PAM协同牧草对滨海盐渍土区水土保持作用研究

王 俊，聂 杰，刘德斌，马 莉，邵 莉，樊尊荣

(1.江苏省水利科教中心，210029，南京；2.江苏省沿海水利科学研究所，224200，东台）

PAM协同牧草对滨海盐渍土区水土保持作用研究

王 俊1，聂 杰1，刘德斌2，马 莉2，邵 莉1，樊尊荣1

(1.江苏省水利科教中心，210029，南京；2.江苏省沿海水利科学研究所，224200，东台）

探索适合滨海盐渍土区的水土保持技术，江苏省水利科教中心在东川农场采取小区对比试验方法，研究聚丙烯酰胺（PAM）协同3种牧草对滨海盐渍土区实施水土保持。研究表明：PAM的施用对3种牧草均有促进土壤提高抗侵蚀能力的作用，可减少土壤侵蚀量，提升雨水截留量；1g/m2的PAM施用后，其水土保持效率最高，可减少年侵蚀量42.8%～46.7%。PAM的施用可抑制土壤腾发总量28.7%～40.4%，增大土壤水分散失量5.0%～12.4%，有利于防治滨海盐渍土区水土流失，改善生态环境。

滨海盐渍土；牧草；聚丙烯酰胺（PAM）；水土保持

一、研究背景

江苏省地处我国东部沿海地区，拥有广袤的海洋滩涂，这部分土地作为后备资源，在近年的围垦开发下，陆续形成了具有典型滨海盐渍土特征的垦区农田。由于成陆时曾受海水长期浸泡，部分田块土壤存在着不同程度的盐渍化、次生盐渍化现象，其土壤中的 CL-1与 SO42-的浓度比值CSR普遍介于4.26～8.69之间，属氯化物盐土，具有沙性重、有机质含量低、团粒结构松散、遇雨水易流失等特性。为探索适合江苏滨海盐渍土区的水土保持技术，防治水土流失，改善生态环境，2014年江苏省重点水利科技项目，开展了聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，以下简称PAM)协同牧草对滨海盐渍土区水土保持的研究。

二、材料与方法

聚丙烯酰胺作为一种高分子土壤改良剂，因其造价低廉、施用方便、效果显著等特点，近年被广泛应用于水土流失治理。聚丙烯酰胺能否适用于含盐量高的滨海盐渍土壤，江苏省水利科教中心选择了东台市东川农场为试验场地。

1.试验材料

（1）试区土壤

该场地处江苏滨海盐渍土区中心地带，滨海盐渍土在当地分布广泛。试验区土壤基本理化性状见表1。

（2）土壤改良剂

聚丙烯酰胺选用上海韦卓化工有限公司生产的产品，分子量800万～1 200万，水解度30%，包装规格为25 kg/袋的白色颗粒状固体。

（3）牧草品种

滨海盐渍土壤含盐量高，试验选用的牧草品种应具备一定耐盐碱能力，且在当地有一定的种植历史和规模。供试品种选用了狗牙根，禾本科狗牙根属，多年生草本植物，引种自江苏南京；高羊茅，禾本科羊茅属，多年生草本植物，引种自浙江宁波；黑麦草，禾本科黑麦草属，多年生草本植物，引种自江苏淮安。

表1 试验区土壤（0～25 cm）理化性状

2.试验方法

（1）试区布置

试验区布设于东川农场内蹲门路东侧一排沟以西的青坎上，其南北长400 m，东西宽10 m，坡比1∶3。区内自北向南沿平行于一排沟方向单行布设36个试验分区，每分区面积均为100 m2（10 m×10 m）。为避免相邻分区间试验结果干扰，分区间均设置隔离行，行宽1 m，且分区左右两侧埋设高度为0.5 m的混凝土隔板以隔离，埋设后的隔板上沿高出地表0.2 m。

（2）参数控制

参试的3个品种（狗牙根、高羊茅、黑麦草）于当年3月25日播种，土壤改良剂（PAM）控制4个剂量水平依次为：高剂量（5 g/m2）、中剂量（3 g/m2）、低剂量（1 g/m2）和对照 CK（0 g/m2），每剂量水平重复2次；各试验分区采用随机方式排布。

（3）主要指标及方法

①土壤侵蚀量：钉子法。在待测分区内（100 m2）均匀打入10 cm长铁钉50根，钉帽与地面平行，试验结束时测量露出地表铁钉的高度，进而推算出分区土壤的侵蚀量。试验区地处江苏沿海，属典型的海洋性大陆气候，降雨主要集中在4～9月，故本次试验只测量了4～9月试区土壤侵蚀量。

②土壤腾发量：取试验分区深1.5 m、直径0.4 m的原状土柱装于有底PVC测桶内（表土层栽植牧草），测桶底部与马氏瓶间经塑料软管相连，如图1所示，利用马氏瓶的升降调节测桶内原状土柱水位,使之与观测井中地下水水位一致，依据马氏瓶内水量增减计算出分区单位面积土壤腾发量。

③雨水截留量：由牧草拦截与土壤下渗两部分组成，利用试验分区内布设的雨量筒与投影面积计算出自然降雨量QT，在分区坡面底部设置独立集水沟，用于测量降雨后的地表径流量QS，则雨水截留量Q=QT-QS。

④水分散失量：环刀法。取试验分区内0～25 cm原状土样，浸泡于注有蒸馏水的容器内至饱和，取出并擦去外部水渍称重后，置于室内常温环境下存放一个月至自然风干；取样后每日用精度0.01 g电子天平称重，则试验中相邻两日间环刀重量差值为单日水分散失量。

图1 试验分区土壤腾发量测定装置和雨水截留量测定示意图

（4）监测时间及频次

土壤侵蚀量是在试验结束时测定一次；土壤腾发强度是在试验初期（3月25日—5月31日）、中期（6月1日—7月31日）和末期（8月1日—9月30日）三个阶段中连续7天无降雨情况下进行测定，以7天内日平均腾发量作为阶段腾发强度；将试验期间（3月25日—9月30日)逐日腾发量汇总得腾发总量；雨水截留量在降雨后有地表径流产生时进行测定，具体测定日期以实际降雨时间为准；水分散失量是取样后30天内，每日上午9时称重一次，试验结束时加测105℃烘干至恒重的环刀 （含土样）重量，计算出饱和含水量。

三、结果与分析

1.土壤抗侵蚀能力分析

一段时间内土壤受降雨和风力作用产生的流失量，通常以侵蚀模数表示。试验结束，量测各试区土壤侵蚀厚度，计算出相应的土壤侵蚀模数，见图2。由图2可知，土壤侵蚀模数与牧草品种的选择有一定关系。3种牧草的侵蚀模数自大到小顺序依次为黑麦草＞高羊茅＞狗牙根。原因分析：黑麦草品种在生长后期，出现部分成熟枯萎现象影响了牧草的水土保持效果；狗牙根是一种矮生牧草且紧贴地面，对土壤有极强的锁定抓牢作用，降雨时不易形成雨水滴溅导致土壤流失的发生，故狗牙根的侵蚀模数明显小于高羊茅，两者间相差1.74～3.02倍。

从图2还可看出，同一牧草品种施用PAM后，土壤侵蚀模数表现为低剂量＞中剂量＞高剂量，其值依次为524.1～1128.4 t/km2、113.8～454.1 t/km2和87.4～282.7 t/km2；土壤抗侵蚀能力表现为低剂量＜中剂量＜高剂量，与对照CK相比，可减少土壤侵蚀量895.8～1 689.9 t/km2，其减少量分别占对照 CK的 42.8%～46.7%、77.0%～88.4%和85.7%～91.1%。由此可知，同一牧草品种下，土壤抗侵蚀能力随PAM施用剂量的增加而上升，保土效果相应增强；但从单位质量PAM所发挥的保土效益分析，施用中、高剂量后其值分别占低剂量值的60.0%～63.1%和 39.0%～40.8%，单位质量PAM所发挥的保土效益呈逐步下降趋势。

图2 品种间不同剂量PAM施用下土壤侵蚀情况

2.土壤腾发量分析

通过研究土壤的腾发量变化规律，揭示自然状态下分区土壤中水分消耗情况。试验结束时将各分区土壤腾发总量汇总，结果见图3。由图3可以看出，同一牧草品种土壤腾发总量一致表现为：对照CK＞低剂量＞中剂量＞高剂量，即施用PAM对土壤的腾发量有一定抑制作用，与对照CK相比，可减少土壤腾发量28.7%～40.4%，且抑制作用随PAM施用剂量的增加而上升。此外，株型高大的牧草品种（高羊茅、黑麦草）腾发总量整体大于株型矮小品种（狗牙根），这是因为腾发量由棵间蒸发与叶面蒸腾两部分组成，尽管高大株型品种生长中后期对地表的覆盖能力得到增强，一定程度上可降低土壤的棵间蒸发量，但由于此阶段经叶面蒸腾所消耗的水量增加值远远大于对地面遮盖所减少的棵间蒸发量，进而导致土壤腾发量不断增大且叶面蒸腾量所占比例进一步上升，最终使得牧草株型对土壤腾发总量起决定作用。

图3 品种间不同剂量PAM施用下土壤腾发总量变化

为研究试验分区间土壤水分消耗状况与牧草生长期间的关系，试验结束时将各阶段土壤腾发强度进行分析后发现，不同剂量PAM的施用，土壤腾发强度在各品种间一致表现为：中期＞末期＞前期，且腾发强度间的差别随着PAM施用剂量的增加而逐步减小，由0.18～0.64 mm/d减少为0.12～0.56 mm/d和0.09～0.53 mm/d；各阶段土壤腾发强度差别显著，四剂量水平PAM施用下其土壤腾发强度差别在1.61～6.57倍之间。

3.雨水截留量分析

将各分区自然降雨时的雨水截留量进行统计可知，雨水截留量与牧草品种及PAM施用剂量间存在一定关系。同场次降雨下，不同品种牧草对雨水的截留能力表现为：高羊茅＞黑麦草＞狗牙根，且高羊茅与黑麦草较接近；同一品种各剂量PAM的施用，对雨水的截留能力表现为高剂量＞中剂量＞低剂量，且在牧草生长前期表现得尤为显著。这是因为雨水截留量由地表牧草拦截量和试区土壤下渗量两部分组成，相同水平PAM施用下，牧草对雨水的拦截能力与株型关系较密切，高羊茅与黑麦草的株型高大且叶片茂盛，其对雨水的拦截能力显著大于株型矮小的狗牙根品种；各剂量PAM的施用会对土壤结构产生影响，在0～5 g/m2剂量范围内,土壤下渗能力表现出随PAM施用量的增加而增大趋势。生长前期的牧草发育尚未完全，对雨水的截留能力较弱且品种间差异较小，此阶段影响雨水截留量的关键因素是土壤下渗能力，故受PAM施用量的影响较显著，3种剂量水平PAM施用后可提升雨水截留量16.5%～33.8%；至生长中后期，随株型长大，其对雨水拦截能力进一步增强，牧草株型逐步转化为影响雨水截留量的主导因素。

4.土壤持水能力分析

通过研究土壤水分散失情况分析土壤持水能力。以狗牙根品种为例，试验结束后，取分区原状土样进行水分散失试验，通过试验可以看出，土壤水分逐日散失量与PAM施用剂量间存在一定相关性，整体表现为高剂量＞中剂量＞低剂量，与对照CK相比，测试初期土壤水分散失量偏大5.0%～12.4%，随测定天数的延长，差距逐渐减少。具体表现为取样后1～5天内，散失量为4.69～3.19 g/d，散失最为显著；至6～15天之间，散失量逐步减小为2.94～1.28 g/d；16天以后，散失量进一步减小为1.23～0.24g/d。

通过分析还可看出，累计散失率随测定天数的延长而逐渐增大，至试验末期差异最大且变化趋于平缓，表现为低剂量＞中剂量＞高剂量，与空白CK相差1.83%～3.25%。分析原因是逐日散失量与土壤孔隙率、饱和含水量及散失时长三者间密切相关，PAM施用后会加大土壤中团聚体数量的形成，促使孔隙率上升，进而使得饱和含水量增加，0～5g/m2PAM施用后的土壤饱和含水量依次为 45.73 g、50.81 g、54.08g和56.33 g；虽然逐日散失量呈现出随PAM施用剂量的升高而增大的特点，但由于PAM施用后对饱和含水量的增大效果显著，使得不同剂量土壤累计散失率呈现出随PAM施用量的增加而降低趋势。由此可知，PAM的施用会对土壤的持水能力产生影响，在0～5g/m2剂量范围内，逐日水分散失率呈现出降低趋势，土壤持水能力表现为随PAM施用剂量的上升而增大。

四、讨论

①通过试验可知，施用PAM可促进牧草的固土保水效果。分析原因是PAM作为一种高分子土壤改良剂，施用于滨海盐渍土壤能显著增加土壤中团聚体含量，在1～5 g/m2剂量范围内，利于形成牧草生长所需的良好土壤环境，促进根系发育，进而增加其固土保水能力。由于PAM利于土壤大颗粒的出现，易形成疏松多孔结构，从而增加了土壤对雨水的蓄积涵养能力。

②牧草措施下，受植株遮盖作用的影响，土壤表层形成一定相对稳定的气候小环境，不利于土壤表面水分的散失，进而对腾发量起到抑制作用；而在水分散失量试验时，由于无植物覆盖，土壤表面直接暴露于外界干燥的室内环境中，加之土壤结构疏松多孔，加剧了水分散失，其散失的剧烈与否与土壤疏松多孔程度密切相关，使得施用高剂量的土壤水分散失量反而增大。

③从试验还可以看出，1～5 g/m2剂量范围内，PAM投加量变大时，土壤持水能力增强。另一方面，PAM溶于土壤后，形成一定数量的胶体物质，通过水合作用结合一定量的土壤水，遇干旱时，这部分土壤水因渗透压力的作用而缓慢释放，可供作物吸收利用。

④PAM的协同作用主要集中在前期。牧草生长的前期，水土保持能力较弱，前期主要是利用PAM的保水固土优势；至生长中后期，随着植株的长大和PAM的消耗，牧草株型逐步转化为影响水土保持效果的主导因素。

⑤当PAM投加量为1 g/m2时，其固土保水效益最高。随着PAM投加量的增加，过量溶解于土壤中的PAM，以水合状态的形式出现，形成黏稠胶体，可能会堵塞土壤毛细管，抑制土壤水分散失；加之土壤中未参与PAM聚合的黏粒、团聚体和小颗粒数量的减少，使得单位质量PAM的水土保持效果随PAM投加量的增大不断下降。

五、结论

①生物措施下施用PAM，对江苏滨海盐渍土区土壤抗侵蚀能力的提升，具有良好的促进作用。与对照CK相比，可减少土壤侵蚀895.8～1 689.9 t/km2，占侵蚀总量的85.7%～91.1%；就单位质量PAM的水土保持效益而言，可优先考虑低剂量（1 g/m2）的施用模式。

②PAM的施用会对土壤腾发量、雨水截留量和水分散失情况造成影响。施用PAM后，可抑制土壤腾发总量28.7%～40.4%；增大土壤逐日水分散失量5.0%～12.4%，降低水分散失率1.83%～3.25%，促进土壤持水能力上升；在牧草生长初期，提升雨水截留量16.5%～33.8%。

③从水源涵养角度考虑，PAM的协同作用主要集中在牧草生长前期。前期利用PAM的改土保水优势，抑制土壤腾发的产生和加强雨水截留能力，适量的PAM可与植物间形成有利互补；后期随着植物优势的增加，株型逐步转化为影响水土保持效果的主导因素。

[1]赵明华，杨延春，邹志国，等.江苏沿海地区生物措施提高水土保持效益研究[J].水土保持研究,2004,11(3).

[2]刘纪根，雷廷武，蔡强国.施加聚丙烯酰胺后坡长对侵蚀产沙过程的影响[J].水利学报,2004(1).

[3]陈渠昌,雷廷武,李瑞平.PAM对坡地降雨径流入渗和水力侵蚀的影响研究[J].水利学报,2006,37(11).

责任编辑 韦凤年

Studies on function of PAM cooperated with pasture grass on salinized soil in coast area

Wang Jun,Nie Jie,Liu Debin,Ma Li,Shao Li,Fan Zunrong

Studies are made on the approach of soil conservation by using Polyacrylamide(PAM)cooperated with three types of pasture grasses to recover salinized soil in coast area.The study shows that PAM can enhance the ability of erosion control,reduce soil loss and increase amount of intercepted rainwater after it applied to these three types of grass.When 1g/m2of PAM is applied,the efficiency of soil conservation turns to be the highest and can reduce the amount of annual erosion by 42.8%～46.7%.The adoption of PAM can restrict the evapotranspiration of soil by 28.7%～ 40.4%,increase loss of soil moisture by 5.0%～12.4%,which is beneficial for control of soil and water loss in salinized land and eco-environment restoration in coast areas.

salinized soil in coast area;pasture grass;polyacrylamide(PAM);soil and water conservation

S157.2

B

1000-1123（2016）02-0051-04

2015-12-05

王俊，副研究员，博士。

江苏省重点水利科技项目（2014017）。