聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展：

聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，水利是衣業(yè)的命脈,我國北方地區(qū)的持續(xù)干旱及地下水 的嚴(yán)重超采，促使水資源的高效利用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 研究表明，衣業(yè)灌溉用水約50%消耗在田間，加強(qiáng)對(duì)田間節(jié) 水技術(shù)的研究和開發(fā)，可顯著減少灌溉量，提高雨水利用效 率及作物產(chǎn)量1。聚丙烯酰胺(PAM)作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑， 可增加土壤表層顆粒間的凝聚力，維系良好的土壤結(jié)構(gòu)，防 止土壤結(jié)皮，增加土壤水分入滲,防止水土流失，抑制土壤水 分蒸發(fā)，提高雨水利用率，具有保水、保土、保肥、保溫、增產(chǎn) 等效用；聚丙烯酰胺還能夠提高肥料的利用率，改善生態(tài)環(huán) 境。目前,有關(guān)聚丙烯酰胺對(duì)土壤入滲及產(chǎn)流產(chǎn)沙以及水土 保持機(jī)理的研究比較深入,而在土壤保水、保肥等方面由于 其投入成本較高而并未得到推廣，開展聚丙烯酰胺在干旱、 半干旱地區(qū)衣業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)提高灌溉水及自然降水的 利用效率、節(jié)水灌溉等有著重要的意義。

1聚丙烯酰胺特性

聚丙烯酰胺是一種水溶性線性高分子聚合物，其單體為 丙烯酰胺（AM),幾乎不溶于苯、乙醚、酯類等一般有機(jī)溶劑， 易溶于水，是目前應(yīng)用最為廣泛的水溶性聚合物。聚丙烯酰 胺為無色顆粒狀，其水溶液為近透明的粘稠液體，無毒、無腐 蝕性，在150 T：以上時(shí)才可熱分解，在環(huán)境中穩(wěn)定性好。聚 丙烯酰胺有陽離子、陰離子、非離子、兩性離子和超高分子量 等類型，隨聚合程度的不同，分子量在500?2 400萬Da (Da 表示一個(gè)12C原子質(zhì)量的1/12)之間變動(dòng)。聚丙烯酰胺具有 特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，可作為絮凝劑、增稠劑、減阻劑、泥漿處理劑、表面活性劑、土壤改良劑、水土保濕劑、種子包衣劑、 紙力增強(qiáng)劑等被廣泛運(yùn)用于石油開采、水處理、紡織、造紙、 醫(yī)藥、衣業(yè)等2。

20世紀(jì)90年代，聚丙烯酰胺作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用 于衣業(yè)生產(chǎn)，近年來有關(guān)聚丙烯酰胺在衣業(yè)生產(chǎn)中的研究較 多。20世紀(jì)80年代中期，聚丙烯酰胺由比利時(shí)介紹到我國， “七五”期間中國衣業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所先后在北京、山 東、河北、山西、陜西、寧夏、新疆等地進(jìn)行了室內(nèi)模擬、盆栽 和大田等試驗(yàn)，結(jié)果表明，聚丙烯酰胺增加了土壤水分入滲, 減少了地表徑流，并對(duì)土壤溫度產(chǎn)生影響，但由于聚丙烯酰 胺的應(yīng)用成本較高，未能在我國推廣：“九五”期間，國外新型 聚丙烯酰胺介紹到我國，大田試驗(yàn)表明，新型的聚丙烯酰胺 可提高作物產(chǎn)量,增加經(jīng)濟(jì)效益3。

2作用機(jī)理

聚丙烯酰胺分子式為[C3H5ON] n具有很強(qiáng)的絮凝作 用。聚丙烯酰胺與水接觸時(shí),疏水基由于疏水作用轉(zhuǎn)向內(nèi) 側(cè)，形成不溶于水的粒狀結(jié)構(gòu)，親水基團(tuán)通過氫鍵與水分子 結(jié)合形成水合水。聚丙烯酰胺分子結(jié)構(gòu)中三維網(wǎng)絡(luò)上 一COOH基團(tuán)遇水發(fā)生解離，產(chǎn)生一COO-和H+離子，由于 高分子鏈上的一COO -不能向水中擴(kuò)散，則網(wǎng)絡(luò)中的H +濃度 高于水中的H +濃度,產(chǎn)生了濃度差，使高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)外 部的水向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部滲透，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外H+濃度的平衡，因 此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生了滲透壓,水分子便在滲透壓的作用下 向網(wǎng)內(nèi)滲透形成了網(wǎng)孔水4。這種網(wǎng)孔水是被高分子網(wǎng)空 間所束縛的自由水，但這種被束縛的水分子仍具有普通水的 理化性質(zhì),只是水分子的運(yùn)動(dòng)受到限制。施用聚丙烯酰胺， 在土壤中形成很多的“小水庫”當(dāng)遇到干旱時(shí)“小水庫”因 滲透壓的作用而緩慢釋放水分供作物吸收利用，從而有效防 止水分流失和無效蒸發(fā),達(dá)到抗旱保墑。聚丙烯酰胺分子在

土壤中遇水溶解時(shí)，分子與土壤顆粒相互作用，對(duì)土壤團(tuán)聚 體的形成起到了一定促進(jìn)作用，促使土壤的沉降系數(shù)、結(jié)構(gòu) 系數(shù)和各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量明顯提高，并增加土壤水分入 滲率，阻礙土壤結(jié)皮的形成,減少地表徑流，為作物增產(chǎn)提供 條件。冒建華等試驗(yàn)表明，聚丙烯酰胺能減少0.1 mm粒徑 的顆粒 51.3% ~62.5% 5。

3衣業(yè)生產(chǎn)中的作用

3.1保水 土壤水分是土壤的重要組成部分，它不僅是作 物生長需水的主要供給源，而且是土壤內(nèi)生物活動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn) 化的必要條件，且對(duì)物理性質(zhì)及土壤耕作有很大影響。土壤 中加入聚丙烯酰胺能顯著提高土壤含水率，抑制土壤結(jié)皮形 成,增加水分入滲。土壤結(jié)皮存在于土壤表層，具有密度大、 孔隙小、低飽和導(dǎo)水率的性質(zhì)，能夠阻礙土壤水分入滲、增加 地表徑流以及妨礙種子發(fā)芽6。聚丙烯酰胺可增加土壤水 分入滲，即增加土壤的含水率，能夠在降雨后一定時(shí)間內(nèi)保 持土壤的含水量。聚丙烯酰胺的覆蓋率越高，土壤的含水率 就越大。于曉光等對(duì)砂土進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，施用聚丙 烯酰胺可以縮短水分入滲時(shí)間，提高水分入滲速率,減少土 壤水分滲出量，抑制土壤水分蒸發(fā)7。介曉磊等研究結(jié)果表 明，土壤吸力較低的階段，隨著聚丙烯酰胺施用量的增加，土 壤持水量增加，作物可利用的有效水增加8。聚丙烯酰胺可 提高土壤含水量，并且施用量越大，土壤水分提高的幅度也 越大5。員學(xué)鋒等的試驗(yàn)表明,聚丙烯酰胺可有效增加土壤 入滲速率、增加土壤持水力、抑制土壤水分蒸發(fā)，且聚丙烯酰 胺的濃度增加，其改土的效果愈明顯;但當(dāng)聚丙烯酰胺濃度 過高時(shí)，則會(huì)在土壤表層過度黏結(jié)土粒，反而抑制水分入 滲9。也有試驗(yàn)表明，聚丙烯酰胺的吸水倍率與溶液中的金 屬鹽離子濃度有關(guān)，一般呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)M。

3.2 土壤結(jié)構(gòu)改良與保肥聚丙烯酰胺在減少土壤侵蝕 的同時(shí),可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤大團(tuán)聚體數(shù)目增加，使 土壤總孔隙度和毛管孔隙度上升,降低土壤容重，最終使土 壤顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定[11]。聚丙烯酰胺還顯著影響土 壤對(duì)肥料元素的吸附，聚丙烯酰胺通過穩(wěn)定水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu) 以及對(duì)肥料元素吸附，抑制肥料元素流失，提高肥料利用率。 經(jīng)過聚丙烯酰胺處理后的土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速 效鉀等含量會(huì)顯著提高。龍明杰等[12通過土壤吸附肥料和 土壤肥料淋溶試驗(yàn)得出，聚丙烯酰胺可以使土壤對(duì)NH4 +和 NO3 —的吸附分別增加 30. 6% ~ 62. 6% 和 2. 5% ~ 16. 3%。 肇普興等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在坡度為6。、10。、15。時(shí)施聚丙烯 酰胺,其保肥率分別提高了 80%、5%和55% [13]。杜堯東等 通過田間坡地試驗(yàn)研究表明，坡地施用陰離子型分子量300 萬?400萬Da的聚丙烯酰胺，可減少地表徑流，提高土壤水 分含量，促進(jìn)土壤沉降,減少土壤侵蝕量和肥力流失[14。員 學(xué)鋒等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明,聚丙烯酰胺處理可使土壤淋 溶液中的N、P累積量分別較對(duì)照減少了 42. 40%、43. 85% , 同時(shí)隨著聚丙烯酰胺濃度的增加，土壤中養(yǎng)分淋失進(jìn)一步減 少[15。曹麗花等試驗(yàn)結(jié)果表明，在濃度為0.05%?0.4%, 聚丙烯酰胺可促進(jìn)土壤>0. 25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，并 有效降低土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)，改善土壤結(jié)構(gòu)[16。聚丙烯 酰胺對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良與其施用量有很大程度的關(guān)系，聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，由表 1可知,聚丙烯酰胺施用后使土壤孔隙度明顯增加，但隨著使 用量的增大增加的幅度減慢;使用量在1.0 ~ 1.5 g/m2,容重 變化顯著，平均減少0.09?0.11,再增大則效果不明顯。

表1 不同施用量的聚丙烯酰胺對(duì)土壤容重和土壤孔隙度的影響[

聚丙燦酰胺施用量#g/m2土壤容重土壤孔隙度//%

0.01.2825.10

0.51.2553.20

1.01.1955.40

1.51.1756. 20

2. 01.1656. 50

3.3保溫聚丙烯酰胺施入土壤,水分被網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸持，自 由水減少，從而使土壤傳導(dǎo)率降低，因此土壤的溫度白天較 低，夜間較高，日溫差減小，利于植物生長發(fā)育。研究表明， 聚丙烯酰胺對(duì)創(chuàng)建土壤中粒徑0.25?4. 00 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu) 有利，同時(shí)還可以明顯提高土壤的膨脹率和土壤的保溫性 能[17。中國衣業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所在北京潮褐土冬小 麥地地表撒施0.1%聚丙烯酰胺，發(fā)現(xiàn)其對(duì)5 cm 土層溫度影 響最大，地表最局、最低溫度和平均溫度均提局33。

3.4增產(chǎn)聚丙烯酰胺增強(qiáng)了土壤的保水性和保肥性，增 強(qiáng)了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高了土壤的通透性和抗旱能力，給 作物的生長提供了相對(duì)優(yōu)越的條件，顯著促進(jìn)作物生長發(fā)育 并提高了作物產(chǎn)量。Stern R隨灌慨向地表撒施20 kg/hm2 的聚丙烯酰胺，小麥產(chǎn)量提局了 9.0% 8。J. Wood House等 的試驗(yàn)結(jié)果表明,施用聚丙烯酰胺可促使萵苣、大麥干物質(zhì) 質(zhì)量提高,最高處理較對(duì)照增產(chǎn)4倍，水分利用率增長了 3 倍[19。Shock C. C.等在馬鈴薯地施加聚丙烯酰胺，增大了馬 鈴薯塊莖，產(chǎn)量提高了 7.6% ~ 2.5% [20]。杜杜妮等試驗(yàn)表 明，玉米生育期間淺層土壤貯水量隨聚丙烯酰胺的使用量增 加而提高；玉米葉片光合速率、莖葉生物量、根系生物量、果 穗生物量、莖桿粗度、籽粒產(chǎn)量、千粒重也隨聚丙烯酰胺施用 量的增加而提高;從播種到成熟期，玉米耗水量減少,水分利 用效率、水分產(chǎn)出率極顯著提高21。研究表明，聚丙烯酰胺 在黃土地旱作衣業(yè)中應(yīng)用，具有提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，為聚 丙烯酰胺大面積推廣提供了條件[22]。

4 影響因素

4.1 施用方式及使用量在干旱地區(qū)，土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，降 水或灌溉期間易導(dǎo)致土壤板結(jié),造成土壤水分入滲減少和地 表徑流增加。夏江海等認(rèn)為聚丙烯酰胺用量為0.3?1.2 g/m2,相當(dāng)于3?12 kg/hm2,可有效防止土壤侵蝕[23];當(dāng)聚 丙烯酰胺用量為5、10、20 mg/L時(shí)，可增加降水入滲,但對(duì)不 同質(zhì)地的土壤應(yīng)具體分析24。聚丙烯酰胺在低用量時(shí)具有 較好的凝結(jié)作用，可穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，可作為土壤穩(wěn)定劑；用量 太大，成本提高，造成浪費(fèi)，甚至有時(shí)還會(huì)起到反作用。聚丙 烯酰胺在土壤中應(yīng)用存在一個(gè)閾值，通過對(duì)這個(gè)閾值的分 析,可充分發(fā)揮其保水保土作用[25]。

通常聚丙烯酰胺的施用方法主要有兩種:一是將聚丙烯

酰胺隨灌溉水施用，另一種是在地表直接撒施5。對(duì)于雨養(yǎng)衣 業(yè)地區(qū)，聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，若將聚丙烯酰胺溶于水噴灑在地表,需要大量的水，操 作困難，因此一般情況下選用干灑法。R E Sojka等對(duì)沙壤土 采用兩種施用方法:一是在施用前將聚丙烯酰胺溶于水，噴灑 于土壤,另一種是直接撤施聚丙烯酰胺顆粒，噴灑聚丙烯酰胺 可減少泥沙81%,撒施可減少泥沙88% 26。于健等對(duì)不同形 態(tài)聚丙烯酰胺(溶膠態(tài)、溶液與干粉狀）的土壤入滲、侵蝕量進(jìn) 行了研究，結(jié)果表明,3種形態(tài)的聚丙烯酰胺對(duì)增加土壤水分 入滲,減少土壤侵蝕均有顯著影響，且干粉狀聚丙烯酰胺由于 施用效果較好,方法簡便易廣泛推廣27。由于聚丙烯酰胺溶 解、噴灑等不便,一般很少采用噴灑法25。

4.2分子量聚丙烯酰胺是高分子聚合物,在分散土壤細(xì) 粒間的橋鍵作用和在土壤團(tuán)粒外表面形成保護(hù)網(wǎng)的作用較 強(qiáng)。在水土保持方面高分子量的聚丙烯酰胺比低分子量的 效果好,但分子量過高，分子不易在土層中擴(kuò)散和對(duì)流，限制 改良土層深度，并容易在土壤表面形成高分子膠結(jié)土壤膜狀 薄層，反而減弱土壤的滲透性M。衣業(yè)生產(chǎn)中，高分子量聚 丙烯酰胺鏈長過長，會(huì)在相鄰的黏粒之間形成“搭接橋”，使 粘結(jié)作用增強(qiáng)，但鏈長過長則會(huì)使水分難以穿透，不能進(jìn)入 土壤團(tuán)聚體空隙，使施用效果下降，一般選擇中分子量聚丙 烯酰胺。同時(shí)還需根據(jù)不同土質(zhì)選擇適宜分子量的聚丙烯 酰胺。一般來說，砂土通常選擇高分子量的聚丙烯酰胺（18 mg/mol),而質(zhì)地較密實(shí)的壤土可以選擇分子量較低的聚丙 烯酰胺(6 mg/mol) 28。同時(shí)還應(yīng)注意到在分子量相同的情 況下，高離子度能引起聚合物分子間相互排斥，降低土粒對(duì) 其的吸收程度，因此一般采用的離子度是20%?30% 29。 4.3 土壤質(zhì)地 土壤類型不同，施用聚丙烯酰胺的效果也 不同。小顆粒的土壤吸收的聚丙烯酰胺量比大顆粒多，故聚 丙烯酰胺適用于粉沙至黏質(zhì)土壤，在沙性土上的效果不 好30 ,結(jié)構(gòu)差的土壤缺少分散的黏粒,聚丙烯酰胺起著絮凝 作用，但在絮凝泥沙同時(shí)，長鏈尾部堵塞了土壤的傳導(dǎo)空隙， 而在土壤表面形成結(jié)皮，降低入滲。施用聚丙烯酰胺，對(duì)于 結(jié)構(gòu)好的土壤其水力傳導(dǎo)度隨聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的增加 而增加，持水能力、孔隙度也均有很大程度的提高;對(duì)于中等 結(jié)構(gòu)的土壤，其水力傳導(dǎo)度的增加值要比結(jié)構(gòu)好的土壤 大31。楊永輝等對(duì)黃土高原主要類型土壤的保水作用進(jìn)行 試驗(yàn)，結(jié)果表明，在一定量范圍內(nèi)，聚丙烯酰胺可以提高不同 類型土壤的持水和導(dǎo)水性能，并且減少了土壤水分蒸發(fā)32。 故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)土壤類型選用聚丙烯酰胺,否則可 能與預(yù)期效果大相徑庭。

4.4與其他物質(zhì)的復(fù)合作用土壤因表面具有負(fù)電性而

產(chǎn)生靜電排斥，陰離子聚合物分子在負(fù)電性的分散土粒表面 難于吸附，改良土壤的作用不明顯，多價(jià)金屬陽離子在兩者 之間形成橋狀化學(xué)鍵，促進(jìn)了陰離子聚合物分子的吸附。在 土壤中陽離子含量比較低時(shí)，單獨(dú)施用聚丙烯酰胺,不僅土 壤表面吸附的聚丙烯酰胺量較少，而且形成的聚丙烯酰胺分 子鏈較長,長分子鏈堵塞了土壤顆粒間的孔隙，只有較少的 水分入滲。土壤中的多價(jià)陽離子可以分別結(jié)合土壤顆粒表 面的陰離子和聚丙烯酰胺的負(fù)相，形成陽離子橋，促進(jìn)了陰 離子聚合物分子的吸附。而且由于多價(jià)陽離子的存在，使得 形成的聚丙烯酰胺鏈比較短，既可以增加水分入滲,又能夠 穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),減少土壤流失。聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，聚丙烯酰胺與石膏結(jié)合、聚 丙烯酰胺與黃綿土混合以及PAM - atta復(fù)合保水劑不但在 水土保持方面作用可靠,在防止土壤結(jié)皮及增加入滲方面效 果顯著,對(duì)衣業(yè)生產(chǎn)也起到極大幫助，同時(shí),PAM - atta復(fù)合 保水劑還克服了一般保水劑耐鹽性差、成本高等不理想因 素，因此,開發(fā)新型聚丙烯酰胺具有廣闊前景24。

5存在問題及發(fā)展前景

5.1存在問題聚丙烯酰胺是一種水溶性、高分子量的有

機(jī)聚合物，其本身及其水解體均無毒。美國使用聚丙烯酰胺 的實(shí)踐表明，聚丙烯酰胺不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，它在土 壤和水中不具毒性，同時(shí)也不會(huì)在作物中產(chǎn)生積累33。目 前,聚丙烯酰胺作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用于衣業(yè)生產(chǎn)，但是 尋求一套較為合適的聚丙烯酰胺施用技術(shù)體系很重要，同時(shí) 聚丙烯酰胺是一種較易揮發(fā)的顆粒，選用聚丙烯酰胺的時(shí)機(jī) 和方法是一個(gè)較難解決的問題34。在實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合土 壤性質(zhì)等具體因素而定。

總的來說，聚丙烯酰胺應(yīng)用于衣業(yè)生產(chǎn),最終目的是改 良土壤性質(zhì)，并獲得高產(chǎn),不同土壤類型、不同灌溉條件下的 適宜施用量、施用時(shí)期、與肥料的耦合作用及相應(yīng)的施用方 法，以及經(jīng)濟(jì)效益都是需要考慮的重要因素。聚丙烯酰胺在 衣業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用有其顯著的優(yōu)越性，但同時(shí)還面臨著多種條 件的制約，因此，應(yīng)加大對(duì)新型聚丙烯酰胺的研究力度，克服 傳統(tǒng)聚丙烯酰胺在應(yīng)用過程中的一些問題，提高聚丙烯酰胺 的耐鹽堿強(qiáng)度,提高吸水倍數(shù)，降低成本，發(fā)揮其在衣業(yè)生產(chǎn) 中的最大效應(yīng)。

5.2發(fā)展前景我國水資源緊缺,水土流失嚴(yán)重，聚丙烯酰胺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，聚丙烯酰 胺用做土壤改良劑,技術(shù)操作簡單、方便、易學(xué)、且投入少，可 直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,且改土、保土、保水、保肥等效益顯著，是 保水增產(chǎn)的一條新途徑。目前聚丙烯酰胺在衣林業(yè)上的應(yīng) 用研究已經(jīng)深入開展，聚丙烯酰胺將成為衣林業(yè)生產(chǎn)上不可 缺少的物質(zhì)，具有深刻的意義,聚丙烯酰胺在衣業(yè)領(lǐng)域中應(yīng) 用前景相當(dāng)廣闊。

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