PAM 施用方式对黄绵土工程堆积体侵蚀产沙的影响

2024-12-31 00:00:00罗东邹超煜白岗栓
人民黄河 2024年12期
关键词:细沟产沙量堆积体

摘 要:PAM(聚丙烯酰胺)可用于控制土壤侵蚀、防治水土流失。为探寻施用PAM 的最佳方式、促进PAM 在水土流失防治实践中的推广应用,于2022 年5—10 月,在黄土丘陵沟壑区设置圆锥状黄绵土工程堆积体,以不施用PAM 为对照,按照2.0 g/ m2的施用量采取先喷水后干撒PAM、先干撒PAM 后喷水、直接喷施PAM 溶液3 种方式在黄绵土工程堆积体表面施用PAM,监测了PAM 不同施用方式的黄绵土工程堆积体在自然降雨情况下的地表径流量、侵蚀产沙量、细沟发育数量、土壤含水量、土壤容重等。结果表明:3 种方式施用PAM 均可增大产流次数、径流量、径流系数,减小侵蚀产沙量、细沟发育数量、细沟侵蚀量、细沟侵蚀系数,降低土壤含水量,其效果优劣排序为直接喷施PAM 溶液>先干撒PAM 后喷水>先喷水后干撒PAM,先干撒PAM 后喷水与直接喷施PAM 溶液效果相当。从便于操作和确保效果两方面综合考虑,建议采用先干撒PAM 后喷水的施用方式,或根据天气预报在降雨前干撒PAM。

关键词:PAM;施用方式;工程堆积体;地表径流;侵蚀产沙

中图分类号:S157.9 文献标志码:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.12.018

引用格式:罗东,邹超煜,白岗栓.PAM 施用方式对黄绵土工程堆积体侵蚀产沙的影响[J].人民黄河,2024,46(12):110-116.

黄土丘陵沟壑区是黄土高原水土流失最严重的区域[1] ,经过多年大规模系统治理,大面积的水土流失已得到有效治理[2] ,但矿产资源(石油、煤炭等)开采、道路(铁路、公路)建设、城镇建设等造成的工程弃土弃渣堆积体(简称工程堆积体)成为新增水土流失的主要来源[3] 。工程堆积体与自然地貌相比,坡度陡峭、土质疏松、有机质含量低、植物根系缺乏等,易产生土壤侵蚀甚至泥石流、滑坡等[4-6] 。有关学者基于放水冲刷和人工模拟降雨试验对不同土质、不同砾石含量、不同土体类型、不同形态工程堆积体的土壤侵蚀规律进行了研究[7-12] ,而有关减少工程堆积体侵蚀产沙量、提高工程堆积体稳定性方面的研究较少。当前,控制工程堆积体土壤侵蚀的措施主要有工程措施、植物措施及临时措施等[6,13-14] ,其中:工程措施可有效降低工程堆积体的侵蚀产沙量,但需要投入大量人力物力且生态效益较差;植物措施虽然具有一定的生态效益,但植物达到控制土壤侵蚀效果的生长周期较长,短期内难以取得良好防治效果;临时措施包括苫盖和临时拦挡等,成本较低,但对暴雨或持续降雨的防治作用较小且时效较短。PAM(聚丙烯酰胺)是一种线性水溶性高分子聚合物,广泛用于石油开采、污水处理、造纸、洗煤、采矿及食品烘焙等行业[15] 。PAM 主链上含有大量的酰胺基和羟基等,能够吸附、包裹、黏结土壤颗粒,增加土壤团聚体[16] 、控制土壤侵蚀[17-18] 。PAM 的控蚀能力与其类型、施用方法、施用量、分子量及土壤质地等有关[18-21] ,特别是与其施用量关系密切,当PAM 施用量较大时,可有效促进土壤表层结皮、增大土壤结皮厚度及其抗剪强度、减少土壤水分入渗、增加地表径流量、减少侵蚀产沙量[22] 。PAM 用于防治水土流失、控制土壤侵蚀时,施用方式通常是首先将其溶于水中、然后喷施于土壤(沙土) 表层[15,17-18] ,由于PAM 具有强烈的絮凝作用和水合作用,溶解PAM 需要大量的水分,且PAM 溶液的黏性强,需要具有一定压力的喷雾设备才能喷施,因此喷施效率较低、难以推广应用。有关试验结果表明,将PAM 干撒于土壤表层后喷水,可达到与喷施PAM 溶液相同的效果[18] 。把PAM 干撒到黄绵土工程堆积体表层以控制土壤侵蚀的研究尚未见报道,因此笔者通过在圆锥状黄绵土工程堆积体的表层采用先喷水后干撒PAM、先干撒PAM后喷水和直接喷施PAM 溶液试验,分析了PAM 不同施用方式对黄绵土工程堆积体侵蚀产沙量及其稳定性的影响,以探寻施用PAM 的最佳方式、促进PAM 在水土流失防治实践中的推广应用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验地位于延安市安塞区县南沟流域(属陕北黄土丘陵沟壑区),海拔1 230 m,多年平均气温8.8 ℃、无霜期159 d、降水量549.1 mm(其中7—9 月降雨量占全年降水量的65%左右且多为暴雨)、土壤侵蚀模数14 000 t/ km2。

供试PAM 由北京汉力淼公司提供,为阴离子型,单体为丙烯酰胺(C3 H5 NO),白色粉末状,分子量为1 200万Da(Da 表示一个12 C 原子质量的1/12),水解度为20%(水解度是阴离子PAM 在水解过程中分子中的氨基转化为羧基的百分比),具有很强的水合作用和絮凝作用,在浓度为1.0%的氯化钠溶液中的吸水能力(吸水量)为自身的63 倍,在纯水中的吸水能力为自身的1 300 倍。

供试土壤为黄土丘陵沟壑区常见的黄绵土(粉砂壤质土),初始含水率为13%左右。过1.0 cm 筛(剔除料姜石和植物根系等)后,用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水性能,采用常规方法测定土壤pH值、土壤有机质含量和土壤颗粒组成,结果如下:土壤容重为1.10 g/ cm3,pH 值为7.8,有机质含量为6.8 g/ kg,土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别为45.2%、11.2%,田间持水量为22.1%,凋萎系数为6.18%,细砂粒、粉粒、黏粒含量分别为62.58%、25.19%、12.23%。

1.2 黄绵土工程堆积体布设

试验前选择地面平坦且开阔的地块,在地面上铺设双层蓝色无滴膜(无滴膜厚1.2 mm,长和宽均为3.0m),以无滴膜中部为中心,将黄绵土自然堆积(堆积过程中不碾压)在无滴膜上,形成图1 所示圆锥体(共布设了12 个黄绵土工程堆积体),其底面直径为2.00 m,地面周长6.28 m,高约0.73 m,自然休止角约36°,母线长约1.24 m,侧面积为3.89 m2,底面积为3.14 m2。堆积体形成后,将无滴膜进行裁剪并裹土折卷,在堆积体外侧设置集流槽、集流管及集流桶。

1.3 试验处理

根据前人的研究结果[18] ,单位面积PAM 施用量取2.0 g/ m2,根据黄绵土工程堆积体侧面积确定每个黄绵土堆积体的PAM 施用量为7.78 g。试验前准备9份PAM(每份质量为7.78 g),将其中3 份配制成浓度为0.1%的PAM 溶液备用,其他6 份与适量干细黄绵土混合均匀备用。

1)先喷水后干撒PAM(记为W-PAM)。随机选择3 个黄绵土工程堆积体用于先喷水后干撒PAM 试验,为了使各供试黄绵土工程堆积体在试验时土壤含水量基本一致,先用背负式电动喷雾器在随机选择的3 个黄绵土工程堆积体表层分别均匀喷水7.78 L,然后在3 个黄绵土工程堆积体表层均匀撒施与干细黄绵土混合均匀的PAM 各1 份。

2)先干撒PAM 后喷水(记为PAM-W)。在剩余的9 个黄绵土工程堆积体中随机选择3 个堆积体用于先干撒PAM 后喷水试验,先在每个堆积体表层均匀撒施与干细黄绵土混合均匀的PAM 各1 份,然后在每个堆积体表层均匀喷水7.78 L。

3)直接喷施PAM 溶液(记为PAM-S)。在剩余的6 个黄绵土工程堆积体中随机选择3 个堆积体用于直接喷施PAM 溶液试验,将3 份浓度为0.1%的PAM溶液分别均匀喷施在3 个黄绵土工程堆积体表面。

4)对照(记为CK)。剩余的3 个黄绵土工程堆积体用于对照试验,试验前在3 个黄绵土工程堆积体表面分别均匀喷水7.78 L。

1.4 监测项目与测算方法

试验于2022 年5 月底开始,6—9 月监测降雨量和不同处理的地表径流量、产沙量等,在雨季结束后的10 月10 日监测不同处理的细沟发育状况、土壤容重和土壤含水量等。

1)降雨量、径流量(径流深)和产沙量。小区旁设置有自记雨量计,记录每次降雨的降雨量、持续时间及降雨强度。每次降雨结束后及时测定径流桶内的水深,根据水深、径流桶直径和堆积体底面积计算各次降雨的径流深、径流系数;测定径流桶内的水深后,搅拌径流桶内的径流和泥沙使其混合均匀后快速提取1 L浑浊水样,采用烘干法测定水样中的泥沙量并计算径流含沙量,根据次降雨径流量、含沙量、堆积体底面积计算每次降雨的土壤侵蚀模数;根据次降雨量、径流量、土壤侵蚀模数计算监测期降雨总量、径流总量、径流系数、土壤侵蚀模数。

2)细沟发育状况及细沟侵蚀系数。采用容积法(也称断面测量法)[23] 测算细沟侵蚀量、细沟侵蚀强度、细沟侵蚀系数:首先目测细沟条数,用直尺测定每条细沟的长度、宽度和深度(对于形状不规则的细沟分段进行测量);然后计算单条细沟体积及整个堆积体上的细沟体积(或称为容积),根据细沟体积与土壤容重计算细沟侵蚀量并换算为细沟侵蚀强度,进而计算细沟侵蚀系数,公式为

ME = Er / S (2)

MEC = ME / M (3)

式中:Er 为细沟侵蚀量,ρb 为土壤容重(监测前与监测结束时的平均值),Wi 、Di 、Li 分别为第i 条细沟的平均宽度、平均深度、长度,n 为堆积体上的细沟条数,ME为细沟侵蚀强度,S 为堆积体底面积,MEC 为细沟侵蚀系数,M 为土壤侵蚀模数。

3)堆积体土壤含水量。堆积体的稳定性与其土壤抗剪强度密切相关,而土壤抗剪强度与土壤含水量密切相关,土壤含水量越高,堆积体抗剪强度越低、稳定性越差、越容易发生崩塌和滑坡等[24-25] 。为了便于衡量PAM 不同施用方式对黄绵土工程堆积体稳定性的影响,试验中监测了堆积体土壤含水量。在细沟发育状况测定结束后,沿堆积体中垂线从堆积体顶部(高度约为70 cm,受沉降、雨水冲击等的影响,试验结束后堆积体高度多为70 cm 左右) 开始按照厚度为10.0 cm 分层用孔径5.0 cm 的土钻采集土样,再沿堆积体底部垂直相交的两条直径从内向外按照长度为10 cm 分段采集堆积体底部的土样,采用烘干法测定堆积体中部垂直剖面及底部水平面不同部位的土壤含水量。

4)土壤容重。在测定土壤含水量的土样采集结束后,沿堆积体中垂线从堆积体顶部开始,以10.0 cm厚为一层,用环刀采集不同土层土样并测定土壤容重。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 对试验数据进行处理和图表绘制等;采用SPSS19.0 软件对试验数据进行单因素方差分析,若差异显著,则用Duncan’ s 多重比较方法进行检验。

2 结果与分析

2.1 降雨状况及产流次数

试验期间的降雨状况统计见表1、产流次数统计见表2。由表1 可知:试验期间共降雨36 次,其中6 月降雨次数最少、降雨量最小,9 月降雨次数最多、降雨量最大,8 月高强度、大雨量降雨最多。由表2 可知:产流次数6 月最少、9 月最多,各处理的产流次数在6月差异最大、9 月差异最小,试验期间各处理产流总次数最多的是PAM-W 和PAM-S(二者相同)、其次为W-PAM、最少的为CK,PAM-W 和PAM-S 与CK 的差异显著,PAM-W 和PAM-S 与W-PAM 的差异不显著。

2.2 径流深与土壤侵蚀模数

试验期间不同处理的径流深、径流系数与土壤侵蚀模数统计见表3。由表3 可知:试验期间,不同处理的径流深及径流系数大小为PAM - S > PAM - W >W-PAM>CK,其中PAM-S 略大于PAM-W 但二者差异不显著、极显著大于W-PAM 和CK,其他处理之间均存在极显著差异;不同处理的土壤侵蚀模数大小与径流深大小相反,即PAM-S<PAM-W<W-PAM<CK,施用PAM 的3 种处理均极显著小于CK,PAM-S 与PAM-W 差异不显著、与W-PAM 差异极显著,PAMW与W-PAM差异极显著。

2.3 细沟发育状况及细沟侵蚀量

由表4、表5 可知:不同处理的细沟条数、细沟尺寸、细沟侵蚀量及侵蚀系数均表现为PAM-S<PAM-W<W-PAM<CK,施用PAM 的3 种处理均极显著小于CK,PAM-S 与PAM-W 差异不显著、与W-PAM 差异极显著,PAM-W 与W-PAM 差异极显著。

2.4 土壤含水量

各处理堆积体垂直剖面不同土层土壤含水量见表6。由表6 可知:同一堆积体不同部位土壤含水量不同(各处理堆积体垂直剖面土壤含水量最大值均位于高度为40~50 cm 土层,含水量最小值CK 和W-PAM 位于堆积体顶部即60~70 cm 土层、PAM-W 和PAM-S位于堆积体底部即0~10 cm 土层),这可能与降雨入渗和土壤蒸发有关[21-22,26-28] ;不同处理堆积体除顶部土壤含水量接近且差异不显著外,其他土层含水量均表现为CK>W-PAM>PAM-W>PAM-S,除PAM-S 与PAM-W 之间无显著差异和W-PAM 与PAM-W 之间无显著差异外,其他处理之间均存在极显著差异或显著差异。

各处理堆积体底部不同部位土壤含水量见表7。由表7 可知:不同处理堆积体底部土壤含水量最大值CK 出现在距中心点40~50 cm 处、其他处理均出现在距中心点30~40 cm 处,最小值均出现在堆积体边缘(距中心点90~100 cm);各处理堆积体底部土壤含水量总体表现为CK>W-PAM>PAM-W>PAM-S,3 种施用PAM 的堆积体底部土壤含水量显著低于CK,其中W-PAM 略高于PAM-W、显著高于PAM-S。

2.5 不同处理的土壤容重

受雨滴打击及土壤沉积的影响,各处理堆积体表层土壤的容重较初始容重大。施用PAM 对50~70 cm土层土壤容重有一定影响,从整个垂直剖面(土层高度为0~70 cm)土壤容重看,各处理之间均无显著差异(见表8)。

2.6 讨论

PAM 用于控制土壤侵蚀试验的施用量一般为1.0g/ m2,其机理是通过PAM 吸附、包裹、黏结土壤颗粒,促进土壤团聚体的形成,提高土壤孔隙度、增加雨水入渗量、减少地表径流量来减少侵蚀产沙量[16-17] 。本试验中PAM 施用量高达2.0 g/ m2,在土壤表层形成了较厚的土壤-化学结皮,相当于在堆积体表层覆盖了一层膜,阻碍了雨水入渗、增加了地表径流量、减少了径流对土壤的冲刷[29] ,因而施用PAM 的3 种处理与对照相比,产流次数多、地表径流量大、侵蚀产沙量小,产生的细沟条数少、细沟侵蚀量小,土壤含水量低。

在3 种PAM 施用方式中,W-PAM 由于干撒PAM前部分水分已入渗于土壤中,PAM 不能充分吸水膨胀,在堆积体表层形成的土壤-化学结皮厚度不均匀甚至个别区域没有形成结皮,因此抗蚀能力相对较弱[18,29] ;PAM-W 在喷水过程中PAM 吸水膨胀,雨滴对地表的击溅等使PAM 在堆积体表层分布更均匀,与W-PAM 相比,形成的土壤-化学结皮厚度大且更均匀,未形成土壤-化学结皮的区域少,因此抗蚀能力较W-PAM 强[18,29] ;PAM-S 能使堆积体表层形成厚度比PAM-W 更均匀的土壤-化学结皮,有效阻碍雨水入渗并对堆积体形成保护层,因而地表径流量最大、侵蚀产沙量及细沟侵蚀量最小、堆积体土壤含水量最低。3种处理对土壤容重的影响均较小,主要原因是PAM 在土壤表层形成的土壤-化学结皮厚度仅0. 1 ~ 0. 3cm[18,29] ,而采样环刀高度为5.0 cm,结皮所占比例很小,因而对土壤容重的影响小。

施用较大量的PAM 能够有效增加地表径流量、减少侵蚀产沙量,若将较大量的PAM 在降雨前干撒于堆积体表面,则可在保护堆积体的同时为干旱半干旱地区集蓄雨水资源提供条件,对此需进一步深化研究。

通常情况下,堆积体的土壤含水量越高其稳定性越差[24-25,30] 。本试验表明,在堆积体表层按2.0 g/ m2施用PAM,能够形成相对较厚的土壤-化学结皮,有效减少雨水入渗量,降低堆积体土壤含水量,从而有效提高堆积体的稳定性。在3 种施用方式中,PAM-W 与PAM-S 在增加地表径流量、减少侵蚀产沙量、控制细沟侵蚀、降低堆积体土壤含水量方面效果相当,鉴于PAM-W 比PAM-S 更容易操作,建议在实践中采用PAM- W 即先干撒PAM 后喷水, 或在降雨前干撒PAM。

3 结论

3 种方式施用PAM 均可增大产流次数、径流量、径流系数,减小侵蚀产沙量、细沟发育数量、细沟侵蚀量、细沟侵蚀系数,降低土壤含水量,其效果优劣排序为喷施PAM 溶液>先干撒PAM 后喷水>先喷水后干撒PAM,先干撒PAM 后喷水与直接喷施PAM 溶液效果相当,从便于操作和确保效果两方面综合考虑,建议采用先干撒PAM 后喷水的施用方式,或根据天气预报在降雨前干撒PAM。

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【责任编辑 张智民】

基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0501602)

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