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土壤改良中聚丙烯酰胺的运用探析

添加时间:2020/12/30

  摘    要:聚丙烯酰胺(PAM)是一种人工合成的线性高分子聚合材料,具有良好的絮凝和水合作用,土壤改良效果持续稳定、对环境无毒无害,在土壤结构改良和水土保持方面应用广泛。从PAM的单一应用或者和其他改良剂联合应用角度,综述了PAM在改良土壤结构、调节土壤入渗、减少地表径流,防止土、水、肥的流失等方面的应用效果;对PAM分子量、施用量、施用方式以及土壤性质对其作用效果的影响进行分析;并对PAM在矿区复垦中的应用前景进行展望。

  关键词:聚丙烯酰胺; 土壤改良效果; 影响因素; 矿区复垦;

  目前,我国的荒漠化和水土流失问题严重威胁着生态环境和社会经济发展,同时也严重影响着农业生产[1],威胁粮食安全,而且在水土流失的过程中,往往伴随着土壤中的氮、磷等其他营养物质随地表径流的流失,这是造成农业面源污染的主要因素,而农业面源污染已经成为构成水体污染的主要因素[2],这些环境问题往往和不良的土壤结构有着密切的关系。

  聚丙烯酰胺(PAM)是一种人工合成的线性高分子聚合物,具有絮凝、增黏、吸附等多种性能,1955年起最先应用于铀矿工业,后广泛应用于石油、医药、建筑、化工、纺织、污水处理等领域[3].PAM按离子型可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型4种,阴离子型PAM是一种具有线性长分子链结构的聚合物,随着分子量的增加其作用效果逐渐增强,因而在土壤结构改良、侵蚀防治和农业生产等领域中已得到了广泛的应用[4],但我国对其应用效果还处于研究阶段[5].鉴于此,本文详细综述了PAM在土壤的物理性状、水分运移、养分保持、径流泥沙方面作用效果的研究进展及其关键影响因素,为PAM的合理应用提供依据;并结合矿区生态修复存在的问题,对PAM在废弃矿山的应用前景进行展望。

  1 PAM的应用效果

  1.1 改变土壤物理结构

  土壤的结构是土壤最基本的物理性质之一,直接影响着土壤水分、养分的贮存和运输能力。PAM可以改变土壤的物理结构。研究表明, PAM的添加可以增加土壤的团聚体数量,改善土壤结构。胡文明等[6]在辽西地区的砂壤土及辽北地区的中壤土和轻壤土中加入PAM,其水稳性团聚体含量明显提高,沉降系数增大了8%~12%,分散系数减少了7.1%~28.6%,结构系数增大了3.2%~10.0%.员学锋等[7]在塿土中加入PAM之后发现,土壤中大于0.25 mm的团聚体总量与对照组相比增加了30.2%以上。不过,土壤团聚体的数量与PAM的用量并非单一的线性关系,当土壤中PAM的含量为0.005%~0.01%时,土壤团聚体的数量增加较明显,当土壤中PAM含量大于0.1%时,团聚体含量增加缓慢[8].

  PAM还可以用来改善土壤的密度和孔隙度,Busscher等[9]将PAM用于改良美国东海岸的壤质砂土中。结果表明,随着PAM浓度的增加,土壤的团聚体数量明显增加、密度降低、总孔隙度增加,当PAM与土壤以120 mg/kg质量配比时效果最佳。但PAM用来降低土壤密度存在一个阈值,以塿土为例,当PAM的施用量小于1.0 g/m2时,土壤的密度随PAM用量的增加而减小,总孔隙度增加;当PAM施用量大于1.0 g/m2时,土壤的密度随PAM用量的增加而增加,土壤总孔隙度减小[7].

  PAM还可以加固土壤,为了探究PAM在土壤中的作用机理,马文华[10]用扫描电镜观察添加PAM后的土壤结构变化时发现,PAM附着在土壤颗粒周围时会形成一层网状结构,使原本松散的土壤颗粒彼此黏结在一起,从而起到了增加土体强度的作用,随着PAM施用量的增加,这种固化效果越来越明显,这说明PAM可以增强土壤颗粒间的黏结力,使土壤颗粒排列更为紧密,实现了对土体的固化。

  1.2 调节土壤水分状况

  PAM不但能改变土壤的物理结构,还能影响土壤的持水能力、土壤水分蒸发及土壤入渗率。有研究表明,PAM的加入可以提高土壤的持水能力、增加土壤入渗、抑制水分蒸发[11,12,13,14].但这种效果并不是绝对的。也有学者指出,PAM的加入虽然可以提高土壤的持水能力、抑制水分蒸发,但却在一定程度上降低了土壤水分的入渗能力[15,16].这可能是由于PAM吸水后体积膨胀堵塞了土壤孔隙,从而降低了土壤的入渗[17],也有可能是土壤表层产生的封闭、结皮现象导致土壤入渗的降低。土壤表层的封闭、结皮现象是抑制土壤水分入渗的主要原因,为了深入了解这一现象的产生,验证PAM抑制土壤结皮产生的效果,唐泽军等[18]利用扫描电镜对处理前后的土壤进行了一系列的观察,结果显示对照组和处理组在电镜下呈现出完全不同的状态:经PAM处理后的土壤孔隙大而连通性好,而未处理过的土壤表层颗粒堆积密集、孔隙小,这表明PAM可有效抑制结皮的产生,但无法阻止这一现象的发生。因此,PAM只能保持土壤入渗率在一定时间内稳定,但最终无法阻止土壤入渗的下降,也不能起到增加土壤水分入渗的作用。

  此外,PAM对土壤饱和导水率KS的影响也一直存在争议,潘英华等[19]在粉砂壤土中加入PAM后,土壤的饱和导水率有所增加,但韩冬等[20]在砂壤土和黏壤土中加入不同浓度的PAM,测定土样的饱和导水率,结果表明在短时间内处理组土壤的饱和导水率显着高于对照,但随着施用时间的增加而逐渐降低,最后趋于稳定且低于对照组。这可能是因为PAM水解后的分子链不断伸张延长,堵塞了土壤孔隙,加上PAM本身的黏滞特性,从而降低了KS.

  1.3 增加土壤抗侵蚀能力

  土壤侵蚀不仅会导致土壤资源被蚕食,同时肥沃的表土层流失,还会使土地的肥力下降、破坏地表植被,导致生态环境恶化。PAM可有效增强土壤的抗侵蚀能力[21,22],抑制水土流失。张兆福[23]尝试将PAM用于花岗岩崩积体的治理,试验结果表明,PAM可以有效增强花岗岩崩积体的抗侵蚀能力,分子量为1 200万、水解度10%的PAM更适合用在花岗岩崩积体的治理中,当PAM施用量为2~3 g/m2时减少土壤侵蚀的效果最好,在中雨、大雨和暴雨条件下其减少土壤侵蚀量最高可分别达50.12%、82.29%和66.66%.潘德峰等[24]在粉质砂壤土中加入不同量的PAM,探究其防治土壤侵蚀的最佳比例,结果表明,PAM对土壤侵蚀有明显的抑制作用,但它的作用效果与浓度大小直接相关,当PAM的浓度在5%以下时,土壤侵蚀量随着其浓度的升高而减少,当大于5%时,其抑制作用将不会再增加。PAM对地表产流的作用受坡度的影响[35].王丽等[26]在不同坡度的黑垆土中添加PAM后,5°和15° 坡面的总产流量增加,25°坡面的总产流量却减少,产流量表现出随坡度增大先增加后减小的变化趋势。

  1.4 减少土壤养分流失

  PAM在抑制土壤侵蚀的同时,还能减少土壤中的氮、磷等营养物质流失。研究表明,PAM是一种很好的保肥剂[27],PAM的加入可以减少径流中挟带的总磷、氮和BOD,能够有效地控制土壤养分的流失[28].员学锋等[29]以杨凌黏土为试验土壤,探究了养分淋溶的影响,试验表明,经PAM处理后,土壤淋溶液中的N、P、K均低于对照组,尤其是对K的效果最为明显。土壤中添加PAM能有效减少N、K在土壤中的淋溶损失,增加土壤对N、K的保持固定作用,但对P的作用效果却并不理想[30].PAM还可以影响土壤养分的垂直分布[31],将PAM与肥料混合后可增加0~40 cm橡胶树根层土壤养分含量,有利于橡胶树根系对养分的吸收,减少养分淋失,但却会降低40~100 cm土层中养分的含量。

  1.5 PAM与其它土壤改良剂的联用效应

  单独使用PAM有时很难满足实际需要,为了达到最佳的改良效果,可以考虑将PAM与其它改良剂混合施用,使其同时具有二者优点,又能弥补二者的不足。研究表明,PAM与其它改良材料混合施用时,对土壤改良和作物增产的效果明显好于单独施用[32,33].

  何熙等[34]将作物秸秆作为主材料,以膨润土和PAM为添加剂配制沙质土壤改良材料。结果表明,添加剂量为10 g/kg、当配方中的PAM含量为2%时,经处理的土样,在土培60 d后,饱和含水量为52.6%,是对照的2.32倍,对沙质土壤团粒结构改良效果最为明显。赵智等[35]采用粉煤灰和PAM混合施用改善沙土的水分环境和物理化学性质。结果表明,当粉煤灰的质量比为10%、PAM的施用量为120 mg/kg时,土壤田间持水量提高了18%,饱和导水率减小了26%,同时增加了土壤有效水的含量,效果最佳。

  2 影响PAM施用效果的因素

  尽管PAM对土壤有很好的改良效果,但在具体施用过程中受多种因素的影响,可能会呈现出不同的效果。影响PAM效果的主要因素有:土壤本身的特性,PAM的分子量、浓度及施用方式。

  土壤本身的特性对PAM施用效果起着关键性作用,对于本身结构较好的土壤,PAM的加入能够提高土壤水分的入渗率,但对于结构较差的土壤,PAM的加入反而会降低其入渗[36].不同类型的土壤中施用PAM后对产流量的影响也不相同[37,38],粗砂土施用后会减小土壤的入渗率、增加径流量,结构较好的壤土施用后会增加土壤的入渗率、减少径流量。曹丽花等[39]通过对黄土高原3种不同的土壤类型进行对比得出,土壤的黏粒含量和有机质含量的差异,可能是影响PAM对不同土壤的水稳性团聚体改良效果产生差异的主要原因。

  当PAM的分子量不同时,其效果也不同,高分子量的PAM在水土保持方面的效果比低分子量的PAM要好。但如果分子量过高,分子不易在土壤层中扩散和流动,在土壤表面容易形成高分子胶结土壤的膜状薄层,反而减弱土壤的渗透性[40].于健等[41]通过对比不同分子量及水解度的PAM在砂壤土中的作用效果得出:分子量为150和180的PAM在提高土壤入渗方面明显高于120的,其中分子量150的PAM略优于180,在减少径流和土壤侵蚀量方面分子量150的PAM明显高于其它两种。夏海江等[42]等以辽宁棕壤土为实验材料进行室内模拟试验得出,施用不同剂型的聚丙烯酰胺都能不同程度地减少土壤侵蚀量。以阴离子型分子量300~400万的聚丙烯酰胺减少土壤侵蚀量的效果最好,平均较对照减少土壤侵蚀量78.1%.因此,在施用时因根据不同的土质选择适宜分子量的PAM.一般来说,砂土通常选择高分子量的PAM,而质地较密实的壤土可以选择分子量较低的PAM[43].

  同时,PAM的浓度也是影响其作用效果的重要因素,员学锋等[7]通过对不同浓度PAM在塿土中的施用效果对比得出:在撒施的条件下,浓度在一定范围之内时,PAM可有效的降低土壤密度,增加土壤饱和含水量和田间持水量,但当浓度大于1 g/m2 时。在拌施的条件下,土壤密度会随着PAM施用量的增加而上升,且当PAM的浓度超过0.04%的时候,施用会大幅降低土壤的渗透性,当PAM浓度为0.16%时,土壤几乎不能透水。雷廷武等[44]采用微型水槽的室内模拟试验,发现10 mg/L的PAM浓度对降低沙土侵蚀效果最好。肇普兴等[45]筛选出PAM防治田间土壤侵蚀的最佳浓度为10×10-6~40×10-6(施用量为300 mg/m2)。

  PAM的状态和不同的施用方式也对PAM的施用效果有着一定的影响,Flanagan等[46]认为,在干燥土壤表面喷施PAM溶液比干施PAM颗粒能更有效地控制直接土壤侵蚀。于健[47]等则认为直接施撒PAM不仅效果明显,而且易于在干旱地区大范围施用。对于不同施用方式PAM的作用机理目前还尚不明确,还有待进一步的深入研究。

  3 总结与展望

  综上,PAM对土壤的作用可能会依据不同土壤所具有的特性而呈现出不同的效果,也可能会因为PAM的种类、施用量和施用方式的不同而发生变化,具体原因还需要更多的试验去验证。但这提醒我们,在使用PAM作为改良剂进行土壤改良时,要结合当地的实际情况选择方案,不仅要注意分子量及水解度的选择,还需要对其的施用浓度及施用方式进行反复对比实验,选取效果最佳、施用方式最便捷、性价比最优的施用方式。

  近年来,我国矿业发展规模越来越大,大规模的矿山开采破坏和占用土地资源,环境污染,对矿区周边的生态环境也造成严重影响[48].大量露天堆弃的尾矿库,综合利用率却不足10%,结构松散,水力侵蚀和风力侵蚀严重,严重制约其生态恢复,尾矿表面覆盖表土是常用且有效的措施之一,但考虑到我国的大多数尾矿库位于山区,取土困难,有些地方甚至无土可取[49],传统的覆土法不仅投资成本较高,而且可能会破坏当地的土壤结构,容易造成新的环境问题。因此,寻找一种安全无毒、效果稳定、价格低廉的土壤改良剂对铁尾矿砂进行规模化的人工改良是目前最切实际的方式。基于上述对PAM在土壤中应用分析,可知PAM易于将周围分散的土粒和矿物质胶结在一起,形成微团聚体,因此保水性能和粘聚效果很强[9],PAM与其它材料混合作为土壤改良剂可起到防风固沙的作用[10],PAM已逐渐应用于土壤物理结构改良、水土流失防治等方面,并取得了良好的进展,因此可尝试将PAM作为改良剂用于矿区复垦中,来改善其物理结构、减少水土流失,促进矿区生态修复,加快我国生态文明建设步伐。但目前将PAM用于尾矿复垦方面的研究还较为缺乏[50],要想将其广泛的应用于生产实践中,还需要更多的研究成果与理论体系来支撑。
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