土壤改良劑的研究進展

李赟 劉迪 范如芹 劉麗珠 張振華

摘要：土壤障礙和土壤退化是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的主要原因。土壤改良劑的研發(fā)和應(yīng)用對改良障礙土壤和緩解土壤退化具有重要的現(xiàn)實意義。本文主要綜述了土壤改良劑的種類、作用機制及其對土壤性狀和作物生長與產(chǎn)量等的影響，指出了土壤改良劑研究中存在的問題及今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：土壤改良劑;土壤理化性質(zhì);土壤肥力;生產(chǎn)力;土壤微生物;土壤酶

中圖分類號：S156.2 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0063-06

收稿日期：2019-05-23

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（16）1001-4];江蘇省農(nóng)業(yè)科學院基金（編號：6111637）。

作者簡介：李赟（1992—），男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事土壤改良研究。E-mail：924489731@qq.com。

通信作者：張振華，博士，研究員，主要從事土壤改良和修復研究。Tel：（025）84391207;E-mail：zhenhuaz70@hotmail.com。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤改良劑是指在作物受到各種自然因素或人為因素，如土壤沙質(zhì)化、板結(jié)化、鹽堿化等土壤退化和重金屬離子、化學物質(zhì)污染的作用后，施用的以使土壤狀況更適宜作物生長的非肥料類物質(zhì)[1]。19世紀末，人們開始著手于土壤改良劑的研究。20世紀50年代前，基于當時土壤改良劑的研究情況，研究者們將土壤改良劑的研究重點放在天然改良劑上[2]。經(jīng)過一些探索和研究，關(guān)于土壤改良劑的研究范疇，研究者們不僅在天然物料領(lǐng)域取得了相應(yīng)的研究進展，在改善土壤的效果方面也取得了明顯的研究進展。然而，在土壤改良劑推廣方面的研究進展不太樂觀，其原因在于土壤改良劑用量較大和成本較高[3]。20世紀70～80年代，研究者們對土壤改良劑的研究進入了1個巔峰期，并且西方較發(fā)達國家如美國、比利時、利比亞、法國等在土壤改良劑方面的應(yīng)用也比較廣泛[4]。2000年以后，土壤改良劑的研制已相當成熟，在發(fā)達國家，土壤改良劑已得到廣泛推廣。比利時研制出了瀝青乳化保濕劑，它能像化肥一樣施用于沙漠中，并能長期儲存沙土中的水分，保證植物的正常生長;法國利用聚合物制成親水松土劑，用于濕潤和疏松土壤;日本研制出了液體通氣保濕劑，內(nèi)含聚乙稀醇、脫乙酰甲殼質(zhì)、氨基酸、單寧等化學物質(zhì)，這種改良劑能有效改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)，提高其通氣性、透水性和保水性;美國一家農(nóng)場利用硫酸銨降鈉肥土劑，成功改良了高鈉土壤，降低了土壤中的鈉含量，為水稻生長提供了良好的環(huán)境，促進了作物生長發(fā)育;印度則利用紙廠廢渣來改良土壤，有效降低了土壤酸度，提高了土壤中鉀、鈣、鎂等微量元素含量;隨著人們需求的提高，對改良劑的要求也越發(fā)嚴格，為此人們開始制備高吸水速度、高耐鹽性以及強機械性能的復合型改良劑[5-6]。利用淀粉及其衍生物與含有-SO3H基團的單體聚合，制備出了耐鹽性能較好的保水劑[7]。隨著改良劑技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多國家展開了對其性能和應(yīng)用的廣泛探索[8]。研究者們根據(jù)不同土壤類型制成不同類別改良劑，創(chuàng)造性地解決了高分子吸水材料、土壤礦物質(zhì)和粉煤灰等有機結(jié)合的復配制造問題[9]，為土壤改良劑的研發(fā)提供了一條新路徑。

與發(fā)達國家相比，我國在改良劑的研究方面起步較晚，直到20世紀80年代初，吉林省石油化工設(shè)計研究院和河南省科學院化學研究所才開始研究改良劑。1984—1985年改良劑的研究正式進入高峰期，全國多個科研機構(gòu)對其性能進行了研究和改善[10]。我國在改良劑研制方面取得了一些成果，由中國農(nóng)業(yè)大學教授張青文研制，北京北農(nóng)康地生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“康地寶”，在安達、網(wǎng)山等地的試驗表明，施用康地寶結(jié)合深松的土壤含鹽量大大降低，能有效去除鹽堿對作物的毒害影響，從而影響作物的生長和發(fā)育。在內(nèi)蒙古和新疆等地，施用了北京飛鷹綠地科技發(fā)展有限公司研制的“禾康”土壤鹽堿清除劑后，土壤性狀得以改善[11]。中國農(nóng)科院土壤肥料研究所與北京燕山石化公司共同研制出的土壤改良劑（乳劑，又稱液態(tài)地膜），在提高土壤含水量、增加土壤濕度、促進土壤團聚體形成等方面具有顯著作用[12]。對冬小麥施加一種以稻稈為主要原料研制出的秸稈型土壤改良劑能顯著提高小麥地上部分各生長期干物質(zhì)累積量[13]。

1 土壤改良劑的原料及種類

1.1 土壤改良劑的原料

土壤改良劑是能夠有效改善土壤性狀的一種物料[14-16]。土壤改良劑原料種類繁多，主要有粉煤灰、城市固體污染物、石灰粉、泥炭、作物秸稈、沸石、畜禽糞便、蒙脫石粉以及豆科綠肥等[17]。土壤改良劑的原料非常多，使得其成分非常復雜，而土壤改良劑的種類不同，其成分也不一樣。土壤改良劑成分主要有腐殖酸、丙烯酰胺、葡萄糖、木質(zhì)素磺酸鹽、硝基腐殖酸、丙烯酸、木質(zhì)素、纖維素、有機硅橡膠、聚丙烯酰胺、聚環(huán)氧乙烷、淀粉、多糖羧酸類和尿素等[18]。

1.2 土壤改良劑的種類

土壤改良劑種類繁多，分類方法并不單一，目前主要按原料來源進行分類，可將土壤改良劑大致分為4類，即天然改良劑、人工合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑和生物改良劑，具體分類如圖1[19]所示。

天然改良劑主要是自然界固有存在的物料，大概可以概括為無機物料和有機物料兩大類。無機物料主要是一些天然礦物和無機固體廢棄物，天然礦物主要有石灰石、蛭石、石膏等，無機固體廢棄物主要是粉煤灰等;有機物料主要包括有機固體廢棄物、天然提取高分子化合物和有機質(zhì)物料。其中有機固體廢棄物包括城市污水污泥、生活垃圾和作物秸稈等，天然提取高分子化合物主要是纖維素及木質(zhì)素等，有機物料主要包括泥炭等[20]物質(zhì)。

人工合成改良劑是指在模擬天然改良劑的條件下，由人工合成的高分子有機聚合物。目前人工合成改良劑主要有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚乙烯醇樹脂等。在人工合成改良劑的諸多種類中，聚丙烯酰胺頗受研究者們的青睞，也是研究者們最為關(guān)注的人工合成改良劑[21]。

目前，天然-合成共聚物改良劑主要包括腐殖酸-聚丙烯酸、淀粉-丙烯酰胺、淀粉-丙烯、淀粉-丙烯腈以及磺化木質(zhì)素-乙酸乙烯等[22]。

目前研究的生物改良劑主要包括一些商用的生物控制劑、菌根和蚯蚓等。菌根是用于研究生物改良劑最多的品種之一，其中叢枝菌根（AM）是主要研究對象[23]。

2 土壤改良劑的作用機制

土壤的特性包括物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和生物性質(zhì)。物理性質(zhì)包括土壤團聚體組成、土壤含水量和土壤溫度等;化學性質(zhì)有土壤溶液濃度、土壤氫離子濃度和土壤pH值等;生物性質(zhì)有土壤酶活性和土壤微生物量等[24]。土壤改良劑類型不同，其作用機制也不一樣。總體來說，各種土壤改良劑均通過有效改善土壤物理性質(zhì)，如降低土壤容重、增加土壤含水量等，來改變土壤化學性質(zhì)[25-26]、加強土壤微生物活動、提高酶活性、增加土壤微量元素含量，最終達到提高土壤肥力的效果[27]。肖占文等研究發(fā)現(xiàn)，施用多功能土壤改良劑，能有效地改善棕漠土的理化性質(zhì)和生物學性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[28]。賈有余等研究了土壤改良劑對燕麥農(nóng)田的改土效果，結(jié)果表明，施用羊糞的土壤，其有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均最高，不同處理對土壤緊實度的影響差異明顯，與對照組相比，施用改良劑可以有效降低土壤緊實度;各處理間燕麥葉面積、干物質(zhì)積累量也表現(xiàn)出顯著性差異[29]。土壤改良劑能夠改善土壤性狀，提高作物產(chǎn)量[30]。

3 土壤改良劑對土壤性狀的影響

3.1 土壤改良劑對土壤物理性狀的影響

3.1.1 土壤水分 鹽堿化土壤的特點是鹽分多、水分少，因此，增加田間持水量可以有效改善土壤的性狀[31-32]。聚丙烯酰胺土壤改良劑含有親水基團，親水基團可以吸收足夠的水分，從而保證土壤的含水量[33]。在降水和灌溉水的條件下，土壤可以吸收這些水分來滿足自身的需求，并且在土壤中形成一個微型水庫，以備后續(xù)需要[34]。土壤所儲備的這些水分會隨著作物的生長不同程度地被作物釋放出來，被釋放的水分會在一定程度上緩解土壤干旱缺水的狀況[35]。國內(nèi)外大量文獻記載表明，在干旱缺水的條件下，土壤改良劑能夠有效提高土壤水分含量，緩解作物高鹽分缺水的狀況[36]。為研究土壤改良劑對土壤水分的影響，王曉娟等采用盆栽的方式對施加土壤改良劑后的盆栽土壤進行分析，結(jié)果表明，施用土壤改良劑后，作物的耗水量出現(xiàn)明顯的降低趨勢，說明該土壤改良劑可以顯著提高作物的水分利用效率[37]。

3.1.2 土壤團聚體 土壤團粒結(jié)構(gòu)不僅可以直接反映土壤中不同粒徑團聚體的組成，而且可以對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生直接的影響[38-40]。它不僅對土壤肥力有重要的作用，而且對土壤侵蝕程度、水分入滲和養(yǎng)分循環(huán)有重要的作用[41]。喜銀巧等研究發(fā)現(xiàn)，改良處理的風沙土內(nèi)聚力均顯著大于對照，隨土壤改良劑添加量的增加，土壤內(nèi)聚力增大，且擬合效果較好，但內(nèi)摩擦角變化不明顯[42]。合理的土壤管理措施能有效地促進土壤中水穩(wěn)性團聚體的形成，為作物生長提供良好的環(huán)境[43]。土壤改良劑由于其吸水和親水的特性，能吸附一部分較小的團聚體，形成較大的團粒結(jié)構(gòu)，有效增加土壤中水穩(wěn)性團聚體含量，對水分和養(yǎng)分有一定的固持作用[44]。

3.1.3 土壤容重 土壤容重與水、肥、氣和熱等因素的變化密切相關(guān)，是土壤緊實程度和肥力水平的重要衡量指標[45]。土壤水分的變化將直接或間接地影響土壤容重的大小[46]。土壤改良劑通過改善土壤的水分情況，改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤的孔隙度，降低土壤容重[47]。Han等研究的秸稈型土壤改良劑能使土壤容重降低至0.12 g/cm3[48]。

3.2 土壤改良劑對土壤化學性狀的影響

3.2.1 土壤改良劑對pH值的影響 土壤化學性質(zhì)是反映土壤肥力狀況的重要指標，是作物生長的基礎(chǔ)，土壤肥力狀況直接決定著土壤和作物的生產(chǎn)力，直接影響著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[49]。文星等研究發(fā)現(xiàn)，土壤改良劑在短期內(nèi)影響土壤pH值，但在土培和盆栽條件下產(chǎn)生的效果不同[50]。土壤改良劑在吸收和保持水分的同時，也吸收了一定含量的養(yǎng)分，可促進土壤形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增加土壤對養(yǎng)分的固持能力。家禽糞肥可以改善土壤pH值并供應(yīng)一定含量的磷酸[51]。

3.2.2 土壤改良劑對有機質(zhì)含量的影響 土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，能夠改善土壤的物理性質(zhì)，具有提高土壤保肥性和緩沖性的作用。陳瓊賢等研究表明，合理施用土壤改良劑能有效增加土壤中有機質(zhì)、全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分含量[52]。許曉平等在土壤改良劑培肥增產(chǎn)效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，施加秸稈配方和廢料配方改良劑的土壤有機質(zhì)含量平均增加22.34%和23.34%，施入土壤改良劑后，土壤有機質(zhì)含量相對較高，并且受化肥施用量的影響不大[53]。

3.2.3 土壤改良劑對土壤養(yǎng)分的影響 土壤改良劑所具有的吸附特性，降低了肥料對地下水的污染和水體的富營養(yǎng)化作用，使得自然環(huán)境的壓力也得到一定程度的緩解[54]。魏淑貞等研究了不同脫硫石膏用量與腐殖酸用量對鹽堿土的改良效果，結(jié)果表明，腐殖酸施用量越多，淋溶液中NaCl、全鹽含量越少，而Na+、CaSO4含量越多[55]。鄭亞楠等探討聚丙烯酸鹽類土壤改良劑單施和復配作用下的土壤理化性狀及烤煙根系生長變化，結(jié)果表明，施用土壤改良劑后，土壤中的速效養(yǎng)分含量明顯上升[56]。

3.3 土壤改良劑對土壤生物性狀的影響

3.3.1 土壤酶活性 在土壤酶促反應(yīng)中，土壤酶是非常重要的成分之一，它容易受到外界環(huán)境影響，比如土壤的水分、溫度、通氣狀況以及作物生長等因素，土壤管理措施稍有不當，就可以很大程度地導致土壤質(zhì)量的改變，因此，土壤酶活性可以作為一個重要的生物活性指標[57]。在土壤干旱缺水的條件下，土壤水分脅迫程度會相應(yīng)提升，土壤酶活性會不同程度的下降，最終導致土壤養(yǎng)分含量降低[58]。王佩雯等為探討不同土壤改良劑對連作植煙土壤理化性質(zhì)的影響，在施用不同改良劑后不同時間段內(nèi)，對根際耕層土壤進行分析，結(jié)果表明，在施用蚯蚓糞和微生物菌肥的土壤中，土壤酶活性和主要養(yǎng)分元素含量均有不同程度的提高，土壤理化性質(zhì)得到不同程度的改善[59]。土壤類型的不同也會導致土壤理化性質(zhì)不同，因此，即使是同一種土壤改良劑對不同類型土壤也會出現(xiàn)不一樣的改良效果，對土壤酶活性的影響也會出現(xiàn)不同程度的差異[60]。在施用土壤改良劑的土壤中，土壤自身的水分含量會有明顯的提高，土壤水分脅迫程度也會不同程度的降低，而且可促進作物根系生長，提高作物的產(chǎn)量[61]。但是也有部分學者認為，施用土壤改良劑雖然可以提高某些土壤中酶活性，如磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶等，但也會也抑制另外一些酶活性，比如脈酶和過氧化氫酶[62]。

3.3.2 土壤微生物 土壤微生物的活躍程度可以反映出土壤肥力狀況，它是衡量土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標之一[63-65]。為研究微生物土壤改良劑對風沙土的改良效果，劉立軍通過試驗比對了微生物土壤改良劑和傳統(tǒng)有機肥料對土壤的改良效果，結(jié)果表明，在施用微生物改良劑的土壤中，土壤保肥能力明顯高于采用傳統(tǒng)有機肥改良的土壤，表明微生物改良劑對風沙土有明顯的改善作用[66]。土壤微生物量在某種程度上可以反映出土壤中養(yǎng)分元素的循環(huán)程度和儲存量，因此土壤微生物量被作為土壤微生物總量的衡量指標之一[67-69]。在干旱缺水的條件下，由于水分擴散，土壤微生物的數(shù)量和活躍程度也會出現(xiàn)不同程度的降低[70]。土壤改良劑的種類多種多樣，功能不一，但是總體來說，絕大多數(shù)土壤改良劑能夠有效地提高土壤中養(yǎng)分元素的含量，提升土壤水分含量和利用率，并且還能夠增加土壤微生物的數(shù)量，促進微生物活動更加活躍化[71]。然而，也有部分研究得出了不同的結(jié)果，在施用某種土壤改良劑的土壤中，經(jīng)分析測定發(fā)現(xiàn)，相比于沒有施加土壤改良劑的土壤，土壤微生物的數(shù)量反而出現(xiàn)不同程度的降低，可能是由于在施用土壤改良劑的土壤中，生成了某種不利于微生物生長的成分或者是形成了某種不利于微生物生存的環(huán)境，從而抑制了土壤微生物的活動并使微生物的數(shù)量降低[72]。在土壤改良劑對微生物的影響方面，不同研究還存在有不同的結(jié)果，因此，土壤改良劑與微生物的關(guān)系還有待進一步探究，以便探明其最終的影響機制。

4 土壤改良劑對作物生長和產(chǎn)量的影響

4.1 土壤改良劑對作物生長的影響

土壤改良劑能夠有效地改善土壤的理化性質(zhì)，從而影響作物的生長和發(fā)育。王志玉等研究發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑MDM的小區(qū)出苗率為95%，對照組出苗率是87.5%，而且在一定的范圍內(nèi)，出苗率和改良劑的施用量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，從而可以得出，土壤改良劑能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加作物出苗率[73]。唐澤軍等研究了土壤改良劑PAM對玉米的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑PAM后，作物高稈（高于1.60 m）和中稈（1.00～1.60 m）比例明顯高于對照組[74]。施加土壤改良劑后，與對照組相比，作物平均株高和平均單株分蘗數(shù)明顯增加[73]。

4.2 土壤改良劑對作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是土壤各理化指標的綜合體現(xiàn)。陳瓊賢等以龍眼為研究對象，連續(xù)3年定點試驗結(jié)果表明，對龍眼果園施用土壤改良劑有極顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)量可達0.11～2.96 kg/株[75]。王峰等研究了秸稈型改良劑對馬鈴薯的增產(chǎn)效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈型土壤改良劑能有效改善馬鈴薯的農(nóng)藝性狀，增產(chǎn) 7 335.9 kg/hm2，增幅達24.4%[76]。王丹等以新疆瑪納斯河流域石河子綠洲鹽堿地為研究對象，研究滴灌條件下脫硫石膏與不同量有機物料配施對鹽堿土壤的改良效果及對作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，棉花籽棉產(chǎn)量較對照增加5.77%～17.96%[77]。

5 存在問題及發(fā)展趨勢

單一施用土壤改良劑并不能有效地改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，將土壤改良劑同有機肥等肥料配合使用，可以顯著改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤中微生物的數(shù)量，達到更好的改善效果。土壤改良劑與有機肥等其他物料配合使用，雖然可以提高作物的產(chǎn)量，但是土壤改良劑與有機肥等其他物料的配用比例、施用技術(shù)、施用方法和相互作用原理尚不明確;關(guān)于長期施用這種復合改良劑的降解性能和過程還缺乏系統(tǒng)和深入的研究。

相比于固態(tài)改良劑，水溶性土壤改良劑應(yīng)用面更加廣泛，主要是由于一旦固態(tài)土壤改良劑吸水膨脹后無法溶解，便不能進入土壤溶液，那么改良劑就無法發(fā)揮作用，而水溶性土壤改良劑可以解決固態(tài)土壤改良劑在吸水膨脹后，很難溶解的問題。因此，市面上使用的水溶性土壤結(jié)構(gòu)改良劑遠多于固態(tài)改良劑。在施撒水溶性結(jié)構(gòu)改良劑的過程中多采用噴施和灌施的技術(shù)，而這些技術(shù)在干旱土壤或者沙漠中并不容易實施，會受到水分條件的極大限制，在改善沙漠化土壤或者荒漠化土地的研究方面，還應(yīng)探索和研究新的高效的使用技術(shù)。

秸稈焚燒是一個全球性話題，秸稈的焚燒不僅可以引發(fā)一系列的環(huán)境問題，而且秸稈焚燒后產(chǎn)生的煙霧顆粒還可以引起人類健康問題。作物秸稈是土壤改良劑的一種物料，秸稈經(jīng)過處理后施用可以直接增加土壤的有機碳含量，改善土壤理化性狀，從而提高作物產(chǎn)量。作物秸稈是一種特殊的可再生資源，可充分有效地利用秸稈來提高其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，使還田后的利益最大化，秸稈型復合土壤改良劑是當今土壤改良研究中的重要內(nèi)容之一。

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