聚丙烯酰胺(PAM)土壤改良劑與應(yīng)用效應(yīng)

張海歐， 孫小梅

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710021； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710021)

隨著土地的不斷開發(fā)和利用，土地受人為因素和成土因素的影響存在許多障礙因子，如土壤結(jié)構(gòu)差、鹽堿酸化、保水性能弱等，使土地生產(chǎn)力低下。人們生產(chǎn)實(shí)踐和研究發(fā)現(xiàn)，向有障礙的土壤中投入特定的物料可以改良土壤性狀，提高土地生產(chǎn)力，由此土壤改良劑應(yīng)運(yùn)而生[1]。截至2020年，在我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司登記備案的土壤改良劑(調(diào)理劑)產(chǎn)品高達(dá)197個(gè)。不同的土壤改良劑應(yīng)用效果差異較大，總體上來說，其普遍性的功能是能夠改善不良、低效或者缺陷性土壤的結(jié)構(gòu)及理化性狀，有利于土壤團(tuán)聚體形成及養(yǎng)分積累，從而有效提高土地的生產(chǎn)能力及作物產(chǎn)量[2-3]。因此針對(duì)我國(guó)區(qū)域土地環(huán)境特點(diǎn)和土壤障礙因子，合理選擇、使用土壤改良劑產(chǎn)品，是能否達(dá)到有效、經(jīng)濟(jì)改善土壤物理化學(xué)性狀、提高作物產(chǎn)量的先決條件。前人大量研究表明，向障礙土壤中施加陰離子PAM，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)，防治水土流失有顯著效果，在治理土壤侵蝕和水土流失方面有非常重要的應(yīng)用前景[4]。為PAM土壤改良、水土流失應(yīng)用提供參考，綜述PAM的理化特征和在保土、保水、保肥方面的應(yīng)用效應(yīng)如下。

1 PAM土壤改良劑的理化特征與應(yīng)用概況

聚丙烯酰胺[Polyacrylamide，簡(jiǎn)稱PAM，分子式(C3H5ON)n]是一種高分子聚合物，由丙烯酰胺(Acrylamide，簡(jiǎn)稱 AM)均聚或與其他單體共聚而成，常用于土壤結(jié)構(gòu)改良的多為高分子量和超高分子量產(chǎn)品(分子量>106)[5]，外觀為白色粉末狀或無色粘稠膠體狀，無臭、中性，具有良好的水溶性和絮凝性，能以各種比例溶于水，幾乎不溶于有機(jī)溶劑，溫度超過120℃時(shí)易分解。PAM土壤改良劑施加土壤后，會(huì)通過機(jī)械斷裂、化學(xué)和生物水解、光解等方式降解成水、二氧化碳、氨態(tài)氮等無毒無害物質(zhì)，且移動(dòng)性弱(入滲僅1～2 cm)，不會(huì)改變土壤的酸堿度，故不會(huì)對(duì)土壤、水和環(huán)境產(chǎn)生危害，是一種環(huán)保型的土壤改良劑[6-7]。

PAM應(yīng)用于土壤改良在我國(guó)起始于上世紀(jì)80年代中期，目前應(yīng)用的有陽離子型和陰離子型兩類產(chǎn)品。陽離子型PAM為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有高吸水性，通常作土壤保水劑應(yīng)用，施入土壤可束縛水分和土壤顆粒，縮小土壤的晝夜溫差，防止水土流失，進(jìn)而改善低效或者缺陷型土壤的保水保肥性能，使土壤結(jié)構(gòu)向有利于作物生長(zhǎng)的方向發(fā)展。陰離子型PAM為線狀結(jié)構(gòu)，具有高吸附性，通常作土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用，施入土壤可促進(jìn)土壤細(xì)小顆粒相互凝聚，形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體，提高土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，阻止細(xì)小的土粒隨水流失或隨風(fēng)飛揚(yáng)，減少土壤水蝕和風(fēng)燭。已有的研究均表明，PAM作為土壤改良劑施入土壤后，能夠提升耕作層土壤顆粒間的凝聚力，有效促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，能夠提高土壤水分入滲和含水量，抑制水土流失及土地沙化，增加土壤的水肥利用效率，從而有效提升土地生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量，且陰離子型的效果好于其他類型[8-9]。

2 PAM對(duì)土壤的改良效應(yīng)

PAM應(yīng)用于土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已呈現(xiàn)出顯著的保土、保水、保肥、增產(chǎn)等效應(yīng)。

2.1 保土效應(yīng)

陰離子型線狀結(jié)構(gòu)的PAM通常作土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用，施入土壤中能夠提升土壤顆粒間的凝聚力，促進(jìn)土壤中細(xì)小的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及顆粒相互凝聚形成大的團(tuán)聚體，提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效改善土壤結(jié)構(gòu)。張婉璐等[10]的研究結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)施用PAM可以顯著改善土壤的物理性狀，其中土壤團(tuán)聚體的含量顯著增加、土壤內(nèi)部孔隙增多、總孔隙度增大、土壤氣孔結(jié)構(gòu)得到改善、土壤容重也隨之降低，添加PAM改良劑的土壤，具有緊密的表面結(jié)構(gòu)和較高的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，能夠有效地抑制土粒的分散，有效防止土壤的侵蝕。韓鳳朋等[11]的研究指出，在黃土高原自然條件下添加PAM土壤改良劑對(duì)土壤物理性狀和水分分布具有重要的影響，表層土體中隨著PAM含量的增加土壤含水量升高，并且當(dāng)PAM含量小于等于2g/m2時(shí)能夠使得土壤飽和導(dǎo)水率增加，可提高土壤保水能力、降低土壤體積質(zhì)量。王輝等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，在黃土區(qū)集中暴雨條件下土壤中添加PAM能夠?qū)ζ碌赝寥浪值脑俜植籍a(chǎn)生影響，降低水分在土層中的滲漏，從而能夠起到保水保肥的作用，降低養(yǎng)分向深層土體運(yùn)移和流失的風(fēng)險(xiǎn)。張淑芬[13]研究了聚丙烯酰胺對(duì)坡耕地及沙化土壤的水土保持作用，通過開展水土流失試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在砂壤土中施用陰離子聚丙烯酰胺土壤改良劑灌溉后，能夠防止沙地水分滲漏和抑制坡耕地土壤侵蝕，具有顯著的保水、固土和護(hù)坡作用。

PAM作為一種土壤調(diào)理劑在非鹽漬化土壤上的應(yīng)用已比較普遍，如PAM在0～2 g/m2范圍內(nèi)添加可以減小土壤體積質(zhì)量，增強(qiáng)土壤的吸水和釋水能力，抑制土壤蒸發(fā)量，增加土壤的持水性能[14]；添加PAM土壤改良劑后，表層土壤累計(jì)蒸發(fā)量減小4.12%～14.46%，田間持水量增加20.68%～33.71%，毛細(xì)管持水量增加18.41%～29.04%，最大持水量增加18.62%～29.70%[15]；PAM在土壤中的添加量能夠影響土壤顆粒水分的蒸發(fā)狀況，其在土壤中的含量越高，抑制土壤水分的蒸發(fā)效應(yīng)越好[16]；PAM與砂土和壤土按不同比例混合后飽和導(dǎo)水率分別下降23.2%～95.3%、21.1%～91.5%[17]；黃綿土中飽和導(dǎo)水率均呈降低的趨勢(shì)，且隨著PAM用量的增加，土壤飽和導(dǎo)水率越來越小[18]。NADLER等[19]測(cè)定了粘壤土施用PAM后，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體較對(duì)照土壤高3～4倍。PAM能夠絮凝細(xì)小土粒，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)。

將PAM改良劑與非鹽漬土、輕度及中度鹽漬土混拌后，進(jìn)行的室內(nèi)灌溉模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，施用PAM的非鹽漬土、輕度及中度鹽漬土的土壤團(tuán)聚體含量、孔隙度及毛管孔隙度都有所提高，土壤容重減小，水分蒸發(fā)減少[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，適量的鹽分可增強(qiáng)PAM對(duì)土壤顆粒的吸附、團(tuán)聚作用，但如果土壤鹽分含量過高，將影響PAM對(duì)土壤改良的效果，甚至是不再有作用[21]。

2.2 保水效應(yīng)

PAM土壤改良劑具有顯著的保水作用，主要是陽離子型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PAM作為土壤保水劑應(yīng)用，其具有高吸水特性，可與許多物質(zhì)產(chǎn)生親和、吸附、水解、降解交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，親水基團(tuán)通過氫鍵和水分子結(jié)合，從而具有顯著的絮凝、團(tuán)聚作用[12]。因此，PAM土壤改良劑施入土壤中能夠?qū)λ趾屯寥李w粒起到束縛作用，從而改善低效或者缺陷型土壤的結(jié)構(gòu)，提高土壤持水保水能力，防止水土流失。PAM分子結(jié)構(gòu)中的基鍵通過與土壤顆粒間形成吸附力，提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，并且能夠有效降低表層土壤的水分蒸發(fā)，提高土壤水分的入滲率，使區(qū)域地表徑流和水土流失減少，從而使土壤保水保肥能力得到提升，最終達(dá)到作物增產(chǎn)的目的[17]。農(nóng)田土壤中施用PAM后，發(fā)現(xiàn)添加PAM改良劑的土壤其保水持水時(shí)間較長(zhǎng)，土壤水分含量高，作物抗旱能力強(qiáng)，并且PAM濃度相對(duì)較高的土壤保水越好，其作物產(chǎn)量越高[9,14]。

2.3 保肥及增產(chǎn)效應(yīng)

PAM土壤改良劑施入土壤后具有顯著的保肥及增產(chǎn)效應(yīng)，尤其可與土壤中的分子、離子、細(xì)小顆粒物以及微生物產(chǎn)生親和、吸附、水解、降解交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，提高土壤保水保肥能力，增加土壤的水肥利用效率，最終提升土地生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量。龍明杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)施用PAM土壤改良劑后，無論土壤發(fā)生對(duì)肥料的吸附還是淋溶過程，均具有一定的保肥效果[11]。農(nóng)業(yè)灌溉過程中，灌溉水中加入PAM土壤改良劑能夠提高養(yǎng)分利用效率，抑制表層土壤中養(yǎng)分的流失，減少?gòu)搅髦兴鶖y帶的N、P和BOD等，抑制了區(qū)域河流水體富營(yíng)養(yǎng)化。PAM土壤改良施用土壤后，尤其是沙地及結(jié)構(gòu)松散的土壤中，能夠抑制有機(jī)質(zhì)和一些速效養(yǎng)分的流失和滲漏，土壤保肥效果最高可提升80%以上[14]。

PAM對(duì)土壤的改良效應(yīng)能夠用作物的產(chǎn)量多少來衡量，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，土壤中PAM改良劑添加量為0.75～1.25 g/cm2時(shí)，玉米產(chǎn)量的增量幅度可以達(dá)到11.7%～18.3%[17]。使用PAM改良劑的主要作用是增強(qiáng)土壤的水肥利用效率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用PAM改良劑作物增產(chǎn)幅度可達(dá)5%～10%。

3 結(jié)論及應(yīng)用前景

我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)水資源短缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水不能保證，PAM在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠提升自然降雨和灌溉水的利用效率，具有節(jié)水保水重要的作用，并且其作為土壤改良劑，在改土、保土、保水、保肥等方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)顯著，作為土壤改良及作物增產(chǎn)的重要手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。PAM應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有其顯著的優(yōu)越性，但同時(shí)還面臨著不同區(qū)域條件、不同土壤類型、不同灌溉條件等多種因素的制約，因此，探究針對(duì)不同類型及環(huán)境因素下PAM改良土壤的效應(yīng)，形成土壤最佳的施用方法及使用體系，降低使用成本，使其能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮最大的改良效應(yīng)是未來的研究重點(diǎn)。

從目前的文獻(xiàn)報(bào)道看，PAM對(duì)土壤不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，但隨著土壤性質(zhì)的不斷變化以及施用量的增加，其究竟有無施用風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)進(jìn)一步探討研究。