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。因為它具有*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。

    眾多試驗表明，PAM可有效的改善土壤結(jié)構(gòu)，增加大團聚體數(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現(xiàn)的。陰離子PAM帶有與土壤表面相同的負電荷，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，在分散土壤細粒間的橋鍵作用和在團粒外表面形成保護網(wǎng)的作用較強，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。這是因為多價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PAM施用量從0.010%增至0.200%時，實驗室中赤紅壤容重比未加入PAM(對照)時減少0.25-0.26g/cm3 ；當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，田間試驗的土壤毛管孔隙度和總孔隙度都呈上升趨勢 ，但實驗室試驗的土壤凋萎系數(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)性團粒含量比對照增加了29.74% -39.78% ；當PAM用量為0.25-1.25g/cm時團聚體總量(>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 。對砂土進行了試驗，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，對照試驗的滲透率為8mm/h 。Santos用PAM對地中海土壤進行連續(xù)和階段地溝灌試驗發(fā)現(xiàn)，兩種情況下累積滲透分別增加了20%和14%，并認為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)性團粒數(shù)量，增強了土壤的透氣、滲透性能，減少了地表徑流，有效地增強了土壤的抗蝕能力，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等利用小型水道進行了針對壤土和黏土的PAM溝灌試驗。試驗中，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。試驗還表明，PAM處理有效地減少了流水侵蝕 。 Kristian等在實驗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)定團聚體結(jié)構(gòu)，緩解因雨滴對團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。在PAM施用后一個汛期內(nèi)，多保蓄雨水153m /km ，相當于一次37．5mm降雨 。 

    3.3 保肥

    通過土壤吸附肥料實驗和土壤肥料淋溶實驗得出，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)田灌溉實驗中，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還可以降低有機質(zhì)、*氮、*磷、*鉀的流失量，保肥效果zui高可達80%以上。 

    3.4 增產(chǎn) 

    PAM的增產(chǎn)*，當其濃度為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% 。