第18卷第4期
2004年8月
水土保持学报
JournalofSoilandWaterConservation
Vol.18No.4
Aug.,2004
聚丙烯酰胺(PAM)对黄土结皮形成的影响X
胡霞1,2,3,蔡强国2,刘连友1,李顺江2,蔡崇法3,张光远3,朱远达2
(1.北京师范大学资源学院,北京100875;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;
3.华中农业大学资源环境学院,武汉430070)
摘要:采用人工模拟降雨溅蚀方法,通过采样制作土壤切片,研究聚丙烯酰胺(PAM)对黄土结皮形成的影响。结
果表明,PAM能改善土壤结构状况,显著提高土壤团聚体的稳定性,从而有效地抑制土壤结皮形成;但是随着降
雨历时的延长,这种抑制作用逐渐被雨滴破坏;试验筛选出PAM-1抑制土壤结皮形成效果较好。
关键词:黄土;聚丙烯酰胺(PAM);土壤结皮
中图分类号:S157.1文献标识码:A文章编号:100922242(2004)0420064204
ImpactofPolyacrylamideonDevelopmentofLoessSoilSurfaceCrust
HUXia1,2,3,CAIQiang2guo2,LIULian2you1,LIShun2jiang2,
CAIChong2fa3,ZHANGGuang2yuan3,ZHUYuan2da2
(1.CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875;
2.InstituteofGeographicalScienceandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101;
3.CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070)
Abstract:Throughrainfallsimulatinginlaboratory,andobservationonsoilsampleslices,thisstudyintendedto
disclosetheimpactofpolyacrylamideonthedevelopmentofloesssoilsurfacecrust.Theresultsshowedthatpoly2
acrylamidecouldreformsoilstructureandincreasethestabilizationofsoilaggregates,sosoilsurfacecrustcouldbe
controlledeffectively.Butwiththeprocessofrainfall,thisfunctionwouldbedestroyed.Moreover,theeffectof
PAM-1oncontrollingcrustdevelopmentwasbetter.
Keywords:loesssoil;polyacrylamide;soilcrust
一般认为土壤结皮是在雨滴打击作用下随着表面土壤团聚体破碎而形成,是土壤表面普遍存在的致密层,
厚约数毫米至几厘米,其表面强度较大,孔隙较细,且导水性较差[1～4]。它在坡面侵蚀过程中占据重要的地位,
其形成直接导致入渗量减少和地表径流量增加,从而极大地增加了诱发细沟侵蚀的可能性,最后可能使侵蚀量
剧增[2,3,5]。土壤结皮形成受多种因素影响,雨滴动能是影响其形成发育的重要动力因素,土壤理化性质是影响
其形成的内在原因[3,7]。研究表明,土壤团聚体的稳定性也是决定土壤结皮形成的一个重要因素,Farres(1978)
和Hussin(1985)通过研究土壤团聚体的大小与结皮的关系发现,小团聚体最容易形成结皮,其次是中等团聚
体,再次是大团聚体,因为团聚体愈小,其内聚力愈小,愈容易被分散而形成结皮[9]。
许多学者在研究土壤结皮形成的同时,也在寻找抑制结皮形成的方法。目前研究较多的是聚乙烯醇
(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)两种聚合剂。蔡强国等研究发现,PVA是一种很好的土壤结构改良剂,土壤中团
聚体的百分含量随PVA含量增加而增加,而且大多以直径大于1mm的大团聚体出现,从而抑制了土壤结皮
形成[5]。唐泽军等研究认为,PAM抑制土壤结皮形成与PVA相似,它能改善土壤结构状况,增加团聚体的稳定
性,有效地抑制土壤结皮的形成[6]。
本文试图在前人研究基础上,用人工模拟降雨溅蚀方法,通过制作土壤切片,研究聚丙烯酰胺(PAM)抑制
黄土结皮形成的机理,同时比较几种PAM抑制土壤结皮形成的效果。
1试验材料与方法
1.1试验装置
本实验在中国科学院地理科学与资源研究所坡地室人工模拟降雨大厅中进行。模拟降雨装置是由一套直
X收稿日期:2004203213
基金项目:(中国科学院地理科学与资源研究所创新工程项目(CXIOG-A00-05-02)和国家科技攻关项目“黄土高原北部连片沙地开发
利用技术示范区”(靖边2002BA517A04)资助
作者简介:胡霞,女,生于1978年,博士生。主要从事土壤水蚀以及风蚀研究。
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立管道、调压器、压力表、向下的喷嘴装置构成,直立管道高4.75m,水平延伸管长0.9m。喷头型号是美国
Spraco,其连结于水平延伸管上,离地高度4.75m[7]。
实验用溅蚀盘为直径30cm、高10cm的圆型盘,盘中心是一直径10cm、高3cm的圆型活动装土盘,盘底部
打上小孔。此装置是在Morgan溅蚀盘的基础上,对盛实验用土的内圆盘外加宽1cm改进而成。
1.2试验材料
试验土样为马兰黄土,采自河北省官厅水库附近挖开的公路旁土壤剖面,土壤颗粒以粉沙为主,约占总量
的65%,粘粒含量约占10%,试验前将土样风干并过2mm筛。试验试剂是聚丙烯酰胺(PAM),它是丙烯酰胺
(acrylamide,PAM)及其衍生物的均聚物和共聚物的统称,也是一种线形水溶性高分子化合物,具有很强的黏
聚作用。本试验采用的试剂分别是:液体PAM-1、固体PAM-2。
1.3试验设计与方法
配浓度为301000(PAM与水体积比)和601000的PAM-1试剂,以及浓度为601000(PAM与水的质量
比)的PAM-2试剂。将土样分装摩根溅蚀盘中,容重控制在1.30gcm3,然后均匀地喷洒上述试剂于土壤表
面,对处理后的土样进行历时为5,10,15,20,25,30min,强度为1.2mmmin的人工模拟降雨溅蚀试验。最后,
对降雨后的土样制切片并且在偏光显微镜下拍照。每个处理采用5个重复,同时设置对照土样(表面喷水,与处
理土样同时进行降雨)。
2结果与分析
2.1液体PAM-1对黄土结皮形成的影响
从图1(照片)可以看出表面喷洒浓度为601000PAM-1土壤表皮层结构随降雨历时的动态变化,整个降
雨过程中土壤表皮层结构变化非常明显。从照片可以看出,当降雨历时为5min(T1)时,土壤表面颗粒较紧实,
没有明显的雨滴溅蚀现象,因为PAM具有很强的聚合作用,它将部分细颗粒聚合成大团聚体,显著增加了土
壤团聚体的稳定性,从而有效抵抗了雨滴的打击作用;当降雨历时为15min(T3)时,在雨滴的继续打击作用
下,土壤表面的大团聚体开始被雨滴打击分散,土表被雨滴溅蚀变得粗糙不平;当降雨历时为20min(T4)时,
雨滴溅蚀作用更加明显,土壤表面出现明显的溅蚀坑;当降雨历时为25min(T5)时,土壤表面有一层颗粒密度
较大、孔隙度较小的致密层出现,此为结皮层,致密层以下出现分布均匀的大孔隙,但是土壤表面仍然残留
PAM-1固结的大团聚体;当降雨历时为30min(T6)时,土壤表面PAM-1固结的大团聚体仍然清晰可见,表
面有一层孔隙度降低的致密层。
图1在T1=5min、T3=15min、T4=20min、T5=25min、T6=30min时
表面喷洒浓度为601000PAM-1土壤表面结构变化过程(单偏光,4×3.3)
从图2(照片)可以看出表面喷洒浓度为301000PAM-1土壤表皮层结构随降雨历时的动态变化。当降雨
历时为5min(T1)时,因为聚丙烯酰胺具有很强的聚合作用,将土壤表面部分细颗粒聚合成大团聚体,并且增
加了土壤团聚体的稳定性,但是在雨滴不断打击作用下,这一层固结层开始被破坏,表面变得粗糙不平;当降雨
历时为10min(T2)时,雨滴溅蚀作用更加明显,土壤表面更加粗糙不平;当降雨历时为15min(T3)时,土表
66水土保持学报第18卷
固结层继续被雨滴打击破坏,出现明显起伏的溅蚀坑;当降雨历时为20min(T4)时,土壤表面开始发育不稳定
结皮,有一层孔隙度降低、颗粒密度较大的致密层出现,致密层以下出现大孔隙;当降雨历时继续延长,即25
min(T5)时,土壤表面结皮发育接近完整,表面较光滑,致密层以下大孔隙清晰可见且分布比较均匀;当降雨
历时为30min(T6)时,土壤结皮形成达到动态平衡阶段。
图2在T1=5min、T2=10min、T3=15min、T4=20min、T5=25min、T6=30min时
表面喷洒浓度为301000PAM-1的土壤表面结构变化过程(单偏光,4×3.3)
从图3(照片)可以看出对照土壤表皮层结构随降雨历时的动态变化。当降雨历时为5～10min(T1～T2)
时,土表在雨滴打击作用下发生溅蚀分散与搬运,表面变得粗糙不平,并且出现起伏不平的溅蚀坑;当降雨历时
为15min(T3)时,土壤表面有不完整的结皮发育,但是表面仍然有起伏不平的溅蚀坑;当降雨历时为20min
(T4)时,土壤结皮形成趋向完整,土表较光滑,致密层土壤颗粒密度较大、孔隙度较低,结皮层下部出现较大
孔隙;当降雨历时继续延长,土壤结皮的形成达到一个动态平衡阶段。
图3在T1=5min、T2=10min、T3=15min、T4=20min、T5=25min、T6=30min
时表面喷水的土壤表面结构变化过程(单偏光,4×3.3)
比较处理土样与对照土样可以发现,在降雨前期,处理土样在雨滴打击作用下,溅蚀现象比较微弱,而对照
土样在降雨5min(T1)时土壤表面就发生溅蚀分散和搬运;处理土样在降雨历时25min(T5)和20min(T4)
时,表面开始形成结皮,而对照土样在降雨历时为15min(T3)时土表就有致密层出现。因此,PAM-1的使用
会抑制土壤结皮的形成。这是因为PAM-1具有聚合作用,将土表的部分细颗粒聚合成大团聚体,改善了土壤
表面结构特征,有效地提高了土壤表面团聚体的稳定性,因此在雨滴打击下,这些团聚体不容易分散,不能为结
皮的形成提供充足的物质基础,从而有效地抑制了结皮的形成。
76第4期胡霞等:聚丙烯酰胺(PAM)对黄土结皮形成的影响
比较表面喷洒不同浓度PAM-1土壤表皮层结构随降雨历时的动态变化(图1、图2)可知,表面喷洒浓度为
301000PAM-1的土壤在降雨5min(T1)时表面固结层开始被破坏,表面变得粗糙,而表面喷洒浓度为60
1000PAM-1土壤在5min(T1)时,土壤表面仍然比较光滑,固结层基本没有被破坏;当降雨历时为20min时,
表面喷洒浓度为301000PAM-1的土壤表面PAM-1固结作用已经完全被破坏,表面开始发育不稳定结皮,
但是表面喷洒浓度为601000PAM-1的土壤表面仍然可以见到PAM-1固结的大团聚体,且表面没有结皮发
育;然而随着降雨历时的延长,在降雨历时为25min(T5)时,表面喷洒浓度为601000PAM-1的土壤表面开
始发育结皮,但是表面PAM仍然在起作用,PAM固结的大团聚体仍然清晰可见,而表面喷洒浓度为30
1000PAM-1的土壤表面结皮发育已经较完整;随着降雨历时的继续延长,当降雨历时为30min(T5)时,表面
喷洒浓度为601000PAM-1的土壤表面仍然残留PAM固结的大团聚体。这是因为高浓度PAM-1对土壤表
面细颗粒的固结作用较强,土壤团聚体稳定性大大增强,要完全破坏它的作用则需要相对较长时间,因此不同
浓度PAM-1改善土壤表面结构的作用不同,浓度较大的PAM-1能有效提高土表团聚体结构的稳定性,团聚
体不容易被雨滴打击分散。因此,浓度为601000PAM-1抑制土壤结皮形成效果较好。
图4在T=20min时表面喷洒PAM-2(601000)
以及对照土壤的表面结构特征(单偏光,4×3.3)
2.2固体PAM-2对黄土结皮形成的影响
固体PAM-2对结皮形成影响很小。表面
喷洒PAM-2的土壤与对照土样相比,二者在
降雨过程中表面微形态基本没有区别,随着降
雨历时的延长几乎同时形成结皮,都在降雨历
时为20min时形成土壤结皮,而且土壤表面没
有PAM固结的大团聚体出现。因此,PAM-2
对土壤结皮形成几乎没有影响。
3结论
PAM能控制土壤结皮形成的主要原因是,PAM能改善土壤的结构状况,显著提高土壤团聚体的稳定性,
不能为土壤结皮形成提供充足的物质基础,从而有效地抑制了土壤结皮的形成,但是随着降雨历时的延长,这
种抑制作用逐渐消失,土壤表面又会形成结皮。试验筛选出PAM-1抑制土壤结皮形成效果较好,而且浓度较
大的PAM对土壤结皮形成的抑制作用也较好。
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