土壤改良劑及其在各種土壤改良應(yīng)用的研究進(jìn)展

楊凱 劉紅梅 肖正午

摘要 綜述了國內(nèi)外關(guān)于各種新型土壤改良劑在酸化土壤和鹽堿地的應(yīng)用、在貧瘠地和土壤板結(jié)上的應(yīng)用以及在重金屬污染的土地上的應(yīng)用的研究，并且簡要分析了目前國內(nèi)外相關(guān)研究的問題與不足，為土壤改良劑及其應(yīng)用研究方向提供借鑒。

關(guān)鍵詞 土壤改良劑；土壤pH；養(yǎng)分

中圖分類號 S156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）21-0039-03

Abstract Application of various kinds of new soil conditioner in acidified soil and alkali soils were reviewed at home and abroad， as well as in arid land， soil hardening， soil polluted by heavy metal. The current problems and deficiencies of the related studies at home and abroad were briefly analyzed， which provided references for the soil conditioner and its application in research direction.

Key words Soil conditioner；Soil pH；Nutrient

目前，全球范圍內(nèi)約有耕地7.3億hm2，但每年因退化而不能生產(chǎn)糧食的土地平均高達(dá)500多萬hm2。預(yù)計(jì)到2050年，全世界的沙化土地將近6億hm2，鹽漬化的灌溉土地約有200萬hm2。由于大量的優(yōu)良耕地在城鎮(zhèn)化發(fā)展中被占用，以及水土流失不斷加劇和不合理的耕作、輪作，我國土地資源的形勢更緊迫，北方已有近3 300萬hm2的土地沙漠化，約8 700萬hm2草原退化，而且每年的增幅仍達(dá)到120萬hm2左右。同時(shí)，過度施用化肥、農(nóng)藥、殺蟲劑導(dǎo)致土壤污染退化的現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，各地每年受污染耕地面積達(dá)670萬hm2。

土壤退化不僅降低土壤生產(chǎn)力，還會降低作物品質(zhì)，甚至導(dǎo)致作物體內(nèi)富集有毒元素。因此，保持土壤質(zhì)量、改善酸堿土壤、緩解與消除土壤毒性、減少土傳病害傳播日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)之一。在此背景下，研究、開發(fā)、應(yīng)用土壤改良產(chǎn)品，治理土壤退化和重金屬污染，保障作物安全生產(chǎn)是極其重要的科學(xué)任務(wù)。土壤改良產(chǎn)品種類繁多，如松土劑、固沙劑、增肥劑、消毒劑、降酸堿劑、土壤改良劑、土壤調(diào)節(jié)劑、土壤調(diào)理劑、保水劑、土壤改良調(diào)節(jié)劑等統(tǒng)稱為土壤改良劑[1]。筆者在國內(nèi)外大量相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，綜述了各種新型土壤改良劑在酸化土壤和鹽堿地的應(yīng)用、在貧瘠地和土壤板結(jié)上的應(yīng)用以及在重金屬污染的土地上的應(yīng)用的研究，并簡要分析了目前國內(nèi)外相關(guān)研究的問題與不足，為土壤改良劑及其應(yīng)用研究方向的進(jìn)一步開展提供借鑒。

1 國內(nèi)外土壤改良劑及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀

為了保護(hù)農(nóng)田，保護(hù)和擴(kuò)大耕地面積，達(dá)到提高農(nóng)作物產(chǎn)量的目的，世界各國廣泛開展各種新型土壤改良劑的研制和開發(fā)[2]。隨著土壤改良劑的新產(chǎn)品也越來越多，土壤改良劑在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用也越來越廣泛。

1.1 在酸化土壤和鹽堿地上的應(yīng)用

快速的工業(yè)化和城市化造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，威脅到各種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和人類健康[3]，在土壤日漸酸化的今天，KH2PO4-NaOH緩沖液能有效提高酸性土壤pH、降低土壤中活性態(tài)鎘含量百分比[4]；施用“施地佳”土壤改良劑明顯降低了土壤的 pH和含鹽量。根據(jù)出苗率、產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)效益等綜合分析得出，施用量以15～30 L/hm2最適宜[5]。解開治等[6]研究表明，XP2、脫硫灰改良劑和有機(jī)肥可有效緩解酸性土壤鋁毒的危害，對高粱生長有較好的促進(jìn)作用，且對比表明XP1處理和含有石灰的處理土壤pH較對照處理有較大幅度的提升，達(dá)到2個(gè)單位左右；石灰氮、生石灰、含腐殖酸水溶肥、田師傅、酸易客等土壤改良劑都能提高土壤pH，減少酸性土壤交換性酸總量，降低酸性土壤活性鋁對辣椒的毒害作用，提高辣椒品質(zhì)，增加辣椒產(chǎn)量[7]；文星等[8]研究發(fā)現(xiàn)土壤改良劑在短期內(nèi)影響土壤pH、交換性鈣和鎂、有效磷含量的變化，但土培和盆栽2種方式造成的效果有差異。施堆肥（廄肥）、木炭和石灰可減輕土壤的酸性程度。楊宇等[9]研究了生化黃腐酸土壤改良劑對鹽堿土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)生化黃腐酸土壤改良劑最佳施用量為2%左右，對鹽堿土壤改堿效果較明顯，鹽堿土壤結(jié)構(gòu)也得到明顯改善，尤其是鹽分含量降低，如果土壤鹽漬化程度高，適當(dāng)加大施用量效果更好[10]。施用改良劑能夠改變土壤鹽分組成，降低土壤堿化度。與對照相比，土壤ESP和交換性 Na+分別下降25.02%～64.86%和23.95%～57.83%[11]。李國萍等[12]研究表明施地佳鹽堿改良劑消除鹽堿具有十分明顯的效果，其機(jī)理是所富含的有機(jī)酸與土壤堿混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，土壤改良后出苗率從0上升到80%，從不能生長作物改善到作物能夠正常生長。土壤改良劑對鹽堿地土壤鹽堿化改良、肥力的提升具有重要影響作用。其中，腐植酸與沸石的合理配比，以及腐植酸、牛糞與石膏三者的合理配比土壤全鹽量下降效果明顯[13]。家禽糞肥可以改善土壤pH和供應(yīng)一定的磷酸[14]。目前，我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中需要重點(diǎn)研究的課題就是改良酸化土壤和鹽堿地土壤，直接影響我國耕地面積、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。土壤改良劑作為新時(shí)期重要的土壤改良方法，其科學(xué)與合理的選用對土壤pH的改善、有機(jī)物質(zhì)的提升、土壤肥力的強(qiáng)化、成本的節(jié)約具有重要的促進(jìn)作用。

1.2 在貧瘠地和土壤板結(jié)上的應(yīng)用

土壤改良劑在土壤養(yǎng)分上也有重要作用。施加PJG土壤改良劑能提高小麥地上部各生長期干物質(zhì)累積量，增加植株地上部各器官中氮、磷含量及其累積吸收量，但對鉀影響不大[15]。肖占文等[16]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳土壤改良劑施用量與風(fēng)沙土孔隙度、團(tuán)聚體、持水量、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分、微生物數(shù)量、酶活性和玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系；秸稈配方、廢料配方和膠土配方3種改良劑與0.5 g/盆氮肥配施可以顯著提高株高、莖粗、葉面積、地上地下生物量、葉綠素含量及植株全 N 含量，且以秸稈配方配施效果最佳[17]；劉慧軍等[18]認(rèn)為不同土壤改良劑對土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有提高的效果。生物炭可提高土壤養(yǎng)分和土壤微生物的活性[19]，還能提高玉米對N和K的吸收能力[20]。土壤改良劑甚至能改善土壤的物理性狀，生物炭可以改善土壤質(zhì)量[21]，從根源解決問題。王鋒等[22]研究出用新型土壤改良劑能使 0～20 cm 土層土壤容重降低0.12 g/cm3，土壤孔隙度增加4.1%，土壤含水量提高31%，土壤pH 提高0.53；聚丙烯酰胺（PAM）促進(jìn)了土壤中砂粒、黏粒的增加，粉粒和土壤容重的減少[23]；Arkadolith土壤改良劑不僅能降低風(fēng)沙土土壤容重最多達(dá)11.84%，提高土壤孔隙度，加快滲透速度，增加土壤含水量；而且能增加土壤團(tuán)聚度，豐富土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮的含量，增加速效養(yǎng)分；同時(shí)，還能有效降低土壤pH和電導(dǎo)率（鹽堿化程度）[24]。腐殖酸鉀、熟石灰、“地保一號”調(diào)理劑均能一定程度地改善土壤理化性狀和提高大豆產(chǎn)量，其中以腐殖酸鉀和熟石灰配施效果最佳[25]；硫磺、石膏、有機(jī)肥、PAM等不同改良劑均有效降低了土壤容重，土壤空隙度隨之增加，土壤物理結(jié)構(gòu)的改善與水分利用相互配合，共同促進(jìn)了鹽堿土的改良[26]。石灰和石膏可增加土壤孔隙度，減少土壤容重和貫入阻力[27]；有機(jī)廢物可恢復(fù)退化的半干旱地區(qū)土壤，增加土壤聚合和碳固定[28] 。

1.3 在重金屬污染的土地上的應(yīng)用

鎘（Cd）土壤和農(nóng)作物的污染是一個(gè)無處不在的環(huán)境問題，導(dǎo)致無法控制的工業(yè)化、城市化不可持續(xù)和密集的農(nóng)業(yè)實(shí)踐。有毒元素Cd威脅土壤質(zhì)量、食品安全、人類健康[29]。在目前日漸受關(guān)注的重金屬污染上，土壤改良劑也能發(fā)揮重要的作用。王凱榮等[30]研究了重金屬污染土壤施用不同土壤改良劑對降低水稻糙米鉛鎘含量的作用，發(fā)現(xiàn)堿性煤渣的改良效果最突出，基施堿性煤渣5.0 g/kg條件下，早稻糙米Pb、Cd含量分別降低了78.6%和75.4%，晚稻糙米Pb、Cd含量分別降低了45.7%和87.9%；糙米Pb、Cd含量從施用前的嚴(yán)重超過國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)允許的含量降低到國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)允許的含量以下[30]。龔海軍等[31]發(fā)現(xiàn)，施用土壤改良劑能顯著提高潮泥田和紅黃泥的土壤pH，同時(shí)降低土壤有效態(tài)Cd、Pb及水稻糙米Cd、Pb含量。非晶氧化錳（AMO）能有效減少土壤中鎘、鉛和鋅的含量，提高土壤中微生物活性[32]。添加天然礦物質(zhì)沸石等能顯著降低土壤中鉻的含量[33]。

2 國內(nèi)外研究述評

土壤改良的作用主要側(cè)重于以下幾點(diǎn)：①土壤酸堿度的改善從而達(dá)到作物適宜生長環(huán)境；②土壤物理性狀的改善使得土壤增強(qiáng)保水、保土的能力，土壤中的營養(yǎng)元素增強(qiáng)有效性，從而實(shí)現(xiàn)土壤肥力的提高；③土壤中有益微生物和酶活性提高，病原微生物得到抑制，達(dá)到植物抗性增強(qiáng)的效果；④在重金屬污染土壤中降低Cd、Pb等重金屬的遷移能力，使作物對重金屬吸收被抑制。

多年來，國內(nèi)外對利用土壤改良劑改良土壤進(jìn)行了較多的研究，這些研究為認(rèn)識土壤改良劑研制、開發(fā)和改良土壤的應(yīng)用提供了有益的幫助，土壤改良劑的相關(guān)研究越來越受到關(guān)注，但已有的研究仍存在一些不足：①早期的研究中土壤改良多使用天然土壤改良劑，但天然改良劑因持續(xù)期短、儲量受限等因素的局限，實(shí)際應(yīng)用中改良效果不十分理想；②近幾年來，越來越多的學(xué)者開展了天然—合成共聚物改良劑的研制，即通過化學(xué)方法將單體連接到天然高分子化合物，大幅度提升了改良效果，但人工合成的高分子化合物成本高，也有潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，目前還難以廣泛應(yīng)用；③單一的土壤改良劑只能解決某個(gè)單一的問題，改良效果不全面，改良的同時(shí)或又產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響，但是2種或多種土壤改良劑的配合使用的研究目前還不夠完善；④由于實(shí)際生產(chǎn)中大量使用化肥，導(dǎo)致我國土壤不同地區(qū)受到不同程度的破壞，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)環(huán)境研究不同土壤改良劑進(jìn)行改良，目前我國這方面研究還不夠深入；⑤鹽堿地區(qū)和工業(yè)重區(qū)土壤的酸堿度嚴(yán)重失衡，對這些地區(qū)應(yīng)進(jìn)行長期、系統(tǒng)的管理，從根本上解決問題。

3 土壤改良劑研究展望

從目前的情況來看，筆者認(rèn)為土壤改良劑的研究有以下幾個(gè)發(fā)展的方向：

（1）土壤改良劑的研究過去主要集中在土壤板結(jié)或缺水，但是土壤酸堿化的改良研究以及土壤生物退化的改良研究比較少，因此這方面的研究亟待加強(qiáng)。

（2）過去的研究較多關(guān)注天然土壤改良劑的篩選，或者改良土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的效果，因此目前可以從土壤的物理特性、化學(xué)特性、生物學(xué)特性等方面的加強(qiáng)關(guān)注土壤改良劑的土壤改良機(jī)理方面的問題。

（3）目前，土壤改良劑研究的熱點(diǎn)之一是以工農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，研制多功能的新型土壤改良劑，改良低產(chǎn)土壤。因此，廢棄物中各種有毒、有害物質(zhì)（如重金屬、病原微生物）的有效控制非常值得關(guān)注。

（4）近年來，不同改良劑配合施用引起較多的關(guān)注，比如生物改良劑與工農(nóng)業(yè)廢棄物配合施用，無機(jī)、有機(jī)固體廢棄物的配合施用等。因此，不同改良劑組配、配合施用方法、改良的效果以及改良機(jī)理成為亟待加強(qiáng)的研究。

總的來說，土壤改良劑通過改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤黏性來減少水土流失、土壤結(jié)皮、養(yǎng)分流失、土壤侵蝕。土壤改良劑的研究和使用對于土壤的修復(fù)、重金屬污染土壤的改善、作物品質(zhì)和產(chǎn)量的提高，生態(tài)環(huán)境的改善越來越具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 周巖，武繼承.土壤改良劑的研究現(xiàn)狀、問題與展望[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，39（8）：152-155.

[2] 張黎明，鄧萬剛.土壤改良劑的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，11（2）：32-34.

[3] YOUSAF B，LIU G J，ABBAS Q，et al.Investigating the uptake and acquisition of potentially toxic elements in plants and health risks associated with the addition of fresh biowaste amendments to industrially contaminated soil[J].Land degradation developmen，2017，28（8）：2596-2607.

[4] 何春楊，李彬，李青苗，等.一種新型土壤改良劑對土壤活性態(tài)鎘及川芎鎘含量的影響[J].中藥材，2016，39（2）：250-253.

[5] 塔依爾，王東方，張風(fēng)華，等.“施地佳”土壤改良劑對鹽漬化土壤的改良效果[J].新疆農(nóng)墾科技，2011（1）：63-66.

[6] 解開治，徐培智，嚴(yán)超，等.不同土壤改良劑對南方酸性土壤的改良效果研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（20）：160-165.

[7] 李丹，王道澤，趙玲玲，等.不同土壤改良劑對設(shè)施蔬菜土壤酸化的改良效果研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017，33（27）：112-116.

[8] 文星，李明德，吳海勇，等.土壤改良劑對酸性水稻土pH值、交換性鈣鎂及有效磷的影響[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2014，35（5）：618-623.

[9] 楊宇，金強(qiáng)，盧國政，等.生化黃腐酸土壤改良劑對菜田鹽堿土壤理化性質(zhì)的影響[J].北方園藝，2010（5）：45-46.

[10] MOUNISSAMY V C，KUNDU S，SELLADURAI R，et al.Effect of soil amendments on microbial resilience capacity of acid soil under Copper stress[J].Bulletin of environmental contamination and toxicology，2017，99（5）：625-632.

[11] 邵玉翠，任順榮，廉曉娟，等.有機(jī)-無機(jī)土壤改良劑對濱海鹽漬土降鹽防堿的效果[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（4）：1527-1532.

[12] 李國萍，范彩霞，李強(qiáng).施地佳鹽堿土壤改良劑在油葵地的試驗(yàn)效果[J].農(nóng)村科技，2008（9）：21.

[13] 張修寧.鹽堿地土壤改良劑篩選的分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（14）：27.

[14] KAMEYAMA K，IWATA Y，MIYAMOTO T.Biochar amendment of soils according to their physicochemical properties[J].Japan agricultural research quarterly，2017，51（2）：117-127.

[15] 杜紅霞，吳普特，馮浩，等.新型土壤改良劑對冬小麥生長及養(yǎng)分吸收的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（3）：97-101.

[16] 肖占文，閆治斌，王學(xué)，等.有機(jī)碳土壤改良劑對風(fēng)沙土改土效應(yīng)的影響[J].水土保持通報(bào)，2017，37（3）：35-42.

[17] 許曉平，馮浩，趙西寧，等.土壤改良劑與氮肥配施對玉米生長及其養(yǎng)分含量的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17（3）：139-142.

[18] 劉慧軍，劉景輝，于健，等.土壤改良劑對燕麥土壤理化性狀及微生物量碳的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（5）：68-72，77.

[19] SINGH P，MITRA S，MAJUMDAR D，et al.Nutrient and enzyme mobilization in earthworm casts：A comparative study with addition of selective amendments in undisturbed and agricultural soils of a mountain ecosystem[J].International biodeterioration & biodegradation，2017，119：437-447.

[20] SYUHADA A B，SHAMSHUDDIN J，F(xiàn)AUZIAH C I，et al.Biochar as soil amendment：Impact on chemical properties and corn nutrient uptake in a Podzol[J].Canadian journal of soil science，2016，96（4）：400-412.

[21] MARCHAND L，BRUNELMUGUET S，LAMY I，et al.Modulation of trace element bioavailability for two earthworm species after biochar amendment into a contaminated technosol[J].Ecotoxicology，2017，26：1378-1391.

[22] 王鋒，郭琪玖，邱家路，等.新型土壤改良劑對馬鈴薯增產(chǎn)效應(yīng)的研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（18）：4404-4407.

[23] 周繼，陳曉燕，謝德體，等.土壤改良劑聚丙烯酰胺對紫色土物理性質(zhì)及其空間變異的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（6）：171-177.

[24] 蔣坤云，郭建斌，張賓賓，等.環(huán)保型土壤改良劑的引進(jìn)及對沙化土壤改良效果的研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（11）：76-78，81.

[25] 吳海勇，李明德，劉瓊峰，等.不同土壤改良劑在紅壤旱地上的應(yīng)用效果[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（11）：45-47，50.

[26] 安東，李新平，張永宏，等.不同土壤改良劑對堿積鹽成土改良效果研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28（5）：115-118.

[27] CARMEIS FILHO A C A，CRUSCIOL C A C，GUIMARAES T M，et al.Impact of amendments on the physical properties of soil under tropical longterm no till conditions[J].PLos One，2016，11（12）：1-21.

[28] HERNANDEZ T，HERNANDEZ M C，GARCIA C.The effects on soil aggregation and carbon fixation of different organic amendments for restoring degraded soil in semiarid areas[J].Soil science，2017，68（6）：941-950.

[29] KHAN M A，KHAN S，KHAN A，et al.Soil contamination with cadmium，consequences and remediation using organic amendments[J].Science of the total environment，2017，601/602：1591-1605.

[30] 王凱榮，張玉燭，胡榮桂.不同土壤改良劑對降低重金屬污染土壤上水稻糙米鉛鎘含量的作用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（2）：476-481.

[31] 龔海軍，劉昭兵，紀(jì)雄輝，等.新型土壤改良劑對水稻吸收累積Cd、Pb的影響初探[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（5）：50-53.

[32] MICHLKOV Z，MARTNEZFERNNDEZ D，KOMREK M.Interactions of two novel stabilizing amendments with sunflower plants grown in a contaminated soil[J].Chemosphere，2017，186：374-380.

[33] MOLLA A，IOANNOU Z，MOLLAS S，et al.Removal of chromium from soils cultivated with maize（Zea mays）after the addition of natural minerals as soil amendments[J].Bulletin of environmental contamination and toxicology，2017，98（3）：347-352.