聚丙烯酰胺(PAM)土壤改良剂与应用效应

张海欧， 孙小梅

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司， 陕西 西安 710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司， 陕西 西安 710021； 3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室， 陕西 西安 710021； 4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安 710021)

随着土地的不断开发和利用，土地受人为因素和成土因素的影响存在许多障碍因子，如土壤结构差、盐碱酸化、保水性能弱等，使土地生产力低下。人们生产实践和研究发现，向有障碍的土壤中投入特定的物料可以改良土壤性状，提高土地生产力，由此土壤改良剂应运而生[1]。截至2020年，在我国农业农村部种植业管理司登记备案的土壤改良剂(调理剂)产品高达197个。不同的土壤改良剂应用效果差异较大，总体上来说，其普遍性的功能是能够改善不良、低效或者缺陷性土壤的结构及理化性状，有利于土壤团聚体形成及养分积累，从而有效提高土地的生产能力及作物产量[2-3]。因此针对我国区域土地环境特点和土壤障碍因子，合理选择、使用土壤改良剂产品，是能否达到有效、经济改善土壤物理化学性状、提高作物产量的先决条件。前人大量研究表明，向障碍土壤中施加阴离子PAM，对改善土壤结构，防治水土流失有显著效果，在治理土壤侵蚀和水土流失方面有非常重要的应用前景[4]。为PAM土壤改良、水土流失应用提供参考，综述PAM的理化特征和在保土、保水、保肥方面的应用效应如下。

1 PAM土壤改良剂的理化特征与应用概况

聚丙烯酰胺[Polyacrylamide，简称PAM，分子式(C3H5ON)n]是一种高分子聚合物，由丙烯酰胺(Acrylamide，简称 AM)均聚或与其他单体共聚而成，常用于土壤结构改良的多为高分子量和超高分子量产品(分子量>106)[5]，外观为白色粉末状或无色粘稠胶体状，无臭、中性，具有良好的水溶性和絮凝性，能以各种比例溶于水，几乎不溶于有机溶剂，温度超过120℃时易分解。PAM土壤改良剂施加土壤后，会通过机械断裂、化学和生物水解、光解等方式降解成水、二氧化碳、氨态氮等无毒无害物质，且移动性弱(入渗仅1～2 cm)，不会改变土壤的酸碱度，故不会对土壤、水和环境产生危害，是一种环保型的土壤改良剂[6-7]。

PAM应用于土壤改良在我国起始于上世纪80年代中期，目前应用的有阳离子型和阴离子型两类产品。阳离子型PAM为网状结构，具有高吸水性，通常作土壤保水剂应用，施入土壤可束缚水分和土壤颗粒，缩小土壤的昼夜温差，防止水土流失，进而改善低效或者缺陷型土壤的保水保肥性能，使土壤结构向有利于作物生长的方向发展。阴离子型PAM为线状结构，具有高吸附性，通常作土壤结构改良剂应用，施入土壤可促进土壤细小颗粒相互凝聚，形成稳定的团聚体，提高土壤团聚体的水稳性，阻止细小的土粒随水流失或随风飞扬，减少土壤水蚀和风烛。已有的研究均表明，PAM作为土壤改良剂施入土壤后，能够提升耕作层土壤颗粒间的凝聚力，有效促进土壤大团聚体的形成，有效改善土壤结构，能够提高土壤水分入渗和含水量，抑制水土流失及土地沙化，增加土壤的水肥利用效率，从而有效提升土地生产力和作物产量，且阴离子型的效果好于其他类型[8-9]。

2 PAM对土壤的改良效应

PAM应用于土壤改良和农业生产中，已呈现出显著的保土、保水、保肥、增产等效应。

2.1 保土效应

阴离子型线状结构的PAM通常作土壤结构改良剂应用，施入土壤中能够提升土壤颗粒间的凝聚力，促进土壤中细小的团粒结构及颗粒相互凝聚形成大的团聚体，提升土壤结构稳定性，有效改善土壤结构。张婉璐等[10]的研究结果表明，在一定浓度范围内施用PAM可以显著改善土壤的物理性状，其中土壤团聚体的含量显著增加、土壤内部孔隙增多、总孔隙度增大、土壤气孔结构得到改善、土壤容重也随之降低，添加PAM改良剂的土壤，具有紧密的表面结构和较高的团聚体稳定性，能够有效地抑制土粒的分散，有效防止土壤的侵蚀。韩凤朋等[11]的研究指出，在黄土高原自然条件下添加PAM土壤改良剂对土壤物理性状和水分分布具有重要的影响，表层土体中随着PAM含量的增加土壤含水量升高，并且当PAM含量小于等于2g/m2时能够使得土壤饱和导水率增加，可提高土壤保水能力、降低土壤体积质量。王辉等[12]的研究发现，在黄土区集中暴雨条件下土壤中添加PAM能够对坡地土壤水分的再分布产生影响，降低水分在土层中的渗漏，从而能够起到保水保肥的作用，降低养分向深层土体运移和流失的风险。张淑芬[13]研究了聚丙烯酰胺对坡耕地及沙化土壤的水土保持作用，通过开展水土流失试验，发现在砂壤土中施用阴离子聚丙烯酰胺土壤改良剂灌溉后，能够防止沙地水分渗漏和抑制坡耕地土壤侵蚀，具有显著的保水、固土和护坡作用。

PAM作为一种土壤调理剂在非盐渍化土壤上的应用已比较普遍，如PAM在0～2 g/m2范围内添加可以减小土壤体积质量，增强土壤的吸水和释水能力，抑制土壤蒸发量，增加土壤的持水性能[14]；添加PAM土壤改良剂后，表层土壤累计蒸发量减小4.12%～14.46%，田间持水量增加20.68%～33.71%，毛细管持水量增加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够影响土壤颗粒水分的蒸发状况，其在土壤中的含量越高，抑制土壤水分的蒸发效应越好[16]；PAM与砂土和壤土按不同比例混合后饱和导水率分别下降23.2%～95.3%、21.1%～91.5%[17]；黄绵土中饱和导水率均呈降低的趋势，且随着PAM用量的增加，土壤饱和导水率越来越小[18]。NADLER等[19]测定了粘壤土施用PAM后，土壤水稳性团聚体较对照土壤高3～4倍。PAM能够絮凝细小土粒，稳定土壤结构。

将PAM改良剂与非盐渍土、轻度及中度盐渍土混拌后，进行的室内灌溉模拟试验结果表明，施用PAM的非盐渍土、轻度及中度盐渍土的土壤团聚体含量、孔隙度及毛管孔隙度都有所提高，土壤容重减小，水分蒸发减少[20]。此外，研究发现，适量的盐分可增强PAM对土壤颗粒的吸附、团聚作用，但如果土壤盐分含量过高，将影响PAM对土壤改良的效果，甚至是不再有作用[21]。

2.2 保水效应

PAM土壤改良剂具有显著的保水作用，主要是阳离子型网状结构的PAM作为土壤保水剂应用，其具有高吸水特性，可与许多物质产生亲和、吸附、水解、降解交联等化学反应，亲水基团通过氢键和水分子结合，从而具有显著的絮凝、团聚作用[12]。因此，PAM土壤改良剂施入土壤中能够对水分和土壤颗粒起到束缚作用，从而改善低效或者缺陷型土壤的结构，提高土壤持水保水能力，防止水土流失。PAM分子结构中的基键通过与土壤颗粒间形成吸附力，提升土壤结构稳定性，有效改善土壤结构，并且能够有效降低表层土壤的水分蒸发，提高土壤水分的入渗率，使区域地表径流和水土流失减少，从而使土壤保水保肥能力得到提升，最终达到作物增产的目的[17]。农田土壤中施用PAM后，发现添加PAM改良剂的土壤其保水持水时间较长，土壤水分含量高，作物抗旱能力强，并且PAM浓度相对较高的土壤保水越好，其作物产量越高[9,14]。

2.3 保肥及增产效应

PAM土壤改良剂施入土壤后具有显著的保肥及增产效应，尤其可与土壤中的分子、离子、细小颗粒物以及微生物产生亲和、吸附、水解、降解交联等化学反应，提高土壤保水保肥能力，增加土壤的水肥利用效率，最终提升土地生产力和作物产量。龙明杰等[8]研究发现施用PAM土壤改良剂后，无论土壤发生对肥料的吸附还是淋溶过程，均具有一定的保肥效果[11]。农业灌溉过程中，灌溉水中加入PAM土壤改良剂能够提高养分利用效率，抑制表层土壤中养分的流失，减少径流中所携带的N、P和BOD等，抑制了区域河流水体富营养化。PAM土壤改良施用土壤后，尤其是沙地及结构松散的土壤中，能够抑制有机质和一些速效养分的流失和渗漏，土壤保肥效果最高可提升80%以上[14]。

PAM对土壤的改良效应能够用作物的产量多少来衡量，相关实验研究表明，土壤中PAM改良剂添加量为0.75～1.25 g/cm2时，玉米产量的增量幅度可以达到11.7%～18.3%[17]。使用PAM改良剂的主要作用是增强土壤的水肥利用效率，进而提高作物产量，农业生产中使用PAM改良剂作物增产幅度可达5%～10%。

3 结论及应用前景

我国干旱、半干旱地区水资源短缺，农业灌溉用水不能保证，PAM在农业生产中能够提升自然降雨和灌溉水的利用效率，具有节水保水重要的作用，并且其作为土壤改良剂，在改土、保土、保水、保肥等方面具有显著的经济和生态显著，作为土壤改良及作物增产的重要手段，具有广阔的应用前景。PAM应用于农业生产有其显著的优越性，但同时还面临着不同区域条件、不同土壤类型、不同灌溉条件等多种因素的制约，因此，探究针对不同类型及环境因素下PAM改良土壤的效应，形成土壤最佳的施用方法及使用体系，降低使用成本，使其能够在农业生产中发挥最大的改良效应是未来的研究重点。

从目前的文献报道看，PAM对土壤不会产生负面作用，但随着土壤性质的不断变化以及施用量的增加，其究竟有无施用风险应进一步探讨研究。