保土劑對(duì)黃土丘陵區(qū)土壤保土效果的實(shí)驗(yàn)研究

崔 亮，牛最榮，於旭東，扈家昱

(1.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000；2.北京永盛安水利電力工程技術(shù)有限公司，北京 100026)

保土劑對(duì)黃土丘陵區(qū)土壤保土效果的實(shí)驗(yàn)研究

崔 亮1，牛最榮1，於旭東2，扈家昱1

(1.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000；2.北京永盛安水利電力工程技術(shù)有限公司，北京 100026)

水土流失是降雨侵蝕力與徑流沖刷力共同作用的結(jié)果，使用保土劑可以有效減小土壤侵蝕，通過(guò)選擇陜西省安塞縣山坡作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)分別施用不同劑量保土劑，研究保土劑對(duì)黃土丘陵區(qū)的土壤保土效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：(1)施用保土劑可以有效減小徑流挾沙率，減少土壤侵蝕量，隨著保土劑用量的增加減沙效果越明顯。(2)保土劑混施石膏后，隨著用量增加，徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。(3)保土劑用量3.0 g/m2時(shí)為最佳用量，保土效果可經(jīng)受4次較大和較長(zhǎng)時(shí)間降雨徑流。該實(shí)驗(yàn)對(duì)于推廣應(yīng)用保土劑，開(kāi)展黃土丘陵區(qū)水土流失治理等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

保土劑；水土流失；持效性；黃土丘陵區(qū)

水土流失是降雨侵蝕力與徑流沖刷力共同作用的結(jié)果，在坡地施用保土劑，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)保土劑形成水凝膠與土壤顆粒膠結(jié)在一起，良好的黏結(jié)力能有效改良土壤的表層結(jié)構(gòu)、增加團(tuán)聚體含量、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，減小降雨及徑流對(duì)土壤顆粒的剝離、沖蝕和搬運(yùn)作用，從而減小侵蝕產(chǎn)沙量。黃土高原丘陵區(qū)是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究保土劑對(duì)黃土丘陵區(qū)土壤的保土效果，進(jìn)一步推廣應(yīng)用保土劑，對(duì)于治理黃土丘陵區(qū)水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

陜西安塞縣地處西北內(nèi)陸黃土高原腹地，鄂爾多斯盆地邊緣，域內(nèi)溝壑縱橫、梁峁遍布、川道狹長(zhǎng)，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)?？偼恋孛娣e2 950 km2，其中耕地106.4萬(wàn)畝，其中95%屬于山地[1]。區(qū)域土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育來(lái)的黃綿土(鈣質(zhì)干潤(rùn)雛形土)為主，此外還有二色土、紅膠土、五花土、石泡土和洪淤土，水土流失嚴(yán)重，耕層有機(jī)質(zhì)含量?jī)H0.53%～0.77%左右，氮、磷俱缺，土壤瘠薄。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)選在陜西省安塞縣南溝的自然山坡上，坡長(zhǎng)3 m，將其獨(dú)立均勻分為5個(gè)小區(qū)域，寬1 m，下端分別設(shè)集流池，試驗(yàn)區(qū)布置如圖1所示。當(dāng)在小區(qū)域分別施用不同劑量保土劑后，模擬降水徑流過(guò)程，并通過(guò)集流池收集徑流，測(cè)定徑流量及泥沙含量并進(jìn)行對(duì)比分析[2-5]。

實(shí)驗(yàn)選用的保土劑為膠粉。膠粉是一種聚丙烯酰胺(PAM)和丙烯酸鹽高純度的交鏈體共聚物，是農(nóng)用土壤調(diào)理劑系列產(chǎn)品之一。膠粉為高分子陰離子白色粉末狀物質(zhì)，活性成分大于85%，密度為0.8 g/cm3。當(dāng)溶于水時(shí)，其分子帶電荷的一端將土壤膠體顆粒吸附，使地表土壤微粒結(jié)塊，能夠顯著提高土壤的水分入滲速率，減少地表徑流，可用于防止水土流失,具有防止地表徑流造成的土壤流失、提高土壤滲透力、保土保肥、緩解和調(diào)節(jié)土壤水分蒸發(fā)等特點(diǎn)[6-7]。

圖1 試驗(yàn)區(qū)布置示意圖

3 保土效果分析

3.1 對(duì)徑流挾沙率的影響

降雨徑流引起的坡地土壤侵蝕，可以從降雨所產(chǎn)生徑流的挾沙率和一次降雨的泥沙總量?jī)煞矫鎭?lái)分析[8]。將同一保土劑用量的坡地徑流挾沙率試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均，得到保土劑用量與徑流挾沙率的關(guān)系如圖2所示。經(jīng)保土劑處理坡地徑流挾沙率均小于未經(jīng)過(guò)保土劑處理的，徑流挾沙率隨保土劑用量的增加呈減小趨勢(shì)，當(dāng)保土劑用量為0.5 g/m2時(shí)，徑流挾沙率減小85%；當(dāng)保土劑用量為3.0 g/m2時(shí)，徑流挾沙率減小93%。

圖2 保土劑用量與徑流挾沙率的關(guān)系

3.2 對(duì)侵蝕量的影響

經(jīng)過(guò)保土劑處理的不同坡度實(shí)驗(yàn)區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量結(jié)果對(duì)應(yīng)保土劑用量如圖3所示，可以看出，保土劑能夠顯著減少一次降雨的侵蝕產(chǎn)沙總量。當(dāng)保土劑用量為0.5 g/m2時(shí)與對(duì)照相比平均可減少侵蝕產(chǎn)沙量7倍左右，當(dāng)保土劑用量為3.0 g/m2時(shí)可平均減少16倍左右，且隨保土劑用量的增加侵蝕產(chǎn)沙量逐漸減小。

圖3 保土劑用量與一次降雨侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系

圖4 保土劑施加量與徑流挾沙率的關(guān)系

圖5 石膏粉施加量與徑流挾沙率關(guān)系

圖6 徑流挾沙率與保土劑及石膏粉施用量的關(guān)系

3.3 混施石膏對(duì)侵蝕量的影響

石膏富含作物生長(zhǎng)所需要的鈣、硫等農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，尤其是增加籽實(shí)和生物學(xué)產(chǎn)量有較為明顯的效果。圖4為保土劑混施石膏后對(duì)徑流挾沙率的影響。保土劑施加量為0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2、4.0 g/m2、6.0 g/m2時(shí)，其徑流挾沙率分別降低19%、35%、58%、74%及81%。隨著保土劑用量的增加，徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。

(a)保土劑用量0.5 g/m2

(b)保土劑用量1.0 g/m2

(c)保土劑用量2.0 g/m2

(d)保土劑用量3.0 g/m2

圖5顯示了徑流挾沙率隨石膏粉施用量的增加的變化情況，在坡地小區(qū)土壤表面以80 g/m2的水平施加石膏粉后，徑流挾沙率增加27.1%，但當(dāng)石膏粉施加量由80 g/m2增加到150 g/m2時(shí)，徑流挾沙率大幅增加，增幅達(dá)到125%，產(chǎn)生這種狀況的原因主要有兩個(gè)方面：(1)干施石膏粉后，坡地表面可被徑流搬移沖蝕的松散物質(zhì)增加，泥沙量增加；(2)坡地表面施加石膏粉后，小區(qū)徑流系數(shù)降低，徑流量減少。

保土劑具有保土效益，且隨著施用量的增加保土效益更加明顯，石膏粉具有增加入滲、減少?gòu)搅鞯奶匦?。圖6描述了徑流挾沙率與保土劑和石膏粉施用量的關(guān)系，石膏粉水平1-3分別對(duì)應(yīng)0、80 g/m2、150 g/m2。從圖中可以看出，當(dāng)保土劑施用量為0.5 g/m2、1.0 g/m2、2.0 g/m2時(shí)，經(jīng)過(guò)石膏粉處理的實(shí)驗(yàn)小區(qū)徑流挾沙率呈增大趨勢(shì)，保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益并未消除松散物質(zhì)增多對(duì)土壤侵蝕帶來(lái)的影響。當(dāng)保土劑施用量為4.0 g/m2時(shí)，經(jīng)過(guò)80 g/m2石膏粉處理的小區(qū)徑流挾沙率才減小，保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益才逐漸發(fā)揮出來(lái)；當(dāng)保土劑施用量為6.0 g/m2時(shí)，徑流挾沙率隨著石膏粉施用量的增加逐漸減小。

4 保土劑持效性分析

保土劑應(yīng)用于調(diào)控坡面土壤徑流、降低侵蝕產(chǎn)沙量具有良好的效果，但其持效時(shí)間直接關(guān)系到其應(yīng)用成本。為準(zhǔn)確把握保土劑的持效性，在試驗(yàn)區(qū)不同坡度的坡地模擬了不同用量和降雨的組合試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)經(jīng)過(guò)保土劑處理的試驗(yàn)區(qū)都進(jìn)行同雨強(qiáng)的四次降雨，將各次降雨的徑流挾沙率與未施用保土劑的情況進(jìn)行比較分析，得到保土劑的重復(fù)應(yīng)用效果，圖7(a)～7(d)為不同保土劑用量的重復(fù)應(yīng)用效果圖。

當(dāng)保土劑用量為0.5 g/m2時(shí)，第一次降雨徑流挾沙率僅為0.279%，而第四次降雨徑流挾沙率增加到0.931%，此時(shí)徑流挾沙率減少7.84%， 基本起不到減少土壤侵蝕的作用。當(dāng)保土劑用量為3.0 g/m2時(shí)，第一次與第四次降雨徑流挾沙率分別為0.06%和0.47%，保土劑效果好，隨著降雨次數(shù)的增加，保土劑的有效性逐漸減小。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，坡地施用保土劑能大幅提高土壤的入滲速率，顯著減小徑流挾沙率，有效減少坡面土壤侵蝕。總體上，隨著保土劑用量增加保土?xí)r效性越長(zhǎng)，隨降雨次數(shù)的增加而衰減，當(dāng)保土劑用量為3.0 g/m2時(shí)，可減少降雨侵蝕產(chǎn)沙量16倍左右，能經(jīng)受4次左右的較大和較長(zhǎng)時(shí)間(30 min)的降雨徑流，為最佳用量。因此，建議在該區(qū)域每年可施用一次保土劑，可起到治理水土流失的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上黃土丘陵區(qū)坡地施用保土劑實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果可知：(1)施用保土劑可以有效減小徑流挾沙率，減少土壤侵蝕量，隨著保土劑用量的增加減沙效果越明顯；(2)保土劑混施石膏后，隨著用量增加，徑流挾沙率大致呈線性降低且降低速率逐漸減緩。當(dāng)按照4.0 g/m2的保土劑用量施用在經(jīng)過(guò)80 g/m2石膏粉處理的實(shí)驗(yàn)區(qū)上時(shí)，保土劑的保土效益和石膏粉的減流效益將逐漸發(fā)揮出來(lái)；(3)保土劑用量3.0 g/m2時(shí)為最佳用量，保土效果可經(jīng)受4次較大和較長(zhǎng)時(shí)間降雨徑流。

[1]安塞年鑒．陜西人民出版社.2006．

[2]蔡強(qiáng)國(guó), 王貴平, 陳永宗. 黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程與模擬[M]. 北京科學(xué)出版社.1998(9), 3(5): 223-225．

[3]牛最榮，崔亮．氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)洮河輸沙量變化的影響分析[J]．水利水電技術(shù).2016，47(5)．

[4]崔亮,陳學(xué)林,安冬,等.60年來(lái)黑河流域東部子水系中上游徑流量、輸沙量變化特征分析[J].水文.2015,35(1):82-87.

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[6]吳淑芳，吳普特．高分子聚合物對(duì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征影響的研究．土壤學(xué)報(bào).2005，42(1)：167-170．

[7]李樊敏，冀慧，陳渠昌．聚丙烯酰胺改良土壤的應(yīng)用研究綜述[J]．人民黃河.2010，32(7)．

[8]王萬(wàn)中， 焦菊英. 中國(guó)降雨侵蝕力R值的計(jì)算與分布(Ⅰ)[J].水土保持學(xué)報(bào).1995(4), 5(6): 45-49．

2016-09-28

崔亮(1982-)，男，陜西鳳翔人，高級(jí)工程師，主要從事水文分析計(jì)算工作。

牛最榮(1964-)，男，甘肅通渭人，教授級(jí)高工，主要從事水文水資源及水環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和研究工作。

S156.2

A

1004-1184(2017)01-0183-03