通過施加高分子化學(xué)物質(zhì)改善土壤表面結(jié)構(gòu)， 提高土壤水分入滲性能，模擬降雨減少地表徑流是目前一項(xiàng) 具有廣闊發(fā)展前景的高效節(jié)水化學(xué)控制技術(shù)[1? 。
聚丙烯酰胺（PAM)是一種新型高效土壤結(jié)構(gòu) 改良劑，屬高分子化合物。能夠和水中懸浮的固體顆 粒相結(jié)合，使這些顆粒迅速徹底地和水分離，從而使 水得到澄清，它一直是水處理、食品加工、采礦、造紙 和其它工業(yè)部門廣泛使用的絮凝劑。20世紀(jì)80年 代末至90年代初，將PAM應(yīng)用到灌溉中，發(fā)現(xiàn) PAM對減少農(nóng)田水流中的泥沙和增加入滲有顯著 作用[B5]GSokja等人通過2年的溝灌試驗(yàn)進(jìn)一步確 定了在灌溉水中施用PAM,農(nóng)田水中的泥沙可減少 94%，土壤入滲性能可提高15%?50%。而且通過 對施加PAM后土壤表層性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)PAM增 加了土壤中水穩(wěn)性團(tuán)粒的穩(wěn)定性，進(jìn)而使表層土壤 顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定，維持較高的入滲性 能。
遼寧棕壤土在6。?15。坡范圍內(nèi)PAM適宜用 量為0. 3?1. 2 g/m2，PAM的保土率和保肥率均在 50%以上，其作用可持續(xù)2?3年[1’2]。
我國西北地區(qū)灌溉水的有效利用率在30%? 4 0%之間，廣大旱作地區(qū)的自然降水利用率僅為 3 0%左右。影響灌溉水和自然降水利用率的一個(gè)很 重要的原因是土壤表層的良好結(jié)構(gòu)易被破壞，土壤 入滲性能隨灌水或降水時(shí)間延長而迅速下降，灌溉 水和降水在土壤表層發(fā)生積水或超滲產(chǎn)流，導(dǎo)致水 分流失或蒸發(fā)損失。因此，研究PAM對西北地區(qū)土 壤入滲、產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響，對于推廣應(yīng)用PAM,提 高灌溉水和自然降水資源的利用率有重要意義。
1試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料：試驗(yàn)所用土樣為武功土婁土（重壤土） 和陜北黃綿土（輕壤土 A顆粒組成見表！采樣深度 為1 m，全部土樣過10 mm篩。PAM為法國SNF 公司生產(chǎn)并提供。
人工模擬降雨試驗(yàn)：將長5 m，寬1 m，深0. 4 m 的可升降鋼槽用PVC板沿長邊方向從中一隔為二。 變?yōu)閮蓚€(gè)長5 m,寬0. 5 m ,深0. 40 m的土槽，將土婁 土分層裝入，土壤含水率為20%?23%,控制供試 土壤容重 1. 4 g//m3。稱 0. 2 g 和 2. 0 g 兩份 PAM， 分別與過1 mm篩的細(xì)土 2 000 g混合，均勻撒至一 個(gè)裝好土樣的土槽表面，單位面積的施放量分別為 0. 08 g/m2和0. 80 g/m2,另一個(gè)設(shè)置為對照。根據(jù) 黃土高原地區(qū)汛期暴雨的高強(qiáng)度、短歷時(shí)以及坡耕 地是水土流失主要發(fā)源地的特點(diǎn)，控制雨強(qiáng)為1. 2 mm/min,降雨歷時(shí)為30 min，土槽小區(qū)坡度為15， 降雨開始后，觀測起流歷時(shí)，產(chǎn)流后每隔3 min取 500 mL渾水測泥沙含量，用集流桶收集徑流。設(shè)計(jì) 試驗(yàn)重復(fù)2次，共降雨4場。
沖刷槽試驗(yàn)：沖刷槽由PVC板粘結(jié)而成，長表1武功土婁土和陜北黃綿土顆粒組成Table 1 Particle size distribution of Wugong loess and Shanbei loess8細(xì)砂粒粗粉粒中粉粒細(xì)粉粒粘 粒物理性粘粒 蘇制土壤質(zhì)地粒徑0. 25?0. 050. 05?0. 010. 01?0. 0050. 005?0. 001<0.001<0.01武功土婁土34511122953重壤土陜北黃綿土2451561425輕壤土55 cm，寬15. 5 cm，深15 cm，將土婁土和黃綿土分別 裝入不同槽中，稱量0. 2 g PAM與100 g過1 mm 篩的細(xì)土混合好，均勻撒至裝好土樣的土槽表面，相 當(dāng)單位面積（m2)施放量為2.35 g，另設(shè)對照。坡度 均為3/1 000,控制放水沖刷的流量為667 mL/min， 從土槽上部開始放水，歷時(shí)15 min,用集流桶收集 徑流，測定泥沙含量。每個(gè)土槽沖刷7次，設(shè)計(jì)試驗(yàn) 重復(fù)3次，共放水沖刷21次。
2結(jié)果與分析2.1 PAM對產(chǎn)流過程的影響降雨降落在裸露地表，首先滿足土壤入滲的要 求，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲性能時(shí)，徑流開始產(chǎn) 生。圖1和圖2分別為雨強(qiáng)1. 2 mm/min，土槽坡度 15°時(shí)，施放PAM 0. 80 g/m2和對照的產(chǎn)流速率及 產(chǎn)流量變化。從圖1可以看出，PAM0. 80g/m2對 產(chǎn)流速率有明顯影響，隨降雨歷時(shí)的延長，未加 PAM 土槽的產(chǎn)流速率穩(wěn)定在0. 050L/S,而施加萬方數(shù)據(jù)PAM對產(chǎn)流量的影響 Fig. 2 Effect of PAM on the volume of runoff yieldPAM 土槽的產(chǎn)流速率則穩(wěn)定在0. 042 L/s。PAM 降低產(chǎn)流速率16.0%。通過鋼槽上裝置的透明有機(jī) 玻璃壁觀測，降雨結(jié)束后水分入滲的深度為16 cm。 由于土槽上沒有其它的水流出口，所以，這16%的 水量只能是入滲到土槽土壤中。產(chǎn)流速率過程線可 用對數(shù)關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如下 TU = 11.90lnw + 15.47 Y = 0.907 (未加 PAM) TU V 11. 30 lnw X 10. 24 r = 0. 923(加 PAM0. 80 g/m2)
式中 TU——產(chǎn)流速率，mL/s[——降雨歷時(shí)，min。
圖2的徑流量過程線可用直線模型擬合，擬合 結(jié)果如下T\ V 2. 33W — 3. 55 r V 0? 999 (未加 PAM) T\ V 1. 96W - 4. 74 Y V 0. 995 (加 PAM0. 80 g/m2)
式中 T\——徑流量，L。
施加PAM后由于產(chǎn)流速率的降低，入滲增加， 徑流量必然減少。試驗(yàn)結(jié)果表明，在雨強(qiáng)1. 2 mm/min，降雨歷時(shí) 30 min 下，加 PAM 0. 80 g/m2 的小區(qū)產(chǎn)生的徑流總量為56. 97 L,而未施加PAM 小區(qū)的徑流總量為68. 31 L，每平方米施加PAM 0. 80 g可減少徑流量16. 608。
2. 2 PAM對產(chǎn)沙過程的影響圖3和圖4分別為雨強(qiáng)1. 2 mm/min，土槽坡 度15。時(shí)，施放PAM 0. 80 g/m2小區(qū)和對照的徑流 含沙率和泥沙累計(jì)量過程線。由圖3和圖4可以看 出，無論是施加PAM或是未加PAM的土樣，其徑 流含沙率過程線在降雨起始階段（5 min左右）都出 現(xiàn)了一個(gè)峰，這是由于在土槽裝樣結(jié)束后表層土壤 未能與其它土壤顆粒緊密結(jié)合而易被沖刷所造成 的。隨后含沙率隨歷時(shí)的變化顯著，未加PAM的土 樣在降雨打擊和徑流沖刷下，細(xì)溝迅速形成，并快速 溯源發(fā)育，隨著細(xì)溝在三維方向的不斷擴(kuò)張，細(xì)溝周 邊土塊塌落，隨流而去，每一次塌落都導(dǎo)致徑流含沙 率迅速增大，反映在含沙率過程線上則是一次大的跳躍，如此反復(fù)，便出現(xiàn)了未加PAM的土樣徑流含 沙率呈鋸齒狀上升的變化規(guī)律。
圖3 PAM對徑流含沙率變化的影響 Fig. 3 +fect of PAM on the content of sediment in runoff圖8 PAM對徑流泥沙累計(jì)量變化的影響 Fig. 8 Effect of PAM on the accumulative amount of sediment in runoff而施加PAM 土樣的徑流含沙率的變化則完全 不同。起始峰后，含沙率迅速下降，一直保持在25 g/L以下，這個(gè)期間整個(gè)含沙率的變化趨勢就好像 拖著一條長長的尾巴，因此，可將施加PAM的過程 線描述為拖尾型變化。之所以會出現(xiàn)這樣的形狀，是 由于經(jīng)過起始階段降雨的濕潤，P A M開始反應(yīng)，由 顆粒狀變?yōu)槎嘀Юw維狀，將表層土壤顆粒緊緊纏繞， 保持土壤表層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被徑流沖刷破壞。當(dāng) 然，隨降雨歷時(shí)的延長或降雨沖刷次數(shù)的增加，這種 表層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也有可能被破壞，這個(gè)問題將在 2. 4中進(jìn)行討論。
同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨降雨歷時(shí)的延長，未加 PAM的徑流含沙率不斷增大。歷時(shí)20 min后，未加 PAM的徑流含沙率可達(dá)到150?250 g/L,是施加 PAM含沙率的6至10倍。
徑流泥沙累計(jì)量的變化與含沙率變化的趨勢對 應(yīng)。土樣施加PAM后其徑流泥沙累計(jì)量過程線是 一條坡度很緩的直線，未加PAM徑流泥沙累計(jì)量 是一條前段較緩后段迅速上升的曲線（圖4)，可分 別用直線萬方數(shù)據(jù)數(shù)擬合。擬合結(jié)果如下 FC= 9. 19 J2 K 37. 77 M = 0. 997(未加 PAM)
FC= 30. 26 J K 11. 35 r = 0. 993 (加 PAM0. 80 g/m2)
式中 FC——累計(jì)泥沙量，g; J——降雨歷時(shí)， min。直線模型中斜率的含義為降雨歷時(shí)每增加1 min,徑流中泥沙含量將平均升高30. 26 g。
施加PAM后徑流泥沙累計(jì)量為894. 94 g,而 未加PAM徑流泥沙累計(jì)量為7 376. 72 g,是前者 的8. 24倍。
2. 3 不同施用量對PAM減少產(chǎn)流和產(chǎn)沙效果的 影響在鋼槽小區(qū)土樣上分別施加PAM 0. 80 g/m2 和0. 08 g/m2后，其產(chǎn)流量、平均含沙率及泥沙總量 的變化十分顯著。施放量為0.08 g/m2基本上沒有 顯示出減少徑流和泥沙，增加入滲的作用，其平均含 沙率和泥沙總量分別為0. 80 g/m2處理的3. 4和 7. 7倍（見圖5)。
國外研究報(bào)道[7]，PAM在單位面積（m2)上施 用量為1?2 g。其施用量并不大，但由于PAM本身 價(jià)格不低（40元/kg)，再加上黃土區(qū)土壤的特殊性， 找出PAM在黃土區(qū)土壤上的最優(yōu)用量是PAM能 否廣泛應(yīng)用的首要工作。PAM在美國的應(yīng)用面積 己達(dá)100萬hm2,而在我國農(nóng)業(yè)和水土保持中的研 究才剛剛起步。在這方面仍需進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究， 同時(shí)，也應(yīng)開展田間不同土壤不同作物的PAM試 驗(yàn)。
2. X 土壤對PAM蓄水保土效果的影響在沖刷槽上進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果顯示，土婁土和黃綿 土兩種土壤在相同PAM用量下多次沖刷后的泥沙 量有很大差別。經(jīng)過2次沖刷，土婁土加PAM的產(chǎn)沙 量總共只有10. 88 g，可以說基本上沒有產(chǎn)沙。而未 加PAM的土婁土第二次沖刷產(chǎn)沙量達(dá)到1 972. 09 g,槽內(nèi)土樣基本全部被沖塌。黃綿土加PAM第一 次沖刷量達(dá)到30# 07 g，第二次高達(dá)779. 39 g，全部 沖垮。未加PAM的黃綿土 2次產(chǎn)沙量分別為 243. 88 g和1 670. 59 g，也全部沖垮。
對土婁土加PAM連續(xù)沖刷7次后，總產(chǎn)沙量僅 為264. 50 g。由此可見，在土婁土上施加PAM的效果 遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于黃綿土?？赡艿慕忉屖怯捎谕翃渫帘旧淼恼?粒含量高（物理性粘粒含量高達(dá)53%)，而黃綿土的 粘粒含量低（物理性粘粒含量為253)，因此，遇水 后土婁土和PAM的粘結(jié)力大于黃綿土。
3結(jié)論1)當(dāng)PAM在土婁土表面施放量為0. 80 g/m2 時(shí)，可降低產(chǎn)流速率10. 0"3，減少徑流總量 16. 60%。未施加PAM的徑流含沙率可達(dá)到150? 250 g/L，是施加PAM含沙率的6?10倍。施加 PAM后徑流泥沙累計(jì)量為894. 94 g，而未加PAM 徑流泥沙累計(jì)量為7 376. 72 g，是前者的8. 24倍。
2)當(dāng)施放量減少到0. 08 g/m2時(shí)，PAM就失 去了減水和減沙的效果，其平均含沙率和泥沙總量 分別為0. 80 g/m2處理的3. 4和7. 7倍，與未施用 PAM的效果接近。同時(shí)，放水沖刷試驗(yàn)表明，PAM 在土婁土上施加的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于黃綿土。
3)PAM表現(xiàn)出顯著的減沙效果，但由于PAM的效果因土而異，而且相差懸殊，因此，在廣泛使用PAM之前，有必要對PAM在不同區(qū)域、作物和土壤條件下的適宜施用量和施用方法進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。