聚丙烯酰胺(PAM)是一种种类繁多、特征各异 的有机髙分子聚合物。它是由丙烯酰胺单体在引发 剂作用下均聚或共聚所得聚合物的统称，为线状水 溶性高分子聚合物。分子量在100~2 000万g/mol 之间，外观为白色粉末状或无色粘稠胶体状,无臭、 中性、溶于水，几乎不溶于有机溶剂，温度超过 120C时易分解。由于它独特的理化特性被广泛地 应用于造纸、污水处理、食品加工、纺织、采矿、石油 开采等行业[1]。PAM作为土壤改良剂始于上世纪 前半叶，在五十年代达到了髙潮。早期的实验结果 表明PAM可以改良土壤结构，提高土壤的导水度， 减少地表径流和土壤侵蚀，增加作物产童[2]。由于

当时的主要目的是改良土壤结构，故主要的施放方 法是将PAM和耕作层土壤混合。这种施放方法不 仅难度大且PAM的用量也大，大大增加了改良成 本，也极大挫伤了人们对使用PAM的热情。大概 从上世纪九十年代开始，由于PAM生产技术的提 高，新产品的出现以及生产成本的降低，再加之地表 微量施放的新思路，使人们对PAM的热情再度高 涨[3]。表面施放，包括溶于灌溉水、水溶液喷洒或 干施等均较简便、用量少、成本低，对PAM的广泛 应用起了很大的推动作用。表面施放的新思路主要 来源于人们对地表结皮的重新认知。

地表结皮的形成主要是两个过程作用的结果。 其_为雨滴打击破坏团粒的物理过程;其二是粘土 矿物分散的化学过程[4]。结皮的厚度一般不超过1 ~2 mm,孔隙度很小,导水度仅是未结皮土壤的几 百甚至几千分之一。结皮的形成大大降低了降雨的 入渗率，增加地表径流和土壤侵蚀童。PAM能够有 效地阻止或减缓结皮形成的这两个过程。PAM作 为凝聚剂，可以阻止粘土胶体的分散。另外PAM 的长链大分子可以象网络一样保护团聚体,使其不 易被雨滴打散。

诸多研究表明PAM可以控制地表结皮的形 成，增加降雨人渗，进而减少径流和侵蚀[3,5^*]。研 究表明黄土极易形成表土结皮，结皮形成后，地表径 流和土壤侵蚀量显著增加[9]。因而，详细阐述PAM 的理化特性，探讨PAM与土壤粘粒和团聚体的相 互作用，阐明PAM增加团聚体稳定性的机理，综合 分析PAM在控制结皮形成及减流减沙中的作用， 对于黄土高原水土流失的治理有一定的实际意义。

1PAM的生产过程、分子结构及理化 特征

丙烯(propylene)是石油化工生产过程中的一个 重要中间产品。丙烯与気气和氧气反应生成丙烯腈 (acrylonitrile)^2^ 〇

CH2—CH + NH3 — CH2—CH + 3H20

CH3CN

在酸和金属催化剂作用下，acrylonitrile水合后 (Hydration)生成丙嫌醜胺（acrylamide,简称 AMD)[2]„

CH2—CH + H20 —»

CN

AMD是单分子，可在不同的工艺条件下聚合 形成聚丙烯酰胺（PAM)。由于聚合的工艺条件不 同，所形成的PAM种类各异，且理化性质不同。严水解。水解的程度决定了电量密度，可由加入强碱

格来讲，PAM是指由单一 AMD分子聚合而成的长的量来控制[11]»

链大分子[1]<

CH2—CH C—〇

NH2

-CH2—CH—

c—o I

I—CH2—CH^ (X)+ NaOHCH2—CH

(X)-^―CH~=

c—0 1

XL NH2 JzL NH2」li 〇■ Na+J

PAM所带电量或电荷密度常用重复单元的摩

NH2

PAM 的分子量高达 7 —15 MDa(M = million, Da= g/mol)，由 x = 100 000 ~ 200 000个重复的 AMD单元组成(每个单元的分子量为71 g/mol),为 中性(非离子）或在水解作用下（Hydrolysis)略带负 电，易溶于水。这种中性PAM在工业上有一定的 用途，但阳离子和阴离子PAM的应用更为广泛。 阴阳离子PAM合成的方法较多，但最常用的有两 条途径。其一是将已生成的中性PAM进行后续反 应处理使其带电;其二是将单分子AMD同带有电荷 的另一单分子化合物(comonomer)共同聚合而成。

下式表示了用共聚法(copolymerization)生产阳 离子PAM的一个例子[10]

尔数比率或摩尔百分数表达，摩尔数比率实际上就 是上式中的Y和x的比例或百分数。y的比例越 大,电荷密度越大。一般<10%被认为是低电荷密 度，10% ~ 30%为中密度，>30%的为高电荷密 度⑴。

分子量大小为PAM的另一个重要特征。市场 上PAM的分子量一般在105到20 X 1〇6 Da(Da = g/ mol)之间。为了便于区分，分子量小于105 Da的称 为低分子量、1〇5~1〇6 Da之间的为中分子量、106~ 5 Xl〇6 Da之间为髙分子量、大于5 X106 Da为极高 分子量。

分子量的大小直接影响PAM水溶液的粘度。 粘度太高时，处理PAM水溶液的难度就大。例如： 分子置为30 000 Da的PAM，50%浓度的水溶液都 比较容易处理，但是1%—2%浓度的15Xl〇6Da的 PAM水溶液就已经很难处理。溶液的粘度大小除 决定于分子童的大小外，也与PAM分子在水溶液 中的形态有关，长链伸展的PAM就比蜷曲的粘度

这种方法聚合的PAM分子量一般仅有数个 MDa，更大分子量的阳离子PAM则需用后续替代 反应法(post-reaction)将中性大分子量PAM转化 成阳离子PAM,最常用的方法是Mannich反应法〇 如下式所示[11]:

要大。另外,PAM分子在水中的形态不仅受自身电 荷密度的影响，也受水中电解质类型和浓度的影响。 如图1所示[12],中性PAM分子在水中常呈蜷曲状; 随着负电荷密度的增加，相互排斥，分子常呈伸展的 链条状。倘若水溶液中有其它的阳离子存在，带负 电的PAM分子会围绕阳离子而蜷曲，从而降低溶 液的粘度。一般而言，在分子量相当的情况下，粘度 随蜷曲度的增加而降低。伸展的PAM分子更容易 将不同的土壤颗粒网络在一起，从而增加土壤改良 的效果。

33%水解的较为 伸展的阴离子

67%水解的伸 展的强阴离子

2PAM和粘粒、土壤团粒的相互作用 机理

多数研究结果表明PAM可以增加土壤团聚体 的稳定性,保护土壤结构，进而可以增加降雨的入渗 速率和减少土壤的流失量。也有实验表明当过量施 放时(如3g/m2),PAM分子会堵塞土壤孔隙，反而 会增加径流，但还是能够有效地减少径流引起的土 壤流失量[13]。PAM对土壤的改良效果不仅决定于 PAM和土壤各自的理化性质，也与其施放方法有 关。土壤性质包括土壤的机械组成，尤其是粘土的 类型初含量、团聚体的大小和水稳性及土壤中阳离 子的类型和浓度。PAM的特性包括分子量、电荷类 型和电荷密度、PAM分子在溶液中的形态及电解质 的类型和浓度〇另外,PAM的施放方法(如：干施或 水溶液喷洒，喷洒后是否风干）都会影响PAM的改 良效果。

PAM被土壤颗粒尤其是粘土矿物强烈吸附。 由于分子量大,PAM的分子一般不会渗人到团聚体 的内部，而是象网络一样被吸附在团聚体的外 围[14]。被粘土和土壤颗粒包括沙粒所吸附的PAM 分子，尤其在风干后是不会被解吸的[15]。

总的来讲，土壤对PAM的吸附可分为物理和 化学两种。由于土壤中的粘土矿物带负电，对阳离 子PAM的吸附主要是靠正负电荷间的静电引力。 在强烈的静电引力下，阳离子PAM分子通常紧紧 包裹在带负电的粘粒的周围[16]。带负电的粘土矿 物和负离子PAM则相互排斥，他们之间的结合则 需要靠阳离子桥来实现。所以这种结合较前一种疏 松,长链的PAM分子仅通过数处阳离子桥与不同 的粘粒连接。这种结合有利于将不同的土壤颗粒网 络起来，从而可以更好的保护土壤团聚体和土壤结 构[17]。而粘粒对非离子PAM的吸附和砂粒对各 种PAM的吸附主要是靠范德华力来实现（属于物 理吸附)[16]。Theng[18]USPAM分子可以替代粘 土周围排列有序的水分子并与粘土结合，这个过程 是熵值增加的自发的物理过程。Emers〇n[19]曾提议 非离子PAM和粘土矿物表面可以形成氢键而结合 (属化学过程）。

PAM对人和环境基本上没有什么有害影响。 PAM不易受土壤微生物的影响而分解。PAM的分 解主要是由耕作和雨滴打击等引起的机械断裂、化 学分解和光解。PAM的降解速度直接影响它对土 壤改良的持久性。

3PAM改良土壤的机理

总的来讲，几乎所有的PAM产品，不管电性如 何和分子量大小，都可以凝聚粘土胶体，阻止粘土矿 物分散，进而增加土壤团聚体和结构的稳定性。稳 定的团聚体可以减缓和阻止土壤结皮的形成，增加 降雨入渗能力，因而减少径流和土壤侵蚀。PAM的 改良效果取决于PAM和土壤的特性及施放方法。 分子量越大,分子链越扩展，改良效果就越明显。一 般而言，阴离子PAM的改良效果较其他类型的 PAM为好[5>7]。这是因为阴离子PAM的分子量一 般较阳离子PAM大，且阴离子通过阳离子桥疏松 的吸附易跨越不同粘粒而形成网络。部分研究结果 表明中度带负电的（20%~30%)大分子PAM (15 MDa左右）增加入渗和减少侵蚀的效果较 好^8,201。因阴离子PAM靠阳离子桥吸附，故溶液 中或土壤中阳离子的种类和数量对其改良效果影响 较大。这就是为什么阴离子PAM通常是和石裔 (CaS04)混施。若以表面施放来控制地表结皮的形 成,一般以10~20 kg/hm2的施放量为宜[3’7】。若 表面喷洒，适当风干,可强化PAM分子的不可逆吸 附，进而增进改良效果[8a5k PAM的有效性一般可 持续两个月左右，取决于施放后的总降雨量和气候 状况。因PAM不能渗人到团粒的内部，只能吸附 到其外围，故PAM只能保护现有的团聚体，而不能 形成新的团聚体。因此，PAM的改良效果在团聚体 较好的土壤中较为明显。由于粘土是团聚体的胶结 剂，又是与PAM相互作用最活跃的成份，所以粘土 的含量对PAM的有效性影响较大。通常来讲，当 粘土含量超过10%时，改良效果较为显著。

4结语

地表结皮的形成在耕作土壤中非常普遍。因结 皮本身的导水率很低，地表结皮的形成常会大大减 少降雨人渗，进而增加地表径流和土壤侵蚀量。诸 多研究表明，表面施放少量PAM可以有效地控制 结皮的形成，增加土壤团聚体的稳定性，并减少地表 径流和土壤侵蚀量。PAM控制结皮和改良土壤的 效果取决于PAM和土壤各自的理化特征及二者间 的交互作用。也就是说不同PAM对不同土壤的改 良效果不同。具体来讲在黄土高原，对某种黄土如 何选用最佳PAM类型，如何确定最合适的施放量 和施放方法，将是未来PAM改良黄土土壤研究中 的一个重要挑战。这需要做大量的实验和积累更多 的资料。我们相信经过进一步的实验研究,PAM在黄土髙原水土保持土壤改良应用中有较为广阔的前景。