聚丙烯酰胺和石膏粉对黄土坡地产流产沙的影响

摘 要：为揭示聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）和石膏粉对黄土坡地产流产沙的影响，进行ＰＡＭ 施用量为０～６．０ ｇ／ ｍ２、石膏粉施用量为０～１５０ｇ／ ｍ２、坡面坡角为１５°～２５°、不同雨强共１８ 种处理小区的野外模拟人工降雨试验，分析了各类小区降雨产流时间、径流系数、径流挟沙率随ＰＡＭ 和石膏粉施用量的变化情况。结果表明：１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延缓降雨初始产流，且施用量越大延缓时间越长。２）施用ＰＡＭ 使径流系数增大，不同施用量的径流系数均在对照的１．４ 倍以上；施用石膏粉使径流系数减小，施用量为１５０ ｇ／ ｍ２时径流系数较对照减小幅度为２２．２％；ＰＡＭ、石膏粉分别对连续降雨的前２ 场、首场降雨产流的影响显著，对后续场次降雨产流的影响均明显衰减。３）施用ＰＡＭ 可有效增强坡地抗蚀性、减少产沙量，且施用量越大抗蚀、减沙作用越大，ＰＡＭ 施用量为６．０ ｇ／ ｍ２时径流挟沙率较对照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蚀性减弱、产沙量增加，石膏粉施用量为１５０ ｇ／ ｍ２ 时径流挟沙率比对照提高１２５％；ＰＡＭ、石膏粉分别对连续降雨的前２ 场、前３ 场降雨产沙有较显著的影响，对后续场次降雨产沙的影响均明显衰减。

关键词：聚丙烯酰胺；石膏粉；黄土坡地；径流系数；径流挟沙率；土壤抗蚀性

中图分类号：Ｓ１５７．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２１

引用格式：李樊敏．聚丙烯酰胺和石膏粉对黄土坡地产流产沙的影响［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１１６－１１９，１３９．

坡地是黄土高原水土流失严重的土地类型［１－４］ 。聚丙烯酰胺（ＰＡＭ ）与石膏粉都是效果良好的土壤结构改良剂，有关学者对其用于坡地水土流失防治的效果等进行了大量研究［５］ 。多数研究表明ＰＡＭ 与石膏粉的施用可以改善土壤结构、增加水分入渗量、增强土壤的吸水能力、减少水土流失等［６－１０］ ；也有学者认为ＰＡＭ 吸水后体积膨胀，在一定程度上堵塞了土壤孔隙，进而降低土壤入渗率［１１］ 。笔者通过野外人工模拟降雨试验，研究了坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉对不同降雨强度下产流产沙的影响，以期为黄土高原坡地水土流失治理及相关研究提供参考。

１ 研究方法

１．１ 试验区概况

试验区位于黄土高原腹地的陕西省延安市安塞区县南沟流域，属典型的黄土丘陵沟壑区。该区土壤以黄绵土为主，其质地疏松，沙粒及粉沙粒含量较高（约为６０％）、黏粒含量低，稳定性差，抗蚀性弱，土壤侵蚀强烈，水土流失严重［１２］ ；年均降水量５０５ ｍｍ，雨季主要为６—９ 月（降水量占全年的７４．３％）；人均水资源量仅为全国人均水资源量的４１．５％，属于严重缺水地区。

１．２ 试验材料

ＰＡＭ 选用胶粉（Ａ３０ 型），它是一种聚丙烯酰胺和丙烯酸盐的交链体共聚物，为阴离子型高分子白色粉末，能以任意浓度溶于水，可与土壤中的阳离子交换，增强土壤中水稳性团聚体的凝聚能力，形成大的团聚体，增强土壤的抗蚀性，且可防止土壤结皮的形成，从而改善土壤入渗状况、保水保土。

石膏粉主要成分为硫酸钙ＣａＳＯ４，通常为白色粉末，潮湿情况下易结块，可作为钙、硫复合矿物肥料用于改良土壤、调节土壤酸碱度，或作为家禽、家畜饲料添加剂等。

１．３ 试验设计

本试验采用喷灌组合系统进行人工模拟降雨。通过正交试验设计，设置ＰＡＭ 施用量（用ｘＰＡＭ表示，取值为０、０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ ）、石膏粉施用量（用ｘＰＧ表示，取值为０、８０、１５０ ｇ／ ｍ２ ）、坡角（１５°、２０°、２５°）、雨型（大雨、中雨、小雨）等４ 个因素，共１８ 种处理（见表１），其中：ＰＡＭ 和石膏粉施用量的设定参考了于键等的研究［８］ ；坡角设定的依据是县南沟流域自然山坡及坡耕地的最大坡度；雨型设定参考了王玲莉等［１３］ 的研究，设定小雨雨强为１５ ～ ２０ ｍｍ／ ｈ、中雨雨强为２５～３０ ｍｍ／ ｈ、大雨雨强为３５～４０ ｍｍ／ ｈ。试验小区尺寸为３ ｍ×１ ｍ（长×宽），相邻小区用地埂隔开（埂宽０．１ ｍ）。每次人工降雨范围为并列的６ 个小区，用塑料布遮盖相邻小区以避免其受到影响。每种处理小区连续进行５ 场降雨试验，每场降雨历时约为３０ ｍｉｎ，每种试验重复２ 次。

１．４ 试验过程及数据处理

采用多喷头组合进行人工模拟降雨，通过增减喷头数量和设置喷头仰角、摆角等来调节降雨强度。为每个小区准备１０ 个径流桶，按顺序编号备用。当坡面开始产流时记录产流时间，之后每隔３～５ ｍｉｎ 更换一次径流桶并记录更换时间。降雨停止后测量径流桶中的径流量，结合降雨量计算降雨径流系数。将每个径流桶中的泥沙分别倒入带编号的试验瓶中进行风干，之后称重。依据风干沙重、产流时间、换桶时间可绘制产沙过程线、计算累计产沙量等。采用ＥＸＣＥＬ 软件进行数据处理、图表绘制等。

２ 结果与分析

２．１ ＰＡＭ 和石膏粉对产流的影响

２．１．１ ＰＡＭ 和石膏粉对土壤初始产流时间的影响

施用ＰＡＭ 后坡地小区在大雨、中雨、小雨情况下的初始产流时间均有所延长，且延长幅度随ＰＡＭ 施用量的增加呈增大趋势（在ＰＡＭ 施用量为６．０ ｇ／ ｍ２时初始产流时间最长），即施用ＰＡＭ 后对坡地产流具有滞后作用（在施用量为６．０ ｇ／ ｍ２时对中雨产流的滞后作用最明显），其主要原因是ＰＡＭ 遇水膨胀后形成的水凝膠具有一定持水能力，延缓了产流。计算ＰＡＭ 不同施用量情况下大雨、中雨、小雨初始产流时间的平均值，未施用ＰＡＭ 的坡地小区平均初始产流时间为２．３４ｍｉｎ，对平均初始产流时间与ＰＡＭ 施用量的关系进行拟合（见图１，其中ｙ 为平均初始产流时间，ｘ 为ＰＡＭ施用量，Ｒ２ 为决定系数）表明，ＰＡＭ 的施用量每增加１ ｇ／ ｍ２平均初始产流时间延长约０．２５ ｍｉｎ。

石膏粉的施用对雨水入渗具有促进作用，因而可以延缓产流。大雨、中雨、小雨平均初始产流时间与石膏粉施用量的关系拟合（见图２）表明，平均初始产流时间随石膏粉施用量的增加而延长，施用量每增加１００ ｇ／ ｍ２平均初始产流时间延长０．７５ ｍｉｎ。

野外模拟降雨的初始产流时间除了受ＰＡＭ 和石膏粉施用量的影响，还受小区坡度及降雨强度的影响。在坡度（坡角）一定的情况下，雨强与初始产流时间负相关，其主要原因：一是随着降雨强度的增大，在降雨强度大于土壤入渗率时坡地的产流方式由蓄滿产流转变为超渗产流，土壤尚未达到饱和状态就产生了径流，因而缩短了初始产流时间；二是黄土质地疏松，大雨强降雨可将土粒击碎并充填于土壤孔隙中，因而降低雨水入渗率并产流，使初始产流时间缩短。

２．１．２ ＰＡＭ 和石膏粉对降雨径流系数的影响

根据降雨径流系数的变化情况分析ＰＡＭ 和石膏粉对降雨产流的影响。由表２ 可知，施用ＰＡＭ 的坡面小区径流系数明显增大，不同施用量的径流系数均在对照的１．４ 倍以上，其中施用量为４．０ ｇ／ ｍ２ 时径流系数最大（为对照的１．６４ 倍），这与ＰＡＭ 对水分的吸收有很大关系，ＰＡＭ 吸水形成水凝胶后成为一层保护膜，在一定程度上降低了降雨入渗率，减小了土壤入渗量、增大了地表径流量。

径流系数随石膏粉施用量的增加而减小，石膏粉施用量为８０ ｇ／ ｍ２时径流系数由不施石膏粉的６３％减小至５３％，当石膏粉施用量为１５０ ｇ／ ｍ２时径流系数进一步减小至４９％（减小幅度为２２．２％）。

２．１．３ ＰＡＭ 和石膏粉对产流影响的持续性

通过方差分析（结果见表３），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨强对降雨径流系数变化的影响程度（贡献率）及其持续性。第一场降雨，ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、平均雨强对径流系数变化的影响均达到极显著水平，贡献率分别为３８％、１２％、２３％；第二场降雨，ＰＡＭ 施用量、坡角对径流系数变化的影响达到极显著水平，二者的贡献率之和达到５０％，而石膏粉施用量和平均雨强的贡献率之和仅为１１％；第三、第四、第五场降雨，坡角和平均雨强对径流系数变化的影响达到极显著水平，二者的贡献率之和分别达到５８％、８８％、７４％，而ＰＡＭ 施用量和石膏粉施用量的贡献率之和均在１０％以下。综上所述，ＰＡＭ 对前两场降雨产流的影响显著，对第三场降雨产流的影响大幅度衰减，之后其影响呈进一步衰减趋势；石膏粉对首场降雨产流的影响显著，对第二降雨产流的影响大幅度衰减，之后其影响更小。

２．２ ＰＡＭ 和石膏粉对产沙的影响

２．２．１ ＰＡＭ 和石膏粉对径流挟沙率的影响

根据径流挟沙率的变化情况分析ＰＡＭ 和石膏粉对产沙的影响。径流挟沙率计算公式为

β ＝ Ｓ ／ （Ｑρ） × １００％

式中：β 为径流挟沙率，Ｓ 为产沙量，Ｑ 为径流量，ρ 为水的密度。

各类小区每场降雨的径流挟沙率计算结果表明：

ＰＡＭ 施加量为０．５、１．０、２．０、４．０、６．０ ｇ／ ｍ２ 的各类坡地小区平均径流挟沙率分别比对照降低１９％、３５％、５８％、７４％、８１％，即施用ＰＡＭ 可有效增强坡地抗蚀性、减少产沙量，且ＰＡＭ 施用量越大抗蚀、减沙作用越大；石膏粉施用量为８０、１５０ ｇ／ ｍ２的各类坡地小区平均径流挟沙率分别比对照提高２７．１％、１２５％，即石膏粉的施用使坡地抗蚀性减弱、产沙量增加，且石膏粉施用量越大坡地的抗蚀性越弱、产沙量越大。

ＰＡＭ 与石膏粉不同施用量组合的径流挟沙率比较见图３。由图３ 可知：在不施用ＰＡＭ 的情况下，石膏粉施用量为８０ ｇ／ ｍ２ 时径流挟沙率有所下降，石膏粉施用量为１５０ ｇ／ ｍ２ 时径流挟沙率大幅度提高；在ＰＡＭ 施用量为０．５、１．０、２．０ ｇ／ ｍ２ 的情况下，同时施用石膏粉时径流挟沙率呈上升趋势；在ＰＡＭ 施用量为４．０ ｇ／ ｍ２情况下，石膏粉施用量为８０ ｇ／ ｍ２时径流挟沙率最低；在ＰＡＭ 施用量为６．０ ｇ／ ｍ２ 时，径流挟沙率随着石膏粉施用量的增加逐渐下降。

２．２．２ ＰＡＭ 和石膏粉对产沙影响的持续性

通过方差分析（结果见表４），探究ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量、坡角、平均雨强对径流挟沙率变化的影响程度（贡献率）及其持续性。第一场降雨，各因素对径流挟沙率变化的影响均未达到极显著水平，各因素贡献率大小顺序为ＰＡＭ 施用量＞石膏粉施用量＞平均雨强＞坡角；第二场降雨，仅石膏粉施量量对径流挟沙率变化有极显著影响（其贡献率为１６％），ＰＡＭ 对径流挟沙率变化的贡献率为２４％，坡角和平均雨强的贡献率之和为１７％；第三场降雨，平均雨强和石膏粉施用量对径流挟沙率变化有极显著影响（对径流挟沙率变化的贡献率分别为４９％、１０％），ＰＡＭ 施用量和坡角的影响较小（二者贡献率之和仅为９％）；第四、第五场降雨，雨强对径流挟沙率变化的影响进一步增强（贡献率分别为６７％、７２％），而ＰＡＭ 施用量、石膏粉施用量及坡角的影响均很小（三者贡献率之和仅为１０％左右）。

综上所述，ＰＡＭ 对前２ 场降雨产沙有较稳定的影响、对第三场及以后场次降雨产沙的影响大幅度衰减，石膏粉对前３ 场降雨产沙有一定影响、之后其影响明显衰减，石膏粉对降雨产沙影响的持续时间比ＰＡＭ 的稍长。

２．３ 讨论

坡地施用ＰＡＭ 和石膏粉后，表层土壤的微团聚结构发生了改变，因而对降雨入渗和产流产沙有一定影响。

施用石膏粉后，增加了土壤中Ｃａ２＋的含量，可使土壤入渗量增加、地表径流量减少；施用ＰＡＭ 后，其阴离子可吸附负电性土壤颗粒［１４］ ，使土壤中的一些细小颗粒在ＰＡＭ 水凝胶的作用下逐渐团聚，减少游离的土壤微粒，改变土壤的入渗性能，即降低土壤入渗率、增加地表径流量。这与雷廷武等［１１］ 的研究结论一致，与侯礼婷等［７］ 的研究结论（即施用ＰＡＭ 后土壤入渗率有一定程度的提高、施用磷石膏后土壤入渗率降低）不一致，原因可能是受降雨强度、试验土壤性状、ＰＡＭ 及石膏粉施用量差异的影响。

ＰＡＭ 水凝胶能黏结细小土壤颗粒、形成团聚体，从而增强土壤抗蚀性、减少降雨径流的产沙量，在ＰＡＭ 施用量为６．０ ｇ／ ｍ２ 时径流挟沙率较对照降低８１％；坡地施用石膏粉后，地表可被径流输移冲蚀的松散物质增加，导致产沙量增加、径流挟沙率提高，这与夏海江等［９］ 、陈渠昌［１０］ 的研究结论基本一致。

ＰＡＭ 对产流产沙的影响程度较石膏粉对产流产沙的影响程度高，二者以适当的施用量相配合，可有效增加土壤入渗量、减少产流产沙量，但还需进一步研究。

３ 结论

１）施用ＰＡＭ、石膏粉均可延缓降雨初始产流，且施用量越大延缓时间越长。

２）施用ＰＡＭ 使径流系数增大，不同施用量的径流系数均在对照的１．４ 倍以上，施用量为４．０ ｇ／ ｍ２ 时径流系数为对照的１．６４ 倍；施用石膏粉使径流系数减小，施用量为１５０ ｇ／ ｍ２时径流系数较对照减小幅度为２２．２％。ＰＡＭ、石膏粉分别对连续降雨的前２ 场、首场降雨产流的影响显著，对后续场次降雨产流的影响均明显衰减。

３）施用ＰＡＭ 可有效增强坡地抗蚀性、减少产沙量，且施用量越大抗蚀、减沙作用越大，ＰＡＭ 施用量为６．０ ｇ／ ｍ２时径流挟沙率较对照降低８１％；施用石膏粉后坡地抗蚀性减弱、产沙量增加，且施用量越大对抗蚀、减沙的负面影响越大，石膏粉施用量为１５０ ｇ／ ｍ２时径流挟沙率比对照提高１２５％。ＰＡＭ、石膏粉分别对连续降雨的前２ 场、前３ 场降雨产沙有较显著的影响，对后续场次降雨产沙的影响均明显衰减。为了有效利用雨水资源、调控土壤水分、减少土壤流失，还需对ＰＡＭ 和石膏粉的最佳施用量、施用方式及施用时间等开展进一步研究。

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【责任编辑 张智民】