不同浓度聚丙烯酰胺(PAM)防治土壤侵蚀的试验研究

潘德峰，闫少锋

(1.江苏省沿海水利科学研究所，江苏 东台 224200；2.河海大学 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

作为一种有效的土壤改良剂，聚丙烯酰胺(PAM)具有改善土壤条件、降低土壤侵蚀的作用，但是目前学术界就其对土壤的影响机制存在不同的观点，比如有的研究人员进行了室内模拟试验，结果表明PAM对增加降水入渗、减少地表径流、降低土壤侵蚀具有很好的作用[1-2]；有的用2种不同的土壤进行试验，结果发现PAM对土壤入渗率的影响有着截然相反的效果，一种土壤用PAM处理后提高了入渗率，另一种则相反[3]。

江苏沿海地区农业区土壤有机质含量低、保水性差、黏性小，加之该地区雨量充沛，集中降雨较多，在强降雨过程中容易引发水土流失。水土流失会带走大量土壤养分，降低耕地质量，破坏生态环境，对农业的可持续发展构成了严重威胁。目前，田间水土流失的治理主要有工程措施、生物措施、农业措施等，但存在或投资大或周期长或见效慢等问题[4]。我国于20世纪80年代开始对聚丙烯酰胺(PAM)进行研究，目前PAM的实际应用还处在探索阶段，但大量的研究表明，PAM在防治土壤侵蚀方面应用前景广阔[5]。

本研究通过室内模拟降雨试验，研究江苏沿海地区粉质砂壤土经PAM处理后的径流入渗及土壤侵蚀情况，旨在探索利用化学措施防治沿海地区土壤侵蚀的方法。同时综合前人研究结果，探讨PAM防治土壤侵蚀机制、应用中的关键因素以及应用前景，以期能为PAM在防治土壤侵蚀中的应用与推广提供指导。

1 试验内容

1.1 试验设计

(1)试验设备。本试验于2013年6—7月在江苏省沿海水利科学研究所人工模拟降雨大厅进行，降雨设备为下喷式人工降雨器，降雨高度为6 m，有效降雨面积为30 m2，降雨均匀度在85%以上。试验土槽为移动式变坡钢槽，尺寸为2 m×3 m×0.2 m，坡长为3 m，坡度调节范围为0～45°。设计试验坡度为10°，降雨强度为42 mm/h，降雨历时30 min。

(2)试验土壤。供试土壤为江苏沿海地区农业区的粉质砂壤土，取自东台市弶港镇，平均干容重1.48 g/cm3，土壤各粒级质量分数分别为粒径>0.05 mm的土壤颗粒含量12.3%、0.005—0.05 mm含量81.1%、<0.005 mm含量6.6%。试验时，先在钢槽底部铺纱布，然后分层装土，每层厚5 cm，逐层压实，总厚度为10 cm，装满后将表土平整压实。

(3)试验准备。将1.25、2.5、3.75、5、10、15 g PAM用蒸馏水分别定溶至1 L，待其充分溶解后搅拌均匀。在试验前将PAM溶液均匀淋于待试土壤表面，待其全部渗入土壤后静置24 h，方才进行模拟降雨试验。土壤表面施用PAM溶液浓度分别为空白、1.25‰、2.5‰、3.75‰、5‰、10‰、15‰，共7个处理，各处理重复3次，共21次，取各处理平均值进行计算。

1.2 测试指标

(1)径流量。在钢槽的出口处放置一个水桶收集径流，采用体积法测定径流量。

(2)侵蚀量。降雨结束后，将桶中径流充分搅匀，迅速取出1 L水样，用烘干法测定其中的泥沙量，并根据总径流量计算总侵蚀量。

2 结果与分析

2.1 PAM浓度对入渗产流过程的影响

图1为试验得出的PAM浓度对产流时间的影响结果，反映了经不同浓度PAM处理的粉质砂壤土坡面产流时间的变化情况。由图1知，未经PAM处理的土壤由于导水率高，降雨后坡面产流时间较晚，在大约10 min时钢槽出口开始产流；随着PAM浓度提高，供试土壤产流时间逐渐缩短，在浓度10‰时产流时间最短；浓度达到15‰时，产流时间又有所延长。总结起来，PAM浓度在0～5‰区间时，随着浓度的提高坡面土壤产流时间逐渐缩短，PAM对缩短产流时间效果很明显；浓度在由5‰增加到10‰的过程中，产流时间减少趋势趋于平缓，仅有小幅下降；PAM溶液浓度大于10‰后，坡面土壤产流时间有所延长，说明10‰为阈值浓度，大于此值后产流时间延长。由此可见，在相同降雨条件下，土壤表层经PAM处理后并未增加土壤入渗、延长产流时间，反而缩短了产流时间，最小产流时间比未经PAM溶液处理的对照试验缩短了54.4%，这说明江苏沿海地区的粉质砂壤土经试验浓度范围内的PAM处理后降低了土壤入渗速率，这与前人研究显示的PAM增加土壤入渗的结果相反。

图1 PAM浓度对产流时间的影响

王爱萍等[6]研究发现PAM对抑制土壤表面结皮和减少土壤侵蚀的效果相当显著，但它对土壤的渗透能力和地表径流的影响作用目前尚无定论，而PAM的性质、施用方式、施用时间以及土壤性质和地形条件等都可能影响PAM对土壤入渗的作用效果[7-11]。PAM作为土壤结构改良剂，具有增加土壤表层颗粒间凝聚力、改善土壤微结构、增强土壤团聚体稳定性、抑制土壤结皮发生等作用，从而增加土壤入渗[6]。本试验出现相反的试验结果，究其原因在于供试土壤为江苏沿海粉质砂壤土，其结构很差，砂粒含量很高，缺少可分散的黏粒，因此经PAM处理后会引起土壤表面封闭，导致土壤入渗率降低，缩短了坡面土壤的产流时间。

2.2 PAM浓度对径流量的影响

陈渠昌等[12]通过野外沙壤土坡地人工降雨产流试验发现，施用PAM确实具有影响土壤入渗率的作用，但其用量的大小可以改变PAM对土壤入渗率的影响结果，小用量时能够提高土壤的入渗率，减小坡地径流；大用量时能降低土壤的入渗率，增加坡地径流。崔海英等[13]对粗砂土进行研究发现，不同土壤施用PAM后对产流量的影响不同，结构较差的粗砂土施用后会减小土壤的入渗率、增加径流量，结构较好的壤土施用后会增加土壤的入渗率、减少径流量。综合多位学者的研究成果得出结论，PAM对土壤径流量的影响受土壤质地、结构及PAM用量等多方面因素的制约。

图2 为试验得出的PAM浓度与径流量的关系。由图2知，就整体趋势而言，试验土壤径流量随PAM浓度升高呈现增加趋势。PAM浓度在0～10‰范围内时，随着PAM浓度的逐渐升高，径流量也随之升高；PAM浓度在由10‰升至15‰时，径流量呈现下降趋势。

图2 PAM浓度与径流量的关系

2.3 PAM浓度与土壤侵蚀量的关系

不同浓度PAM溶液处理的土壤坡面产生的土壤侵蚀量见图3。由图3知，在相同降雨强度、降雨历时的情况下，未经PAM溶液处理的供试土壤侵蚀明显，而PAM溶液处理措施对土壤侵蚀有明显的抑制作用。施加1.25‰PAM溶液后，土壤侵蚀量降低了约97.2%；PAM溶液浓度增加至2.5‰、3.75‰时，土壤侵蚀量继续保持减少趋势；PAM溶液浓度为5‰、10‰、15‰时，土壤侵蚀量保持不变，达到最低值，说明PAM溶液对土壤侵蚀的抑制作用存在阈值浓度，即PAM浓度达到5‰时，其对土壤侵蚀的抑制作用达到最大，此后继续提高PAM溶液浓度，其对土壤侵蚀的抑制作用不再增加。

在一定浓度范围内，用量会影响PAM减小土壤侵蚀的作用。增大用量，土壤侵蚀量将明显减小，但同时成本也会增加。由试验结果知，对于江苏沿海地区粉质砂壤土施加PAM溶液的最优浓度为5‰，可以达到最适宜用量、发挥最大限度减少土壤侵蚀的作用。

综上所述，江苏沿海地区粉质砂壤土施用PAM溶液后，在相同降雨条件下，呈现出土壤坡面产流时间变短、径流量增加以及土壤侵蚀量减少的趋势。分析其原因，江苏沿海地区的粉质砂壤土经PAM溶液处理后会引起土壤表面封闭，出现坡面硬化，导致土壤入渗率降低，进而导致产流时间变短，在相同降雨量条件下径流量增加；虽然径流量增加增大了携带泥土的可能性，但由于土壤表面封闭作用，使得径流携带泥沙的能力大大下降，因此坡面的土壤侵蚀量大大减小了。

3 结 语

(1)PAM浓度在0～10‰范围内时，土壤产流时间随着PAM浓度的升高逐渐缩短；浓度升高达5‰～10‰时，产流时间缩短幅度变小；浓度10‰为PAM影响产流时间的拐点阈值，浓度继续升高则产流时间有所推迟。

(2)由于本试验选取的土壤为江苏沿海粉质砂壤土，其结构较差，砂粒含量很高，缺少可分散的黏粒，因此经PAM处理后会引起土壤表面封闭，导致土壤入渗率降低，土壤坡面径流量呈上升趋势。这可能是其土壤入渗机制与常规土壤呈现相反趋势的原因。

(3)PAM对抑制土壤侵蚀有明显作用。在0～5‰浓度范围内时，随PAM浓度的升高土壤侵蚀量逐渐降低；当浓度大于5‰后，其对土壤侵蚀的抑制作用不再增加。

(4)上述结论仅为室内模拟试验所得，其正确性有待进一步证实。

[参考文献]

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[13] 崔海英,任树梅,刘东,等.聚丙烯酰胺对不同土壤坡地降雨产流产沙的影响研究[J].中国水土保持,2006(2):20-22.