聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，复合坡是自然界常见的主要坡型。通过室内人工降雨模拟试验，研究了复合坡面降雨产流规律以及聚丙 烯酰胺（polyacrylamide, PAM)应用对其的影响。试验采用2种复合坡型（凹型坡和凸型坡）的12个坡度组合 和4个PAM施用量，共48个试验处理。结果显示，PAM应用显著缩短了初始降雨产流时间，初始产流时间平 均比对照处理提前63.7°%〜71.6°%。PAM应用明显改变了坡面径流随降雨历时的变化规律。PAM应用后，除了大 坡度（彡10°)、小量PAM应用（0.5 g/m2)的凸型坡外，降雨径流系数在整个降雨过程中基本维持稳定。PAMS 用增大了降雨径流系数和径流量，且径流系数和径流量随着PAM施用量的增大而增大。凸型坡的径流量平均比 凹型坡的大14.7%〜31.8%。当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时，凹型坡和凸型坡的径流量分别比对照处理 增加55.7%、100.2%、147.3%和16.6%、69.3%、108.9%。在黄土坡地上大剂量（彡1.0 g/m2)应用PAM可明显 增大坡面径流量，实际应用中应制定合理的PAM施用量。
中国土壤侵蚀区域遍布全国各地，强度高、危 害大。特别是西北黄土高原地区，由于其气候干燥， 植被稀疏，暴雨集中，土壤抗蚀性差，水土流失 非常严重[1]。水土流失不仅破坏土地资源，而且也 会导致环境恶化、生态平衡失调以及水旱灾害的频 繁发生，严重影响当地和下游地区工农业生产的发 展，危及中国粮食安全，制约社会经济的可持续 发展。
地表降雨径流与土壤抗蚀性是影响土壤流失 的2个重要因素。聚丙烯酰胺（polyacrylamide， PAM)是1种水溶性线性阴离子高分子聚合物，具有较强的黏聚作用。适量的PAM应用可增加表层 土壤颗粒之间的凝聚力，维持良好的土壤结构及其 稳定性，防止土壤结皮的发生，从而增加土壤入渗 能力，减少地表径流和土壤流失[2-7]。然而，由于 PAM溶液的粘滞性，大剂量PAM应用时也会导致 土壤水分入渗和传导能力的降低，从而增大地表的 径流量[8-12]。PAM性质、类型、施用量、应用方式 以及土壤性质等均影响PAM应用对土壤入渗能力 的应用效果[11-16]。
地面坡度大小影响地表产流与土壤侵蚀[17-20]。已 有研究结果显示，土壤入渗量随地面坡度的增加而减 小[21-25]，而地表径流和土壤侵蚀量随之增大[17’19-20,25]。 目前对降雨产流和土壤流失的研究主要是针对均 匀直面坡[26-27]。而在自然界中，大多数天然土坡都 是由具有不同坡度的斜坡相互连接而形成的直面 复合坡。蒋定生等的研究结果显示，由于降雨入渗 的再分配，凸凹型坡在不同坡面位置处的土壤储水 量不同[27]，从而导致降雨径流和土壤侵蚀也会发生 相应的变化[26-28]。杨武德等的示踪试验显示，随着 复合坡面坡度的陡和缓，土壤侵蚀呈现出强、弱或 沉积的现象[29]。Rieke-Zapp和Nearing对曲面坡降 雨产流和土壤侵蚀的研究结果显示，坡型显著影响 降雨汇流规律、径流量以及土壤侵蚀产砂量，且曲 面凸型坡比曲面凹型坡在坡脚处产生更多的沉积 物[26]。
在降雨条件下，直面复合坡降雨产流过程以及 PAM应用对其地表径流的影响规律目前尚未见有 关报导。本文拟通过室内人工模拟降雨试验，研究 降雨条件下不同坡型（凹型坡和凸型坡）及其坡度 组合以及PAM施用量对直面复合坡降雨径流的影 响规律，探讨黄土高原地区提高降雨利用率、降低 坡地土壤侵蚀的有效方法。
1材料与方法 1. 1供试土壤
供试土壤取自于中国科学院水土保持研究所 安塞水土保持综合试验站（109°19'23〃E， 36°51'30〃N)的耕作农田表层（0〜15 cm)。土壤质
地为粉质壤土，属于典型的黄绵土。供试土壤的基 本理化性质见表1。总可溶盐含量、电导率和pH 值是在土水比1 : 2、混合搅拌均匀以及在室温下静 置24 h后的测定结果。
表1供试土壤理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of tested soil
颗粒组成 Soil mechanical composition/%阳离子交换量可交换钠百分比 Exchangeable sodium percentage/%总可溶盐含量 Total soluble salt concentration/(mg-L-1)电导率
Electrical conductivity/ (dS-m-1)pH值
<0.001 mm 0.001 〜0.05 mm >0.05 mmCation exchange capacity/(cmolc'kg-1)pH value
10.57 71.61 17.8144.2111.9943.550.0878.75
注：土水比为1 : 2。
Note: Ratio of soil to water is 1:2.
1.2土样准备及土槽装填
将采集的土壤剔除植物根系和杂物后自然风 干，然后过5 mm筛子备用。自然风干土的质量含 水率约为1°%。
试验所用土槽为自制钢槽，土槽长2.0 m、宽 0.6 m、深0.25 m。土槽在中间部位通过较链分为上、 下2个部分，其坡度可分别在0〜30°之间调控。在 土槽底板均匀分布有间距为5 cm、孔径为3 mm的 渗流孔，以保证土壤的自由排水。在土槽尾端连接 一集流槽，用以收集径流和采集泥沙样品。
在填装土壤前，首先将土槽上、下2部分的坡 度调至设计值。为防止土壤颗粒从土槽中漏出，在 土槽底板上铺设1层粗纱布。按设计土壤容重分层 均匀填装土槽，每层土样厚5 cm。在填装下1层土 样前，抓毛上1层土壤的表面，以防止土层之间出 现分层现象。土槽中土样的总厚度为15 cm，土壤 容重为1.3 g/cm3。
1.3PAM施用
试验米用的聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)
为阴离子线性高分子聚合物（北京汉力淼新技术公 司），其分子量为14x106g/mol，电荷密度为20°%。
按设计施用量，将秤重的PAM溶于10 L蒸馏 水中持续搅拌1 h。将配制好的PAM水溶液用小型 喷壶均匀地喷施在装填完毕的土壤表面。为保证各 处理的土壤表层初始含水量一致，在对照处理 (PAM = 0)中，在土壤表面喷施10 L蒸馏水。将 喷施PAM溶液或蒸馏水后的土槽静置1 h，然后进 行人工降雨。
1.4人工模拟降雨
人工模拟降雨采用中国科学院水土保持研究 所的双向对喷式人工模拟降雨装置完成。该降雨模 拟系统的降雨过程由计算机全程自动控制，降雨强 度可在40〜260 mm/h范围内调控。降雨模拟系统 的喷头距地表高度为16 m，雨滴直径变化范围为 0.6〜3.0 mm，降雨均匀度大于85°%。根据黄土高原 地区暴雨强度，本研究采用的降雨强度为80 mm/h。
人工模拟降雨的用水采用蒸馏水，其电导率在 (25±1)°C条件下为4.81x10-3 dS/m，与自然降雨的 水质相近。当坡面降雨产流开始时，记录初始产流 时间。坡面产流后，用塑料小桶连续收集径流样， 每隔2 min换1个小桶。降雨试验在坡面产流1 h 后停止。降雨试验结束后，立即测量每个径流样的 质量，然后将其静置6〜8 h。待泥沙完全沉淀后， 收集每个集流桶中的泥沙并在105C烘箱中烘干 12 h，计算径流中的泥沙含量。
1.5试验处理与数据分析
本研究的试验处理包括凹型坡和凸型坡2个复 合坡型的12个坡度组合和4个PAM施用量，聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，共48 个试验处理。凹型坡的上坡面坡度分别为20°和 25°，下坡面坡度分别5°、10°和15°;凸型坡的上 坡面坡度分别为5°、10°和15°，下坡面坡度为20° 和25°。PAM施用量分别为0 (对照处理）、0.5、 1.0 和 2.0 g/m2 (0、5、10 和 20 kg/hm2)。每个处理 3次重复。各处理平均值之间的差异显著性采用 SPSS16.0软件进行单因素方差分析（SPSS Inc., Chicago, USA)。当ANOVA的尸值统计显著时，采 用Tukey检验法区分其平均值（户=0.05 )。
2结果
2.1初始产流时间
不同上、下坡坡度组合和PAM施用量条件下 的初始降雨产流时间见表2。与对照处理（无PAM 应用）相比，施用PAM后各处理的初始降雨产流 时间显著缩短（表2)。初始降雨产流时间随着PAM 施用量的增大基本上呈逐渐缩短之趋势。在无PAM 应用时，凹型坡下坡坡度的变化对初始降雨产流时 间的影响无明显规律，而凸型坡上坡坡度的增加总 的来讲则缩短了初始降雨产流时间（表2)。在PAM 施用后，凹型坡与凸型坡的不同坡度组合对初始降 雨产流时间的影响不明显（表2)。在所有的PAM 施用量和坡度组合条件下，PAM应用导致凹型坡和 凸型坡的平均初始产流时间分别比对照处理缩短 了 63.7%和71.6%。这些数据显示，PAM应用降低 了土壤的初始入渗能力。
表2不同坡度组合以及聚丙烯酰胺（PAM)施用量处理的初始降雨产流时间
Table 2 Time of runoff initiation after rainfall under various slope gradient combinations and polyacrylamide (PAM)
application rates
s
坡度 Slope gradient/(。）聚丙烯酰胺施用量 Polyacrylamide application rate/(g-m-2)
坡型
Slope type上坡 Up slope下坡
Down slope0
(对照处理，Control)0.51.02.0
579.0±29.7 aA33.0±2.8 bA45.0±7.1 bA32.5±2.1 bA
2010135.5±30.4 aAB35.5±2.1 bA36.5±0.7 bAB25.5±2.1 bA
凹型坡1579.0±35.4 aAC33.0±1.7bA33.3±2.3 bB28.0±0.2 bA
Concave slope5175.5±65.8 aA36.0±1.2bA40.0±1.1 bA29.0±2.8 bA
251094.0±4.7 aA48.0±2.4 bA41.0±2.1 bA28.0±1.5 bA
15117.7±31.0 aA86.0±47.6 bA29.0±0.0 bA26.3±2.3 bA
5240.3±63.3 aA47.3±4.2 bA37.0±0.0 bA25.0±1.7 bA
102072.3±34.9 aB61.3±21.5 abA33.3±3.0 bAB30.0±0.0 bB
凸型坡15164.0±45.6 aAB35.3±4.0 bA28.3±2.9 bB33.0±1.7 bC
Convex slope5267.7±67.6 aA28.0±6.1 bA45.0±7.0 bA37.3±5.7 bA
102590.7±33.5 aBC38.0±1.7 bBC27.3±2.9 bBC25.7±2.3 bBC
1595.7±58.6 aC39.0±5.2 bC26.0±0.0 bC25.0±1.7 bC
注：平均值±标准偏差；同一行中不同小写字母表示在P = 0.05水平差异显著；同一列中不同大写字母表示在P = 0.05水平差异显著。
Note: Mean value 士 standard deviation; Different small letters in the same row denote significant difference at P = 0.05 probability level; Different capital letters in the same column denote significant difference at P = 0.05 probability level.
2.2径流系数
在各种上、下坡坡度组合以及PAM施用量条件 下，凹型坡降雨径流系数随降雨历时的变化见图1。 与对照处理相比，PAM应用明显改变了降雨径流系 数随降雨历时的变化规律(图1 )。当无PAM应用时， 降雨径流系数随降雨历时逐渐增大，一般在降雨 40 min左右后趋于其稳定值;而在PAM应用条件下， 降雨径流系数在降雨开始时急剧增大，然后在绝大 部分的降雨过程中基本维持稳定（图1)。降雨径流 系数基本随着PAM施用量的增大而增大（图1 )。在 PAM应用后，各种坡度组合条件下的降雨径流系数 均大于或等于对照处理时径流系数的稳定值（图1 )。 这些数据显示，PAM应用显著降低了土壤的入渗能 力特别是在降雨初期；聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，同时，坡度大小与PAM施用 量对降雨入渗或径流可能存在一定的相互作用。总 体而言，凹型坡的上、下部坡度组合对地表径流系 数的影响相对较小（图1)。在测试的凹型坡各种上、 下坡度组合条件下，当PAM施用量为0、0.5、1.0 和2.0 g/m2时，其稳定径流系数分别为0.31〜0.49、 0.38〜0.57、0.52〜0.72 和 0.69〜0.79。
在各种上、下坡坡度组合以及PAM施用量条 件下，凸型坡降雨径流系数随降雨历时的变化见 图2。在无PAM应用（对照处理）时，凸型坡的降 雨径流系数随着降雨历时的延长而增大，且径流系 数随降雨历时的增大趋势明显与上坡的坡度大小 有关（图2)。当上坡坡度为5。时，在降雨过程的末 期，径流系数逐渐趋于其稳定值（图2);而当上坡 坡度为10。和15。时，径流系数在降雨试验期间呈持 续增大之趋势（图2)，这可能与较陡坡面上入渗土 壤中的水分沿坡向的运动(壤中流)有关[27]。在PAM 应用后，凸型坡降雨径流系数随降雨历时的变化规 律受PAM施用量和上坡坡度大小的共同影响（图 2)。当上坡坡度为5。时，PAM应用后其降雨径流 系数在整个降雨期间基本维持稳定。当上坡坡度为 10。和15。时，在0.5 g/m2 PAM施用后降雨径流系数 随降雨历时的延长而逐渐增大，此时与无PAM应 用时的变化趋势相似；而在1.0和2.0 g/m2 PAM施 用后，其径流系数在整个降雨期间基本维持稳定或 稍微减小。总的来讲，凸型坡的降雨径流系数随着 PAM施用量的增加而增大（图2)。
0102030405060
降雨时间 Rainfall time/min
102030405060
降雨时间 Rainfall time/min
102030405060
降雨时间 Rainfall time/min
图1各种坡度组合与聚丙烯酰胺施用量条件下凹型坡径流系数随降雨历时的变化 Fig.1 Changes of runoff coefficient on concave slope with rainfall time under various slope combinations and polyacrylamide
application rates
1020304050
降雨时间 Rainfall time/min
1020304050
降雨时间 Rainfall time/min
0102030405060
f.上坡坡度/下坡坡度
f.Upper slope/down slope (15°/25°)
e.上坡坡度/下坡坡度
e.Upper slope/down slope (10°/25°)
d.上坡坡度/下坡坡度
d.Upper slope/down slope (5725°)
降雨时间 Rainfall time/min
图2各种坡度组合与聚丙烯酰胺施用量条件下凸型坡径流系数随降雨历时的变化 Fig.2 Changes of runoff coefficient on convex slope with rainfall time under various slope combinations and polyacrylamide
application rates
2.3坡面径流量
凹型坡和凸型坡在整个降雨事件中的总径流 量随PAM施用量和上、下坡坡度组合的变化情况 分别见图3和图4。图3和图4的数据显示，不论 是凹型坡还是凸型坡，其径流量随着PAM施用量 的增加而明显增大，但上、下坡的坡度组合条件对 总径流量的影响相对较小。在PAM施用量为0.5、 1.0和2.0 g/m2时，所有凹型坡的平均径流量分别比 对照处理增加55.7%、100.2%和147.3%，凸型坡的 平均径流量分别增加16.6%、69.3%和108.9%。
在相同PAM施用量条件下，凸型坡的径流量总 体而言大于凹型坡的径流量（图3和图4)。在20° 与5°、10°、15°的组合中，凸型坡的坡面径流量平 均比凹型坡的大14.7%;而在25°与5°、10°、15°的 组合中，凸型坡的径流量平均比凹型坡的大31.8%。
3讨论
3. 1 PAM应用的影响
聚丙烯酰胺是1种高分子聚合物，其应用对降 雨入渗具有双重影响作用：1方面，PAM应用可 促进土壤团聚体和土壤结构的稳定，从而维持土壤 的入渗性能；另1方面，PAM溶液的黏滞性随其 浓度的增大而增大[30]，且PAM喷施后可在土壤表 面形成“人工结皮，，[31]，从而降低土壤的入渗能 力，增大地表径流。因此，PAM应用对土壤入渗 和径流的影响效果取决于这2方面因素的相互作 用结果。聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，当后者的作用大于前者时，PAM应用会 减小土壤入渗率或水力传导度[8，n，30-31]，从而导致 PAM施用后的初始降雨产流时间比对照处理的缩 短或提前（表2)，且降雨径流系数和径流量随着 PAM施用量的增大而明显增大（图1〜图4)。特 别是当PAM施用量较大（彡1.0 g/m2)时，大部分 降雨量会以径流的形式而流失。试验结束后我们对 土壤剖面的开挖结果显示，此时的土壤入渗深度非 常浅，这足以证实大剂量PAM应用对土壤入渗能 力的阻碍作用。
坡型与坡度的影响
坡型和坡度是影响降雨产流的重要影响因素， 对净降雨量、坡面径流深、径流速度和坡面切应力 等影响显著[24,32-33]。与直面坡相比，凹型坡在坡面 下凹处对径流和泥沙有一定的阻滞作用，而凸型坡 在其凸处下缘有一个加速作用，所有这些影响都改 变了径流流态、径流深以及径流动能，从而影响土 壤入渗、地表径流以及土壤流失状况[24]。
直面坡的初始降雨产流时间随着地面坡度的 增加而呈指数减小[32]。因此，在无PAM应用时，
凸型坡的上坡坡度越大，其初始降雨径流产生时间 越早（表2)。然而，可能由于坡面下凹处滞水的影 响，凹型坡的初始降雨产流时间受其下坡坡度变化 的影响并不明显（表2)。在PAM应用后，由相同 上、下坡坡度组合而成的不同复合坡型（凹型坡或 凸型坡）对初始降雨产流时间的影响并不显著（表 2)，这可能是由于PAM应用对坡面初始产流时间 的影响程度大于坡型的影响程度所致。
0.05 probability level. Bars represent standard deviation.
I组合对凸型坡径流量的影响
pe combination on runoff volume under convex slope
在无PAM应用时，降雨初期的降雨量大部分 渗进入土壤而只有少部分雨量沿坡面形成径流。 着降雨历时的延长，土壤含水量增大而土壤入渗 减小，因而径流系数逐渐增大直至趋于其稳定值 图1)。凹型坡以及上坡坡度较小（5°)时的凸型 基本属于此种情况（图1和图2)。而当凸型坡的 坡坡度较大010°)时，在整个坡面上更易形成 流，其径流流速也相应地更大些，同时入渗到土 中的水分也可能沿坡向运动[27]。此外，在降雨过 的后期，下坡坡面开始出现明显的侵蚀沟（集 流）。所有这些因素可能是导致凸型坡在大坡度 坡时其径流系数随降雨历时不断增大的原因 图 2)。
虽然从理论上讲，随着凹型坡下坡坡度或凸型 上坡坡度的增大，复合坡更接近于直面坡，其坡 上的径流更为平顺，从而会有更多的降雨量以径 的形式流失，但我们的试验结果并不能明确验证 一推测（图3和图4)。这表明，在试验条件下黄 土复合坡的坡度组合变化对径流量的影响相对较 小。坡面所接受的净雨量随着坡度的增大而减小这 一事实，可能是导致此试验结果的原因之一。而凸 型坡的径流量普遍大于凹型坡的径流量这一试验 结果显示（图3和图4)，复合坡的坡型（凹型坡或 凸型坡）对径流量有一定的影响效果。
3.3PAM应用与坡型及坡度之间的相互作用
在无PAM应用或PAM施用量为0.5 g/m2的条 件下，当上坡坡度较大（彡10°)时，凸型坡的降雨 径流系数随降雨历时的变化规律与凹型坡的明显 不同（图1和图2)。这可能暗示，坡型、坡度以及 PAM施用量3因素共同影响复合坡的土壤入渗和 坡面径流。当PAM施用量较低（0.5 g/m2)时，PAM 溶液黏滞性相对较小，PAM应用对土壤入渗及坡面 径流的影响程度不足以克服凸型坡较大的上坡坡 度对其的影响，因此导致当凸型坡的上坡坡度为 10°和15°时，0.5 g/m2 PAM施用量时的径流系数随 降雨历时的变化规律与对照处理的相似（图2)。而 凹型坡以及PAM施用量较大（彡1.0 g/m2)或上坡 坡度较小（5°)的凸型坡，聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，PAM应用对土壤入渗或 坡面径流的影响程度大于坡度或坡型的影响，因此 不同坡型或坡度组合条件下的径流系数随降雨历 时的变化规律基本相似（图1和图2)。
4结论
本文通过室内模拟降雨试验，研究了不同聚丙 烯酰胺（polyacrylamide，PAM)施用量对黄绵土复 合坡面降雨产流规律的影响。试验结果表明：
1)坡面喷施PAM对初始降雨产流时间有显著 影响。与对照处理相比，PAM应用显著缩短了初始 降雨产流时间。在PAM应用后，坡型和坡度组合 条件对初始降雨产流时间的影响不明显。
2)与对照处理相比，PAM应用明显改变了降 雨径流随降雨历时的变化规律。在无PAM应用时， 凹型坡的降雨径流系数随着降雨时间的延长逐渐 趋于稳定；凸型坡的降雨径流系数在上坡坡度为5° 时与凹型坡的相似但在上坡坡度>10°时在整个降 雨过程中持续增大。在PAM (除PAM施用量较小 且上坡坡度较大的凸型坡）应用后，凹型坡和凸型 坡的径流系数在整个降雨过程中基本维持稳定。 PAM应用增大了降雨径流系数，且径流系数随着 PAM施用量的增大而增大。
3)坡面径流量随着PAM施用量的增大而增大。 在PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时，聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响，凹型坡和 凸型坡的径流量分别比对照处理增加了 55.7%、 100.2%、147.3%和 16.6%、69.3%、108.9%。在试
验条件下，凸型坡的坡面径流量平均比凹型坡的径 流量大14.7%〜31.8%。
在黄土坡地上，小剂量的（0.5 g/m2) PAM& 用对土壤入渗和坡面径流的影响相对较小，而大剂 量的PAM应用则可明显增大降雨径流系数和径流 量，此时虽然有利于地表径流的收集和促进降雨的 有效再利用，但可能对抑制土壤流失具有不利的影 响。在实际应用中，应根据土壤和PAM性质确定 合理的PAM施用量。PAM施用量、坡型以及坡度 组合条件可能对黄绵土复合坡土壤入渗和坡面径 流具有一定的相互影响作用，其作用效果值得进一 步深入研究。
本文推荐企业：山东东达聚合物有限公司，是专业的阴离子聚丙烯酰胺，阳离子聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺生产厂家，专业生产聚丙烯酰胺,阴离子聚丙烯酰胺,阳离子聚丙烯酰胺,非离子聚丙烯酰胺。拥有雄厚的技术力量，先进的生产工艺和设备。东达聚合物有限公司全体员工为海内外用户提供高技术,高性能，高质量的聚丙烯酰胺产品。专业聚丙烯酰胺生产厂家：山东东达聚合物有限公司热忱欢迎国内外广大客户合作共赢。