聚丙烯酰胺对三峡库区紫色土分离能力的影响

Influence of Polyacrylamide on Soil Detachment Capacity of Purple Soil in the Three Gorges Reservoir Area

摘要

以三峡库区紫色土为研究对象，设置6个聚丙烯酰胺（PAM）施加量（0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/m²）和6个养护时长（1、3、7、15、30、60 d），采用冲刷实验，研究PAM施加量及养护时长对土壤分离能力的影响，并从表观黏聚力和水稳性团聚体稳定性角度揭示土壤分离能力变化的原因。结果表明：同一PAM施加量条件下，土壤分离能力随着养护时长的增加而降低，同一养护时长条件下，随着PAM施加量增加，土壤分离能力先减小后增加，PAM施加量为0.8 g/m²时，土壤分离能力最小；土壤分离能力与表观黏聚力、平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）之间均呈对数函数关系，表观黏聚力是描述土壤分离能力的最佳指标。

Abstract

The purple soil in the Three Gorges Reservoir area was used as the research object in this research, and the scouring experiment was conducted to obtain the soil detachment capacity of purple soil under 6 addition amounts of polyacrylamide (PAM) (0, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6 and 2.0 g/m²) after being maintained for various durations (1, 3, 7, 15, 30 and 60 days). The influence of PAM addition amount and maintenance duration on soil detachment capacity were studied, and the reasons for the variation of soil detachment capacity were revealed from the perspective of apparent cohesion and water-stable aggregate stability. The results indicated that the soil detachment capacity decreased with the increasing of maintenance duration under the same addition amount of PAM, while the soil detachment capacity decreased with the increase of addition amount of PAM until reaching its minimum value at 0.8 g/m², then followed by an increasing trend under the same maintenance duration. The relationship between soil detachment capacity and apparent cohesion, as well as water-stable aggregate properties (mean weight diameter and geometric mean diameter), could be well described by a nonlinear logarithmic function. Among these factors, apparent cohesion emerged as the optimal parameter for describing soil detachment capacity.

Graphical abstract

关键词

三峡库区 / 紫色土 / 聚丙烯酰胺 / 土壤分离能力 / 养护时长

Key words

the Three Gorges Reservoir Area / purple soil / polyacrylamide (PAM) / soil detachment capacity / maintenance duration

0　 引 言

三峡库区由于自身复杂的地形地貌与气候条件，生态系统敏感脆弱，是长江中上游水土保持重点治理区域之一^[1]。三峡库区主要土壤类型有紫色土、黄壤和黄棕壤等，其中紫色土占库区面积的78.4%^[2]。紫色土结构松散、浅薄，抗侵蚀性能差，加之三峡库区山高坡陡、降雨集中且强度大，极易发生水土流失，甚至泥石流、山洪等自然灾害^[3]，严重威胁着三峡工程安全运行。土壤分离是土壤侵蚀的起始阶段，是指在雨滴打击或径流冲刷作用下，土壤颗粒从原土体脱离并发生位移的过程^[4]。土壤分离能力是指含沙量为0时坡面径流的最大分离速率，是确定土壤侵蚀阻力参数（细沟可蚀性及临界剪切力）的前提条件^[5]。在水动力条件一致时，土壤分离能力越大，土壤抗蚀性越弱。土壤分离能力受土壤理化性质和植被状态影响，一般而言，土壤分离能力随着土壤黏粒含量、黏结力和土壤容重增大而减小^[6，7]，同时也会受到生物结皮^[8]、植物覆盖^[9]、枯枝落叶^[10]和植物根系^[11]等因素的影响。

聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是重要的土壤结构调理剂，具有很强的凝聚作用，能够改善土壤结构，提高土壤入渗性能，从而影响土壤的侵蚀过程^[12，13]。目前国内外有关PAM对土壤性质影响的研究主要集中于土壤团聚体^[14]、蓄水保墒^[15]和产流产沙^[16]等方面。同时许多研究发现，施加PAM能够通过减少可蚀性并抑制坡面结皮产生，从而有效减少坡面侵蚀量^[17，18]。此外，相关研究表明，PAM作为土壤结构调节剂用于水土保持时存在最佳施用量^[19，20]。现有研究主要针对单一时间PAM的水土保持效果，而土壤结构、入渗性能等其他土壤属性及PAM自身的结构功能会随着时间变化而发生变化，因此有必要开展不同养护时长PAM水土保持效果演变特征研究。

本文设置6个PAM施加量和6个养护时长，采用冲刷实验研究了PAM施加量及养护时长对三峡库区紫色土壤分离能力的影响，并尝试进一步从土壤表观黏聚力、水稳性团聚体稳定性的角度揭示土壤分离能力动态演变的原因，以深入理解PAM的水土保持效果与影响机制，并为三峡库区水土保持提供理论依据。

1　 材料与方法

1.1　实验材料

实验用土为三峡库区紫色土，取自于湖北省秭归县新开垦的柑橘地（110°18′~111°00′E，30°38′~31°11′N）。实验前，将地表层杂物清除，取下部紫色土风干后过5 mm网筛储存备用。本研究在野外采用环刀法测得紫色土容重为1.30 g/cm³，采用烘干法测得土壤含水率为4.87%，采用pH计（PHS-3E型，上海雷磁仪器厂）测得土壤pH值为6.87，采用重铬酸钾氧化-外加热法测得有机质含量为6.75 g/kg，采用TopSizer激光粒度分析仪（SCF-108型，珠海欧美克仪器公司）测得含砂粒（0.05~2.00 mm）44.36%、粗粉粒（0.02~0.05 mm）13.49%、细粉粒（0.002~0.02 mm）25.65%和黏粒（<0.002 mm）16.50%。实验所用PAM购自腾龙环保科技有限公司，相对分子质量1 500万，为水解度20%的阴离子型白色粉末状颗粒。

1.2　实验设计与过程

三峡库区紫色土水土流失最严重的坡耕地集中在15°~25°坡面^[21]，同时考虑到降雨产流、汇流情况，本研究利用自制冲刷装置在坡度15°、放水流量25 L/min的条件下开展冲刷实验。冲刷槽长5 m、宽0.4 m、高0.3 m，其上端设置一深度0.5 m的稳流池以确保冲刷径流均匀稳定进入槽内^[21]。同时，为研究不同PAM施加量对结果的影响，参考已有相关研究^[22，23]，设置6个PAM施加量（0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/m²，其中未施加PAM为CK对照）和6个养护时长（1、3、7、15、30、60 d），研究养护时长对土壤分离能力的影响。

实验试样设置在三峡大学土木与建筑学院室外实验场地中长0.70 m、宽0.45 m、深0.20 m样方箱内，样方箱底部分布有若干0.005 m排水孔以确保水分能够及时排除。将紫色土每层按0.05 m装入箱中，装填过程中对每层表面进行打毛处理以防止出现土壤分层现象。装填完毕，按设计施加量将PAM与0.5 kg过0.1 mm筛的土壤均匀混合，均匀撒施在各样方箱土壤表面。之后使用电动喷雾器形成雾状降雨对土壤表面进行湿润以促进PAM溶解、反应。在样方箱上覆盖无纺布养护，至设计养护时长时取样以供后续实验。实验至设计养护时长时，在不同PAM施加量的样方箱中取3个试样，用于重复实验。

使用直径10.05 cm、高5 cm的自制环刀进行取样用于冲刷实验。冲刷实验前对土样进行浸水饱和处理以消除含水率对实验结果的影响。将实验水槽坡度调整至15°并将流量率定至25 L/min，形成稳定的水流条件后正式开始冲刷实验，然后取出放水管将环刀试样放入实验槽，用密封罩密封实验槽，再将放水管放入冲刷槽，待水流稳定后，取下密封罩开始冲刷，记录冲刷起始时间，待冲刷至表面20 mm左右深度时结束冲刷以减少边界效应的影响，记录冲刷结束时间^[24]。将冲刷采样桶静置24 h后，去除上清液，收集所有泥沙样进行烘干称重，用于计算土壤分离能力。实验前随机选取试样利用便携式微剪仪（mD_mVST_A型，广州默德精密仪器有限公司）测定土壤表观黏聚力。同时，在各样方箱表层取1.0 kg左右土样进行风干处理，利用湿筛法（孔径5、2、1、0.5、0.25 mm）测定土壤团聚体分布情况，土壤团聚体稳定性采用平均质量直径（mean weight diameter, MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter, GMD）表征^[25]。

此外，使用环境扫描电子显微镜（FEI Prisma E型，赛默飞世尔科技公司）对养护时长为1 d和15 d的CK对照和PAM施加量0.8 g/m²试样进行扫描，从微观形态分析PAM施加对三峡库区紫色土的影响。

1.3　数据处理与统计分析

土壤分离能力通过计算单位时间、单位面积内清水径流所剥离的土壤质量获得：

D_{\mathrm{C}}=\frac{E_{\mathrm{C}}}{St}（1）

其中，D_C（kg·m^-2·s^-1）为土壤分离能力；E_C（kg）为单个冲刷试样所收集到的泥沙样干重；S（m²）为环刀有效面积；t（s）为单个环刀试样冲刷所用时间。

团聚体稳定性指标MWD（mm）和GMD（mm）分别计算如下：

\mathrm{M}\mathrm{W}\mathrm{D}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{x}_i{w}_i（2）

\mathrm{G}\mathrm{M}\mathrm{D}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{w}_{i}ln{x}_i/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{w}_i)（3）

其中，x_i （mm）为两个相邻粒子的平均直径，如0.25~0.50 mm团聚体的平均粒径为0.375 mm；w_i （%）为筛分出来的i粒径范围水稳性大团聚体的质量占样品总质量的百分比。MWD和GMD数值越大，表明土壤团聚体稳定性越强^[24]。

采用Microsoft Excel 2021和SPSS 22进行数据统计与分析，采用Origin 2018进行图像绘制。

2　 结果与分析

2.1　PAM施加量和养护时长对紫色土壤分离能力的影响

三峡库区紫色土壤分离能力受PAM施加量和养护时长影响明显，土壤分离能力在同一养护时长条件下随PAM施加量的增加呈先减小后增加的趋势，而随养护时长的增加呈先迅速减小后缓慢减小的趋势（图1）。6个不同养护时长条件下，PAM施加量为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/m²的土壤分离能力均值与CK对照相比，分别下降了0.249、0.421、0.130、0.106、0.130、0.004 kg·m^-2·s^-1，降低了34.9%、40.4%、30.1%、22.1%和14.8%，PAM施加量为0.8 g/m²时土壤分离能力达到最小。6个不同PAM施加量条件下，养护时长为3、7、15、30、60 d的土壤分离能力均值与养护时长1 d相比，分别下降了0.835、0.599、3.066、3.596、4.245和4.695 kg·m^-2·s^-1，平均降低了32.7%、46.0%、76.7%、93.6%和97.2%，养护时长超过30 d后土壤分离能力减小趋势趋缓。方差分析结果（表1）表明，PAM施加量、养护时长及两者的交互作用均显著影响三峡库区紫色土壤分离能力（P<0.001），从F值来看，养护时长影响最大，PAM施加量影响次之，两者交互作用影响最小。

2.2　表观黏聚力和团聚体稳定性的变化

受土壤属性、结构以及土壤颗粒间黏结界面等多重因素影响，土壤表观力学性质十分复杂。表观黏聚力是衡量土体表面强度的重要指标。本研究中表观黏聚力的范围为3.53~9.27 kPa，受PAM施加量和养护时长影响明显（图2）。总体而言，表观黏聚力变化规律与土壤分离能力变化规律相反，随PAM施加量的增加呈先增大后减小的趋势，而随养护时长的增长呈增加的趋势。相比CK对照，PAM施加量为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/m²的土壤表观黏聚力分别平均增长了17.1%、25.7%、20.0%、17.1%、14.7%，PAM施加量为0.8 g/m²时表观黏聚力达到最大。与养护时长1 d相比，养护时长为3、7、15、30和60 d的土壤表观黏平均分别增长了19.6%、24.3%、37.9%、95.1%和98.5%，养护时长超过30 d后表观黏聚力增长趋势趋缓。方差分析结果表明（表1），PAM施加量、养护时长以及两者交互作用均对三峡库区紫色土表观黏聚力存在显著影响（P<0.001），根据F值来看，养护时长影响最大，PAM施加量影响次之，两者交互作用影响最小。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其质量和数量是衡量土壤结构性好坏的重要指标^[9]。不同PAM施加量和养护时长下土壤水稳性团聚体MWD和GMD变化趋势如图3所示，同一养护时长条件下，三峡库区紫色土水稳性团聚体MWD值随PAM施加量的增加呈先增加后减小的趋势，整体对比发现施加PAM的MWD、GMD值均大于CK对照，其中MWD值变化范围为0.120~0.247 mm，GMD值变化范围为0.764~0.984 mm，且MWD值和GMD值均在CK对照中养护时长1 d时最小，在 PAM施加量0.8 g/m²且养护时长60 d时最大。与养护时长1 d相比，养护时长3、7、15、30、60 d的MWD值平均分别增长了1.5%，4.3%，8.2%，36.3%和45.7%，GMD平均分别增长了1.8%，4.4%，7.8%，12.1%和14.5%。相比CK对照，PAM施加量为0.8 g/m²的MWD值和GMD值均有显著性差异（P<0.05），这表明施加一定用量的PAM有利于土壤水稳性团聚体形成，提高土壤水稳性团聚体稳定性，但过量施加PAM则不利于团聚体稳定性。方差分析结果表明（表1），PAM施加量和养护时长均显著影响MWD和GMD（P<0.001），而两者的交互作用显著影响MWD（P<0.01），对GMD影响不显著（P>0.05）；从F值来看，养护时长影响最大，PAM施加量影响次之，两者交互作用影响最小。

2.3　表观黏聚力、水稳性团聚体稳定性与土壤分离能力之间的关系

研究了三峡库区紫色土分离能力与表观黏聚力的关系。由图4可以看出，随着土壤表观黏聚力的增加，三峡库区紫色土壤分离能力迅速减小。非线性拟合表明，对数函数可以很好地描述三峡库区紫色土分离能力与土壤表观黏聚力之间的关系，决定系数R²为0.864 9，表明土壤表观黏聚力可以解释86.49%的土壤分离能力变化。

如图5所示，随着三峡库区紫色土水稳性团聚体稳定性增加，土壤分离能力持续减小。非线性拟合表明，三峡库区紫色土壤分离能力与水稳性团聚体MWD和GMD均呈较好的对数函数关系，决定系数分别为0.640 5和0.777 7，表明水稳性团聚体MWD和GMD分别可以解释64.05%和77.77%的土壤分离能力变化。决定系数由大到小的次序为：表观黏聚力、GMD、MWD，表明表观黏聚力能够更好地描述土壤分离能力，是描述土壤分离能力的最佳指标。

3　 讨 论

同一养护时长条件下，与CK对照相比，施加PAM后土壤分离能力减小，这是因为PAM的胶结作用和絮凝作用将表层细小颗粒团聚成大颗粒骨架，形成稳定的结构，进而增强表观黏聚力。本研究中，施加PAM后，表层土壤水稳性团聚体稳定性增加，MWD和GMD分别增加了6.8%~51.6%和3.6%~13.4%，表观黏聚力增加0.8%~46.8%，土壤团聚体稳定性和表观黏聚力增加，其抗水流剪切力增强，有效抑制了水流对表层土壤的剥离作用^[26]。PAM施加量为0.8 g/m²时，土壤分离能力最小，进一步增加施加量土壤分离能力又有所增加，这与Lentz等^[25]研究PAM作用在灌溉沟道的结果一致。冯浩等^[27]研究了模拟降雨条件下不同PAM施加量对黄土坡地的抗侵蚀能力影响，发现PAM施加量为0.8 g/m²的坡面减沙率达到87%。Aase等^[22]通过喷灌研究了PAM施加量对粉砂壤土减蚀性能的影响，发现PAM最佳施加量为2 kg/hm²，可降低70%的土壤侵蚀量，而施加量大于2 kg/hm²仅降低25%的土壤侵蚀量。虽然这些研究的对象和施加方式有所不同，但均表明PAM施加量存在一个最适量。在PAM施加量从0增加到0.8 g/m²过程，土壤分离能力随着PAM施加量增加逐渐下降，PAM施加量不足以充分与土壤表层颗粒发生理化反应，形成的结构不稳固，在PAM施加量为0.8 g/m²时表层土壤分离能力降至最小值；当PAM施加量超过0.8 g/m²后，留存在表层的PAM在土壤表面形成一层透水性较差的“糊状”薄膜，显著降低土壤渗透特性，土壤分离能力逐渐增加^[28]。

同一PAM施加量条件下，随养护时长的增加，CK对照组和施加PAM组的土壤分离能力均逐渐减小，前30 d土壤分离能力下降速率远大于后30 d。CK对照组土壤分离能力持续减小主要是由于土壤受到自然沉降和环境雨滴打击形成表层结皮所致。Hu等^[29]研究发现，雨滴打击使表层土壤被压实，土壤表面形成致密的结皮，土壤对水流冲刷的抵抗力提高，增大了表层土壤的固结强度，从而使土壤分离能力减小^[30]。施加PAM组除沉降和雨滴打击形成结皮等原因外，还受到PAM与土壤反应程度影响。PAM施加后与土壤发生反应，PAM分子链上的酰胺基能与土壤中多种不同粒径的颗粒和物质吸附、亲和，增加了团聚体水稳性，形成了稳定的絮体结构，抵抗土壤分离的能力增强^[31]。30 d后随着土壤中的PAM反应完成，分离能力进一步减小则主要是因为土壤自然沉降和形成结皮所致^[32]。

此外，对养护时长1 d和15 d的CK对照和PAM施加量为0.8 g/m²试样的扫描电镜图（SEM）进行分析。如图6所示，施加PAM改良了土壤的结构。与CK对照组相比，施加量为0.8 g/m²的土壤表面的PAM溶解形成一层透明黏稠凝胶体，在土壤颗粒间起到絮凝和团聚作用，形成新的大团聚体。随着养护时长增加至15 d，PAM在不规则的土壤孔隙间交叉分布，将土壤颗粒胶结、包裹，并在土壤表层形成更稳定的团聚体结构，从而使土壤分离能力减小。

4　 结 语

本研究设置了6个PAM施加量和6个养护时长条件，利用冲刷实验研究了PAM施加量及养护时长对紫色土分离能力的影响，并从表观黏聚力和团聚体稳定性的角度揭示土壤分离能力动态变化的原因，结果显示：施加PAM可以有效降低土壤分离能力，同一养护时长下，PAM施加量为0.8 g/m²时，土壤表观黏聚力、水稳性团聚体MWD和GMD均最大，土壤分离能力达到最小；养护时长明显改变了坡面土壤分离能力变化规律，土壤分离能力在养护时长30 d内差异性显著。此外，对数函数可以很好地描述土壤分离能力与表观黏聚力、MWD、GMD之间的关系，其中表观黏聚力为描述三峡库区紫色土分离能力的最佳指标。本文研究结果可为三峡库区水土保持以及水土流失治理提供理论依据。三峡库区不同土地利用方式下土壤的理化性质各不相同，未来的研究将在不同土壤类型、土地利用方式条件下进行。通过量化三峡库区土壤特性对土壤分离能力的影响，可望为构建三峡库区土壤侵蚀预报模型提供理论基础。

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基金资助

国家自然科学基金(U21A2031)

国家自然科学基金(42277323)

国家自然科学基金(U2040207)

土木工程防灾减灾湖北省引智创新示范基地(2021EJD026)