聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，復合坡是自然界常見的主要坡型。通過室內人工降雨模擬試驗，研究了復合坡面降雨產流規律以及聚丙 烯酰胺（polyacrylamide, PAM)應用對其的影響。試驗采用2種復合坡型（凹型坡和凸型坡）的12個坡度組合 和4個PAM施用量，共48個試驗處理。結果顯示，PAM應用顯著縮短了初始降雨產流時間，初始產流時間平 均比對照處理提前63.7°%?71.6°%。PAM應用明顯改變了坡面徑流隨降雨歷時的變化規律。PAM應用后，除了大 坡度（彡10°)、小量PAM應用（0.5 g/m2)的凸型坡外，降雨徑流系數在整個降雨過程中基本維持穩定。PAMS 用增大了降雨徑流系數和徑流量，且徑流系數和徑流量隨著PAM施用量的增大而增大。凸型坡的徑流量平均比 凹型坡的大14.7%?31.8%。當PAM施用量為0.5、1.0和2.0 g/m2時，凹型坡和凸型坡的徑流量分別比對照處理 增加55.7%、100.2%、147.3%和16.6%、69.3%、108.9%。在黃土坡地上大劑量（彡1.0 g/m2)應用PAM可明顯 增大坡面徑流量，實際應用中應制定合理的PAM施用量。
中國土壤侵蝕區域遍布全國各地，強度高、危 害大。特別是西北黃土高原地區，由于其氣候干燥， 植被稀疏，暴雨集中，土壤抗蝕性差，水土流失 非常嚴重[1]。水土流失不僅破壞土地資源，而且也 會導致環境惡化、生態平衡失調以及水旱災害的頻 繁發生，嚴重影響當地和下游地區工農業生產的發 展，危及中國糧食安全，制約社會經濟的可持續 發展。
地表降雨徑流與土壤抗蝕性是影響土壤流失 的2個重要因素。聚丙烯酰胺（polyacrylamide， PAM)是1種水溶性線性陰離子高分子聚合物，具有較強的黏聚作用。適量的PAM應用可增加表層 土壤顆粒之間的凝聚力，維持良好的土壤結構及其 穩定性，防止土壤結皮的發生，從而增加土壤入滲 能力，減少地表徑流和土壤流失[2-7]。然而，由于 PAM溶液的粘滯性，大劑量PAM應用時也會導致 土壤水分入滲和傳導能力的降低，從而增大地表的 徑流量[8-12]。PAM性質、類型、施用量、應用方式 以及土壤性質等均影響PAM應用對土壤入滲能力 的應用效果[11-16]。
地面坡度大小影響地表產流與土壤侵蝕[17-20]。已 有研究結果顯示，土壤入滲量隨地面坡度的增加而減 小[21-25]，而地表徑流和土壤侵蝕量隨之增大[17’19-20,25]。 目前對降雨產流和土壤流失的研究主要是針對均 勻直面坡[26-27]。而在自然界中，大多數天然土坡都 是由具有不同坡度的斜坡相互連接而形成的直面 復合坡。蔣定生等的研究結果顯示，由于降雨入滲 的再分配，凸凹型坡在不同坡面位置處的土壤儲水 量不同[27]，從而導致降雨徑流和土壤侵蝕也會發生 相應的變化[26-28]。楊武德等的示蹤試驗顯示，隨著 復合坡面坡度的陡和緩，土壤侵蝕呈現出強、弱或 沉積的現象[29]。Rieke-Zapp和Nearing對曲面坡降 雨產流和土壤侵蝕的研究結果顯示，坡型顯著影響 降雨匯流規律、徑流量以及土壤侵蝕產砂量，且曲 面凸型坡比曲面凹型坡在坡腳處產生更多的沉積 物[26]。
在降雨條件下，直面復合坡降雨產流過程以及 PAM應用對其地表徑流的影響規律目前尚未見有 關報導。本文擬通過室內人工模擬降雨試驗，研究 降雨條件下不同坡型（凹型坡和凸型坡）及其坡度 組合以及PAM施用量對直面復合坡降雨徑流的影 響規律，探討黃土高原地區提高降雨利用率、降低 坡地土壤侵蝕的有效方法。
1材料與方法 1. 1供試土壤
供試土壤取自于中國科學院水土保持研究所 安塞水土保持綜合試驗站（109°19'23〃E， 36°51'30〃N)的耕作農田表層（0?15 cm)。土壤質
地為粉質壤土，屬于典型的黃綿土。供試土壤的基 本理化性質見表1。總可溶鹽含量、電導率和pH 值是在土水比1 : 2、混合攪拌均勻以及在室溫下靜 置24 h后的測定結果。
表1供試土壤理化性質
Table 1 Physical and chemical properties of tested soil
顆粒組成 Soil mechanical composition/%陽離子交換量可交換鈉百分比 Exchangeable sodium percentage/%總可溶鹽含量 Total soluble salt concentration/(mg-L-1)電導率
Electrical conductivity/ (dS-m-1)pH值
<0.001 mm 0.001 ?0.05 mm >0.05 mmCation exchange capacity/(cmolc'kg-1)pH value
10.57 71.61 17.8144.2111.9943.550.0878.75
注：土水比為1 : 2。
Note: Ratio of soil to water is 1:2.
1.2土樣準備及土槽裝填
將采集的土壤剔除植物根系和雜物后自然風 干，然后過5 mm篩子備用。自然風干土的質量含 水率約為1°%。
試驗所用土槽為自制鋼槽，土槽長2.0 m、寬 0.6 m、深0.25 m。土槽在中間部位通過較鏈分為上、 下2個部分，其坡度可分別在0?30°之間調控。在 土槽底板均勻分布有間距為5 cm、孔徑為3 mm的 滲流孔，以保證土壤的自由排水。在土槽尾端連接 一集流槽，用以收集徑流和采集泥沙樣品。
在填裝土壤前，首先將土槽上、下2部分的坡 度調至設計值。為防止土壤顆粒從土槽中漏出，在 土槽底板上鋪設1層粗紗布。按設計土壤容重分層 均勻填裝土槽，每層土樣厚5 cm。在填裝下1層土 樣前，抓毛上1層土壤的表面，以防止土層之間出 現分層現象。土槽中土樣的總厚度為15 cm，土壤 容重為1.3 g/cm3。
1.3PAM施用
試驗米用的聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)
為陰離子線性高分子聚合物（北京漢力淼新技術公 司），其分子量為14x106g/mol，電荷密度為20°%。
按設計施用量，將秤重的PAM溶于10 L蒸餾 水中持續攪拌1 h。將配制好的PAM水溶液用小型 噴壺均勻地噴施在裝填完畢的土壤表面。為保證各 處理的土壤表層初始含水量一致，在對照處理 (PAM = 0)中，在土壤表面噴施10 L蒸餾水。將 噴施PAM溶液或蒸餾水后的土槽靜置1 h，然后進 行人工降雨。
1.4人工模擬降雨
人工模擬降雨采用中國科學院水土保持研究 所的雙向對噴式人工模擬降雨裝置完成。該降雨模 擬系統的降雨過程由計算機全程自動控制，降雨強 度可在40?260 mm/h范圍內調控。降雨模擬系統 的噴頭距地表高度為16 m，雨滴直徑變化范圍為 0.6?3.0 mm，降雨均勻度大于85°%。根據黃土高原 地區暴雨強度，本研究采用的降雨強度為80 mm/h。
人工模擬降雨的用水采用蒸餾水，其電導率在 (25±1)°C條件下為4.81x10-3 dS/m，與自然降雨的 水質相近。當坡面降雨產流開始時，記錄初始產流 時間。坡面產流后，用塑料小桶連續收集徑流樣， 每隔2 min換1個小桶。降雨試驗在坡面產流1 h 后停止。降雨試驗結束后，立即測量每個徑流樣的 質量，然后將其靜置6?8 h。待泥沙完全沉淀后， 收集每個集流桶中的泥沙并在105C烘箱中烘干 12 h，計算徑流中的泥沙含量。
1.5試驗處理與數據分析
本研究的試驗處理包括凹型坡和凸型坡2個復 合坡型的12個坡度組合和4個PAM施用量，聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，共48 個試驗處理。凹型坡的上坡面坡度分別為20°和 25°，下坡面坡度分別5°、10°和15°;凸型坡的上 坡面坡度分別為5°、10°和15°，下坡面坡度為20° 和25°。PAM施用量分別為0 (對照處理）、0.5、 1.0 和 2.0 g/m2 (0、5、10 和 20 kg/hm2)。每個處理 3次重復。各處理平均值之間的差異顯著性采用 SPSS16.0軟件進行單因素方差分析（SPSS Inc., Chicago, USA)。當ANOVA的尸值統計顯著時，采 用Tukey檢驗法區分其平均值（戶=0.05 )。
2結果
2.1初始產流時間
不同上、下坡坡度組合和PAM施用量條件下 的初始降雨產流時間見表2。與對照處理（無PAM 應用）相比，施用PAM后各處理的初始降雨產流 時間顯著縮短（表2)。初始降雨產流時間隨著PAM 施用量的增大基本上呈逐漸縮短之趨勢。在無PAM 應用時，凹型坡下坡坡度的變化對初始降雨產流時 間的影響無明顯規律，而凸型坡上坡坡度的增加總 的來講則縮短了初始降雨產流時間（表2)。在PAM 施用后，凹型坡與凸型坡的不同坡度組合對初始降 雨產流時間的影響不明顯（表2)。在所有的PAM 施用量和坡度組合條件下，PAM應用導致凹型坡和 凸型坡的平均初始產流時間分別比對照處理縮短 了 63.7%和71.6%。這些數據顯示，PAM應用降低 了土壤的初始入滲能力。
表2不同坡度組合以及聚丙烯酰胺（PAM)施用量處理的初始降雨產流時間
Table 2 Time of runoff initiation after rainfall under various slope gradient combinations and polyacrylamide (PAM)
application rates
s
坡度 Slope gradient/(。）聚丙烯酰胺施用量 Polyacrylamide application rate/(g-m-2)
坡型
Slope type上坡 Up slope下坡
Down slope0
(對照處理，Control)0.51.02.0
579.0±29.7 aA33.0±2.8 bA45.0±7.1 bA32.5±2.1 bA
2010135.5±30.4 aAB35.5±2.1 bA36.5±0.7 bAB25.5±2.1 bA
凹型坡1579.0±35.4 aAC33.0±1.7bA33.3±2.3 bB28.0±0.2 bA
Concave slope5175.5±65.8 aA36.0±1.2bA40.0±1.1 bA29.0±2.8 bA
251094.0±4.7 aA48.0±2.4 bA41.0±2.1 bA28.0±1.5 bA
15117.7±31.0 aA86.0±47.6 bA29.0±0.0 bA26.3±2.3 bA
5240.3±63.3 aA47.3±4.2 bA37.0±0.0 bA25.0±1.7 bA
102072.3±34.9 aB61.3±21.5 abA33.3±3.0 bAB30.0±0.0 bB
凸型坡15164.0±45.6 aAB35.3±4.0 bA28.3±2.9 bB33.0±1.7 bC
Convex slope5267.7±67.6 aA28.0±6.1 bA45.0±7.0 bA37.3±5.7 bA
102590.7±33.5 aBC38.0±1.7 bBC27.3±2.9 bBC25.7±2.3 bBC
1595.7±58.6 aC39.0±5.2 bC26.0±0.0 bC25.0±1.7 bC
注：平均值±標準偏差；同一行中不同小寫字母表示在P = 0.05水平差異顯著；同一列中不同大寫字母表示在P = 0.05水平差異顯著。
Note: Mean value 士 standard deviation; Different small letters in the same row denote significant difference at P = 0.05 probability level; Different capital letters in the same column denote significant difference at P = 0.05 probability level.
2.2徑流系數
在各種上、下坡坡度組合以及PAM施用量條件 下，凹型坡降雨徑流系數隨降雨歷時的變化見圖1。 與對照處理相比，PAM應用明顯改變了降雨徑流系 數隨降雨歷時的變化規律(圖1 )。當無PAM應用時， 降雨徑流系數隨降雨歷時逐漸增大，一般在降雨 40 min左右后趨于其穩定值;而在PAM應用條件下， 降雨徑流系數在降雨開始時急劇增大，然后在絕大 部分的降雨過程中基本維持穩定（圖1)。降雨徑流 系數基本隨著PAM施用量的增大而增大（圖1 )。在 PAM應用后，各種坡度組合條件下的降雨徑流系數 均大于或等于對照處理時徑流系數的穩定值（圖1 )。 這些數據顯示，PAM應用顯著降低了土壤的入滲能 力特別是在降雨初期；聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，同時，坡度大小與PAM施用 量對降雨入滲或徑流可能存在一定的相互作用。總 體而言，凹型坡的上、下部坡度組合對地表徑流系 數的影響相對較小（圖1)。在測試的凹型坡各種上、 下坡度組合條件下，當PAM施用量為0、0.5、1.0 和2.0 g/m2時，其穩定徑流系數分別為0.31?0.49、 0.38?0.57、0.52?0.72 和 0.69?0.79。
在各種上、下坡坡度組合以及PAM施用量條 件下，凸型坡降雨徑流系數隨降雨歷時的變化見 圖2。在無PAM應用（對照處理）時，凸型坡的降 雨徑流系數隨著降雨歷時的延長而增大，且徑流系 數隨降雨歷時的增大趨勢明顯與上坡的坡度大小 有關（圖2)。當上坡坡度為5。時，在降雨過程的末 期，徑流系數逐漸趨于其穩定值（圖2);而當上坡 坡度為10。和15。時，徑流系數在降雨試驗期間呈持 續增大之趨勢（圖2)，這可能與較陡坡面上入滲土 壤中的水分沿坡向的運動(壤中流)有關[27]。在PAM 應用后，凸型坡降雨徑流系數隨降雨歷時的變化規 律受PAM施用量和上坡坡度大小的共同影響（圖 2)。當上坡坡度為5。時，PAM應用后其降雨徑流 系數在整個降雨期間基本維持穩定。當上坡坡度為 10。和15。時，在0.5 g/m2 PAM施用后降雨徑流系數 隨降雨歷時的延長而逐漸增大，此時與無PAM應 用時的變化趨勢相似；而在1.0和2.0 g/m2 PAM施 用后，其徑流系數在整個降雨期間基本維持穩定或 稍微減小。總的來講，凸型坡的降雨徑流系數隨著 PAM施用量的增加而增大（圖2)。
0102030405060
降雨時間 Rainfall time/min
102030405060
降雨時間 Rainfall time/min
102030405060
降雨時間 Rainfall time/min
圖1各種坡度組合與聚丙烯酰胺施用量條件下凹型坡徑流系數隨降雨歷時的變化 Fig.1 Changes of runoff coefficient on concave slope with rainfall time under various slope combinations and polyacrylamide
application rates
1020304050
降雨時間 Rainfall time/min
1020304050
降雨時間 Rainfall time/min
0102030405060
f.上坡坡度/下坡坡度
f.Upper slope/down slope (15°/25°)
e.上坡坡度/下坡坡度
e.Upper slope/down slope (10°/25°)
d.上坡坡度/下坡坡度
d.Upper slope/down slope (5725°)
降雨時間 Rainfall time/min
圖2各種坡度組合與聚丙烯酰胺施用量條件下凸型坡徑流系數隨降雨歷時的變化 Fig.2 Changes of runoff coefficient on convex slope with rainfall time under various slope combinations and polyacrylamide
application rates
2.3坡面徑流量
凹型坡和凸型坡在整個降雨事件中的總徑流 量隨PAM施用量和上、下坡坡度組合的變化情況 分別見圖3和圖4。圖3和圖4的數據顯示，不論 是凹型坡還是凸型坡，其徑流量隨著PAM施用量 的增加而明顯增大，但上、下坡的坡度組合條件對 總徑流量的影響相對較小。在PAM施用量為0.5、 1.0和2.0 g/m2時，所有凹型坡的平均徑流量分別比 對照處理增加55.7%、100.2%和147.3%，凸型坡的 平均徑流量分別增加16.6%、69.3%和108.9%。
在相同PAM施用量條件下，凸型坡的徑流量總 體而言大于凹型坡的徑流量（圖3和圖4)。在20° 與5°、10°、15°的組合中，凸型坡的坡面徑流量平 均比凹型坡的大14.7%;而在25°與5°、10°、15°的 組合中，凸型坡的徑流量平均比凹型坡的大31.8%。
3討論
3. 1 PAM應用的影響
聚丙烯酰胺是1種高分子聚合物，其應用對降 雨入滲具有雙重影響作用：1方面，PAM應用可 促進土壤團聚體和土壤結構的穩定，從而維持土壤 的入滲性能；另1方面，PAM溶液的黏滯性隨其 濃度的增大而增大[30]，且PAM噴施后可在土壤表 面形成“人工結皮，，[31]，從而降低土壤的入滲能 力，增大地表徑流。因此，PAM應用對土壤入滲 和徑流的影響效果取決于這2方面因素的相互作 用結果。聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，當后者的作用大于前者時，PAM應用會 減小土壤入滲率或水力傳導度[8，n，30-31]，從而導致 PAM施用后的初始降雨產流時間比對照處理的縮 短或提前（表2)，且降雨徑流系數和徑流量隨著 PAM施用量的增大而明顯增大（圖1?圖4)。特 別是當PAM施用量較大（彡1.0 g/m2)時，大部分 降雨量會以徑流的形式而流失。試驗結束后我們對 土壤剖面的開挖結果顯示，此時的土壤入滲深度非 常淺，這足以證實大劑量PAM應用對土壤入滲能 力的阻礙作用。
坡型與坡度的影響
坡型和坡度是影響降雨產流的重要影響因素， 對凈降雨量、坡面徑流深、徑流速度和坡面切應力 等影響顯著[24,32-33]。與直面坡相比，凹型坡在坡面 下凹處對徑流和泥沙有一定的阻滯作用，而凸型坡 在其凸處下緣有一個加速作用，所有這些影響都改 變了徑流流態、徑流深以及徑流動能，從而影響土 壤入滲、地表徑流以及土壤流失狀況[24]。
直面坡的初始降雨產流時間隨著地面坡度的 增加而呈指數減小[32]。因此，在無PAM應用時，
凸型坡的上坡坡度越大，其初始降雨徑流產生時間 越早（表2)。然而，可能由于坡面下凹處滯水的影 響，凹型坡的初始降雨產流時間受其下坡坡度變化 的影響并不明顯（表2)。在PAM應用后，由相同 上、下坡坡度組合而成的不同復合坡型（凹型坡或 凸型坡）對初始降雨產流時間的影響并不顯著（表 2)，這可能是由于PAM應用對坡面初始產流時間 的影響程度大于坡型的影響程度所致。
0.05 probability level. Bars represent standard deviation.
I組合對凸型坡徑流量的影響
pe combination on runoff volume under convex slope
在無PAM應用時，降雨初期的降雨量大部分 滲進入土壤而只有少部分雨量沿坡面形成徑流。 著降雨歷時的延長，土壤含水量增大而土壤入滲 減小，因而徑流系數逐漸增大直至趨于其穩定值 圖1)。凹型坡以及上坡坡度較小（5°)時的凸型 基本屬于此種情況（圖1和圖2)。而當凸型坡的 坡坡度較大010°)時，在整個坡面上更易形成 流，其徑流流速也相應地更大些，同時入滲到土 中的水分也可能沿坡向運動[27]。此外，在降雨過 的后期，下坡坡面開始出現明顯的侵蝕溝（集 流）。所有這些因素可能是導致凸型坡在大坡度 坡時其徑流系數隨降雨歷時不斷增大的原因 圖 2)。
雖然從理論上講，隨著凹型坡下坡坡度或凸型 上坡坡度的增大，復合坡更接近于直面坡，其坡 上的徑流更為平順，從而會有更多的降雨量以徑 的形式流失，但我們的試驗結果并不能明確驗證 一推測（圖3和圖4)。這表明，在試驗條件下黃 土復合坡的坡度組合變化對徑流量的影響相對較 小。坡面所接受的凈雨量隨著坡度的增大而減小這 一事實，可能是導致此試驗結果的原因之一。而凸 型坡的徑流量普遍大于凹型坡的徑流量這一試驗 結果顯示（圖3和圖4)，復合坡的坡型（凹型坡或 凸型坡）對徑流量有一定的影響效果。
3.3PAM應用與坡型及坡度之間的相互作用
在無PAM應用或PAM施用量為0.5 g/m2的條 件下，當上坡坡度較大（彡10°)時，凸型坡的降雨 徑流系數隨降雨歷時的變化規律與凹型坡的明顯 不同（圖1和圖2)。這可能暗示，坡型、坡度以及 PAM施用量3因素共同影響復合坡的土壤入滲和 坡面徑流。當PAM施用量較低（0.5 g/m2)時，PAM 溶液黏滯性相對較小，PAM應用對土壤入滲及坡面 徑流的影響程度不足以克服凸型坡較大的上坡坡 度對其的影響，因此導致當凸型坡的上坡坡度為 10°和15°時，0.5 g/m2 PAM施用量時的徑流系數隨 降雨歷時的變化規律與對照處理的相似（圖2)。而 凹型坡以及PAM施用量較大（彡1.0 g/m2)或上坡 坡度較小（5°)的凸型坡，聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，PAM應用對土壤入滲或 坡面徑流的影響程度大于坡度或坡型的影響，因此 不同坡型或坡度組合條件下的徑流系數隨降雨歷 時的變化規律基本相似（圖1和圖2)。
4結論
本文通過室內模擬降雨試驗，研究了不同聚丙 烯酰胺（polyacrylamide，PAM)施用量對黃綿土復 合坡面降雨產流規律的影響。試驗結果表明：
1)坡面噴施PAM對初始降雨產流時間有顯著 影響。與對照處理相比，PAM應用顯著縮短了初始 降雨產流時間。在PAM應用后，坡型和坡度組合 條件對初始降雨產流時間的影響不明顯。
2)與對照處理相比，PAM應用明顯改變了降 雨徑流隨降雨歷時的變化規律。在無PAM應用時， 凹型坡的降雨徑流系數隨著降雨時間的延長逐漸 趨于穩定；凸型坡的降雨徑流系數在上坡坡度為5° 時與凹型坡的相似但在上坡坡度>10°時在整個降 雨過程中持續增大。在PAM (除PAM施用量較小 且上坡坡度較大的凸型坡）應用后，凹型坡和凸型 坡的徑流系數在整個降雨過程中基本維持穩定。 PAM應用增大了降雨徑流系數，且徑流系數隨著 PAM施用量的增大而增大。
3)坡面徑流量隨著PAM施用量的增大而增大。 在PAM施用量為0.5、1.0和2.0 g/m2時，聚丙烯酰胺應用對黃土復合坡面降雨產流的影響，凹型坡和 凸型坡的徑流量分別比對照處理增加了 55.7%、 100.2%、147.3%和 16.6%、69.3%、108.9%。在試
驗條件下，凸型坡的坡面徑流量平均比凹型坡的徑 流量大14.7%?31.8%。
在黃土坡地上，小劑量的（0.5 g/m2) PAM& 用對土壤入滲和坡面徑流的影響相對較小，而大劑 量的PAM應用則可明顯增大降雨徑流系數和徑流 量，此時雖然有利于地表徑流的收集和促進降雨的 有效再利用，但可能對抑制土壤流失具有不利的影 響。在實際應用中，應根據土壤和PAM性質確定 合理的PAM施用量。PAM施用量、坡型以及坡度 組合條件可能對黃綿土復合坡土壤入滲和坡面徑 流具有一定的相互影響作用，其作用效果值得進一 步深入研究。
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