聚丙烯酰胺（Polyacrylamide,PAM）是一种常见的土壤结构改良剂。前人的研究明确指出PAM能够稳定土壤团聚结构、减少表土侵蚀及防治水土流失^{[1, 2, 3, 4]},但是对于PAM对土壤入渗参数的影响却说法不一。一部分研究人员基于PAM能够稳定土壤结构的研究得出PAM能够增加土壤入渗：Trout等研究表明PAM能够有效增加土壤入渗，且增加幅度随着PAM施用量的增加而加大^[1];于健等通过试验得出3种分子量的PAM均能显着提高土壤入渗，稳定入渗率较对照分别增加了58.9%、92.2%和83.3%^[5].还有一部分学者持相反的意见：张振华等研究表明相对于对照处理（PAM浓度为0）的累积入渗量，10×10^-6、50×10^-6、500×10^-6的PAM溶液的减渗率分别为98.51%、79.63%、60.48%^[6];张春强等通过试验得出PAM能够抑制土壤入渗，且随着PAM施用量的增加，土壤累积入渗量、入渗率的降低幅度均有所增加^[7];刘东等研究得出施用PAM能够显着降低土壤累积入渗量，当PAM施用量为2 g·m^-2时，累积入渗量较对照降低86.7%^[8].造成这种结果的原因可能与PAM施用浓度有关，如陈渠昌等通过试验得出PAM用量为0.5 g·m^-2时能够增加土壤入渗，而当PAM用量达到3 g·m^-2时，将抑制土壤入渗^[9];还有学者认为是由于PAM不同的施用方式和不同分子量，于健等研究表明喷洒溶胶和溶液PAM可分别提高土壤稳定入渗率1.0～2.5、1.7～2.8倍，直接施用干粉PAM可提高0.25～1.8倍^[10],不同分子量的PAM均能显着提高土壤入渗，与对照相比，稳定入渗率分别增加了58.9%、92.2%和83.3%^[6].

在前人的研究过程中入渗参数的测定均在同一个时间范围内（3 d）完成，这样就忽略了PAM在土壤中不同水解时间对土壤结构的调节起到的不同作用。为了更好地揭示PAM对土壤入渗参数不同阶段的影响机制，本试验将干粉状PAM与土壤混施后测定了PAM不同水解时间的土壤累积入渗量和稳定入渗率，并且通过测定不同阶段的孔隙率、土壤导气率和团聚体稳定性来验证结论。同时考虑到湿润速度显着影响土壤团聚结构中气体压力作用下不均匀膨胀造成的崩解程度^[11],结合Le Bissonnais提出的团聚体崩解理论认为，慢速湿润时主要是黏粒膨胀起作用，而快速湿润时主要是消散作用^[12].本试验根据试验土样区域的平均灌溉定额设计了两个湿润速度（2.5、6.25 mm·min^-1）,并根据当地PAM普遍施用量设定两个水平（22.5、45 kg·hm^-2）,以不施用PAM记为CK,共6个处理。以内蒙古中部察右中旗砂壤土为研究对象，研究不同湿润速度下PAM对砂壤土入渗参数的变化规律，为PAM在土壤结构改良方面更加广泛的应用提供可靠的理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料

聚丙烯酰胺（PAM）分子量为1200万，由唐山博雅化工公司生产，水解度7%,试验土样为察哈尔右翼中旗乌素图镇南部的砂壤土，供试土样基本理化性质如表 1所示。

表 1 供试土样基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

表选项

试验采用自制土槽（长×宽×高=80 cm×40 cm×15 cm）完成，如图 1所示。

图 1 渗流土槽示意图 Figure 1 Diagram of soil box

图选项

根据当地灌水定额450~750 m³·hm^-2,畦长50 m,地面坡度1/1000~1/2000等条件，推算出单宽流量为2~5 L·s^-1·m^-1,试验设定两个湿润速度（2.5、6.25 mm·min^-1）.湿润速度由型号为2T600-1J的蠕动泵控制，以入槽水流的流量（mm³·min^-1）除以土壤表面积（800 mm×400 mm）计算。PAM施用量根据当地普遍施用量设定两个水平，分别为22.5、45 kg·hm^-2,具体见表 2.

表 2 入渗试验处理 Table 2 Infiltration experimental treatments

表选项

入渗试验分为3个阶段进行。第一阶段填装土样。铺设直径2~4 mm的砂石料作为土槽底部垫层，按照容重1.7 g·cm^-3铺2 cm高。将风干土样（含水率＜5%）与干粉PAM均匀混合，分层填装土槽，填装高度8 cm,保持容重1.6 g·cm^-3.第二阶段在填装土样完成后立即进行，为湿润土体。布设连接试验仪器后开始从土壤表层灌水湿润，调节湿润速度，为模拟水流剪切力土槽倾斜10°，水流从高的一侧灌入土槽，在重力作用下水流向土槽低的一侧推进同时向下入渗。待土槽表面土壤全部湿润后即径流孔有水流流出时结束湿润，并记录湿润时间，湿润速度×湿润时间即为湿润阶段的土壤累积入渗量（mm）.土壤预湿的目的在于避免土壤表层含水率过低而引起的水流流过时表层土壤结构的塌落和结皮来影响入渗^{[13, 14]}.第三阶段为连续流阶段，在湿润阶段完成后8~12 d进行。判定标准为表层土壤含水率＜5%时开始连续流灌水，灌水速度与湿润阶段的湿润速度保持一致。开始产流后，每间隔2 min记录径流量。当土槽底部的渗流孔有水流流出时，每间隔2 min记录渗流量。直至单位时间内流入土槽总水量等于渗流量和径流量之和，则认为入渗达到稳定，此时的渗流量除以时间记为稳定入渗率（mm·min^-1）.为消除试验误差，每个处理重复3次。 1.3.2 孔隙特征测定

非毛管孔隙度又称大孔隙度，是土壤导水导气的主要通道^[15].所以选取非毛管孔隙度作为土壤孔隙特征参数，计算公式如下：

式中：p表示土壤非毛管孔隙率，%;m₁表示土壤饱和质量，g;m₂表示土壤置滤水砂层2 h土壤质量，g;m₃表示土壤干质量，g;ρ_b表示环刀法测定土壤容重，g·cm^-3.

环刀取土样分别在两个阶段进行，分别为湿润阶段结束时和连续流阶段完成后8~12 d.环刀放在土槽正中位置，拨开表层2 mm厚土粒打入环刀，取出后立即装入环刀盒带回实验室后测定。试验操作参照《土壤农业化学分析方法》^[16].为消除试验误差，每种处理重复3次，数据结果均为3次试验平均值。 1.3.3 土壤导气率测定

土壤导气性的观测仪器为Umwelt-Gerate-Technik GmbH 公司生产的PL-300型土壤空气传导性测量系统，由主机和样本容器两部分组成，试验系统由图 2所示。在测量过程中，空气自动由环刀流入仪器，并测量环刀内部与外部空气间的压力差，同时直接输出试样导气率数值。

图 2 导气率测定样本容器示意图 Figure 2 Schematic description of air permeability specimen containers

图选项

测量原理：依据土壤空气对流通量方程获得^{[17, 18]},即在土体一端施加一定的气压，然后测量通过土体的稳定气体通量。土壤对流方程为：

式中：J_c为空气通量，cm·s^-1;K_a为土壤导气率，cm·s^-1;p为气体压力，Pa;z代表坐标，cm.

分别在湿润阶段和连续流阶段结束后观测土壤导气性，前者是在湿润阶段结束后立即施测，后者则是在入渗结束后，保持土体自然风干8~12 d（日平均气温28 ℃）再进行观测。测定参数均为土壤导气率（cm·s^-1）. 1.3.4 团聚体试验

依据Le bissonnais提出的团聚体破碎理论^[13],采用干筛和湿筛法进行团聚体破碎程度分析，仪器选用土壤团聚体分析仪型号为XL.02-TTF-100.在连续流结束8~12 d后取土样进行观测。

干筛：将50 g风干土样（含水率＜5%）依次通过孔径为 5、2、1、0.5、0.25、0.106、0.053 mm的套筛，分别称重计算出各级干筛团聚体占土样总质量的百分比。

湿筛：依次通过孔径为5、2、1、0.5、0.25、0.106、0.053 mm的套筛并在水中以 30 次·min^-1的速度上下振动 30 min,烘干称重，计算>0.25 mm团聚体含量R_0.25^[19]、各级团聚体所占比例。为消除试验误差，每种处理重复3次，数据结果均为3次试验平均值。 1.3.5 数据处理

所有试验数据均采用Excel2010和SPSS17.0进行统计分析，用Duncan多重极差法进行检验，显着水平P均为0.05. 2 结果与讨论 2.1 不同湿润速度下PAM对土壤累计入渗量的影响

图 3是不同湿润速度下各处理在湿润阶段的累积入渗量。通过比较不同湿润速度的PAM0添加（CK）数据可知，湿润速度2.5 mm·min^-1的累积入渗量为30.29 mm,而6.25 mm·min^-1的累积入渗量为23.15 mm,两者相差7.14 mm,累积入渗量随着湿润速度的增加降低了23.57%.施用PAM后累计入渗量均较CK有所降低，且差异显着。P1_2.5较CK_2.5降低8.9%,P2_2.5较CK_2.5降低20.31%,而高速湿润条件下PAM处理降低幅度小一些，P1_6.25较CK_6.25降低8.58%,P2_6.25较CK_6.25降低11.22%.分析原因可能与PAM的水解过程有关^[20].

图 3 不同湿润速度下土壤累积入渗量 Figure 3 Cumulative infiltration amount of soil under different wetting rates

图选项

试验过程中连续流初期入渗面积没有覆盖全部土槽（80 cm×40 cm）,故测得的单位时间渗流量称为渗流速率。

试验可以表明施用PAM能够有效增加土壤稳定入渗率，且施用PAM的稳定入渗率较对照均表现出显着差异。P1_2.5的稳定入渗率较CK_2.5提高8.71%,P2_2.5较CK_2.5提高26.28%（图 4）.而P1_6.25的稳定入渗率较CK_6.25提高13.09%,P2_6.25较CK_6.25提升高达28.36%（图 5）.可以看出，PAM施用量越大，土壤稳定入渗率提高幅度越大。虽然在预湿过程中PAM水解后的长链结构阻碍了土壤中水流的运动，但是连续流阶段PAM已经完全水解，此时发挥了稳定土壤团聚结构的作用，保持了良好的入渗条件^[7].

图 4 湿润速度2.5 mm·min-1的土壤渗流速率 Figure 4 Soil infiltration rate under 2.5 mm·min-1 of wetting rate

图选项

图 5 湿润速度6.25 mm·min-1的土壤渗流速率 Figure 5 Soil infiltration rate under 6.25 mm·min-1 of wetting rate

图选项

图 6为不同湿润速度施用PAM在不同阶段的土壤非毛管孔隙率变化情况。

图 6 不同阶段土壤非毛管孔隙率 Figure 6 Non-capillary porosity of soil at different wetting phases

图选项

在湿润阶段（图 6a）,PAM处理的非毛管孔隙率较对照有所降低，且PAM施用量越大，非毛管孔隙率降低程度越大。两者呈现对数负相关，两个湿润速度下，相关系数均达到0.99以上。比较两个不同湿润速度的非毛管孔隙率发现，高速湿润（6.25 mm·min^-1）整体低于低速湿润条件（2.5 mm·min^-1）,对应湿润阶段高速湿润的土壤累积入渗量整体低于低速湿润条件。这是由于表层土壤结构在水流冲蚀作用下遭到破坏，细颗粒随着水流运移填补土壤孔隙，湿润速度越快，意味着沿坡面方向的水流剪切力越大，表层土壤破坏程度明显，非毛管孔隙率越小，进而降低了水流入渗的能力^[21].施用PAM后的非毛管孔隙率降低对应在湿润阶段施用PAM土壤累积入渗量也低于对照。分析原因是干粉状PAM湿润阶段正是自身水解的过程，其不断聚合的分子链堵塞了土壤孔隙，使水流运动的主要孔隙通道受阻，再加上PAM本身的透水性并不强，所以使用PAM在湿润阶段阻碍了水流运动，降低了土壤累积入渗量。

在连续流阶段（图 6b）土壤非毛管孔隙度随着PAM施用量的增加而增加。不同湿润速度的非毛管孔隙度亦表现为低速湿润条件整体大于高速湿润条件，原因与湿润阶段相同。连续流阶段PAM经过湿润后已经完全水解，且与土壤结构胶结在一起，发挥了稳定土壤团聚结构、促进土壤中水流运动，完全对应了连续流阶段施用PAM后土壤稳定入渗率较对照显着提高。 2.3.2 土壤导气性变化

图 7反映了不同湿润速度下PAM处理在不同阶段的土壤导气率。

图 7 不同阶段土壤导气率 Figure 7 Soil gas conductivity rate at different wetting phases

图选项

湿润阶段（图 7a）施用PAM表层土壤导气率较对照有所降低，且与PAM施用量的增加呈现对数负相关，两个湿润速度下的相关系数均达到0.95以上。湿润速度不同，土壤导气率降低的幅度也不尽相同，2.5 mm·min^-1湿润速度下PAM施用量由CK_2.5增加至P2_2.5,土壤导气率降低了15.78%,而6.25 mm·min^-1湿润速度时PAM施用量由CK_6.25增加至P2_6.25,土壤导气率降低了26.68%,较慢速湿润的降低幅度多了10.9%.这是因为PAM能够抑制土壤蒸发，增加土壤含水率^[22],土壤表层孔隙中被更多的水分子填充，从而降低了土壤导气率^{[23, 24]}.

连续流阶段（图 7b）施用PAM增加了表层土壤的导气率，土壤导气率与PAM施用量的增加呈对数正相关，相关系数达到0.98以上。连续流阶段施用PAM增加土壤导气性的原因在于，PAM吸附了土壤中的细小颗粒，保证了气流在土壤中运动的通道，进而增加了土壤导气性。PAM在不同阶段对土壤导气性的不同影响也可进一步说明PAM对土壤入渗性的影响机制。 2.3.3 对土壤团聚体的影响

表 3R_0.25（%）为不同湿润速度下>0.25 mm的团聚体占总团聚体含量的百分比，可以清晰地反映出不同湿润速度间的R_0.25差异显着。R_0.25是反映土壤团聚体水稳性的重要指标，高速湿润（6.25 mm·min^-1）条件下的R_0.25显着低于低速湿润条件（2.5 mm·min^-1）,团聚结构在湿润速度较大时更容易遭到破坏，土壤结构的改变必然引起土壤水流运动，这就从土壤结构的层面说明了为什么湿润速度大的时候土壤入渗能力受到抑制。

表 3 基于不同湿润速度PAM各处理R_0.25（%） Table 3 Effect of PAM application on R_0.25 values of soil aggregates under different wetting rates

表选项

施用PAM后的R_0.25随着湿润速度的增加降低幅度减小，降低幅度依次为CK（9.92%）>PAM1（4.86%）>PAM2（3.25%）.说明在连续流阶段的PAM已经全部水解，发挥了稳定土壤结构的作用，增加了土壤团聚体尤其是水稳性团聚体的含量^{[3, 22, 25]},进而保证了水流运动的孔隙通道，促进了土壤水流入渗。

图 8反映施用PAM后土壤水稳性团聚体占团聚体总量的百分比。可以清晰地看出施用PAM后水稳性团聚体含量明显增加，其中：湿润速度2.5 mm·min^-1时水稳性团聚体百分比在0.5~1 mm粒径范围内达到峰值，为92.36%;而当湿润速度提高到6.25 mm·min^-1时水稳性团聚体百分比峰值为88.17%,同样是在0.5~1 mm粒径范围出现。

图 8 不同湿润速度水稳性团聚体含量百分比 Figure 8 Percentages of water-stable aggregate content under different wetting rates

图选项

（1）湿润速度显着影响土壤累积入渗量和稳定入渗率，高速湿润条件下的累积入渗量和稳定入渗率整体小于低速湿润条件；湿润速度由2.5 mm·min^-1升高至6.25 mm·min^-1,累积入渗量减少了23.57%,稳定入渗率降低26.70%

（2）湿润阶段，PAM处在水解的过程中，逐渐延长的PAM分子链堵塞了土壤水流运动的通道。显着降低土壤累积入渗量，且PAM施用量越大，降低幅度越大，降幅在8.58%~20.31%之间变化；PAM还降低土壤非毛管孔隙率和导气性，两者降低幅度均随着PAM施用量的增加而加大。

（3）连续流阶段，PAM已经完全水解，充分发挥了稳定土壤结构的作用。显着提高土壤稳定入渗率，提高幅度最低也达到了8.71%,且施用量越多，提高幅度越大。对应着PAM还提高了土壤非毛管孔隙率和导气性，两者提高幅度同样随着PAM施用量的增加而加大。

（4）施用PAM能够显着提高土壤R_0.25和水稳性团聚体含量：R_0.25提高幅度在51.40%~54.75%之间，PAM处理的水稳性团聚体占总团聚体的百分比最高达到92.36%.