聚丙烯酰胺改良鹽漬土壤的適宜用量研究①

張雪辰，陳 誠，蘇里坦，王秀萍，劉廣明，楊勁松

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 中國科學院大學，北京 100049；3黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南開封 475004；4 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；5 河北省農(nóng)林科學院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北唐山 063200)

土壤鹽漬化是當今人類面臨的十分突出的環(huán)境問題，鹽漬土是地球上分布廣泛的后備土地資源。我國鹽漬土總面積約3.6×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[1]，主要分布在我國東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)及長江以北沿海地區(qū)[2]。鹽漬土結(jié)構(gòu)性差，保水性差，肥力低，不適宜植物生長[3-4]，嚴重時導(dǎo)致作物死亡，影響作物產(chǎn)量。因此，鹽漬土的改良及開發(fā)利用尤為重要。一般的鹽漬土壤改良方法有物理改良、化學改良和生物改良以及水利措施。改良劑適宜用量的確定是化學改良措施的技術(shù)核心[5]。

聚丙烯酰胺(PAM)是一種高效的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，其為高分子聚合物，有較好的水溶性，具有很強的黏聚作用，能夠維持并且增加團聚體的數(shù)量[6-8]，增加土壤孔隙度[9]，降低土壤容重[10]，提高土壤入滲率和含水量[11-13]，從而改善土壤物理結(jié)構(gòu)[14]。PAM的施用量影響改良效果和實施成本。施用量過小，其效果可能不明顯，而施用量太大不僅使成本提高，效果也不一定最佳，因此根據(jù)不同的土壤性質(zhì)、改良目的及改良區(qū)域選擇適宜的施用量至關(guān)重要。員學鋒等[15]通過研究 PAM 對塿土的改良效果，發(fā)現(xiàn)PAM的施用量＜1 g/m2時，土壤容重下降，孔隙度增加，而當施用量＞1g/m2時，土壤容重增加，孔隙度減小，土壤滲透性降低。Sojka 和 Lentz[16]研究表明，PAM在單位面積(1 m2)上較適宜施用量為1～2 g。韓鳳朋等[17]研究表明，施用量為 2 g/m2時，土壤含水量達到最大，施用量再增加并不能產(chǎn)生明顯效果。砂土中施用PAM會顯著地減小土壤的穩(wěn)定水力傳導(dǎo)度，因此應(yīng)減小PAM的施用量[18]。馬鑫等[19]研究表明，土壤水吸力相同時，對于輕度鹽漬化土持水力最佳的PAM施用量為0.25 g/kg，而對于中度、重度鹽漬化土，PAM施用量0.5 g/kg時其持水能力最佳?？梢姡琍AM的施用量并不大，但由于PAM在國內(nèi)的應(yīng)用剛剛起步，且由于土壤性質(zhì)和改良目的不同其施用量并不能一概而論，因此，確定PAM在鹽漬土壤改良中最適宜用量是其應(yīng)用于鹽漬土改良的首要任務(wù)?；诖?，本試驗設(shè)置了不同的PAM濃度梯度，旨在找出PAM改良鹽漬土的最優(yōu)用量，為PAM在鹽漬區(qū)的應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣基本理化性質(zhì)見表1，為中度鹽化黏質(zhì)耕作土壤，種植主要作物為水稻、玉米、小麥等。土壤改良劑選用聚丙烯酰胺(PAM)，陰離子型，分子量為300萬。PAM是一種水溶性的高分子聚合物，具有很強的絮凝作用。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 試驗設(shè)計

將采集的盆栽土壤自然風干，過5 mm篩，于中國科學院南京土壤研究所溫室進行盆栽試驗，時間為2015年9月至11月。試驗?zāi)敛轂楹邴湶?，每盆播種100顆種子，每盆裝土2 kg。試驗設(shè)置6個PAM濃度，3次重復(fù)。PAM濃度分別為0、0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg。用氮肥和磷肥作為基肥，其中氮肥為尿素，用量為N 0.15 g/kg，磷肥為磷酸氫二銨，用量為 P2O50.10 g/kg。將風干土、各濃度改良劑及氮肥、磷肥充分混合于干凈的塑料盆缽中，加蒸餾水至田間持水量，放置2 d，然后均勻播撒黑麥草種子，適時澆水，每盆澆水量一致，于溫室中進行培養(yǎng)。

1.3 土樣采集與分析

在黑麥草收獲后，去除表層土壤，取環(huán)刀土樣，用于測定土壤容重、土壤毛管孔隙度和飽和導(dǎo)水率；同時采用土鉆法，在盆缽中間采取土樣，混勻，土壤樣品帶回實驗室內(nèi)自然風干，磨碎，過2 mm篩后進行相關(guān)指標測定。

土壤電導(dǎo)率由電導(dǎo)率儀測得；土壤容重和土壤毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤孔隙度由土壤容重和比重計算求得；土壤飽和導(dǎo)水率測定采用定水頭法；土壤pH測定采用電位法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測定采用2 mol/L KCl浸提-紫外分光光度計比色法；土壤有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提法；土壤速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法。所有測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析法》[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAM對土壤電導(dǎo)率的影響

PAM的不同施用量與土壤電導(dǎo)率的關(guān)系見圖1。由圖1可知，在0.01～0.27 g/kg的PAM施用范圍內(nèi)，土壤電導(dǎo)率較對照(不施PAM)均下降，但當施用量為0.81 g/kg時，土壤電導(dǎo)率較對照增加 1.17%，說明PAM 的施用量并不是越大越好。當 PAM 施用量為0.01 g/kg和0.03 g/kg時，土壤電導(dǎo)率分別較對照降低1.28%和0.53%；當PAM施用量為0.09 g/kg時，土壤電導(dǎo)率達到明顯的最低值，為1.63 dS/m，較對照下降 13.42%。而當施用量繼續(xù)升高時，土壤電導(dǎo)率反而增加。由此可知，從土壤電導(dǎo)率的角度分析，PAM的較適宜的施用量為0.09 g/kg。陰離子型PAM能降低電導(dǎo)率的原因可能是PAM溶于水后吸附土壤溶液中陽離子，從而降低土壤可溶性鹽含量。谷曉巖等[21]研究表明，PAM濃度在0～50 mg/kg范圍內(nèi)，濃度越高，土壤電導(dǎo)率降低率越大，這與本試驗研究結(jié)果一致。谷曉巖等[21]推測陰離子型PAM能降低土壤電導(dǎo)率的原因可能與氫鍵和配位基交換有關(guān)，并通過PAM對鹽溶液電導(dǎo)率影響的試驗證實其作用機理是通過減少土壤溶液的含鹽量降低電導(dǎo)率。而PAM濃度繼續(xù)增加改良效果不明顯的原因可能是施用量過大時，聚合物分子將部分自身纏繞成團以及在土粒表面上形成“雙層”吸附層，從而不利于鹽分的淋洗[22]。

圖1 PAM 不同施用量對土壤電導(dǎo)率的影響Fig. 1 Effect of PAM concentration rate on soil electrical conductivity

2.2 PAM對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響

土壤孔隙是土壤中團粒結(jié)構(gòu)之間的間隙，土壤孔隙度為土壤孔隙容積占土體容積的百分數(shù)。土壤孔隙的組成是評價土壤理化性質(zhì)，土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地的重要指標[23-24]。土壤孔隙分為毛管孔隙和非毛管孔隙。非毛管孔隙主要承擔透氣作用，為好氧微生物提供良好的生存環(huán)境，同時也為土壤水分的暫時儲存提供空間[23]。毛管孔隙是水分儲存和運動的主要空間，是土壤孔隙分類和評價的常用指標，只有毛管孔隙度適宜才利于植物吸收水分。

圖2 不同PAM施用量對土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響Fig. 2 Effect of PAM concentration rate on soil capillary porosity and total porosity

PAM 的施用量對土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響見圖2。從圖2可以看出，土壤毛管孔隙度的變化隨著PAM的施用量增加而增加，當施用量為0.09 g/kg時達到最大值，之后隨著用量的增加而降低。從此趨勢可知PAM施用量并非越大越好，當施用量為0.09 g/kg時效果最為顯著，土壤毛管孔隙度為45.38%，較對照增加 5.35%；當施用量為 0.81 g/kg時，其效果最差，毛管孔隙度為 42.85%，較對照降低0.52%。由此，從毛管孔隙度的角度來看，較適宜的PAM施用量為0.09 g/kg。同時，從圖2還可以看出，各個處理均能提高土壤的總孔隙度，當PAM施用量為0.09 g/kg時效果最佳，總孔隙度為48.44%，較對照提高5%；當施用量為0.81 g/kg時效果最差，總孔隙度為 46.79%，較對照提高2%。PAM的施用量在一定程度上能增大孔隙度，其主要原因是 PAM的絮凝作用利用土壤水穩(wěn)性團聚體的形成和穩(wěn)定性，從而使土壤孔隙度特別是土壤毛管孔隙度增大[15,24]。而當 PAM 濃度過大時反而效果下降，可能原因是PAM 的水溶性很強而透水能力較差，施用量增加時眾多顆粒間可能形成多枝纖維狀物，并且PAM溶于水后使水黏度增加，黏稠物會進入到土壤孔隙中，堵塞土壤孔隙[9,11]。

2.3 PAM對土壤容重的影響

土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)之一。土壤容重和土壤孔隙度間有一定的數(shù)量關(guān)系，土壤容重會隨著土壤孔隙度的增大而降低。同時，土壤容重也影響到土壤結(jié)構(gòu)及植物根系穿透土壤的能力，關(guān)系到土壤水、肥、氣、熱的變化及土壤抗侵蝕能力和植物生長發(fā)育。

圖3 PAM 不同施用量對土壤容重的影響Fig.3 Effect of PAM concentration rate on soil bulk density

PAM 施用對土壤容重的影響見圖 3。試驗結(jié)果表明，所有處理的土壤容重均低于對照，當施用量在0.01～0.09 g/kg范圍內(nèi)時，土壤容重隨著用量增加而降低，在施用量為0.09 g/kg時達到最低，之后隨著用量的增加而升高。PAM施用量為0.09 g/kg時效果最好，土壤容重為1.35 g/cm3，較對照降低5.71%，顯著低于對照。員學鋒等[15]研究表明，PAM 施用濃度＜1.0 g/m2時，土壤容重隨PAM 施用濃度的增加而下降，而當施用濃度＞1.0 g/m2時，土壤容重隨PAM施用濃度的增加而呈上升趨勢。同時大量研究也表明，在PAM的施用量不大的情況下，土壤容重隨PAM施用的增加而降低[23-24]。

施用PAM 后，土壤容重降低是因為土壤氣孔結(jié)構(gòu)得到改善，土壤內(nèi)部孔隙增多總孔隙度增大。土壤孔隙度直接影響土壤容重的大小，土壤孔隙度小，表明土壤緊實，容重大；土壤孔隙度大，表明土壤疏松，容重小。

2.4 PAM對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是重要的土壤水動力學參數(shù)，反映了土壤的滲透性能，是研究土壤水分及溶質(zhì)運移規(guī)律的重要參數(shù)。土壤飽和導(dǎo)水率受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、鹽分及有機質(zhì)等的影響[25]。目前 PAM 對鹽漬化土壤飽和導(dǎo)水率的影響機理并不明確。

圖4 PAM不同施用量對土壤飽和導(dǎo)水率的影響Fig. 4 Effect of PAM concentration rate on soil saturated hydraulic conductivity

PAM 施用對土壤飽和導(dǎo)水率的影響見圖 4。從圖4可以看出，土壤飽和導(dǎo)水率的變化趨勢類似于土壤毛管孔隙度的變化。飽和導(dǎo)水率先是隨著PAM的施用量增加而增加，在施用量為0.09 g/kg時達到最大，之后隨著用量的增加而降低。由此可知，PAM施用量為0.09 g/kg時，土壤飽和導(dǎo)水率為0.052 mm/min，較對照增加76.7%；當施用量為0.81 g/kg時，其效果最差，低于對照，飽和導(dǎo)水率為 0.010 mm/min，比對照降低66.7%，施用量為0.01g/kg和0.27g/kg時，飽和導(dǎo)水率也低于對照。韓鳳朋等[17]也研究表明PAM施用量在0～2 g/m2范圍內(nèi)添加PAM可以增加土壤飽和導(dǎo)水率，但施用量超過2 g/m2，土壤的飽和導(dǎo)水率會降低。施用量增加降低飽和導(dǎo)水率的原因是較高濃度的PAM溶于水后形成黏度較高的致密層，降低了水分下滲速率[19]。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，PAM施用量不同 (0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg) 對土壤的理化性質(zhì)有不同的影響，在0～0.09 g/kg的施用范圍內(nèi)，PAM對土壤孔隙度和土壤飽和導(dǎo)水率的改良效果隨著施用量的增加而提升，當施用量為0.09 g/kg時，土壤毛管孔隙度和總孔隙度較對照分別增加 5.35% 和 5%，土壤飽和導(dǎo)水率較對照增加 76.7%；且在該使用量下土壤電導(dǎo)率降到最低值，為1.63 dS/m；土壤容重較對照降低5.71%，改良效果達到最佳。當施用量繼續(xù)增加時，PAM 的改良效果不明顯。因此，在本試驗條件下PAM施用量為0.09 g/kg時，土壤結(jié)構(gòu)能得到良好的改善，利于鹽漬土的改良。

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