干粉PAM溶解时间对土壤饱和导水率的动态影响①

韩　冬，魏占民*，于　健，宋日权

（1 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特　010018；2 内蒙古水利科学研究院，呼和浩特　010020）



干粉PAM溶解时间对土壤饱和导水率的动态影响①

韩冬1，魏占民1*，于健2，宋日权2

（1 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010018；2 内蒙古水利科学研究院，呼和浩特010020）

摘要：本试验选取两种质地土壤（黏壤土和砂壤土），采用3种干粉PAM施用水平（0、22.5 kg/hm2和45 kg/hm2），测定土样在10.25 mm/h入渗速度下的土壤饱和导水率（KS），然后根据土样团聚体含量和稳定性及团聚结构的微观图片，分析干粉PAM影响下土壤结构的变化特征，进而说明干粉PAM溶解时间对KS的影响机理。结果表明：施用PAM后，KS随干粉PAM在水中溶解时间的延长而逐渐减小，最终趋于稳定；干粉PAM溶解时间较短时，PAM处理的KS高于对照，其中PAM施用水平45 kg/hm2时砂壤土KS提高幅度最大，较对照提高26.87%，但不同PAM施用量处理间的KS差异不显著。干粉PAM溶解时间足够长时，PAM处理的KS均显著低于对照，其中PAM施用水平45 kg/hm2时黏壤土KS降低幅度最大，较对照降低10.86%，但是不同施用量处理间KS差异不显著。从影响机理上分析，PAM主要是通过增加土壤团聚体含量及稳定性来提高KS；而干粉PAM溶解时间足够长时，由于PAM易吸附土壤颗粒，水解后的PAM分子链不断伸张延长，堵塞了土壤孔隙，加上PAM本身的黏滞特性，从而降低了KS。研究干粉PAM溶解时间对KS的动态影响，可以为PAM在改善土壤导水能力方面的应用提供理论依据。

关键词：PAM；溶解时间；土壤饱和导水率

聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，简称 PAM）是一种高分子聚合物，分子结构单元中含有酰胺基，易形成氢键。源于分子结构的特性，PAM具有良好的水溶性，使得水解、降解、羟甲基化、磺甲基化、氨甲基化、交联等化学反应得以进行［1-2］。在前人的研究成果中，PAM在稳定土壤结构，降低表土侵蚀等方面表现卓越［3-6］。而对于PAM对土壤饱和导水率（KS）的影响却一直存在争议，一部分研究者认为PAM对KS起促进作用：Trout等［7］通过试验得出PAM能够稳定土壤结构，保持土壤通透性能，提高土壤 KS；潘英华等［8］研究发现PAM可以提高KS，PAM施用剂量由0增加至2.5 g/m2，KS提高8.92%。另一些研究者则认为施用PAM反而降低KS，其中刘东等［9］研究得出KS随PAM施用剂量的增加而减小，呈显著负相关，最多降低95.3%；彭冲等［10］发现将PAM 按照0、1/ 5 000、1/2 000 和 1/1 000的质量比与干土混合施用显著降低了 KS；杨明金等［11］研究表明施用 PAM 后KS降低，且PAM施用量越多，降低程度越明显。造成这种现象的原因有些研究者分析跟PAM的施用量有关，认为一定浓度范围内的PAM溶液能够提高KS，超过该浓度则 PAM 将显著降低 KS，如韩凤朋等［12］通过试验得出在0 ～ 2 g/m2范围内添加 PAM可以减小土壤体积质量增加KS，但用量超过2 g/m2土壤体积质量开始增加；还有一些学者把PAM对土壤中水流运动的影响归结为PAM不同的施用方式和不同分子量，于健等［13］研究表明，喷洒溶胶和溶液PAM可分别提高土壤稳定入渗率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均能显著提高土壤入渗，与对照相比，稳定入渗率分别增加了58.9%、92.2% 和83.3%［14］。

本研究通过观测施用干粉PAM后土壤KS的变化发现，干粉PAM对KS产生了动态影响，原因可能与干粉PAM的溶解时间有关。本文以内蒙古中部地区两种典型耕作土壤为研究对象，分析PAM不同溶解时间对 KS的动态影响，并且结合宏观上土壤团聚体含量的变化和微观上土壤结构图像来解释影响的原因，为PAM在土壤结构改良方面的推广提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试两种土壤：黏壤土和砂壤土，分别取自内蒙古准格尔旗和察哈尔右翼中旗，地理坐标分别为41°6′N， 111°55′ E和39°16′N， 110°5′E。土样均采自地表0 ～ 20 cm土层，两种土壤的基本理化性质见表 1。聚丙烯酰胺（PAM）采用由唐山博雅化工公司生产的阴离子型，分子量为12×106Da，水解度7%。

表1　供试土样基本理化性质Table 1　The physical and chemical properties of tested soils

1.2研究方法

1.2.1饱和导水率（KS）试验KS根据马氏瓶原理采用定水头法，水头高度定为40 cm。试验装置示意图如图1所示。

图1　饱和导水率试验装置示意图Fig. 1　Diagram of experimental installation of soil saturated hydraulic conductivity

试验分为填装土柱、湿润饱和、灌水测定3部分。其中湿润饱和阶段运用蠕动泵控制湿润速度，湿润速度根据当地水平畦田的普遍灌水定额选取10.25 mm/h，蠕动泵湿润示意图如图2所示。

图2　湿润土壤示意图Fig. 2　Diagram of wetting soil

具体操作方法为：将风干土样（含水率＜5%）分层填装进有机玻璃土柱（高9 cm，内径5.7 cm），每层均匀压实以保证与天然体积质量一致，PAM处理的土样是将PAM颗粒与干土混合并搅拌均匀，PAM施用量根据当地普遍采用的表层0 ～ 20 cm土壤混施设定两个水平 22.5 kg/hm2（PAM22.5）和 45 kg/hm2（PAM45）。湿润饱和阶段判定饱和以土柱上表面析出水珠并且形成2 mm厚水膜为准。灌水测定由马氏瓶供水并且维持恒定水头40 cm，待水流透过土柱连续无气泡流出时开始记录，记录水流流出25 ml所需时间，连续观测30次。为消除试验误差，每种处理重复3次，数据结果均为3次试验平均值。

1.2.2团聚体破碎试验采用干筛法进行团聚体破碎程度分析，仪器选用土壤团聚体分析仪，型号XL.02-TTF-100。

干筛法：将 50 g质量的风干土样（含水率＜5%）依次通过孔径为 5、2、1、0.5、0.25、0.106、0.053 mm的套筛，计算＞0.25 mm团聚体含量R0.25［15］、各级团聚体所占比例、平均重量直径［16］（mean weight diameter，MWD）。为消除试验误差，每种处理重复3次，数据结果均为3次试验平均值。

1.2.3微观结构观测试验采用日立 S-3400N可变压力扫描电子显微镜观测团聚体破碎情况。将完成KS测定的土样风干15天，土体表层及内部完全干燥后，取土柱内约1 cm3的土样，利用双面胶将土样颗粒粘合在金属支座上，为了满足拍照时曝光的均匀度将土样进行喷金。结束后放入仪器进行观测，选取土样结构放大3 000倍时照片作为观测结果。

1.3数据处理

KS：由于土壤的黏性作用，水在土壤中流动时会损失能量，能量损失的规律符合达西定律，即通过土壤的水流通量与土壤水势梯度呈正比，因此KS根据达西定律计算：

式中：V 为出水量（cm3）；t 为相应时间（s）；A 为横截面积（cm2）；L 为土柱长度（cm）；H为测定水头（cm）。

式中：Mr为＞0.25mm团聚体重量（g）；MT为团聚体总重量（g）；MWD为团聚体平均重量直径（mm）；xi为任一粒级范围内团聚体的平均直径（mm）；wi为对应于xi的团聚体质量分数（%）。

采用EXCEL2003、SPSS17.0对数据结果进行差异性分析，用Duncan法进行多重比较，显著水平为P＜0.05。

2　结果与讨论

2.1PAM对土壤饱和导水率时效性的影响

图3、图4为2种不同质地土壤施用PAM后KS动态变化过程曲线，横坐标为试验持续时间。随着PAM溶解时间的延长，KS并非为一个定值，而是逐渐降低最终趋于稳定。PAM溶解时间即为混合在土壤中的PAM颗粒逐渐在水中溶解所经历的时间。其中对照组KS略有降低，原因是入渗水流由上至下使得孔隙紧实土壤孔隙由大变小，经过一定时间后，土壤孔隙达到稳定。

从数据结果来看，施用PAM的土壤KS在不同的测定时间出现明显差别，当PAM施用量为22.5 kg/hm2时，黏壤土的KS值在测定时间约18 min时开始低于对照，砂壤土约10 min时开始低于对照；而当PAM施用量为45 kg/hm2时，黏壤土的KS值约为12 min左右开始低于对照，砂壤土开始低于对照时间约为7 min。这是由于PAM分子在土壤水中不断聚合，分子链逐渐延展伸长，长链逐渐堵塞土壤孔隙造成土壤密实导致土壤通透性能下降，测定时间持续 40 min后，KS值开始趋于稳定，直到试验结束1 h为止KS值不再发生变化。

此外，比较两种不同类型土壤：对于黏壤土，PAM的施用剂量越大，KS值越小，说明PAM在水溶液中浓度越高，堵塞现象越明显，土壤越不通透；而对于砂壤土而言，PAM不同施用量间的 KS值差异不显著。

2.2PAM溶解时间较短时土壤饱和导水率的变化

施用PAM后KS的动态变化过程依据PAM不同的作用时间可以分为两个阶段，分别为KS高于对照阶段和KS低于对照阶段。高于对照阶段选取测定时间为2 min时的KS值，也是PAM处理后KS的最高值，数据结果显示施用PAM处理的KS值较对照均有所提高，且差异显著，但是无论对于黏壤土还是砂壤土，PAM不同施用量间的KS差异不显著，如图5所示。

图3　黏壤土KS的动态变化Fig. 3　The dynamic changes of KSof clay loam soil

图4　砂壤土KS的动态变化Fig. 4　The dynamic changes of KSof sandy loam soil

图5　测定时间为2 min时的土壤KSFig. 5　KSafter two minutes

黏壤土PAM施用量为22.5 kg/hm2作用2 min时的KS值较对照提高6.98%，而当PAM施用量增加至45 kg/hm2时，KS值较对照提高11.83%，但是PAM不同施用剂量间的KS差异不显著；砂壤土PAM不同施用量的 KS值较对照提高 15.73% 和 26.87%，但PAM不同施用剂量间的KS差异不显著。

PAM施用增加KS的原因可能是因为PAM稳定了土壤结构，增加了土壤团聚体含量及稳定性［7-8， 17］，如表2所示。首先，分析PAM对团聚体含量的影响发现，除黏壤土PAM22.5处理外，PAM能有效增加R0.25的含量，且不同施用量之间差异显著。其次，就MWD而言，施用PAM和PAM不同施用量间的土壤结构稳定程度均表现出显著差异。综上，对于黏壤土和砂壤土，PAM都能够提高团聚体含量，增强团聚体稳定性，进而增强土壤结构的稳定性，保持土壤水流传导能力，在一定时间内提高了KS。

表2　土壤团聚体组成和稳定性Table 2　Size distribution and stability parameters of soil aggregates

2.3PAM 溶解时间足够长时土壤饱和导水率的变化

图6反映了PAM分子在水中溶解时间足够长，KS值趋于稳定后的各处理KS的变化。此时的KS值显著低于对照，且PAM施用量越大，稳定KS值降低程度越大。黏壤土PAM施用量为 22.5 kg/hm2稳定的KS值较对照降低 5.63%，PAM 施用量为 45 kg/hm2稳定的KS值较对照降低10.86%；砂壤土PAM施用量为 22.5 kg/hm2稳定的 KS值较对照降低 6.94%，PAM 施用量为 45 kg/hm2稳定的 KS值较对照降低10.24%。无论对于黏壤土和砂壤土，PAM不同施用量之间的稳定KS值差异不大，说明当土壤孔隙全部被PAM延展的链状结构填满后，导水性能将不在发生改变。

图6　土壤稳定KSFig. 6　The soil stable KS

图7　土壤微观结构图Fig. 7　The soil's microscopic structure

在 KS测定完毕后，对试样进行风干处理，试样彻底风干后取土柱中心部位的土壤截面，利用电子显微镜放大3 000倍进行土壤微观结构观测。图片选取3个PAM施用水平（0、22.5、45 kg/hm2）进行观测，观测结果，见图7。土壤微观结构图说明了团聚体的破碎崩解程度。当PAM施用量为0时（CK处理），土壤颗粒层次分明，团聚结构清晰可辨；当PAM施用量增加至较高水平（PAM45处理），土壤团聚结构的孔隙几乎完全被PAM分子长链堵塞，土壤颗粒间孔隙寥寥无几。而PAM施用量较小时（PAM22.5处理）土壤团聚结构堵塞情况介于两者之间。

造成土壤混施干粉PAM后KS动态变化的原因一方面是由于PAM分子的水解特性，即PAM分子在水中酰胺基转化为羟基，成链状结构，进而填充土壤孔隙的过程［18］；另一方面是PAM在水中溶解后本身的黏滞性使水溶液的黏滞度增加，土壤水流动逐渐减慢［19］，细小的土颗粒吸附在PAM分子链上，形成结构密闭空间，导致土壤KS的降低。由于干粉PAM在水中溶解需要一定的过程，所以当干粉PAM溶解时间较短时，PAM主要起到了稳定土壤团聚体的作用，进而促进了土壤中水流的运动，增加了KS值。而随着干粉PAM在水中溶解时间的延长，PAM分子链在水中不断聚合伸长，直至完全水解，链状结构堵塞孔隙在土壤结构中起主导作用，稳定的KS值显著低于对照［20］。

本实验是在土壤达到饱和后立即测定 KS值，施用PAM后的KS值均在1 h内观测完毕，并没有考虑土壤干湿循环后PAM对KS的影响；而在实际生产中，土壤大部分处于非饱和状态，施用PAM的KS如何变化还需做进一步的研究。此外，PAM对KS的影响复杂多变，与施用PAM后土壤本身的体积质量、孔隙率、ESP（可交换钠百分比）和有机质含量等物理化学性质都息息相关［21-22］，所以不能仅仅从一个方面分析PAM对KS的影响机理。团聚体数据明确表明PAM能够稳定土壤结构，而土壤结构的稳定性是提高 KS的必要条件，但是PAM由于其特殊的分子结构和水解特性，使其单独施用对KS的增加并没有起到积极的作用。在今后的研究中，应将重点选择合适的复配材料与PAM联合施用，既能发挥PAM稳定土壤结构的特点，又能提高土壤导水性能。

3　结论

1） 施用PAM后，土壤KS随着PAM在水中溶解时间的延长而逐渐减小，最终趋于稳定。

2） PAM分子水中溶解时间较短时，PAM 处理KS高于对照，砂壤土中 PAM 施用量为 22.5 kg/hm2和45 kg/hm2的处理对应的 KS分别较对照提高了15.73% 和26.87%；黏壤土中对应的Ks分别较对照提高了6.98% 和11.83%。但两种土壤中不同PAM施用量处理间的KS差异均不显著。

3） 稳定阶段的 KS，施用PAM处理均显著低于对照，两种类型土壤中不同施用量处理间的KS差异亦均不显著。砂壤土中 PAM施用量为 22.5 kg/hm2和45 kg/hm2的处理对应的KS分别较对照降低6.94% 和10.24%，而黏壤土中对应的KS分别较对照降低了5.63% 和10.86%。

4） PAM能够提高KS主要是通过稳定土壤团聚结构，其中PAM施用量越大，R0.25也越大，黏壤土中PAM施用量45 kg/hm2处理的R0.25增加10.95%，而砂壤土中增加43.68%；PAM施用使KS显著低于对照，是由于PAM水解后的分子链不断伸张延长，堵塞土壤孔隙，从而封闭了土壤导水通道，由于 PAM本身水解后水溶液黏稠，吸附土壤颗粒，使整个结构板结成块，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

中图分类号：S152.4+5

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.024

基金项目：①国家自然科学基金项目（51469024）和国家国际科技合作专项项目（2014DFA71080）资助。

* 通讯作者（wei_zhanmin@aliyun.com）

作者简介：韩冬（1987—），女，辽宁沈阳人，博士研究生，主要从事土壤结构改良方面的研究。E-mail： nuanxiasky@126.com