关于聚丙烯酰胺和秸秆覆盖控制水土流失的研究

在灌溉水中施用聚丙烯酰胺(PAM)能够有效地抑制径流和侵蚀的发生，其作用主要表现在以下两个方面：1)PAM吸附在土壤表面，可增加土壤的黏聚性和团聚体的稳定性。2)PAM使悬浮于灌溉水中的细小土壤颗粒发生絮凝作用，并形成较大的土壤团聚体沉积下来，减少侵蚀的发生。这些作用致使犁沟的表面具有较好的团聚结构，保持了犁沟表面的粗糙性和渗透能力。因此，施用PAM通常能够增加入渗、减少径流和侵蚀。作物秸秆覆盖于犁沟内能够降低灌溉水前进的速度，增加入渗时间，加大犁沟的湿周，从而降低径流中泥沙质量浓度。与施用PAM相比，秸秆覆盖在增加入渗方面作用显著，但是由于作物秸秆通常随灌溉水流进行漂移，并且在犁沟的下游混合泥沙沉积下来，堵塞犁沟，致使溢流现象发生。这也是农民们不采取秸秆覆盖的主要原因。虽然有关利用秸秆覆盖和PAM控制水土流失的研究已经很多，但是人们对作物秸秆覆盖和施用PAM相结合对沟灌过程中侵蚀和入渗的影响、以及作物秸秆覆盖对PAM功效的影响知之甚少。为此，美国农业研究机构的土壤学家R.D.Lentz等人采用秸秆覆盖量分别为10g/m和30g/m以及在此基础上结合使用PAM控制水土流失的对比试验。
1 材料与方法
试验地选择在美国爱达荷州的一块0.4hm2的粉沙壤土地块上。土壤黏粒含量为14%，粉粒为68%，土壤有机质含量为14g/kg，可交换Na的比率为1.5，pH值为7.8，地块坡度为1.5%。此粉沙壤土抗蚀性很差，干燥的土壤团聚体在沟灌过程中很快散解。试验地在秋季作物收获后耙两次，并于第二年3月末压实，5月份耙地时施除草剂，并用开沟犁犁成173m长，间距为0.75m的犁沟，垄上种植玉米。7月份沿犁沟进行中耕，并在沟内覆盖小麦秸秆。犁沟采用5种处理方式：处理Ⅰ为高秸秆覆盖量(30g/m)，处理Ⅱ为高秸秆覆盖量+PAM，处理Ⅲ为低秸秆覆盖量(10g/m)，处理Ⅳ为低秸秆覆盖量+PAM，处理Ⅴ为未采取任何处理的对照。小麦秸秆沿着犁沟随意散落于犁沟内，不采取任何措施将秸秆压入泥土内。PAM的施用量为330g/m2，施用地点设在犁沟开始处，这是因为灌溉水在沟头处产生的涡流不断冲击PAM，促使PAM快速溶解于灌溉水中。对于每一种犁沟处理均有5次灌溉(依次定义为灌溉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。灌溉于秸秆覆盖11d后开始，并且对所有处理的每次灌溉都进行监测。灌溉Ⅰ与灌溉Ⅱ间隔为1周，其余灌溉间隔为2周，每次灌溉持续时间为24h。灌溉Ⅰ的灌溉流量为23L/min。为了减少径流损失，次灌溉(灌溉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)的流量均从23L/min逐渐减至19L/min。试验过程中对灌入流量和出流流量进行了测定，并收集径流样品测定了泥沙浓度。对于每次灌溉，在灌溉初期每隔1.5h进行1次测定，灌溉中期每隔1h进行1次测定，灌溉末期出流流量和泥沙质量浓度相对稳定时，每隔3h进行1次测定。
2 结果与讨论
与对照相比，各个处理在所有的灌溉中都能够减少侵蚀，但只在灌溉Ⅰ时，处理Ⅰ～Ⅳ能够增加入渗，降低灌溉水流速。方差分析表明：在灌溉Ⅰ时处理Ⅰ～Ⅳ对出流流量、入渗、灌溉水流速、径流中泥沙质量浓度、侵蚀影响显著，但在以后的几次灌溉中影响较小，因为在灌溉Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ过程中，处理Ⅰ和处理Ⅲ仅对灌溉水流速有影响，而处理Ⅱ、Ⅳ对侵蚀、径流中泥沙质量浓度、灌溉水流速均有影响。秸秆覆盖与PAM结合使用对侵蚀和径流中泥沙质量浓度的影响在灌溉Ⅰ、Ⅱ中表现明显。试验表明在灌溉Ⅰ中，随着秸秆覆盖量的增加，出流流量明显下降、入渗率显著上升。同样在灌溉Ⅰ中，施用PAM与不施用PAM相比，出流流量与入渗率也显著地发生变化。在后3次灌溉中前4种处理对沟灌的影响几乎没有差异；与对照相比，仅有轻微的不同。与对照相比，在灌溉Ⅰ中，处理Ⅰ和处理Ⅲ减少侵蚀86%，减少径流中泥沙质量浓度81%，入渗率增加1.3倍，灌溉水流速降低了66%；在灌溉Ⅱ中，处理Ⅰ和处理Ⅲ侵蚀减少了74%，径流中减少泥沙质量浓度73%；在灌溉Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中，处理Ⅰ和处理Ⅲ减少侵蚀和径流中泥沙质量浓度均达94%。试验表明：处理Ⅱ、Ⅳ与处理Ⅰ、Ⅲ，对沟灌过程的影响明显；与对照相比，在灌溉Ⅰ中，处理Ⅱ、Ⅳ侵蚀和径流中泥沙质量浓度几乎都减少了100%，出流流量缩减了54%，入渗率增加了1.7倍，灌溉水流速降低了43%；在灌溉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中，对侵蚀和径流中泥沙质量浓度的减少几乎都达到了100%。
2.1 不同秸杆覆盖量间的比较与低覆盖处理相比，在灌溉Ⅰ中，处理Ⅰ、Ⅱ增加入渗率1.1倍，降低出流流量达20%，减少径流中泥沙质量浓度达60%，减少侵蚀达70%。在以后的几次灌溉中，处理Ⅰ、Ⅱ仅在降低灌溉水流速方面不同于处理Ⅲ、Ⅳ。高覆盖处理与低覆盖处理相比降低灌溉水流速达83%。
2.2 处理Ⅰ、Ⅲ和处理Ⅱ、Ⅳ的比较在灌溉Ⅰ中，处理Ⅱ、Ⅳ与处理Ⅰ、Ⅲ相比，入渗率增加了1.3倍，出流流量降低了42%，灌溉流速降低了62.5%，侵蚀减少了99%，径流中泥沙质量浓度减少了88%；在灌溉Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中，处理Ⅱ、Ⅳ侵蚀减少了97%，径流中泥沙浓度减少了100%，灌溉流速降低了71%。与对照和仅采用秸秆覆盖处理相比，处理Ⅱ、Ⅳ对侵蚀和秸秆移动有显著的影响。试验表明：施用PAM的犁沟末端很少有泥沙沉积和秸秆堆积。在仅采用秸秆覆盖处理的犁沟内，在灌溉水流的作用下，作物秸秆随水流移动到犁沟的下游端，并与泥沙一起堆积成小坝，堵塞水流，使水流在小坝前形成涡流，并且从坝顶或垄上溢出，引起水土流失。同时犁沟内作物秸秆被冲走的地方也是侵蚀常发区域。
2.3 秸秆覆盖与PAM的相互作用统计分析表明，仅在灌溉Ⅰ、Ⅱ中，秸秆覆盖和PAM在对侵蚀和径流中泥沙质量浓度影响方面有明显的相互作用。处理Ⅲ对侵蚀和径流中泥沙质量浓度的影响高于处理Ⅱ。与对照相比，在所有的灌溉过程中，前4种处理均能显著地降低侵蚀和径流中泥沙的质量浓度；但仅在灌溉Ⅰ中能显著地增加入渗。在以后的几次灌溉中，前4种处理对入渗几乎没有影响。试验研究表明沟灌过程中影响表土密封和入渗主要有3个过程：1)快速灌溉使土壤团聚体散解，散解后的土壤颗粒沉积于土壤表面，影响入渗。2)胶态的土壤颗粒和细小的团聚体悬浮于灌溉水中，并随水渗入到土壤中，堵塞土壤孔隙。3)灌溉后土壤表层板结，减少了土壤孔隙和入渗率。对照处理，在灌溉Ⅰ过程中，由于土壤团聚体的散解、沉积和堵塞土壤孔隙，致使灌溉开始4～5h后土壤入渗率极剧下降。而处理Ⅰ、Ⅲ的犁沟，秸秆降低了灌溉水的流速、径流中泥沙的质量浓度和侵蚀，因此，在灌溉Ⅰ过程中，犁沟内保持了较高的入渗率。对于处理Ⅱ、Ⅳ的犁沟，PAM的施用阻止了团聚体的散解，并且使悬浮于灌溉水中的胶态颗粒发生絮凝作用，减少径流中泥沙质量浓度，减轻土壤堵塞，因此保持最高的入渗率。当灌溉Ⅰ结束后，由于土壤干旱致使表土层发生板结，降低了土壤孔隙度，并且持久地降低了土壤入渗率。在此后的几次灌溉中，4种处理与对照相比，在增加入渗方面几乎没起任何作用。由于PAM的施用降低了灌溉水流速，从而降低了水流的冲刷和挟沙能力。因PAM具有吸附植物和土壤物质的能力，因而抑制了秸杆随灌溉水移动，减轻犁沟堵塞和溢流发生的作用。PAM的施用在降低灌溉水流速的同时，也增加了土壤的入渗率。但当田地平坦、犁沟较长且施用了PAM时，可适当加大灌溉流量以提高灌溉水的利用率。秸秆覆盖对PAM功效的影响主要是通过 改变犁沟内的水力学条件(如减小水流流速、增加犁沟湿周)来促进PAM作用的发挥。
3 结 论
此次试验采用了低秸秆覆盖量、高秸秆覆盖量、低秸秆覆盖量+PAM、高秸秆覆盖量+PAM和无任何处理的对照5种处理，并对于每种处理进行5次灌溉。试验结果表明：为了取得长久的沟灌入渗率，而不考虑控制侵蚀的需要，可采取高秸秆覆盖量或较小的灌溉水入流流量。若为了控制侵蚀，而不考虑对入渗和灌溉水流速的影响时，可采取低秸秆覆盖量。此次研究在前两次灌溉过程中，秸杆覆盖量+PAM处理，在增加入渗方面比秸秆覆盖量处理作用显著。因此，农民通常在1～2次灌溉后，停止施用PAM，以减少灌溉费用，并且控制侵蚀的效果并没有减轻。试验研究表明：在秸秆覆盖+PAM处理中，当秸秆覆盖量超过10g/m时，控制侵蚀的作用就不显著增加了。因此，在采用秸杆覆盖+PAM处理方法控制侵蚀时，取秸秆覆盖量处理的1/3，即可达到同样的减蚀目的。