陸紹娟, 王占禮, 王棟棟

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

噴施JagC162對(duì)黃土坡面水流切應(yīng)力影響研究

陸紹娟1，3, 王占禮1,2, 王棟棟2

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

為研究連續(xù)兩場(chǎng)次降雨過(guò)程中噴施不同劑量Jag C162對(duì)黃土坡面水流切應(yīng)力的調(diào)控效應(yīng)，在20°坡度，2.0 mm/min雨強(qiáng)條件下對(duì)裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面進(jìn)行連續(xù)兩場(chǎng)模擬降雨試驗(yàn)，主要結(jié)論有：(1) 在連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程中，裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)的變化皆呈先增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，都可用對(duì)數(shù)方程描述，且噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力皆比裸土坡面水流切應(yīng)力小，噴施不同劑量Jag C162的坡面產(chǎn)流時(shí)間也均晚于裸土坡面產(chǎn)流時(shí)間；(2) 在連續(xù)兩場(chǎng)次降雨過(guò)程中，Jag C162具有減小坡面水流切應(yīng)力的作用，且隨Jag C162劑量增大，其對(duì)坡面水流切應(yīng)力影響的持效性增強(qiáng)；(3) 綜合考慮Jag C162對(duì)坡面水流切應(yīng)力調(diào)控作用的穩(wěn)定性及持效性，建議在連續(xù)兩場(chǎng)次降雨中采用劑量5 g/m2的Jag C162調(diào)控坡面水流切應(yīng)力，以期達(dá)到控制土壤侵蝕的目的。

Jag C162; 黃土坡面; 水流切應(yīng)力; 調(diào)控

黃土高原地處我國(guó)半干旱、干旱區(qū)，年降雨量在200～700 mm[1]。該區(qū)降水變率大，往往以暴雨形式出現(xiàn)，加之地形陡峭，土質(zhì)疏松，極易產(chǎn)生超滲產(chǎn)流，造成嚴(yán)重的土壤侵蝕。因此，加強(qiáng)黃土高原土壤侵蝕治理措施的研究十分重要?；瘜W(xué)調(diào)控技術(shù)措施作為一項(xiàng)新興的水土保持技術(shù)措施，主要是通過(guò)高分子聚合物增加土壤團(tuán)聚體含量[2]，降低土壤容重，增大土壤孔隙度[3]，增加土壤入滲，降低土壤侵蝕[4-6]。經(jīng)高分子聚合物PAM處理的坡面，土壤入滲量增加，土壤流失量減少，隨PAM的覆蓋率增大，土壤的降水入滲率增加，土壤流失量減少[7-8]。

從物理學(xué)角度來(lái)看，土壤侵蝕實(shí)際上就是地表土壤在力的作用下發(fā)生土體空間位移的過(guò)程，地表徑流沖刷是坡面土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。只有?dāng)坡面水流剪切應(yīng)力大于土壤臨界剪切力時(shí)，土壤顆粒才能被剝蝕[9]，且土壤剝蝕率隨水流剪切力的增大而增加[10-11]。在坡面進(jìn)行調(diào)控措施處理后，坡面水流臨界切應(yīng)力發(fā)生改變，水流需要更大的切應(yīng)力才能分離土壤顆粒[12]。劉紀(jì)根在坡面施加PAM后發(fā)現(xiàn)，坡面臨界坡長(zhǎng)、臨界水深及土壤臨界剪切力均提高[13]，土壤的可蝕性顯著降低，徑流臨界剪切力增加[14]。

顯然，施用高分子聚合物后，通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)、增加入滲，坡面徑流發(fā)生變化，間接影響了坡面徑流切應(yīng)力，最終對(duì)坡面土壤侵蝕產(chǎn)生影響。然而，高分子聚合物對(duì)坡面徑流切應(yīng)力的具體影響如何仍然并不清楚，這阻礙了高分子聚合物對(duì)土壤侵蝕影響的機(jī)理闡釋。為此，本文根據(jù)黃土高原坡面坡度及降雨特征，采用模擬降雨試驗(yàn)方法，在大坡度大雨強(qiáng)條件下，研究連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程中施放不同劑量Jag C162對(duì)黃土坡面水流切應(yīng)力的調(diào)控作用及持續(xù)效應(yīng)，以深入解析Jag C162在連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程中對(duì)黃土坡面片蝕過(guò)程的調(diào)控機(jī)理，為通過(guò)化學(xué)材料調(diào)控遏制黃土坡面土壤侵蝕提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕和旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。降雨方式為側(cè)噴式模擬降雨，降雨高度16 m，可滿足所有降雨雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度。試驗(yàn)裝置為鋼質(zhì)變坡小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為：120 cm×40 cm×25 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度為20°，降雨強(qiáng)度為2.0 mm/min。

試驗(yàn)土壤取自黃土高原陜西省綏德縣，土壤類型為黃綿土，土壤顆粒組成見表1。試驗(yàn)前期土壤容重均為1.2 g/cm3，前期含水量均為14%。

表1 試驗(yàn)土壤機(jī)械組成

試驗(yàn)前將土壤自然風(fēng)干并過(guò)10 mm粗篩，除去雜草和大石塊。試驗(yàn)小區(qū)裝土之前，在底部鋪5 cm的天然細(xì)沙，再鋪上透水紗布，以保持土層的透水狀況接近天然坡面。為保證裝土的均勻性，試驗(yàn)小區(qū)采用分層填裝的方法，即按設(shè)計(jì)容重每5 cm一層裝填，邊填充邊壓實(shí)。為減小邊壁對(duì)入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程及坡面侵蝕微形態(tài)發(fā)育等的影響，使下墊面土壤條件的變異性達(dá)到最小，裝土?xí)r在所有邊界0.5 cm范圍里加以夯實(shí)。填土后，用刮板將表面刮平整。

試驗(yàn)所用化學(xué)材料Jag C162是一種從豆胚中提取的天然高分子多肽衍生物，呈黃白色粉末，極易溶于水形成膠體狀。試驗(yàn)開始前將設(shè)計(jì)劑量的Jag C162溶于2 L水中，攪拌30 min左右，使其形成穩(wěn)定膠體，采用噴施方式均勻噴灑于試驗(yàn)小區(qū)土表。為使Jag C162和土壤充分作用，噴施Jag C162后放置15 h再進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

土壤表面處理：裸土和噴施Jag C162的劑量為1，3，5 g/m2。進(jìn)行連續(xù)兩場(chǎng)次降雨試驗(yàn)，重復(fù)1次，共進(jìn)行16場(chǎng)降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，一旦產(chǎn)流，立即在小區(qū)出口接樣。產(chǎn)流后的前3 min內(nèi)，分別間隔1 min，2 min觀測(cè)1次，以后每隔3 min觀測(cè)1次，降雨總歷時(shí)為30 min。降雨結(jié)束后，量取接樣渾水體積，并通過(guò)烘干稱重法計(jì)算得到接樣泥沙體積，進(jìn)而計(jì)算清水徑流量。用染色示蹤法測(cè)定坡面流速，然后將實(shí)測(cè)表面流速乘以修正系數(shù)0.67作為水流斷面平均流速[15]。通過(guò)流量與流速計(jì)算得到水深后，根據(jù)水流切應(yīng)力公式[16](1)計(jì)算得出不同時(shí)刻的坡面水流切應(yīng)力：

τ=γRJ

(1)

式中：τ表示水流切應(yīng)力(Pa)或(N/m2)；γ表示水流容重(N/m3)；R表示水力半徑(m)，對(duì)于本研究的薄層水流,近似用水深h代替；J表示水力坡度，J=sinθ，θ為床面坡度。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施Jag C162對(duì)坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化的影響

對(duì)比分析圖1，噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化與裸土坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化基本相似，整體皆隨第一場(chǎng)降雨歷時(shí)延長(zhǎng)先增大后趨于相對(duì)穩(wěn)定。不同在于，裸土坡面水流切應(yīng)力整體大于噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力。裸土坡面水流切應(yīng)力在產(chǎn)流后1～9 min隨降雨時(shí)間先快速上升，之后緩慢增加，最后趨于相對(duì)穩(wěn)定在0.309 Pa左右。相比之下，噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力在產(chǎn)流后的1～24 min內(nèi)隨第一場(chǎng)降雨歷時(shí)的變化快速上升，隨后分別穩(wěn)定在0.267，0.260，0.282 Pa。在產(chǎn)流后的12～21 min噴施劑量3，5 g/m2下的坡面水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)的變化十分接近，而從產(chǎn)流后24 min到降雨結(jié)束，噴施Jag C162劑量為1，3 g/m2坡面水流切應(yīng)力隨降雨過(guò)程變化較接近。噴施Jag C162的坡面產(chǎn)流時(shí)間皆晚于裸土坡面產(chǎn)流時(shí)間，且隨Jag C162劑量增加，坡面產(chǎn)流時(shí)間往后延遲。

圖1 坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化

從水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)變化的增幅來(lái)看，噴施劑量為5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨降雨過(guò)程的變幅小于裸坡與劑量為1，3 g/m2的坡面水流切應(yīng)力的變幅?？赡苁且?yàn)閲娛㎎ag C162劑量為5 g/m2的坡面形成的“保護(hù)膜”比劑量1，3 g/m2下的坡面更加致密，使坡面初始入滲率低于裸坡和劑量1，3 g/m2下的坡面，坡面平均水深高于裸坡和劑量1，3 g/m2下的坡面，坡面水流切應(yīng)力的初始值0.219 Pa高于裸土坡面水流切應(yīng)力的初始值0.198 Pa和劑量為1，3 g/m2的坡面水流切應(yīng)力初始值0.178，0.158 Pa[17-19]。

對(duì)不同土壤處理下的坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合分析，將裸坡與噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程列于表2。將裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的降雨歷時(shí)帶入表2的經(jīng)驗(yàn)方程中，可計(jì)算出裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨降雨過(guò)程變化的初始預(yù)測(cè)值分別為0.206，0.173，0.168， Pa，而其趨于穩(wěn)定的預(yù)測(cè)值分別為0.302，0.255，0.260，0.270 Pa。對(duì)比圖1，裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)變化的預(yù)測(cè)值接近于實(shí)測(cè)值。從表2中的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力與降雨歷時(shí)顯著相關(guān)。說(shuō)明裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化規(guī)律基本上可用對(duì)數(shù)方程很好地描述。

表2 噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第一場(chǎng)降雨過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程

注：τ為水流切應(yīng)力(Pa或N/m2)；t為產(chǎn)流后的降雨時(shí)間(min),下同。

2.2 噴施Jag C162對(duì)坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化的影響

噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化與裸土坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化基本相似，總體呈隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程先增大后趨于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不同在于，裸土坡面水流切應(yīng)力整體上要比噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力大(見圖2)。裸土坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨歷時(shí)的變化，在產(chǎn)流后1～4 min快速增加，產(chǎn)流后4～24 min呈波動(dòng)緩慢上升，從產(chǎn)流后24 min到降雨結(jié)束趨于相對(duì)穩(wěn)定。與裸土坡面水流切應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相似，噴施Jag C162劑量為1，3 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程在產(chǎn)流后1～4 min快速增加，產(chǎn)流后4～27 min呈波動(dòng)緩慢上升，從產(chǎn)流后27 min到降雨結(jié)束趨于相對(duì)穩(wěn)定，而劑量為5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力在產(chǎn)流初期隨降雨過(guò)程變化快速增加，在產(chǎn)流后15 min到降雨結(jié)束趨于穩(wěn)定。整體而言，在第二場(chǎng)降雨過(guò)程中噴施不同劑量的坡面水流切應(yīng)力之間差別不大，但還是呈現(xiàn)出噴施Jag C162劑量越大，坡面水流切應(yīng)力越小的特點(diǎn)。說(shuō)明在連續(xù)兩場(chǎng)降雨后，Jag C162劑量越大，其減小水流切應(yīng)力的持效性越好。噴施不同劑量Jag C162的坡面產(chǎn)流時(shí)間稍晚于裸土坡面產(chǎn)流時(shí)間(除劑量為1 g/m2的坡面產(chǎn)流時(shí)間與裸坡產(chǎn)流時(shí)間一致外)。

圖2 坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化

對(duì)不同土壤處理下的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合分析，得到裸坡與噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程(表3)。將降雨歷時(shí)帶入裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程中，計(jì)算得到裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨歷時(shí)變化的初始預(yù)測(cè)值分別為0.270，0.218，0.211，0.213 Pa，其趨于穩(wěn)定的預(yù)測(cè)值分別為0.352，0.331，0.315，0.281 Pa。而裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨歷時(shí)變化的初始實(shí)測(cè)值分別為0.256，0.210，0.196，0.207 Pa，趨于穩(wěn)定的實(shí)測(cè)值分別為0.351，0.331，0.313，0.297 Pa。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，裸坡和噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力隨降雨過(guò)程變化的預(yù)測(cè)值與的實(shí)測(cè)值很接近。裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力與降雨歷時(shí)相關(guān)性顯著(表3)。說(shuō)明裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程的變化可用對(duì)數(shù)方程可很好地描述。

表3 噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨過(guò)程變化的經(jīng)驗(yàn)方程

對(duì)比圖1和圖2可看出，裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程的變化皆呈先增加后趨于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，裸土坡面水流切應(yīng)力整體的變化過(guò)程均大于噴施Jag C162的坡面水流切應(yīng)力變化過(guò)程。不同在于，在第一場(chǎng)降雨過(guò)程中，坡面水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)的變化整體表現(xiàn)為劑量越大，水流切應(yīng)力越大；而坡面水流切應(yīng)力隨第二場(chǎng)降雨歷時(shí)的變化整體表現(xiàn)為劑量越大，水流切應(yīng)力越小。

根據(jù)公式(1)可知，坡面水流切應(yīng)力的變化是水力半徑與水力坡度變化的綜合表現(xiàn)，其中在薄層水流中水力半徑的變化取決于水深的變化。本試驗(yàn)是在同坡度定雨強(qiáng)條件下進(jìn)行的，坡面水流的水力坡度是定值，因此坡面水流切應(yīng)力的變化主要受坡面水深變化的影響。在降雨初期，由于表層土壤含水量低，土壤的入滲能力高，降雨基本全部入滲，地表不能形成徑流，隨著降雨繼續(xù)，雨水入滲使土壤含水量增大，表層土壤含水量逐漸達(dá)到飽和，加之雨滴打擊地表產(chǎn)生的濺蝕顆粒阻塞土壤孔隙，土壤入滲率減弱，當(dāng)坡面入滲率小于降雨強(qiáng)度時(shí)，坡面產(chǎn)生徑流。產(chǎn)流開始后，隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，坡面土壤入滲逐漸減弱，導(dǎo)致坡面徑流率增加，坡面水深在徑流初始階段也增加。之后土壤含水量逐漸增加，土壤孔隙變少，土壤入滲逐漸趨于穩(wěn)定，坡面徑流率趨于相對(duì)穩(wěn)定[17-19]，坡面水深也趨于穩(wěn)定。裸坡和噴施Jag C162的坡面徑流水深隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的變化態(tài)勢(shì)，進(jìn)一步影響坡面水流切應(yīng)力的變化，因此，裸坡和噴施不同劑量的Jag C162坡面水流切應(yīng)力隨兩場(chǎng)降雨過(guò)程的變化皆表現(xiàn)為先增大后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

相比于裸坡，噴施Jag C162的坡面>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量提高[18-19]，一方面土壤孔隙增大，土壤入滲能力增強(qiáng)，坡面徑流減少，坡面水深降低，另一方面土壤抗擊濺能力增強(qiáng)，從而抑制結(jié)皮的形成，使土壤孔隙不易被堵塞，坡面入滲增強(qiáng)。因此在連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程中噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力整體上要比裸坡水流切應(yīng)力小。此外，噴施不同劑量Jag C162的坡面入滲能力增強(qiáng)，使坡面開始產(chǎn)流時(shí)間推遲，水流切應(yīng)力隨降雨變化趨于穩(wěn)定的時(shí)間也推遲。

2.3 Jag C162對(duì)連續(xù)兩次降雨過(guò)程平均切應(yīng)力的影響

將第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算后列于表4。從表4可見，在第一場(chǎng)降雨過(guò)程中，噴施不同劑量Jag C162的坡面平均切應(yīng)力均小于裸土坡面平均切應(yīng)力，而隨Jag C162劑量增加，坡面平均切應(yīng)力增加。相比裸坡，噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力分別減少15.49%，15.47%，7.76%。說(shuō)明在第一場(chǎng)降雨中，噴施Jag C162能夠降低水流切應(yīng)力，且劑量為1，3 g/m2的Jag C162減小坡面水流切應(yīng)力的效果最好。

在第二場(chǎng)降雨過(guò)程中，噴施不同劑量Jag C162的坡面平均切應(yīng)力均小于裸土坡面平均切應(yīng)力，且隨Jag C162劑量增加，坡面平均切應(yīng)力減小。相比裸坡，噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力分別減少9.85%，13.13%和17.46%。說(shuō)明在第二降雨過(guò)程中，Jag C162劑量越大，其減小坡面平均水流切應(yīng)力的效應(yīng)越好。

比較第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨下噴施不同劑量Jag C162的坡面和裸坡平均水流切應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一劑量，第二場(chǎng)降雨下的坡面平均水流切應(yīng)力均大于第一場(chǎng)降雨下的坡面平均水流切應(yīng)力，且第二場(chǎng)降雨下的平均切應(yīng)力與第一場(chǎng)降雨下的平均切應(yīng)力差值大小為：1 g/m2>裸坡>3 g/m2>5 g/m2。將噴施Jag C162在同一劑量下，連續(xù)兩場(chǎng)次降雨間的平均切應(yīng)力之差與裸坡兩場(chǎng)次降雨間之差相比，得到兩場(chǎng)次降雨間噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力相比裸坡分別減少-19.81%，0.84%，68.42%。說(shuō)明在連續(xù)兩場(chǎng)次降雨過(guò)程中，Jag C162能明顯縮小兩場(chǎng)次降雨間坡面水流切應(yīng)力的差異，且隨著Jag C162劑量增大，其對(duì)坡面切應(yīng)力影響的持效性越好。

在對(duì)第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨過(guò)程中的坡面水流切應(yīng)力進(jìn)行LSD多重比較中發(fā)現(xiàn)，在第一場(chǎng)降雨中，裸坡水流切應(yīng)力與噴施Jag C162三個(gè)劑量的坡面水流切應(yīng)力存在顯著性差異，而噴施Jag C162的三個(gè)劑量之間沒有顯著性差異；在第二場(chǎng)降雨中，裸坡水流切應(yīng)力與噴施Jag C162三個(gè)劑量的坡面水流切應(yīng)力存在顯著性，而噴施Jag C162的三個(gè)劑量之間沒有顯著性差異。對(duì)第二場(chǎng)降雨中不同土壤處理的坡面水流切應(yīng)力與第一場(chǎng)降雨中不同土壤處理的坡面水流切應(yīng)力的差值進(jìn)行LSD多重比較，噴施Jag C162劑量5 g/m2的坡面水流切應(yīng)力與裸坡、噴施Jag C162劑量1 g/m2和劑量3 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力存在顯著性差異。因此，綜合考慮Jag C162對(duì)坡面水流切應(yīng)力調(diào)控作用的穩(wěn)定性及持效性，建議在連續(xù)兩場(chǎng)次降雨中采用劑量5 g/m2的Jag C162調(diào)控坡面水流切應(yīng)力，以期達(dá)到控制土壤侵蝕的目的。。

表4 兩場(chǎng)降雨過(guò)程中噴施不同劑量Jag C162與裸土坡面平均切應(yīng)力的百分比

備注：表中“Ⅰ”和“Ⅱ”分別表示第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨；“Ⅰ*Ⅱ”表示兩場(chǎng)降雨平均切應(yīng)力的變化；表中的字母表示在0.05置信水平上的顯著性差異。

3 結(jié) 論

(1) 在第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨過(guò)程中，裸坡和噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力隨降雨歷時(shí)的變化基本相似，皆呈先增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，都可用對(duì)數(shù)方程描述。在連續(xù)兩場(chǎng)降雨過(guò)程中，裸坡水流切應(yīng)力皆比噴施不同劑量Jag C162的坡面水流切應(yīng)力要大。在第一場(chǎng)降雨和第二場(chǎng)降雨過(guò)程中，噴施不同劑量Jag C162的坡面產(chǎn)流時(shí)間均晚于裸坡坡面產(chǎn)流時(shí)間。

(2) 在第一場(chǎng)降雨過(guò)程中，相比裸坡，噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力分別減少15.49%，15.47%，7.76%。第二場(chǎng)降雨過(guò)程中噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力相比裸坡，分別減少9.85%，13.13%，17.46%。而在兩場(chǎng)降雨間，噴施Jag C162劑量為1，3，5 g/m2的坡面平均水流切應(yīng)力相比裸坡分別減少-19.81%，0.84%，68.42%。說(shuō)明在連續(xù)降雨過(guò)程中，Jag C162具有減小坡面水流切應(yīng)力的作用，且隨著Jag C162劑量增大，對(duì)坡面切應(yīng)力影響的持效性增強(qiáng)。

(3) 綜合考慮Jag C162對(duì)坡面水流切應(yīng)力調(diào)控作用的穩(wěn)定性及持效性，建議在連續(xù)兩場(chǎng)次降雨中采用劑量5 g/m2的Jag C162調(diào)控坡面水流切應(yīng)力，以期達(dá)到控制土壤侵蝕的目的。

[1] 穆興民,陳國(guó)良,徐學(xué)選.黃土高原降水量與地理因素關(guān)系分析[J].西北水土保持研究所集刊,1992，16:80-86.

[2] 曹麗花,趙世偉,梁向鋒,等.PAM對(duì)黃土高原主要土壤類型水穩(wěn)性團(tuán)聚體的改良效果及機(jī)理研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(1):45-49.

[3] 員學(xué)鋒,汪有科,吳普特,等.PAM對(duì)土壤物理性狀影響的試驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2005，19(2):37-40.

[4] Ben-Hur M, Keren R. Polymer effects on water infiltration and soil aggregation[J]. Soil Sci. Soc. Am. J.,1997,61:565-570.

[5] Sirjacobs D, Shainberg I, Rapp I. Polyacrylamide, sediments, and interrupted flow effects on rill erosion and intake rate[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000,64:1487-1495.

[6] Bob S, Rick L. Polyacrylamide for furrow-irrigation erosion control [J]. Irrigation Journal, 1996,46(1):8-11.

[7] 唐澤軍,雷廷武,張晴雯,等.聚丙烯酰胺增加土壤降雨入滲減少侵蝕的模擬試驗(yàn)研究.Ⅰ:入滲[J].土壤學(xué)報(bào),2003,40(2):178-185.

[8] 雷廷武,唐澤軍,張晴雯,等.聚丙烯酰胺增加土壤降雨入滲減少侵蝕的模擬試驗(yàn)研究.Ⅱ：侵蝕[J].土壤學(xué)報(bào),2003,40(3):401-406.

[9] Foster G R, Meyer L D. Transport of soil particles by shallow flow[J]. Trans of the ASAE, 1972,15(1):99-102.

[10] 王瑄,李占斌,尚佰曉,等.坡面土壤剝蝕率與水蝕因子關(guān)系室內(nèi)模擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(9):22-26.

[11] 王瑄,李占斌,鄭良勇,土壤剝蝕率與水流剪切力關(guān)系室內(nèi)模擬試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38(4):577-580.

[12] 吳淑芳,吳普特,宋維秀,等.黃土坡面徑流剝離土壤的水動(dòng)力過(guò)程研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(2):223-228.

[13] 劉紀(jì)根,雷廷武.坡耕地施加PAM對(duì)土壤抗沖抗蝕能力影響試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(6):59-62.

[14] 劉紀(jì)根,張平倉(cāng),陳展鵬.聚丙烯酰胺對(duì)擾動(dòng)紅壤可蝕性及臨界剪切力的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(7):45-49.

[15] Horton R E, leach H R, Van V R. Laminar sheet flow[J]. Transactions of the American Geophysical union, 1934,15(2):393-404.

[16] Foster G R, Huggins L F, Meyer L D. A laboratory study of rill hydraulics,Ⅱ. Shear stress relationships[J]. Transactions of the ASAE, 1984,27(3):797-804.

[17] 焦念,王占禮,劉俊娥. Jag C162對(duì)黃土坡面降雨入滲的調(diào)控效應(yīng)研究[J].水土保持通報(bào),2014,34(1):25-30.

[18] 劉俊娥. Jag S及Jag C162對(duì)黃土坡面片蝕動(dòng)力學(xué)過(guò)程的調(diào)控[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[19] Liu J E, Wang Z L, Yang X M, et al. The impact of natural polymer derivatives on sheet erosion on experimental loess hillslope[J]. Soil & Tillage Research, 2014,139(2):23-27.

EffectsofSprayingJagC162onFlowShearStressonLoessSlope

LU Shaojuan1，3, WANG Zhanli1,2, WANG Dongdong1

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China； 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

To study the regulation of Jag C162 on flow shear stress on the loess slope, the chemical regulation of surface water and sediment process were monitored under two continuous simulated rainfall experiments with the rainfall intensities of 2.0 mm/min, slopes of 20°, Jag C162 dosage of 1, 3, 5 g/m2in way of spraying. The main results are as follows. (1) On two simulated rainfall experiments, the flow shear stress of bare slope and slope with spraying different doses of Jag C162 first increase, and then presented the stability, and the processes could be described by the logarithmic equation. The variation values of flow shear stress of bare slope are greater than those of flow shear stress of slope with spraying different doses of Jag C162, the runoff yields on the slope with spraying different doses of Jag C162 were later than those on the bare slope， and the initial of stable trend on the slope with spraying different doses of Jag C162 was also later than the bare slope. (2) In the process of continuous rainfall, Jag C162 could reduce the flow shear stress on slope surface, and significantly narrow the difference of shear stress between two rainfall events; with Jag C162 doses increasing, the effects of Jag C162 on the slope surface shear stress enhanced. (3) Considering the influence of Jag C162 on reducing flow shear stress on slope surface, Jag C162 dose of 5 g/m2was recommended to research regulation of Jag C162 on the slope surface flow hydraulic parameters, and control the soil erosion on loess slope.

Jag C162; loess slope; flow shear stress; regulation

2016-01-20

：2016-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(41171227);國(guó)家自然科學(xué)基金(40971172);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(KZZD-EW-04-03)

陸紹娟(1990—),女,云南省陸良縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g。E-mail:shaojuan_lu@163.com

王占禮(1960—),男,陜西榆林人,博士,研究員,主要從事土壤侵蝕過(guò)程及預(yù)報(bào)模型研究。E-mail:zwang@nwsuaf.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2017)02-0031-05