Jag C162对黄土坡面降雨入渗的调控效应研究

2014-09-13 10:06王占礼刘俊娥

水土保持通报 2014年1期

焦念，王占礼，刘俊娥

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100； 3.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100)

中国是世界水土流失最为严重的国家之一。据第3次全国土壤侵蚀普查资料，中国每年土壤流失量约5.0×1010t[1]。大量的水土流失已经对生态环境和经济可持续发展造成了严重的威胁，尤其是在黄土高原地区，严重的水土流失使大部分土地退化，植被破坏，泥沙、洪水灾害加剧，水利设施功能减低乃至丧失、损毁等[2]，严重制约了当地经济的发展和人民生活水平的提高。影响黄土高原水土流失的因子主要有降雨、地形、土壤质地、降雨入渗、抗蚀性、抗冲性等，其中，降雨入渗是影响降雨产流规律最重要的过程之一，是模拟土壤侵蚀过程的基本输入变量，也是实施水土保持规划需要认真考虑的重要因素。许多学者将增加入渗、就地拦蓄降雨径流作为防治水土流失的基本战略措施[3-4]。所以，提高降雨入渗是减少水土流失必不可少的一部分。防治水土流失的传统技术主要有生物措施和工程措施，近年来兴起一类非传统的化学措施，即在土壤中添加高分子化合物，利用其改善土壤结构以达到调控水、土和减少侵蚀的目的。化学措施具有见效快、成本低的特点，特别是对防治无植被或少植被覆盖裸土的水蚀与减小径流具有重要价值。高分子化合物应用于调节土壤结构始于20世纪50年代，其中聚丙烯酰胺(PAM)应用最为广泛，保持水土的效果也相当明显。大量研究表明，应用PAM作为一种土壤结构改良剂或稳定剂，可以增加土壤表层颗粒间凝聚力，维持良好的土壤结构，防止土壤结皮，增加降雨入渗[5]，减少地表径流，防止土壤流失[6]。因此将PAM用于土壤提高入渗率具有十分重要的意义。

有关施放PAM可以增加降雨入渗，国内外的学者做了大量的研究。大量的室内试验和大田试验表明在土壤表面施用PAM可以保持土壤较高的入渗率[7-10]。Onofiok等[11]的试验表明，PAM可改善土壤表层结构，抑制土壤封闭和结皮形成，改善土壤渗透性能，增加降雨入渗。Ben—Hur等[12]通过室内模拟降雨研究表明在土层上喷施PAM可以大大地提高降雨入渗。Lentz[13]和Levy等[14]的模拟喷灌试验表明浓度1.00×10-5的PAM灌入水中，最终入渗量增加30%～70%。Green 等[15]根据试验分析，认为不同分子量的PAM对不同质地的土壤均有很好的效果，提高渗透率3～5倍。唐泽军等[16]通过人工降雨模拟试验研究PAM对入渗能力的响应，结果表明，PAM能显著地增加降水入渗量，而且随PAM施放量的增加，累积降水入渗量也增加。陈渠昌等[17]的试验研究表明，PAM用量0.5 g/m2时，可以提高降雨入渗。于健等[18]研究不同PAM施用方法对降雨入渗的影响得出，无论什么施放方法和PAM的不同形态均能够显著增加降雨入渗，最大可增加2.8倍。赵伟等[19]通过上方供水方式模拟降雨径流，研究PAM对黄土坡面水分入渗的试验表明，在放水冲刷试验前期不同用量PAM均能增加水分入渗。于海龙等[20]的试验表明PAM混入土壤中可明显增加降雨入渗，可提高稳定入渗率1.8～2.7倍。

由以上的研究可见，PAM可很大程度地提高降雨入渗，减少地表径流，从而为减少水土流失奠定基础。PAM作为土壤结构改良剂在增加降雨入渗中，虽然得到了广泛的应用，效果也是可观的，但随着社会的发展，研发新的化学材料，寻找不同化学材料调控水、土的不同作用，以满足不同的水、土调控需求，更好地发挥化学材料保持水土的多功能效应，已成为一些水土保持工作者及化工企业的研究课题。

本文通过人工模拟降雨试验，对罗亚公司新开发的化学材料Jag C162对黄土坡面降雨入渗的调控效应进行研究，分析施放不同剂量Jag C162的土壤相对于裸土的入渗动态变化过程，探讨Jag C162的强化入渗效应，为黄土坡面水土流失治理及其措施选择提供科学依据。

1 材料与方法

试验在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行。试验土壤取自黄土高原的陕西省安塞县，土壤类型为黄绵土，土壤颗粒组成见表1。试验前期土壤容重均为1.2 g/cm3，前期含水量均为14%。

表1 试验土壤机械组成

试验设备为变坡钢质小区，长120 cm，宽40 cm，深25 cm。所有试验土壤自然风干并过5 mm筛，除去杂草和石块。裸土小区装土之前，在底部铺5 cm的天然细沙，铺上透水纱布，保持土层的透水状况接近天然坡面。为保证装土的均匀性，试验小区采用分层装土。填土时，采用边填充边压实，以减小边壁对入渗和产流产沙过程及坡面侵蚀微形态发育等的影响，并使下垫面土壤条件的变异性达到最小，保证试验土壤容重达到设计要求。填土后，用刮板将表面刮平整。试验所用化学材料为一种多肽衍生物，此处简称为Jag C162，该产品呈黄白色粉末状，遇水形成胶体。

Jag C162的施放方式为干撒施，按试验裸土小区装土的方法将土装好，然后取相当于2 mm厚的过筛干土壤，将其与Jag C162混合，搅拌均匀，然后分为10份均匀地撒在裸土小区相应的10段表面上，用刮板将其刮平整，静置一段时间后在其表面均匀地喷撒2 L水，使其与下层土壤很好的融合，将其放置15 h即可试验。

试验设计：雨强1.5 mm/min，试验坡度10°，15°，20°，土壤表面处理为裸土和撒施Jag C162 剂量为1，3，5 g/m2的组合试验12场；坡度15°，雨强1.0，1.5，2.0 mm/min ，土壤表面处理为裸土和撒施Jag C162 剂量为1，3，5 g/m2的组合试验12场；各场试验重复1次，共进行试验40场。试验开始后，出现产流后在小区的出口接样，产流后前3 min每隔1，2 min观测1次，以后每隔3 min观测1次，直到降雨结束。降雨历时为40 min。降雨结束后，量取接样浑水体积，并通过烘干称重法测量、计算得到接样中的泥沙体积，进而计算清水径流量，最后按照水量平衡原理计算出降雨入渗量和入渗率。

2 结果与分析

2.1 撒施Jag C162对降雨入渗过程的影响

坡面降雨入渗的过程可分为3个阶段： (1)初渗阶段，此时的入渗能力大于降雨强度，全部降雨就地入渗，地表没有产生径流，入渗率则等于降雨强度； (2)入渗衰退阶段，当表土已经饱和，地表开始积水，此时的入渗衰退，并随含水量的增加而减少； (3)稳渗阶段，此时入渗已经达到稳渗，基本保持稳定状态。

2.1.1 不同降雨强度下撒施Jag C162对降雨入渗过程的影响将同坡度(15°坡度)不同降雨强度下，裸土和撒施3种不同剂量Jag C162时段入渗率随时间的变化点绘如图1所示。

图1 不同降雨强度下撒施Jag C162对入渗率随降雨过程变化的影响

从图1可以看出，在各降雨强度条件下，撒施不同剂量Jag C162后，入渗率都随降雨时间的增加而逐渐减少。小剂量(1 g/m2)和中剂量(3 g/m2)下，随时间的增加，入渗率减少的趋势比较一致，而大剂量(5 g/m2)下，入渗率在降雨初始阶段减少速率比较大，经过一段时间，减少速率逐渐变小。在同一降雨时间下，裸土和撒施不同剂量Jag C162的入渗率的大小为3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。图1还可以看出，在不同降雨强度条件下，裸土的入渗曲线都显示了一个大致相同的趋势，产流形成后，在最初的短时间内，入渗率急剧减少，然后逐步地趋于稳定，最终入渗率很低。施放Jag C162的入渗率随时间下降幅度比较平缓，产流时间相对滞后，其中撒施3 g/m2的土壤产流时间最长，其次为撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤产流所需时间最短。到降雨结束时，施放Jag C162的入渗过程基本都没有达到稳定入渗阶段，入渗率减小的虽然很平缓，但也没有达到稳定入渗率。各降雨强度下，降雨30 min时裸土基本都到了稳渗阶段，稳定入渗率为0.63～0.74 mm/min，而撒施Jag C162的入渗率都没有达到稳定入渗率，但还是显著地高于裸土，其平均入渗率分别增加了22.95%～49.92%，32.64%～75.96%和30.39%～75.84%。

对比图1中不同降雨强度下的入渗率变化曲线得出，随着雨强的增大，初始产流时间提前，裸土达到稳定时的入渗率和此时撒施Jag C162的平均入渗率相对有所增加。其原因可能是随着雨强的增大，水体自身重力和雨滴打击所产生的冲力的增加，不仅可以加速入渗水流的速率，也可以使部分静止的毛管水加入到入渗水流中[21]。

2.1.2 不同坡度下撒施Jag C162对降雨入渗过程的影响同降雨强度(1.5 mm/min)不同坡度下，裸土和撒施3种不同剂量Jag C162的入渗曲线如图2所示。

图2 不同坡度下撒施Jag C162对入渗率随降雨过程变化的影响

从图2可以看出，在各坡度下，撒施不同剂量Jag C162后，入渗率都随降雨时间的增加而逐渐减少。小剂量(1 g/m2)和中剂量(3 g/m2)下，随时间的增加，入渗率减少的趋势比较一致，而大剂量(5 g/m2)下，入渗率在刚开始降雨时减少速率比较大，经过一段时间，减少速率逐渐变小。在同一降雨时间下，裸土和撒施不同剂量Jag C162的入渗率的大小为3 g/m2>5 g/m2>1 g/m2>裸土。由图2可见，在各坡度条件下，裸土的入渗曲线都显示了一个大致相同的趋势，产流形成后，在最初的短时间内，入渗率急剧减少，然后逐步地趋于稳定，最终入渗率很低，其中撒施3 g/m2的土壤的产流时间最长，其次为撒施1 g/m2的土壤，撒施5 g/m2的土壤的产流所需时间。到降雨结束时，施放Jag C162的入渗过程基本都没有达到稳定入渗阶段，较少情况下入渗率减小速率虽然很小，但也没有达到稳定入渗率。各坡度下，在降雨30 min时，裸土基本都到了稳渗阶段，稳定入渗率为0.71～0.75 mm/min，而撒施Jag C162的入渗率都没有达到稳定入渗率，但还是显著地高于裸土，其平均入渗率分别增加了13.70%～26.63%，41.21%～54.22%和34.53%～48.83%。

对比图2中不同坡度下入渗率变化曲线可以得出，随着坡度的增大，裸土达到稳定时的入渗率和此时撒施Jag C162的平均降雨入渗率都减小。造成这一现象的原因主要与坡面上水层的受压情况有关。坡面上的水分入渗主要受大气压力和水层压力的共同作用，随着坡度的增大，水层沿水平方向的压力增大，而垂直坡面的压力减小。同时由于水体沿坡面移动，水分进入土壤的机会减少，从而导致入渗率减小。

由图1—2可以看出，撒施Jag C162可增加降雨入渗，主要是由于Jag C162遇水可形成胶体，不但能有效地维护土壤团聚体的结构，而且能形成新的团聚体，增强了土壤结构的稳定性，有效地缓解了雨滴对土壤表面的打击，增加了土壤总孔隙率和毛管孔隙度，提高了入渗性能，大大降低了地表流速，产流时间推迟，入渗时间增加，从而增加降雨入渗。其次，在土壤表面撒施一定的Jag C162可有效地减少土壤的封闭作用，抑制结皮的形成，从而增加降雨入渗，但撒施的剂量超过一定的范围，反而会减少入渗率，不同雨强和不同坡度下撒施5 g/m2Jag C162的条件下入渗效果都较3 g/m2的条件下有所降低，究其原因可能是由于Jag C162加入过量，使过量的Jag C162随水分进入到土壤颗粒的孔隙当中，降低了土壤孔隙度，一定程度上抑制了水分入渗过程。随降雨过程的进行，雨滴不断打击，一方面使黏粒分散，堵塞土壤表层孔隙，另一方面使土壤颗粒紧密堆积，从而造成土壤封闭，形成土壤结皮，因而入渗率随降雨时间逐渐降低。

2.2 撒施Jag C162对入渗的强化效应

2.2.1 不同降雨强度下撒施Jag C162对入渗的强化效应降雨强度是影响入渗量的重要因素之一。

从图3中可以看出，撒施Jag C162的降雨入渗量明显高于裸土的入渗量，在不同剂量下，降雨入渗量随雨强的增加而呈现递增变化总趋势，各剂量下的增加速率不一致。小剂量下，降雨入渗量随雨强增大的增速相对平缓，中剂量和大剂量下降雨入渗量随雨强增大的增速不一致，1.5 mm/min雨强为转折点，在该点之前撒施3 g/m2Jag C162的土壤缓慢增大，降雨入渗量变化较小，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速比较大，超过该点，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入渗量随雨强的增大而快速增大，撒施5 g/m2Jag C162的土壤的增速相比略有减小。从图3中还可以看出，小雨强和大雨强下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入渗量最大，中雨强下3种剂量的降雨入渗量基本一致，相差无几。表2为不同降雨强度下撒施Jag C162的强化入渗效应。从表2中可以看出，在各雨强下，相对于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入渗的作用，其中撒施3 g/m2的入渗效应比较明显，入渗量最大可增加56.70%。撒施1和5 g/m2Jag C162的入渗效应相比，在1.0 mm/min雨强下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入渗效应大于撒施5 g/m2Jag C162的土壤，在2.0 mm/min雨强下，撒施1 g/m2Jag C162的降雨入渗效应小于撒施5 g/m2Jag C162的土壤。

图3 裸土和撒施不同剂量Jag C162下入渗量随降雨强度的变化

2.2.2 不同坡度下撒施Jag C162对入渗的强化效应图4为裸土和撒施不同剂量Jag C162下降雨入渗量随坡度变化关系。从图4中可以看出，撒施Jag C162的降雨入渗量明显高于裸土的入渗量，裸土的入渗量随坡度的增大略微有所增加，没有太大的变化，在撒施1和5 g/m2剂量Jag C162的土壤下，入渗量随坡度的增加而呈现递减变化趋势，而且减少速率基本一致，比较平缓，撒施3 g/m2剂量Jag C162的降雨入渗量随坡度先减少后增加。从图4中还可以看出，小坡度和大坡度下撒施3 g/m2Jag C162的降雨入渗量最大，中坡度下3种剂量的降雨入渗量基本一致，相差无几。

表2 不同降雨强度下撒施Jag C162的强化入渗效应

表3为不同坡度下撒施Jag C162的强化入渗效应。从表3中可见，在各坡度下，相对于裸土，撒施Jag C162的土壤都有增加入渗的作用，其中撒施3 g/m2Jag C162的入渗效应比较明显，入渗量最大可增加42.46%。比较不同坡度下，由撒施不同剂量Jag C162的降雨入渗效应可以看出，大坡度下的入渗量增加的百分比均小于小坡度，表明随着坡度的增大，撒施不同剂量的Jag C162的入渗效应呈现减小趋势。

图4裸土和撒施不同剂量JagC162下入渗量随坡度的变化

表3 不同坡度下撒施Jag C162的强化入渗效应

3 结论

(1)随着降雨时间的增加，裸土和撒施Jag C162的降雨入渗率都减小，但裸土的入渗率减小速率大于撒施Jag C162的土壤。裸土经过一段时间后入渗达到稳定状态，而撒施Jag C162的入渗率基本上都没有达到稳定入渗率。裸土达到稳定时的平均入渗率小于此刻对应的撒施Jag C162的平均入渗率，撒施Jag C162的入渗率最多增加了75.96%。撒施Jag C162后，初始产流的时间也相应地推迟，撒施3 g/m2Jag C162的土壤的产流时间最长。

(2)同坡度不同雨强和同雨强不同坡度下，撒施Jag C162后，入渗率都有显著的提高，撒施3 g/m2Jag C162的降雨入渗效果比其他两个好。随着降雨强度增大，裸土的稳定入渗率和撒施3种不同剂量下的平均入渗率有增大的趋势。随着坡度的增加，裸土的稳定入渗率和撒施3种不同剂量下的平均入渗率逐渐减小。

(3)撒施Jag C162的入渗量明显高于裸土的入渗量，在不同剂量下，入渗量随雨强的增加而呈现递增变化总趋势，各剂量下的增加速率不一致；入渗量随坡度的增加逐渐减小。

(4)撒施Jag C162对坡面降雨入渗有明显的调控效应，可大幅度的增加入渗率，减少地表径流和土壤侵蚀。

由试验结果可以得出，撒施Jag C162可以提高降雨入渗率，增加降雨入渗量，具有很好的强化入渗效应。无论是同坡度不同雨强还是同雨强不同坡度条件下，撒施3 g/m2Jag C162的入渗率和入渗量增加量最多，最大可分别增加75.96%和56%，而且入渗效应也是最显著的。这与许多学者研究高分子化合物(如PAM)对降雨入渗的影响的结果[16-19]基本一致。但是仍有一些学者的研究与之不同。陈渠昌等[17]研究认为当PAM用量达到3 g/m2，反而降低了降雨入渗速率。这可能与高分子化合物PAM和Jag C162的化学组成、性能有很大的关系，除此之外试验土壤、试验条件的不同也可能是造成试验结果不同的原因。

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