高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验

李元元，王占礼※,2

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）

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、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（P<0.05）。总体而言，在相同条件下，与其他3种材料相比，PAM防治沙黄土表面风蚀的效果最好，而CMC在防治风积沙风蚀效果最好。喷施4种化学材料于沙黄土和风积沙表面均能显著增加固结层的硬度（0.4 g/m2Jag C162除外），且PAM对提高沙黄土表面硬度效果较好，Jag C162、CMC及HP-120对提高风积沙结皮硬度效果较好，其中CMC效果最显著；使用4种高分子化学材料防治风积沙和沙黄土风蚀时，当施用剂量控制在1.2 g/m2时，几乎可以抵御14 m/s的大风，历时20 min的吹蚀而不产生风蚀。

风洞；多肽；硬度；防治风蚀；聚丙烯酰胺；羧甲基纤维素；Jag C162；HP-120

0 引 言

风蚀会破坏地表原有结构，造成干旱半干旱地区土地沙化，从而威胁土地持续利用及劣化人类生存环境及生活质量[1-3]。水蚀风蚀交错区具有独特的背景环境和侵蚀特征，故其生态平衡较易破坏，部分可利用土地的土壤侵蚀严重，甚至达到不可逆转的沙漠化境地[4]。水蚀风蚀的交替作用也使该区成为黄土高原侵蚀产沙最严重及黄河泥沙来源最多的地区[5]。对该区进行风蚀治理对减轻该地区的土壤侵蚀具有重要的意义。

研究表明[6]，风蚀的形成必须具备2个基本条件：1）足够的可蚀性颗粒物；2）使可蚀性颗粒物产生运动的风速。因此，通过改善地表结构来减少地表可蚀性颗粒物及降低近地面风速可有效地控制风蚀。传统的生物固沙及机械固沙防治风蚀的措施如植被和机械沙障覆盖等，一方面能有效地阻断风与地表的直接接触，另一方面能改善地表结构，从而降低地表风蚀的程度[7-10]，但这些方法具有相对迟缓的生态效益[11]，且在实施过程中经济耗费比较大，在风蚀水蚀交错区沙化及荒漠化土地的治理过程中很难大面积推广。利用高分子化学材料改善易风蚀地表结构进行固沙、固土，是防治风蚀的重要化学措施之一。近年来许多研究表明，高分子化学材料固沙剂可使地表松散的可蚀性颗粒粘结在一起，改善地表土壤大团聚体、保持良好的土壤结构[12-13]，还可以抑制地表蒸发，使地表保持较高的含水率[14]，从而增强地表抗风蚀能力。多种高分子化学材料固沙剂、固土剂已被研制出来，部分已投入到沙化土地的治理当中，取得一定效果[15-20]。胡英娣[21]通过风洞模拟试验研究了石油材料类、高分子聚合物类及无机类3大类共7种材料对沙坡头流沙的固持效果，结果表明化学材料可以将松散的沙粒或土粒粘结成较大及较稳定的块体，因而增强沙粒的临界起动风速，降低风蚀量；韩致文等[19]对研制出的4种不同品种及配方的有机无机固沙材料进行理化性能、黏结体力学性能和抗风蚀性能等进行了测试，结果表明固沙剂喷洒在沙子表面后均能够迅速形成强度较高的固结层，固沙效果显著；陈渠昌等[22]通过室内风洞模拟试验对聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）的抗风蚀性能进行试验，结果表明经PAM喷施过的土表的起动风速显著高于只喷施清水的处理；刘东等[23]进行室内风洞试验，研究了净风和挟沙风在不同地面坡度、不同地表风速下，分别喷施0.1、0.2、2、4、6 g/m2剂量的PAM对土壤风蚀的作用，研究发现，PAM能有效地改善土表结构，加强地表土粒的稳定，较显著地提高了土壤抗风蚀的能力，而且较高剂量的PAM可以使土壤在较高坡度和挟沙风速条件下均不产生风蚀；和继军等[24]将剂量为2、4 g/m2的PAM按照一定比例溶于水后掺在土壤中，使用室内风洞研究PAM对土壤抗风蚀的效果，表明在不同的情况下，拌施PAM对土壤的抗风蚀能力均产生了积极的作用；冯筱等[25]采用室内风洞试验研究了不同净风、挟沙风风速和沙面坡度条件下3种不同喷洒浓度的醋酸乙烯酯类固沙剂对土壤风蚀控制效果，结果表明经3种固沙剂处理的土壤均具有较好的抗风蚀能力。

目前，化学固沙、土材料虽然种类很多，使用效果均很显著[26]，但多数固沙、土材料的应用是以风蚀为主风蚀区的沙土以及松散沙为研究对象，采用化学固沙技术措施防治黄土高原北部水蚀风蚀交错区风积沙及沙黄土风蚀研究较少。此外，大多数固沙材料在研究过程中以单个固沙、土材料进行，有的也只是在过去的材料中加以改进，使用过程中仅考虑到效果而未注意到实用及合理性[27]，仍存在很多问题，大多数推广应用均受到限制[28]，更多更有效的防治风蚀的高分子化学材料还有待于进一步开发。因此，本研究的目的在于以黄土高原北部水蚀风蚀交错带的风积沙和沙黄土为研究对象，采用室内风洞试验，研究由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）对沙黄土及风积沙风蚀以及表层固结层硬度的调控效应，为黄土高原北部水蚀风蚀交错带风积沙及沙黄土风蚀的治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验风洞

风洞试验是在中科院水利部水土保持研究所的室内风洞进行。该风洞全长24 m，主要由风机段、调风段、整流段、试验段、集沙段和导流段等6部分组成，风速在0～16 m/s范围内连续可调，如图1所示。经测试该风洞截面风速均匀性良好，截面任一点气流速度与气流平均速度的相对误差小于0.25%[29]。

图1 试验风洞Fig.1 Wind tunnel for experiment

风速采用衡欣AZ-8902智能风速仪（AZ Instrument Corp.）进行测量，其基本量程0.6～35 m/s，精度±0.2 m/s，其由风速感应器，专用电线及读数仪器组成。试验前，将3个风速仪分别安装在风洞中心距离试验段为0.2 m，离风洞底面的高度分别是0.2、0.5及0.8 m的3个固定点上，用于测取截面不同高度上的风速值。试验前，对不同频率下的风速进行率定，试验时，将风机频率调整到与试验风速相对应的频率，用风速仪对风速进行检验，如不相符调整风机频率至相符。

1.2 供试材料

试验所用高分子化学材料均由罗地亚公司开发的天然高分子多肽衍生物及其他高分子化合物，分别为PAM、Jag C162、CMC及HP-120。其中Jag C162，HP-120为多糖类新型高分子化学材料。现有试验表明其对生物物种没有不利影响和刺激性，在土壤中能够促进部分有益菌落的形成，是绿色化学品[30]，极易分散在水中形成胶体状。

本研究中沙地风蚀及土壤风蚀分别以黄土高原北部水蚀风蚀交错区风积沙及沙黄土为对象。2种土壤均取自黄土高原北部水蚀风蚀交错区的陕西省神木县六道沟流域，其机械组成见表1。按照美国制土壤分级标准，黏粒、粉粒、极细砂粒、细砂粒、中砂粒、粗砂粒、极粗砂粒粒径分别为<0.002、0.002～<0.05、0.05～<0.1、0.1～<0.25、0.25～<0.5、0.5～<1、1～<2 mm。风积沙主要由砂粒组成，粉粒和黏粒含量很少，沙黄土虽然也以砂粒为主，但含有相当一部分的粉粒和黏粒。试验前将2种试验材料自然风干后过2 mm的筛，筛除植物根系及小石子等物质，备用。

表1 试验材料颗粒机械组成Table1 Mechanical composition of test materials %

1.3 试验方法

1.3.1 试样制作

4种化学材料皆为喷施，对照（CK）为喷施等量清水。施放剂量皆为3个等级：0.4、0.6、1.2 g/m2。试验前，将制备好的风积沙和沙黄土以疏松自然状态装入98 cm（宽）×126 cm（长）×5 cm（深）钢制土槽中，刮平表面，减少表面粗糙率对风蚀产生的干扰，如图2。土槽中风积沙和沙黄土容重分别为1.36和1.29 g/m3；风干含水率分别为0.21%和0.25%。分别将PAM、Jag C162、CMC及HP-120按试验设计溶于800 mL蒸馏水中，用塑料管充分搅拌约30 min，使其形成稳定胶体，然后用雾化较好的喷壶将不同浓度的高分子化学材料溶液均匀喷洒于风积沙和沙黄土表面供试，同时将等量清水（800 mL）均匀喷洒于沙黄土和风积沙表面作为对照供试。喷施化学材料和清水后的供试土槽均在室内自然风干，根据天气环境条件不同至少风干7 d，含水率均控制在0.32%～0.56%，即开始试验。

图2 试验土槽Fig.2 Experimental soil tank

1.3.2 试验步骤

各处理6个试样，3个用于测定表面固结层硬度，另3个用于吹蚀试验。每组试验重复3次。在土槽表面均匀选取6个点，用硬度仪测定土槽表面固结层硬度，取其均值。吹蚀试验进行时是将预先制备好的土槽试样称质量并记录吹蚀前的质量后慢慢推入风洞试验段的风道中，在推入试验土槽的过程中尽量保证土槽表面不产生裂缝，保证表面的完整性，减少试验误差，然后调整土槽高度使其表面与风道底部齐平，风洞密封后将风机频率一次性调到其所对应的频率48 Hz，再用风速仪对风速进行检验，如不相符，则上下调整风机频率至14 m/s，吹蚀20 min后将土槽试样取出称质量记录吹蚀后的质量。

试验吹蚀前后土槽内试样质量之差即为风蚀量，kg。风蚀率为风蚀量除以吹蚀时间与吹蚀面积的乘积，kg/(m2·h)。试验数据用Sigmaplot和SPSS软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 材料及其剂量对沙黄土和风积沙风蚀率的影响

不同高分子化学材料及其剂量对沙黄土和风积沙风蚀率的影响见图3。与CK相比，喷施高分子聚合物可显著降低沙黄土的风蚀率（图3a）。对于同种高分子聚合物，均表现为喷施剂量越大风蚀率降低程度越显著（P< 0.05），其中以剂量从0.4 g/m2增大到0.6 g/m2的风蚀率变化最明显（HP-120除外）。对比4种高分子聚合物在相同剂量下防治沙黄土风蚀的效果可以看出，在0.4 g/m2剂量下，4种高聚物处理下的风蚀率差异均显著（P<0.05）。与其他材料相比，喷施HP-120的沙黄土风蚀率仅为1.36 kg/（m2·h），防治风蚀的效果最显著；0.6和1.2 g/m2剂量下，喷施PAM防治沙黄土风蚀的效果最好，其风蚀率分别降低到0.32及0.18 kg/（m2·h）。由此可见，在相同条件下，经PAM、Jag C162、CMC及HP-120处理后的沙黄土表面均能不同程度地对沙黄土风蚀起到控制作用，这与陈渠昌等[1]利用PAM进行防扰动沙土风蚀试验得出的结论一致，但在防治沙黄土风蚀的过程中，当喷施剂量不高于0.4 g/m2时，4种高分子聚合物防治风蚀的效果较差，当喷施剂量不小于0.6 g/m2时，4种高分子聚合物均能较好地防治风蚀，尤其PAM防治沙黄土风蚀效果最好。

由图3b可知，在14 m/s风速下，与CK相比，喷施不同剂量的PAM、Jag C162、CMC及HP-120于风积沙表面均可以显著地控制风积沙的风蚀作用（P<0.05），且使用剂量越大风蚀率越小。相同种类不同剂量的高分子聚合物喷施后的固沙试样其抗风蚀性能不同。在14 m/s的大风吹蚀20 min后，对照表面出现裂纹且破坏较明显，其风蚀率高达6.33 kg/(m2·h)，喷施0.4 g/m2PAM、Jag C162、CMC及HP-120的沙盘表面沙粒发生运动，有吹蚀现象发生，其仅在PAM作用时风蚀率较大，在Jag C162、CMC及HP-120作用时，风积沙表面未发生风蚀或仅有少量风蚀出现。当剂量均增大到1.2 g/m2时，沙盘表面基本没有变化，其风蚀率最大仅为0.18 kg/（m2·h）。可见，当4种高分子聚合物使用剂量达到1.2 g/m²时，风积沙表面所具有的稳定结构可以抵御14 m/s的大风历时20 min的吹蚀而几乎不发生风蚀。其中CMC抵抗风积沙表面风蚀的效果高于其他3种，其在经历20 min大风的吹蚀下仅发生轻微的风蚀，可见其对风积沙具有较强的固定作用，而PAM防治风积沙风蚀的效果相对较差。

图3 不同剂量和材料对沙黄土和风积沙风蚀率的影响Fig.3 Effects of different chemical materials with different doses on wind erosion rates of sandy loess and drift-sand

无论对沙黄土还是风积沙，当喷施剂量≤0.4 g/m2的4种高分子材料剂量时，均经受不住风的吹打；但喷施剂量≥1.2 g/m2时，均能够经受14 m/s风速的大风吹打20 min发生轻微风蚀或不发生风蚀，表现出良好的防风沙流侵蚀的性能。由此可见，松散沙黄土和风积沙表面喷施PAM、Jag C162、CMC及HP-120高分子化学材料可极大提高松散沙黄土和风积沙的抗风蚀性能。

相比于CK，喷施PAM、Jag C162、CMC及HP-120于沙黄土表面平均风蚀率分别降低了65.47%、51.78%、62.34%及50.29%（P<0.05），于风积沙平均风蚀率分别降低了62.52%、92.58%、98.45%及92.88%（P<0.05）。由此可见，在防治沙黄土风蚀上，高分子化学材料PAM表现出了较显著的效果，这与和继军等[24]的研究结果一致；在防治风积沙风蚀上，CMC防治风积沙风蚀效果最好，其次为HP-120和Jag C162。

2.2 材料及其剂量对沙黄土及风积沙表面固结层硬度的影响

沙黄土和风积沙因本身的物理化学性质不同，在喷施高分子化学材料后产生的固结层硬度在一定程度上也不同。将3种剂量4种高分子聚合物处理下的沙黄土和风积沙表面固结层硬度列于表2。

表2 喷施高分子材料后沙黄土和风积沙固结层硬度Table2 Consolidation layer hardness of drift-sand and sandy loess after spraying chemical materials

由表2可知，与CK相比，在沙黄土表面喷施4种高分子聚合物均能不同程度地增加固结层硬度（0.4 g/m2Jag C162除外）。喷施PAM及Jag C162的沙黄土表面固结层硬度各剂量之间差异显著（P<0.05），均表现为喷施剂量越大硬度越大。喷施剂量为0.4 g/m2时，固结层的硬度在大部分材料下不显著（P>0.05），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（P<0.05），喷施剂量为1.2 g/m2时，固结层硬度在各个材料处理下均显著（P<0.05），其大小依次为PAM≈CMC>Jag 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（P<0.05）。同种材料不同剂量下，除喷施0.6和1.2 g/m2Jag C162表面固结层硬度间差异不显著（P>0.05），其他均表现为喷施剂量越大硬度越大（P<0.05）。喷施剂量为0.4 g/m2时，固结层的硬度在PAM及HP-120处理间差异不显著（P>0.05），在Jag C162及CMC处理间差异显著（P<0.05），喷施剂量为0.6 g/m2时，在Jag C162及HP-120处理间差异不显著（P>0.05），喷施剂量为1.2 g/m2时，PAM及Jag C162处理间差异显著（P<0.05）。

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，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（P<0.05）。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对防治风蚀的研究在国内外已经很广泛，本试验所得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2.9～25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/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CMC≈PAM＞Jag C162＞HP-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20 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。

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Wind tunnel experiment on polypeptide derivatives in controlling wind erosion

Li Yuanyuan1, Wang Zhanli1,2※
(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

The utilization of macromolecular polymers that can improve soil structure to fix sand is one of important measures for controlling soil wind erosion. Indoor wind tunnel experiments were conducted to study the effect of macromolecular polymers and polypeptide derivatives on wind erosion control in drift-sand and sandy loess. The soils used in this study were collected from the wind-water erosion crisscross region on the Loess Plateau. Four macromolecular polymers or polypeptide derivatives were used and they were polyacrylamide (PAM), cationic hydroxypropyl quito sugar (Jag C162), carboxymethyl cellulose (CMC) and hydroxypropyl polysaccharide (HP-120). The application doses of the polymers were 0 (CK), 0.4, 0.6 and 1.2 g/m2. All the tests were repeated for 3 times. The wind tunnel had a length in 24 m. The wind speed could be adjusted in a range of 0-16 m/s. The wind speed was measured by using an AZ-8902 Anemobiagraph with a range of 0.6-35 m/s. The soil tank had the width of 98 cm, the length of 126 cm and the depth of 5 cm. The soil density of the drift-sand and sandy loess was 1.36 and 1.29 g/cm3, respectively. The water content of air-dried sandy loess and drift-sand was 0.25% and 0.21%, respectively. During the experiment, the wind speed was adjusted to 14 m/s for 20 min. The wind erosion rate was calculated and the consolidation layer hardness was determined. The results showed that all the materials with different doses could significantly reduce wind erosion rate (P<0.05) on the disturbed drift-sand and sandy loess surface. Compared with the others, PAM was the best in decreasing wind erosion rate on the surface of sandy loess. Averagely, PAM, Jag C162, CMC and HP-120 on the surface of sandy loess could decrease the wind erosion rate by 65.47%, 51.78%, 62.34% and 50.29% (P<0.05), respectively; On the surface of drift-sand, PAM, Jag C162, CMC and HP-120 could decrease the wind erosion rate by 62.56%, 92.58%, 98.45% and 92.88% (P<0.05), respectively. The CMC had the best effect in reducing wind erosion rate on the surface of drift-sand among the polymers. Compared with the CK, the polymers could increase the consolidation layer hardness of the sandy loess significantly except for the 0.4 g/m2Jag C162 treatment. For the most treatments, the hardness increased with application doses. At the application dose of 1.2 g/m2, the hardness was the highest after spraying PAM and the least after spraying HP-120 on the surface of sandy loess. Compared with the CK, the hardness could be increased by 356% using the PAM. On the drift-sand, the CMC had the best effect in increasing consolidation layer hardness and the hardness could be increased by 746.15% using the CMC. Overall, the PAM had the best effect in decreasing wind erosion rate and increasing hardness on the surface of sandy loess while the CMC was the best for the drift-sand. At the application dose of 1.2 g/m2, all the polymers showed good wind erosion control capacity to resist against 14 m/s wind for 20 min with little wind erosion.

wind tunnels; polypeptides; hardness; wind erosion control; polyacrylamide; carboxymethyl cellulose; Jag C162; HP-120

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022

U216.41+3

A

1002-6819(2017)-05-0149-07

李元元，王占礼. 高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验[J]. 农业工程学报，2017，33(5)：149－155.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022 http://www.tcsae.org

Li Yuanyuan, Wang Zhanli. Wind tunnel experiment on polypeptide derivatives in controlling wind erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 149－155. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.022 http://www.tcsae.org

2016-07-04

2016-12-10

国家自然科学基金项目（41471230、41601282）；陕西省自然科学基金项目（2016JQ4020）；国家重点研发计划（2016YFC0402401）；黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室专项经费项目（A314021403-C2）。作者简介：李元元，女，安徽蚌埠市人，博士生，主要从事土壤侵蚀研究。杨凌 西北农林科技大学水土保持研究所，712100。

Email：836434985@qq.com

※通信作者：王占礼，男，陕西榆林市人，博士，研究员，主要从事土壤侵蚀过程及预报模型研究。杨凌 中国科学院水利部水土保持研究所，712100。Email：zwang@nwsuaf. edu.cn