通过施加高分子化学物质改善土壤表面结构， 提高土壤水分入渗性能，模拟降雨减少地表径流是目前一项 具有广阔发展前景的高效节水化学控制技术[1? 。

 

聚丙烯酰胺（PAM)是一种新型高效土壤结构 改良剂，属高分子化合物。能够和水中悬浮的固体颗 粒相结合，使这些颗粒迅速彻底地和水分离，从而使 水得到澄清，它一直是水处理、食品加工、采矿、造纸 和其它工业部门广泛使用的絮凝剂。20世纪80年 代末至90年代初，将PAM应用到灌溉中，发现 PAM对减少农田水流中的泥沙和增加入渗有显着 作用[B5]GSokja等人通过2年的沟灌试验进一步确 定了在灌溉水中施用PAM,农田水中的泥沙可减少 94%，土壤入渗性能可提高15%?50%。而且通过 对施加PAM后土壤表层性质的研究，发现PAM增 加了土壤中水稳性团粒的稳定性，进而使表层土壤 颗粒和孔隙结构保持相对稳定，维持较高的入渗性 能。

 

辽宁棕壤土在6。?15。坡范围内PAM适宜用 量为0. 3?1. 2 g/m2，PAM的保土率和保肥率均在 50%以上，其作用可持续2?3年[1’2]。

 

我国西北地区灌溉水的有效利用率在30%? 4 0%之间，广大旱作地区的自然降水利用率仅为 3 0%左右。影响灌溉水和自然降水利用率的一个很 重要的原因是土壤表层的良好结构易被破坏，土壤 入渗性能随灌水或降水时间延长而迅速下降，灌溉 水和降水在土壤表层发生积水或超渗产流，导致水 分流失或蒸发损失。因此，研究PAM对西北地区土 壤入渗、产流和产沙的影响，对于推广应用PAM,提 高灌溉水和自然降水资源的利用率有重要意义。

 

1试验方法试验材料：试验所用土样为武功土娄土（重壤土） 和陕北黄绵土（轻壤土 A颗粒组成见表！采样深度 为1 m，全部土样过10 mm筛。PAM为法国SNF 公司生产并提供。

 

人工模拟降雨试验：将长5 m，宽1 m，深0. 4 m 的可升降钢槽用PVC板沿长边方向从中一隔为二。 变为两个长5 m,宽0. 5 m ,深0. 40 m的土槽，将土娄 土分层装入，土壤含水率为20%?23%,控制供试 土壤容重 1. 4 g//m3。称 0. 2 g 和 2. 0 g 两份 PAM， 分别与过1 mm筛的细土 2 000 g混合，均匀撒至一 个装好土样的土槽表面，单位面积的施放量分别为 0. 08 g/m2和0. 80 g/m2,另一个设置为对照。根据 黄土高原地区汛期暴雨的高强度、短历时以及坡耕 地是水土流失主要发源地的特点，控制雨强为1. 2 mm/min,降雨历时为30 min，土槽小区坡度为15， 降雨开始后，观测起流历时，产流后每隔3 min取 500 mL浑水测泥沙含量，用集流桶收集径流。设计 试验重复2次，共降雨4场。

 

冲刷槽试验：冲刷槽由PVC板粘结而成，长表1武功土娄土和陕北黄绵土颗粒组成Table 1 Particle size distribution of Wugong loess and Shanbei loess8细砂粒粗粉粒中粉粒细粉粒粘 粒物理性粘粒 苏制土壤质地粒径0. 25?0. 050. 05?0. 010. 01?0. 0050. 005?0. 001<0.001<0.01武功土娄土34511122953重壤土陕北黄绵土2451561425轻壤土55 cm，宽15. 5 cm，深15 cm，将土娄土和黄绵土分别 装入不同槽中，称量0. 2 g PAM与100 g过1 mm 筛的细土混合好，均匀撒至装好土样的土槽表面，相 当单位面积（m2)施放量为2.35 g，另设对照。坡度 均为3/1 000,控制放水冲刷的流量为667 mL/min， 从土槽上部开始放水，历时15 min,用集流桶收集 径流，测定泥沙含量。每个土槽冲刷7次，设计试验 重复3次，共放水冲刷21次。

 

2结果与分析2.1 PAM对产流过程的影响降雨降落在裸露地表，首先满足土壤入渗的要 求，当降雨强度大于土壤入渗性能时，径流开始产 生。图1和图2分别为雨强1. 2 mm/min，土槽坡度 15°时，施放PAM 0. 80 g/m2和对照的产流速率及 产流量变化。从图1可以看出，PAM0. 80g/m2对 产流速率有明显影响，随降雨历时的延长，未加 PAM 土槽的产流速率稳定在0. 050L/S,而施加万方数据PAM对产流量的影响 Fig. 2 Effect of PAM on the volume of runoff yieldPAM 土槽的产流速率则稳定在0. 042 L/s。PAM 降低产流速率16.0%。通过钢槽上装置的透明有机 玻璃壁观测，降雨结束后水分入渗的深度为16 cm。 由于土槽上没有其它的水流出口，所以，这16%的 水量只能是入渗到土槽土壤中。产流速率过程线可 用对数关系拟合，拟合结果如下 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——产流速率，mL/s[——降雨历时，min。

 

图2的径流量过程线可用直线模型拟合，拟合 结果如下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\——径流量，L。

 

施加PAM后由于产流速率的降低，入渗增加， 径流量必然减少。试验结果表明，在雨强1. 2 mm/min，降雨历时 30 min 下，加 PAM 0. 80 g/m2 的小区产生的径流总量为56. 97 L,而未施加PAM 小区的径流总量为68. 31 L，每平方米施加PAM 0. 80 g可减少径流量16. 608。

 

2. 2 PAM对产沙过程的影响图3和图4分别为雨强1. 2 mm/min，土槽坡 度15。时，施放PAM 0. 80 g/m2小区和对照的径流 含沙率和泥沙累计量过程线。由图3和图4可以看 出，无论是施加PAM或是未加PAM的土样，其径 流含沙率过程线在降雨起始阶段（5 min左右）都出 现了一个峰，这是由于在土槽装样结束后表层土壤 未能与其它土壤颗粒紧密结合而易被冲刷所造成 的。随后含沙率随历时的变化显着，未加PAM的土 样在降雨打击和径流冲刷下，细沟迅速形成，并快速 溯源发育，随着细沟在三维方向的不断扩张，细沟周 边土块塌落，随流而去，每一次塌落都导致径流含沙 率迅速增大，反映在含沙率过程线上则是一次大的跳跃，如此反复，便出现了未加PAM的土样径流含 沙率呈锯齿状上升的变化规律。

 

图3 PAM对径流含沙率变化的影响 Fig. 3 +fect of PAM on the content of sediment in runoff图8 PAM对径流泥沙累计量变化的影响 Fig. 8 Effect of PAM on the accumulative amount of sediment in runoff而施加PAM 土样的径流含沙率的变化则完全 不同。起始峰后，含沙率迅速下降，一直保持在25 g/L以下，这个期间整个含沙率的变化趋势就好像 拖着一条长长的尾巴，因此，可将施加PAM的过程 线描述为拖尾型变化。之所以会出现这样的形状，是 由于经过起始阶段降雨的湿润，P A M开始反应，由 颗粒状变为多支纤维状，将表层土壤颗粒紧紧缠绕， 保持土壤表层结构稳定，不易被径流冲刷破坏。当 然，随降雨历时的延长或降雨冲刷次数的增加，这种 表层结构的稳定性也有可能被破坏，这个问题将在 2. 4中进行讨论。

 

同时，试验结果显示，随降雨历时的延长，未加 PAM的径流含沙率不断增大。历时20 min后，未加 PAM的径流含沙率可达到150?250 g/L,是施加 PAM含沙率的6至10倍。

 

径流泥沙累计量的变化与含沙率变化的趋势对 应。土样施加PAM后其径流泥沙累计量过程线是 一条坡度很缓的直线，未加PAM径流泥沙累计量 是一条前段较缓后段迅速上升的曲线（图4)，可分 别用直线万方数据数拟合。拟合结果如下 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——累计泥沙量，g; J——降雨历时， min。直线模型中斜率的含义为降雨历时每增加1 min,径流中泥沙含量将平均升高30. 26 g。

 

施加PAM后径流泥沙累计量为894. 94 g,而 未加PAM径流泥沙累计量为7 376. 72 g,是前者 的8. 24倍。

 

2. 3 不同施用量对PAM减少产流和产沙效果的 影响在钢槽小区土样上分别施加PAM 0. 80 g/m2 和0. 08 g/m2后，其产流量、平均含沙率及泥沙总量 的变化十分显着。施放量为0.08 g/m2基本上没有 显示出减少径流和泥沙，增加入渗的作用，其平均含 沙率和泥沙总量分别为0. 80 g/m2处理的3. 4和 7. 7倍（见图5)。

 

国外研究报道[7]，PAM在单位面积（m2)上施 用量为1?2 g。其施用量并不大，但由于PAM本身 价格不低（40元/kg)，再加上黄土区土壤的特殊性， 找出PAM在黄土区土壤上的最优用量是PAM能 否广泛应用的首要工作。PAM在美国的应用面积 己达100万hm2,而在我国农业和水土保持中的研 究才刚刚起步。在这方面仍需进行深入的试验研究， 同时，也应开展田间不同土壤不同作物的PAM试 验。

 

2. X 土壤对PAM蓄水保土效果的影响在冲刷槽上进行的试验结果显示，土娄土和黄绵 土两种土壤在相同PAM用量下多次冲刷后的泥沙 量有很大差别。经过2次冲刷，土娄土加PAM的产沙 量总共只有10. 88 g，可以说基本上没有产沙。而未 加PAM的土娄土第二次冲刷产沙量达到1 972. 09 g,槽内土样基本全部被冲塌。黄绵土加PAM第一 次冲刷量达到30# 07 g，第二次高达779. 39 g，全部 冲垮。未加PAM的黄绵土 2次产沙量分别为 243. 88 g和1 670. 59 g，也全部冲垮。

 

对土娄土加PAM连续冲刷7次后，总产沙量仅 为264. 50 g。由此可见，在土娄土上施加PAM的效果 远远优于黄绵土。可能的解释是由于土娄土本身的粘 粒含量高（物理性粘粒含量高达53%)，而黄绵土的 粘粒含量低（物理性粘粒含量为253)，因此，遇水 后土娄土和PAM的粘结力大于黄绵土。

 

3结论1)当PAM在土娄土表面施放量为0. 80 g/m2 时，可降低产流速率10. 0"3，减少径流总量 16. 60%。未施加PAM的径流含沙率可达到150? 250 g/L，是施加PAM含沙率的6?10倍。施加 PAM后径流泥沙累计量为894. 94 g，而未加PAM 径流泥沙累计量为7 376. 72 g，是前者的8. 24倍。

 

2)当施放量减少到0. 08 g/m2时，PAM就失 去了减水和减沙的效果，其平均含沙率和泥沙总量 分别为0. 80 g/m2处理的3. 4和7. 7倍，与未施用 PAM的效果接近。同时，放水冲刷试验表明，PAM 在土娄土上施加的效果远远优于黄绵土。

 

3)PAM表现出显着的减沙效果，但由于PAM的效果因土而异，而且相差悬殊，因此，在广泛使用PAM之前，有必要对PAM在不同区域、作物和土壤条件下的适宜施用量和施用方法进行进一步的试验研究。