PAM噴施量與施用方式對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響

白崗栓，羅 東，苗慶豐，周 楠，杜社妮

PAM噴施量與施用方式對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響

白崗栓1,2，羅 東3，苗慶豐4，周 楠2，杜社妮1,2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 陜西怡安建設(shè)工程有限公司，西安 710021；4. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010020）

固定流沙和減少風(fēng)蝕是一個(gè)世界性的難題。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作為一種線性高分子聚合物，噴灑在土壤表層能形成結(jié)皮，能有效抵御風(fēng)蝕，但噴施PAM溶液的結(jié)皮狀況及抗風(fēng)蝕能力與PAM的噴施量及土壤特性等密切相關(guān)，且PAM溶液的濃度越大則黏性越強(qiáng)，越不易噴灑。為了探尋PAM防風(fēng)固沙的適宜噴施量及簡(jiǎn)便施用方法，該研究以烏蘭布和沙漠流動(dòng)沙丘的風(fēng)沙土為試驗(yàn)材料，以風(fēng)沙土的風(fēng)干土及飽和濕土為對(duì)照，首先探討PAM不同噴施量對(duì)風(fēng)干土（風(fēng)沙土）表層結(jié)皮狀況、土壤含水率及土壤風(fēng)蝕量的影響，以尋求PAM的適宜噴施量，然后再將適量的PAM干撒、干撒后噴水和噴施于風(fēng)干土表層，探尋PAM的簡(jiǎn)便施用方法。結(jié)果表明：1）PAM不同噴施量的結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度均隨PAM噴施量的增加而增加，均顯著高于風(fēng)干土和飽和濕土；PAM不同噴施量的土壤含水率均高于風(fēng)干土，且隨時(shí)間的延續(xù)均顯著高于飽和濕土；噴施1、2、3和4 g/m2的PAM風(fēng)蝕量分別為風(fēng)干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，為飽和濕土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%，當(dāng)PAM噴施量達(dá)到2 g/m2時(shí)，PAM能有效降低風(fēng)沙土的風(fēng)蝕量。2）將2 g/m2的PAM干撒、干撒后噴水和噴施于風(fēng)干土表層，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的土壤結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度均高于風(fēng)干土、飽和濕土和干撒PAM，干撒PAM的土壤表層結(jié)皮覆蓋度低于飽和濕土但高于風(fēng)干土，結(jié)皮厚度和結(jié)皮抗剪強(qiáng)度高于風(fēng)干土及飽和濕土，干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液的土壤含水率高于風(fēng)干土、飽和濕土及干撒PAM，干撒PAM的土壤含水率與風(fēng)干土基本一致。干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風(fēng)蝕量分別為風(fēng)干土的53.13%、11.17%和6.35%，為飽和濕土的76.34%、16.05%和9.12%，干撒PAM后噴水的抗風(fēng)蝕能力接近于風(fēng)沙土表層噴施PAM溶液。3）由于噴施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建議風(fēng)沙區(qū)可在降雨前將2 g/m2的PAM干撒于土壤表層或干撒后向土壤噴水，可有效減少風(fēng)蝕量。

土壤；水分；PAM；施用量；施用方法；結(jié)皮；風(fēng)蝕

0 引 言

土壤風(fēng)蝕是指在一定的風(fēng)力作用下土壤或土壤母質(zhì)、土壤顆粒發(fā)生位移造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤物質(zhì)損失的過(guò)程，同時(shí)也是氣流或氣固兩相流對(duì)土壤表層的吹蝕和磨蝕過(guò)程[1]。中國(guó)沙化土地面積已達(dá)1.74×106km2，占國(guó)土總面積的18.2%，風(fēng)蝕是中國(guó)北方地區(qū)土壤退化的主要因素，是干旱、半干旱區(qū)荒漠化的主要過(guò)程[2]。控制風(fēng)蝕的主要的措施一是覆蓋（包括植被覆蓋、秸稈覆蓋及黏土、石塊覆蓋等）土壤表層，阻斷風(fēng)力與土壤表層的直接接觸；二是改善土壤特性，增強(qiáng)土壤顆粒間的粘滯力，提高土壤的抗風(fēng)蝕能力。植被覆蓋可有效減少風(fēng)蝕，但在風(fēng)沙嚴(yán)重和極端干旱、寒冷的環(huán)境條件下卻難以發(fā)揮作用。PAM（聚丙烯酰胺，polyacrylamide）作為一種線性水溶性高分子聚合物，主鏈上含有大量的酰胺基，具有很強(qiáng)的粘滯作用和水合作用，能夠吸附、包裹、粘結(jié)土壤顆粒，改善土壤顆粒結(jié)構(gòu)，增加土壤團(tuán)聚體，降低土壤水蝕和風(fēng)蝕[3-8]，且對(duì)土壤無(wú)毒害作用[9-10]，但PAM降低土壤水蝕和風(fēng)蝕的能力主要與PAM的施用量、施用方法、土壤質(zhì)地、土壤水分及PAM分子量的大小、PAM的類型等密切相關(guān)[11-17]。陳渠昌等[18-20]的研究表明，小劑量的PAM可增加土壤團(tuán)聚體，提高土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制土壤表層結(jié)皮，促進(jìn)土壤水分入滲，減少地表徑流，減少土壤水蝕量；大劑量的 PAM噴施于土壤表層則可促進(jìn)土壤表層結(jié)皮，提高土壤結(jié)皮厚度及抗剪強(qiáng)度，增加地表徑流，減少土壤水蝕量及土壤風(fēng)蝕量。PAM噴灑于土壤表層，能夠在土壤表層形成相對(duì)穩(wěn)定、緊密的土壤結(jié)皮，能夠有效減少土壤水蝕和風(fēng)蝕[21-22]，尤其是當(dāng)結(jié)皮變得干燥時(shí)，其抗剪強(qiáng)度及抗御風(fēng)蝕的能力更加增強(qiáng)[23-25]。沙塵暴與土地沙漠化直接威脅著人們的生存環(huán)境，固定流沙和減少風(fēng)蝕是一個(gè)世界性的難題[1-2]。目前有關(guān)PAM減少風(fēng)蝕的試驗(yàn)多為風(fēng)洞試驗(yàn)[1-2, 18-19, 25-26]，野外應(yīng)用PAM防風(fēng)固沙的報(bào)道較少，且制取PAM溶液需消耗大量的人力物力，不利于野外大面積推廣應(yīng)用[17]。為了尋求PAM防沙治沙的適宜施用量及簡(jiǎn)便方法，本試驗(yàn)在烏蘭布和沙漠東緣，以流動(dòng)沙丘的風(fēng)沙土為材料，開(kāi)展了PAM不同噴施量及施用方式對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)的自然狀況

烏蘭布和沙漠是中國(guó)八大沙漠之一，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，106°09′-106°57′E，39°16′-40°57′N，面積9 082 km2，其中沙丘面積為8 640 km2。沙丘中的流動(dòng)沙丘為4 536 km2，半固定沙丘為1 978 km2，固定沙丘為2 126 km2 [27]，流動(dòng)沙丘的坡度多為18°～22°；年均風(fēng)速3.0～3.7 m/s，其中3－5月為4.8 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速為24 m/s，以西風(fēng)及西南風(fēng)為主，其中春夏季以西風(fēng)為主；年均沙塵暴日數(shù)10.9 d，大風(fēng)日數(shù)12.5 d，揚(yáng)沙日數(shù)30.2 d，主要集中于3－5月。烏蘭布和沙漠夏季炎熱干燥，冬春季干旱少雨，年降水量為140.3 mm，其中6－9月降水量為全年降水量的78.8%，年蒸發(fā)量為2 380.6 mm，相對(duì)濕度為47%，最大凍土層為58 cm，無(wú)霜期146 d，日照時(shí)數(shù)3 181 h。以旱生、超旱生類型的荒漠植被和鹽生植被為主，如白刺（）、梭梭（）、鹽爪爪（）等。土壤主要有灰漠土、鹽土、灌淤土、風(fēng)沙土、淡棕鈣土等。試驗(yàn)地位于烏蘭布和沙漠東緣的磴口縣壩楞村，107°02′11″E，40°24′52″N，海拔1 049.6 m。

1.2 試驗(yàn)材料

供試PAM為陰離子型，白色粉末狀，分子量為12.0×106g/mol（即1200萬(wàn)Da，Da 表示一個(gè)12C原子質(zhì)量的 1/12），水解度為20.0%，能夠吸附63倍的1%氯化鈉溶液或1 300倍的純水，殘余單體小于0.5%，具有很強(qiáng)的水合作用和絮凝作用，由勝利油田長(zhǎng)安集團(tuán)提供。

供試土壤取自于烏蘭布和沙漠東緣的流動(dòng)沙丘，為風(fēng)沙土，容重1.57 g/cm3，顆粒直徑<0.075、0.075～0.25、>0.25 mm分別占2.65%、97.1% 和0.25%，風(fēng)干后質(zhì)量含水率為0.55%，質(zhì)量飽和含水率為5.65%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年3－6月及2018年3－6月在烏蘭布和沙漠東緣的磴口縣壩楞村進(jìn)行。

1.3.1 PAM噴施量

2017年3－6月，試驗(yàn)以風(fēng)干的風(fēng)沙土（簡(jiǎn)稱風(fēng)干土，質(zhì)量水分含量0.55%）及水分飽和的風(fēng)沙土（簡(jiǎn)稱飽和濕土，質(zhì)量水分含量為5.65%）為對(duì)照，分別向風(fēng)干土表層噴施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2的PAM溶液，并使風(fēng)干土水分達(dá)到飽和，探討PAM不同噴施量對(duì)烏蘭布和沙漠風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響，以篩選PAM防風(fēng)固沙的適宜施用量。

2017年試驗(yàn)為6個(gè)處理，每個(gè)處理均重復(fù)6次，共36個(gè)樣箱（不包含相當(dāng)于保護(hù)行的樣箱），其中每個(gè)處理的3個(gè)樣箱用于測(cè)定土壤表層的結(jié)皮覆蓋度和風(fēng)蝕量，3個(gè)樣箱用于測(cè)定土壤表層的結(jié)皮厚度、抗剪強(qiáng)度和土壤含水率。

2017年3月10日，在烏蘭布和沙漠空曠處，試驗(yàn)前將15.70 kg自然風(fēng)干的風(fēng)沙土裝入寬20 cm，高10 cm，長(zhǎng)50 cm的鋼板樣箱中（每個(gè)樣箱重4.0 kg），所有樣箱面向正西方向，間隔60 cm，隨機(jī)排列成一條直線，以消除上風(fēng)向樣箱對(duì)下風(fēng)方向樣箱風(fēng)速、風(fēng)向的影響。為了避免地面流沙及測(cè)量過(guò)程中樣箱變形和振動(dòng)等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將樣箱以當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)沙丘的自然坡度20°（36.40%）固定于距地面100 cm的試驗(yàn)鋼架上，然后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)噴水及噴施PAM溶液。為了避免邊際效應(yīng)（主要是北風(fēng)和南風(fēng)）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，在測(cè)試樣箱的兩端，各擺放同一高度、同一角度和同一間隔距離的相當(dāng)于保護(hù)行的空樣箱3個(gè)，以減少非主流風(fēng)向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)前分別將0.1，0.2，0.3，0.4 g各6份的PAM溶入24份800.7 g的純凈水中，待PAM完全溶解后分別噴施于對(duì)應(yīng)的24個(gè)樣箱中，相當(dāng)于向風(fēng)干土噴施1.0，2.0，3.0，4.0 g/m2（樣箱土壤表層面積為0.1 m2）的PAM溶液并使風(fēng)干土的水分含量達(dá)到飽和（質(zhì)量含水率達(dá)到5.65%，噴灑水量=（飽和濕土土壤水分－風(fēng)干土土壤水分）×樣箱風(fēng)干土質(zhì)量），簡(jiǎn)稱PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0。同時(shí)向相應(yīng)的6個(gè)風(fēng)干土樣箱各噴灑800.7 g的純凈水，促使土壤含水率達(dá)到飽和，作為對(duì)照中的飽和濕土，剩余6個(gè)樣箱作為對(duì)照中的風(fēng)干土。

1.3.2 PAM施用方式

根據(jù)2017年的試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)[1,3-4,18-19,25-26,28]，2018年3－6月，以風(fēng)干土和飽和濕土為對(duì)照，將2 g/m2的PAM分別干撒于風(fēng)干土表層（簡(jiǎn)稱干撒PAM）、PAM干撒于風(fēng)干土表層后噴水至風(fēng)干土水分達(dá)到飽和（簡(jiǎn)稱干撒PAM后噴水）及噴施PAM溶液至風(fēng)干土水分達(dá)到飽和（簡(jiǎn)稱噴施PAM溶液），探討PAM施用方法對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響，以尋求PAM防風(fēng)固沙的簡(jiǎn)便施用方法。

2018年試驗(yàn)共5個(gè)處理，6次重復(fù)，共30個(gè)樣箱（不包含相當(dāng)于保護(hù)行的樣箱），其中每個(gè)處理的3個(gè)樣箱用于測(cè)定土壤表層的結(jié)皮覆蓋度和風(fēng)蝕量，3個(gè)樣箱用于測(cè)定土壤表層的結(jié)皮厚度、抗剪強(qiáng)度和土壤含水率。

2018年各處理的樣箱大小、間隔距離、固定高度及角度、樣箱中的土壤量及保護(hù)行樣箱等均與2017年相同。

2018年3月14日在干撒PAM的6個(gè)樣箱和干撒PAM后噴水處理的6個(gè)樣箱表層采取200 g土樣，與0.2 g PAM混合均勻（樣箱土壤表層面積為0.1 m2，PAM施用量為2 g/m2），然后均勻撒施于風(fēng)干土表層。對(duì)于飽和濕土的6個(gè)樣箱及干撒PAM后噴水的6個(gè)樣箱，待PAM干撒完后，每個(gè)樣箱土壤表層均勻噴灑800.7 g純凈水，促使樣箱中的土壤水分達(dá)到飽和。對(duì)于噴施PAM溶液處理的6個(gè)樣箱，每個(gè)樣箱用800.7 g純凈水溶解0.2 g PAM，不斷晃動(dòng)以達(dá)到充分溶解，溶解后均勻噴灑到樣箱中的土壤表層，并促使樣箱中的土壤水分達(dá)到飽和，剩余6個(gè)樣箱作為對(duì)照中的風(fēng)干土。

1.3.3 試驗(yàn)過(guò)程注意事項(xiàng)

2017年及2018年，試驗(yàn)布設(shè)中為了避免撒施PAM、噴施PAM溶液和噴水時(shí)風(fēng)力對(duì)撒施、噴施均勻度的影響，干撒PAM、噴施PAM溶液和噴水時(shí)樣箱上罩一大紙箱，紙箱口背對(duì)主風(fēng)向，干撒PAM、噴施PAM溶液和噴水完畢后移走大紙箱。所有樣箱在填滿風(fēng)干土、干撒PAM、噴施PAM溶液及噴水后土壤表層及時(shí)用塑料薄膜嚴(yán)密覆蓋，確保樣箱土壤水分不會(huì)散失并促使土壤表層結(jié)皮形成，第2天上午10時(shí)左右輕輕去除塑料薄膜，確保去除塑料薄膜時(shí)不粘帶土粒及破壞樣箱土壤表層的結(jié)皮。測(cè)試期間樣箱土壤中萌發(fā)的雜草均及時(shí)貼土壤表層剪除，以防影響試驗(yàn)結(jié)果。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目

1）降水量及風(fēng)速

在樣箱旁空曠處設(shè)置 HOBO小型自動(dòng)氣象站（H21-001數(shù)據(jù)采集器），監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期間的降水量及距地面2.0 m處的日均風(fēng)速和每日最大瞬時(shí)風(fēng)速。

2）結(jié)皮覆蓋度和風(fēng)蝕量

從2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d（當(dāng)天10：00時(shí)左右）在每個(gè)處理測(cè)定結(jié)皮覆蓋度和風(fēng)蝕量的樣箱中，測(cè)定不同處理的結(jié)皮覆蓋度（土壤結(jié)皮覆蓋度指土壤表層形成的結(jié)皮面積占土壤表層面積的百分比，不包含土壤表層的裂隙、小風(fēng)蝕坑等，%）和風(fēng)蝕量。結(jié)皮覆蓋度用樣方法即方格法測(cè)定（在1塊20 cm×50 cm 玻璃面上按1 cm×1 cm 劃成網(wǎng)格，然后放在樣箱上測(cè)定土壤表層結(jié)皮格子的比例）[29]。從2017年3月25日至6月8日（含3月25日）、2018年3月29日至6月12日（含2018年3月29日），每隔15 d用稱重法測(cè)定不同處理的風(fēng)蝕量。為避免風(fēng)力對(duì)稱質(zhì)量的影響，將天平放置于大紙箱內(nèi)，紙箱口背對(duì)主風(fēng)向，輕取輕放對(duì)樣箱進(jìn)行稱質(zhì)量。根據(jù)每次稱質(zhì)量前后2次土壤的減少量及土壤中的質(zhì)量水分含量，將減少的土壤量折合為風(fēng)干土質(zhì)量，作為不同測(cè)定期不同處理的土壤風(fēng)蝕量，并根據(jù)測(cè)定面積及土壤容重，折合成單位面積的風(fēng)蝕量（g/m2）及風(fēng)蝕深度。

3）結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度及土壤含水率

從2017年的3月15日至6月12日、2018年3月15日至6月12日，每隔15 d在每個(gè)處理測(cè)定結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度及土壤含水率的樣箱中，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)定土壤表層結(jié)皮厚度（土壤表層結(jié)皮厚度指較為干燥時(shí)施加外力能夠使土壤表層的結(jié)皮層完整自然剝離的厚度，mm），用袖珍剪力儀（BWT2XZJL）測(cè)定結(jié)皮抗剪強(qiáng)度（kPa）[29]，用烘干法測(cè)定樣箱表層至底層的土壤質(zhì)量含水率（%）（取樣后及時(shí)用含水率相近的風(fēng)沙土填補(bǔ)取樣孔隙，以減少風(fēng)力掏蝕對(duì)表層結(jié)皮的影響）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

測(cè)試數(shù)據(jù)采用Excel 2010制作圖表，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析；采用Duncan’s 多重比較進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)試時(shí)僅2個(gè)處理有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則用student test檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間的降水量及風(fēng)速

2017年監(jiān)測(cè)期間共降水42.6 mm，其中3月14日至3月23日降水日數(shù)高達(dá)6 d，降水量達(dá)15.1 mm。3月24日至5月13日連續(xù)58 d無(wú)降水過(guò)程，5月14日降水1.8 mm，6月4日和6月5日分別降水12.3和13.4 mm。監(jiān)測(cè)期間日均風(fēng)速平均為3.83 m/s，每日最大風(fēng)速平均為6.33 m/s，等于或超過(guò)起沙風(fēng)速5.0 m/s[25]的天數(shù)分別為41和 49 d，最大瞬時(shí)風(fēng)速為15.4 m/s（圖1a）。

圖1 2017－2018年試驗(yàn)監(jiān)測(cè)期間的風(fēng)速與降水量

2018年監(jiān)測(cè)期間3月16日、3月19日、3月20日及5月18日分別降水2.2、2.6、3.7和2.3 mm，共計(jì)降水10.8 mm。3月21日至5月17日連續(xù)58 d無(wú)降水。監(jiān)測(cè)期間日均風(fēng)速平均為4.59 m/s，每日最大風(fēng)速平均為7.09 m/s，超過(guò)起沙風(fēng)速的天數(shù)分別為44 d和 48 d，最大瞬時(shí)風(fēng)速為15.4 m/s（圖1b）。

2.2 PAM噴施量對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

2.2.1 PAM噴施量對(duì)土壤結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度和結(jié)皮抗剪強(qiáng)度的影響

風(fēng)干土在試驗(yàn)初期未形成結(jié)皮，風(fēng)干土和飽和濕土在長(zhǎng)時(shí)段缺乏降水的情況下如5月9日和5月24日無(wú)結(jié)皮殘存，而PAM不同噴施量的結(jié)皮覆蓋度則隨噴施量的升高而升高，受自然降水的影響程度相對(duì)較低。當(dāng)降水稀少或無(wú)降水，起沙風(fēng)速天數(shù)多時(shí)，不同處理的結(jié)皮覆蓋度降低或無(wú)結(jié)皮殘存；當(dāng)有降水或降水較多，起沙風(fēng)速天數(shù)少時(shí)，不同處理的結(jié)皮覆蓋度升高。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮覆蓋度極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著低于PAM不同噴施量（<0.01）；PAM不同噴施量的結(jié)皮覆蓋度隨著噴施量的降低而降低，不同噴施量之間無(wú)顯著差異（表1）。

表1 PAM不同噴施量條件下土壤結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度和抗剪強(qiáng)度

注：PAM1.0 、PAM2.0、PAM3.0、PAM4.0分別表示PAM噴施為量1.0，2.0，3.0，4.0 g·m-2。“-”表示未形成結(jié)皮，計(jì)算平均值時(shí)其值為0。同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間存在顯著差異（<0.05），不同大寫(xiě)字母表示不同處理之間存在極顯著差異（<0.01）。下同。

Note: PAM1.0, PAM2.0, PAM3.0, PAM4.0 indicate that spraying amounts of PAM are 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 g·m-2, respectively.The “-” indicates that the crust is not formed, when calculating the average value, its value is 0. Different lowercase letter within the same column indicate significant difference (<0.05) between different treatments, while different uppercase letters indicate extremely significant difference (< 0.01) between different treatments. The same as below.

風(fēng)干土及飽和濕土的結(jié)皮厚度主要受降水的影響，降水量偏多則結(jié)皮較厚，降水偏少則較薄或無(wú)結(jié)皮存在。PAM不同噴施量的結(jié)皮厚度主要隨噴施量的增高而增厚，隨時(shí)間的延續(xù)則變薄，遇雨則略微增厚。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮厚度極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的顯著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0的顯著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

風(fēng)干土和飽和濕土的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度主要隨降水的發(fā)生而改變，PAM不同噴施量的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度主要受噴施量的影響，且隨時(shí)間延續(xù)緩慢上升。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮抗剪強(qiáng)度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著低于PAM1.0（<0.01），PAM1.0的極顯著（<0.01）低于PAM2.0，PAM2.0的顯著（<0.05）低于PAM3.0和PAM4.0（表1）。

2.2.2 PAM噴施量對(duì)土壤含水率和土壤風(fēng)蝕的影響

風(fēng)干土和飽和濕土的土壤含水率主要受降水影響，PAM不同噴施量的土壤水分除受降水影響外，也受PAM噴施量的影響。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均土壤含水率極顯著低于飽和濕土（<0.01），飽和濕土的極顯著（<0.01）低于PAM1.0，PAM1.0的顯著（<0.05）低于PAM2.0，PAM2.0與PAM3.0、PAM4.0之間無(wú)顯著差異（表2）。

風(fēng)干土和飽和濕土的風(fēng)蝕量主要受起沙風(fēng)速、起沙風(fēng)速天數(shù)及降水的影響，表現(xiàn)為起沙風(fēng)速越大，起沙風(fēng)速天數(shù)越多，風(fēng)蝕量則越大；降水天數(shù)越多，降雨量越大，風(fēng)蝕量則越小。PAM不同噴施量的土壤風(fēng)蝕量除受起沙風(fēng)速、起沙風(fēng)速天數(shù)和降水影響外，也與PAM的噴施量密切相關(guān)。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土、飽和濕土、PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的風(fēng)蝕量合計(jì)分別為24 743、23 065、6 639、3 488、3 234和3 216 g/m2，折合風(fēng)蝕深度為15.76、14.69、4.23、2.22、2.06和2.05 mm。PAM1.0、PAM2.0、PAM3.0和PAM4.0的風(fēng)蝕量分別為風(fēng)干土的26.83%、14.10%、13.01%和13.00%，為飽和濕土的28.78%、15.12%、14.02%和13.94%；飽和濕土為風(fēng)干土的93.22%。PAM不同噴施量均具有良好的固沙作用，綜合考慮當(dāng)PAM的噴施量達(dá)到2.0 g/m2以上時(shí)效果更佳（表3）。

表2 PAM不同噴施量條件下土壤含水率

表3 PAM不同噴施量條件下土壤風(fēng)蝕量

2.3 PAM施用方式對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

2.3.1 PAM施用方式對(duì)土壤結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度和結(jié)皮抗剪強(qiáng)度的影響

2018年監(jiān)測(cè)期間的降水量較2017年小，受降水、風(fēng)蝕和施用方法的影響，監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土有5次無(wú)結(jié)皮殘存，飽和濕土和干撒PAM有4次無(wú)結(jié)皮殘存，而干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液則一直有結(jié)皮存在，且隨時(shí)間的延續(xù)，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的結(jié)皮覆蓋度差異逐漸增大，由初始的無(wú)顯著差異逐漸演變?yōu)轱@著差異（<0.05），最終達(dá)到極顯著（<0.01）。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮覆蓋度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，與2017年的結(jié)果一致；干撒PAM的平均結(jié)皮覆蓋度極顯著（<0.01）高于風(fēng)干土但卻極顯著（<0.01）低于飽和濕土，說(shuō)明在干旱環(huán)境下受風(fēng)蝕的影響，干撒PAM難以形成良好的土壤結(jié)皮；干撒PAM后噴水的結(jié)皮覆蓋度極顯著（<0.01）高于PAM飽和濕土卻顯著（<0.05）低于噴施PAM溶液，說(shuō)明干撒PAM后噴水可促進(jìn)土壤表層形成結(jié)皮，但卻遜于噴施PAM溶液（表4）。

表4 PAM不同施用方式條件下土壤結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度和抗剪強(qiáng)度

2018年監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土、飽和濕土和干撒PAM形成結(jié)皮的機(jī)會(huì)少且結(jié)皮厚度薄，干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液始終均有結(jié)皮存在且較厚，但隨時(shí)間延續(xù)則緩慢變薄。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮厚度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，與2017年的結(jié)果相同；飽和濕土的極顯著低于干撒PAM（<0.01），干撒PAM的則極顯著低于干撒PAM后噴水（<0.01），干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表4）。

當(dāng)風(fēng)干土和飽和濕土同時(shí)有結(jié)皮殘存時(shí)，二者的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度基本一致。前期干撒PAM的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度極顯著（<0.01）高于風(fēng)干土和飽和濕土，后期則與風(fēng)干土和飽和濕土基本相同，說(shuō)明后期干撒PAM表層基本無(wú)PAM殘存。干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的延續(xù)緩慢上升。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均結(jié)皮抗剪強(qiáng)度極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著（<0.01）低于干撒PAM，干撒PAM的極顯著（<0.01）低于干撒PAM后噴水，干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表4）。

2.3.2 PAM不同施用方式對(duì)土壤水分和土壤風(fēng)蝕的影響

風(fēng)干土、飽和濕土和干撒PAM的土壤水分除飽和濕土前期受施用方式影響外，三者的土壤水分主要隨降水量的多少而發(fā)生變化，干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液的除受降水影響外，也受施用方式的影響。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土的平均土壤含水率與干撒PAM的基本相同，2者均極顯著（<0.01）低于飽和濕土，飽和濕土的極顯著（<0.01）低于干撒PAM后噴水，干撒PAM后噴水的極顯著（<0.01）低于噴施PAM溶液（表5）。

表5 PAM不同施用方式下土壤含水率

風(fēng)干土、干撒PAM和飽和濕土的風(fēng)蝕量主要受起沙風(fēng)速及降水的影響。干撒PAM后噴水和噴施PAM的除受起沙風(fēng)速和降水影響外，也與PAM的施用方法密切相關(guān)。監(jiān)測(cè)期間風(fēng)干土、飽和濕土、干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風(fēng)蝕量合計(jì)分別為42 249、29 403、22 445、4 720及2 681 g/m2，折合風(fēng)蝕深度為26.91、18.73、14.30、3.01和1.71 mm。干撒PAM、干撒PAM后噴水和噴施PAM溶液的風(fēng)蝕量分別為風(fēng)干土的53.13%、11.17%和6.35%，為飽和濕土的76.34%、16.05%和9.12%；飽和濕土的風(fēng)蝕量為風(fēng)干土的69.59%。干撒PAM后噴水及噴施PAM溶液均有良好的減少風(fēng)蝕作用（表6）。

表6 PAM不同施用方式下土壤風(fēng)蝕量

3 討 論

沙塵暴與土地沙漠化直接威脅著人們的生存環(huán)境，固定流沙和減少風(fēng)蝕是一個(gè)世界性的難題[1-2]。PAM作為一種線性高分子聚合物，具有很強(qiáng)的水合作用和粘滯作用[30-31]。PAM溶液噴施在土壤表層能夠防風(fēng)固沙，首先是PAM遇水溶解后形成的鏈狀結(jié)構(gòu)，能夠吸附、包裹、粘結(jié)大量松散的可蝕性土壤顆粒，在松散的土壤表層形成結(jié)皮，增加土壤表層的整體性，隔絕土壤顆粒與風(fēng)力接觸，避免土壤顆粒遭受風(fēng)力侵蝕，從而減少了風(fēng)蝕量；第二是PAM具有強(qiáng)烈的吸附、包裹、粘結(jié)作用，能將細(xì)小的土壤顆粒吸附、包裹、粘結(jié)成新的或更大的土壤團(tuán)聚體，從而提高了土壤顆粒的起動(dòng)風(fēng)速[1-2,18-19]；第三是PAM的長(zhǎng)鏈可深入到土壤顆粒之間，減少土壤顆粒之間的直接接觸，減少土壤顆粒之間的能量傳遞，減少土壤顆粒的振動(dòng)，提高了土壤顆粒的穩(wěn)定性，從而減少了土壤顆粒的風(fēng)蝕量[18-19]。此外，PAM在土壤表層形成結(jié)皮，可有效減少土壤顆粒的水分蒸發(fā)，促進(jìn)土壤顆粒保持較高的含水率，提高土壤顆粒表面水膜的靜電引力，提高土壤顆粒間的黏著力，從而提高了土壤顆粒的抗風(fēng)蝕能力[21-22, 25, 32]。風(fēng)干土及飽和濕土表層形成的土壤結(jié)皮是物理性結(jié)皮，是降雨或噴灑的水分打擊夯實(shí)土壤表層顆粒導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體發(fā)生物理變化而形成的結(jié)構(gòu)性結(jié)皮，其結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度及水分含量不但受自然降水的影響，而且結(jié)皮較薄，抗剪強(qiáng)度低，易遭受風(fēng)力的破壞，因而風(fēng)蝕量較大。受試驗(yàn)方法的影響，飽和濕土在試驗(yàn)初始階段水分含量高且形成結(jié)皮，因而試驗(yàn)初始階段抗風(fēng)蝕能力高于風(fēng)干土，隨后受水分蒸散及風(fēng)力侵蝕的影響，抗風(fēng)蝕能力逐漸與風(fēng)干土保持一致。PAM的噴施量越大，形成的結(jié)皮覆蓋度越高，越厚，抗剪強(qiáng)度越大，整體性越強(qiáng)，越不易遭受風(fēng)力破壞，因而固沙能力越強(qiáng)，抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)；且結(jié)皮的整體性越強(qiáng)，土壤中的水分越不易散失，越利于提高土壤的起沙風(fēng)速，降低風(fēng)蝕量。PAM1.0形成的結(jié)皮相對(duì)較薄，抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低，在遭遇風(fēng)力的不斷吹蝕及風(fēng)沙流的不斷磨蝕時(shí)易遭到破壞，易為風(fēng)力掏蝕提供機(jī)會(huì)，因而抗風(fēng)蝕能力較弱。PAM2.0的結(jié)皮厚度及結(jié)皮抗剪強(qiáng)度較PAM3.0和PAM4.0較低，但其風(fēng)蝕量與PAM3.0和PAM4.0基本一致，說(shuō)明PAM2.0已具有良好的抗風(fēng)蝕能力。PAM不同噴施量的結(jié)皮抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增加，這主要是結(jié)皮中的水分含量降低，促使結(jié)皮形成更為緊密的結(jié)構(gòu)[21-23]。

PAM干撒于土壤表層，由于缺少水分難以溶解，不能在土壤表層形成結(jié)皮，只有在降水后才能形成。試驗(yàn)初期有少量降水，但干撒的PAM大多已被風(fēng)吹蝕掉，故在試驗(yàn)初期測(cè)定時(shí)有少量結(jié)皮，風(fēng)蝕量低于風(fēng)干土，說(shuō)明PAM干撒后遇到降水可降低風(fēng)蝕量；干撒PAM在試驗(yàn)初期形成的結(jié)皮不夠完整，隨著風(fēng)力的不斷吹蝕及掏蝕被逐漸蠶食掉，因而在試驗(yàn)中后期其抗風(fēng)蝕能力消耗殆盡。干撒PAM后噴水與噴施PAM溶液在試驗(yàn)初期土壤表層能夠形成完整的結(jié)皮，且結(jié)皮覆蓋度高，結(jié)皮較厚且抗剪強(qiáng)度大，土壤含水率高，因而其抗風(fēng)蝕的能力強(qiáng)；隨著風(fēng)力的不斷吹蝕及風(fēng)沙流對(duì)表層土壤及結(jié)皮的不斷磨蝕及掏蝕，結(jié)皮厚度逐漸變?。ㄓ鲇旰髣t變厚），土壤含水率逐漸降低且部分結(jié)皮遭到破壞，土壤顆粒從破壞處不斷逸出并逐漸被鏤空而產(chǎn)生風(fēng)蝕，因而干撒PAM后噴水與噴施PAM溶液的風(fēng)蝕量逐漸增大，抗風(fēng)蝕能力逐漸降低。干撒PAM后噴水的結(jié)皮較噴施PAM溶液的薄且不均勻，易受到風(fēng)力的破壞及掏蝕，故其風(fēng)蝕量高于噴施PAM溶液。噴施PAM溶液形成的結(jié)皮均勻、光滑且較厚，能夠有效保護(hù)結(jié)皮下的土壤顆粒不受風(fēng)力吹蝕及風(fēng)沙流的磨蝕，因而其抗風(fēng)蝕的能力較強(qiáng)。

烏蘭布和沙漠流沙區(qū)水資源缺乏，地廣人稀，溶解PAM需要消耗大量的水分及人力，且PAM溶液非常黏稠，不便噴施[17]，將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于土壤表層后噴水或根據(jù)天氣預(yù)報(bào)在降水前將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流動(dòng)沙丘或土壤表層，能夠在流動(dòng)沙丘或土壤表層形成結(jié)皮，可有效降低風(fēng)蝕量，可取得與PAM溶液噴施于流動(dòng)沙丘或土壤表層的同等效果。

4 結(jié) 論

1）風(fēng)沙土表層噴施不同量的PAM溶液，均可提高土壤表層的結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度和土壤含水率，降低土壤風(fēng)蝕量；當(dāng)PAM噴施量達(dá)到2.0 g/m2時(shí)，噴施PAM溶液可有效降低風(fēng)蝕量。

2）當(dāng)PAM施用量為2.0 g/m2時(shí)，將PAM干撒于風(fēng)沙土表層和PAM干撒后及時(shí)噴水，也可有效提高土壤表層的結(jié)皮覆蓋度、結(jié)皮厚度、結(jié)皮抗剪強(qiáng)度和土壤含水率，降低土壤風(fēng)蝕量，其中干撒PAM后噴水的抗風(fēng)蝕能力接近風(fēng)沙土表層噴施PAM溶液。

3）噴施PAM溶液需消耗大量的水分及人力，建議烏蘭布和風(fēng)沙區(qū)在降雨前將2.0 g/m2的PAM干粉撒施于流動(dòng)沙丘或土壤表層或撒施后及時(shí)向流動(dòng)沙丘或土壤表層噴水，可有效減少風(fēng)蝕量。

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Effects of spraying amounts and application methods of polyacrylamide (PAM) on aeolian sandy soil wind erosion

Bai Gangshuan1,2, Luo Dong3, Miao Qingfeng4, Zhou Nan2, Du Sheni1,2

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.710021,; 4.,,010020,)

Sandstorm and desertification have posed a worldwide threat to fix quicksand and reduce soil wind erosion for people's living environment. PAM (polyacrylamide), a kind of linear polymer, has been widely used in metallurgy, building materials, paper, mineral processing, oil production, sewage treatment and other industries due to its strong hydration and viscosity, and thereby it is also expected to resist the wind erosion. There is no any toxic effect on soil when spraying PAM solution on the soil surface. The main reason is that the sprayed PAM solution can form hard crust on the soil surface, and then the crust can effectively protect soil from wind erosion. However, the crust condition and wind erosion resistance of PAM are closely related to the PAM application methods, spraying amount and structure of soil. Moreover, high concentration of PAM solution can be a high viscosity, difficult to dissolve or spray, and lead to inconvenient spray on the surface of sand dune or soil. Taking the aeolian sandy soil as test material, this study aims to explore the optimal spraying amount and application method of PAM to prevent wind and fix sand, while reduce water consumption, by tailoring the properties of air-dried soil (aeolian sandy soil) and saturated soil. Specifically, the effects PAM of spraying amounts on surface crust, moisture and soil wind erosion of air-dried soil were investigated to determine the optimal spraying amount of PAM, and then, an optimal amount of PAM was used in the following ways: dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water, and spraying PAM solution, to explore a facile method for the application of PAM. The results showed that the soil shear strength, the coverage and thickness of soil crust after PAM treatment increased with the increase of PAM spraying amounts, all of which were significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil. The soil moisture after PAM treatment was significantly higher than that of air-dried soil and saturated soil over time. When spraying PAM of 1, 2, 3, and 4 g/m2, the wind erosion were 26.83%, 14.10%, 13.01% and 13.00% of air-dried soil, whereas, 28.78%, 15.12%, 14.02% and 13.94% of saturated soil, respectively. When the spraying amount of PAM reached 2 g/m2, PAM can effectively reduce the wind erosion of aeolian sandy soil. After 2 g/m2dry PAM sprinkled+spraying water and spraying, the coverage and thickness of soil crust, and soil shear strength were higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled treatment, the coverage of soil crust was lower than that of saturated soil, but higher than that of air-dried soil, whereas, the thickness of soil crust and soil shear strength were higher than that of air-dried soil and saturated soil. In dry PAM sprinkled+spraying and spraying PAM solution, the soil moisture was higher than that of air-dried soil, saturated soil and dry PAM sprinkled. In dry PAM sprinkled, the soil moisture was basically the same as that of air-dried soil. The soil wind erosion after dry PAM sprinkled, dry PAM sprinkled+spraying water and spraying PAM solution were 53.13%, 11.17% and 6.35%, of air-dried soil, respectively, and 76.34%, 16.05% and 9.12%, of saturated soil, respectively. In the dry PAM sprinkled+spraying water, the resistance of wind erosion was close to that in the spraying PAM solution on the surface of aeolian sandy soil. In order to save water and manpower when preparing and spraying the PAM solution, two measurements were proposed. One is that 2 g/m2PAM powder can be dry sprinkled on the surface of sand dunes and soil before rain in the wind-sand areas according to weather forecast. Another is, after dry PAM powder sprinkling, the sprayed water on the surface of sand dunes and soil can effectively fix the quicksand and reduce the amount of soil wind erosion.

soils; moisture; PAM; spraying amount; application method; crust; wind erosion

白崗栓，羅東，苗慶豐，等. PAM噴施量與施用方式對(duì)風(fēng)沙土風(fēng)蝕的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：90-98.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011 http://www.tcsae.org

Bai Gangshuan, Luo Dong, Miao Qingfeng, et al. Effects of spraying amounts and application methods of polyacrylamide (PAM) on aeolian sandy soil wind erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 90-98. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011 http://www.tcsae.org

2020-01-03

2020-04-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0501602）

白崗栓，研究員，主要從事農(nóng)田生態(tài)及果樹(shù)栽培方面的研究。Email：gshb@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.011

S157.2; X43

A

1002-6819(2020)-10-0090-09