W-OH材料对赣南山区土壤减渗抗蚀作用的影响

方志 陈辰 肖国洲

摘  要：赣州市属亚热带季风区，降水集中，雨量充沛，以山地、丘陵为主，土壤类型为花岗岩风化物发育的红壤，砂粒含量极高，不利的自然地理条件极易造成水力侵蚀。而新型亲水性聚氨酯材料（W-OH）能增加土壤颗粒之间的黏结力，有效抑制土壤侵蚀的发生。为此，通过土壤渗透试验和土壤可蚀性模型测算，研究不同浓度W-OH溶液（2.0%、3.0%、4.0%）对赣南山区边坡土壤减渗抗蚀作用的影响。结果表明，W-OH材料能够显著降低赣南山区边坡土壤的土壤饱和导水率，减渗效果随W-OH浓度的升高而增加；W-OH材料可显著改变表层土壤的侵蚀过程，明显增强边坡土壤的抗蚀能力，其中，施用3.0%浓度W-OH溶液对试验区土壤抗蚀性效果最明显。

关键词：赣南山区；W-OH材料；土壤饱和导水率；土壤可蚀性；土壤侵蚀

中图分类号：TV441      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0055-04

Abstract： Ganzhou City is a subtropical monsoon area with concentrated precipitation and abundant rainfall， mainly in mountains and hills， and the soil type is red soil developed by granite weathering. The content of sand is extremely high， and unfavorable natural and geographical conditions are easy to cause hydraulic erosion. The new hydrophilic polyurethane material （W-OH） can increase the adhesion between soil particles and effectively inhibit the occurrence of soil erosion. For this reason， through soil infiltration test and soil erodibility model calculation， the effects of different concentrations of W-OH solution （2.0%， 3.0%， and 4.0%） on soil seepage reduction and anti-erosion of mountain slope in southern Jiangxi were studied. The results show that W-OH material can significantly reduce the soil saturated hydraulic conductivity of slope soil in Gannan mountain area， and the seepage reduction effect increases with the increase of W-OH concentration; W-OH material significantly changes the erosion process of surface soil and significantly enhances the anti-erosion ability of slope soil， among which the application of 3.0% concentration W-OH solution has the most obvious anti-erodibility effect on the soil in the experimental area.

Keywords： Gannan mountain area; W-OH material; soil saturated hydraulic conductivity; soil erodibility; soil erosion

赣南属南方红壤区，降雨集中、沟壑纵横、土壤结构差，不利的自然地理条件极易造成水土流失频发。此外，过度开发和不合理的耕作方式也是导致水土流失的主要原因。输变电项目的建设对山地丘陵地貌及地表植被产生扰动和损毁，加剧水土流失，产生崩岗、山区石漠化、土地退化等现象，对丘陵山区生态安全、粮食安全、防洪安全和人居安全造成威胁。

新型亲水性聚氨酯材料W-OH是一种以水为固化剂，成本低廉、施工方便、环境负荷小的新型高分子材料[1]，将浓度2.0%～5.0%的W-OH溶液直接或与其他植生方法结合，在边坡复绿[2]、水渠防渗[3]、荒漠化防治[4-5]及砒砂岩山体的治理中都取得了较为理想的效果，但在输变电项目边坡治理上还未见报道。以往的研究表明，减少入渗与降低冲刷是遏制土壤侵蚀发生发展的合理切入点，基于W-OH材料减渗与降低土壤侵蚀模数的研究成果，本研究将W-OH材料引入赣南山区花岗岩红壤边坡的治理中，设计了渗透试验与土壤可蚀性模型测算，以分析该材料在赣南山区边坡土壤上的减渗与抗蚀效用。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

本项目研究区位于赣州市，地处江西省南部，属亚热带季风气候，年平均气温为19.8 ℃，年平均降雨量为1 318.9 mm，土壤类型以花岗岩母质发育的红壤为主，土壤质地主要为砂质壤土，是崩岗主要发生区域。根据《江西省水土保持公报2021》，全省水力侵蚀总面积23 326.19 km2，占全省土地总面积的13.96%。从全省11个设区市的水土流失现状来看，水力侵蚀面积最大的是位于赣南的赣州市。赣州市是典型的南方山地丘陵区，属亚热带季风气候，多年平均降水量1 500.40 mm，土壤以由花岗岩风化物发育形成的红壤为主，是崩岗主要发生区域。该区水土流失以水力侵蚀为主，侵蚀面积为6 865.55 km2，占土地总面积的17.43%。

1.2  试验材料

试验材料新型亲水性聚氨酯材料（W-OH）以水为固化剂，是一种兼具低成本、施工便捷、环境友好等特点的新材料。由江苏杰成凯新材料科技有限公司提供，化学式为（OCN-R-NCO）n，淡黄色液体，常温密度1.18 g·cm-3，黏度650～700 m·Pa·s，硬化时间30～1 800 s，有以下应用特性[3]：①极易溶于水，和水反应后可迅速聚合形成弹性凝胶体，且不再溶解于水；②能以任何浓度与包括海水在内的各种水质的水发生反应；③耐久性良好，通过添加防紫外线添加剂可实现对凝胶体降解周期的调控；④与多种材质（土、沙、混凝土等）具有很强的附着力；⑤通过选择W-OH的种类及调整其浓度，可设计凝胶体的性能及用途，如固土、固沙、防尘和止水等；⑥具有高度的安全性，对植物不产生药害，对生态环境不造成二次污染。

1.3  试验布设

试验布设于赣县区吉埠镇新建吉埠变电站北侧边坡（E115°11′8.14″，N25°59′53.05″），设计W-OH溶液3个浓度梯度（2.0%、3.0%、4.0%）及一个对照（0.0%），按照3.0 L·m-2的标准将W-OH溶液均匀喷涂于试验区土壤表面。为此，现场共设置了4个试验小区，每个小区长1.5 m，宽3.5 m。分别标记为固坡试验空白组、施用2%浓度W-OH、施用3%浓度W-OH、施用4%浓度W-OH。

W-OH材料的具体施工工序为坡面整理—播撒草种—喷涂W-OH—后期养护和观测。

坡面整理：考虑坡面的施工性和种子的喷撒，需对坡面进行处理，保证坡面的平整性、渗透性和整体的施工性能。

播撒草种：选用适合当地生长的草种（黑麦草），使用撒播的形式进行，撒播后用耙子耙匀，使得种子被土覆盖，防止种子的流失。

浓度控制：例如3%，则采用体积比（质量比一样）W-OH∶水=3∶97的比例。进行充分混合后迅速喷洒，控制的量约为3～4 L/m2。

喷洒W-OH：为保证顺利喷洒，请混合后立即喷洒，防止固化，影响喷洒。

1.4  样品采集与分析

分别于2023年9月、10月、11月和12月进场采集试验土样，每组样品采取3组重复。采用环刀法取样测定土样的土壤饱和导水率；采用五点取样法采集边坡土壤，风干过筛后测定土壤有机质和机械组成。

环刀采样在小区的上、中、下3个部位各取一个土样做重复。采样时，将环刀垂直压入土中，压至手感到阻力时为止，然后将环刀提出，用附有烘盒和天平的环刀口小槽内的土样，并削去两端多余的土。

五点取样法先确定对角线的中点作为中心抽样点，再在对角线上选择4个与中心样点距离相等的点（距离中心点1.5 m）作为样点，在5个点采取等量（50 g）的土样混合后作为一个样本。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，土壤机械组成采用吸管法测定，土壤容重采用环刀法测定，具体测定方法详见文献[6]。试验土壤的基本理化性质见表1。

1.5  试验设计与数据处理

土壤的渗透性和抗蚀性对水土流失的发生和发展有着重要影响[7]，施用W-OH材料能够明显提高崩积体土壤的抗蚀能力[8]。故本研究设计了土壤渗透试验和土壤可蚀性模型测算来验证W-OH材料对赣南山区边坡土壤减渗抗蚀作用的影响。

1.5.1  土壤渗透试验

水分的入渗深刻影响着边坡土壤侵蚀的发生发展，本研究根据中国科学院研究生院教材《土壤物理学》（2006）中介绍的定水头法（图1）分析W-OH材料对赣南山区红壤土壤饱和导水率的影响。将采回的土样称重，放于托盘浸泡48 h使水分饱和，浸泡时水位位于环刀高度的1/2处。试验开始前调整好水头，将饱和土样放入测定仪的土室内并开始测定。待水流稳定流出后开始计时，每3 min测定一次出水量，共测定3次，求平均值，测定完成后对饱和导水率进行计算。

土壤饱和导水率即单位时间单位面积水通过饱和土壤的传导能力，反映了土壤的入渗和渗漏性质，是研究水分、溶质在土壤中运动规律时的重要水力参数[9]。研究赣南山区集水坡面土壤渗透性特征，有助于分析其渗透性对土壤侵蚀形成的影响，并为集水坡面的固土减渗提供依据。其计算公式如下

式中：Ks为土壤饱和导水率，mm/min；Q为出水量，cm3；A为土柱横截面积，cm2；T为测定的时间，min；L为土柱长度，mm；H为测定的水头，cm。

1.5.2  土壤可蚀性模型测算

土壤可蚀性反映土壤在雨滴击溅、径流冲刷，或者两者共同作用下，被分散、搬运的难易程度，计算坡面表层土壤的土壤可蚀性有利于反映其表层土壤对坡面径流冲刷的敏感程度。本研究采用EPIC模型中的可蚀性K值计算公式

式中：SAN为砂粒（2.0～0.05 mm）含量，%；SIL为粉粒（0.05～0.002 mm）含量，%；CLA为黏粒（<0.002 mm）含量，%；SN1=1-SAN/100；C为有机碳含量，%，可根据土壤有机质的含量得出。

2  结果与讨论

2.1  W-OH浓度对赣南山区边坡土壤减渗的影响

王黎军[3]2011年对青海黄土的研究得出，浓度7.0%的W-OH溶液能够基本杜绝水分下渗，有很好的防渗效果。而本研究的目标是减小赣南山区坡面土壤的下渗，同时不能影响植物生长，因此7.0%不是值得推荐的施用浓度。参考祝亚云[10]2016年关于W-OH材料在福建长汀崩岗上的应用结果表明，水流功率小于40 kg·s-3的侵蚀区域施用3.0%～4.0%浓度的W-OH减渗抗蚀效果最佳。从植被的用水需要与入渗对坡面土壤侵蚀的影响2方面来看，结合项目区实际情况，本项目选择施用2.0%～4.0%的浓度。

通过测定的结果显示（表2），未施用W-OH材料的土样土壤饱和导水率增加18.4%，土样表面施用3种浓度的W-OH溶液能在不同程度上降低土样的土壤饱和导水率，2.0%浓度的W-OH溶液能使土壤饱和导水率下降18.8%，3.0%浓度的W-OH溶液能使土壤饱和导水率下降40.9%，4.0%浓度的W-OH溶液则能使土壤饱和导水率下降55.7%。对土壤饱和导水率下降率与W-OH溶液浓度进行线性回归分析，结果显示（图2），土壤饱和导水率的下降率与W-OH溶液浓度之间呈线性关系（R2=0.987 4），随着W-OH溶液浓度的增加，土壤饱和导水率的下降呈线性增大趋势。

2.2  W-OH浓度对赣南山区边坡土壤抗蚀的影响

土壤可蚀性是指土壤在雨滴打击、径流冲刷等外营力作用下被分散、搬运的难易程度。基于土壤基本理化性质测定结果，计算试验土壤的可蚀性K值（表3）。测定结果表明，未施用W-OH溶液的土样2023年9月测定K值为0.248 2，2023年12月K值为0.248 5，土壤可蚀性K值增加0.000 3；施用2.0%W-OH溶液的土样2023年9月测定K值为0.261 5，2023年12月K值为0.248 6，土壤可蚀性K值减少0.012 9；施用3.0%W-OH溶液的土样2023年9月测定K值为0.297 3， 2023年12月K值为0.245 7，土壤可蚀性K值减少0.051 6；施用4.0%W-OH溶液的土样2023年9月测定K值为0.256 4，2023年12月K值为0.244 1，土壤可蚀性K值减少0.012 3。

可以看出，施用3种浓度W-OH溶液的土样土壤可蚀性K值会有不同程度的减少，其中，施用2.0%浓度W-OH的土样土壤可蚀性降低4.92%，施用3.0%浓度W-OH的土样土壤可蚀性降低17.36%，施用4.0%浓度W-OH的土样土壤可蚀性降低4.80%。施用3.0%浓度的W-OH溶液对降低试验区土壤可蚀性效用最大。

3  结论与展望

W-OH材料能够有效地降低赣南山区坡面的土壤饱和导水率，4.0%浓度的W-OH溶液能使赣南山区坡面表土的土壤饱和导水率降低超50%，随着溶液浓度的增大，W-OH材料减渗效果呈线性递增。

W-OH材料能够有效地降低赣南山区坡面土壤的可蚀性K值，显著增强了边坡土壤的抗蚀能力，其中，施用3.0%浓度W-OH溶液对增强试验区土壤抗蚀性效果最明显。

本研究成果可指导赣南山区输变电工程施工后期的固坡和迹地恢复，提高山区输变电工程的安全性，有效控制水土流失，将“烂山地貌”和侵蚀劣地发展为可利用地，提升植被恢复效果，改善生态环境。但本研究对W-OH溶液在赣南山区边坡土壤减渗抗蚀作用的研究主要限于土壤指标的线性变化，虽然在一定程度上反映了施用W-OH溶液的积极作用，但对土壤侵蚀复杂的发生发展过程来说，还不够深入。今后的研究当中，应考虑加入植被恢复情况，深入从不同角度探索不同阶段W-OH溶液施用对赣南山区迹地的恢复效果。可以考虑围绕“WOH材料-土壤菌-土壤-植被”四联生境重构的核心技术原理，将W-OH新材料和土壤菌进行优化设计、集成应用，为江西赣州山区输变电工程迹地植物生长构建起一个营养成分自循环环境，形成一种速效、质效、长效的植被修复技术。

参考文献：

[1] 高卫民，吴智仁，吴智深，等.荒漠化防治新材料W-OH的力学性能研究[J].水土保持学报，2010，24（5）：1-5.

[2] 余莹莹，汪永进，范敬兰，等.W-OH生态护坡技术在沙土区河道坡面上的应用[J].科技推广与应用，2014（8）：31-32.

[3] 王黎军.W-OH新型防渗材料在高寒干旱区渠道中的应用研究[J].节水灌溉，2011（4）：28-30.

[4] GAO W M. WU Z R，WU Z S.Study of mechanism ofthe W-OH sand fixation[J]. Journal of Environmental Protection，2012，3（9）：1025-1033.

[5] 郭凯先.W-OH新材料特性及在青海湖周边地区沙化地植生固沙中的应用[J].中国农村水利水电，2012（4）：30-32.

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[7] 余新晓，毕华兴，等.水土保持学[M].北京：中国林业出版社，2013.

[8] 祝亚云，曹龙熹，吴智仁，等.新型W-OH材料对崩积体土壤分离速率的影响[J].土壤学报，2017，54（1）：73-80.

[9] 郑纪勇，邵明安，张兴昌.黄土区坡面表层土壤容重和饱和导水率空间变异特性[J].水土保持学报，2004，18（3）：53-56.

[10] 祝亚云.基于水流功率的崩岗侵蚀敏感性与W-OH材料控蚀研究[D].南京：中国科学院南京土壤研究所，2016.