聚丙烯酰胺的水土保持機制及研究進展

李晶晶，白崗栓，2?

(1.中國科學院水利部水土保持研究所;2.西北農林科技大學水土保持研究所：712100，陜西楊凌)

聚丙烯酰胺的水土保持機制及研究進展

李晶晶1，白崗栓1，2?

(1.中國科學院水利部水土保持研究所;2.西北農林科技大學水土保持研究所：712100，陜西楊凌)

水土流失是我國主要環境問題之一。聚丙烯酰胺(PAM)作為一種高分子聚合物，具有絮凝作用和水合作用，可提高土壤水分入滲，減少地表徑流。PAM對土壤無毒害作用，可保肥、增產、集雨，在農業生產中具有廣泛的應用前景。針對PAM的水土保持功能，介紹PAM水土保持機制、施用過程中涉及的關鍵因素、應用前景及存在的問題。PAM的類型較多，水土保持效果隨施用類型、施用方法、施用量變化而不同。PAM在水土流失治理過程中應與當地的土壤、氣候、地貌、植被等密切結合，才能發揮其最大功能。今后研究中應注重PAM施用后土壤侵蝕通用模型的建立及新型PAM產品的開發，為PAM在水土保持中的推廣提供理論依據。

聚丙烯酰胺;水土流失;防治機制;應用前景;應用問題

我國是世界水土流失及沙漠化最為嚴重的國家之一。第3次全國土壤侵蝕遙感普查資料表明，我國現有土壤侵蝕面積356.92萬km2，與印度、美國、澳大利亞等國家相比，水土流失及沙漠化非常嚴重［1］。水土流失及沙漠化已經對我國生態壞境及經濟發展造成了嚴重的威脅，尤其在西北地區，沙漠化致使大部分耕地遭到破壞，嚴重制約了當地的經濟發展，加劇了貧困程度。近年來，在工程措施、生物措施、農業措施等水土保持措施的基礎上新興了一種化學措施，即在土壤中添加土壤調理劑聚丙烯酰胺(PAM)以調節土壤結構，增加土壤滲透率，防止土壤結皮形成，減少徑流量，達到防治水土流失，減少土壤侵蝕的目的。目前，美國西部已將PAM作為一項農田水土保持新技術廣泛應用。我國于20世紀80年代開始對PAM進行了研究，目前PAM的實際應用問題還處在探索階段;但大量的研究表明，PAM應用于水土保持，防治土壤侵蝕的前景廣闊。筆者綜合前人的研究結果，探討PAM防治水土流失的機制、應用中的關鍵因素以及應用前景，以期為PAM在水土保持中的應用與推廣提供指導。

1 PAM的水土保持機制

土壤入滲和地表徑流是水土保持過程中2個關鍵的因素，增加土壤水分入滲，減少地表徑流，無疑將減少土壤侵蝕;同時，減少土壤侵蝕，也就維護了土壤的良好結構，必能增加土壤水分入滲，減少地表徑流。

PAM分子式為［C3H5ON］n，具有極強的絮凝作用。PAM有陽離子、陰離子、非離子、兩性離子和超高分子質量等類型，是一種良好的土壤結構改良劑，能提高土壤水分入滲和減少地表徑流，且具有極好的持水能力［2］。

PAM提高土壤水分入滲，減少地表徑流的主要原理是，PAM在水中溶解后，具有極強的絮凝能力，其分子同土壤顆粒相互作用，由于絮凝作用和對土壤分散顆粒的團聚作用，土壤微團聚體組成發生變化，土壤的沉降系數、結構系數和各級水穩性團聚體總量明顯提高，形成大的團聚體以抵抗雨滴的破壞作用，增強土壤的抗蝕性能，使土壤表面結構和土壤水分高入滲得以維持，增加土壤含水量，阻礙結皮的形成，減少地表徑流量和土壤侵蝕量。

PAM具有水合作用［2］。PAM作為一種高分子聚合物，當與水接觸時，疏水基可因疏水作用而轉向內側，形成不溶于水的粒狀結構，親水基團通過氫鍵與水分子結合形成水合水，在分子的表面形成厚度為0.5～0.6 nm的2～3個水分子層。水合作用使高分子的網束展開，由于網內結構中含有一定數量的親水離子，使三維空間網內外出現離子濃度差，從而造成網狀結構內外產生滲透壓，水分子便在滲透壓的作用下向網內滲透形成網孔水。網內的網孔水都是被高分子網空間束縛的自由水，但被束縛的水分子仍然具有普通水的理化性質，只是水分子的運動受到限制。施用PAM后，土壤因PAM特殊的化學結構，持水能力大大增強，在土壤中形成很多的“小水庫”，當土壤干旱時，土壤水分因滲透壓的作用而緩慢釋放供作物吸收利用，從而有效防止土壤水分流失和無效蒸發，達到抗旱保墑作用，為作物增產提供條件。PAM在治理水土流失的同時，增加了一定的農業效益，為旱作農業區PAM的應用提供了可行性。

2 PAM應用中涉及的關鍵因素

2.1 選用類型

PAM是一種水溶性線性高分子物質，是由多個單體經聚合而形成的，其分子質量為10萬～1 500萬u。夏海江等［3］利用PAM防治坡地土壤侵蝕的室內模擬試驗結果表明，陰離子型是水土保持的最優劑型。目前，陰離子型PAM常被用作土壤結構調理劑。由于不同的PAM種類對土壤入滲和土壤侵蝕有很大的影響［3-4］，于健等［5］認為，PAM 對沙壤土入滲及土壤侵蝕的影響主要與其分子質量和水解度密切相關(表1)。

表1表明：PAM可顯著提高土壤水分入滲率和減小侵蝕量，1 500萬和1 800萬u的PAM入滲效果明顯大于1 200萬u的PAM，但1 500萬和1 800萬u之間的差異不顯著;不同分子質量PAM可顯著降低土壤侵蝕量，其中1 500萬u的效果強于1 800萬和1 200萬u的效果;20%水解度的PAM入滲效果高于7%與35%水解度的PAM，PAM的水解度對土壤侵蝕量無顯著影響;低分子質量的PAM分子鏈長較短，不能在相鄰黏粒之間形成“搭接橋”，使黏結作用減弱，而高分子質量的PAM分子鏈過長，難穿透進入土壤團聚體之間的空隙，中等分子質量的PAM分子鏈長度處于中間尺度，較易穿透土壤空隙，也可在土壤顆粒之間搭接，產生較好的黏結效果，因而其防蝕效果較好;水解度為7%的PAM，電荷密度小，吸附作用弱，但水解度為35%的PAM，電荷密度大，造成分子鏈之間互斥作用增強，反而導致PAM黏結作用減弱，因而水解度為20%的PAM增加入滲效果較好。夏海江等［3］用遼北中壤土比較陰離子型分子質量為400萬～500萬u、300萬～400萬u和非離子型分子質量為300萬～400萬u的PAM的防蝕效果，發現陰離子型分子質量為300萬～400萬u的效果最好，因此，在選用PAM劑型時，應比較不同PAM的應用效果，選擇最優劑型。

表1 不同PAM對土壤水分入滲及土壤侵蝕的影響Tab．1 Effect of variation PAM on soil infiltration and soil erosion

石膏、硅鋁酸鹽礦物、廢棄物(如木屑、動物糞便、廢棄油等)等具有一定的水土保持作用且價格低廉，尤其適用水土流失嚴重區、沙漠化地、沙質土壤。PAM與石膏結合、PAM與黃綿土混合以及PAM-atta復合保水劑對水土流失的防治效果等表明，新型PAM具有更好的發展前景［6-9］。

2.2 施用量

PAM用量不同，減小土壤侵蝕的效果也不同。盡管用量增大，土壤侵蝕量也會大大減小，但其成本也會同時增加。研究表明，并非用量越大，PAM的水土保持效果越好。夏海江等［3］研究結果表明，聚丙烯酰胺適宜用量為0.3～1.2 g/m2，相當于3～12 kg/hm2，坡度小時可采用下限值，坡度大時以上限值為宜。R.D.Lentz等［10］的研究結果表明，采用3.5～8.0 kg/hm2PAM可減少80% ～99%的土壤侵蝕量，增加15%～50%的土壤水分入滲。A.J.Kristian等［11］在20mm水深的灌溉試驗中使用2 kg/hm2PAM減少了75%的土壤侵蝕量，增加了70%的水分入滲。I.Shainberg等［12］使用20 kg/hm2PAM獲得了很好的水分入滲效果。但也有研究表明，施用PAM后土壤密度降低，土壤總孔隙度增大。當施用濃度＜10 kg/hm2的PAM時，土壤密度隨PAM施用濃度的增加呈下降趨勢，土壤總孔隙度則呈上升趨勢;當施用濃度＞10 kg/hm2的PAM時，土壤密度隨PAM施用濃度的增加呈上升趨勢，土壤總孔隙度則呈下降趨勢［2］。

PAM的用量對減小土壤水分入滲率、減少土壤侵蝕量存在一個閾值［6］。應用中應通過對試驗結果的分析，建立土壤表層施用PAM用量對徑流、土壤侵蝕影響規律的數學模型，以更好地發揮PAM的水土保持效益。

2.3 應用范圍

PAM是一種新型高效土壤結構改良劑，可抑制土壤表面結皮，保持良好的土壤結構，增加土壤水分入滲，減少水土流失;但這個結論并非對任何土壤都適用，對于不同類型的土壤，經過PAM處理后其入滲率可能增加也可能減小。中等結構或結構好的土壤，施用PAM后可提高入滲率，而結構差的土壤施用PAM后反而會降低入滲率［13］，因為結構差的土壤，砂粒含量高，缺少可分散的黏粒，經過PAM處理后會引起土壤表面封閉，導致土壤入滲降低、徑流量增加;因此，土壤結構是決定PAM施用效果的關鍵因素。雷廷武等［14］用2種不同的土壤進行研究，發現對于不同的土壤，PAM對土壤入滲率的影響有著截然相反的效果，對于黃壤土，PAM不但沒有提高其土壤水分的入滲速度，相反是降低了其入滲率，但在改善土壤結構及防止溝蝕方面都有著顯著的效果。Yu J等［7］通過室內實驗研究了PAM(用量10和20 kg/hm2)對2種土壤(粉壤土、沙黏土)的降雨入滲、產流、土壤侵蝕的影響，發現土壤表層撒施PAM降低了土壤入滲率，但顯著減少了土壤侵蝕量。崔海英等［15］的研究結果表明，粗砂土施用PAM后可增加徑流量、減小產沙量，而壤土施用PAM后徑流量和產沙量都減小，并且減少產沙量的效果要好于減少徑流量的效果。

土壤類型對PAM的蓄水保土功能有重要影響。蓄水方面，在結構好的土壤中，施用PAM可以提高土壤的導水能力和孔隙度，提高土壤的持水能力，而在結構差的土壤中，施用PAM可減小入滲率，原因是結構差的土壤，砂粒的含量很高，缺少可分散的黏粒，降雨過程中溶解在水中的PAM起著絮凝劑的作用，其分子長鏈在絮凝泥沙的同時，長鏈尾部堵塞了土壤的傳導空隙，在土壤表面形成“人工”結皮，降低了土壤入滲，增加了徑流。保土方面，有些研究結果表明，在結構差的土壤中施用PAM會增加產沙量，有些研究結果則表明，PAM可增加徑流量但土壤侵蝕量顯著減小，可能原因是形成的“人工”結皮使土壤表面具有更大的密度、更高的抗剪切力，提高了土壤的抗蝕性，減少了徑流所引起的土壤損失，但“人工”結皮在提高土壤抗蝕性的同時也會增加地表徑流量，提高徑流對土壤的沖刷力。PAM對結構差的土壤侵蝕強度的影響，主要取決于“人工”結皮提高土壤抗蝕性和徑流沖刷力哪方面占主導地位，目前關于這方面的研究還比較少。

也有研究結果表明，PAM對鹽堿地或含鹽土壤的作用效果會明顯減弱［16］。在實際應用時，應首先確定土壤結構及應用目的，否則達不到預期的效果。

2.4 應用方法

PAM的應用方法不同，其產生的效果也有很大的不同，關于PAM應用方法的研究較多，常用的有以下3種方法。

PAM溶解法：將干燥的PAM按一定濃度溶解于水中，然后將溶解的PAM加入灌溉水中，用來防止土壤侵蝕、增加灌溉水入滲率，這是PAM最常用的方法。這種方法也被廣泛地應用于溝灌和噴灌［17-20］。I.Shainberg 等［21］將干燥的顆粒狀 PAM 溶解在水中，按照1 000mg/L的質量濃度制成PAM溶液，以10～20 kg/hm2的施用量噴施于土壤表面，結果提高穩定入滲率1個數量級以上，成倍地減少了地表徑流。R.E.Sojka等［22］2年的溝灌試驗結果表明，在灌溉水中施用PAM，農田水中的泥沙能減少94%，土壤入滲率能提高15% ～50%。袁普金等［23］在研究內蒙古河套地區溝灌水蝕因素的試驗中發現，灌溉水中施加PAM，水流基本為清水，能有效地改良灌溉水質和灌溉地塊的土壤性能，防止灌溉溝中的水蝕并增加土壤水分入滲量。由于溶解法溶解PAM需要大量的水，費工費時，并且當PAM溶液的質量濃度大于1 000mg/L時，非常粘稠而不便于使用。PAM的溶解度0～100%不等，溶解度低的PAM溶解需要一定的時間。

PAM撒施法：在旱作區，由于水資源緊缺并且天然降雨量少，沒有大量的水來溶解PAM，通常選擇在雨季來臨之前將PAM與石膏或與土壤混合，直接撒施到土壤表面，發揮其水土保持功效。研究結果表明，將PAM與石膏或土壤混合使用，在旱作農業區為較好的推廣型。雷廷武等［9］的研究結果表明，將PAM按一定比例與黃綿土混合后直接撒施在土壤表面，在降雨強度為50mm/h左右、坡度小于17.63%的條件下，第Ⅰ階段降雨實驗中4.0 kg/hm2的PAM用量可減少95%以上的土壤侵蝕量，增加20% ～50%的降水入滲。于健等［24］的研究結果表明，在地表上直接撒施干粉PAM與石膏混合物或與土壤混合物，能夠顯著增加入滲量，減少土壤侵蝕量，而且使用方法簡單，可行性較高。

PAM噴灑法：將干燥的PAM按一定濃度溶解于水中，然后在一定的壓力下將溶解的PAM噴灑到地面，可防治土壤侵蝕。在自然降雨的情況下，通常在雨季來臨之前將PAM噴灑到土壤表面，這種方法多在降雨充沛的地區使用。由于PAM噴灑濃度或噴灑量不同，PAM有時可增加地表徑流，有時則減小地表徑流及土壤侵蝕。由于溶解、噴灑PAM費工費時，PAM噴灑法應用較少。

PAM的使用方法和使用量需根據當地的水文、氣象、地貌等自然地理條件和農業生產狀況來確定，以期達到預期目的。

3 應用前景

對于PAM的應用，人們比較關注殘留物是否對環境造成極大的危害和其應用效益2個方面。

3.1 對環境的影響

PAM是一種人工合成的水溶性高分子有機聚合物，多用在造紙、食品加工、水處理等方面。據C.A.Seybold［25］研究，PAM 抵抗微生物降解，在土壤中主要通過物理作用降解。PAM對人體、動物、魚類和植物并無毒害，但其殘留單體(丙烯酰胺)有毒性。丙烯酰胺是一種致癌物，對人體神經有毒害作用，但丙烯酰胺可為生物降解，不在土壤中積累。B.Sojka等［26］指出，盡管會有少量PAM單體隨PAM的使用而進入土壤，但PAM單體在溫度較高的土壤中會很快降解。如果將PAM產品的丙烯酰胺含量限制到最小，PAM本身對環境并無威脅，可有效地用作土壤結構調理劑［25］。

PAM在土壤表層僅入滲1～2 cm，主要蒸發為水和含氮的物質，從而增加土壤的氮含量。對植物和徑流或灌溉下滲的污染極小，屬于環保型產品之一。

3.2 水土保持效益

PAM能很好地改善土壤結構，減少土壤侵蝕。其作用主要有以下5個方面。

1)減小徑流量。PAM在防治土壤侵蝕方面顯著的2個效果是提高土壤水分入滲率和持水力，這2個作用在一定程度上都極大地減少了地表徑流量。

2)減少侵蝕量。施用PAM能減少徑流量，從而可減少徑流對地表的沖刷。PAM促使土壤顆粒形成體積很大的絮團，可增加土壤顆粒的水穩性。土壤水穩性團粒的增加，提高了土壤表面的抗濺蝕能力和對地表徑流的抵抗力，使土壤顆粒在徑流中不易分散懸浮而流失，從而減少土壤侵蝕量。

3)保肥。PAM在減少土壤侵蝕量的同時，也減少了土壤流失而引起的土壤養分流失。PAM處理后土壤的有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀等含量會明顯提高。

4)增產。PAM能改善土壤結構，降低地表徑流，減少土壤侵蝕和養分流失，同時，PAM具有極強的持水能力，在旱作農業區能顯著促進作物生長發育并提高作物產量［27］。陸軍等［28］在西北黃土地區種植玉米(ZeamaysL.)時施用了PAM，根據2002年玉米價格及PAM產品價格估算，僅玉米籽粒增加的產值就相當于PAM使用成本的3.5～12.0倍，再加上其減少土壤侵蝕、保肥等生態效應，其效益相當可觀。

5)集雨。中等分子質量的PAM可增加降水入滲、減小地表徑流，但高分子質量的PAM在增加劑量的情況下因所形成的分子鏈比較長而堵塞土壤顆粒間的孔隙，可減少土壤水分入滲，增加地表徑流，具有極好的集雨效果，且用量越大集雨效果越好，可作為干旱、半干旱地區很好的集雨材料［29］。

由于施用PAM可減少地表徑流量及土壤侵蝕量，減少土壤養分、殺蟲劑、滅草劑等流入河流，從而可大量地降低河流水體中的 BOD(生物化學含氧量)。

4 應用中的問題

從理論上講，PAM具有良好的水土保持效應，但實際應用中，影響其實際效果的因素較多，如地形特征、土壤質地以及使用時機和方法。如黃土高原隴西西部大于15°的土地面積達70.9%，坡度達35°的達12.1%，溝谷密度為2.03～3.38 km/km2，土壤有砂土、壤土等多種質地，土壤質地與坡度的差異給確定PAM的使用量造成了很大的困難，即使PAM具有良好的水土保持效益，還需考慮其經濟效益。另外，PAM是一種較易揮發的顆粒，而黃土高原地區晝夜溫差較大，降水預報范圍較大，選用PAM的時機和方法是一個很難解決的問題［30］。因此，在實際應用PAM前要在室內和田間針對本地區的具體自然狀況進行多項試驗，尋找到施用PAM后地表徑流、土壤水分入滲和土壤侵蝕量等與土壤侵蝕有關的參數，建立土壤侵蝕通用模型，為施用PAM提供理論依據。在旱作農業區要建立不同降雨量、作物產值和PAM成本比條件下的經濟效益函數關系，保證PAM的應用在經濟上可行。同時也要加大新型PAM的研究，克服傳統PAM在應用過程中的一些問題，提高PAM的耐鹽堿強度，提高吸水倍數，降低成本。

PAM在水土流失治理過程中問題較多，如由于施用量、施用方法和土壤質地等的不同，有時會提高土壤水分入滲率，有時則會降低土壤入滲率，許多方面有待進一步研究。

總體來說，PAM作為一種新型材料，在水土流失防治過程中凸顯了極大的優越性，但在應用中還有很多問題需要解決;因此，PAM在我國水土流失治理過程中的應用應引起重視，使PAM發揮其最大的水土保持效應。

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Mechanism of PAM on soil and water conservation and its development

Li Jingjing1，Bai Gangshuan1，2

(1.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Science andministry of Water Resources;2.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University：712100，Yangling，Shaanxi，China)

Soil and water loss is one of themajor environmental problems in China.As a highmolecular polymer，PAM possesses flocculation and hydration effects，and thus could improve soil water infiltration and reduce surface runoff.PAM has no toxic effects on soil，and it could preserve fertilizer，increase yields，harvest rainfall，and has a broad application prospect in agriculture production.According to the function of PAM on soil and water conservation，this papermainly introduces the soil and water conservationmechanisms of PAM，the key factors in application processes，application prospects，and existing problems.PAM owns various types，the soil and water conservation efficacy varies primarily with PAM types，applicationmethods，and application quantity.In order tomake full use of it，PAM should be inosculated closely with the local soil，climate，landscape，and vegetation in soil erosion control.Future researches should emphasize on building a universal soil loss equationmodel after the PAM application as well as developing new PAM products，so as to provide a theory basis for promoting the application of PAM in soil and water conservation.

polyacrylamide(PAM);soil erosion;preventivemechanism;application prospects;application problems

2011-05-16

2011-08-01

國家“十二五”科技支撐計劃項目“黃土丘陵溝壑區水土保持與高效農業關鍵技術集成與示范”(2011BAD31B05);水利部科技推廣項目“保水劑技術的推廣應用”(TG1144)

李晶晶(1987—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：Lijingjing110@mails.gucas.ac.cn

?責任作者簡介：白崗栓(1965—)，男，研究員。主要研究方向：果樹栽培及保水劑應用。E-mail：gshb@nwsuaf.edu.cn

(責任編輯：宋如華)