由于人类活动和自然环境变化导致水体营养物质循环平衡被破坏，从而引起的水体富营养化是水污染治理的世界性难题。研究表明，存在水体富营养化的封闭型水体约占全球的75%以上^[1]。水体富营养化的直接原因是氮、磷等生物所需的矿物质营养盐大量转移进入水体，且有研究证实控制水体富营养化的关键在于削减磷的输入^[1]。而胶体作为磷素的载体，在磷流失过程中起到了重要作用^[2]。

阻滞系数用于描述由于地质介质对污染物的物理吸附、离子交换及化学沉积等，导致污染物的运移速度低于甚至远低于地下水流速的延迟作用。一般采用动态土柱法测定，将待测土样装填在柱子中，先用岩样平衡水流过柱子，然后以连续注入的方式，注入含适量无反应的示踪剂和污染源的水溶液（其中无反应的示踪剂一般选用Cl^－或F^－），通过收集流出液并测定无反应的示踪剂浓度和污染物浓度，并绘制相应的穿透曲线，求取阻滞系数^[3]。

阴离子型聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PAM）是一种有效的土壤改良剂，通常被用来防止水土流失。研究表明，PAM能够显著改善土壤结构，防止结皮形成，减少地表径流及径流水体的泥沙含量，具有保水、保土、保肥、增产4大功效^[4,5]。1995年，PAM被首次作为商业性产品施用于2.02×10⁴ hm²的土壤上，当年即减少土壤侵蚀达100万t^[6]。2007年，SOJKA等报道，在美国有超过80万hm²的土壤施用过PAM，且施用面积仍在不断增加中^[4]。

由于PAM在湿润的土壤中具有较强的黏附及桥连作用，施用后必然会影响土壤颗粒之间的相互作用，颗粒态磷（particulate phosphorus, PP）是土壤磷素迁移的主要形态，而胶体磷是一种细颗粒态磷，其粒径范围在1 nm～1 μm之间，胶体负载的磷素流失已被证实是土壤磷流失的重要途径之一。因此，PAM施入土壤后可能会与胶体颗粒相互作用，从而影响磷素的迁移过程^[4]。例如，PETERSEN等^[7]研究表明，在田间模拟降雨（75 mm/h）条件下，施用雾化PAM（5 kg/hm²）的土壤磷径流流失在2 d后降低了100%，10周后仍有83%的径流磷得到控制。PAM用量也会影响土壤磷的迁移。PAM的施用量太小，效果不显著；而施用量过大，不仅会增加投资成本，还可能堵塞土壤孔隙，也可能形成“人工”结皮从而降低土壤入渗，增加地表径流，促进磷素迁移^[8]。同时，PAM用量也会影响土壤磷的吸附量。有研究表明，在1.5%和2.0% PAM处理下土壤磷的吸附量分别比1.0% PAM增加了5.8%和37.1%，但仍低于0.5% PAM处理的土壤^[9]。SOJKA等^[10]研究发现，PAM的施用量为10～20 kg/hm²时，可有效地控制农田土壤侵蚀。

本实验通过室内模拟，在中等强度降雨（15 mm/h）条件下，针对3种不同类型土壤，通过考察淋溶液中胶体磷的流失情况，探讨不同类型的土壤对胶体磷的阻滞作用及PAM在不同类型土壤中对胶体磷流失的阻控效果，为PAM的应用与农田土壤改良研究提供理论指导。

本研究选取水稻土（paddy soil, PS）、茶园土（tea soil, TS）、菜地土（vegetable soil, VS）3种不同类型土壤，供试土壤均采自浙江省杭州市余杭区径山镇小古城村慢谷生态园区，为表层0～20 cm土。3种类型土壤的基本理化性质如表1所示。阴离子型聚丙烯酰胺（PAM）为粉末状，相对分子质量为2×10⁷，水解度为20%。

本实验的淋洗装置采用定制玻璃柱，柱长50 cm，内径5 cm，淋溶柱底端有出水缓冲区。将土壤风干、磨细后过20目筛，装填于内径5 cm的无机玻璃管内，最下层垫一层滤膜，轻微压实，装填高度20 cm（235 g土壤），加入80 mL水使土壤水分接近饱和。设置蠕动泵流速为0.5 mL/min，折合降雨量为15 mm/h，用烧杯收集淋溶液，每8 h采集一次，直至淋溶液颜色变淡为止。进水为去离子水、22.40 mg/L胶体磷溶液及50 mg/L氯化钠溶液。其中，胶体磷溶液制备过程为：称取过2 mm筛的土样于250 mL烧杯中，加去离子水（土水质量比1∶8），移至摇床中，在160 r/min下浸提24 h，取上清液备用；浸提的上清液在3 000 g下离心10 min以去除大颗粒，取离心后的上清液用1 μm微孔滤膜抽滤，所得溶液即为胶体磷溶液。向供试土壤中分别施加0、0.117 5、0.235 0 g PAM，充分混匀，则PAM质量分数分别为0%、0.05%、0.1%，等同于0、12.5、25.0 kg/hm²的PAM施加量，所有处理设3次平行。实验装置如图1所示。

土壤pH值用玻璃探头pH计（pHS-3C，上海雷磁仪器厂）在土水质量比为1∶5的条件下测定。淋溶液的氯离子浓度采用硝酸银滴定法测定。土壤总磷采用H₂SO₄-HClO₄高温消解，钼锑抗比色法测定^[11]。

淋溶液胶体磷浓度的测定参考ILG等^[12]的离心方法并加以改进：待测溶液过1 μm微孔滤膜，弃去5 mL初滤液后收集所有滤液（试样1），该滤液即为胶体磷溶液；试样1在3×10⁵ g条件下超速离心2 h，取上清液（试样2），其中上清液为去除了胶体组分的真溶解态组分，超速离心管底部为水分散性胶体。胶体磷浓度（TP_coll）由试样1与试样2中总磷浓度之差计算得到。试样1和试样2中的总磷采用过硫酸钾消解后钼蓝比色法测定。

采用动态土柱法测定土壤对胶体磷的阻滞系数：将已知浓度的胶体磷溶液连续注入土柱中，并保证水流均匀进入；定时收集流出液并分析淋溶液中胶体磷浓度，作浓度与时间相对应的穿透曲线；同时，用Cl^－作为示踪剂。由于Cl^－不易被介质吸附，可以近似认为Cl^－的迁移速度和水流速度相等。动态土柱法阻滞系数计算公式^[13]如下：

式中： R d 为污染物在地下环境中的迁移阻滞系数； v 1 2 C l - 为氯离子浓度达到穿透浓度1/2时的速度，cm/h； v 1 2 p 为污染物浓度达到穿透浓度1/2时的速度，cm/h。

利用Excel 2013和Origin 8.0进行数据处理和制图。采用SPSS 20.0进行数据的统计分析和拟合。利用单因素方差分析（one-way ANOVA）中的最小显著差异法（least significant difference, LSD）进行不同处理间的差异显著性分析（P＜0.05）。所有数据测定结果均为3次重复实验的平均值。

向供试土壤中添加PAM可有效抑制土壤胶体磷的流失，但对不同土壤的抑制效果各不相同（图2）。在不同处理条件下胶体磷的流失量总体上呈现出先增大后减小、最终趋于稳定的趋势。与未施加PAM的对照组相比，稻田土和茶园土在施加0.05%和0.1%的PAM后，淋溶液中胶体磷的含量峰值均随PAM施加量的增加而减小，稻田土分别减少43.1%和81.6%，茶园土分别减少26.9%和71.5%（图2A和图2B）。而在菜地土中，仅在施加了0.05%的PAM后出现了胶体磷含量峰值显著下降的现象（降低30.2%），在施加了0.1%的PAM后，淋溶液中胶体磷含量峰值虽有所下降，但差异并不显著（图2C）。这说明0.05%的PAM施加量有效地控制了砂粒含量较多的菜地土中胶体磷的流失。稻田土和茶园土施加0.1%的PAM后，淋溶液中胶体磷含量达到峰值的时间增长，即胶体磷在土壤中的滞留时间增长；而对于菜地土，在施加了0.05%的PAM后出现了胶体磷含量达到峰值的时间增长的现象，而在施加了0.1%的PAM后达到峰值的时间并没有增加，这与0.05%的PAM施加量足以控制菜地土中胶体磷流失的结论一致。此外，在3种供试土壤淋溶液中胶体磷含量达到峰值的时间顺序依次为稻田土、茶园土、菜地土（图2），这可能是由供试土壤的胶体磷含量不同而导致的。由表1可知：稻田土胶体磷含量最低，因此达到峰值的时间最短；而菜地土胶体磷含量最高，因此达到峰值的时间最长。

综合前人研究和以上实验结果发现，3种供试土壤经PAM处理后，能够有效地阻控胶体磷流失的机制如下：1）阴离子型PAM富含酰胺基基团，遇水后易形成氢键，这种高亲水性可以抵抗灌溉及降雨对土壤产生的强剪切力，保持土壤团聚体的稳定性，减弱胶体磷从土壤向水体的释放过程；2）PAM具有很强的絮凝性，可以通过桥连作用将土壤胶体细颗粒凝聚成易沉降的大颗粒，能够有效减少易于长距离迁移的细颗粒态磷的总量^[14]。土壤胶体的扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）图也证实了上述推断^[15]，PAM和土壤颗粒结合后形成了网状结构，大量的土壤胶体颗粒被吸附到PAM表面，这可能是PAM可以有效抑制土壤胶体磷释放的主要原因。

氯离子在3种土壤中的穿透质量浓度为50 mg/L，胶体磷在3种土壤中的穿透质量浓度为22.40 mg/L。污染物在土壤固相与液相间的迁移是对流－弥散方程的源与汇，可以建立数学模型，并拟合实验所得的穿透曲线（图3,4），求出相关参数。由参数可得水的迁移速度和胶体磷的迁移速度，从而得到迁移阻滞系数（表2）。随着淋溶时间的增长，淋溶液中胶体磷的含量呈现出先快速增加后缓慢增加直至稳定的趋势，稻田土淋溶液中胶体磷含量与茶园土、菜地土的差异较显著，而茶园土和菜地土之间差异并不明显（图4）。随PAM施加量的增加，淋溶液中胶体磷含量达到峰值的时间也增加。说明施加PAM增加了土壤对胶体磷的阻控效果。菜地土在施加PAM后对胶体磷的阻滞系数从6.397增加到12.004，茶园土从7.705增加到12.876，稻田土从9.915增加到15.903（表2），同样说明了PAM的施加可以有效阻滞胶体磷的流失。

在施加PAM后，各土壤对胶体磷的阻滞系数均在10以上（表2），说明施加PAM的土壤对胶体磷迁移的阻滞作用较大。且在施加0.05% PAM后，菜地土、茶园土、水稻土对胶体磷的阻滞系数与未施PAM土壤相比增加显著，在相同施加量下，水稻土（12.543）＞茶园土（11.309）＞菜地土（10.125）。这可能与3种土壤的砂粒含量有关，分别为34.8%、39.3%和49.2%。砂粒含量越大，阻滞效果越小。而在施加了0.1% PAM后，菜地土（12.004）和茶园土（12.876）的阻滞系数并没有明显差异，即0.1% PAM施加量对菜地土阻滞胶体磷迁移的作用减弱。

在本次实验中，最初设定的PAM施加量为0%、0.05%、0.1%与0.2%。但在实际操作过程中发现，当施加量为0.2%时，各土柱均发生了阻塞现象，导致淋溶无法进行。其原因在于，PAM施加量过大，PAM分子在土壤相邻黏粒之间形成过多的“搭接桥”，导致黏结效果过强^[16]。由于土壤中黏粒含量越大，砂粒含量越小，则PAM的阻控效果越好，所以在相同PAM施加量下，在稻田土中的阻控效果最佳，在菜地土中的阻控效果最差。

通过室内土柱模拟实验研究在施加不同量PAM后，不同类型土壤对胶体磷的迁移阻滞作用，并进行计算分析，得到以下结论：

1）根据不同PAM施加量下胶体磷在土壤中流失情况的比较分析，可以得出：施加PAM可以有效地抑制土壤中胶体磷的流失，且随PAM施加量的增加，同类型土壤中0.1%的施加量具最优的抑制效果。相同PAM施加量对砂粒含量相对较少的水稻土中胶体磷流失的抑制效果最优，而对砂粒含量较高的菜地土的抑制效果最差。

2）无论是否施加PAM，砂粒含量低的稻田土对胶体磷的阻滞系数最大（9.915～15.903），对胶体磷的阻滞效果最好；砂粒含量高的菜地土对胶体磷的阻滞系数最小（6.397～12.004），对胶体磷的阻滞效果最差。施加PAM可以增加土壤对胶体磷的阻控效果，且阻滞系数以0.1%施加量的处理最高。