新型聚氨酯（W-OH）材料对崩岗坡面入渗和抗蚀影响机制研究

Collapsing gully is one of the most severely eroded landforms in southern China. A new polyurethane material (W-OH) has been adopted to control collapsing gully erosion efficiently, studies on characteristics of slope infiltration and runoff yield and on erosion mechanism of W-OH with different concentrations, however, have not been studied. This project aims to study the mechanism of soil infiltration and anti-erodibility on a collapsing gully slope through a combination method of slope-controlled experiment, artificial simulating rainfall and runoff scouring experiments, field observation and laboratory analysis (X-ray computed tomography, electron microscope scanning etc.). The objectives are to (i) investigate response characteristics and laws of temporal variation of soil conventional physical properties and soil microstructure after spraying W-OH with different concentrations; (ii) analyze the procedures of water infiltration, runoff and sediment yield under different W-OH concentrations and spraying time and (iii) reveal influence mechanism of the new material on soil infiltration and anti-erodibility. This research will be conducive to understand the law of flow and sediment processes on collapsing gully slopes further and will also contribute to collapsing gully restoration by using the W-OH material.

崩岗是我国南方红壤区最严重的土壤侵蚀类型之一，W-OH作为一种新型高分子材料在崩岗治理中获得了有效的应用，然而不同W-OH喷施浓度对崩岗坡面入渗和产流特征以及抗蚀机制等方面的研究尚为缺乏，限制了其在崩岗综合治理中的高效利用。基于此，本项目以典型崩岗坡面为研究对象，通过坡面控制试验、野外模拟降雨试验、水槽冲刷试验和室内理化分析（CT、电镜扫描等）相结合的方法，研究崩岗坡面土壤物理性质对W-OH材料的响应特征及其时间演变规律，分析不同W-OH喷施浓度下崩岗坡面入渗和产流产沙过程，揭示新型W-OH材料对崩岗土壤入渗和抗蚀能力的影响机制。研究结果对深入认识崩岗侵蚀水沙过程规律具有重要的科学意义，同时对将W-OH用于崩岗综合开发治理具有一定的实践意义。

南方红壤区有水土流失面积13.25万km2，占水力侵蚀面积的11.8%，是我国主要的水蚀区之一，崩岗和坡耕地是南方红壤区水土流失的典型策源地。长期以来，基于工程措施、生物措施和耕作措施，南方崩岗和坡耕地水土流失获得了广泛的治理，并取得了显著的治理成效。但这几种措施见效慢，在崩岗区工程措施后和坡耕地休闲期植被尚未恢复的阶段，容易导致二次侵蚀的发生，严重影响治理效益，以土壤化学改良材料为基础的快速固土抗蚀技术亟需开发和应用。本研究利用新型聚氨酯（W-OH）材料防治南方崩岗和坡耕地区水土流失，通过模拟溅蚀试验和微区模拟降雨试验，量化了不同W-OH喷施浓度对崩岗区红壤和第四纪红粘土区红壤溅蚀和细沟间土壤侵蚀的影响，通过室内实验，揭示了入渗、土壤抗剪切力、土壤团聚体、土壤含水量等侵蚀相关指标，对不同W-OH喷施浓度的响应特征，并初步阐明了W-OH抵抗土壤侵蚀的内在机制。结果表明，第四纪红粘土区坡耕地红壤基本理化性质与崩岗区红壤具有显著差异，第四纪红粘土区红壤酸性强、养分含量低、质地粘重，崩岗区红壤也具有一定的酸性，养分含量极低、质地砂性强。第四纪红粘土区红壤和崩岗区红壤未喷施（0%）W-OH溅蚀率分别为0.497和0.276 g/m2/s，随着W-OH浓度从0升高到7%，两种土壤的溅蚀率分别降低了98.5%和93.1%；两种土壤喷施5%浓度W-OH与未喷施相比，平均产流率分别提高37.3%和190%，产沙量分别降低了73.9%和62.1%；W-OH喷施后，两种土壤坡面径流中TOC含量有所升高，W-OH喷施对径流中氮素含量影响较小，对TK含量无影响。随着W-OH喷施浓度从0%增加到7%，两种土壤初始入渗率、平均入渗率和稳定入渗率分别降低了79%和90%、80%和62%、87%和33%；土壤抗剪切力分别提高了5.2倍和10.5倍；土壤干团聚体的MWD分别增大了9.6和17.2%，GMD分别增大了11.9和25.2%，D随着W-OH浓度的增大而减小，第四纪红粘土区红壤WSA降低了18.5%，崩岗区红壤WSA降低了18.9%。因此，W-OH的喷施可通过提高土壤表面的抗剪切力，促进土壤大团聚体的形成，提高水稳性团聚体的含量来提高土壤的抗侵蚀能力。