沙壤土中聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠对土壤入渗影响的比较

摘要

高吸水性聚合物已广泛应用于干旱和半干旱地区的农业生产，以管理土壤的持水能力。聚丙烯酰胺(PAM)和羧甲基纤维素钠(CMC)作为常见的保水性聚合物，其分子量和结构有明显不同。用聚合物改良土壤水分管理(即,帕姆和CMC)has shown great promise for water conservation. Few researchers have reported the comparison of the effects of PAM and CMC on soil infiltration characteristics, especially in coarse-textured soils (i.e., sandy loam). In this research, two high-molecular polymers (PAM and CMC) were used to investigate the effects of polymers on soil water infiltration characteristics by laboratory experiment. The infiltration reduction effects of CMC treatments were more obvious than those of PAM treatments. With the applied rates of PAM (0.2–0.8 g/kg) and CMC (1–4 g/kg) increased, the processes of soil water infiltration were inhibited. The average infiltration time of CMC with different application rates is 1.85 times than that of PAM with different treatments. The mean wetting front distances of different application rates treatments of PAM and CMC were 22.20 and 19.23 cm. At the same application rate, applied CMC is more effective in reducing soil sorptivity than applied PAM in sandy loam soils. Moreover, the cost of application of CMC is lower than the cost of application of PAM. The mean economic inputs of PAM and CMC were 153.90 and 35.24 RMB/hm²。因此，本文选择并推荐CMC作为砂壤土中适宜的保水剂。

1.介绍

土壤水分入渗是水文循环的重要途径;主要通过土壤剖面和渗漏控制取水[1]。快速渗透和渗漏过根带的水通常与粗质土壤(即砂、砂壤土等)有关。干旱和半干旱地区的特点是降雨量不稳定、干旱季节长、蒸发率高[2]。在这些地区的土壤和水资源短缺的快速渗透所需的土壤水分管理措施，以改善土壤的持水能力。

高吸水性聚合物长期用于农业，并被认为是可行的土壤保水剂。3.]。这些在农业中使用的聚合物通常被认为对环境安全。如聚丙烯酰胺（PAM）[（H₂-CH-CO-NH₂)_n]是一个长链合成高分子聚合物，和羧甲基纤维素钠（CMC）是一种阴离子水溶性聚合物[4,5]。这些聚合物的应用率低，可以被认为是成功的土壤保水剂，成本低，增加了土壤结构的稳定性等。聚合物的有效性取决于许多因素，包括土壤质地和矿物学、土壤管理、施用量和方法、水质等。[6- - - - - -8]。几种聚丙烯酰胺已使用超过60年;CMC广泛应用于生物医学领域、食品工业和城市水处理[6,9]。据Ajwa和鳟鱼报道，PAM用于灌溉减少了入渗量[6]。在土壤表面应用PAM可有效减少陡坡水土流失[8]。在PAM的应用方法上，在土壤表面铺展比表土混合更能增加入渗[10,11]。类似地，CMC的上土壤团粒结构和土壤水分渗透的影响是由Wu等人调查。[12]。CMC与原状土混合后形成固化层，起到加固、防渗、抗侵蚀的作用[13]。

然而，粉质壤土或粘壤土土壤[已经进行了一些PAM的研究6]。由于普通的水保持剂，分子量，以及PAM和CMC的结构明显不同[14]。许多学者研究了聚丙烯酰胺(PAM)和CMC对土壤入渗的影响。然而，关于聚丙烯酰胺(PAM)和CMC对土壤入渗特性影响的比较研究却很少。在农业生产中选择性价比高的保水剂，特别是在具有强渗透性的粗质土壤(即,砂壤土)。因此，本研究选择砂壤土，比较聚丙烯酰胺(PAM)和CMC对土壤入渗特性(即渗透特性)的影响。，累积入渗、湿润锋和土壤吸收率);此外，还计算了每种聚合物的经济投入。并对实验结果进行了比较和讨论。

2.材料和方法

2.1。物料

试验土壤取自中国西北农业高新技术示范区杨凌的一个场地(34°4′n 108°2′e)。土壤从上部20 cm处获得，其容重为1.35 g/cm^3.。人工去除杂质后，风干(含水量为0.03 cm)^3./厘米^3.),ground and sieved (<2 mm) before use. The particle size distribution was measured using Malvern Mastersizer 2000 (Malvern Instruments Ltd., Malvern, UK), and the soil sample contained 7.6% clay (diameter of <0.002 mm), 30.25% silt (diameter of 0.002–0.02 mm), and 62.15% fine sand (diameter of 0.02–2 mm). The soil texture is classified as sandy loam based on the International Classification System of Soil Texture.

两种高吸水聚合物，包括聚丙烯酰胺(PAM，平均M.W.= 2000万，阴离子)和羧甲基纤维素钠(CMC, mean M.W. = 90000)为分析级试剂，购自上海化学试剂有限公司。

2.2。实验设计

该实验于2018年7月在西安理工大学西北干旱区生态水力学国家重点实验室采用透明聚氯乙烯(PVC)立柱进行。通过室内实验研究了两种保水剂(PAM和CMC)对土壤入渗特性的影响。实验室日平均空气温度约为27℃，相对湿度约为65%。

该实验通过水一维垂直浸润进行。PVC columns had 20 cm of inner diameter, 35 cm of height, and the bottom of each PVC column was padded with a filter paper and a permeable gauze. For each column, the filled height of the soil column was 28 cm with a bulk density of 1.35 g/cm^3.根据现场实际情况;逐层填充，每隔5cm称重一次，最后填充层(土壤表层)高度为3cm。土壤在各层之间受到扰动，以阻碍入渗过程中的分层。土壤表面覆盖了一张滤纸以避免侵蚀。

由于保水剂常施于土壤表层[10,11,15,16]，并按质量比在土壤表层施用PAM和CMC ,然后填充为表层土柱。施予PAM、CMC与表层土壤混合，PAM施予量为0(对照、CK)、1、2、3、4 g/kg, CMC施予量为0.2、0.4、0.6、0.8 g/kg [8,10- - - - - -12,16]。每个处理重复，共18根土壤柱。

实验中使用内径为16 cm、高度为50 cm的Mariotte瓶供水，使每个土柱保持恒定的水头[17]。马氏瓶有一个出口在底部，并通过进气口管连接至外部的空气。Before the experiment began, the height of the Mariotte bottle was adjusted to set the lower end of the intake tube at about 15–20 mm above the soil surface, to maintain a constant water head with 15–20 mm. Changes in the wetting front and the infiltration amount were recorded every 1 min for the first 5 min, every 3 min for 5–20 min, and every 5 min for 20–45 min, every 15 min for 45–120 min, every 30 min for 120–300 min, and each 60 min for 300–660 min and then the observation interval increased gradually until the end of the experiment. When the cumulative infiltration amount reached a fixed value, the water level in the Mariotte bottle droped to 15.80 cm (equal to 3175.17 cm^3.)，然后供水立即关闭，渗透过程完成。

2.3。数据分析

一种功率函数可以利用如下以适合的时间和加湿前的迁移距离的动态过程：

哪里为湿润锋迁移距离，cm;表示渗透时间，min;和和为拟合参数。的值表示第一单位时间内湿润锋迁移距离，数值表示湿润前缘推进过程的衰减。

采用Philip模型拟合渗透数据[18)如下:

哪里表示累积渗透，厘米;表示吸收率，cm min^-0.5;和为渗透时间，min。吸附力表示土壤依靠毛细力释放流体的能力，是早期土壤水入渗能力的重要指标;越高值越大，土壤入渗能力越大。

3.结果

3.1。在累积入渗PAM和CMC应用价格的影响

根据实验的观察，对累积渗透进展增加PAM和CMC的施用率的影响显示在图1。在入渗初期，土壤质量较干燥，土壤基质势较低[19]，和渗透速率为等于所施加的水率，累积渗透几乎等于所应用的水量。在这种情况下，土壤水分入渗影响较小的PAM和CMC的应用率。累积渗透曲线是陡，显示了高曲线重合度。土壤表面积水后，对土壤水分累积入渗不同保水剂的效果逐渐显露作为渗透时间增加。

不同剂量的各保水剂的累积渗透随时间变化。的infiltration time of CK treatment is the shortest (270 min). Compared with the infiltration time of CK, the infiltration times of PAM application rates ranging from 1 to 4 g/kg were relatively increased 16.67%, 31.48%, 66.67%, and 125.93% when the infiltration experiment completed. The results showed that the application of PAM had the reducing infiltration effect in sandy loam soils. The effects of reducing infiltration enhanced as the PAM application rates increased. This may be the result of PAM being a long chain synthetic polymer that acts as a strengthening agent, holding soils in place, and binding soil particles together as flocculated soil; moreover, PAM is a high-molecular water-soluble polymer with decreased permeability, due to an apparent increase in effective viscosity of the soil solution [6]。这一结果与充分施用PAM条件下的一维垂直入渗特性相似[16]。与CK处理相比，随着CMC施用量从0.2 g/kg增加到0.8 g/kg，其渗滤时间分别为25.93%、83.33%、281.48%和394.44%，以0.8 g/kg施用量处理的渗滤时间最长为1335 min。CMC用量越大，对渗透的阻碍作用越明显。这可能是由于CMC与土壤中的水分子融合形成水凝胶，增加了水的粘度和水稳集料含量，从而阻碍了水的渗透[12]。这一结论与[12当CMC和土壤样品充分混合在一起时。

PAM和CMC不同施用量处理的平均入渗时间分别为433 min和800 min。不同施用量CMC的平均入渗时间是PAM不同处理的1.85倍。结果表明，不同掺量的CMC处理在砂壤土中的减渗效果优于PAM处理。

3.2。聚丙烯酰胺(PAM)和CMC用量对湿锋的影响

数字2显示了在不同应用率润湿与PAM和CMC方面的动态进展。Overall, the wetting fronts increased gradually as the infiltration time expanded, and the distances of wetting fronts are different at diverse application rate treatments when the same cumulative infiltration (3175.17 cm^3.)。随着聚丙烯酰胺(PAM)和CMC用量的增加，各湿锋的距离逐渐缩短。其他研究人员也报道了类似现象[8]。

入渗试验结束时，与CK (23.60 cm)湿润锋距离相比，随着PAM施用量的增加，湿润锋距离分别减小为3.39%、4.24%、6.36%和9.75%(图)2(一个))。同样，随着CMC施用量的增加，湿润锋距离分别为14.83%、15.68%、22.03%和21.61%(图)2 (b))。更多的over, the mean wetting front distances of different application rates treatments of PAM and CMC were 22.20 cm and 19.23 cm. From the points of view of application rates and reduced wetting front distances, the infiltration reduction effect of CMC treatments was more obvious than that of PAM treatments at the application rates in this study.

With an increase in PAM rates from 1 to 4 g/kg, the值最初从1.625增加到1.849，然后降低到1.624增加至1.955再次;和值由0.468逐渐下降到0.371(表)1)。For CMC application rates from 0.02 to 0.08 g/kg, the数值从1.354开始上升到2.229，然后下降到1.958;和值从0.458增加到0.309，然后下降到0.311(表)1)。的平均值PAM处理的(1.763)低于CMC处理的(1.878)。的平均值PAM处理(0.426)高于CMC处理(0.362)。

3.3。聚丙烯酰胺(PAM)和CMC用量对土壤吸附性能的影响

对于两种不同的聚合物保水剂（PAM和CMC），决定系数（ )Philip模型对累积浸润的拟合范围为0.97 ~ 0.99。结果表明，Philip模型对应用高分子聚合物材料模拟砂壤土表层土壤入渗具有较高的拟合优度。表格2显示吸收率( )decreased from 0.64 to 0.46 cm/min^0.5随着PAM施用量从1 g/kg逐渐增加到4 g/kg, CK施用量为0.72 cm/min^0.5)。吸附率由0.59 cm/min降低到0.31 cm/min^0.5随着CMC施用量从0.2 g/kg增加到0.8 g/kg。结果表明，在沙壤土中施用聚丙烯酰胺(PAM)和CMC可以显著降低土壤吸附性和土壤入渗能力。

总体而言，土壤吸着力表现出与每种聚合物保水剂的增加的施用率的趋势（图降低3.)。这将打开使用指数方程拟合sorptivities和应用率之间的走势如下可能性：

哪里和代表PAM和CMC处理对土壤表层的吸收率，cm/min^0.5分别;表示PAM和CMC，克/公斤的施用率。该结果表明，所施加的CMC比降低土壤的吸着力在沙质壤土相同施用率施用PAM更有效。

3.4。PAM和CMC用量的经济投入

农民追求更高的经济效益，保水剂以更低的成本，通常选择优先级。提供用于农业生产的参考，它是必要的，以计算每个聚合物材料的成本。的purchase prices of PAM and CMC are 152 RMB/kg and 174 RMB/kg in this study, respectively.

PAM施用量分别为1、2、3、4 g/kg，分别为0.405、0.810、1.215、1.620 kg/hm²,分别。CMC的施用量分别为0.2、0.4、0.6和0.8 g/kg，分别为0.081、0.162、0.243和0.324 kg/hm²在这个领域。经济投入的结果见表3.。PAM和CMC的平均经济投入分别为153.90和35.24元/hm²。与PAM的应用成本相比，CMC的投入更低。结果表明，不同掺量的CMC处理的经济投入低于PAM处理。

4.讨论

用于土壤渗水管理的保水聚合物效率更高，成本更低，因此迅速被用于干旱和半干旱地区的农业生产[20]。与CMC相比，PAM作为一种高效的土壤增水聚合物已在全球数百万公顷的土地上得到了应用。21]。

伦茨[22]发现，相对于控制处理，pamm处理的水通过结构性土壤的渗透可以被抑制。土壤柱入渗也表明，经过pamm处理的水可使沙壤土的入渗率降低50%以上[6]。聚丙烯酰胺溶液应用困难，制约了聚丙烯酰胺在旱地农业中的大面积应用[23]。在减少土壤水分渗透方面，干PAM应用至土壤表面的效果比PAM显著高于土壤混合[10,11]。将干PAM与土壤表层上层5mm混合后，土壤入渗速率降低[11]。的infiltration reduction effects were also obvious when PAM was mixed with the upper 3 cm of the soil surface layer in sandy loam soils, according to the quality ratio of the polymer to soil surface layer 。4 g /公斤was the best rate of PAM for reducing soil water infiltration in sandy loam soils in this study. This approach is convenient for applications in practice. The infiltration rates and hydraulic conductivity decreased after PAM was applied; this may be attributed to PAM being a long-chain macromolecular synthetic polymer, acting as a strengthening agent, holding soils in place ,and binding soil particles together as flocculated soil. Another possible reason is the increase in viscosity water when PAM is added. However, many researchers also reported the saturated hydraulic conductivity and infiltration rate increased with increasing PAM content [10,24]。例如，坡地(粉质壤土)的入渗速率和累积入渗都随着PAM施用量的增加而增加[8,25,26]。这可能是聚丙烯酰胺在减少密封形成和稳定表面结构方面如此有效的结果，即使在这些小的应用速度。

CMC的应用通常是根据聚合物与土壤的质量比来确定的。当CMC与粉质壤土充分混合时，Wu等[12]报告了土壤的入渗能力和稳定入渗率随着CMC含量的增加而降低。在本研究中，在砂壤土中，PAM和CMC与土壤表层上层3cm的混合也有减渗效果。与采用的充分混合方法相比，采用土壤表层上3cm混合的方法降低了CMC速率，明显节约了成本，便于在实践中大规模推广。CMC在沙壤土中的推荐用量为0.8 g/kg。这为CMC作为一种合适的保水剂的广泛应用提供了参考。

5。结论

在本研究中，不同的高分子水溶性聚合物(即。,帕姆和CMC)have different effects on soil water infiltration characteristics. The infiltration reduction effects of CMC treatments were more obvious than that of PAM treatments. Applied CMC is more effective than applied PAM in reducing soil sorptivity. The economic input of the application of CMC is lower than the application of PAM. Therefore, the application of CMC was recommended to agricultural production for reducing soil water infiltration in sandy loam soils. The next step was to investigate the effects of two different water retention agents on soil water evaporation to further understand the soil hydraulic characteristics.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据尚未提供，因为它是中国国家重点R＆d项目的研究计划的一部分，将进一步研究。

的利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

本研究由国家自然科学基金(41830754,U1706211, 41977007)和国家重点研发计划(2016YFC0501401)资助。

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