張雪辰，陳 誠，蘇里坦，王秀萍，劉廣明，楊勁松

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；4 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；5 河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北唐山 063200)

土壤鹽漬化是當(dāng)今人類面臨的十分突出的環(huán)境問題，鹽漬土是地球上分布廣泛的后備土地資源。我國鹽漬土總面積約3.6×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[1]，主要分布在我國東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)及長(zhǎng)江以北沿海地區(qū)[2]。鹽漬土結(jié)構(gòu)性差，保水性差，肥力低，不適宜植物生長(zhǎng)[3-4]，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致作物死亡，影響作物產(chǎn)量。因此，鹽漬土的改良及開發(fā)利用尤為重要。一般的鹽漬土壤改良方法有物理改良、化學(xué)改良和生物改良以及水利措施。改良劑適宜用量的確定是化學(xué)改良措施的技術(shù)核心[5]。

聚丙烯酰胺(PAM)是一種高效的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，其為高分子聚合物，有較好的水溶性，具有很強(qiáng)的黏聚作用，能夠維持并且增加團(tuán)聚體的數(shù)量[6-8]，增加土壤孔隙度[9]，降低土壤容重[10]，提高土壤入滲率和含水量[11-13]，從而改善土壤物理結(jié)構(gòu)[14]。PAM的施用量影響改良效果和實(shí)施成本。施用量過小，其效果可能不明顯，而施用量太大不僅使成本提高，效果也不一定最佳，因此根據(jù)不同的土壤性質(zhì)、改良目的及改良區(qū)域選擇適宜的施用量至關(guān)重要。員學(xué)鋒等[15]通過研究 PAM 對(duì)塿土的改良效果，發(fā)現(xiàn)PAM的施用量＜1 g/m2時(shí)，土壤容重下降，孔隙度增加，而當(dāng)施用量＞1g/m2時(shí)，土壤容重增加，孔隙度減小，土壤滲透性降低。Sojka 和 Lentz[16]研究表明，PAM在單位面積(1 m2)上較適宜施用量為1～2 g。韓鳳朋等[17]研究表明，施用量為 2 g/m2時(shí)，土壤含水量達(dá)到最大，施用量再增加并不能產(chǎn)生明顯效果。砂土中施用PAM會(huì)顯著地減小土壤的穩(wěn)定水力傳導(dǎo)度，因此應(yīng)減小PAM的施用量[18]。馬鑫等[19]研究表明，土壤水吸力相同時(shí)，對(duì)于輕度鹽漬化土持水力最佳的PAM施用量為0.25 g/kg，而對(duì)于中度、重度鹽漬化土，PAM施用量0.5 g/kg時(shí)其持水能力最佳。可見，PAM的施用量并不大，但由于PAM在國內(nèi)的應(yīng)用剛剛起步，且由于土壤性質(zhì)和改良目的不同其施用量并不能一概而論，因此，確定PAM在鹽漬土壤改良中最適宜用量是其應(yīng)用于鹽漬土改良的首要任務(wù)?；诖耍驹囼?yàn)設(shè)置了不同的PAM濃度梯度，旨在找出PAM改良鹽漬土的最優(yōu)用量，為PAM在鹽漬區(qū)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣基本理化性質(zhì)見表1，為中度鹽化黏質(zhì)耕作土壤，種植主要作物為水稻、玉米、小麥等。土壤改良劑選用聚丙烯酰胺(PAM)，陰離子型，分子量為300萬。PAM是一種水溶性的高分子聚合物，具有很強(qiáng)的絮凝作用。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集的盆栽土壤自然風(fēng)干，過5 mm篩，于中國科學(xué)院南京土壤研究所溫室進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，時(shí)間為2015年9月至11月。試驗(yàn)?zāi)敛轂楹邴湶荩颗璨シN100顆種子，每盆裝土2 kg。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)PAM濃度，3次重復(fù)。PAM濃度分別為0、0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg。用氮肥和磷肥作為基肥，其中氮肥為尿素，用量為N 0.15 g/kg，磷肥為磷酸氫二銨，用量為 P2O50.10 g/kg。將風(fēng)干土、各濃度改良劑及氮肥、磷肥充分混合于干凈的塑料盆缽中，加蒸餾水至田間持水量，放置2 d，然后均勻播撒黑麥草種子，適時(shí)澆水，每盆澆水量一致，于溫室中進(jìn)行培養(yǎng)。

1.3 土樣采集與分析

在黑麥草收獲后，去除表層土壤，取環(huán)刀土樣，用于測(cè)定土壤容重、土壤毛管孔隙度和飽和導(dǎo)水率；同時(shí)采用土鉆法，在盆缽中間采取土樣，混勻，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，磨碎，過2 mm篩后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

土壤電導(dǎo)率由電導(dǎo)率儀測(cè)得；土壤容重和土壤毛管孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法；土壤孔隙度由土壤容重和比重計(jì)算求得；土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定采用定水頭法；土壤pH測(cè)定采用電位法；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提-紫外分光光度計(jì)比色法；土壤有效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提法；土壤速效鉀測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度法。所有測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法》[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAM對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

PAM的不同施用量與土壤電導(dǎo)率的關(guān)系見圖1。由圖1可知，在0.01～0.27 g/kg的PAM施用范圍內(nèi)，土壤電導(dǎo)率較對(duì)照(不施PAM)均下降，但當(dāng)施用量為0.81 g/kg時(shí)，土壤電導(dǎo)率較對(duì)照增加 1.17%，說明PAM 的施用量并不是越大越好。當(dāng) PAM 施用量為0.01 g/kg和0.03 g/kg時(shí)，土壤電導(dǎo)率分別較對(duì)照降低1.28%和0.53%；當(dāng)PAM施用量為0.09 g/kg時(shí)，土壤電導(dǎo)率達(dá)到明顯的最低值，為1.63 dS/m，較對(duì)照下降 13.42%。而當(dāng)施用量繼續(xù)升高時(shí)，土壤電導(dǎo)率反而增加。由此可知，從土壤電導(dǎo)率的角度分析，PAM的較適宜的施用量為0.09 g/kg。陰離子型PAM能降低電導(dǎo)率的原因可能是PAM溶于水后吸附土壤溶液中陽離子，從而降低土壤可溶性鹽含量。谷曉巖等[21]研究表明，PAM濃度在0～50 mg/kg范圍內(nèi)，濃度越高，土壤電導(dǎo)率降低率越大，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。谷曉巖等[21]推測(cè)陰離子型PAM能降低土壤電導(dǎo)率的原因可能與氫鍵和配位基交換有關(guān)，并通過PAM對(duì)鹽溶液電導(dǎo)率影響的試驗(yàn)證實(shí)其作用機(jī)理是通過減少土壤溶液的含鹽量降低電導(dǎo)率。而PAM濃度繼續(xù)增加改良效果不明顯的原因可能是施用量過大時(shí)，聚合物分子將部分自身纏繞成團(tuán)以及在土粒表面上形成“雙層”吸附層，從而不利于鹽分的淋洗[22]。

圖1 PAM 不同施用量對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響Fig. 1 Effect of PAM concentration rate on soil electrical conductivity

2.2 PAM對(duì)土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響

土壤孔隙是土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間的間隙，土壤孔隙度為土壤孔隙容積占土體容積的百分?jǐn)?shù)。土壤孔隙的組成是評(píng)價(jià)土壤理化性質(zhì)，土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地的重要指標(biāo)[23-24]。土壤孔隙分為毛管孔隙和非毛管孔隙。非毛管孔隙主要承擔(dān)透氣作用，為好氧微生物提供良好的生存環(huán)境，同時(shí)也為土壤水分的暫時(shí)儲(chǔ)存提供空間[23]。毛管孔隙是水分儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)的主要空間，是土壤孔隙分類和評(píng)價(jià)的常用指標(biāo)，只有毛管孔隙度適宜才利于植物吸收水分。

圖2 不同PAM施用量對(duì)土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響Fig. 2 Effect of PAM concentration rate on soil capillary porosity and total porosity

PAM 的施用量對(duì)土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響見圖2。從圖2可以看出，土壤毛管孔隙度的變化隨著PAM的施用量增加而增加，當(dāng)施用量為0.09 g/kg時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著用量的增加而降低。從此趨勢(shì)可知PAM施用量并非越大越好，當(dāng)施用量為0.09 g/kg時(shí)效果最為顯著，土壤毛管孔隙度為45.38%，較對(duì)照增加 5.35%；當(dāng)施用量為 0.81 g/kg時(shí)，其效果最差，毛管孔隙度為 42.85%，較對(duì)照降低0.52%。由此，從毛管孔隙度的角度來看，較適宜的PAM施用量為0.09 g/kg。同時(shí)，從圖2還可以看出，各個(gè)處理均能提高土壤的總孔隙度，當(dāng)PAM施用量為0.09 g/kg時(shí)效果最佳，總孔隙度為48.44%，較對(duì)照提高5%；當(dāng)施用量為0.81 g/kg時(shí)效果最差，總孔隙度為 46.79%，較對(duì)照提高2%。PAM的施用量在一定程度上能增大孔隙度，其主要原因是 PAM的絮凝作用利用土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性，從而使土壤孔隙度特別是土壤毛管孔隙度增大[15,24]。而當(dāng) PAM 濃度過大時(shí)反而效果下降，可能原因是PAM 的水溶性很強(qiáng)而透水能力較差，施用量增加時(shí)眾多顆粒間可能形成多枝纖維狀物，并且PAM溶于水后使水黏度增加，黏稠物會(huì)進(jìn)入到土壤孔隙中，堵塞土壤孔隙[9,11]。

2.3 PAM對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)之一。土壤容重和土壤孔隙度間有一定的數(shù)量關(guān)系，土壤容重會(huì)隨著土壤孔隙度的增大而降低。同時(shí)，土壤容重也影響到土壤結(jié)構(gòu)及植物根系穿透土壤的能力，關(guān)系到土壤水、肥、氣、熱的變化及土壤抗侵蝕能力和植物生長(zhǎng)發(fā)育。

圖3 PAM 不同施用量對(duì)土壤容重的影響Fig.3 Effect of PAM concentration rate on soil bulk density

PAM 施用對(duì)土壤容重的影響見圖 3。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有處理的土壤容重均低于對(duì)照，當(dāng)施用量在0.01～0.09 g/kg范圍內(nèi)時(shí)，土壤容重隨著用量增加而降低，在施用量為0.09 g/kg時(shí)達(dá)到最低，之后隨著用量的增加而升高。PAM施用量為0.09 g/kg時(shí)效果最好，土壤容重為1.35 g/cm3，較對(duì)照降低5.71%，顯著低于對(duì)照。員學(xué)鋒等[15]研究表明，PAM 施用濃度＜1.0 g/m2時(shí)，土壤容重隨PAM 施用濃度的增加而下降，而當(dāng)施用濃度＞1.0 g/m2時(shí)，土壤容重隨PAM施用濃度的增加而呈上升趨勢(shì)。同時(shí)大量研究也表明，在PAM的施用量不大的情況下，土壤容重隨PAM施用的增加而降低[23-24]。

施用PAM 后，土壤容重降低是因?yàn)橥寥罋饪捉Y(jié)構(gòu)得到改善，土壤內(nèi)部孔隙增多總孔隙度增大。土壤孔隙度直接影響土壤容重的大小，土壤孔隙度小，表明土壤緊實(shí)，容重大；土壤孔隙度大，表明土壤疏松，容重小。

2.4 PAM對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是重要的土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反映了土壤的滲透性能，是研究土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的重要參數(shù)。土壤飽和導(dǎo)水率受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、鹽分及有機(jī)質(zhì)等的影響[25]。目前 PAM 對(duì)鹽漬化土壤飽和導(dǎo)水率的影響機(jī)理并不明確。

圖4 PAM不同施用量對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響Fig. 4 Effect of PAM concentration rate on soil saturated hydraulic conductivity

PAM 施用對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響見圖 4。從圖4可以看出，土壤飽和導(dǎo)水率的變化趨勢(shì)類似于土壤毛管孔隙度的變化。飽和導(dǎo)水率先是隨著PAM的施用量增加而增加，在施用量為0.09 g/kg時(shí)達(dá)到最大，之后隨著用量的增加而降低。由此可知，PAM施用量為0.09 g/kg時(shí)，土壤飽和導(dǎo)水率為0.052 mm/min，較對(duì)照增加76.7%；當(dāng)施用量為0.81 g/kg時(shí)，其效果最差，低于對(duì)照，飽和導(dǎo)水率為 0.010 mm/min，比對(duì)照降低66.7%，施用量為0.01g/kg和0.27g/kg時(shí)，飽和導(dǎo)水率也低于對(duì)照。韓鳳朋等[17]也研究表明PAM施用量在0～2 g/m2范圍內(nèi)添加PAM可以增加土壤飽和導(dǎo)水率，但施用量超過2 g/m2，土壤的飽和導(dǎo)水率會(huì)降低。施用量增加降低飽和導(dǎo)水率的原因是較高濃度的PAM溶于水后形成黏度較高的致密層，降低了水分下滲速率[19]。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，PAM施用量不同 (0.01、0.03、0.09、0.27、0.81 g/kg) 對(duì)土壤的理化性質(zhì)有不同的影響，在0～0.09 g/kg的施用范圍內(nèi)，PAM對(duì)土壤孔隙度和土壤飽和導(dǎo)水率的改良效果隨著施用量的增加而提升，當(dāng)施用量為0.09 g/kg時(shí)，土壤毛管孔隙度和總孔隙度較對(duì)照分別增加 5.35% 和 5%，土壤飽和導(dǎo)水率較對(duì)照增加 76.7%；且在該使用量下土壤電導(dǎo)率降到最低值，為1.63 dS/m；土壤容重較對(duì)照降低5.71%，改良效果達(dá)到最佳。當(dāng)施用量繼續(xù)增加時(shí)，PAM 的改良效果不明顯。因此，在本試驗(yàn)條件下PAM施用量為0.09 g/kg時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)能得到良好的改善，利于鹽漬土的改良。

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