全 文 ：书收稿日期:2015 － 01 － 23 修回日期:2015 － 03 － 28
基金项目:国家科技支撑项目“福建红壤区生态修复和持续经营关键技术集成与示范”(2014BAD15B00)。
作者简介:魏萧萧(1990 －) ，男，硕士研究生，从事土壤侵蚀与生态恢复研究。E-mail:weekley90@ 163． com。通讯作者兰思仁(1963 －) ，男，
教授，博士，博士生导师，从事水土保持、林业、园林方面研究。
DOI:10． 13324 / j． cnki． jfcf． 2015． 02． 001
聚丙烯酰胺与苔藓对幼龄锥栗园
土壤侵蚀的影响
魏萧萧1，兰思仁1，2，黄炎和2，3，张 鸿4，高清贵4，林金石2，3
(1．福建农林大学林学院，福建 福州 350002;2．南方水土保持研究院，福建 福州 350002;
3．福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002;4．建瓯市水土保持办公室，福建 建瓯 353100)
摘要:采用聚丙烯酰胺(PAM)和苔藓为材料，利用径流小区试验，观测其对幼林锥栗园土壤侵蚀的影响，分析其在 3 种雨
型下径流量与入渗量、含沙量与产沙量以及侵蚀泥沙机械组成的变化。结果表明，3 种雨型顺坡和梯田的径流量关系为对
照 ＞ PAM与苔藓混合处理 ＞ PAM处理 ＞苔藓处理，入渗量为苔藓处理的小区最大;PAM处理的产沙量最少，顺坡长历时降
雨条件下苔藓处理降低含沙量的效果更加明显;梅雨产沙主要以粘粒和粉粒为主，雷阵雨和台风雨产沙沙粒比例明显增
加，PAM与苔藓混合处理阻止园大颗粒土壤的流失最为有效。
关键词:聚丙烯酰胺;苔藓;土壤侵蚀;锥栗园
中图分类号:S157．9 文献标识码:A 文章编号:2096 － 0018(2015)02 － 0097 － 06
Effects of polyacrylamide and moss on soil erosion in
young forest of Castanea henryi
WEI Xiao-xiao1，LAN Si-ren1，2，HUANG Yan-he2，3，ZHANG Hong4，
GAO Qing-gui4，LIN Jin-shi2，3
(1． College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;2． Soil and
Water Conservation Institute of South China，Fuzhou，Fujian 350002，China;3． College of Ｒesource and
Environmental Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;
4． Office of Soil and Water Conservation，Jianou，Fujian 353100，China)
Abstract:Polyacrylamide and moss were applied to a runoff plot experiment to observe their effects on the soil erosion in young
forest of Castanea henryi，and the change of runoff and infiltration capacity，sediment production and sediment rate，and runoff and
sediment mechanical composition was analyzed under shower，mould rains and typhoon rain． In slope and terrace，runoff was CK ＞
treatment with polyacrylamide and moss ＞ polyacrylamide treatment ＞ moss treatment under three sorts of rain． Infiltration capacity
was the highest in the moss treated plot，sediment production was the least in the polyacrylamide treated plot，and remarkable
decreasing of sediment rate was seen in the moss treated slope under long rain． The main runoff and sediment mechanical
composition was clay and silt under mould rains，and the percentage of sand obviously increased in shower and typhoon rain．
Polyacrylamide and moss mixed treatment was the best way to prevent the loss of coarse particle in soil．
Key words:polyacrylamide;moss;soil erosion;Castanea henryi forest
锥栗(Castanea henryi Ｒehd．)是中国南方重要的木本粮食树种，由于长期施用化肥和除草剂以及耕作
不当，锥栗园出现不同程度的水土流失现象，治理锥栗园侵蚀成为亟待解决的现实问题［1 － 2］。聚丙烯酰胺
(polyacrylamide，PAM)是一种优良的土壤改良剂，将其施用于土壤中具有调节土壤结构、增加土壤入渗
率、减少地表径流和产沙量等作用［3 － 8］，从而减少土壤侵蚀。目前，PAM的施用更趋向于与其他材料混合
使用，林丽蓉等［9］采用稻草覆盖和 PAM表施及其组合措施进行室内土槽模拟和田间径流小区观测，结果
表明稻草覆盖和 PAM表施对坡地红壤水蚀均具有较好的阻控作用;秸秆、膨润土和 PAM 配制的改良材
料，以及粉煤灰和 PAM混施增加了沙质土壤的饱和导水率，明显改善沙质土壤持水状况［10 － 11］。苔藓植物
因常呈大片垫丛状群落分布，枝叶交错形成大量毛细空隙，并可通过细胞壁直接从植物体外部吸收水分，
森林与环境学报 2015，35(2) :97 － 102 第 35 卷 第 2 期
Journal of Forest and Environment 2015 年 4 月
具有极强的持水能力，对提高土壤坑冲性和抗蚀性具有明显的增强作用，所以苔藓具有极强的水土保持效
应［12 － 13］。用苔藓与石斛(Dendrobium nobile Lindl．)伴生种植解决了石漠化地区植被恢复的难题［14］。锥
栗园在采摘期间常进行清耕除草以便收集果实，然而地表植被被清除后极易产生水土流失，因此寻找适合
锥栗园的新型水土保持措施成为关键。本课题组在标准径流小区设置施用 PAM和苔藓栽培的各种处理，
分析其对锥栗园径流量与入渗量、侵蚀产沙量及其对泥沙机械组成的影响，从而为锥栗园水土流失治理提
供理论依据。
1 材料与方法
1．1 试验地概况
试验区设在福建省建瓯市闽北水土保持科教园内。该区地处闽江水系牛坑垅小流域，北纬
27°0352″，东经 118°2040″，海拔 110 － 290 m，植被类型为亚热带常绿阔叶林，土壤类型为典型山地红壤。
根据历史观测资料，该区年平均气温 14 － 20 ℃，年降水量 1 600 － 1 800 mm，年无霜期 276 d。
取各试验小区耕作表层土壤(0 － 25 cm)样品进行风干处理，测定其土样的部分物理及化学性质
(表 1) ，各种指标分析均采用标准分析方法［15］。
表 1 试验区土壤(0 －25 cm)的理化性质1)
Table 1 Soil physical and chemical properties in the depth from 0 cm to 25 cm
土壤类型 pH
有机质含量
g·kg －1
阳离子交换量
cmol·kg －1
容重
g·cm －3
粒径分布 /%
黏粒 粉粒 沙粒
沙壤土 5．4 21．6 10．2 1．06 50．2 18．84 30．96
1)土壤粒径分布采用美国制，黏粒 ＜ 0．002 mm，粉粒 0．002 － 0．050 mm和沙粒 0．050 － 2．000 mm。
1．2 试验材料
PAM分子量为 1 200 万 Da，阴离子型，水解度为 20%;苔藓采用采购的青苔(品种为大灰藓) ，其色泽
青绿，无其他杂质，利于在小区内种植。在室内对其做吸水性试验，发现苔藓吸水率(占自身重)为
460% －510%。
1．3 试验设计
试验采用标准径流小区(投影面积为 20 m ×5 m，坡面坡度 15°)设计，梯田和顺坡各设置 4 个小区，共
8 个。径流池尺寸为 2．0 m ×1．0 m ×1．0 m，分流池尺寸为 1．0 m ×1．0 m ×1．0 m。梯田断面要素:田坎坡
度 60°、田面毛宽 3．33 m、田坎占地宽 1．11 m、田面净宽 2．22 m、田坎高度 1．15 m、田面斜宽 3．85 m。每个
试验小区平均分布 6 株(每田面 1 株)1 年生锥栗，品种为乌壳长芒(Castanea henryi‘Wukechangmang’) ，
平均地径 1．1 cm。
表 2 试验设计及处理
Table 2 Experimental design and treatments
地形 小区号 处理
梯田 T1 PAM
T2 苔藓
T3 PAM与苔藓混合
T4 CK(空白)
顺坡 S1 PAM
S2 苔藓
S3 PAM与苔藓混合
S4 CK(空白)
对其 8 个小区全面除草并进行 25 cm 深翻，在
雨季来临之前，将聚丙烯酰胺与苔藓分别布设在相
应的小区内(表 2) ，布设时间为 2014 年 3 月下旬。
PAM施用量为 2．0 g·m －2，施用方法为喷洒法，浓度
为 0．2 g·L －1;将苔藓浸泡充分吸水，达到饱和后在
良好天气下种植，其盖度大于 0．8。布设完成后，维
护苔藓 15 d，待其基本存活，观测 4 月 1 日 － 9 月 30
日各小区的径流量与入渗量、含沙量与产沙量、侵蚀
泥沙机械组成情况［16］。
1．4 数据处理
降雨特征值:由水文监测站自动测得。径流量:每次降雨后产生的径流汇集于小区底部径流池内，读
出径流池的深度，当径流量较高分流池内有径流时还需读出分流池深度，根据径流池的尺寸计算得到径流
容积(m3)。径流容积除以小区面积(m2)即当次降水产生的径流量(mm)。入渗量:试验入渗量包括土壤
入渗量和苔藓持水量两部分。含沙量:降雨后泥沙随径流一起流入到径流池中，每次降雨后搅拌径流桶内
·89· 森 林 与 环 境 学 报 第 35 卷
汇集的径流，直至径流泥沙混合均匀，用 500 mL 的径流瓶取样，通过沉淀过滤泥沙，再烘干称重，获取
500 mL单位体积径流泥沙量(g·mL －1) ，即含沙量。多次典型降雨条件下含沙量的平均值为典型降雨条件下
的含沙量。产沙量:各次降雨的含沙量与径流量相乘即可得到该次降雨产生的泥沙量(kg)。侵蚀泥沙机械
组成:将泥沙样品带回实验室自然风干后过 2 mm土筛。采用 BT-9300ST型激光粒度分布仪测定侵蚀泥沙机
械组成，最后按照美国制土壤粒径分布(粘粒 ＜0．002 mm，粉粒 0．002 －0．050 mm和沙粒0．050 －2．000 mm)分
别计算粘粒、粉粒和沙粒组成。典型降雨条件下各种处理的机械组成为各次测得的平均值。
试验数据选取南方特别典型的 3 种降雨雨型［17］，雷阵雨 3 次、梅雨 4 次、台风雨 2 次，各次降雨特征
值见表 3。所选次降雨均在小区布设完成 90 d之后，此时土表基本稳定，可视为各次降雨相对独立，并用
PASW软件对观测数据进行显著性分析。
表 3 各次典型降雨特征值1)
Table 3 Characteristics of different typical rainfalls
代表雨型 降雨日期 降雨量 /mm 降雨历时 /h 平均雨强 /(mm·h －1) I30 /(mm·h －1)
雷阵雨 7 月 12 日 16．0 1．75 9．14 14．11
8 月 21 日 28．1 4．00 7．03 60．50
11 月 30 日 11．3 3．50 3．23 21．03
梅雨 5 月 16 日 16．0 26．25 0．61 13．20
6 月 24 日 37．5 37．50 0．95 24．11
7 月 25 日 61．0 42．75 1．43 8．99
8 月 15 日 22．8 36．75 0．62 13．20
台风雨 5 月 18 日 141．8 21．25 6．67 42．79
5 月 22 日 173．0 13．25 10．09 62．47
1)I30表示 30 min最大降雨强度。
2 结果与讨论
2．1 不同处理对径流量和入渗量的影响
通过比较各条件下各小区径流量关系，可明确得知 T4 和 S4 小区径流量值最大，即其他 3 种处理均能
不同程度的减少地表径流量(图 1)。这个结果与已有的研究结论［18］相同，即土壤施用 PAM 能提高入渗
率、减少径流量，其机理是由于 PAM与水接触形成水合作用［19］，从而增加土壤持水能力。此外，PAM与苔
藓混合处理以及苔藓处理也可显著的减少地表径流量。在顺坡和梯田地形，3 种雨型条件下径流量关系
一致，其值由大到小为对照 ＞ PAM与苔藓混合处理 ＞ PAM处理 ＞苔藓处理。这说明苔藓处理对梯田减少
径流量的效果最好，地表苔藓层的存在不仅直接减弱了雨滴击打地表动能，还由于苔藓植物由于胞间连丝
在细胞壁上通过传导组织靠原生质体和合生原生质体相互作用而表现出一个不断延续的系统［20］，这个系
统使苔藓直接将降雨保持起来，提高了土壤的抗冲性、抗蚀性，这种作用使苔藓的持水能力要略微高于
PAM增加土壤持水能力;PAM与苔藓混合处理可能使水合作用在梯田得不到充分发挥，或苔藓对 PAM增
加土壤入渗有一定的阻碍作用。梯田各小区的径流量明显低于同种条件下顺坡小区径流量，说明梯田台
面的存在减缓了地表坡度并拦截了一部分降雨，使径流不易形成。
图 1 3 种降雨条件下各小区的径流量
Figure 1 Ｒelationship of runoff in each plot under
three typical rainfalls
图 2 3 种降雨条件下各小区的入渗量
Figure 2 Ｒelationship of infiltration capacity in each plot under
three typical rainfalls
3 种雨型条件下，各小区的入渗量存在着较大差异(图 2) ，其值大小为台风雨 ＞梅雨 ＞雷阵雨。台风
·99·第 2 期 魏萧萧等:聚丙烯酰胺与苔藓对幼龄锥栗园土壤侵蚀的影响
雨条件下入渗量为 75．0 － 132．9 mm，台风雨降雨量极大，单次最大为 173．0 mm，入渗量最大主要是由于极
大的降雨量引起;梅雨入渗量为 20．1 － 31．0 mm，由于梅雨降雨历时最长，降雨量和降雨强度都偏小，使土
壤入渗速率一直维持在一个较高的水平，60%以上的降雨都为土壤入渗;雷阵雨入渗量为 5．8 － 15．4 mm，
雷阵雨历时短暂，但来势迅猛，土壤入渗率很快达到饱和，而降雨量远小于台风雨，所以入渗量最小。顺坡
各小区入渗量关系为苔藓处理 ＞ PAM与苔藓混合处理 ＞ PAM处理 ＞对照，梯田各小区入渗量关系为苔藓
处理 ＞ PAM处理 ＞ PAM与苔藓混合处理 ＞对照，这种关系也印证了苔藓的持水能力略大于 PAM 持水保
水能力。同种条件下，梯田各小区的入渗量明显高于顺坡，说明梯田地形更有利于增加土壤入渗，维持水
分流失。
2．2 不同处理对含沙量和产沙量的影响
对照小区在雷阵雨、梅雨和台风雨条件下在顺坡的含沙量分别为 97．13、32．75、10．33 g·L －1，在梯田的
含沙量为 60．36、16．77、6．04 g·L －1，均高于其他 3 种处理(图 3) ，说明台风雨虽然降雨强度大，但对应的降
雨量也很大，每单位体积径流所带走的泥沙量有限;雷阵雨历时短暂，降雨强度较大，故在短时间形成的径
流冲刷力极易带走大量的泥沙。梯田各小区含沙量变化为对照 ＞苔藓处理 ＞ PAM 与苔藓混合处理 ＞
PAM处理，说明在梯田施用 PAM可显著减少含沙量，这主要是由于 PAM 具有良好的黏结力，改良了土壤
的表层结构，提高了土壤的稳定性［21］。顺坡雷阵雨小区含沙量变化与梯田一致，在梅雨和台风雨条件下，
含沙量变化为对照 ＞ PAM处理 ＞ PAM与苔藓混合处理 ＞苔藓处理。同种条件下，梯田小区的含沙量小于
顺坡小区，说明梯田地形可有效阻止表层土被冲走。
图 3 3 种降雨条件下各小区的含沙量
Figure 3 Ｒelationship of sediment rate in each plot under three typical rainfalls
对照小区在雷阵雨、梅雨和台风雨条件下顺坡的平均产沙量分别为 248．9、116．6、168．4 kg，梯田的平
均产沙量为 112．9、40．2、88．8 kg。根据表 4 可知，顺坡产沙量关系为对照 ＞ PAM 处理 ＞ PAM 与苔藓混合
处理 ＞苔藓处理，表明在顺坡种植苔藓一方面降低了雨滴击打地表的动能，使土壤不易受降雨直接冲散，
一方面苔藓叶片之间的空隙、叶茎之间的缝隙、假根之间的缝隙或藓丛植物之间的缝隙将一部分泥沙拦截
在其中［19］，直接减少了泥沙的流失。但在梯田并不是苔藓处理产沙量最少，梯田产沙量关系为对照 ＞
PAM与苔藓混合处理 ＞苔藓处理 ＞ PAM处理，该结果表明在梯田地形下，PAM 的黏结作用可发挥极其重
要的作用。顺坡和梯田 PAM处理的产沙量(相比于对照)减少了 37．95% －97．82%和 84．74% －99．37%，
除顺坡台风雨条件下 PAM处理减少侵蚀量的效果不佳，其他情况下均优于其对沙壤土的影响［22］，表明在
属于粘土土质的锥栗园施用 PAM有着较好的减少产沙量的效果。同种条件下，梯田各处理的产沙量均小
于顺坡，特别是在降雨量不大的雷阵雨和降雨强度极小的梅雨条件下，减少产沙量的效果更加明显。
表 4 平均产沙量效果对比1)
Table 4 Comparison of sediment production between each treated plot and CK
降雨条件
梯田平均产沙量 /%
CK PAM 苔藓 PAM +苔藓
顺坡平均产沙量 /%
CK PAM 苔藓 PAM +苔藓
雷阵雨 100 0．63 0．83 1．26 100 2．13 1．07 1．16
梅雨 100 3．79 4．27 4．17 100 4．26 1．54 2．56
台风雨 100 15．26 19．81 18．85 100 62．05 27．20 47．18
1)将梯田和顺坡 CK小区的产沙量换算作 100%。
2．3 侵蚀泥沙机械组成
从图 4 可知，降雨雨型直接影响土壤不同粒径颗粒的流失，雷阵雨、梅雨和台风雨产出泥沙的粘粒分别
·001· 森 林 与 环 境 学 报 第 35 卷
为 31．34% －37．47%、38．18% －45．71%和 30．65 －34．69，粉粒分别为 45．40% －53．07%、48．90% －55．84%和
40．57% －47．11%，沙粒分别为 14．40% － 19．22%、1．69% － 9．69%和20．97% －27．90%。表明梅雨降雨强度
小，雨滴击打土表的动能很小，水流冲刷能力也很弱，大颗粒很难被冲走，产沙机械组成主要是粘粒和粉粒
(机械组成共占 90%以上)为主;而台风雨降雨量最大，形成径流多以冲刷力较大的股流为主，从而携带走
大量的粗沙粒，试验结果与王晓燕等［23］降雨对坡面产沙机械组成的研究结果一致。产出泥沙所含沙粒的
多少可用于直接判断各种处理阻碍区内土壤的流失程度，特别是对大颗粒的流失，产出泥沙沙粒所占比例
越大，说明小区的大颗粒土壤流失越严重，越不利于土壤的保持。根据图 4，雷阵雨沙粒所占比例为 S4 ＞
S2 ＞ S1 ＞ T4 ＞ T2 ＞ T1 ＞ S3 ＞ T3，梅雨产沙沙粒所占比例为 S4 ＞ S2 ＞ T4 ＞ S1 ＞ S3 ＞ T2 ＞ T1 ＞ T3，台风雨产
沙沙粒所占比例为 S4 ＞ S1 ＞ S2 ＞ T4 ＞ S3 ＞ T2 ＞ T1 ＞ T3。试验结果表明，不管何种雨型条件，T3 小区产出
的沙粒含量最少，说明梯田地形上 PAM和苔藓混合处理能最大程度的减少土壤大颗粒的流失;一般来说，
各种处理土壤沙粒流失的多少顺序为对照 ＞ PAM处理 ＞苔藓处理 ＞ PAM与苔藓混合处理，说明了苔藓植
物一方面使降雨不直接击打土表产生泥沙，一方面将较粗的颗粒维持在其缝隙之间，对大颗粒的流失有着
明显的物理阻碍，而 PAM和苔藓混合处理效果更佳。
图 4 3 种降雨条件下各小区侵蚀泥沙的机械组成
Figure 4 The change of runoff and sediment mechanical composition in each treated plot under three typical rainfalls
3 结论
在幼林锥栗园内，3 种处理均能不同程度的减少地表径流量和增加降雨入渗量;3 种雨型下苔藓保持
水分的能力最高，主要是由于存在苔藓层———土壤的一个连续系统使降雨缓慢的入渗;PAM 与苔藓混合
处理对水分的入渗和保持存在某种阻碍作用，使在减少径流量和增加入渗量的值低于苔藓处理。3 种处
理相比，梯田上 PAM处理减少含沙量和产沙量的效果更加显著;而在顺坡长历时的降雨下，苔藓处理降低
含沙量和产沙量的效果更明显，但产沙量仍为 PAM 处理最少，说明 PAM 的黏结作用改变了土壤物理性
状，减少幼林锥栗园侵蚀。
降雨雨型直接影响土壤不同粒径颗粒的流失，梅雨产沙机械组成主要是粘粒和粉粒为主，台风雨和雷
阵雨产沙沙粒比例较大使土壤表层大颗粒容易流失;PAM与苔藓混合处理对阻止园区大颗粒土壤的流失
效果优于其他 2 种处理。相同条件下梯田地形在减少地表径流量、增加入渗量，减少产沙量上明显大于顺
坡，所以将顺坡锥栗园改为梯田将在很大程度上减少土壤侵蚀。3 种措施均能显著减少锥栗园土壤侵蚀，
但不同地区锥栗林的立地条件更为复杂，影响土壤侵蚀的因素也更多，例如植被冠层可减缓降雨侵蚀
力［24］等，需要在野外锥栗林对 PAM与苔藓降低土壤侵蚀的效果进行深入研究。
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(责任编辑:温凤英)
·201· 森 林 与 环 境 学 报 第 35 卷