通過施加高分子化學物質改善土壤表麵結構， 提高土壤水分入滲性能，模擬降雨減少地表徑流是目前一項 具有廣闊發展前景的高效節水化學控製技術[1? 。

 

聚丙烯酰胺（PAM)是一種新型高效土壤結構 改良劑，屬高分子化合物。能夠和水中懸浮的固體顆 粒相結合，使這些顆粒迅速徹底地和水分離，從而使 水得到澄清，它一直是水處理、食品加工、采礦、造紙 和其它工業部門廣泛使用的絮凝劑。20世紀80年 代末至90年代初，將PAM應用到灌溉中，發現 PAM對減少農田水流中的泥沙和增加入滲有顯著 作用[B5]GSokja等人通過2年的溝灌試驗進一步確 定了在灌溉水中施用PAM,農田水中的泥沙可減少 94%，土壤入滲性能可提高15%?50%。而且通過 對施加PAM後土壤表層性質的研究，發現PAM增 加了土壤中水穩性團粒的穩定性，進而使表層土壤 顆粒和孔隙結構保持相對穩定，維持較高的入滲性 能。

 

遼寧棕壤土在6。?15。坡範圍內PAM適宜用 量為0. 3?1. 2 g/m2，PAM的保土率和保肥率均在 50%以上，其作用可持續2?3年[1’2]。

 

我國西北地區灌溉水的有效利用率在30%? 4 0%之間，廣大旱作地區的自然降水利用率僅為 3 0%左右。影響灌溉水和自然降水利用率的一個很 重要的原因是土壤表層的良好結構易被破壞，土壤 入滲性能隨灌水或降水時間延長而迅速下降，灌溉 水和降水在土壤表層發生積水或超滲產流，導致水 分流失或蒸發損失。因此，研究PAM對西北地區土 壤入滲、產流和產沙的影響，對於推廣應用PAM,提 高灌溉水和自然降水資源的利用率有重要意義。

 

1試驗方法試驗材料：試驗所用土樣為武功土婁土（重壤土） 和陝北黃綿土（輕壤土 A顆粒組成見表！采樣深度 為1 m，全部土樣過10 mm篩。PAM為法國SNF 公司生產並提供。

 

人工模擬降雨試驗：將長5 m，寬1 m，深0. 4 m 的可升降鋼槽用PVC板沿長邊方向從中一隔為二。 變為兩個長5 m,寬0. 5 m ,深0. 40 m的土槽，將土婁 土分層裝入，土壤含水率為20%?23%,控製供試 土壤容重 1. 4 g//m3。稱 0. 2 g 和 2. 0 g 兩份 PAM， 分別與過1 mm篩的細土 2 000 g混合，均勻撒至一 個裝好土樣的土槽表麵，單位麵積的施放量分別為 0. 08 g/m2和0. 80 g/m2,另一個設置為對照。根據 黃土高原地區汛期暴雨的高強度、短曆時以及坡耕 地是水土流失主要發源地的特點，控製雨強為1. 2 mm/min,降雨曆時為30 min，土槽小區坡度為15， 降雨開始後，觀測起流曆時，產流後每隔3 min取 500 mL渾水測泥沙含量，用集流桶收集徑流。設計 試驗重複2次，共降雨4場。

 

衝刷槽試驗：衝刷槽由PVC板粘結而成，長表1武功土婁土和陝北黃綿土顆粒組成Table 1 Particle size distribution of Wugong loess and Shanbei loess8細砂粒粗粉粒中粉粒細粉粒粘 粒物理性粘粒 蘇製土壤質地粒徑0. 25?0. 050. 05?0. 010. 01?0. 0050. 005?0. 001<0.001<0.01武功土婁土34511122953重壤土陝北黃綿土2451561425輕壤土55 cm，寬15. 5 cm，深15 cm，將土婁土和黃綿土分別 裝入不同槽中，稱量0. 2 g PAM與100 g過1 mm 篩的細土混合好，均勻撒至裝好土樣的土槽表麵，相 當單位麵積（m2)施放量為2.35 g，另設對照。坡度 均為3/1 000,控製放水衝刷的流量為667 mL/min， 從土槽上部開始放水，曆時15 min,用集流桶收集 徑流，測定泥沙含量。每個土槽衝刷7次，設計試驗 重複3次，共放水衝刷21次。

 

2結果與分析2.1 PAM對產流過程的影響降雨降落在裸露地表，首先滿足土壤入滲的要 求，當降雨強度大於土壤入滲性能時，徑流開始產 生。圖1和圖2分別為雨強1. 2 mm/min，土槽坡度 15°時，施放PAM 0. 80 g/m2和對照的產流速率及 產流量變化。從圖1可以看出，PAM0. 80g/m2對 產流速率有明顯影響，隨降雨曆時的延長，未加 PAM 土槽的產流速率穩定在0. 050L/S,而施加萬方數據PAM對產流量的影響 Fig. 2 Effect of PAM on the volume of runoff yieldPAM 土槽的產流速率則穩定在0. 042 L/s。PAM 降低產流速率16.0%。通過鋼槽上裝置的透明有機 玻璃壁觀測，降雨結束後水分入滲的深度為16 cm。 由於土槽上沒有其它的水流出口，所以，這16%的 水量隻能是入滲到土槽土壤中。產流速率過程線可 用對數關係擬合，擬合結果如下 TU = 11.90lnw + 15.47 Y = 0.907 (未加 PAM) TU V 11. 30 lnw X 10. 24 r = 0. 923(加 PAM0. 80 g/m2)

 

式中 TU——產流速率，mL/s[——降雨曆時，min。

 

圖2的徑流量過程線可用直線模型擬合，擬合 結果如下T\ V 2. 33W — 3. 55 r V 0? 999 (未加 PAM) T\ V 1. 96W - 4. 74 Y V 0. 995 (加 PAM0. 80 g/m2)

 

式中 T\——徑流量，L。

 

施加PAM後由於產流速率的降低，入滲增加， 徑流量必然減少。試驗結果表明，在雨強1. 2 mm/min，降雨曆時 30 min 下，加 PAM 0. 80 g/m2 的小區產生的徑流總量為56. 97 L,而未施加PAM 小區的徑流總量為68. 31 L，每平方米施加PAM 0. 80 g可減少徑流量16. 608。

 

2. 2 PAM對產沙過程的影響圖3和圖4分別為雨強1. 2 mm/min，土槽坡 度15。時，施放PAM 0. 80 g/m2小區和對照的徑流 含沙率和泥沙累計量過程線。由圖3和圖4可以看 出，無論是施加PAM或是未加PAM的土樣，其徑 流含沙率過程線在降雨起始階段（5 min左右）都出 現了一個峰，這是由於在土槽裝樣結束後表層土壤 未能與其它土壤顆粒緊密結合而易被衝刷所造成 的。隨後含沙率隨曆時的變化顯著，未加PAM的土 樣在降雨打擊和徑流衝刷下，細溝迅速形成，並快速 溯源發育，隨著細溝在三維方向的不斷擴張，細溝周 邊土塊塌落，隨流而去，每一次塌落都導致徑流含沙 率迅速增大，反映在含沙率過程線上則是一次大的跳躍，如此反複，便出現了未加PAM的土樣徑流含 沙率呈鋸齒狀上升的變化規律。

 

圖3 PAM對徑流含沙率變化的影響 Fig. 3 +fect of PAM on the content of sediment in runoff圖8 PAM對徑流泥沙累計量變化的影響 Fig. 8 Effect of PAM on the accumulative amount of sediment in runoff而施加PAM 土樣的徑流含沙率的變化則完全 不同。起始峰後，含沙率迅速下降，一直保持在25 g/L以下，這個期間整個含沙率的變化趨勢就好像 拖著一條長長的尾巴，因此，可將施加PAM的過程 線描述為拖尾型變化。之所以會出現這樣的形狀，是 由於經過起始階段降雨的濕潤，P A M開始反應，由 顆粒狀變為多支纖維狀，將表層土壤顆粒緊緊纏繞， 保持土壤表層結構穩定，不易被徑流衝刷破壞。當 然，隨降雨曆時的延長或降雨衝刷次數的增加，這種 表層結構的穩定性也有可能被破壞，這個問題將在 2. 4中進行討論。

 

同時，試驗結果顯示，隨降雨曆時的延長，未加 PAM的徑流含沙率不斷增大。曆時20 min後，未加 PAM的徑流含沙率可達到150?250 g/L,是施加 PAM含沙率的6至10倍。

 

徑流泥沙累計量的變化與含沙率變化的趨勢對 應。土樣施加PAM後其徑流泥沙累計量過程線是 一條坡度很緩的直線，未加PAM徑流泥沙累計量 是一條前段較緩後段迅速上升的曲線（圖4)，可分 別用直線萬方數據數擬合。擬合結果如下 FC= 9. 19 J2 K 37. 77 M = 0. 997(未加 PAM)

 

FC= 30. 26 J K 11. 35 r = 0. 993 (加 PAM0. 80 g/m2)

 

式中 FC——累計泥沙量，g; J——降雨曆時， min。直線模型中斜率的含義為降雨曆時每增加1 min,徑流中泥沙含量將平均升高30. 26 g。

 

施加PAM後徑流泥沙累計量為894. 94 g,而 未加PAM徑流泥沙累計量為7 376. 72 g,是前者 的8. 24倍。

 

2. 3 不同施用量對PAM減少產流和產沙效果的 影響在鋼槽小區土樣上分別施加PAM 0. 80 g/m2 和0. 08 g/m2後，其產流量、平均含沙率及泥沙總量 的變化十分顯著。施放量為0.08 g/m2基本上沒有 顯示出減少徑流和泥沙，增加入滲的作用，其平均含 沙率和泥沙總量分別為0. 80 g/m2處理的3. 4和 7. 7倍（見圖5)。

 

國外研究報道[7]，PAM在單位麵積（m2)上施 用量為1?2 g。其施用量並不大，但由於PAM本身 價格不低（40元/kg)，再加上黃土區土壤的特殊性， 找出PAM在黃土區土壤上的最優用量是PAM能 否廣泛應用的首要工作。PAM在美國的應用麵積 己達100萬hm2,而在我國農業和水土保持中的研 究才剛剛起步。在這方麵仍需進行深入的試驗研究， 同時，也應開展田間不同土壤不同作物的PAM試 驗。

 

2. X 土壤對PAM蓄水保土效果的影響在衝刷槽上進行的試驗結果顯示，土婁土和黃綿 土兩種土壤在相同PAM用量下多次衝刷後的泥沙 量有很大差別。經過2次衝刷，土婁土加PAM的產沙 量總共隻有10. 88 g，可以說基本上沒有產沙。而未 加PAM的土婁土第二次衝刷產沙量達到1 972. 09 g,槽內土樣基本全部被衝塌。黃綿土加PAM第一 次衝刷量達到30# 07 g，第二次高達779. 39 g，全部 衝垮。未加PAM的黃綿土 2次產沙量分別為 243. 88 g和1 670. 59 g，也全部衝垮。

 

對土婁土加PAM連續衝刷7次後，總產沙量僅 為264. 50 g。由此可見，在土婁土上施加PAM的效果 遠遠優於黃綿土。可能的解釋是由於土婁土本身的粘 粒含量高（物理性粘粒含量高達53%)，而黃綿土的 粘粒含量低（物理性粘粒含量為253)，因此，遇水 後土婁土和PAM的粘結力大於黃綿土。

 

3結論1)當PAM在土婁土表麵施放量為0. 80 g/m2 時，可降低產流速率10. 0"3，減少徑流總量 16. 60%。未施加PAM的徑流含沙率可達到150? 250 g/L，是施加PAM含沙率的6?10倍。施加 PAM後徑流泥沙累計量為894. 94 g，而未加PAM 徑流泥沙累計量為7 376. 72 g，是前者的8. 24倍。

 

2)當施放量減少到0. 08 g/m2時，PAM就失 去了減水和減沙的效果，其平均含沙率和泥沙總量 分別為0. 80 g/m2處理的3. 4和7. 7倍，與未施用 PAM的效果接近。同時，放水衝刷試驗表明，PAM 在土婁土上施加的效果遠遠優於黃綿土。

 

3)PAM表現出顯著的減沙效果，但由於PAM的效果因土而異，而且相差懸殊，因此，在廣泛使用PAM之前，有必要對PAM在不同區域、作物和土壤條件下的適宜施用量和施用方法進行進一步的試驗研究。