坡耕地和崩岗是南方红壤区水土流失的典型策源地。我国坡耕地面积约24万km²，绝大部分分布在南方水力侵蚀区，土壤侵蚀量达到1.415亿t/a，占全国土壤侵蚀总量的31%^[1]，坡耕地土壤为第四纪红黏土(以下简称“红黏土”)。崩岗是一种严重的土壤侵蚀地貌类型，主要分布在我国南方红壤区，该区共有崩岗约24万个，平均土壤侵蚀模数高达5.9万t/(km²·a)，侵蚀总面积达到1220km²，崩岗区土壤砂粒含量多，也属于红壤的一种(以下简称“崩岗土”)。鉴于坡耕地和崩岗土壤侵蚀的严重性，南方红壤区坡耕地红黏土和崩岗砂性土的土壤侵蚀问题一直受到学者们的广泛关注。研究主要包括土壤侵蚀的强度^[2-3]、土壤侵蚀过程^[4-5]、土壤侵蚀机理^[6]和防治措施^[7-10]等方面，为2种典型土壤侵蚀治理打下了坚实的理论基础。在防治措施方面，主要包括生物措施^[11-12]、生物+工程措施^[9]和生物+工程+化学材料的综合治理措施^[13-15]，均取得了一定的治理成效。包含化学材料的综合治理措施能够防止工程措施后植被尚未恢复的土壤发生二次侵蚀，具有显著的治理效果，在近年来获得了广泛的应用^[16-17]。

W-OH是一种生态环保型高分子材料，喷施到土壤表面，可在短时间内与土壤水分胶结，在土壤中形成一层弹性多孔的固结层，能显著降低坡面土壤的侵蚀模数^[15]。与传统的土壤化学改良剂(如PAM，EN-1等)不同，W-OH具有可改性、环境友好、稳定等优点^[17]。基于这些优势，其在水土保持领域获得了广泛的应用，尤其在南方崩岗恢复治理、坡耕地土壤侵蚀防治方面取得了显著的治理效果。然而，W-OH用于南方坡耕地和崩岗治理研究的理论依据尚不充分，尤其是W-OH材料喷施后坡耕地红黏土和崩岗砂性土土壤入渗特征和侵蚀过程并不明确，导致理论研究滞后于实践应用，限制了其在南方土壤侵蚀防治中的进一步应用。

本研究以南方2种典型侵蚀性土壤——坡耕地红黏土和崩岗砂性土为研究对象，通过室内实验和室外试验相结合的方法，分析W-OH喷施对这2种典型侵蚀性土壤入渗和侵蚀的影响。本研究目的为：1)了解不同W-OH喷施体积分数下坡耕地红黏土和崩岗砂性土水分入渗特征；2)明确W-OH喷施后坡耕地红黏土和崩岗砂性土的水沙过程，进而为W-OH进一步应用于水土流失实践提供理论依据。

研究主要在江西省鹰潭市余江区的中国科学院鹰潭红壤生态实验站开展(E 116°55′，N 28°12′)，供试坡耕地红黏土取自当地。该区属亚热带季风气候，年均气温17.8℃，年均降雨量约1800mm，降雨主要集中在4—6月。研究区地形主要为低丘缓坡，坡度在3°~15°，海拔为35~60m。研究区成土母质为红砂岩，土壤类型为红壤，富含铁氧化物，黏土矿物以高岭石为主。

崩岗砂性土取自江西省赣州市赣县区金钩形小流域(E 115°01′，N 25°55′)，该区属中亚热带季风湿润区，年均气温19.3℃，年均降雨量1076mm。降水年内分配不均，4—6月的降水占全年降水量的47.50%。研究区地形主要为丘陵岗地，坡度在0°~25°，海拔100~200m^[18]。研究区成土母质为花岗岩，花岗岩易风化，植被条件差，水土流失严重。

在鹰潭站附近选择一典型坡耕地，挖50cm深土壤剖面，在剖面4壁0~5、5~15、15~30和30~50cm深分别用自封袋取混合散土土样1kg。在赣县区金钩形小流域崩岗区，选择典型坡面，挖50cm深土壤剖面，用同样的方式在相同的深度分别取散土土样1kg。人工采集的散土土样经自然风干、过筛，实验室测定土壤有机质、全氮、全磷、全钾、pH和颗粒组成，用于对比和了解2种典型侵蚀性土壤的基本理化性质。

在上述相同地方，利用挖机挖取0~50cm深土壤各2m³，运输至鹰潭红壤实验站。土样经人工碾碎、自然风干、过筛等处理后，填充到人工模拟降雨微区中，用于人工模拟降雨试验。

文中试验用到的W-OH材料由江苏杰成凯新材料科技有限公司提供，是一种改性聚氨酯树脂材料。W-OH为淡黄色黏稠液体，密度为1.08g/cm³，pH值为6.8~7.0，20℃室温下的黏度为350mPa·s。W-OH遇水后几分钟内发生硬化，形成弹性多孔的固结胶体，因此喷施到土壤表面，会与表层土壤颗粒相互胶结，起到固土防蚀的作用。

利用定水体积法测定不同W-OH喷施体积分数土样的入渗特征。将自然风干并过2mm筛的红黏土和崩岗土散土土样分别填充到400cm³大环刀中，并在环刀土壤表面喷施体积分数为0、1%、3%、5%和7%的W-OH溶液，每个体积分数2组重复。在喷施W-OH的环刀土样上放置一个空环刀，利用塑封袋和胶带密封接口。同时在空环刀的底部铺一层滤纸，以消除水流倒入对土壤表面的冲刷。往空环刀中缓慢倒入50mL蒸馏水，记录水分在滤纸上完全消失的时间。水分消失后再在空环刀中倒入50mL蒸馏水，记录水分消失的时间，直到50mL水分消失的时间不再发生较大变化为止。由水分体积和入渗时间，可反推2种土壤不同W-OH喷施体积分数的入渗率，同时可获得2种土壤在不同处理下的入渗过程。

利用人工模拟降雨试验对比和分析红黏土和崩岗土在喷施W-OH后的水沙动态过程。试验设置2个W-OH喷施体积分数(0和5%)。模拟降雨试验主要在径流微区上开展，径流微区为不锈钢板制作，长、宽、高分别为2、1和0.6m，坡度调节范围在0~40°。微区底板均匀打孔，方便水分渗透。下部安装Ⅴ型槽，可收集径流泥沙样品。考虑到红黏壤坡耕地和崩岗坡地的坡度范围，本试验中将微区坡度统一设定为15°。

试验使用便携式人工模拟降雨机，主要包括喷头、支撑架、水泵、压力表等设备，安装后喷头距离微区土表3m左右，在40kPa水压下，喷头可产生80mm/h的降雨，雨滴降落速度和动能大小与自然降雨接近^[19-20]。在降雨前对每场降雨进行均匀系数计算，下方微区范围内降雨均匀系数均达到80%以上时开始试验。每场降雨产流开始后间隔3min，用500mL取样瓶接取径流泥沙样品，并记录接样时间，降雨过程持续60min。实验室利用烘干法测定径流泥沙样品中泥沙质量和径流体积。

利用土壤含水量测定试验对比不同W-OH处理微区模拟降雨前后土壤水分的变化。试验微区中部分别插有1根75cm长TDR测管(TRIME-PICO IPH2，德国)，土上部分25cm，土下部分50cm。分别在模拟降雨开始前、模拟降雨刚结束后和结束24h后3个时间点，利用Trime-TDR测定各微区10、20、30和40cm深土壤含水量。分析2种土壤含水量在W-OH处理下对降雨的响应特征。

坡耕地红黏土和崩岗砂性土0~50cm深土壤基本理化性质具有显著差异，其中有机质、全氮、pH和颗粒组成在P < 0.01的水平上达到显著，全磷和全钾在P < 0.05的水平上达到显著(ANOVA)(表 1)。总体上，红黏土养分贫瘠，有机质、全氮和全磷质量分数平均值仅为6.71、0.46和0.25g/kg。即使如此，这3种养分指标仍分别为崩岗土的4.0、10.2和1.4倍，说明崩岗土养分水平极低。红黏土和崩岗土全钾质量分数较为接近，红黏土稍低于崩岗土，为崩岗土全钾质量分数的86%。2种土壤均为酸性土壤，但红壤土酸性更强，二者的平均pH值分别为4.49和5.53。红黏土和崩岗土土壤质地具有很大差异，红黏土砂粒、粉粒和黏粒质量分数均稍超30%，按照美国农业部土壤质地分类标准，表现为黏壤土。而崩岗土砂粒超过总颗粒的2/3，黏粒质量分数仅为5.36%，表现为砂壤土。

表 1(Tab. 1)

表 1 2种典型侵蚀性土壤基本理化性质对比 Tab. 1 Comparison of basic physical and chemical properties of two typical erosive soils 类别 Category 深度 Depth/ cm 有机质 Organic matter/ (g·kg-1) 全氮 Total nitrogen/ (g·kg-1) 全磷 Total phosphorus/ (g·kg-1) 全钾 Total potassium/ (g·kg-1) pH 砂粒 Sand/ % 粉粒 Silt/ % 黏粒 Clay/ % 红黏土 Red clay soil 0~5 6.88 0.46 0.28 12.22 4.49 33.28 31.96 34.76 >5~15 5.66 0.41 0.25 11.74 4.54 28.12 34.16 37.72 >15~30 5.57 0.39 0.21 10.99 4.36 30.92 35.08 34.00 >30~50 8.73 0.58 0.25 10.75 4.56 36.80 31.60 31.60 Mean 6.71A 0.46B 0.25C 11.43D 4.49E 32.28F 33.20G 34.52H 崩岗土 Collapsing gully soil 0~5 1.71 0.05 0.20 12.94 5.49 66.04 28.08 5.88 >5~15 1.98 0.04 0.20 13.29 5.46 69.24 25.88 4.88 >15~30 1.01 0.04 0.16 14.64 5.54 69.60 25.16 5.24 >30~50 1.92 0.05 0.17 12.29 5.63 70.00 24.56 5.44 Mean 1.66a** 0.045b** 0.18c* 13.29d* 5.53e 68.72f 25.92g 5.36h 注：数字后字母大小写表示该组数字具有显著差异，*和**分别代表P < 0.05和P < 0.01的显著水平。Notes: The letters after the numbers indicate that there are significant differences among the numbers in this group, * and ** represent significant levels of P < 0.05 and P < 0.01, respectively.

表 1 2种典型侵蚀性土壤基本理化性质对比 Tab. 1 Comparison of basic physical and chemical properties of two typical erosive soils

图 1展示了不同W-OH喷施体积分数下红黏土和崩岗土的入渗过程。总体上，随着入渗的进行，未喷W-OH的土样表现出持续下降的过程，而喷施不同W-OH体积分数的土样，表现出先小幅上升后趋于稳定的趋势。这主要是由喷施W-OH后在土壤表面形成的多孔固结体所导致，水分刚到固结体表面，有一个缓慢的浸湿、亲润和入渗的过程^[21]，这个入渗过程比在裸土表面要慢很多，当水分渗透固结层后，入渗率有一个小幅的升高，在随后浸透整个土样后达到相对稳定。由图 1还可以看出，未喷W-OH的2种土壤的入渗率均显著高于喷施W-OH的土壤，喷施W-OH的土壤的入渗率随W-OH喷施体积分数的增大而降低。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同W-OH喷施体积分数下红黏土和崩岗土的入渗过程 Fig. 1 Infiltration process of red clay soil and collapsing gully soil with different W-OH spraying concentration

将入渗过程划分为初始入渗、平均入渗和稳定入渗来进一步分析2种土壤在不同W-OH喷施体积分数下的入渗特征(表 2)，可知2种土壤初始入渗率和稳定入渗率基本上表现出随着W-OH喷施体积分数增大而降低的趋势。初始入渗率红黏土由9.45mm/min降低到1.64mm/min，崩岗土由9.59mm/min降低到0.97mm/min，二者表现出相近的值域范围；稳定入渗率红黏土由4.79mm/min下降到0.61mm/min，崩岗土由3.17mm/min下降到2.11mm/min，红黏土稳定入渗率的值域为崩岗土稳定入渗率的3.9倍。2种土壤在不同W-OH喷施体积分数下的平均入渗率均具有显著性差异，不同W-OH喷施条件下，红壤土和崩岗土平均入渗率的范围分别为1.42~6.98mm/min和2.58~5.26mm/min，红壤土值域是崩岗土的2.1倍，与稳定入渗率的结果类似，这也与红黏土入渗过程后期曲线相对分散而崩岗土入渗过程后期曲线相对集中的趋势相一致。说明不同W-OH喷施体积分数对红黏土整个水分入渗过程作用明显且持续，而对崩岗土水分入渗作用在入渗过程后期有一定减弱。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同W-OH喷施体积分数红黏土和崩岗土入渗特征 Tab. 2 Infiltration characteristics of red clay soil and collapsing gully soil with different W-OH spraying concentration 类别 Category W-OH体积分数 W-OH concentration/% 初始入渗率 Initial infiltration rate/ (mm·min-1) 平均入渗率 Average infiltration rate/ (mm·min-1) 稳定入渗率 Stable infiltration rate/ (mm·min-1) 0 9.45 6.98A 4.79 1 3.07 3.38B 3.27 红黏土Red clay soil 3 2.97 2.77C 2.01 5 1.64 2.15D 2.16 7 1.98 1.42E 0.61 0 9.58 5.26a 3.17 1 3.15 3.85b 3.94 崩岗土Collapsing gully soil 3 2.89 2.89c 2.88 5 2.93 2.58d 2.68 7 0.97 2.01e 2.11 注：数字后不同字母代表数字具有显著差异性。Notes: Different letters after the numbers in the table represent significant differences

表 2 不同W-OH喷施体积分数红黏土和崩岗土入渗特征 Tab. 2 Infiltration characteristics of red clay soil and collapsing gully soil with different W-OH spraying concentration

图 2展示了红黏土和崩岗土在喷和未喷W-OH下的产流过程，可以看出，各曲线总体上表现出先增大后稳定波动的趋势。这是因为在降雨初始阶段，土壤表面未被水层覆盖，溅蚀占主导作用，土壤入渗率较大，产流相对较小，随着降雨过程的进行，土壤表面被水层覆盖，入渗降低，表面流产生，因此产流相对增大。这一过程与多数研究结果^[22]一致。除此之外，喷施W-OH的崩岗土产流率在整个产流过程中均大于未喷施W-OH的崩岗土坡面产流率(图 2(b))，喷施W-OH后平均产流率从17.19mL/s增大到50.17mL/s，增大了1.9倍。对红黏土而言，由于未喷W-OH坡面降雨初始阶段径流泥沙样损失，未能完全展示整个阶段的产流过程，但经统计可知，在有数据的对应产流阶段，喷施W-OH的坡面平均产流率(15.15mL/s)显著大于对照坡面产流率(11.11mL/s)(ANOVA, P < 0.01)，喷施后平均产流率增大了37.3%。这一结果主要由W-OH的性能导致，W-OH溶液喷施到土壤表面，会在短时间内形成一层多孔固结胶体，该胶体覆盖在土壤表面与降雨初期形成的水层作用相似，能够减弱溅蚀，减小水分入渗(图 1)，从而导致产流相对增大。

图 2(Fig. 2)

图 2 红黏土和崩岗土喷和未喷W-OH产流过程 Fig. 2 Runoff generation processes of red clay soil and collapsing gully soil sprayed and not sprayed with W-OH

图 3为红黏土和崩岗土在喷和未喷W-OH下的产沙过程，可看出，各曲线总体呈现出先波动降低后保持稳定的趋势。这是因为降雨开始的溅蚀阶段，表土颗粒被雨滴击打变得疏松，然后被水流带走，随着降雨过程的进行，溅蚀作用减弱，土表疏松易蚀物质减少，导致土壤流失率降低^[4]。对于2种土壤，喷施W-OH的坡面产沙率均大于对应阶段未喷坡面(图 3)。这主要是由于W-OH的作用导致，W-OH喷施在土表经短时间的入渗后，在表层与土壤颗粒相互胶结，形成土壤-胶体固结层，从而减少了土壤颗粒的流失，起到固土抗蚀的效果^[20]。统计可知，在对应的降雨过程中，裸露红黏土坡面土壤流失量为13.23g，而喷施W-OH的红黏土坡面土壤流失量仅为3.45g，产沙率降低了73.9%；对于崩岗土而言，在整个降雨过程中，裸露崩岗土坡面土壤流失量为82.26g，而喷施W-OH的崩岗土坡面土壤流失量为31.2g，产沙率降低了62.1%。说明W-OH材料对南方红黏土和崩岗土具有较好的土壤防蚀效果。

图 3(Fig. 3)

图 3 红黏土和崩岗土喷和未喷W-OH产沙过程 Fig. 3 Sediment generation process of red clay soil and collapsing gully soil sprayed and not sprayed with W-OH

土壤含水量在模拟降雨前后的垂直分布情况见图 4。在自然情况下沉淀一段时间并尚未进行模拟降雨的红黏土和崩岗土含水量具有不同的剖面形态，红黏土随深度先减小后增加，而崩岗土则随深度逐渐增大。这主要是因为红黏土黏粒质量分数和团聚体质量分数高，比崩岗土具有更大的持水性。总体上，模拟降雨后各深度土壤含水量均有一定程度的升高，在24h后又有一定的减小。模拟降雨刚结束时，红黏土喷施W-OH微区、红黏土未喷施微区、崩岗土喷施W-OH微区、崩岗土未喷施微区平均土壤含水量分别增大5.0%、3.7%、1.7%和2.5%；24h后平均土壤含水量比模拟降雨之前仍有一定提高，分别增大2.3%、1.7%、1.3%和0.4%。

图 4(Fig. 4)

图 4 红黏土和崩岗土喷和未喷W-OH模拟降雨前后土壤水分变化 Fig. 4 Change of soil moisture before and after rainfall of red clay soil, collapsing gully soil, sprayed, and not sprayed with W-OH

表 3展示了2种土壤在模拟降雨前后的3个时间点，喷和未喷W-OH下微区平均土壤含水量。2种土壤喷施和未喷施W-OH微区平均土壤含水量在3个时间测点变化均不一致：红黏土在模拟降雨前未喷微区平均含水量小于喷施W-OH微区，而崩岗土在模拟降雨前未喷W-OH微区平均含水量大于喷施微区；红黏土在模拟降雨后未喷W-OH微区大于喷施的微区，而崩岗土在模拟降雨后未喷微区土壤含水量小于喷施微区；红黏土在模拟降雨24h后未喷W-OH微区平均土壤含水量小于喷施W-OH的微区，而崩岗土在模拟24h后土壤平均含水量情况则相反。进一步对喷施和未喷施W-OH后微区土壤含水量进行统计，可以知道在3个时间测点，喷施微区平均土壤含水量和未喷施微区平均土壤含水量差异并不显著，说明在本模拟降雨试验中，W-OH对坡耕地红黏土和崩岗土平均土壤含水量的影响并不明显。这可能是由于以下2方面的原因导致：1)微区土壤厚度较薄，仅为50cm，并不能充分代表水分在2类土壤剖面的分布情况；2)试验微区土壤架空离地，断开了与底层土壤的交换关系，相比于地面微区更容易发生水分渗漏，导致土壤更加干燥。W-OH喷施能够增大产流、减少水分入渗和土壤蒸发，对于土壤含水量也应有一定改变，通过对土壤水文各分量的影响来影响小尺度坡面土壤水文过程。因此W-OH喷施后对土壤含水量的作用仍需进一步深入研究，这也对2种侵蚀性土壤所在地季节性干旱以及土壤干燥化的缓解具有重要意义。

表 3(Tab. 3)

表 3 喷和未喷W-OH红黏土和崩岗土微区平均土壤含水量 Tab. 3 Average soil moisture content in micro area of red clay soil and collapsing gully soil sprayed and not sprayed with W-OH 类别 Category W-OH体积分数 Concentration/% 模拟降雨前 Before rain/% 模拟降雨后 After rain/% 模拟降雨24h后 24h after rain/% 红黏土Red clay soil 0 8.2 13.3 10.6 5 9.4 13.1 11.1 崩岗土Collapsing gully soil 0 9.2 10.9 10.5 5 8.5 11 8.9

表 3 喷和未喷W-OH红黏土和崩岗土微区平均土壤含水量 Tab. 3 Average soil moisture content in micro area of red clay soil and collapsing gully soil sprayed and not sprayed with W-OH

1) 红黏土和崩岗土养分贫瘠，有机质质量分数分别仅为6.71和1.66g/kg，全氮质量分数分别仅为0.58和0.045g/kg。质地上红黏土砂粒、粉粒和黏粒组分相当，而崩岗土砂粒质量分数超过2/3，平均黏粒质量分数仅为5.4%。

2) 2种土壤喷施W-OH后水分入渗率均明显降低，随着W-OH喷施体积分数的增大，水分平均入渗率逐渐降低。

3) 2种土壤产流过程为先增大后稳定波动，产沙趋势为先波动降低后保持稳定。喷施5%的W-OH后，红黏土和崩岗土平均产流率分别增大了190%和37.3%，平均产沙率分别降低了73.9%和62.1%。

4) 试验微区平均土壤含水量在模拟降雨前、后、24h后的变化为先增大后降低，2种土壤在3个时间测点喷施和未喷施处理下，平均土壤含水量均未达到显著。

红黏壤和崩岗土是我国南方2种典型的侵蚀性土壤，W-OH材料喷施对2种土壤的水文特征，尤其是水分入渗和水沙过程具有重要的影响。W-OH喷施后导致的水分入渗的减少，对崩岗的形成和发展具有一定的遏制作用，也能在一定程度上控制表层土壤细颗粒和养分的淋洗；W-OH喷施后虽然增大了产流，造成一定程度的侵蚀风险的增大，但也显著降低了坡面产沙量，因此在具有一定排水措施的崩岗侵蚀区或红黏土坡地仍具有重要的实际意义。