聚丙烯酰胺改良盐渍土壤的适宜用量研究①

张雪辰，陈 诚，苏里坦，王秀萍，刘广明，杨劲松

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 中国科学院大学，北京 100049；3黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；4 中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011；5 河北省农林科学院滨海农业研究所，河北唐山 063200)

土壤盐渍化是当今人类面临的十分突出的环境问题，盐渍土是地球上分布广泛的后备土地资源。我国盐渍土总面积约3.6×107hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[1]，主要分布在我国东北、华北、西北内陆地区及长江以北沿海地区[2]。盐渍土结构性差，保水性差，肥力低，不适宜植物生长[3-4]，严重时导致作物死亡，影响作物产量。因此，盐渍土的改良及开发利用尤为重要。一般的盐渍土壤改良方法有物理改良、化学改良和生物改良以及水利措施。改良剂适宜用量的确定是化学改良措施的技术核心[5]。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种高效的土壤结构改良剂，其为高分子聚合物，有较好的水溶性，具有很强的黏聚作用，能够维持并且增加团聚体的数量[6-8]，增加土壤孔隙度[9]，降低土壤容重[10]，提高土壤入渗率和含水量[11-13]，从而改善土壤物理结构[14]。PAM的施用量影响改良效果和实施成本。施用量过小，其效果可能不明显，而施用量太大不仅使成本提高，效果也不一定最佳，因此根据不同的土壤性质、改良目的及改良区域选择适宜的施用量至关重要。员学锋等[15]通过研究 PAM 对塿土的改良效果，发现PAM的施用量＜1 g/m2时，土壤容重下降，孔隙度增加，而当施用量＞1g/m2时，土壤容重增加，孔隙度减小，土壤渗透性降低。Sojka 和 Lentz[16]研究表明，PAM在单位面积(1 m2)上较适宜施用量为1～2 g。韩凤朋等[17]研究表明，施用量为 2 g/m2时，土壤含水量达到最大，施用量再增加并不能产生明显效果。砂土中施用PAM会显著地减小土壤的稳定水力传导度，因此应减小PAM的施用量[18]。马鑫等[19]研究表明，土壤水吸力相同时，对于轻度盐渍化土持水力最佳的PAM施用量为0.25 g/kg，而对于中度、重度盐渍化土，PAM施用量0.5 g/kg时其持水能力最佳。可见，PAM的施用量并不大，但由于PAM在国内的应用刚刚起步，且由于土壤性质和改良目的不同其施用量并不能一概而论，因此，确定PAM在盐渍土壤改良中最适宜用量是其应用于盐渍土改良的首要任务。基于此，本试验设置了不同的PAM浓度梯度，旨在找出PAM改良盐渍土的最优用量，为PAM在盐渍区的应用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样基本理化性质见表1，为中度盐化黏质耕作土壤，种植主要作物为水稻、玉米、小麦等。土壤改良剂选用聚丙烯酰胺(PAM)，阴离子型，分子量为300万。PAM是一种水溶性的高分子聚合物，具有很强的絮凝作用。

表1 供试土壤的主要理化性质Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 试验设计

将采集的盆栽土壤自然风干，过5 mm筛，于中国科学院南京土壤研究所温室进行盆栽试验，时间为2015年9月至11月。试验牧草为黑麦草，每盆播种100颗种子，每盆装土2 kg。试验设置6个PAM浓度，3次重复。PAM浓度分别为0、0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg。用氮肥和磷肥作为基肥，其中氮肥为尿素，用量为N 0.15 g/kg，磷肥为磷酸氢二铵，用量为 P2O50.10 g/kg。将风干土、各浓度改良剂及氮肥、磷肥充分混合于干净的塑料盆钵中，加蒸馏水至田间持水量，放置2 d，然后均匀播撒黑麦草种子，适时浇水，每盆浇水量一致，于温室中进行培养。

1.3 土样采集与分析

在黑麦草收获后，去除表层土壤，取环刀土样，用于测定土壤容重、土壤毛管孔隙度和饱和导水率；同时采用土钻法，在盆钵中间采取土样，混匀，土壤样品带回实验室内自然风干，磨碎，过2 mm筛后进行相关指标测定。

土壤电导率由电导率仪测得；土壤容重和土壤毛管孔隙度测定采用环刀法；土壤孔隙度由土壤容重和比重计算求得；土壤饱和导水率测定采用定水头法；土壤pH测定采用电位法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤硝态氮和铵态氮测定采用2 mol/L KCl浸提-紫外分光光度计比色法；土壤有效磷测定采用碳酸氢钠浸提法；土壤速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法。所有测定方法参照《土壤农业化学分析法》[20]。

2 结果与讨论

2.1 PAM对土壤电导率的影响

PAM的不同施用量与土壤电导率的关系见图1。由图1可知，在0.01～0.27 g/kg的PAM施用范围内，土壤电导率较对照(不施PAM)均下降，但当施用量为0.81 g/kg时，土壤电导率较对照增加 1.17%，说明PAM 的施用量并不是越大越好。当 PAM 施用量为0.01 g/kg和0.03 g/kg时，土壤电导率分别较对照降低1.28%和0.53%；当PAM施用量为0.09 g/kg时，土壤电导率达到明显的最低值，为1.63 dS/m，较对照下降 13.42%。而当施用量继续升高时，土壤电导率反而增加。由此可知，从土壤电导率的角度分析，PAM的较适宜的施用量为0.09 g/kg。阴离子型PAM能降低电导率的原因可能是PAM溶于水后吸附土壤溶液中阳离子，从而降低土壤可溶性盐含量。谷晓岩等[21]研究表明，PAM浓度在0～50 mg/kg范围内，浓度越高，土壤电导率降低率越大，这与本试验研究结果一致。谷晓岩等[21]推测阴离子型PAM能降低土壤电导率的原因可能与氢键和配位基交换有关，并通过PAM对盐溶液电导率影响的试验证实其作用机理是通过减少土壤溶液的含盐量降低电导率。而PAM浓度继续增加改良效果不明显的原因可能是施用量过大时，聚合物分子将部分自身缠绕成团以及在土粒表面上形成“双层”吸附层，从而不利于盐分的淋洗[22]。

图1 PAM 不同施用量对土壤电导率的影响Fig. 1 Effect of PAM concentration rate on soil electrical conductivity

2.2 PAM对土壤总孔隙度和毛管孔隙度的影响

土壤孔隙是土壤中团粒结构之间的间隙，土壤孔隙度为土壤孔隙容积占土体容积的百分数。土壤孔隙的组成是评价土壤理化性质，土壤结构和土壤质地的重要指标[23-24]。土壤孔隙分为毛管孔隙和非毛管孔隙。非毛管孔隙主要承担透气作用，为好氧微生物提供良好的生存环境，同时也为土壤水分的暂时储存提供空间[23]。毛管孔隙是水分储存和运动的主要空间，是土壤孔隙分类和评价的常用指标，只有毛管孔隙度适宜才利于植物吸收水分。

图2 不同PAM施用量对土壤毛管孔隙度和总孔隙度的影响Fig. 2 Effect of PAM concentration rate on soil capillary porosity and total porosity

PAM 的施用量对土壤毛管孔隙度和总孔隙度的影响见图2。从图2可以看出，土壤毛管孔隙度的变化随着PAM的施用量增加而增加，当施用量为0.09 g/kg时达到最大值，之后随着用量的增加而降低。从此趋势可知PAM施用量并非越大越好，当施用量为0.09 g/kg时效果最为显著，土壤毛管孔隙度为45.38%，较对照增加 5.35%；当施用量为 0.81 g/kg时，其效果最差，毛管孔隙度为 42.85%，较对照降低0.52%。由此，从毛管孔隙度的角度来看，较适宜的PAM施用量为0.09 g/kg。同时，从图2还可以看出，各个处理均能提高土壤的总孔隙度，当PAM施用量为0.09 g/kg时效果最佳，总孔隙度为48.44%，较对照提高5%；当施用量为0.81 g/kg时效果最差，总孔隙度为 46.79%，较对照提高2%。PAM的施用量在一定程度上能增大孔隙度，其主要原因是 PAM的絮凝作用利用土壤水稳性团聚体的形成和稳定性，从而使土壤孔隙度特别是土壤毛管孔隙度增大[15,24]。而当 PAM 浓度过大时反而效果下降，可能原因是PAM 的水溶性很强而透水能力较差，施用量增加时众多颗粒间可能形成多枝纤维状物，并且PAM溶于水后使水黏度增加，黏稠物会进入到土壤孔隙中，堵塞土壤孔隙[9,11]。

2.3 PAM对土壤容重的影响

土壤容重是土壤的基本物理性质之一。土壤容重和土壤孔隙度间有一定的数量关系，土壤容重会随着土壤孔隙度的增大而降低。同时，土壤容重也影响到土壤结构及植物根系穿透土壤的能力，关系到土壤水、肥、气、热的变化及土壤抗侵蚀能力和植物生长发育。

图3 PAM 不同施用量对土壤容重的影响Fig.3 Effect of PAM concentration rate on soil bulk density

PAM 施用对土壤容重的影响见图 3。试验结果表明，所有处理的土壤容重均低于对照，当施用量在0.01～0.09 g/kg范围内时，土壤容重随着用量增加而降低，在施用量为0.09 g/kg时达到最低，之后随着用量的增加而升高。PAM施用量为0.09 g/kg时效果最好，土壤容重为1.35 g/cm3，较对照降低5.71%，显著低于对照。员学锋等[15]研究表明，PAM 施用浓度＜1.0 g/m2时，土壤容重随PAM 施用浓度的增加而下降，而当施用浓度＞1.0 g/m2时，土壤容重随PAM施用浓度的增加而呈上升趋势。同时大量研究也表明，在PAM的施用量不大的情况下，土壤容重随PAM施用的增加而降低[23-24]。

施用PAM 后，土壤容重降低是因为土壤气孔结构得到改善，土壤内部孔隙增多总孔隙度增大。土壤孔隙度直接影响土壤容重的大小，土壤孔隙度小，表明土壤紧实，容重大；土壤孔隙度大，表明土壤疏松，容重小。

2.4 PAM对土壤饱和导水率的影响

土壤饱和导水率是重要的土壤水动力学参数，反映了土壤的渗透性能，是研究土壤水分及溶质运移规律的重要参数。土壤饱和导水率受土壤结构、质地、孔隙结构、盐分及有机质等的影响[25]。目前 PAM 对盐渍化土壤饱和导水率的影响机理并不明确。

图4 PAM不同施用量对土壤饱和导水率的影响Fig. 4 Effect of PAM concentration rate on soil saturated hydraulic conductivity

PAM 施用对土壤饱和导水率的影响见图 4。从图4可以看出，土壤饱和导水率的变化趋势类似于土壤毛管孔隙度的变化。饱和导水率先是随着PAM的施用量增加而增加，在施用量为0.09 g/kg时达到最大，之后随着用量的增加而降低。由此可知，PAM施用量为0.09 g/kg时，土壤饱和导水率为0.052 mm/min，较对照增加76.7%；当施用量为0.81 g/kg时，其效果最差，低于对照，饱和导水率为 0.010 mm/min，比对照降低66.7%，施用量为0.01g/kg和0.27g/kg时，饱和导水率也低于对照。韩凤朋等[17]也研究表明PAM施用量在0～2 g/m2范围内添加PAM可以增加土壤饱和导水率，但施用量超过2 g/m2，土壤的饱和导水率会降低。施用量增加降低饱和导水率的原因是较高浓度的PAM溶于水后形成黏度较高的致密层，降低了水分下渗速率[19]。

3 结论

本研究结果显示，PAM施用量不同 (0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg) 对土壤的理化性质有不同的影响，在0～0.09 g/kg的施用范围内，PAM对土壤孔隙度和土壤饱和导水率的改良效果随着施用量的增加而提升，当施用量为0.09 g/kg时，土壤毛管孔隙度和总孔隙度较对照分别增加 5.35% 和 5%，土壤饱和导水率较对照增加 76.7%；且在该使用量下土壤电导率降到最低值，为1.63 dS/m；土壤容重较对照降低5.71%，改良效果达到最佳。当施用量继续增加时，PAM 的改良效果不明显。因此，在本试验条件下PAM施用量为0.09 g/kg时，土壤结构能得到良好的改善，利于盐渍土的改良。

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