土壤改良劑聚丙烯酰胺在土壤中的重要作用

 聚丙烯酰胺，簡稱PAM。是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的總稱。PAM產(chǎn)品可分為陰離子、陽離子和非離子等類型，其分子可分為網(wǎng)狀和線型。因?yàn)樗哂?的化學(xué)和物理性質(zhì)，現(xiàn)已廣泛用于污水及飲用水處理、造紙、石油開采、礦冶、建材、紡織等行業(yè)。與土壤有關(guān)的PAM應(yīng)用主要有兩種，一種為陽離子網(wǎng)狀PAM，它是一種高吸水性樹脂，可用做農(nóng)田保水劑。另外一種就是陰離子線型PAM，因其分子鏈長等特征，用作土壤改良劑，在控制土壤侵蝕、防止水土流失方面起到了重要的作用。

    眾多試驗(yàn)表明，PAM可有效的改善土壤結(jié)構(gòu)，增加大團(tuán)聚體數(shù)目，降低土壤容重，提高滲透率，增加土壤的含水量，提高土壤抗蝕能力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。概括說來，PAM具有保土、保水、保肥和增產(chǎn)的四大效應(yīng)。 

    1 PAM的作用機(jī)理及影響因素 

    PAM對土壤的改良效果主要是通過土壤對聚合物的吸收來實(shí)現(xiàn)的。陰離子PAM帶有與土壤表面相同的負(fù)電荷，本應(yīng)與土壤顆粒相斥，但是它卻能夠通過陽離子橋的作用與土壤相結(jié)合。土壤中的二價陽離子(如Ca2 )可以分別結(jié)合土壤顆粒表面和陰離子PAM的負(fù)相，形成陽離子橋，即PAM—Ca2+ 一土壤顆粒。土壤顆粒對PAM的吸收程度取決于PAM和土嚷的性質(zhì)。通常，主要的影響因素有PAM的分子量、離子度以及土壤中陽離子的含量。 

    1.1 PAM分子量影響 

    分子量高分子鏈長的聚合物，在分散土壤細(xì)粒間的橋鍵作用和在團(tuán)粒外表面形成保護(hù)網(wǎng)的作用較強(qiáng)，因此在水土保持方面的效果比分子量低的聚合物好，但分子量過高，分子不易在土層中擴(kuò)散和對流，限制改良土層深度，并容易在土壤表面形成高分子膠結(jié)土壤的膜狀薄層，反而減弱土壤的滲透性 。因此，應(yīng)根據(jù)不同土質(zhì)選擇適合分子量的PAM。一般來說，砂土通常選擇高分子量PAM(18mg/mol)，而質(zhì)地較密實(shí)的壤土可以選擇分子量較低的PAM(6mg/mol) 。 

    1.2 PAM離子度影響 

    在PAM分子量相同的情況下，離子度是影響陽離子橋形成的重要因素。高離子度能引起聚合物分子之間的相互排斥，致使聚合物分子鏈互相纏繞，降低土粒對其的吸收程度。而具有一定的陰離子度是PAM能夠被土粒吸收的先決條件，所以實(shí)際采用的是離子度20%-30%的PAM 。 

    1.3 土壤中陽離子影響 

    通常，聚丙烯酰胺在自來水介質(zhì)中施用，對土壤的終滲透率、累積滲透率和流失量的改善程度都優(yōu)于在去離子水介質(zhì)中施用。這是因?yàn)槎鄡r金屬陽離子能夠影響聚合物分子和分散土粒間的吸附作用，由于靜電排斥，陰離子聚合物分子很難在負(fù)電性的分散土粒表面吸附，改良土壤的作用不明顯，多價金屬陽離子在兩者之間形成橋狀化學(xué)鍵，促進(jìn)了陰離子聚合物分子的吸附 。 

    2 PAM對土壤物理性狀的影響 

    土壤顆粒對PAM的吸收，有效地改善了土壤的物理性狀，增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒數(shù)目、降低土壤容重、提高滲透性和孔隙度，提高土壤的水分含量，維系了良好的土壤結(jié)構(gòu)。 

    2.1 容重 

    隨PAM施用量的增大，土壤容重呈下降趨勢。當(dāng)PAM施用量從0.010%增至0.200%時，實(shí)驗(yàn)室中赤紅壤容重比未加入PAM(對照)時減少0.25-0.26g/cm3 ；當(dāng)PAM用量為0．75-1.25g/cm2時可使陜西田間重壤土容重平均下降O.068g/cm 。

    2.2 孔隙度 

    隨著PAM的增加，田間試驗(yàn)的土壤毛管孔隙度和總孔隙度都呈上升趨勢 ，但實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的土壤凋萎系數(shù)增幅不大 。 

    2.3 土壤結(jié)構(gòu) 

    施用濃度為0.025-0.050%的PAM，赤紅壤的水穩(wěn)性團(tuán)粒含量比對照增加了29.74% -39.78% ；當(dāng)PAM用量為0.25-1.25g/cm時團(tuán)聚體總量(>0.25mm)平均增加30.2%，從而起到疏松土壤、減緩?fù)寥浪终舭l(fā)，調(diào)節(jié)土壤的水肥氣狀況的作用 。 

    2.4 水分 

    施加濃度為0.025%-0.050%的PAM，土壤的毛管水量比對照增加3.7%-18.6%，表層土水分百分含量增加3.0%-11.6% 。在黃潮土中施人PAM，在0-80kPa吸力范圍內(nèi)土壤持水量隨聚合物用量的增加而增大，同時增加了有效水含量 。對砂土進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用聚丙烯酰胺可以縮短水分滲入土壤的時間，加速水分滲入土壤的速度，減少土壤水分滲出量，抑制土壤水分蒸發(fā)。因此，在田間施用聚丙烯酰胺將有助于減少降雨后的地面徑流和深層滲漏，增強(qiáng)土壤的持水能力和保水性能。施用聚丙烯酰胺還可以減緩?fù)寥烂芏鹊脑龃?，避免土壤緊實(shí)板硬，從而保持土壤良好的疏松結(jié)構(gòu)，這將有助于作物的生長發(fā)育 。 

    2.5 滲透性 

    在PAM施用量從0.010%增至0.200%時，土壤的滲透系數(shù)比對照增加1.07-5.35×10一em/s。三種離子度(20%、30%、40%)，三種分子量(6、12、18mg/mo1)的PAM對三種質(zhì)地的土壤(砂土、壤土、黏土)作用的滲透率變化，得出離子度20%-30%時，不同分子量的PAM對不同質(zhì)地的土壤均有很好的效果，平均可以提高這些土壤的滲透率3-5倍 。Ben—Hur在室內(nèi)模擬降雨條件下，研究了25%傾角上應(yīng)用PAM提高滲透率的情況，結(jié)果表明，在PAM施用50和75kg/ha時，滲透率為28mm/h，而此時，對照試驗(yàn)的滲透率為8mm/h 。Santos用PAM對地中海土壤進(jìn)行連續(xù)和階段地溝灌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種情況下累積滲透分別增加了20%和14%，并認(rèn)為PAM有很好的改善表層土壤結(jié)構(gòu)，增加滲透率的作用，同時能夠在田間管理中節(jié)省人力，應(yīng)用安全 。 

    3.1 PAM的保土、保水、保肥、增產(chǎn)作用 

    PAM通過對土壤結(jié)構(gòu)的改善，增加了土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒數(shù)量，增強(qiáng)了土壤的透氣、滲透性能，減少了地表徑流，有效地增強(qiáng)了土壤的抗蝕能力，使PAM處理過的土壤具有很好的保水、保土、保肥、增產(chǎn)的作用。 

    3.1 保土 

    PAM處理過的土壤表面緊密的結(jié)構(gòu)和較高的團(tuán)聚體穩(wěn)定性有效抑制了土粒的分散，可以有效地防止土壤的侵蝕。 

    lvy等利用小型水道進(jìn)行了針對壤土和黏土的PAM溝灌試驗(yàn)。試驗(yàn)中，壤土的滲透率減少了59%，而黏土減少了22%，這主要是由于具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、窄孔隙的壤土比黏土更易被沉積物阻塞。試驗(yàn)還表明，PAM處理有效地減少了流水侵蝕 。 Kristian等在實(shí)驗(yàn)室建立了噴淋灌溉系統(tǒng)，水滴降落在傾角為2.4%的壤土層上。2kg/ha的PAM在次20mm的灌溉中就比對照降低徑流70%，減少土壤流失75%。由此可見，PAM有效地減少了徑流和侵蝕，且對侵蝕的控制比對徑流更有效¨ 。 

    Intz等使用兩種土壤改良劑對Portneuf砂壤土進(jìn)行灌溉，發(fā)現(xiàn)陰離子PAM比陰離子淀粉共聚物在控制土壤侵蝕上有更好的效果。在以5-20g/m PAM 灌溉1-2h后，沉積物損失減少45%-98%。低濃度PAM經(jīng)多次灌溉或是定期灌溉也能達(dá)到同樣的效果。用湍流灌溉也不會影響到土粒對PAM的吸收 。

    lvin等研究了土壤改良劑存在條件下雨滴動能對滲透系數(shù)和土壤侵蝕的影響。他們采用的土壤改良劑是陰離子PAM與磷石膏混合而成。隨著雨滴動能的增加，這種改良劑抑制土壤密封的作用也逐漸提高，這是PAM穩(wěn)定團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，緩解因雨滴對團(tuán)聚體的擊打而崩解的結(jié)果。文章還指出土壤的侵蝕與土壤的滲透系數(shù)之間很可能不是直接相關(guān)的 。 

    Intz和Sojka用中等離子度的陰離子PAM有效地控制了溝灌中的沉積物損失。未經(jīng)處理的溝渠有75%超過了沉積物損失的大容許值，而經(jīng)PAM處理后的溝渠只有13%超過這一容許值。這些處理平均減少了94%的沉積物損失并且增加了15%的凈滲透 。夏海江對PAM的保土效果進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，在坡度為6。、10。、15。時，田面土壤流失量分別比對照減少73.8%、69.5%、43.8%。并且還發(fā)現(xiàn)PAM有很強(qiáng)的抗濺蝕作用，濺蝕量隨著用量的增加而減小 。顧英武在田間施用PAM后，減少土壤侵蝕量26．6% -56．9%Ll 。還有研究表明，拌土撒施和水溶液噴施兩種方法比較，減少土壤侵蝕量差異不明顯，減少的量從57% -77%不等。坡施用PAM減少地表徑流作用明顯 。 

    3.2 保水 

    PAM具有很好的保水效果，在玉米生育期的不同測定時間段內(nèi)，PAM處理過的土壤在較長時間內(nèi)保持較高的水分含量，且隨濃度的增加其保水效果增強(qiáng)。在PAM施用后一個汛期內(nèi)，多保蓄雨水153m /km ，相當(dāng)于一次37．5mm降雨 。 

    3.3 保肥

    通過土壤吸附肥料實(shí)驗(yàn)和土壤肥料淋溶實(shí)驗(yàn)得出，PAM可以使土壤對N 、K 、NO3、PO4 的吸附分別增加30.6% -162.6%、14.5% -20.6%、2.5% -16.3%、0.9% -21.8%；NH4 +、K+ 、NO-、PO43- 的淋溶下移率分別為40.1%(對照為63.7%)、27．6%(64.4%)、68.5%(77.0%)、46.2%(57.0%)。由此可見，無論土壤對肥料的吸附還是淋溶，PAM都能夠起到不同程度的保肥作用 。 在農(nóng)田灌溉實(shí)驗(yàn)中，PAM的加入可以減少徑流中帶出的總磷(對照的84%)、氮(83%)和BOD(72%)，能夠有效地控制土壤肥分的流失 ；施用PAM還可以降低有機(jī)質(zhì)、*氮、*磷、*鉀的流失量，保肥效果zui高可達(dá)80%以上。 

    3.4 增產(chǎn) 

    PAM的增產(chǎn)*，當(dāng)其濃度為0．75-1．25g/cm 時玉米增產(chǎn)幅度為11．7%-18．3%。田間施用PAM后增產(chǎn)幅度為5% -10% 。