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聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展

发布日期:2014-10-20 20:55:54
聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展介绍
聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展
聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展,水利是衣业的命脉,我国北方地区的持续干旱及地下水 的严重超采,促使水资源的高效利用成为人们关注的焦点。 研究表明,衣业灌溉用水约50%消耗在田间,加强对田间节 水技术的研究和开发,可显著减少灌溉量,提高雨水利用效 率及作物产量1。聚丙烯酰胺(PAM)作为土壤结构改良剂, 可增加土壤表层颗粒间的凝聚力,维系良好的土壤结构,防 止土壤结皮,增加土壤水分入渗,防止水土流失,抑制土壤水 分蒸发,提高雨水利用率,具有保水、保土、保肥、保温、增产 等效用;聚丙烯酰胺还能够提高肥料的利用率,改善生态环 境。目前,有关聚丙烯酰胺对土壤入渗及产流产沙以及水土 保持机理的研究比较深入,而在土壤保水、保肥等方面由于 其投入成本较高而并未得到推广,开展聚丙烯酰胺在干旱、 半干旱地区衣业生产中的应用,对提高灌溉水及自然降水的 利用效率、节水灌溉等有着重要的意义。
1聚丙烯酰胺特性
聚丙烯酰胺是一种水溶性线性高分子聚合物,其单体为 丙烯酰胺(AM),几乎不溶于苯、乙醚、酯类等一般有机溶剂, 易溶于水,是目前应用最为广泛的水溶性聚合物。聚丙烯酰 胺为无色颗粒状,其水溶液为近透明的粘稠液体,无毒、无腐 蚀性,在150 T:以上时才可热分解,在环境中稳定性好。聚 丙烯酰胺有阳离子、阴离子、非离子、两性离子和超高分子量 等类型,随聚合程度的不同,分子量在500〜2 400万Da (Da 表示一个12C原子质量的1/12)之间变动。聚丙烯酰胺具有 特殊的物理化学性质,可作为絮凝剂、增稠剂、减阻剂、泥浆处理剂、表面活性剂、土壤改良剂、水土保湿剂、种子包衣剂、 纸力增强剂等被广泛运用于石油开采、水处理、纺织、造纸、 医药、衣业等2。
20世纪90年代,聚丙烯酰胺作为土壤结构改良剂应用 于衣业生产,近年来有关聚丙烯酰胺在衣业生产中的研究较 多。20世纪80年代中期,聚丙烯酰胺由比利时介绍到我国, “七五”期间中国衣业科学院土壤肥料研究所先后在北京、山 东、河北、山西、陕西、宁夏、新疆等地进行了室内模拟、盆栽 和大田等试验,结果表明,聚丙烯酰胺增加了土壤水分入渗, 减少了地表径流,并对土壤温度产生影响,但由于聚丙烯酰 胺的应用成本较高,未能在我国推广:“九五”期间,国外新型 聚丙烯酰胺介绍到我国,大田试验表明,新型的聚丙烯酰胺 可提高作物产量,增加经济效益3。
2作用机理
聚丙烯酰胺分子式为[C3H5ON] n具有很强的絮凝作 用。聚丙烯酰胺与水接触时,疏水基由于疏水作用转向内 侧,形成不溶于水的粒状结构,亲水基团通过氢键与水分子 结合形成水合水。聚丙烯酰胺分子结构中三维网络上 一COOH基团遇水发生解离,产生一COO-和H+离子,由于 高分子链上的一COO -不能向水中扩散,则网络中的H +浓度 高于水中的H +浓度,产生了浓度差,使高分子聚合物网络外 部的水向网络内部渗透,以达到网络内外H+浓度的平衡,因 此网状结构内外产生了渗透压,水分子便在渗透压的作用下 向网内渗透形成了网孔水4。这种网孔水是被高分子网空 间所束缚的自由水,但这种被束缚的水分子仍具有普通水的 理化性质,只是水分子的运动受到限制。施用聚丙烯酰胺, 在土壤中形成很多的“小水库”当遇到干旱时“小水库”因 渗透压的作用而缓慢释放水分供作物吸收利用,从而有效防 止水分流失和无效蒸发,达到抗旱保墒。聚丙烯酰胺分子在
土壤中遇水溶解时,分子与土壤颗粒相互作用,对土壤团聚 体的形成起到了一定促进作用,促使土壤的沉降系数、结构 系数和各级水稳性团聚体总量明显提高,并增加土壤水分入 渗率,阻碍土壤结皮的形成,减少地表径流,为作物增产提供 条件。冒建华等试验表明,聚丙烯酰胺能减少0.1 mm粒径 的颗粒 51.3% ~62.5% 5。
3衣业生产中的作用
3.1保水 土壤水分是土壤的重要组成部分,它不仅是作 物生长需水的主要供给源,而且是土壤内生物活动和养分转 化的必要条件,且对物理性质及土壤耕作有很大影响。土壤 中加入聚丙烯酰胺能显著提高土壤含水率,抑制土壤结皮形 成,增加水分入渗。土壤结皮存在于土壤表层,具有密度大、 孔隙小、低饱和导水率的性质,能够阻碍土壤水分入渗、增加 地表径流以及妨碍种子发芽6。聚丙烯酰胺可增加土壤水 分入渗,即增加土壤的含水率,能够在降雨后一定时间内保 持土壤的含水量。聚丙烯酰胺的覆盖率越高,土壤的含水率 就越大。于晓光等对砂土进行了试验,结果表明,施用聚丙 烯酰胺可以缩短水分入渗时间,提高水分入渗速率,减少土 壤水分渗出量,抑制土壤水分蒸发7。介晓磊等研究结果表 明,土壤吸力较低的阶段,随着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。员学锋等的试验表明,聚丙烯酰胺可有效增加土壤 入渗速率、增加土壤持水力、抑制土壤水分蒸发,且聚丙烯酰 胺的浓度增加,其改土的效果愈明显;但当聚丙烯酰胺浓度 过高时,则会在土壤表层过度黏结土粒,反而抑制水分入 渗9。也有试验表明,聚丙烯酰胺的吸水倍率与溶液中的金 属盐离子浓度有关,一般呈现负相关M。
3.2 土壤结构改良与保肥聚丙烯酰胺在减少土壤侵蚀 的同时,可有效改善土壤结构,使土壤大团聚体数目增加,使 土壤总孔隙度和毛管孔隙度上升,降低土壤容重,最终使土 壤颗粒和孔隙结构保持稳定[11]。聚丙烯酰胺还显著影响土 壤对肥料元素的吸附,聚丙烯酰胺通过稳定水稳性团粒结构 以及对肥料元素吸附,抑制肥料元素流失,提高肥料利用率。 经过聚丙烯酰胺处理后的土壤有机质、速效氮、速效磷和速 效钾等含量会显著提高。龙明杰等[12通过土壤吸附肥料和 土壤肥料淋溶试验得出,聚丙烯酰胺可以使土壤对NH4 +和 NO3 —的吸附分别增加 30. 6% ~ 62. 6% 和 2. 5% ~ 16. 3%。 肇普兴等的试验结果表明,在坡度为6。、10。、15。时施聚丙烯 酰胺,其保肥率分别提高了 80%、5%和55% [13]。杜尧东等 通过田间坡地试验研究表明,坡地施用阴离子型分子量300 万〜400万Da的聚丙烯酰胺,可减少地表径流,提高土壤水 分含量,促进土壤沉降,减少土壤侵蚀量和肥力流失[14。员 学锋等通过室内模拟试验表明,聚丙烯酰胺处理可使土壤淋 溶液中的N、P累积量分别较对照减少了 42. 40%、43. 85% , 同时随着聚丙烯酰胺浓度的增加,土壤中养分淋失进一步减 少[15。曹丽花等试验结果表明,在浓度为0.05%〜0.4%, 聚丙烯酰胺可促进土壤>0. 25 mm水稳性团聚体的形成,并 有效降低土壤团聚体分形维数,改善土壤结构[16。聚丙烯 酰胺对土壤结构的改良与其施用量有很大程度的关系,聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展,由表 1可知,聚丙烯酰胺施用后使土壤孔隙度明显增加,但随着使 用量的增大增加的幅度减慢;使用量在1.0 ~ 1.5 g/m2,容重 变化显著,平均减少0.09〜0.11,再增大则效果不明显。
表1 不同施用量的聚丙烯酰胺对土壤容重和土壤孔隙度的影响[
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保温聚丙烯酰胺施入土壤,水分被网状结构吸持,自 由水减少,从而使土壤传导率降低,因此土壤的温度白天较 低,夜间较高,日温差减小,利于植物生长发育。研究表明, 聚丙烯酰胺对创建土壤中粒径0.25〜4. 00 mm的团粒结构 有利,同时还可以明显提高土壤的膨胀率和土壤的保温性 能[17。中国衣业科学院土壤肥料研究所在北京潮褐土冬小 麦地地表撒施0.1%聚丙烯酰胺,发现其对5 cm 土层温度影 响最大,地表最局、最低温度和平均温度均提局33。
3.4增产聚丙烯酰胺增强了土壤的保水性和保肥性,增 强了土壤的团粒结构,提高了土壤的通透性和抗旱能力,给 作物的生长提供了相对优越的条件,显著促进作物生长发育 并提高了作物产量。Stern R随灌慨向地表撒施20 kg/hm2 的聚丙烯酰胺,小麦产量提局了 9.0% 8。J. Wood House等 的试验结果表明,施用聚丙烯酰胺可促使莴苣、大麦干物质 质量提高,最高处理较对照增产4倍,水分利用率增长了 3 倍[19。Shock C. C.等在马铃薯地施加聚丙烯酰胺,增大了马 铃薯块茎,产量提高了 7.6% ~ 2.5% [20]。杜杜妮等试验表 明,玉米生育期间浅层土壤贮水量随聚丙烯酰胺的使用量增 加而提高;玉米叶片光合速率、茎叶生物量、根系生物量、果 穗生物量、茎杆粗度、籽粒产量、千粒重也随聚丙烯酰胺施用 量的增加而提高;从播种到成熟期,玉米耗水量减少,水分利 用效率、水分产出率极显著提高21。研究表明,聚丙烯酰胺 在黄土地旱作衣业中应用,具有提高经济效益的作用,为聚 丙烯酰胺大面积推广提供了条件[22]。
4 影响因素
4.1 施用方式及使用量在干旱地区,土壤结构不稳定,降 水或灌溉期间易导致土壤板结,造成土壤水分入渗减少和地 表径流增加。夏江海等认为聚丙烯酰胺用量为0.3〜1.2 g/m2,相当于3〜12 kg/hm2,可有效防止土壤侵蚀[23];当聚 丙烯酰胺用量为5、10、20 mg/L时,可增加降水入渗,但对不 同质地的土壤应具体分析24。聚丙烯酰胺在低用量时具有 较好的凝结作用,可稳定土壤结构,可作为土壤稳定剂;用量 太大,成本提高,造成浪费,甚至有时还会起到反作用。聚丙 烯酰胺在土壤中应用存在一个阈值,通过对这个阈值的分 析,可充分发挥其保水保土作用[25]。
通常聚丙烯酰胺的施用方法主要有两种:一是将聚丙烯
酰胺随灌溉水施用,另一种是在地表直接撒施5。对于雨养衣 业地区,聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展,若将聚丙烯酰胺溶于水喷洒在地表,需要大量的水,操 作困难,因此一般情况下选用干洒法。R E Sojka等对沙壤土 采用两种施用方法:一是在施用前将聚丙烯酰胺溶于水,喷洒 于土壤,另一种是直接撤施聚丙烯酰胺颗粒,喷洒聚丙烯酰胺 可减少泥沙81%,撒施可减少泥沙88% 26。于健等对不同形 态聚丙烯酰胺(溶胶态、溶液与干粉状)的土壤入渗、侵蚀量进 行了研究,结果表明,3种形态的聚丙烯酰胺对增加土壤水分 入渗,减少土壤侵蚀均有显著影响,且干粉状聚丙烯酰胺由于 施用效果较好,方法简便易广泛推广27。由于聚丙烯酰胺溶 解、喷洒等不便,一般很少采用喷洒法25。
4.2分子量聚丙烯酰胺是高分子聚合物,在分散土壤细 粒间的桥键作用和在土壤团粒外表面形成保护网的作用较 强。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,但分子量过高,分子不易在土层中扩散和对流,限制 改良土层深度,并容易在土壤表面形成高分子胶结土壤膜状 薄层,反而减弱土壤的渗透性M。衣业生产中,高分子量聚 丙烯酰胺链长过长,会在相邻的黏粒之间形成“搭接桥”,使 粘结作用增强,但链长过长则会使水分难以穿透,不能进入 土壤团聚体空隙,使施用效果下降,一般选择中分子量聚丙 烯酰胺。同时还需根据不同土质选择适宜分子量的聚丙烯 酰胺。一般来说,砂土通常选择高分子量的聚丙烯酰胺(18 mg/mol),而质地较密实的壤土可以选择分子量较低的聚丙 烯酰胺(6 mg/mol) 28。同时还应注意到在分子量相同的情 况下,高离子度能引起聚合物分子间相互排斥,降低土粒对 其的吸收程度,因此一般采用的离子度是20%〜30% 29。 4.3 土壤质地 土壤类型不同,施用聚丙烯酰胺的效果也 不同。小颗粒的土壤吸收的聚丙烯酰胺量比大颗粒多,故聚 丙烯酰胺适用于粉沙至黏质土壤,在沙性土上的效果不 好30 ,结构差的土壤缺少分散的黏粒,聚丙烯酰胺起着絮凝 作用,但在絮凝泥沙同时,长链尾部堵塞了土壤的传导空隙, 而在土壤表面形成结皮,降低入渗。施用聚丙烯酰胺,对于 结构好的土壤其水力传导度随聚丙烯酰胺质量浓度的增加 而增加,持水能力、孔隙度也均有很大程度的提高;对于中等 结构的土壤,其水力传导度的增加值要比结构好的土壤 大31。杨永辉等对黄土高原主要类型土壤的保水作用进行 试验,结果表明,在一定量范围内,聚丙烯酰胺可以提高不同 类型土壤的持水和导水性能,并且减少了土壤水分蒸发32。 故在实际应用中,应根据土壤类型选用聚丙烯酰胺,否则可 能与预期效果大相径庭。
4.4与其他物质的复合作用土壤因表面具有负电性而
产生静电排斥,阴离子聚合物分子在负电性的分散土粒表面 难于吸附,改良土壤的作用不明显,多价金属阳离子在两者 之间形成桥状化学键,促进了阴离子聚合物分子的吸附。在 土壤中阳离子含量比较低时,单独施用聚丙烯酰胺,不仅土 壤表面吸附的聚丙烯酰胺量较少,而且形成的聚丙烯酰胺分 子链较长,长分子链堵塞了土壤颗粒间的孔隙,只有较少的 水分入渗。土壤中的多价阳离子可以分别结合土壤颗粒表 面的阴离子和聚丙烯酰胺的负相,形成阳离子桥,促进了阴 离子聚合物分子的吸附。而且由于多价阳离子的存在,使得 形成的聚丙烯酰胺链比较短,既可以增加水分入渗,又能够 稳定土壤结构,减少土壤流失。聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展,聚丙烯酰胺与石膏结合、聚 丙烯酰胺与黄绵土混合以及PAM - atta复合保水剂不但在 水土保持方面作用可靠,在防止土壤结皮及增加入渗方面效 果显著,对衣业生产也起到极大帮助,同时,PAM - atta复合 保水剂还克服了一般保水剂耐盐性差、成本高等不理想因 素,因此,开发新型聚丙烯酰胺具有广阔前景24。
5存在问题及发展前景
5.1存在问题聚丙烯酰胺是一种水溶性、高分子量的有
机聚合物,其本身及其水解体均无毒。美国使用聚丙烯酰胺 的实践表明,聚丙烯酰胺不会对生态环境造成危害,它在土 壤和水中不具毒性,同时也不会在作物中产生积累33。目 前,聚丙烯酰胺作为土壤结构改良剂应用于衣业生产,但是 寻求一套较为合适的聚丙烯酰胺施用技术体系很重要,同时 聚丙烯酰胺是一种较易挥发的颗粒,选用聚丙烯酰胺的时机 和方法是一个较难解决的问题34。在实际应用中要结合土 壤性质等具体因素而定。
总的来说,聚丙烯酰胺应用于衣业生产,最终目的是改 良土壤性质,并获得高产,不同土壤类型、不同灌溉条件下的 适宜施用量、施用时期、与肥料的耦合作用及相应的施用方 法,以及经济效益都是需要考虑的重要因素。聚丙烯酰胺在 衣业生产中应用有其显著的优越性,但同时还面临着多种条 件的制约,因此,应加大对新型聚丙烯酰胺的研究力度,克服 传统聚丙烯酰胺在应用过程中的一些问题,提高聚丙烯酰胺 的耐盐碱强度,提高吸水倍数,降低成本,发挥其在衣业生产 中的最大效应。
5.2发展前景我国水资源紧缺,水土流失严重,聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展,聚丙烯酰 胺用做土壤改良剂,技术操作简单、方便、易学、且投入少,可 直接产生经济效益,且改土、保土、保水、保肥等效益显著,是 保水增产的一条新途径。目前聚丙烯酰胺在衣林业上的应 用研究已经深入开展,聚丙烯酰胺将成为衣林业生产上不可 缺少的物质,具有深刻的意义,聚丙烯酰胺在衣业领域中应 用前景相当广阔。
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