聚丙烯酰胺PAM對土壤保水的應(yīng)用簡介
發(fā)布時(shí)間：2019-01-10 瀏覽
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我國是世界水土流失及沙漠化最為嚴(yán)重的國家之一。與印度、美國、澳大利亞等國家相比，水土流失及沙漠化非常嚴(yán)重。水土流失及沙漠化已經(jīng)對我國生態(tài)壞境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的威脅，尤其在西北地區(qū)，沙漠化致使大部分耕地遭到破壞，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，加劇了貧困程度。近年來，在工程措施、生物措施、農(nóng)業(yè)措施等水土保持措施的基礎(chǔ)上新興了一種化學(xué)措施，即在土壤中添加土壤調(diào)理劑聚丙烯酰胺(PAM)以調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤滲透率，防止土壤結(jié)皮形成，減少徑流量，達(dá)到防治水土流失，減少土壤侵蝕的目的。目前，美國西部已將PAM作為一項(xiàng)農(nóng)田水土保持新技術(shù)廣泛應(yīng)用。我國于20世紀(jì)80年代開始對PAM進(jìn)行了研究，目前PAM 的實(shí)際應(yīng)用問題還處在探索階段；但大量的研究表明，PAM應(yīng)用于水土保持，防治土壤侵蝕的前景廣闊。
土壤入滲和地表徑流是水土保持過程中2個(gè)關(guān)鍵的因素，增加土壤水分入滲，減少地表徑流，無疑將減少土壤侵蝕；同時(shí)，減少土壤侵蝕，也就維護(hù)了土壤的良好結(jié)構(gòu)，必能增加土壤水分人滲，減少地表徑流。
聚丙烯酰胺是一種有機(jī)高分子聚合物，是一種良好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，能提高土壤水分入滲和減少地表徑流，且具有極好的持水能力。
PAM提高土壤水分入滲，減少地表徑流的主要原理是，PAM在水中溶解后，具有極強(qiáng)的絮凝能力，其分子同土壤顆粒相互作用，由于絮凝作用和對土壤分散顆粒的團(tuán)聚作用，土壤微團(tuán)聚體組成發(fā)生變化，土壤的沉降系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)和各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量明顯提高，形成大的團(tuán)聚體以抵抗雨滴的破壞作用，增強(qiáng)土壤的抗蝕性能，使土壤表面結(jié)構(gòu)和土壤水分高入滲得以維持，增加土壤含水量，阻礙結(jié)皮的形成，減少地表徑流量和土壤侵蝕量。
PAM具有水合作用。PAM作為一種高分子聚合物，當(dāng)與水接觸時(shí)，疏水基可因疏水作用而轉(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，在分子的表面形成厚度為0.5-0.6 nm的2-3個(gè)水分子層。水合作用使高分子的網(wǎng)束展開，由于網(wǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)中含有一定數(shù)量的親水離子，使三維空間網(wǎng)內(nèi)外出現(xiàn)離子濃度差，從而造成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，水分子便在滲透壓的作用下向網(wǎng)內(nèi)滲透形成網(wǎng)孔水。網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)孔水都是被高分子網(wǎng)空間束縛的自由水，但被束縛的水分子仍然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PAM后，土壤因PAM特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，持水能力大大增強(qiáng)，在土壤中形成很多的"小水庫"，當(dāng)土壤干旱時(shí)，土壤水分因滲透壓的作用而緩慢釋放供作物吸收利用，從而有效防止土壤水分流失和無效蒸發(fā)，達(dá)到抗旱保墑作用，為作物增產(chǎn)提供條件。PAM在治理水土流失的同時(shí)，增加了一定的農(nóng)業(yè)效益，為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)PAM的應(yīng)用提供了可行性。
PAM是一種水溶性線性高分子物質(zhì)，是由多個(gè)單體經(jīng)聚合而形成的，其分子質(zhì)量可達(dá)2500萬以上，陰離子聚丙烯酰胺是水土保持的最優(yōu)劑型。目前，陰離子型PAM常被用作土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑。
PAM用量不同，減小土壤侵蝕的效果也不同。盡管用量增大，土壤侵蝕量也會(huì)大大減小，但其成本也會(huì)同時(shí)增加。研究表明，并非用量越大，PAM的水土保持效果越好。PAM的用量對減小土壤水分入滲率、減少土壤侵蝕量存在一個(gè)閾值。應(yīng)用中應(yīng)通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，建立土壤表層施用PAM用量對徑流、土壤侵蝕影響規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，以更好地發(fā)揮PAM的水土保持效益。
PAM是一種新型高效土壤結(jié)構(gòu)改良劑，可抑制土壤表面結(jié)皮，保持良好的土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分入滲，減少水土流失；但這個(gè)結(jié)論并非對任何土壤都適用，對于不同類型的土壤，經(jīng)過PAM 處理后其入滲率可能增加也可能減小。中等結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)好的土壤，施用PAM后可提高入滲率，而結(jié)構(gòu)差的土壤施用PAM后反而會(huì)降低入滲率 ，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)差的土壤，砂粒含量高，缺少可分散的黏粒，經(jīng)過PAM處理后會(huì)引起土壤表面封閉，導(dǎo)致土壤入滲降低、徑流量增加；因此，土壤結(jié)構(gòu)是決定PAM施用效果的關(guān)鍵因素。
PAM的應(yīng)用方法不同，其產(chǎn)生的效果也有很大的不同，關(guān)于PAM應(yīng)用方法的研究較多，常用的有以下3種方法。
PAM溶解法：將干燥的PAM按一定濃度溶解于水中，然后將溶解的PAM加入灌溉水中，用來防止土壤侵蝕、增加灌溉水入滲率，這是PAM最常用的方法。這種方法也被廣泛地應(yīng)用于溝灌和噴灌。
PAM撒施法：在旱作區(qū)，由于水資源緊缺并且天然降雨量少，沒有大量的水來溶解PAM，通常選擇在雨季來臨之前將PAM與石膏或與土壤混合，直接撒施到土壤表面，發(fā)揮其水土保持功效。研究結(jié)果表明，將PAM與石膏或土壤混合使用，在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)為較好的推廣型。
PAM噴灑法：將干燥的PAM按一定濃度溶解于水中，然后在一定的壓力下將溶解的PAM噴灑到地面，可防治土壤侵蝕。在自然降雨的情況下，通常在雨季來臨之前將PAM噴灑到土壤表面，這種方法多在降雨充沛的地區(qū)使用。由于PAM噴灑濃度或噴灑量不同，PAM有時(shí)可增加地表徑流，有時(shí)則減小地表徑流及土壤侵蝕。由于溶解、噴灑PAM費(fèi)工費(fèi)時(shí)，PAM噴灑法應(yīng)用較少。
對于PAM的應(yīng)用，人們比較關(guān)注殘留物是否對環(huán)境造成的危害。PAM是一種人工合成的水溶性高分子有機(jī)聚合物，多用在造紙、食品加工、水處理等方面。PAM抵抗微生物降解，在土壤中主要通過物理作用降解。PAM對人體、動(dòng)物、魚類和植物并無毒害，但其殘留單體(丙烯酰胺)有毒性。丙烯酰胺是一種致癌物，對人體神經(jīng)有毒害作用，但丙烯酰胺可為生物降解，不在土壤中積累。盡管會(huì)有少量PAM單體隨PAM的使用而進(jìn)入土壤，但PAM單體在溫度較高的土壤中會(huì)很快降解。如果將PAM產(chǎn)品的丙烯酰胺含量限制到最小，PAM本身對環(huán)境并無威脅，可有效地用作土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑。
