干粉PAM溶解時間對土壤飽和導(dǎo)水率的動態(tài)影響①

韓　冬，魏占民*，于　健，宋日權(quán)

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特　010018；2 內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院，呼和浩特　010020）

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干粉PAM溶解時間對土壤飽和導(dǎo)水率的動態(tài)影響①

韓冬1，魏占民1*，于健2，宋日權(quán)2

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特010018；2 內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院，呼和浩特010020）

摘要：本試驗選取兩種質(zhì)地土壤（黏壤土和砂壤土），采用3種干粉PAM施用水平（0、22.5 kg/hm2和45 kg/hm2），測定土樣在10.25 mm/h入滲速度下的土壤飽和導(dǎo)水率（KS），然后根據(jù)土樣團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性及團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的微觀圖片，分析干粉PAM影響下土壤結(jié)構(gòu)的變化特征，進(jìn)而說明干粉PAM溶解時間對KS的影響機(jī)理。結(jié)果表明：施用PAM后，KS隨干粉PAM在水中溶解時間的延長而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；干粉PAM溶解時間較短時，PAM處理的KS高于對照，其中PAM施用水平45 kg/hm2時砂壤土KS提高幅度最大，較對照提高26.87%，但不同PAM施用量處理間的KS差異不顯著。干粉PAM溶解時間足夠長時，PAM處理的KS均顯著低于對照，其中PAM施用水平45 kg/hm2時黏壤土KS降低幅度最大，較對照降低10.86%，但是不同施用量處理間KS差異不顯著。從影響機(jī)理上分析，PAM主要是通過增加土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性來提高KS；而干粉PAM溶解時間足夠長時，由于PAM易吸附土壤顆粒，水解后的PAM分子鏈不斷伸張延長，堵塞了土壤孔隙，加上PAM本身的黏滯特性，從而降低了KS。研究干粉PAM溶解時間對KS的動態(tài)影響，可以為PAM在改善土壤導(dǎo)水能力方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：PAM；溶解時間；土壤飽和導(dǎo)水率

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡稱 PAM）是一種高分子聚合物，分子結(jié)構(gòu)單元中含有酰胺基，易形成氫鍵。源于分子結(jié)構(gòu)的特性，PAM具有良好的水溶性，使得水解、降解、羥甲基化、磺甲基化、氨甲基化、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行［1-2］。在前人的研究成果中，PAM在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，降低表土侵蝕等方面表現(xiàn)卓越［3-6］。而對于PAM對土壤飽和導(dǎo)水率（KS）的影響卻一直存在爭議，一部分研究者認(rèn)為PAM對KS起促進(jìn)作用：Trout等［7］通過試驗得出PAM能夠穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤通透性能，提高土壤 KS；潘英華等［8］研究發(fā)現(xiàn)PAM可以提高KS，PAM施用劑量由0增加至2.5 g/m2，KS提高8.92%。另一些研究者則認(rèn)為施用PAM反而降低KS，其中劉東等［9］研究得出KS隨PAM施用劑量的增加而減小，呈顯著負(fù)相關(guān)，最多降低95.3%；彭沖等［10］發(fā)現(xiàn)將PAM 按照0、1/ 5 000、1/2 000 和 1/1 000的質(zhì)量比與干土混合施用顯著降低了 KS；楊明金等［11］研究表明施用 PAM 后KS降低，且PAM施用量越多，降低程度越明顯。造成這種現(xiàn)象的原因有些研究者分析跟PAM的施用量有關(guān)，認(rèn)為一定濃度范圍內(nèi)的PAM溶液能夠提高KS，超過該濃度則 PAM 將顯著降低 KS，如韓鳳朋等［12］通過試驗得出在0 ～ 2 g/m2范圍內(nèi)添加 PAM可以減小土壤體積質(zhì)量增加KS，但用量超過2 g/m2土壤體積質(zhì)量開始增加；還有一些學(xué)者把PAM對土壤中水流運動的影響歸結(jié)為PAM不同的施用方式和不同分子量，于健等［13］研究表明，噴灑溶膠和溶液PAM可分別提高土壤穩(wěn)定入滲率1.0 ～ 2.5、1.7 ～ 2.8倍，直接施用干粉PAM可提高0.25 ～ 1.8倍，不同分子量的PAM均能顯著提高土壤入滲，與對照相比，穩(wěn)定入滲率分別增加了58.9%、92.2% 和83.3%［14］。

本研究通過觀測施用干粉PAM后土壤KS的變化發(fā)現(xiàn)，干粉PAM對KS產(chǎn)生了動態(tài)影響，原因可能與干粉PAM的溶解時間有關(guān)。本文以內(nèi)蒙古中部地區(qū)兩種典型耕作土壤為研究對象，分析PAM不同溶解時間對 KS的動態(tài)影響，并且結(jié)合宏觀上土壤團(tuán)聚體含量的變化和微觀上土壤結(jié)構(gòu)圖像來解釋影響的原因，為PAM在土壤結(jié)構(gòu)改良方面的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試兩種土壤：黏壤土和砂壤土，分別取自內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗和察哈爾右翼中旗，地理坐標(biāo)分別為41°6′N， 111°55′ E和39°16′N， 110°5′E。土樣均采自地表0 ～ 20 cm土層，兩種土壤的基本理化性質(zhì)見表 1。聚丙烯酰胺（PAM）采用由唐山博雅化工公司生產(chǎn)的陰離子型，分子量為12×106Da，水解度7%。

表1　供試土樣基本理化性質(zhì)Table 1　The physical and chemical properties of tested soils

1.2研究方法

1.2.1飽和導(dǎo)水率（KS）試驗KS根據(jù)馬氏瓶原理采用定水頭法，水頭高度定為40 cm。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1　飽和導(dǎo)水率試驗裝置示意圖Fig. 1　Diagram of experimental installation of soil saturated hydraulic conductivity

試驗分為填裝土柱、濕潤飽和、灌水測定3部分。其中濕潤飽和階段運用蠕動泵控制濕潤速度，濕潤速度根據(jù)當(dāng)?shù)厮狡杼锏钠毡楣嗨~選取10.25 mm/h，蠕動泵濕潤示意圖如圖2所示。

圖2　濕潤土壤示意圖Fig. 2　Diagram of wetting soil

具體操作方法為：將風(fēng)干土樣（含水率＜5%）分層填裝進(jìn)有機(jī)玻璃土柱（高9 cm，內(nèi)徑5.7 cm），每層均勻壓實以保證與天然體積質(zhì)量一致，PAM處理的土樣是將PAM顆粒與干土混合并攪拌均勻，PAM施用量根據(jù)當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫谋韺? ～ 20 cm土壤混施設(shè)定兩個水平 22.5 kg/hm2（PAM22.5）和 45 kg/hm2（PAM45）。濕潤飽和階段判定飽和以土柱上表面析出水珠并且形成2 mm厚水膜為準(zhǔn)。灌水測定由馬氏瓶供水并且維持恒定水頭40 cm，待水流透過土柱連續(xù)無氣泡流出時開始記錄，記錄水流流出25 ml所需時間，連續(xù)觀測30次。為消除試驗誤差，每種處理重復(fù)3次，數(shù)據(jù)結(jié)果均為3次試驗平均值。

1.2.2團(tuán)聚體破碎試驗采用干篩法進(jìn)行團(tuán)聚體破碎程度分析，儀器選用土壤團(tuán)聚體分析儀，型號XL.02-TTF-100。

干篩法：將 50 g質(zhì)量的風(fēng)干土樣（含水率＜5%）依次通過孔徑為 5、2、1、0.5、0.25、0.106、0.053 mm的套篩，計算＞0.25 mm團(tuán)聚體含量R0.25［15］、各級團(tuán)聚體所占比例、平均重量直徑［16］（mean weight diameter，MWD）。為消除試驗誤差，每種處理重復(fù)3次，數(shù)據(jù)結(jié)果均為3次試驗平均值。

1.2.3微觀結(jié)構(gòu)觀測試驗采用日立 S-3400N可變壓力掃描電子顯微鏡觀測團(tuán)聚體破碎情況。將完成KS測定的土樣風(fēng)干15天，土體表層及內(nèi)部完全干燥后，取土柱內(nèi)約1 cm3的土樣，利用雙面膠將土樣顆粒粘合在金屬支座上，為了滿足拍照時曝光的均勻度將土樣進(jìn)行噴金。結(jié)束后放入儀器進(jìn)行觀測，選取土樣結(jié)構(gòu)放大3 000倍時照片作為觀測結(jié)果。

1.3數(shù)據(jù)處理

KS：由于土壤的黏性作用，水在土壤中流動時會損失能量，能量損失的規(guī)律符合達(dá)西定律，即通過土壤的水流通量與土壤水勢梯度呈正比，因此KS根據(jù)達(dá)西定律計算：

式中：V 為出水量（cm3）；t 為相應(yīng)時間（s）；A 為橫截面積（cm2）；L 為土柱長度（cm）；H為測定水頭（cm）。

式中：Mr為＞0.25mm團(tuán)聚體重量（g）；MT為團(tuán)聚體總重量（g）；MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑（mm）；xi為任一粒級范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；wi為對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

采用EXCEL2003、SPSS17.0對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行差異性分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著水平為P＜0.05。

2　結(jié)果與討論

2.1PAM對土壤飽和導(dǎo)水率時效性的影響

圖3、圖4為2種不同質(zhì)地土壤施用PAM后KS動態(tài)變化過程曲線，橫坐標(biāo)為試驗持續(xù)時間。隨著PAM溶解時間的延長，KS并非為一個定值，而是逐漸降低最終趨于穩(wěn)定。PAM溶解時間即為混合在土壤中的PAM顆粒逐漸在水中溶解所經(jīng)歷的時間。其中對照組KS略有降低，原因是入滲水流由上至下使得孔隙緊實土壤孔隙由大變小，經(jīng)過一定時間后，土壤孔隙達(dá)到穩(wěn)定。

從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，施用PAM的土壤KS在不同的測定時間出現(xiàn)明顯差別，當(dāng)PAM施用量為22.5 kg/hm2時，黏壤土的KS值在測定時間約18 min時開始低于對照，砂壤土約10 min時開始低于對照；而當(dāng)PAM施用量為45 kg/hm2時，黏壤土的KS值約為12 min左右開始低于對照，砂壤土開始低于對照時間約為7 min。這是由于PAM分子在土壤水中不斷聚合，分子鏈逐漸延展伸長，長鏈逐漸堵塞土壤孔隙造成土壤密實導(dǎo)致土壤通透性能下降，測定時間持續(xù) 40 min后，KS值開始趨于穩(wěn)定，直到試驗結(jié)束1 h為止KS值不再發(fā)生變化。

此外，比較兩種不同類型土壤：對于黏壤土，PAM的施用劑量越大，KS值越小，說明PAM在水溶液中濃度越高，堵塞現(xiàn)象越明顯，土壤越不通透；而對于砂壤土而言，PAM不同施用量間的 KS值差異不顯著。

2.2PAM溶解時間較短時土壤飽和導(dǎo)水率的變化

施用PAM后KS的動態(tài)變化過程依據(jù)PAM不同的作用時間可以分為兩個階段，分別為KS高于對照階段和KS低于對照階段。高于對照階段選取測定時間為2 min時的KS值，也是PAM處理后KS的最高值，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示施用PAM處理的KS值較對照均有所提高，且差異顯著，但是無論對于黏壤土還是砂壤土，PAM不同施用量間的KS差異不顯著，如圖5所示。

圖3　黏壤土KS的動態(tài)變化Fig. 3　The dynamic changes of KSof clay loam soil

圖4　砂壤土KS的動態(tài)變化Fig. 4　The dynamic changes of KSof sandy loam soil

圖5　測定時間為2 min時的土壤KSFig. 5　KSafter two minutes

黏壤土PAM施用量為22.5 kg/hm2作用2 min時的KS值較對照提高6.98%，而當(dāng)PAM施用量增加至45 kg/hm2時，KS值較對照提高11.83%，但是PAM不同施用劑量間的KS差異不顯著；砂壤土PAM不同施用量的 KS值較對照提高 15.73% 和 26.87%，但PAM不同施用劑量間的KS差異不顯著。

PAM施用增加KS的原因可能是因為PAM穩(wěn)定了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性［7-8， 17］，如表2所示。首先，分析PAM對團(tuán)聚體含量的影響發(fā)現(xiàn)，除黏壤土PAM22.5處理外，PAM能有效增加R0.25的含量，且不同施用量之間差異顯著。其次，就MWD而言，施用PAM和PAM不同施用量間的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度均表現(xiàn)出顯著差異。綜上，對于黏壤土和砂壤土，PAM都能夠提高團(tuán)聚體含量，增強團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而增強土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持土壤水流傳導(dǎo)能力，在一定時間內(nèi)提高了KS。

表2　土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性Table 2　Size distribution and stability parameters of soil aggregates

2.3PAM 溶解時間足夠長時土壤飽和導(dǎo)水率的變化

圖6反映了PAM分子在水中溶解時間足夠長，KS值趨于穩(wěn)定后的各處理KS的變化。此時的KS值顯著低于對照，且PAM施用量越大，穩(wěn)定KS值降低程度越大。黏壤土PAM施用量為 22.5 kg/hm2穩(wěn)定的KS值較對照降低 5.63%，PAM 施用量為 45 kg/hm2穩(wěn)定的KS值較對照降低10.86%；砂壤土PAM施用量為 22.5 kg/hm2穩(wěn)定的 KS值較對照降低 6.94%，PAM 施用量為 45 kg/hm2穩(wěn)定的 KS值較對照降低10.24%。無論對于黏壤土和砂壤土，PAM不同施用量之間的穩(wěn)定KS值差異不大，說明當(dāng)土壤孔隙全部被PAM延展的鏈狀結(jié)構(gòu)填滿后，導(dǎo)水性能將不在發(fā)生改變。

圖6　土壤穩(wěn)定KSFig. 6　The soil stable KS

圖7　土壤微觀結(jié)構(gòu)圖Fig. 7　The soil's microscopic structure

在 KS測定完畢后，對試樣進(jìn)行風(fēng)干處理，試樣徹底風(fēng)干后取土柱中心部位的土壤截面，利用電子顯微鏡放大3 000倍進(jìn)行土壤微觀結(jié)構(gòu)觀測。圖片選取3個PAM施用水平（0、22.5、45 kg/hm2）進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果，見圖7。土壤微觀結(jié)構(gòu)圖說明了團(tuán)聚體的破碎崩解程度。當(dāng)PAM施用量為0時（CK處理），土壤顆粒層次分明，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)清晰可辨；當(dāng)PAM施用量增加至較高水平（PAM45處理），土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的孔隙幾乎完全被PAM分子長鏈堵塞，土壤顆粒間孔隙寥寥無幾。而PAM施用量較小時（PAM22.5處理）土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)堵塞情況介于兩者之間。

造成土壤混施干粉PAM后KS動態(tài)變化的原因一方面是由于PAM分子的水解特性，即PAM分子在水中酰胺基轉(zhuǎn)化為羥基，成鏈狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而填充土壤孔隙的過程［18］；另一方面是PAM在水中溶解后本身的黏滯性使水溶液的黏滯度增加，土壤水流動逐漸減慢［19］，細(xì)小的土顆粒吸附在PAM分子鏈上，形成結(jié)構(gòu)密閉空間，導(dǎo)致土壤KS的降低。由于干粉PAM在水中溶解需要一定的過程，所以當(dāng)干粉PAM溶解時間較短時，PAM主要起到了穩(wěn)定土壤團(tuán)聚體的作用，進(jìn)而促進(jìn)了土壤中水流的運動，增加了KS值。而隨著干粉PAM在水中溶解時間的延長，PAM分子鏈在水中不斷聚合伸長，直至完全水解，鏈狀結(jié)構(gòu)堵塞孔隙在土壤結(jié)構(gòu)中起主導(dǎo)作用，穩(wěn)定的KS值顯著低于對照［20］。

本實驗是在土壤達(dá)到飽和后立即測定 KS值，施用PAM后的KS值均在1 h內(nèi)觀測完畢，并沒有考慮土壤干濕循環(huán)后PAM對KS的影響；而在實際生產(chǎn)中，土壤大部分處于非飽和狀態(tài)，施用PAM的KS如何變化還需做進(jìn)一步的研究。此外，PAM對KS的影響復(fù)雜多變，與施用PAM后土壤本身的體積質(zhì)量、孔隙率、ESP（可交換鈉百分比）和有機(jī)質(zhì)含量等物理化學(xué)性質(zhì)都息息相關(guān)［21-22］，所以不能僅僅從一個方面分析PAM對KS的影響機(jī)理。團(tuán)聚體數(shù)據(jù)明確表明PAM能夠穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，而土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是提高 KS的必要條件，但是PAM由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)和水解特性，使其單獨施用對KS的增加并沒有起到積極的作用。在今后的研究中，應(yīng)將重點選擇合適的復(fù)配材料與PAM聯(lián)合施用，既能發(fā)揮PAM穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)的特點，又能提高土壤導(dǎo)水性能。

3　結(jié)論

1） 施用PAM后，土壤KS隨著PAM在水中溶解時間的延長而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

2） PAM分子水中溶解時間較短時，PAM 處理KS高于對照，砂壤土中 PAM 施用量為 22.5 kg/hm2和45 kg/hm2的處理對應(yīng)的 KS分別較對照提高了15.73% 和26.87%；黏壤土中對應(yīng)的Ks分別較對照提高了6.98% 和11.83%。但兩種土壤中不同PAM施用量處理間的KS差異均不顯著。

3） 穩(wěn)定階段的 KS，施用PAM處理均顯著低于對照，兩種類型土壤中不同施用量處理間的KS差異亦均不顯著。砂壤土中 PAM施用量為 22.5 kg/hm2和45 kg/hm2的處理對應(yīng)的KS分別較對照降低6.94% 和10.24%，而黏壤土中對應(yīng)的KS分別較對照降低了5.63% 和10.86%。

4） PAM能夠提高KS主要是通過穩(wěn)定土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，其中PAM施用量越大，R0.25也越大，黏壤土中PAM施用量45 kg/hm2處理的R0.25增加10.95%，而砂壤土中增加43.68%；PAM施用使KS顯著低于對照，是由于PAM水解后的分子鏈不斷伸張延長，堵塞土壤孔隙，從而封閉了土壤導(dǎo)水通道，由于 PAM本身水解后水溶液黏稠，吸附土壤顆粒，使整個結(jié)構(gòu)板結(jié)成塊，降低了KS。

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Dynamic Effect of the Dissolution Time of PAM on Soil Saturated Hydraulic Conductivity

HAN Dong1， WEI Zhanmin1*， YU Jian2， SONG Riquan2
（1 Institute of Water Conservancy and Civil and Architectural Engineering， Inner Mongolia Agriculture University，Hohhot010018， China； 2 Water Resources Research Institute of Inner Mongolia， Hohhot010020， China）

Abstract：Two soils （clay loam and sandy loam） and three addition levels of PAM （0， 22.5， 45 kg/hm2） were used to measure the dynamic changes of soil saturated hydraulic conductivity （KS） under constant water flow （10.25 mm/h）， the content and stability of soil aggregates and thus to investigate the mechanisms for the effect of the dissolution time of PAM on KS. Results showed that KSdecreased as the dissolving time of PAM increased， and finally researched a stable state. When the dissolving time of PAM was shorter， the KSof the PAM treatment was higher than that of control. The sandy loam soil with PAM of 45 kg/hm2had the highest grow rate of KS， and the KSwas increased by 26.87% compared with control. The Ksdid not change with the amount of PAM added. PAM stabilized the aggregate structure of the soils， increased the amount of water-stable aggregate， and thus improved the KS. The amount of the water-stable aggregate of ＞ 0.25mm for the treatment with 45 kg/hm2of PAM added was 8.91% more than the control in sandy loam soil， while that for clay loam soil increased by 32.54%. When the dissolving time of PAM was long enough， the KSof PAM treatment was significant lower than control， and the largest reduction was observed in the treatment with 45 kg/hm2of PAM in clay loam soil， and the KSwas decreased by 10.86% compared with control. However， the Ksdid not change with the amount of PAM added significantly. For the related mechanisms， PAM increased contents and stability of soil aggregates and thus improved KS. On the other hand， after PAM dissolving in water， the solution became glutinous. PAM also adsorbed soil particles and blocked soil pore and thus decreased the KS. We found that PAM improved the structure of sandy loam soil better than that of clay loam soil. The study will provide a theoretical basis for improving soil transparent performance with PAM.

Key words：PAM； Dissolution time； Soil saturated hydraulic conductivity

中圖分類號：S152.4+5

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.024

基金項目：①國家自然科學(xué)基金項目（51469024）和國家國際科技合作專項項目（2014DFA71080）資助。

* 通訊作者（wei_zhanmin@aliyun.com）

作者簡介：韓冬（1987—），女，遼寧沈陽人，博士研究生，主要從事土壤結(jié)構(gòu)改良方面的研究。E-mail： nuanxiasky@126.com