聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展：

聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展，水利是衣業的命脈,我國北方地區的持續幹旱及地下水 的嚴重超采，促使水資源的高效利用成為人們關注的焦點。 研究表明，衣業灌溉用水約50%消耗在田間，加強對田間節 水技術的研究和開發，可顯著減少灌溉量，提高雨水利用效 率及作物產量1。聚丙烯酰胺(PAM)作為土壤結構改良劑， 可增加土壤表層顆粒間的凝聚力，維係良好的土壤結構，防 止土壤結皮，增加土壤水分入滲,防止水土流失，抑製土壤水 分蒸發，提高雨水利用率，具有保水、保土、保肥、保溫、增產 等效用；聚丙烯酰胺還能夠提高肥料的利用率，改善生態環 境。目前,有關聚丙烯酰胺對土壤入滲及產流產沙以及水土 保持機理的研究比較深入,而在土壤保水、保肥等方麵由於 其投入成本較高而並未得到推廣，開展聚丙烯酰胺在幹旱、 半幹旱地區衣業生產中的應用，對提高灌溉水及自然降水的 利用效率、節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),幾乎不溶於苯、乙醚、酯類等一般有機溶劑， 易溶於水，是目前應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：以上時才可熱分解，在環境中穩定性好。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12C原子質量的1/12)之間變動。聚丙烯酰胺具有 特殊的物理化學性質，可作為絮凝劑、增稠劑、減阻劑、泥漿處理劑、表麵活性劑、土壤改良劑、水土保濕劑、種子包衣劑、 紙力增強劑等被廣泛運用於石油開采、水處理、紡織、造紙、 醫藥、衣業等2。

20世紀90年代，聚丙烯酰胺作為土壤結構改良劑應用 於衣業生產，近年來有關聚丙烯酰胺在衣業生產中的研究較 多。20世紀80年代中期，聚丙烯酰胺由比利時介紹到我國， “七五”期間中國衣業科學院土壤肥料研究所先後在北京、山 東、河北、山西、陝西、寧夏、新疆等地進行了室內模擬、盆栽 和大田等試驗，結果表明，聚丙烯酰胺增加了土壤水分入滲, 減少了地表徑流，並對土壤溫度產生影響，但由於聚丙烯酰 胺的應用成本較高，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，大田試驗表明，新型的聚丙烯酰胺 可提高作物產量,增加經濟效益3。

2作用機理

聚丙烯酰胺分子式為[C3H5ON] n具有很強的絮凝作 用。聚丙烯酰胺與水接觸時,疏水基由於疏水作用轉向內 側，形成不溶於水的粒狀結構，親水基團通過氫鍵與水分子 結合形成水合水。聚丙烯酰胺分子結構中三維網絡上 一COOH基團遇水發生解離，產生一COO-和H+離子，由於 高分子鏈上的一COO -不能向水中擴散，則網絡中的H +濃度 高於水中的H +濃度,產生了濃度差，使高分子聚合物網絡外 部的水向網絡內部滲透，以達到網絡內外H+濃度的平衡，因 此網狀結構內外產生了滲透壓,水分子便在滲透壓的作用下 向網內滲透形成了網孔水4。這種網孔水是被高分子網空 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,隻是水分子的運動受到限製。施用聚丙烯酰胺， 在土壤中形成很多的“小水庫”當遇到幹旱時“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,達到抗旱保墒。聚丙烯酰胺分子在

土壤中遇水溶解時，分子與土壤顆粒相互作用，對土壤團聚 體的形成起到了一定促進作用，促使土壤的沉降係數、結構 係數和各級水穩性團聚體總量明顯提高，並增加土壤水分入 滲率，阻礙土壤結皮的形成,減少地表徑流，為作物增產提供 條件。冒建華等試驗表明，聚丙烯酰胺能減少0.1 mm粒徑 的顆粒 51.3% ~62.5% 5。

3衣業生產中的作用

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，而且是土壤內生物活動和養分轉 化的必要條件，且對物理性質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，抑製土壤結皮形 成,增加水分入滲。土壤結皮存在於土壤表層，具有密度大、 孔隙小、低飽和導水率的性質，能夠阻礙土壤水分入滲、增加 地表徑流以及妨礙種子發芽6。聚丙烯酰胺可增加土壤水 分入滲，即增加土壤的含水率，能夠在降雨後一定時間內保 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。於曉光等對砂土進行了試驗，結果表明，施用聚丙 烯酰胺可以縮短水分入滲時間，提高水分入滲速率,減少土 壤水分滲出量，抑製土壤水分蒸發7。介曉磊等研究結果表 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，並且施用量越大，土壤水分提高的幅度也 越大5。員學鋒等的試驗表明,聚丙烯酰胺可有效增加土壤 入滲速率、增加土壤持水力、抑製土壤水分蒸發，且聚丙烯酰 胺的濃度增加，其改土的效果愈明顯;但當聚丙烯酰胺濃度 過高時，則會在土壤表層過度黏結土粒，反而抑製水分入 滲9。也有試驗表明，聚丙烯酰胺的吸水倍率與溶液中的金 屬鹽離子濃度有關，一般呈現負相關M。

3.2 土壤結構改良與保肥聚丙烯酰胺在減少土壤侵蝕 的同時,可有效改善土壤結構，使土壤大團聚體數目增加，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 壤顆粒和孔隙結構保持穩定[11]。聚丙烯酰胺還顯著影響土 壤對肥料元素的吸附，聚丙烯酰胺通過穩定水穩性團粒結構 以及對肥料元素吸附，抑製肥料元素流失，提高肥料利用率。 經過聚丙烯酰胺處理後的土壤有機質、速效氮、速效磷和速 效鉀等含量會顯著提高。龍明傑等[12通過土壤吸附肥料和 土壤肥料淋溶試驗得出，聚丙烯酰胺可以使土壤對NH4 +和 NO3 —的吸附分別增加 30. 6% ~ 62. 6% 和 2. 5% ~ 16. 3%。 肇普興等的試驗結果表明，在坡度為6。、10。、15。時施聚丙烯 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，促進土壤沉降,減少土壤侵蝕量和肥力流失[14。員 學鋒等通過室內模擬試驗表明,聚丙烯酰胺處理可使土壤淋 溶液中的N、P累積量分別較對照減少了 42. 40%、43. 85% , 同時隨著聚丙烯酰胺濃度的增加，土壤中養分淋失進一步減 少[15。曹麗花等試驗結果表明，在濃度為0.05%〜0.4%, 聚丙烯酰胺可促進土壤>0. 25 mm水穩性團聚體的形成，並 有效降低土壤團聚體分形維數，改善土壤結構[16。聚丙烯 酰胺對土壤結構的改良與其施用量有很大程度的關係，聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展，由表 1可知,聚丙烯酰胺施用後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,水分被網狀結構吸持，自 由水減少，從而使土壤傳導率降低，因此土壤的溫度白天較 低，夜間較高，日溫差減小，利於植物生長發育。研究表明， 聚丙烯酰胺對創建土壤中粒徑0.25〜4. 00 mm的團粒結構 有利，同時還可以明顯提高土壤的膨脹率和土壤的保溫性 能[17。中國衣業科學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，發現其對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增產聚丙烯酰胺增強了土壤的保水性和保肥性，增 強了土壤的團粒結構，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優越的條件，顯著促進作物生長發育 並提高了作物產量。Stern R隨灌慨向地表撒施20 kg/hm2 的聚丙烯酰胺，小麥產量提局了 9.0% 8。J. Wood House等 的試驗結果表明,施用聚丙烯酰胺可促使萵苣、大麥幹物質 質量提高,最高處理較對照增產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，產量提高了 7.6% ~ 2.5% [20]。杜杜妮等試驗表 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、根係生物量、果 穗生物量、莖杆粗度、籽粒產量、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 在黃土地旱作衣業中應用，具有提高經濟效益的作用，為聚 丙烯酰胺大麵積推廣提供了條件[22]。

4 影響因素

4.1 施用方式及使用量在幹旱地區，土壤結構不穩定，降 水或灌溉期間易導致土壤板結,造成土壤水分入滲減少和地 表徑流增加。夏江海等認為聚丙烯酰胺用量為0.3〜1.2 g/m2,相當於3〜12 kg/hm2,可有效防止土壤侵蝕[23];當聚 丙烯酰胺用量為5、10、20 mg/L時，可增加降水入滲,但對不 同質地的土壤應具體分析24。聚丙烯酰胺在低用量時具有 較好的凝結作用，可穩定土壤結構，可作為土壤穩定劑；用量 太大，成本提高，造成浪費，甚至有時還會起到反作用。聚丙 烯酰胺在土壤中應用存在一個閾值，通過對這個閾值的分 析,可充分發揮其保水保土作用[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。對於雨養衣 業地區，聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展，若將聚丙烯酰胺溶於水噴灑在地表,需要大量的水，操 作困難，因此一般情況下選用幹灑法。R E Sojka等對沙壤土 采用兩種施用方法:一是在施用前將聚丙烯酰胺溶於水，噴灑 於土壤,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。於健等對不同形 態聚丙烯酰胺(溶膠態、溶液與幹粉狀）的土壤入滲、侵蝕量進 行了研究，結果表明,3種形態的聚丙烯酰胺對增加土壤水分 入滲,減少土壤侵蝕均有顯著影響，且幹粉狀聚丙烯酰胺由於 施用效果較好,方法簡便易廣泛推廣27。由於聚丙烯酰胺溶 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 粒間的橋鍵作用和在土壤團粒外表麵形成保護網的作用較 強。在水土保持方麵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散和對流，限製 改良土層深度，並容易在土壤表麵形成高分子膠結土壤膜狀 薄層，反而減弱土壤的滲透性M。衣業生產中，高分子量聚 丙烯酰胺鏈長過長，會在相鄰的黏粒之間形成“搭接橋”，使 粘結作用增強，但鏈長過長則會使水分難以穿透，不能進入 土壤團聚體空隙，使施用效果下降，一般選擇中分子量聚丙 烯酰胺。同時還需根據不同土質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),而質地較密實的壤土可以選擇分子量較低的聚丙 烯酰胺(6 mg/mol) 28。同時還應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 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 丙烯酰胺適用於粉沙至黏質土壤，在沙性土上的效果不 好30 ,結構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，長鏈尾部堵塞了土壤的傳導空隙， 而在土壤表麵形成結皮，降低入滲。施用聚丙烯酰胺，對於 結構好的土壤其水力傳導度隨聚丙烯酰胺質量濃度的增加 而增加，持水能力、孔隙度也均有很大程度的提高;對於中等 結構的土壤，其水力傳導度的增加值要比結構好的土壤 大31。楊永輝等對黃土高原主要類型土壤的保水作用進行 試驗，結果表明，在一定量範圍內，聚丙烯酰胺可以提高不同 類型土壤的持水和導水性能，並且減少了土壤水分蒸發32。 故在實際應用中，應根據土壤類型選用聚丙烯酰胺,否則可 能與預期效果大相徑庭。

4.4與其他物質的複合作用土壤因表麵具有負電性而

產生靜電排斥，陰離子聚合物分子在負電性的分散土粒表麵 難於吸附，改良土壤的作用不明顯，多價金屬陽離子在兩者 之間形成橋狀化學鍵，促進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，單獨施用聚丙烯酰胺,不僅土 壤表麵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，隻有較少的 水分入滲。土壤中的多價陽離子可以分別結合土壤顆粒表 麵的陰離子和聚丙烯酰胺的負相，形成陽離子橋，促進了陰 離子聚合物分子的吸附。而且由於多價陽離子的存在，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 穩定土壤結構,減少土壤流失。聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展，聚丙烯酰胺與石膏結合、聚 丙烯酰胺與黃綿土混合以及PAM - atta複合保水劑不但在 水土保持方麵作用可靠,在防止土壤結皮及增加入滲方麵效 果顯著,對衣業生產也起到極大幫助，同時,PAM - atta複合 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,開發新型聚丙烯酰胺具有廣闊前景24。

5存在問題及發展前景

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 的實踐表明，聚丙烯酰胺不會對生態環境造成危害，它在土 壤和水中不具毒性，同時也不會在作物中產生積累33。目 前,聚丙烯酰胺作為土壤結構改良劑應用於衣業生產，但是 尋求一套較為合適的聚丙烯酰胺施用技術體係很重要，同時 聚丙烯酰胺是一種較易揮發的顆粒，選用聚丙烯酰胺的時機 和方法是一個較難解決的問題34。在實際應用中要結合土 壤性質等具體因素而定。

總的來說，聚丙烯酰胺應用於衣業生產,最終目的是改 良土壤性質，並獲得高產,不同土壤類型、不同灌溉條件下的 適宜施用量、施用時期、與肥料的耦合作用及相應的施用方 法，以及經濟效益都是需要考慮的重要因素。聚丙烯酰胺在 衣業生產中應用有其顯著的優越性，但同時還麵臨著多種條 件的製約，因此，應加大對新型聚丙烯酰胺的研究力度，克服 傳統聚丙烯酰胺在應用過程中的一些問題，提高聚丙烯酰胺 的耐鹽堿強度,提高吸水倍數，降低成本，發揮其在衣業生產 中的最大效應。

5.2發展前景我國水資源緊缺,水土流失嚴重，聚丙烯酰胺在農業生產中的應用及研究進展，聚丙烯酰 胺用做土壤改良劑,技術操作簡單、方便、易學、且投入少，可 直接產生經濟效益,且改土、保土、保水、保肥等效益顯著，是 保水增產的一條新途徑。目前聚丙烯酰胺在衣林業上的應 用研究已經深入開展，聚丙烯酰胺將成為衣林業生產上不可 缺少的物質，具有深刻的意義,聚丙烯酰胺在衣業領域中應 用前景相當廣闊。

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