PAM喷施量与施用方式对风沙土风蚀的影响

白岗栓，罗 东，苗庆丰，周 楠，杜社妮

PAM喷施量与施用方式对风沙土风蚀的影响

白岗栓1,2，罗 东3，苗庆丰4，周 楠2，杜社妮1,2

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 陕西怡安建设工程有限公司，西安 710021；4. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010020）

固定流沙和减少风蚀是一个世界性的难题。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作为一种线性高分子聚合物，喷洒在土壤表层能形成结皮，能有效抵御风蚀，但喷施PAM溶液的结皮状况及抗风蚀能力与PAM的喷施量及土壤特性等密切相关，且PAM溶液的浓度越大则黏性越强，越不易喷洒。为了探寻PAM防风固沙的适宜喷施量及简便施用方法，该研究以乌兰布和沙漠流动沙丘的风沙土为试验材料，以风沙土的风干土及饱和湿土为对照，首先探讨PAM不同喷施量对风干土（风沙土）表层结皮状况、土壤含水率及土壤风蚀量的影响，以寻求PAM的适宜喷施量，然后再将适量的PAM干撒、干撒后喷水和喷施于风干土表层，探寻PAM的简便施用方法。结果表明：1）PAM不同喷施量的结皮覆盖度、结皮厚度、结皮抗剪强度均随PAM喷施量的增加而增加，均显著高于风干土和饱和湿土；PAM不同喷施量的土壤含水率均高于风干土，且随时间的延续均显著高于饱和湿土；喷施1、2、3和4 g/m2的PAM风蚀量分别为风干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，为饱和湿土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%，当PAM喷施量达到2 g/m2时，PAM能有效降低风沙土的风蚀量。2）将2 g/m2的PAM干撒、干撒后喷水和喷施于风干土表层，干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的土壤结皮覆盖度、结皮厚度、结皮抗剪强度均高于风干土、饱和湿土和干撒PAM，干撒PAM的土壤表层结皮覆盖度低于饱和湿土但高于风干土，结皮厚度和结皮抗剪强度高于风干土及饱和湿土，干撒PAM后喷水及喷施PAM溶液的土壤含水率高于风干土、饱和湿土及干撒PAM，干撒PAM的土壤含水率与风干土基本一致。干撒PAM、干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的风蚀量分别为风干土的53.13%、11.17%和6.35%，为饱和湿土的76.34%、16.05%和9.12%，干撒PAM后喷水的抗风蚀能力接近于风沙土表层喷施PAM溶液。3）由于喷施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建议风沙区可在降雨前将2 g/m2的PAM干撒于土壤表层或干撒后向土壤喷水，可有效减少风蚀量。

土壤；水分；PAM；施用量；施用方法；结皮；风蚀

0 引 言

土壤风蚀是指在一定的风力作用下土壤或土壤母质、土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程，同时也是气流或气固两相流对土壤表层的吹蚀和磨蚀过程[1]。中国沙化土地面积已达1.74×106km2，占国土总面积的18.2%，风蚀是中国北方地区土壤退化的主要因素，是干旱、半干旱区荒漠化的主要过程[2]。控制风蚀的主要的措施一是覆盖（包括植被覆盖、秸秆覆盖及黏土、石块覆盖等）土壤表层，阻断风力与土壤表层的直接接触；二是改善土壤特性，增强土壤颗粒间的粘滞力，提高土壤的抗风蚀能力。植被覆盖可有效减少风蚀，但在风沙严重和极端干旱、寒冷的环境条件下却难以发挥作用。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作为一种线性水溶性高分子聚合物，主链上含有大量的酰胺基，具有很强的粘滞作用和水合作用，能够吸附、包裹、粘结土壤颗粒，改善土壤颗粒结构，增加土壤团聚体，降低土壤水蚀和风蚀[3-8]，且对土壤无毒害作用[9-10]，但PAM降低土壤水蚀和风蚀的能力主要与PAM的施用量、施用方法、土壤质地、土壤水分及PAM分子量的大小、PAM的类型等密切相关[11-17]。陈渠昌等[18-20]的研究表明，小剂量的PAM可增加土壤团聚体，提高土壤孔隙度，改善土壤结构，抑制土壤表层结皮，促进土壤水分入渗，减少地表径流，减少土壤水蚀量；大剂量的 PAM喷施于土壤表层则可促进土壤表层结皮，提高土壤结皮厚度及抗剪强度，增加地表径流，减少土壤水蚀量及土壤风蚀量。PAM喷洒于土壤表层，能够在土壤表层形成相对稳定、紧密的土壤结皮，能够有效减少土壤水蚀和风蚀[21-22]，尤其是当结皮变得干燥时，其抗剪强度及抗御风蚀的能力更加增强[23-25]。沙尘暴与土地沙漠化直接威胁着人们的生存环境，固定流沙和减少风蚀是一个世界性的难题[1-2]。目前有关PAM减少风蚀的试验多为风洞试验[1-2, 18-19, 25-26]，野外应用PAM防风固沙的报道较少，且制取PAM溶液需消耗大量的人力物力，不利于野外大面积推广应用[17]。为了寻求PAM防沙治沙的适宜施用量及简便方法，本试验在乌兰布和沙漠东缘，以流动沙丘的风沙土为材料，开展了PAM不同喷施量及施用方式对风沙土风蚀的影响研究。

1 材料与方法

1.1 试验区的自然状况

乌兰布和沙漠是中国八大沙漠之一，地处内蒙古自治区西部，106°09′-106°57′E，39°16′-40°57′N，面积9 082 km2，其中沙丘面积为8 640 km2。沙丘中的流动沙丘为4 536 km2，半固定沙丘为1 978 km2，固定沙丘为2 126 km2 [27]，流动沙丘的坡度多为18°～22°；年均风速3.0～3.7 m/s，其中3－5月为4.8 m/s，最大瞬时风速为24 m/s，以西风及西南风为主，其中春夏季以西风为主；年均沙尘暴日数10.9 d，大风日数12.5 d，扬沙日数30.2 d，主要集中于3－5月。乌兰布和沙漠夏季炎热干燥，冬春季干旱少雨，年降水量为140.3 mm，其中6－9月降水量为全年降水量的78.8%，年蒸发量为2 380.6 mm，相对湿度为47%，最大冻土层为58 cm，无霜期146 d，日照时数3 181 h。以旱生、超旱生类型的荒漠植被和盐生植被为主，如白刺（）、梭梭（）、盐爪爪（）等。土壤主要有灰漠土、盐土、灌淤土、风沙土、淡棕钙土等。试验地位于乌兰布和沙漠东缘的磴口县坝楞村，107°02′11″E，40°24′52″N，海拔1 049.6 m。

1.2 试验材料

供试PAM为阴离子型，白色粉末状，分子量为12.0×106g/mol（即1200万Da，Da 表示一个12C原子质量的 1/12），水解度为20.0%，能够吸附63倍的1%氯化钠溶液或1 300倍的纯水，残余单体小于0.5%，具有很强的水合作用和絮凝作用，由胜利油田长安集团提供。

供试土壤取自于乌兰布和沙漠东缘的流动沙丘，为风沙土，容重1.57 g/cm3，颗粒直径<0.075、0.075～0.25、>0.25 mm分别占2.65%、97.1% 和0.25%，风干后质量含水率为0.55%，质量饱和含水率为5.65%。

1.3 试验设计

试验于2017年3－6月及2018年3－6月在乌兰布和沙漠东缘的磴口县坝楞村进行。

1.3.1 PAM喷施量

2017年3－6月，试验以风干的风沙土（简称风干土，质量水分含量0.55%）及水分饱和的风沙土（简称饱和湿土，质量水分含量为5.65%）为对照，分别向风干土表层喷施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2的PAM溶液，并使风干土水分达到饱和，探讨PAM不同喷施量对乌兰布和沙漠风沙土风蚀的影响，以筛选PAM防风固沙的适宜施用量。

2017年试验为6个处理，每个处理均重复6次，共36个样箱（不包含相当于保护行的样箱），其中每个处理的3个样箱用于测定土壤表层的结皮覆盖度和风蚀量，3个样箱用于测定土壤表层的结皮厚度、抗剪强度和土壤含水率。

2017年3月10日，在乌兰布和沙漠空旷处，试验前将15.70 kg自然风干的风沙土装入宽20 cm，高10 cm，长50 cm的钢板样箱中（每个样箱重4.0 kg），所有样箱面向正西方向，间隔60 cm，随机排列成一条直线，以消除上风向样箱对下风方向样箱风速、风向的影响。为了避免地面流沙及测量过程中样箱变形和振动等对试验结果的影响，将样箱以当地流动沙丘的自然坡度20°（36.40%）固定于距地面100 cm的试验钢架上，然后按试验设计喷水及喷施PAM溶液。为了避免边际效应（主要是北风和南风）对试验结果造成影响，在测试样箱的两端，各摆放同一高度、同一角度和同一间隔距离的相当于保护行的空样箱3个，以减少非主流风向对试验结果的影响。

试验前分别将0.1，0.2，0.3，0.4 g各6份的PAM溶入24份800.7 g的纯净水中，待PAM完全溶解后分别喷施于对应的24个样箱中，相当于向风干土喷施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2（样箱土壤表层面积为0.1 m2）的PAM溶液并使风干土的水分含量达到饱和（质量含水率达到5.65%，喷洒水量=（饱和湿土土壤水分－风干土土壤水分）×样箱风干土质量），简称PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0。同时向相应的6个风干土样箱各喷洒800.7 g的纯净水，促使土壤含水率达到饱和，作为对照中的饱和湿土，剩余6个样箱作为对照中的风干土。

1.3.2 PAM施用方式

根据2017年的试验结果及相关文献[1,3-4,18-19,25-26,28]，2018年3－6月，以风干土和饱和湿土为对照，将2 g/m2的PAM分别干撒于风干土表层（简称干撒PAM）、PAM干撒于风干土表层后喷水至风干土水分达到饱和（简称干撒PAM后喷水）及喷施PAM溶液至风干土水分达到饱和（简称喷施PAM溶液），探讨PAM施用方法对风沙土风蚀的影响，以寻求PAM防风固沙的简便施用方法。

2018年试验共5个处理，6次重复，共30个样箱（不包含相当于保护行的样箱），其中每个处理的3个样箱用于测定土壤表层的结皮覆盖度和风蚀量，3个样箱用于测定土壤表层的结皮厚度、抗剪强度和土壤含水率。

2018年各处理的样箱大小、间隔距离、固定高度及角度、样箱中的土壤量及保护行样箱等均与2017年相同。

2018年3月14日在干撒PAM的6个样箱和干撒PAM后喷水处理的6个样箱表层采取200 g土样，与0.2 g PAM混合均匀（样箱土壤表层面积为0.1 m2，PAM施用量为2 g/m2），然后均匀撒施于风干土表层。对于饱和湿土的6个样箱及干撒PAM后喷水的6个样箱，待PAM干撒完后，每个样箱土壤表层均匀喷洒800.7 g纯净水，促使样箱中的土壤水分达到饱和。对于喷施PAM溶液处理的6个样箱，每个样箱用800.7 g纯净水溶解0.2 g PAM，不断晃动以达到充分溶解，溶解后均匀喷洒到样箱中的土壤表层，并促使样箱中的土壤水分达到饱和，剩余6个样箱作为对照中的风干土。

1.3.3 试验过程注意事项

2017年及2018年，试验布设中为了避免撒施PAM、喷施PAM溶液和喷水时风力对撒施、喷施均匀度的影响，干撒PAM、喷施PAM溶液和喷水时样箱上罩一大纸箱，纸箱口背对主风向，干撒PAM、喷施PAM溶液和喷水完毕后移走大纸箱。所有样箱在填满风干土、干撒PAM、喷施PAM溶液及喷水后土壤表层及时用塑料薄膜严密覆盖，确保样箱土壤水分不会散失并促使土壤表层结皮形成，第2天上午10时左右轻轻去除塑料薄膜，确保去除塑料薄膜时不粘带土粒及破坏样箱土壤表层的结皮。测试期间样箱土壤中萌发的杂草均及时贴土壤表层剪除，以防影响试验结果。

1.4 测试项目

1）降水量及风速

在样箱旁空旷处设置 HOBO小型自动气象站（H21-001数据采集器），监测试验期间的降水量及距地面2.0 m处的日均风速和每日最大瞬时风速。

2）结皮覆盖度和风蚀量

从2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d（当天10：00时左右）在每个处理测定结皮覆盖度和风蚀量的样箱中，测定不同处理的结皮覆盖度（土壤结皮覆盖度指土壤表层形成的结皮面积占土壤表层面积的百分比，不包含土壤表层的裂隙、小风蚀坑等，%）和风蚀量。结皮覆盖度用样方法即方格法测定（在1块20 cm×50 cm 玻璃面上按1 cm×1 cm 划成网格，然后放在样箱上测定土壤表层结皮格子的比例）[29]。从2017年3月25日至6月8日（含3月25日）、2018年3月29日至6月12日（含2018年3月29日），每隔15 d用称重法测定不同处理的风蚀量。为避免风力对称质量的影响，将天平放置于大纸箱内，纸箱口背对主风向，轻取轻放对样箱进行称质量。根据每次称质量前后2次土壤的减少量及土壤中的质量水分含量，将减少的土壤量折合为风干土质量，作为不同测定期不同处理的土壤风蚀量，并根据测定面积及土壤容重，折合成单位面积的风蚀量（g/m2）及风蚀深度。

3）结皮厚度、结皮抗剪强度及土壤含水率

从2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d在每个处理测定结皮厚度、结皮抗剪强度及土壤含水率的样箱中，用电子游标卡尺测定土壤表层结皮厚度（土壤表层结皮厚度指较为干燥时施加外力能够使土壤表层的结皮层完整自然剥离的厚度，mm），用袖珍剪力仪（BWT2XZJL）测定结皮抗剪强度（kPa）[29]，用烘干法测定样箱表层至底层的土壤质量含水率（%）（取样后及时用含水率相近的风沙土填补取样孔隙，以减少风力掏蚀对表层结皮的影响）。

1.5 数据处理

测试数据采用Excel 2010制作图表，采用SPSS19.0软件进行单因素方差分析；采用Duncan’s 多重比较进行检验。测试时仅2个处理有试验数据，则用student test检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 试验期间的降水量及风速

2017年监测期间共降水42.6 mm，其中3月14日至3月23日降水日数高达6 d，降水量达15.1 mm。3月24日至5月13日连续58 d无降水过程，5月14日降水1.8 mm，6月4日和6月5日分别降水12.3和13.4 mm。监测期间日均风速平均为3.83 m/s，每日最大风速平均为6.33 m/s，等于或超过起沙风速5.0 m/s[25]的天数分别为41和 49 d，最大瞬时风速为15.4 m/s（图1a）。

图1 2017－2018年试验监测期间的风速与降水量

2018年监测期间3月16日、3月19日、3月20日及5月18日分别降水2.2、2.6、3.7和2.3 mm，共计降水10.8 mm。3月21日至5月17日连续58 d无降水。监测期间日均风速平均为4.59 m/s，每日最大风速平均为7.09 m/s，超过起沙风速的天数分别为44 d和 48 d，最大瞬时风速为15.4 m/s（图1b）。

2.2 PAM喷施量对土壤风蚀的影响

2.2.1 PAM喷施量对土壤结皮覆盖度、结皮厚度和结皮抗剪强度的影响

风干土在试验初期未形成结皮，风干土和饱和湿土在长时段缺乏降水的情况下如5月9日和5月24日无结皮残存，而PAM不同喷施量的结皮覆盖度则随喷施量的升高而升高，受自然降水的影响程度相对较低。当降水稀少或无降水，起沙风速天数多时，不同处理的结皮覆盖度降低或无结皮残存；当有降水或降水较多，起沙风速天数少时，不同处理的结皮覆盖度升高。监测期间风干土的平均结皮覆盖度极显著低于饱和湿土（<0.01），饱和湿土的极显著低于PAM不同喷施量（<0.01）；PAM不同喷施量的结皮覆盖度随着喷施量的降低而降低，不同喷施量之间无显著差异（表1）。

表1 PAM不同喷施量条件下土壤结皮覆盖度、结皮厚度和抗剪强度

注：PAM1.0 、PAM2.0、PAM3.0、PAM4.0分别表示PAM喷施为量1.0，2.0，3.0，4.0 g·m-2。“-”表示未形成结皮，计算平均值时其值为0。同列不同小写字母表示不同处理之间存在显著差异（<0.05），不同大写字母表示不同处理之间存在极显著差异（<0.01）。下同。

Note: PAM1.0, PAM2.0, PAM3.0, PAM4.0 indicate that spraying amounts of PAM are 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 g·m-2, respectively.The “-” indicates that the crust is not formed, when calculating the average value, its value is 0. Different lowercase letter within the same column indicate significant difference (<0.05) between different treatments, while different uppercase letters indicate extremely significant difference (< 0.01) between different treatments. The same as below.

风干土及饱和湿土的结皮厚度主要受降水的影响，降水量偏多则结皮较厚，降水偏少则较薄或无结皮存在。PAM不同喷施量的结皮厚度主要随喷施量的增高而增厚，随时间的延续则变薄，遇雨则略微增厚。监测期间风干土的平均结皮厚度极显著低于饱和湿土（<0.01），饱和湿土的极显著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的显著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0的显著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

风干土和饱和湿土的结皮抗剪强度主要随降水的发生而改变，PAM不同喷施量的结皮抗剪强度主要受喷施量的影响，且随时间延续缓慢上升。监测期间风干土的平均结皮抗剪强度极显著（<0.01）低于饱和湿土，饱和湿土的极显著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的极显著（<0.01）低于PAM2.0，PAM2.0的显著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

2.2.2 PAM喷施量对土壤含水率和土壤风蚀的影响

风干土和饱和湿土的土壤含水率主要受降水影响，PAM不同喷施量的土壤水分除受降水影响外，也受PAM喷施量的影响。监测期间风干土的平均土壤含水率极显著低于饱和湿土（<0.01），饱和湿土的极显著（<0.01）低于PAM1.0，PAM1.0的显著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0与PAM3.0、PAM4.0之间无显著差异（表2）。

风干土和饱和湿土的风蚀量主要受起沙风速、起沙风速天数及降水的影响，表现为起沙风速越大，起沙风速天数越多，风蚀量则越大；降水天数越多，降雨量越大，风蚀量则越小。PAM不同喷施量的土壤风蚀量除受起沙风速、起沙风速天数和降水影响外，也与PAM的喷施量密切相关。监测期间风干土、饱和湿土、PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的风蚀量合计分别为24 743、23 065、6 639、3 488、3 234和3 216 g/m2，折合风蚀深度为15.76、14.69、4.23、2.22、2.06和2.05 mm。PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的风蚀量分别为风干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，为饱和湿土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%；饱和湿土为风干土的93.22%。PAM不同喷施量均具有良好的固沙作用，综合考虑当PAM的喷施量达到2.0 g/m2以上时效果更佳（表3）。

表2 PAM不同喷施量条件下土壤含水率

表3 PAM不同喷施量条件下土壤风蚀量

2.3 PAM施用方式对土壤风蚀的影响

2.3.1 PAM施用方式对土壤结皮覆盖度、结皮厚度和结皮抗剪强度的影响

2018年监测期间的降水量较2017年小，受降水、风蚀和施用方法的影响，监测期间风干土有5次无结皮残存，饱和湿土和干撒PAM有4次无结皮残存，而干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液则一直有结皮存在，且随时间的延续，干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的结皮覆盖度差异逐渐增大，由初始的无显著差异逐渐演变为显著差异（<0.05），最终达到极显著（<0.01）。监测期间风干土的平均结皮覆盖度极显著（<0.01）低于饱和湿土，与2017年的结果一致；干撒PAM的平均结皮覆盖度极显著（<0.01）高于风干土但却极显著（<0.01）低于饱和湿土，说明在干旱环境下受风蚀的影响，干撒PAM难以形成良好的土壤结皮；干撒PAM后喷水的结皮覆盖度极显著（<0.01）高于PAM饱和湿土却显著（<0.05）低于喷施PAM溶液，说明干撒PAM后喷水可促进土壤表层形成结皮，但却逊于喷施PAM溶液（表4）。

表4 PAM不同施用方式条件下土壤结皮覆盖度、结皮厚度和抗剪强度

2018年监测期间风干土、饱和湿土和干撒PAM形成结皮的机会少且结皮厚度薄，干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液始终均有结皮存在且较厚，但随时间延续则缓慢变薄。监测期间风干土的平均结皮厚度极显著（<0.01）低于饱和湿土，与2017年的结果相同；饱和湿土的极显著低于干撒PAM（<0.01），干撒PAM的则极显著低于干撒PAM后喷水（<0.01），干撒PAM后喷水的极显著（<0.01）低于喷施PAM溶液（表4）。

当风干土和饱和湿土同时有结皮残存时，二者的结皮抗剪强度基本一致。前期干撒PAM的结皮抗剪强度极显著（<0.01）高于风干土和饱和湿土，后期则与风干土和饱和湿土基本相同，说明后期干撒PAM表层基本无PAM残存。干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的结皮抗剪强度随时间的延续缓慢上升。监测期间风干土的平均结皮抗剪强度极显著（<0.01）低于饱和湿土，饱和湿土的极显著（<0.01）低于干撒PAM，干撒PAM的极显著（<0.01）低于干撒PAM后喷水，干撒PAM后喷水的极显著（<0.01）低于喷施PAM溶液（表4）。

2.3.2 PAM不同施用方式对土壤水分和土壤风蚀的影响

风干土、饱和湿土和干撒PAM的土壤水分除饱和湿土前期受施用方式影响外，三者的土壤水分主要随降水量的多少而发生变化，干撒PAM后喷水及喷施PAM溶液的除受降水影响外，也受施用方式的影响。监测期间风干土的平均土壤含水率与干撒PAM的基本相同，2者均极显著（<0.01）低于饱和湿土，饱和湿土的极显著（<0.01）低于干撒PAM后喷水，干撒PAM后喷水的极显著（<0.01）低于喷施PAM溶液（表5）。

表5 PAM不同施用方式下土壤含水率

风干土、干撒PAM和饱和湿土的风蚀量主要受起沙风速及降水的影响。干撒PAM后喷水和喷施PAM的除受起沙风速和降水影响外，也与PAM的施用方法密切相关。监测期间风干土、饱和湿土、干撒PAM、干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的风蚀量合计分别为42 249、29 403、22 445、4 720及2 681 g/m2，折合风蚀深度为26.91、18.73、14.30、3.01和1.71 mm。干撒PAM、干撒PAM后喷水和喷施PAM溶液的风蚀量分别为风干土的53.13%、11.17%和6.35%，为饱和湿土的76.34%、16.05%和9.12%；饱和湿土的风蚀量为风干土的69.59%。干撒PAM后喷水及喷施PAM溶液均有良好的减少风蚀作用（表6）。

表6 PAM不同施用方式下土壤风蚀量

3 讨 论

沙尘暴与土地沙漠化直接威胁着人们的生存环境，固定流沙和减少风蚀是一个世界性的难题[1-2]。PAM作为一种线性高分子聚合物，具有很强的水合作用和粘滞作用[30-31]。PAM溶液喷施在土壤表层能够防风固沙，首先是PAM遇水溶解后形成的链状结构，能够吸附、包裹、粘结大量松散的可蚀性土壤颗粒，在松散的土壤表层形成结皮，增加土壤表层的整体性，隔绝土壤颗粒与风力接触，避免土壤颗粒遭受风力侵蚀，从而减少了风蚀量；第二是PAM具有强烈的吸附、包裹、粘结作用，能将细小的土壤颗粒吸附、包裹、粘结成新的或更大的土壤团聚体，从而提高了土壤颗粒的起动风速[1-2,18-19]；第三是PAM的长链可深入到土壤颗粒之间，减少土壤颗粒之间的直接接触，减少土壤颗粒之间的能量传递，减少土壤颗粒的振动，提高了土壤颗粒的稳定性，从而减少了土壤颗粒的风蚀量[18-19]。此外，PAM在土壤表层形成结皮，可有效减少土壤颗粒的水分蒸发，促进土壤颗粒保持较高的含水率，提高土壤颗粒表面水膜的静电引力，提高土壤颗粒间的黏着力，从而提高了土壤颗粒的抗风蚀能力[21-22, 25, 32]。风干土及饱和湿土表层形成的土壤结皮是物理性结皮，是降雨或喷洒的水分打击夯实土壤表层颗粒导致土壤团聚体发生物理变化而形成的结构性结皮，其结皮覆盖度、结皮厚度、结皮抗剪强度及水分含量不但受自然降水的影响，而且结皮较薄，抗剪强度低，易遭受风力的破坏，因而风蚀量较大。受试验方法的影响，饱和湿土在试验初始阶段水分含量高且形成结皮，因而试验初始阶段抗风蚀能力高于风干土，随后受水分蒸散及风力侵蚀的影响，抗风蚀能力逐渐与风干土保持一致。PAM的喷施量越大，形成的结皮覆盖度越高，越厚，抗剪强度越大，整体性越强，越不易遭受风力破坏，因而固沙能力越强，抗风蚀能力越强；且结皮的整体性越强，土壤中的水分越不易散失，越利于提高土壤的起沙风速，降低风蚀量。PAM1.0形成的结皮相对较薄，抗剪强度相对较低，在遭遇风力的不断吹蚀及风沙流的不断磨蚀时易遭到破坏，易为风力掏蚀提供机会，因而抗风蚀能力较弱。PAM2.0的结皮厚度及结皮抗剪强度较PAM3.0和PAM4.0较低，但其风蚀量与PAM3.0和PAM4.0基本一致，说明PAM2.0已具有良好的抗风蚀能力。PAM不同喷施量的结皮抗剪强度随时间的延长而缓慢增加，这主要是结皮中的水分含量降低，促使结皮形成更为紧密的结构[21-23]。

PAM干撒于土壤表层，由于缺少水分难以溶解，不能在土壤表层形成结皮，只有在降水后才能形成。试验初期有少量降水，但干撒的PAM大多已被风吹蚀掉，故在试验初期测定时有少量结皮，风蚀量低于风干土，说明PAM干撒后遇到降水可降低风蚀量；干撒PAM在试验初期形成的结皮不够完整，随着风力的不断吹蚀及掏蚀被逐渐蚕食掉，因而在试验中后期其抗风蚀能力消耗殆尽。干撒PAM后喷水与喷施PAM溶液在试验初期土壤表层能够形成完整的结皮，且结皮覆盖度高，结皮较厚且抗剪强度大，土壤含水率高，因而其抗风蚀的能力强；随着风力的不断吹蚀及风沙流对表层土壤及结皮的不断磨蚀及掏蚀，结皮厚度逐渐变薄（遇雨后则变厚），土壤含水率逐渐降低且部分结皮遭到破坏，土壤颗粒从破坏处不断逸出并逐渐被镂空而产生风蚀，因而干撒PAM后喷水与喷施PAM溶液的风蚀量逐渐增大，抗风蚀能力逐渐降低。干撒PAM后喷水的结皮较喷施PAM溶液的薄且不均匀，易受到风力的破坏及掏蚀，故其风蚀量高于喷施PAM溶液。喷施PAM溶液形成的结皮均匀、光滑且较厚，能够有效保护结皮下的土壤颗粒不受风力吹蚀及风沙流的磨蚀，因而其抗风蚀的能力较强。

乌兰布和沙漠流沙区水资源缺乏，地广人稀，溶解PAM需要消耗大量的水分及人力，且PAM溶液非常黏稠，不便喷施[17]，将2.0 g/m2的PAM干粉撒施于土壤表层后喷水或根据天气预报在降水前将2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流动沙丘或土壤表层，能够在流动沙丘或土壤表层形成结皮，可有效降低风蚀量，可取得与PAM溶液喷施于流动沙丘或土壤表层的同等效果。

4 结 论

1）风沙土表层喷施不同量的PAM溶液，均可提高土壤表层的结皮覆盖度、结皮厚度、结皮抗剪强度和土壤含水率，降低土壤风蚀量；当PAM喷施量达到2.0 g/m2时，喷施PAM溶液可有效降低风蚀量。

2）当PAM施用量为2.0 g/m2时，将PAM干撒于风沙土表层和PAM干撒后及时喷水，也可有效提高土壤表层的结皮覆盖度、结皮厚度、结皮抗剪强度和土壤含水率，降低土壤风蚀量，其中干撒PAM后喷水的抗风蚀能力接近风沙土表层喷施PAM溶液。

3）喷施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建议乌兰布和风沙区在降雨前将2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流动沙丘或土壤表层或撒施后及时向流动沙丘或土壤表层喷水，可有效减少风蚀量。

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Effects of spraying amounts and application methods of polyacrylamide (PAM) on aeolian sandy soil wind erosion

Bai Gangshuan1,2, Luo Dong3, Miao Qingfeng4, Zhou Nan2, Du Sheni1,2

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.710021,; 4.,,010020,)

Sandstorm and desertification have posed a worldwide threat to fix quicksand and reduce soil wind erosion for people's living environment. PAM (polyacrylamide), a kind of linear polymer, has been widely used in metallurgy, building materials, paper, mineral processing, oil production, sewage treatment and other industries due to its strong hydration and viscosity, and thereby it is also expected to resist the wind erosion. There is no any toxic effect on soil when spraying PAM solution on the soil surface. The main reason is that the sprayed PAM solution can form hard crust on the soil surface, and then the crust can effectively protect soil from wind erosion. However, the crust condition and wind erosion resistance of PAM are closely related to the PAM application methods, spraying amount and structure of soil. Moreover, high concentration of PAM solution can be a high viscosity, difficult to dissolve or spray, and lead to inconvenient spray on the surface of sand dune or soil. Taking the aeolian sandy soil as test material, this study aims to explore the optimal spraying amount and application method of PAM to prevent wind and fix sand, while reduce water consumption, by tailoring the properties of air-dried soil (aeolian sandy soil) and saturated soil. Specifically, the effects PAM of spraying amounts on surface crust, moisture and soil wind erosion of air-dried soil were investigated to determine the optimal spraying amount of PAM, and then, an optimal amount of PAM was used in the following ways: dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water, and spraying PAM solution, to explore a facile method for the application of PAM. The results showed that the soil shear strength, the coverage and thickness of soil crust after PAM treatment increased with the increase of PAM spraying amounts, all of which were significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil. The soil moisture after PAM treatment was significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil over time. When spraying PAM of 1, 2, 3, and 4 g/m2, the wind erosion were 26.83%, 14.10%, 13.01% and 13.00% of air-dried soil, whereas, 28.78%, 15.12%, 14.02% and 13.94% of saturated soil, respectively. When the spraying amount of PAM reached 2 g/m2, PAM can effectively reduce the wind erosion of aeolian sandy soil. After 2 g/m2dry PAM sprinkled+spraying water and spraying, the coverage and thickness of soil crust, and soil shear strength were higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled treatment, the coverage of soil crust was lower than that of saturated soil, but higher than that of air-dried soil, whereas, the thickness of soil crust and soil shear strength were higher than that of air-dried soil and saturated soil. In dry PAM sprinkled+spraying and spraying PAM solution, the soil moisture was higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled, the soil moisture was basically the same as that of air-dried soil. The soil wind erosion after dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water and spraying PAM solution were 53.13%, 11.17% and 6.35%, of air-dried soil, respectively, and 76.34%, 16.05% and 9.12%, of saturated soil, respectively. In the dry PAM sprinkled+spraying water, the resistance of wind erosion was close to that in the spraying PAM solution on the surface of aeolian sandy soil. In order to save water and manpower when preparing and spraying the PAM solution, two measurements were proposed. One is that 2 g/m2PAM powder can be dry sprinkled on the surface of sand dunes and soil before rain in the wind-sand areas according to weather forecast. Another is, after dry PAM powder sprinkling, the sprayed water on the surface of sand dunes and soil can effectively fix the quicksand and reduce the amount of soil wind erosion.

soils; moisture; PAM; spraying amount; application method; crust; wind erosion

白岗栓，罗东，苗庆丰，等. PAM喷施量与施用方式对风沙土风蚀的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：90-98.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011 http://www.tcsae.org

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2020-01-03

2020-04-18

国家重点研发计划项目（2016YFC0501602）

白岗栓，研究员，主要从事农田生态及果树栽培方面的研究。Email：gshb@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011

S157.2; X43

A

1002-6819(2020)-10-0090-09