聚丙烯酰胺(PAM)土壤改良劑與應用效應

張海歐， 孫小梅

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司， 陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司， 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實驗室， 陜西 西安 710021； 4.陜西省土地整治工程技術研究中心， 陜西 西安 710021)

隨著土地的不斷開發和利用，土地受人為因素和成土因素的影響存在許多障礙因子，如土壤結構差、鹽堿酸化、保水性能弱等，使土地生產力低下。人們生產實踐和研究發現，向有障礙的土壤中投入特定的物料可以改良土壤性狀，提高土地生產力，由此土壤改良劑應運而生[1]。截至2020年，在我國農業農村部種植業管理司登記備案的土壤改良劑(調理劑)產品高達197個。不同的土壤改良劑應用效果差異較大，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構及理化性狀，有利于土壤團聚體形成及養分積累，從而有效提高土地的生產能力及作物產量[2-3]。因此針對我國區域土地環境特點和土壤障礙因子，合理選擇、使用土壤改良劑產品，是能否達到有效、經濟改善土壤物理化學性狀、提高作物產量的先決條件。前人大量研究表明，向障礙土壤中施加陰離子PAM，對改善土壤結構，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用前景[4]。為PAM土壤改良、水土流失應用提供參考，綜述PAM的理化特征和在保土、保水、保肥方面的應用效應如下。

1 PAM土壤改良劑的理化特征與應用概況

聚丙烯酰胺[Polyacrylamide，簡稱PAM，分子式(C3H5ON)n]是一種高分子聚合物，由丙烯酰胺(Acrylamide，簡稱 AM)均聚或與其他單體共聚而成，常用于土壤結構改良的多為高分子量和超高分子量產品(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，幾乎不溶于有機溶劑，溫度超過120℃時易分解。PAM土壤改良劑施加土壤后，會通過機械斷裂、化學和生物水解、光解等方式降解成水、二氧化碳、氨態氮等無毒無害物質，且移動性弱(入滲僅1～2 cm)，不會改變土壤的酸堿度，故不會對土壤、水和環境產生危害，是一種環保型的土壤改良劑[6-7]。

PAM應用于土壤改良在我國起始于上世紀80年代中期，目前應用的有陽離子型和陰離子型兩類產品。陽離子型PAM為網狀結構，具有高吸水性，通常作土壤保水劑應用，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，進而改善低效或者缺陷型土壤的保水保肥性能，使土壤結構向有利于作物生長的方向發展。陰離子型PAM為線狀結構，具有高吸附性，通常作土壤結構改良劑應用，施入土壤可促進土壤細小顆粒相互凝聚，形成穩定的團聚體，提高土壤團聚體的水穩性，阻止細小的土粒隨水流失或隨風飛揚，減少土壤水蝕和風燭。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，有效促進土壤大團聚體的形成，有效改善土壤結構，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力和作物產量，且陰離子型的效果好于其他類型[8-9]。

2 PAM對土壤的改良效應

PAM應用于土壤改良和農業生產中，已呈現出顯著的保土、保水、保肥、增產等效應。

2.1 保土效應

陰離子型線狀結構的PAM通常作土壤結構改良劑應用，施入土壤中能夠提升土壤顆粒間的凝聚力，促進土壤中細小的團粒結構及顆粒相互凝聚形成大的團聚體，提升土壤結構穩定性，有效改善土壤結構。張婉璐等[10]的研究結果表明，在一定濃度范圍內施用PAM可以顯著改善土壤的物理性狀，其中土壤團聚體的含量顯著增加、土壤內部孔隙增多、總孔隙度增大、土壤氣孔結構得到改善、土壤容重也隨之降低，添加PAM改良劑的土壤，具有緊密的表面結構和較高的團聚體穩定性，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PAM含量小于等于2g/m2時能夠使得土壤飽和導水率增加，可提高土壤保水能力、降低土壤體積質量。王輝等[12]的研究發現，在黃土區集中暴雨條件下土壤中添加PAM能夠對坡地土壤水分的再分布產生影響，降低水分在土層中的滲漏，從而能夠起到保水保肥的作用，降低養分向深層土體運移和流失的風險。張淑芬[13]研究了聚丙烯酰胺對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，發現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、固土和護坡作用。

PAM作為一種土壤調理劑在非鹽漬化土壤上的應用已比較普遍，如PAM在0～2 g/m2范圍內添加可以減小土壤體積質量，增強土壤的吸水和釋水能力，抑制土壤蒸發量，增加土壤的持水性能[14]；添加PAM土壤改良劑后，表層土壤累計蒸發量減小4.12%～14.46%，田間持水量增加20.68%～33.71%，毛細管持水量增加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狀況，其在土壤中的含量越高，抑制土壤水分的蒸發效應越好[16]；PAM與砂土和壤土按不同比例混合后飽和導水率分別下降23.2%～95.3%、21.1%～91.5%[17]；黃綿土中飽和導水率均呈降低的趨勢，且隨著PAM用量的增加，土壤飽和導水率越來越小[18]。NADLER等[19]測定了粘壤土施用PAM后，土壤水穩性團聚體較對照土壤高3～4倍。PAM能夠絮凝細小土粒，穩定土壤結構。

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

2.2 保水效應

PAM土壤改良劑具有顯著的保水作用，主要是陽離子型網狀結構的PAM作為土壤保水劑應用，其具有高吸水特性，可與許多物質產生親和、吸附、水解、降解交聯等化學反應，親水基團通過氫鍵和水分子結合，從而具有顯著的絮凝、團聚作用[12]。因此，PAM土壤改良劑施入土壤中能夠對水分和土壤顆粒起到束縛作用，從而改善低效或者缺陷型土壤的結構，提高土壤持水保水能力，防止水土流失。PAM分子結構中的基鍵通過與土壤顆粒間形成吸附力，提升土壤結構穩定性，有效改善土壤結構，并且能夠有效降低表層土壤的水分蒸發，提高土壤水分的入滲率，使區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，最終達到作物增產的目的[17]。農田土壤中施用PAM后，發現添加PAM改良劑的土壤其保水持水時間較長，土壤水分含量高，作物抗旱能力強，并且PAM濃度相對較高的土壤保水越好，其作物產量越高[9,14]。

2.3 保肥及增產效應

PAM土壤改良劑施入土壤后具有顯著的保肥及增產效應，尤其可與土壤中的分子、離子、細小顆粒物以及微生物產生親和、吸附、水解、降解交聯等化學反應，提高土壤保水保肥能力，增加土壤的水肥利用效率，最終提升土地生產力和作物產量。龍明杰等[8]研究發現施用PAM土壤改良劑后，無論土壤發生對肥料的吸附還是淋溶過程，均具有一定的保肥效果[11]。農業灌溉過程中，灌溉水中加入PAM土壤改良劑能夠提高養分利用效率，抑制表層土壤中養分的流失，減少徑流中所攜帶的N、P和BOD等，抑制了區域河流水體富營養化。PAM土壤改良施用土壤后，尤其是沙地及結構松散的土壤中，能夠抑制有機質和一些速效養分的流失和滲漏，土壤保肥效果最高可提升80%以上[14]。

PAM對土壤的改良效應能夠用作物的產量多少來衡量，相關實驗研究表明，土壤中PAM改良劑添加量為0.75～1.25 g/cm2時，玉米產量的增量幅度可以達到11.7%～18.3%[17]。使用PAM改良劑的主要作用是增強土壤的水肥利用效率，進而提高作物產量，農業生產中使用PAM改良劑作物增產幅度可達5%～10%。

3 結論及應用前景

我國干旱、半干旱地區水資源短缺，農業灌溉用水不能保證，PAM在農業生產中能夠提升自然降雨和灌溉水的利用效率，具有節水保水重要的作用，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濟和生態顯著，作為土壤改良及作物增產的重要手段，具有廣闊的應用前景。PAM應用于農業生產有其顯著的優越性，但同時還面臨著不同區域條件、不同土壤類型、不同灌溉條件等多種因素的制約，因此，探究針對不同類型及環境因素下PAM改良土壤的效應，形成土壤最佳的施用方法及使用體系，降低使用成本，使其能夠在農業生產中發揮最大的改良效應是未來的研究重點。

從目前的文獻報道看，PAM對土壤不會產生負面作用，但隨著土壤性質的不斷變化以及施用量的增加，其究竟有無施用風險應進一步探討研究。