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1、第 33 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.5 2017 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2017 149 高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验李元元1，王占礼1,2（1. 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100； 2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100） 摘 要：利用高分子化学材料改善地表结构进行化学固沙，是防治风蚀的重要措施之一。为寻找有效的高分子化学材料防 治黄土高原北部水蚀风蚀
2、交错区风积沙及沙黄土风蚀，将不同剂量（0（喷清水为对照） 、0.4、0.6 及 1.2 g/m2）的 4 种高 分子化学材料聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM） 、阳离子羟丙基多糖（cationic hydroxypropyl quito sugar，Jag C162） 、羧 甲基纤维素(carboxymethyl cellulose，CMC)及羟丙基化多糖（hydroxypropyl polysaccharide，HP-120）喷施于沙黄土及风积 沙表面， 进行室内风洞试验， 测定其风蚀率及表面固积层硬度。 结果表明： 喷施不同剂量的高分子化学材料 PAM、 Jag C162、
3、 CMC 及 HP-120 于沙黄土及风积沙表面均能显著降低松散扰动沙黄土及风积沙的风蚀率（P0.05） ，喷施剂量为 0.6 g/m2时， PAM 及 CMC 处理下的固结层硬度差异显著（PJag C162 HP-120。 表 2 表明，在风积沙表面喷施各剂量的 4 种高分子 聚合物均能显著增加固结层的硬度（P0.05） ，其他均表现为喷施剂量越 大硬度越大（P0.05） ， 在 Jag C162 及 CMC 处理间差异显著（P0.05） ，喷施剂量为 1.2 g/m2时，PAM 及 Jag C162 处理间差异显著（P0.05） 。 对比 4 种高分子材料对沙黄土及风积沙表面固结层 硬度的
4、影响可知，喷施在沙黄土表面固结层硬度相对 CK 提高的百分率以喷施 PAM 时最高，达到了 356%；而对 于风积沙以喷施 CMC 时最高，达到了 746.15%。总体来 看， 4 种高分子聚合物对增加沙黄土和风积沙表面固结层 硬度均有积极的效果，其中 PAM 对提高沙黄土表面固结 层硬度效果较好，其他 3 种在提高风积沙固结层硬度上 效果较好，CMC 效果最佳。 3 讨 论 中国西北地区由于缺乏水分和大风频发极易发生降低土壤养分，劣化土壤结构，加快土壤荒漠化速度的风 蚀27，因此对土地荒漠化的治理成为各国学者要研究的 重要问题。在大风发生时，由于缺乏水分以及地表覆盖， 尤其在黄土高原北部风蚀
5、严重的水蚀风蚀交错带的松散 扰动、可蚀性较强的沙黄土和风积沙表面，风蚀程度更 加剧烈，使得土地条件越来越恶劣，逐渐失去其使用价 值，这种现象在风蚀水蚀交错区尤为明显29。在风洞试 验条件下，喷施不同剂量不同种类的高分子化学材料 PAM、 Jag C162、 CMC 及 HP-120 均能增大沙黄土和风积 沙的抗风蚀能力，减轻风蚀发生程度，且使用剂量越大 效果越好。 在观察喷施高分子化学材料 PAM、Jag C162、CMC 及 HP-120 的沙黄土和风积沙地表破坏过程中，笔者发现 试样在 14 m/s 的大风作用下的破坏过程一般是经过大风 对试样前段表面不断地吹蚀破坏，前段试样表面被破坏 后
6、，大风携带着前段吹起的风蚀物，即风沙流对后段的 地表固结层产生更大的破坏，经过风沙流的磨蚀，试样 表面形成的固结层被不断磨损变薄，再经过一段时间的 吹蚀和风沙流的打击，固结层被击穿破坏，沙粒及土粒 从破坏处逸出，开始产生风蚀；再经过短暂的时间，由 于沙粒及土粒逸出从而在沙粒及土粒逸出处表面下方被 镂空，导致本已薄如滤纸的表面固结层彻底破坏，试样 失去保护，如同未经处理的试样一样开始产生强烈风蚀， 这与前人研究的结果一致1。 化学固沙、固土措施可在沙、土表面形成一层具有 一定结构和硬度的固结层，既能够防止风力吹蚀，又可 保持下层水分，以达到控制风蚀和改善风蚀风沙沙害环 境的目的。固结层的硬度是反
7、映高分子化学材料固沙能 力大小的指标之一30。根据本试验施用 PAM、Jag C162、 CMC 以及 HP-120 试样表面风蚀过程观察可知，在松散 沙黄土及风积沙表面喷施不同剂量的 PAM、Jag C162、 CMC 及 HP-120 后，对于松散土粒来说，相邻土粒之间 的孔隙较大且彼此互相独立，土粒间黏度极低，易被风 蚀，而施放的化学材料都具有黏结性，当其喷施至沙黄 土和风积沙表面时，液滴渗入土粒或沙粒之间的间隙， 并将相邻土粒或沙粒胶结起来，土粒或沙粒之间的内聚 力增大，在沙黄土和风积沙表层形成一层相比于对照来 说更加致密，硬度较高的固结层，固结层的形成，对固 结层下部的松散沙黄土和风
8、积沙起到极好的保护作用， 不仅使试样前段破坏后产生的风蚀物少产生含沙量较少 的风沙流，减轻其对试样后段的磨蚀作用，而且也增强 了试样表面整体的稳定性，从而减少风蚀率。 从本研究结果可以看出，与对照相比，4 种化学材料 通过提高沙黄土和风积沙表面固结层的硬度显著降低沙 黄土和风积沙的风蚀率（P0.05） 。PAM 对提高沙黄土表 面结皮硬度效果较好，其相应的降低沙黄土风蚀率效果 也最好；Jag C162、CMC、HP-120 对提高风积沙结皮硬 度上效果较好，其中 CMC 效果最显著，在降低风蚀率上 也表现出一致的。 在本研究所用的 4 种高分子化学固沙材料，其中有 关 PAM 对防治风蚀的研究
9、在国内外已经很广泛， 本试验第 5 期 李元元等：高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验 153 所得PAM可以防止沙黄土和风积沙风蚀的试验研究结果 和前人研究的一致1。 另外 3 种新型的固沙材料在各剂量 条件也能减轻沙黄土和风积沙的风蚀程度，由此可见， 在未来固沙技术的研究上，Jag C162、CMC 及 HP-120 将值得深度探讨。此外，本研究还发现，PAM 对沙黄土 防治风蚀的效果要好于风积沙，而其他 3 种新型固沙材 料防治沙黄土风蚀的效果比风积沙差，对于这一结果的 解释可能是相对于风积沙来说，沙黄土中含有少量的黏 粒，PAM 溶液更容易使这些黏粒粘结成稳定的土块和土 粒，大风条件下不
10、易被风吹动，所以 PAM 对沙黄土的抗 风蚀能力强于风积沙的抗风蚀能力。试验中笔者观察到， 喷施 Jag C162、CMC 及 HP-120 化学材料于沙黄土和风 积沙的表面可以形成结皮，但在风积沙表面形成的结皮 硬度很明显高于沙黄土表面，另外，由于高分子化学材 料是透明的胶状物，它更容易将沙粒粘结起来形成表面 相对光滑的稳定坡面，使得高速气流对其表面的影响减 弱，结皮下部土层受到良好的保护而不易被风吹蚀，这 2 种效果的作用要强于单纯地粘结沙黄土土粒作用。因此， 在其他条件相同时，4 种化学材料中，CMC 防治松散扰 动风积沙的风蚀效果最好，而 PAM 对于防治松散沙黄土 风蚀的总体效果最佳
11、因此，在风蚀严重的水蚀风蚀交错 带，利用 PAM、Jag C162、CMC 及 HP-120 提高沙黄土 和风积沙表面结构的稳定性、增强抗风蚀能力时，应考 虑地区的土壤质地，对于沙质化比较严重的地区，可以 考虑使用高分子化学材料 Jag C162、CMC 及 HP-120，而 对于含有一定黏粒和粉粒的土壤，由于 PAM 粘结粉粒和 黏粒效果更好，采用 PAM 将会收到更好的效果。 根据本试验的研究结果可知，在采用效果较好的 PAM 与 CMC 分别防治黄土高原北部风蚀严重的水蚀风 蚀交错带松散沙黄土和风积沙风蚀时，只需将高分子化 学材料的使用剂量控制在 1.2 g/m2时， 则几乎可以抵御风
12、速 14 m/s 的大风，历时 20 min 的吹蚀而不产生风蚀。根 据市面调查可知，PAM 根据分子量不同，售价为 5.0 20 元/kg，CMC 的售价为 2.925 元/kg。若使用剂量 1.2 g/m2，经济成本最高分别为 240 和 300 元/hm2。总体 来说，经济成本相对较低。综上，PAM 及 CMC 在防治 黄土高原北部风蚀严重的水蚀风蚀交错带松散沙黄土和 风积沙风蚀方面具有较高的应用价值。然而，本文基于 室内试验得出的结论有待于在野外进行进一步的验证。 4 结 论 本研究通过室内风洞试验，研究在同一风速条件下， 不同剂量（0（喷清水为对照） 、0.4、0.6 及 1.2 g
13、/m2）的 4 种高分子化学材料聚丙烯酰胺 （polyacrylamide， PAM） 、 阳离子羟丙基多糖（cationic hydroxypropyl quito sugar， Jag C162） 、 羧甲基纤维素 （carboxymethyl cellulose， CMC） 及羟丙基化多糖（hydroxypropyl polysaccharide，HP-120） 防治黄土高原北部风蚀严重的水蚀风蚀交错带扰动松散 沙黄土和风积沙风蚀的效果，研究结果如下： 1）PAM、Jag C162、CMC 及 HP-120 均能增强地表固结层的硬度，提高沙黄土颗粒及沙粒的稳定性，极大 地提高松散沙黄土及
14、沙的抗风蚀性能。 2）在相同喷施剂量下，4 种高分子化学材料防风蚀 效果不同。总体而言，PAM 防治沙黄土风蚀的效果最好， 而 CMC 防治风积沙风蚀的效果最佳。 对于松散沙黄土而 言，在剂量为 0.4 g/m2时，喷施 HP-120 降低风蚀率的效 果最好， 在剂量为 0.6 及 1.2 g/m2时， PAM 降低风蚀率的 效果最好。对于松散风积沙而言，剂量为 1.2 g/m2时，固 积层硬度为 CMCPAMJag C162HP-120。 3）使用 4 种高分子化学材料防治风积沙和沙黄土风 蚀时，只需将其使用剂量控制在 1.2 g/m2时，则几乎可以 抵御风速 14 m/s 的大风，历时 2
15、0 min 的吹蚀而不产生风 蚀。CMC 可在风沙流较为严重的地区推广应用，PAM 适 宜在荒漠化较轻的地区应用。 参 考 文 献 1 陈渠昌，雷廷武，唐泽军. 施用 PAM 防治松散土风蚀的 机理及其抵御风沙流能力研究J. 水土保持学报，2008， 22(4)：16. Chen Quchang, Lei Tingwu, Tang Zejun. Study on mechanism by use of PAM to keep from wind erosion of loosing soil and its capability to withstand wind flow with sand
16、J. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(4): 16. (in Chinese with English abstract) 2 Michels K, Sivakumar M V K, Allison B E. Wind erosion control using crop residue I. Effects on soil flux and soil propertiesJ. Field Crops Research, 1995, 40(2): 101110. 3 Sterk G, Stein A. Mapping apping wind-blown mass transport by modeling variabil
