关于聚丙烯酰胺和秸秆覆盖控制水土流失的研究

Posted 2023-01-11 水土流失

篇首语：教书育人是教师的天职，既有苦，也有乐。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了关于聚丙烯酰胺和秸秆覆盖控制水土流失的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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。