膏粉施用量對徑流挾沙率變化有極顯著影響（對徑流挾沙率變化的貢獻率分別為４９％、１０％），ＰＡＭ 施用量和坡角的影響較?。ǘ哓暙I率之和僅為９％）；第四、第五場降雨，雨強對徑流挾沙率變化的影響進一步增強（貢獻率分別為６７％、７２％），而ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量及坡角的影響均很?。ㄈ哓暙I率之和僅為１０％左右）。

綜上所述，ＰＡＭ 對前２ 場降雨產沙有較穩定的影響、對第三場及以后場次降雨產沙的影響大幅度衰減，石膏粉對前３ 場降雨產沙有一定影響、之后其影響明顯衰減，石膏粉對降雨產沙影響的持續時間比ＰＡＭ 的稍長。

２．３ 討論

坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉后，表層土壤的微團聚結構發生了改變，因而對降雨入滲和產流產沙有一定影響。

施用石膏粉后，增加了土壤中Ｃａ２＋的含量，可使土壤入滲量增加、地表徑流量減少；施用ＰＡＭ 后，其陰離子可吸附負電性土壤顆粒［１４］ ，使土壤中的一些細小顆粒在ＰＡＭ 水凝膠的作用下逐漸團聚，減少游離的土壤微粒，改變土壤的入滲性能，即降低土壤入滲率、增加地表徑流量。這與雷廷武等［１１］ 的研究結論一致，與侯禮婷等［７］ 的研究結論（即施用ＰＡＭ 后土壤入滲率有一定程度的提高、施用磷石膏后土壤入滲率降低）不一致，原因可能是受降雨強度、試驗土壤性狀、ＰＡＭ 及石膏粉施用量差異的影響。

ＰＡＭ 水凝膠能黏結細小土壤顆粒、形成團聚體，從而增強土壤抗蝕性、減少降雨徑流的產沙量，在ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流挾沙率較對照降低８１％；坡地施用石膏粉后，地表可被徑流輸移沖蝕的松散物質增加，導致產沙量增加、徑流挾沙率提高，這與夏海江等［９］ 、陳渠昌［１０］ 的研究結論基本一致。

ＰＡＭ 對產流產沙的影響程度較石膏粉對產流產沙的影響程度高，二者以適當的施用量相配合，可有效增加土壤入滲量、減少產流產沙量，但還需進一步研究。

３ 結論

１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延緩降雨初始產流，且施用量越大延緩時間越長。

２）施用ＰＡＭ 使徑流系數增大，不同施用量的徑流系數均在對照的１．４ 倍以上，施用量為４．０ ｇ／ ｍ２ 時徑流系數為對照的１．６４ 倍；施用石膏粉使徑流系數減小，施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流系數較對照減小幅度為２２．２％。ＰＡＭ、石膏粉分別對連續降雨的前２ 場、首場降雨產流的影響顯著，對后續場次降雨產流的影響均明顯衰減。

３）施用ＰＡＭ 可有效增強坡地抗蝕性、減少產沙量，且施用量越大抗蝕、減沙作用越大，ＰＡＭ 施用量為６．０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率較對照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蝕性減弱、產沙量增加，且施用量越大對抗蝕、減沙的負面影響越大，石膏粉施用量為１５０ ｇ／ ｍ２時徑流挾沙率比對照提高１２５％。ＰＡＭ、石膏粉分別對連續降雨的前２ 場、前３ 場降雨產沙有較顯著的影響，對后續場次降雨產沙的影響均明顯衰減。為了有效利用雨水資源、調控土壤水分、減少土壤流失，還需對ＰＡＭ 和石膏粉的最佳施用量、施用方式及施用時間等開展進一步研究。

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【責任編輯 張智民】