土壤退化是指人类对土壤的不合理利用而引起的土壤性质变差及生产力下降的过程,主要有土壤侵蚀、土壤酸化碱化以及肥力下降等形式。随着经济的持续发展,土壤问题严重限制了生产力,土壤退化问题日趋引起人们的重视[1,2]。根据2000年世界粮农组织(FAO)的报告指出,全球严重土地退化面积约为35亿hm2,占总土地面积的26%,其中由于农业生产活动造成的严重土地退化面积占总土地面积的9%[2,3]。我国有1.3亿hm2耕地,其中退化耕地约为0.25亿hm2。据国内外研究预测,到2050年,世界近6亿hm2的土地沙漠化,约有200万hm2土壤遭到盐渍化侵蚀。笔者对土壤改良剂研究现状、主要种类、功能作用、使用技术、存在问题及应用前景等进行了探讨。

1、土壤调理剂的发展与分类

从19世纪末开始,众多学者开始研究土壤调理剂,距今已有100多年的历史。在研究的早期主要是针对干旱、半干旱和盐碱地,研究较多的有沸石、粉煤灰和污泥等单一原料,但会引起一些负面效果,如重金属超标污染等[3,4]。根据土壤调理剂的来源、制法和性质等可以划分为天然土壤调理剂和人工合成土壤调理剂。天然土壤调理剂的研究主要从19世纪末开始。众多学者主要研究的是天然的有机高分子化合物(如瓜尔豆提取液、淀粉共聚物、纤维素、多糖和淀粉等),但是此类调理剂易被土壤中的微生物分解,释放较多阳离子,对土壤有很大的毒害作用;早期施用量较大,成本较高,在生产中难以推广[5]。

19世纪50年代,随着对人工合成类的土壤调理剂研究的进行,学者逐渐对一些合成高聚物材料包括聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)等进行了较为深入的研究,发现PAM对退化土壤的改良效果很明显,同时也是应用最广泛的土壤调理剂之一[6,7]。但是在20世纪末,高性能的PAM高聚物才得到较为广泛的应用,主要以比利时的TC调理剂(terracottem)和印度的Agri-CS土壤调理剂最为成功[5]。2000年以后,研究者利用农业或工业废弃物、矿石等作为原料,研发出一系列环保且高效的产品,如土壤结构调理剂、土壤保水剂等,广泛应用于生产实践中,以应对越来越严重的土壤与环境问题[8]。

我国的土壤改良剂研究开始于20世纪80年代初期。例如中国农业大学张青文教授研制出的“康地宝”脱盐剂,是通过生物络合、置换反应来清除土壤团粒上多余的Na+来改善盐渍化[9]。中国农业科学院土壤肥料研究所研制的土壤改良剂“液态地膜”,能吸附土壤中不同粒级的团粒,达到改善退化土壤的效果[10]。目前对土壤调理剂的分类并没有明确的规定,根据前人的研究,笔者将土壤调理剂按原料分类如表1所示。

2、土壤调理剂的作用

2.1改良土壤物理性状

土壤物理性状包括土壤三相比、孔隙度、容重、水分等,影响着土壤的通气状况、氧化还原性和含氧量,从而影响土壤中养分的转化速率和赋存状态、土壤水分的性质和运行规律以及植物根系的生长力和生理活动。不良土壤物理性状限制根系对水分、养分的吸收,影响根系正常生长。研究土壤调理剂是如何改善土壤物理性状这一问题逐渐引起学者的重视[11]。

表1土壤调理剂的分类

2.1.1改善土壤结构。

土壤结构关系到土壤肥力,土壤结构与决定土壤肥力的化学因素(黏粒物质、酸碱度、氧化还原电位等)、生物因素(微生物、活性酶等)、物理因素(机械强度、通透性、温度、水分等)都密切相关[7]。长期以来国内外众多学者在土壤调理剂的研究方面得出了较为成熟的成果:施用土壤调理剂可促进土壤团粒的形成,降低土壤容重,增大土壤孔隙度、通气和透水性,改善土壤结构,增加土壤肥力[12,13,14]。

孙云秀等[15]的田间试验表明,地表喷施土壤结构调理剂,可以增加5cm耕层内大于1mm的土壤水稳性团粒结构的形成率,提高土壤结构保持率0.4倍,同时减少容重0.01～0.03g/m3,增加孔隙度8.0%～8.3%。霍习良等[16]研究发现,施用沸石能促进土壤团聚体的形成,土壤总孔隙度增加1.7%,容重降低0.1g/cm3,更有利于作物的生长。邵玉翠等[17]研究表明,施用膨润土可使土壤容重降低12.23%,孔隙度增加12.28%。赵英等[18]在砂土中添加不同比例的粉煤灰,检测出砂粒含量降低11%～18%,而且土体中粉粒所占比例也显著提高,有效降低了砂土的砂粒含量。Blanco-Canqui[19]研究表明,生物炭作为土壤调理剂可以降低土壤密度(3%～31%),增加土壤孔隙度(14%～31%),同时效果随着生物炭施用量的增加呈线性上升。

2.1.2改善土壤蓄水能力,提高水分利用率。

土壤结构调理剂与土壤混合,由于氢键和静电的作用,对电解质离子、有机分子、络合物等发生吸附,而促使分散的土壤颗粒团聚形成团粒,增加了土壤水中稳性团粒的含量及其稳定度[20,21,22]。

1987—1989年的试验证明,施用土壤结构调理剂,能显著增加土壤的水稳性团粒,而且0.3%的土壤结构调理剂能显著增加水稳性团粒,而且随着施用浓度的增加而增长[23]。陈伏生等[24]研究表明泥炭改良风沙土能提高土壤保水能力。姜淳等[25]研究发现,沸石可使耕作层田间持水量比对照提高5%～15%,最高接近28%。沸石内部有较多孔隙,比表面积较大,从而能吸附更多的水分子,增加土壤的保水性,并且沸石能够与土壤中的阳离子发生交换吸附[26]。黄静[21]研究表明,施入过氧化钙和生物炭后,外界因素对20～60cm层的土壤的影响力逐渐减小,土壤趋于稳定,调理剂能很好地起到蓄水、保水作用。

2.1.3改善土壤保肥能力,增加作物产量。

疏松的土壤有利于土壤中的水、气、热等的交换及微生物的活动,及时通气排水,调节水气矛盾,协调水肥供应,并利于植物根系在土体中穿插生长。高永恒[27]研究表明,施用土壤调理剂后,增加了草坪床土壤的有机质和全氮含量。郭和蓉等[28]研究表明,营养型土壤调理剂能活化酸性土壤中的磷和钾,促进氮和钾的缓效化,有利于养分的保蓄,防止土壤养分的次生盐渍化与淋失,提高了养分利用率。沸石作为矿物型土壤调理剂能够在土壤中长期保持温度,并且持续为植物提供水分,同时可以促进氮素硝化作用,显著降低作物的硝酸盐含量[29]。王志玉等[30]利用土壤调理剂MDM检验其对水稻生长的影响,结果发现出苗率比对照组高14.29%。唐泽军等[31]在PAM对玉米的影响中发现,PAM覆盖率80%及60%试验地的高秆(高于1.60m)和中秆(1.0～1.6m)分别比对照多13%和2%,鲜物质质量分别比对照提高31%和24%。

2.2改善土壤化学性状

土壤化学性状是指土壤的酸碱度、养分、阳离子吸附和交换性能、还原性物质的含量等,土壤酸碱度与土壤养分的有效性之间也存在一定相关性。同时,土壤改良剂对重金属离子具有良好的吸附固定能力,常被用作修复剂用于固定土壤中的重金属离子与吸附盐分;土壤胶体与土壤溶液之间时刻都在发生化学反应,土壤所有的外在性状表现全都是微观的土壤化学性质的反映,所以改善土壤化学性质是改良土壤的根本所在。

龙明杰等[32]研究表明,中性和两性型聚合物调理剂均能增加土壤对养分离子的吸附量并提高土壤含肥料元素离子的抗淋溶作用,阴离子型聚合物增加土壤对NH4+、K+的吸附量及其抗淋溶作用,降低土壤对NO3-、PO43-的吸附量及其抗淋溶作用。Hailegnaw等[33]研究发现,8%的生物炭施用量能够最有效地提高酸性土壤的pH,并且CEC增幅可达到35.4%,Ca2+的增幅高达38.6%。关连珠等[34]研究发现,沸石可吸附NH4+和P,并且大部分是可解吸的。沸石也可活化土壤难溶性P,改善土壤供钾状况。土壤中施用PAM可使土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量增加。PAM与土壤混合能增加土壤对NH4+、NO3-、K+、PO43-的吸附量,减少其淋溶损失。

2.3改善土壤生物学性状

土壤生物是土壤生命力的重要部分,生物与微生物的多样性为维持土壤肥力、构造土壤结构做出了巨大贡献。土壤生物是土壤有机质的分解者、土壤营养循环的促进者。微生物群落机构失调会造成土传病害加重。微生物数量直接影响土壤的生物化学活性及土壤养分的组成与转化。

邢世利[35]研究表明,施用土壤调理剂后耕层土壤各种细菌的数量以及土壤过氧化氢酶等多种酶的活性对比都有不同程度的提高。施用腐殖酸和蚯蚓肥料能改变优势盐碱土细菌(酸杆菌)和真菌(担子菌和球孢菌)的丰度,提高玉米根系的耐盐性和土壤养分有效性,从而提高玉米地上部和根部的N、P、K含量[36]。董晓伟[37]用牡蛎壳制成的土壤调理剂施于大棚土壤,研究结果表明,牡蛎壳一定程度上影响了土壤酶活性,抑制了脲酶活性,提高了尿素的利用率,促进了淀粉酶活性,为土壤微生物提供了丰富的碳源,有效地提高了土壤肥力。孙蓟锋[38]在研究麦饭石、硅钙矿、牡蛎壳和蒙脱石4种调理剂对土壤生物特性的影响时发现,施用牡蛎壳调理剂后,土壤碱性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性均得到显著提高;而施用硅钙矿调理剂后,土壤微生物总量与对照相比提高了64.1%。张晓海等[39]研究发现,禾本科秸秆改良土壤可增加长期施化肥的烟地土壤中微生物数量。姜井军等[40]研究表明,生物炭的孔隙结构及其对水肥的吸附作用使其可称为土壤微生物的良好栖息环境,保护土壤中有益微生物,促进微生物繁殖。

3、土壤调理剂的应用

3.1在酸化土地上的改良应用

土壤酸化是指土壤中氢离子增加,同时伴有铝溶出形成铝毒的过程,酸性土壤铝毒害是抑制作物生长和导致作物减产的主要原因。酸性土壤是指pH小于6.5的土壤的统称。影响土壤酸化的因素可分为自然因素和人为因素2个方面,其中人为因素起着决定性作用。土壤酸化面积呈加速扩大的趋势,已成为制约我国农业可持续发展的主要问题之一[41,42,43]。

传统的石灰石化学调理剂虽然可以降低土壤酸度,但若长期使用则会加强土壤酸化程度,所以需要配合其他碱性肥料共同使用。某些矿物和工业废弃物同样可以改良土壤酸度,如白云石、粉煤灰和制浆污泥等。低温生物炭在施入茶园酸性土壤时,能发生明显的石灰化反应,使酸性土壤的pH和交换性阳离子显著提高[44,45]。生物质灰(biocharashes)在施入酸性土壤中,显著提高了Ca、Mg、K和P的含量[46],并且有研究表明,生物质灰、骨粉和碱渣的联合使用,不仅能够降低土壤酸度,同时也能提高交换阳离子的含量[47]。生物改良技术主要是运用肥和土壤中的一些生物来改善酸性土壤[37,48,49]。矫威[50]的水稻季试验结果也表明,施用石灰类和氨基酸类调理剂均能不同程度提高土壤pH。文星等[51]研究表明,在酸性水稻土中分别施用碱性氧化物调理剂(生石灰、白云石粉、钙镁磷肥等)后,改变了原土壤pH增加幅度。敖俊华等[52]的土壤培养试验表明,石灰用量与供试酸性土壤pH、钙、镁、硅等的有效含量呈显著正相关。储祥云等[53]研究也发现,在酸性土壤中施用石灰,能够提高有效磷的含量,而在土壤含磷高的情况下,施用石灰提高的作物产量主要源自土壤补钙。魏岚等[54]通过盆栽试验发现,施用0.67g/kg的碱渣处理,能使土壤pH提高1.72,并能有效降低土壤中交换性铝的含量。张文玲等[55]研究发现,生物质炭可有效吸附铵盐、硝酸盐、磷及其他水溶性盐离子。

3.2在盐碱地上的改良应用

盐碱土也称盐渍土,是盐化或碱化土壤的总称。土壤含盐量大于0.6%的称为盐土,土壤胶体的交换Na+占总交换阳离子超过20%且pH>9的称为碱土。我国盐碱土面积约为1.0×108hm2,主要分布在滨海、黄淮海平原、东北松嫩平原、西北干旱半干旱地区和青新极端干旱漠境等地[56],且呈整体恶化、面积增加的趋势,现已成为影响我国区域经济发展、生态恢复建设的重要因素之一[57,58]。

郝秀珍等[59]研究表明,早在20世纪60年代日本就已经将沸石用作土壤调理剂。左建等[60]研究表明,施用沸石可使土壤中的碱化度降低,并对土壤pH起到缓冲作用。凹凸棒石为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物,具有独特的层链状结构特征,其独特的性质对盐碱地土壤改良具有重要的研究和推广意义[61]。王相平等[62]将石膏与腐殖酸结合使用,发现石膏与腐殖酸质量配比为9∶1,施用量为3000kg/hm2的条件下,可使0～20cm土壤含盐量较对照下降24.3%,棉花增产24%。生物炭能显著降低玉米育苗期和收获期0～20和20～40cm盐碱土层的pH、盐分和Na+浓度,显著提高土壤有机质、CEC、Ca2+和Mg2+等。同时,生物炭能促使土壤中的水向下流动,将盐分从根区淋洗出来,并且最佳施用量为20t/hm2[63]。张黎明等[13]研究表明,脱硫石膏在6年的施用期内对盐碱土的团聚体、pH和ESP均有较大改善,并且经过改良的复垦盐碱地的有机碳含量增加至22.5%[64]。秸秆和脱硫石膏的联合使用降低了土壤的盐碱程度,秸秆提供了适宜的环境促使了脱硫石膏和土壤的反应,使Na+和Cl-随水流到土层深部,且改良效果与脱硫石膏用量成正比[65]。

3.3在重金属污染土地上的修复应用

随着工业的发展,重金属污染土壤已经不能忽视。目前修复重金属污染土壤的方法有物理化学修复、微生物修复、植物修复等,而物理化学修复包括化学固化、土壤淋洗和电动修复等。其中的化学固化包括加入土壤调理剂,通过对重金属离子的吸附或(共)沉淀作用改变其在土壤中的存在形态,从而降低其生物有效性和迁移性[66,67]。

在目前日渐受关注的重金属污染上,土壤调理剂也能发挥重要的作用。镉(Cd)对土壤和农作物的污染是一个无处不在的环境问题,王凯荣等[68]研究重金属污染土壤施用不同土壤调理剂对降低水稻糙米铅镉含量的作用发现,碱性煤渣的改良效果最突出,糙米Pb、Cd含量降低到国家食品卫生标准允许的含量以下。在土壤中添加石膏可以促进土壤中硫化物的形成,能够显著降低Cr和Pb的浓度(6个月后分别降低24%和64%)[69]。龚海军等[70]研究发现,施用土壤调理剂能降低土壤有效态Cd、Pb及水稻糙米Cd、Pb含量。王毅等[71]对硫代蒙脱石用于铅、汞吸附试验进行了研究并取得了较好的效果,对铅离子饱和吸附值达70mg/g,而对汞离子的饱和吸附值达65mg/g。麦饭石经风化、蚀变而形成多孔海绵状结构,对重金属离子也同样具有强大的吸附性能,其对砷、汞、铅、铬等重金属的吸附可达96%[72,73]。同时有研究表明,磷酸盐作为土壤调理剂可以有效降低土壤砷污染,特别是在中性条件下,可以除去污染土壤中80%的砷[74,75]。生物炭可以作为污染土壤的一种化学钝化剂,相比石灰具有更稳定的效果。通过吸附、沉淀、络合、离子交换等一系列反应,降低污染物的可迁移性和生物可利用性,并且越来越受到学者关注[76]。生物炭对铅的固化效果较好,随着生物炭的比例和试验时间的增加,固化效果增强[77]。Liu等[78]研究了我国西南地区铊(Tl)污染土壤,在施用了由不同硅酸盐矿物合成的碱性改良剂SMA后,土壤pH上升0.46～2.13个单位,土壤中Tl的含量明显降低,并且使Tl从活性成分转化为残留组分而失去活性。

4、问题与展望

土壤调理剂具有改良土壤结构、保水保肥和改善土壤微生物环境等优点,但是在环境保护、研发推广等方面还有许多问题亟待探讨:天然土壤调理剂改良效果较为局限,废弃物和高分子聚合物作为调理剂造成潜在的环境风险很大等问题;在农业推广方面,土壤调理剂的效果较好但是成本高;产品研发材料较为单一,导致产品土壤调理剂质量和效果不稳定;对土壤调理剂的成分分类模糊,对学者的研究造成一定困扰。

对于优质土壤调理剂的研发,应该注意以下几点:①我国退化土壤类型多样,在研究中应该针对不同的土壤质地、酸碱度和农作物进行研制,进一步提高土壤调理剂的针对性和创新性,同时达到改良土壤以及作物增产等要求。②土壤调理剂应该能够同时实现保水保肥,改善根系生长环境和土壤结构等功能。③现有部分土壤调理剂具有一定的环境污染性,易对土壤造成二次污染。所以在研发过程中,应注意改良土壤后残留组分对土壤不会造成污染。总之,土壤调理剂的生产技术及应用研究不断发展,使土壤调理剂在遏制土壤退化、改良中低产田、增容扩蓄等方面的应用越来越广泛。

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