大荔县沙质土壤入渗特征研究

王雨点+谢恒星

摘要：以陕西省渭南市大荔县的沙质土壤为研究对象，通过室内模拟试验，分析沙质土壤入渗的特点。结果表明，聚丙烯酰胺（PAM）试剂对空隙较大、入渗较快的沙质土壤具有保水作用，可以延缓水分的下渗速率，保持土壤的湿润。通过对纯水（CK）以及浓度分别为1、2 g/m3的PAM溶液在渗入土壤时湿润锋随时间变化的观察，发现沙质土壤保水能力在加入PAM后有了较大的改善。

关键词：沙质土壤；聚丙烯酰胺；入渗特征；大荔县

中图分类号：S152.7+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）07-1242-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.011

Research on Infiltration Characteristics of Sandy Loam Soil in Dali County

WANG Yu-dian， XIE Heng-xing

（College of Agricultural Business， Weinan Normal University， Weinan 714099， Shaanxi， China）

Abstract： Taking the sandy soil in Dali county， Weinan city， Shaanxi province as the research object，the infiltration characteristics of sandy soil were analyzed by indoor simulation test. The results showed that the polyacrylamide（PAM） reagent had a water-retaining effect on the sandy soil with larger porosity and faster infiltration，which could delay the moisture content of water and keep the soil moist. Through the observation of wetting front change trend with time when the solution of pure water and PAM with concentration of 1，2 g/m3 seeped into sandy loam soil， we found that the water-holding capacity of sandy loam soil was greatly improved after adding PAM.

Key words： sandy loam soil； polyacrylamide （PAM）； infiltration characteristics； Dali county

陕西省渭南市大荔县位于关中平原东部，属于暖温带半湿润半干旱季风气候，年降水量514 mm。大荔县土壤属于沙质土壤，土壤颗粒间隙大，毛细管作用弱，土壤质地疏松，通透性好，由此导致土壤保水性差，蓄水能力弱，不耐寒，土温变化较快，但耕作起来比较容易；沙质土壤中有机质分解快，导致土壤保肥性差，各种养分都比较贫乏。沙质土壤对大荔县的作物种植有明显的限制，只适合种植花生、萝卜、西瓜等抗旱类作物。要发展该地农业，必须改善土壤的灌溉条件，提高土壤的保水能力。目前国内外在滴灌理论和技术方面已经进行了大量的研究工作[1-3]。大量研究表明，使用土壤调理剂聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）可以减少地表径流和土壤侵蚀[4-9]。近年来，在沟灌和喷灌过程中，将溶解的PAM加入到灌溉水中被广泛用来防止土壤侵蚀，增加灌溉水入渗率。在自然降雨的情况下，PAM必须在雨季来临之前施入到土壤表面，发挥其水土保持功效。本研究以陕西省渭南市大荔县的沙质土壤为研究对象，通过室内模拟试验，分析沙质土壤入渗的特点，以期为沙质土壤的治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验土壤为陕西省渭南市大荔县棕壤土。自然风干后，过1 mm孔径的土筛后利用沉降法对土壤进行颗粒分析，沙粒、粉沙粒和黏粒含量分别为33.10%、35.60%和11.07%，按照中国土壤质地分类标准，供试土壤为沙质土壤。

PAM是丙烯酰胺均聚物和各种共聚物的统称，包括非离子型（NPAM）、阴离子型（APAM）、阳离子型（CPAM）和两性离子型，有液态、胶装、粉状等各种物理形态数十种，是应用广泛的水溶性高分子化学产品。按分子质量大小分为低、中、高和极高分子质量4级。本试验采用的聚丙烯酰胺为高分子质量，阴离子型，白色粉末非结晶固体，其物理性质参见文献[10]。

1.2 方法

试验系统由三棱柱土箱和供水系统两部分组成（图1）。三棱柱土箱采用夹边为100 cm、高50 cm、夾角为15°的三棱柱有机透明玻璃箱。供水部分用高40 cm、外径15 cm的马氏瓶供水并控制水压保持溶液流速恒定。

本研究的PAM施用方式为溶液，分别设置0（CK，纯水对照）、1（T1）、2（T2）g/m3 3种浓度。利用电子天平称量试验所需PAM的量，将称量好的试剂加入纯净水中，用玻璃棒搅拌均匀，使其充分溶解。利用马氏瓶来控制溶液流速。将试验土自然风干后（θi=3.1%）过1 mm孔径土筛后，按照预定容重分层（5 cm）均匀装入三棱柱有机玻璃箱。按照容重分层装土有利于保证土箱内各部分土壤均匀分布，减小因土壤分布不均而引起的溶液下渗误差，保证试验数据的准确性。本试验在渭南师范学院化学与环境学院水文分析实验室内进行，试验进行3组，其中两组为对照组。试验开始后，本着先密后疏的原则观测湿润锋在水平和垂直方向上的分布。

2 结果与分析

2.1 普通滴灌条件下湿润锋的变化分析

土壤渗透速率指单位时间内地表单位面积土壤的入渗水量。风干土壤积水入渗过程中，在起始阶段由于地表处的土壤基质势梯度很大，此时入渗率也非常大，即初渗期。水分一方面主要在分子力的作用下被土粒快速吸附成薄膜水，另一方面快速填满表层土壤并形成水势梯度，入渗锋面快速延伸。随着水分进一步下渗，入渗水分在毛管力和重力的作用下，在土壤孔隙中向下不稳定流动，并逐步填充表层以下土壤孔隙，直至全部孔隙为水分所饱和，入渗率由递减较快趋于稳定，土壤进入稳渗期，成为由土粒和水分组成的二相系统[11]。

在没有PAM流量条件下，普通滴灌水平湿润锋与垂直湿润锋随时间的变化如图2所示。由图2可知，在整个入渗过程中，水平湿润锋和垂直湿润锋始终保持着随时间的增加而增大，且水平湿润锋始终大于垂直湿润锋。在入渗的初始阶段（0～10 min），垂直与水平湿润锋的比值随着时间的延长而升高，当入渗到一定时间（10～20 min）时，水平与垂直湿润锋的比值略有降低，30 min后两者比值基本稳定在1.35左右，说明此时水平湿润锋和垂直湿润锋的扩展速率基本同步。

2.2 不同PAM浓度滴灌条件下湿润锋的对比分析

在PAM为0（CK）、1（T1）、2（T2） g/m3的滴头流量条件下水平和垂直湿润锋的对照结果如图3、图4所示。由图3可知，在整个入渗过程中，相同时间下水平湿润锋表现为T2

由图4可知，在初始阶段（0～20 min），纯水对照的垂直湿润锋与T2的比值迅速减小，从2.10降到1.16，与T1的比值也是迅速减小，不过下降速度略小于前者，从1.31降到1.19。20 min以后，纯水对照与两种浓度PMA条件下的灌溉水的垂直湿润锋运移的比值都趋于稳定，且比值接近。综合比较来看，纯水对照的水平湿润锋以及垂直湿润锋与T1的比值始终小于与T2的比值。

3 结论

利用PAM试剂来改变沙质土壤的结构，使土粒的吸附能力加强以达到保水的效果。国内关于土壤入渗和水分运移，PAM试剂研究较多，但大多属于专项研究，综合性研究较少。本试验在室内模拟了点源灌溉，初步探讨了沙质土在点源滴灌条件下水分的水平垂直运移规律以及不同PAM浓度条件下湿润锋随时间的变化，得到如下结论。

1）PAM在普通的滴灌条件下，水分运移变化明显。在入渗的初始阶段，水平湿润锋的水分运移速率大于垂直湿润锋水分运移速率，两者的比值随着时间的增加而增大，当入渗进行到一定的时间，两者的比值基本保持不变。

2）相同流速下，加入PAM的灌溉水和普通灌溉水的水平和垂直湿润锋均随时间的增加而增加，且加入PAM的灌溉水的水平、垂直湿润锋均小于普通灌溉水条件下的水平、垂直湿润锋。普通灌溉水和加入PAM的灌溉水在水平方向的湿润锋比值先上升后基本保持稳定，而在垂直方向上的湿润锋比值则先降低后稳定在某一值附近，说明PAM可以改变水分的运移速率。

3）不同浓度的PAM滴灌条件下，对于土壤的入渗效果影响明显不同。PAM浓度为1 g/m3和PAM浓度为2 g/m3的滴灌条件下，水平和垂直湿润锋均随时间的增加而增加，但PAM浓度大的灌溉溶液较PAM浓度低的灌溉溶液在水平和垂直方向上运移速率要慢。说明PAM浓度越大，土粒吸附水分的能力越强。

参考文献：

[1] 孙海燕，李明思，王振华，等.滴灌点源入渗湿润锋影响因子的研究[J].灌溉排水学报，2004，23（3）：14-16，27.

[2] 胡笑涛，康绍忠，马孝义，等.地下滴灌条件下沙质土壤入渗特征试验研究[J].灌溉排水学报，2004，23（5）：75-77.

[3] 李明思，康绍忠，孙海燕.点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究[J].农业工程学报，2006，22（4）：32-35.

[4] 于 健，雷廷武，SHAINBERG I，等.不同PAM施用方法对土壤入渗和侵蚀的影响[J].农业工程学报，2010，26（7）：38-44.

[5] 王永敏，李俊颖，王定勇.不同剂型聚丙烯酰胺对冷沙黄泥土壤持水性能的影响[J].农业工程学报，2010，26（8）：96-101.

[6] 刘玉贵，张 瑾，朱忠其，等.聚（丙烯酸-丙烯酰胺）高吸水树脂吸水保水性能研究[J].动能材料，2013，44（13）：1842-1846.

[7] 張 蕊，于 健，白岗栓.聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展[J].安徽农业科学，2012，40（10）：6093-6095，6101.

[8] 王小彬，蔡典雅.土壤调理剂PAM的农用研究和应用[J].植物营养与肥料学报，2000，6（4）：457-463.

[9] 介晓磊，李有用，韩燕来，等.保水剂对土壤持水特性的影响[J].河南农业大学学报，2000，34（1）：22-24.

[10] 雷廷武，NEARING M A.侵蚀细沟水力学特性及细沟侵蚀与形态特征的试验研究[J].水利学报，2000（11）：49-54.

[11] 党宏忠.祁连山水源涵养林水文特征研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2004.