沙化土壤改良劑應(yīng)用效益分析與前景展望

王春穎，云欣悅，梁允剛，郭宇澤

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

土壤沙化一般是由人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果，其中人為因素主要是人們對(duì)土地的不合理利用，包括耕地的過度農(nóng)墾、過度放牧、濫墾濫挖等，導(dǎo)致我國土地沙化嚴(yán)重。土壤沙化直接降低土地的生產(chǎn)力，造成植被退化、生物多樣性降低，引起土壤質(zhì)量下降、水土流失加劇，嚴(yán)重破壞土地生產(chǎn)質(zhì)量。并且會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能失調(diào)、生態(tài)環(huán)境退化，造成沙塵天氣頻發(fā)，直接破壞了人居安全環(huán)境[1-3]。土壤沙化主要包括土壤的物理退化、化學(xué)退化和生物退化，物理退化主要是土壤結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)顆粒減少、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)喪失等；化學(xué)退化主要是營養(yǎng)物質(zhì)的流失，導(dǎo)致關(guān)鍵元素缺失，自我修復(fù)的化學(xué)反應(yīng)難以完成；生物退化主要是微生物、土壤動(dòng)物等數(shù)量與種類的減少、發(fā)展失衡等。所以，眾多沙化土地治理措施均是針對(duì)此三種退化過程開展逆轉(zhuǎn)治理，較為常見的治理措施是物理、化學(xué)、生物措施或三者相結(jié)合的綜合措施，如在流動(dòng)沙地修復(fù)過程中，一般會(huì)通過設(shè)置水土流失治理工程措施結(jié)合造林種草等生物措施，在沙化土地上建立林草植被，再通過植被的作用提升土壤質(zhì)量，而在沙化耕地的治理中，多采用改變耕作方式，通過保護(hù)性耕作措施來提升沙化耕地質(zhì)量，并采取減少施用化肥，增施有機(jī)肥、微生物肥等措施直接改良土壤。近年來，伴隨著新材料的發(fā)展，化學(xué)措施也上升為修復(fù)沙化土壤的一項(xiàng)重要措施，改良劑的研發(fā)與應(yīng)用逐漸上升為研究熱點(diǎn)。土壤改良劑種類較多，常見的有生物炭、腐植酸、聚丙烯酰胺、膨潤土、粉煤灰等，其在一定程度上緩解了沙區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危機(jī)，開展土壤改良劑特別是針對(duì)沙化土壤的改良劑研究具有實(shí)際意義。

1 土地沙化與土壤改良劑概述

我國的沙化土地大部分分布于干旱、半干旱或半濕潤氣候區(qū)，多風(fēng)少水、植被稀少是主要特征。土壤沙化直接造成土地生產(chǎn)力降低，同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。重度沙化還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沙埋現(xiàn)象，直接危及農(nóng)田、草地、公路等，給沙區(qū)的生產(chǎn)和生活都帶來了極大危害。第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，截至2014年，全國沙化土地面積為17 212萬hm2，占國土面積的 17.93%[4]。目前，我國約有5 300萬hm2的可治理沙化土地，并且通過大面積的國土綠化，土地沙化已經(jīng)得到遏制，但是還存在約3 200萬hm2潛在沙化土地[5]。沙化土地特點(diǎn)在于土粒松散，粗顆粒增加，無明顯結(jié)構(gòu)，毛細(xì)作用弱，水分入滲能力增強(qiáng)，但土壤保水蓄水、保肥蓄肥能力差，且土壤沙化越嚴(yán)重，此類特征越顯著，土地沙化已經(jīng)成為制約人民生產(chǎn)、生活以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。加強(qiáng)沙化土地治理，改良沙化土地，防止沙化土地繼續(xù)退化，保護(hù)土地環(huán)境等形勢(shì)迫在眉睫。

土壤改良劑應(yīng)用于沙化土壤中，能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加團(tuán)聚體數(shù)量，進(jìn)而提升土壤的蓄水保肥能力，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)目的。近年來，土壤改良劑的應(yīng)用研究較為廣泛，土壤改良劑種類繁多，按原料來源可分為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。目前，應(yīng)用于沙化土地的土壤改良劑主要是天然改良劑、生物改良劑。一般情況下，人工合成改良劑只作為輔助，與天然改良劑配套使用，而天然-合成共聚物改良劑在沙化土地改良中較為少見。天然改良劑主要是自然界中固有的物料，可分為無機(jī)物料、有機(jī)物料兩大類。無機(jī)物料主要是一些天然礦物或無機(jī)固體廢棄物，如砒砂巖、磷石膏、膨潤土、凹凸棒土等；有機(jī)物料主要是從天然有機(jī)體提取的高分子化合物、有機(jī)質(zhì)物料及有機(jī)廢棄物等，常見的有機(jī)廢棄物主要有作物秸稈、腐植酸、菌渣等，有機(jī)質(zhì)物料主要是生物炭等。天然提取高分子化合物主要是羧甲基纖維素鈉等[6]。人工合成改良劑一般為高分子有機(jī)聚合物，常見的人工合成改良劑主要有聚乙烯醇樹脂、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺等。生物改良劑主要是微生物改良劑，包括微生物菌劑、生物有機(jī)肥等。微生物土壤改良劑含有多種有益細(xì)菌，此類改良劑主要是通過增加土壤中有益微生物數(shù)量，提高微生物活動(dòng)，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分的分解速率，為作物生長提供充足養(yǎng)分[7]，微生物土壤改良劑具有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 改良劑對(duì)土壤性質(zhì)的影響

2.1 土壤物理性質(zhì)變化

沙化土壤最典型的特征為缺少團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土質(zhì)粗化、透氣性增強(qiáng)、保水性差，所以施用土壤改良劑的主要目的在于調(diào)節(jié)土壤三相比，改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤顆粒的黏滯力、增強(qiáng)其保水保肥能力。在評(píng)價(jià)改良劑的作用效果時(shí)，土壤物理性質(zhì)的變化放在首位，如土壤水分、容重、孔隙度、團(tuán)聚體等是重要的考核指標(biāo)體系。

土壤水分作為干旱區(qū)植物生長重要的限制因子，其是最為重要的物理性質(zhì)，它不僅是土壤微生物活動(dòng)的必要條件，也是土壤其他性質(zhì)變化關(guān)鍵誘發(fā)因素[8]。沙土保水能力較差，極易發(fā)生水分虧缺，大部分土壤改良劑能夠有效地解決此問題。劉慧軍等[9]研究結(jié)果表明，沙地改良劑(主要成分為膨潤土)能夠明顯提高 0～60 cm土層土壤含水量。何熙等[10]在開展秸稈改良材料對(duì)沙質(zhì)土壤飽和含水量的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈是一種優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑，可顯著提高沙質(zhì)土壤的含水量，并且隨著秸稈施用量的增加含水量呈遞增趨勢(shì)。一般來說，生物質(zhì)土壤改良劑均具有提高土壤保水能力的功能，一方面是提高土壤的儲(chǔ)水能力，另一方面是增加土壤的保水能力，儲(chǔ)水能力主要體現(xiàn)在含水量的顯著提升，保水能力主要體現(xiàn)在降低土壤蒸發(fā)速率[11]。肖占文等[12]進(jìn)行有機(jī)碳土壤改良劑研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳對(duì)風(fēng)沙土改土效應(yīng)顯著，施用有機(jī)碳改良劑可有效提高風(fēng)沙土的總持水量，施加有機(jī)肥也能夠顯著增加土壤水分含量[13]。劉立軍[14]開展了微生物土壤改良劑應(yīng)用研究，認(rèn)為在風(fēng)沙地區(qū)施用改良劑能夠顯著提高土壤的保水能力。在松嫩平原沙化土壤中也有相關(guān)研究開展，通過施加生物炭、有機(jī)肥等，均可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，并且在很大程度上提高水分吸收和保持能力[15]。內(nèi)蒙古各沙地常采用的沙質(zhì)土壤改良劑主要為鈉化膨潤土，其對(duì)沙地風(fēng)沙土的土壤保水性能有顯著促進(jìn)作用，并且多年連續(xù)施用保水效果極大增強(qiáng)[16]。此外，在川西北高寒沙地也有人進(jìn)行改良研究，多用秸稈、菌渣顆粒進(jìn)行土壤改良，在高寒地區(qū)此類改良劑能夠發(fā)揮較強(qiáng)的改土作用，施入后有效增加沙化土壤耕作土層的含水量[17]。在柴達(dá)木盆地也開展了有機(jī)改良劑試驗(yàn)研究，改良劑施入土層達(dá)100 cm，各土層土壤含水量均顯著提升，而且在耕作層約40 cm以內(nèi)的土壤水分增加效果更為顯著[18]。土壤容重和孔隙度表征了土壤的疏松程度，容重大小直接影響植物根系生長，容重大則土壤緊實(shí)板結(jié)，孔隙度降低、土壤團(tuán)粒缺少，利于植物根系發(fā)育的土壤一般是容重較小、土壤孔隙多[19]。但是土壤容重過小，也會(huì)造成植物根系難以扎穩(wěn)，容易造成土壤跑墑，營養(yǎng)成分流失。土壤改良劑有助于優(yōu)化風(fēng)沙土土壤結(jié)構(gòu)，并且施用量越大，越有利于降低土壤容重[11]，并使土壤處于植物生長適宜的容重范圍。在科爾沁沙地通過施用改性的膨潤土，土壤容重顯著降低[20]；在毛烏素沙地耕地施用微生物土壤改良劑后，土壤容重呈顯著下降趨勢(shì)，而總孔隙度則呈顯著上升趨勢(shì)[21]。此外，施用不同有機(jī)物料可在一定程度上增加 0～20 cm土壤總孔隙度飽和含水量，降低土壤容重，改良效果隨施用量及施用年限的增加而增加[22]。

土壤團(tuán)聚體是指土粒通過各種自然過程的作用而形成的直徑<10 mm的結(jié)構(gòu)單位。土壤團(tuán)聚體不僅是土壤中各形態(tài)、粒徑、非機(jī)械穩(wěn)定和機(jī)械穩(wěn)定團(tuán)聚體的總和，同時(shí)也是土壤肥力的基礎(chǔ)載體，可用來衡量土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[8,23]。曹麗花等[24]研究認(rèn)為，濃度 0.05% 左右的沃特保水劑對(duì) 5～1 mm團(tuán)聚體含量作用效果顯著，可有效改良風(fēng)沙土。也有研究認(rèn)為，生物質(zhì)土壤改良劑用量越大，越有利于風(fēng)沙土中大于 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的形成，而風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)的改良效果也將越好[11]。攝曉燕[25]在風(fēng)沙土中添加砒砂巖發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)風(fēng)沙土土壤中大于 0.25 mm團(tuán)聚體的形成，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。王桂君[15]研究表明，單獨(dú)施加有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成也有明顯的促進(jìn)作用。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)變化

土壤的化學(xué)性質(zhì)是土壤營養(yǎng)成分的重要體現(xiàn)，其對(duì)作物或植物的生長與發(fā)育起著決定性作用，土壤養(yǎng)分含量低，則會(huì)出現(xiàn)作物生長緩慢、發(fā)育受限等問題。同時(shí)，土壤營養(yǎng)物質(zhì)的多少，直接關(guān)系到土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，甚至可以影響到微生物群落結(jié)構(gòu)，所以，化學(xué)性質(zhì)的改變也導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)、微生物性質(zhì)的協(xié)同變化。而改良劑最直接的作用則是提升土壤化學(xué)性質(zhì)，這也是許多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向改良劑的重要原因之一。

氮素、磷素、鉀素、有機(jī)質(zhì)及微量元素等化學(xué)成分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要關(guān)注點(diǎn)，蔣坤云等[26]在沙地上施用環(huán)保型土壤改良劑后發(fā)現(xiàn)，其可增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮以及速效養(yǎng)分的含量。屈皖華等[27]在沙化土壤中將有機(jī)物料單施，以及配施玉米秸稈、牛糞等有機(jī)物料，表明均可有效增加土壤碳氮組分，提高土壤全氮含量。張賓賓[28]認(rèn)為在沙化土壤施用改良劑可有效提升土壤全氮儲(chǔ)備，提高硝態(tài)氮含量，從而緩解養(yǎng)分失衡。周磊[20]在沙地施用沙質(zhì)土壤改良劑后發(fā)現(xiàn)，土壤耕層的養(yǎng)分含量得到顯著提高，土壤保肥效果明顯，并且隨著改良劑的施入年限增加而呈增強(qiáng)趨勢(shì)。攝曉燕[25]認(rèn)為，添加砒砂巖可顯著改善風(fēng)沙土對(duì)銨態(tài)氮的保肥性和供肥性，有助于改善土壤磷素的供應(yīng)。肖茜等[29]將生物炭添加到風(fēng)沙土中發(fā)現(xiàn)，添加適量生物炭可增強(qiáng)土壤對(duì)氮的固持能力，降低硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)。劉曉林[17]利用秸稈顆粒改良劑改善沙土質(zhì)量，結(jié)果顯示秸稈是一種較好的改良劑，能夠有效降低沙化土壤的外源養(yǎng)分淋溶率。周磊[16]利用改性膨潤土后，沙地土壤陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀含量得到顯著提高，沙地土壤肥力明顯改善。呂濤等[30]認(rèn)為，沙漠保水改良劑對(duì)降低土壤pH值、提高土壤速效氮、速效磷含量效果最好，沙漠抗旱保水保肥改良劑對(duì)提高土壤速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量效果最明顯。周吉祥[31]連續(xù)三年的研究表明，生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施用增加了土壤中總有機(jī)碳、總氮、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，提高了土壤碳氮比。

2.3 土壤生物學(xué)性質(zhì)變化

土壤微生物生物量是活的土壤有機(jī)質(zhì)的組成部分，主要指土壤體積小于50 μm3的生物總量[32]，在土壤中執(zhí)行有機(jī)物的轉(zhuǎn)化[33]。土壤微生物在土壤中比較敏感，它可以精準(zhǔn)地反映出土壤微生物活性以及土壤肥力狀況。相關(guān)研究表明，微生物量對(duì)土壤養(yǎng)分的循環(huán)和釋放等都具有重要作用，可直接反映土壤的肥力狀況[34]。

周磊[20]研究發(fā)現(xiàn)，在科爾沁沙地施用沙質(zhì)土壤改良劑提高了0～40 cm土層土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量和土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶的活性。肖占文等[12]在風(fēng)沙土中施用有機(jī)碳土壤改良劑后，風(fēng)沙土微生物和酶活性有所增加。王桂君[15]在松嫩平原沙化土壤中施加生物炭和有機(jī)肥有效提高了土壤細(xì)菌群落的多樣性并改善了土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成，影響了土壤真菌群落組成及叢枝菌根真菌群落結(jié)構(gòu)。李小煒等[21]在榆林市北部沙區(qū)施用微生物類土壤改良劑后顯著提高了土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等含量。周磊[16]研究表明，在科爾沁沙地施用改性膨潤土后提高了0～40 cm土層土壤微生物生物量碳、氮、磷和土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性。吳苗[35]在毛烏素沙地施用微生物菌劑后，N-乙酰-β-D-葡糖糖苷酶、酸性磷酸酶以及酚氧化酶的活性顯著增大，并且土壤細(xì)菌中變形菌門、放線菌門和擬桿菌門相對(duì)豐度較高。周吉祥[31]研究表明，有機(jī)沙化土壤改良劑可提高土壤養(yǎng)分含量，增加土壤胞外酶活性和碳庫庫容，影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，培育土壤肥力。呂濤等[30]在庫布齊沙漠西北緣典型沙化土地施用不同改良劑可以有效地提高沙化土壤中微生物數(shù)量及酶活性。

3 改良劑對(duì)植物的影響

3.1 對(duì)沙地植物生長的影響

土壤沙化致使土壤質(zhì)量變差，隨著沙化程度增加，植被群落的覆蓋度、群落物種的多樣性以及植被地上和地下的生物量都急劇下降[36-38]。土壤改良劑可通過改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤含水量，增強(qiáng)土壤中微生物活動(dòng)，提高土壤保水保肥能力，從而為植物的生長發(fā)育創(chuàng)造良好的生存環(huán)境[11]。改善沙化土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)地上植物生長發(fā)育與增加沙地植被覆蓋率是改良與治理沙化土壤的重中之重。

蔣坤云等[26]發(fā)現(xiàn)環(huán)保型土壤改良劑有效促進(jìn)了小葉錦雞兒的高生長和根系的生長。張賓賓[28]在沙地施加3種土壤改良劑后發(fā)現(xiàn)，對(duì)楊柴、檸條、沙柳、歐美楊4個(gè)樹種的新梢生長及生物量均有不同程度的促進(jìn)效果。攝曉燕[25]研究表明，在同一養(yǎng)分和水分梯度下，在風(fēng)沙土中添加砒砂巖可提高黑麥草的地上生物量和地下生物量。劉曉林[17]研究結(jié)果表明，在川西北高寒沙地施用純化肥、牦牛糞、秸稈改良劑和菌渣改良劑均能夠有效促進(jìn)黑麥草的生長發(fā)育。吳苗[35]研究表明，2種固沙措施下，施用微生物菌劑后樣方內(nèi)植物生長迅速并且植物蓋度和高度的增加效果顯著。

3.2 對(duì)作物生長的影響

改良劑對(duì)沙質(zhì)土壤耕地作物生長及產(chǎn)量存在顯著影響，并且施用量不同，對(duì)作物的影響效果不同，當(dāng)施用量為12 t·hm-2時(shí)，燕麥籽粒產(chǎn)量和地上生物量最高，而且對(duì)燕麥籽粒粗蛋白、賴氨酸和B-葡聚糖含量影響顯著[9]。周磊[16]研究也認(rèn)為，施加改良劑對(duì)沙地玉米具有極顯著的增產(chǎn)效果。王桂君[15]將生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加后發(fā)現(xiàn)，作物生物量積累以及產(chǎn)量顯著增加，說明這兩種材料是優(yōu)質(zhì)的沙化土壤改良劑，均具有較高的農(nóng)業(yè)利用價(jià)值。周磊[16]在科爾沁沙地的沙質(zhì)土壤耕地施用改性膨潤土后，玉米株高、葉面積指數(shù)、地上干物質(zhì)量和根干重均得到顯著提高。李小煒等[21]研究不同的施用方法認(rèn)為，基施土壤改良劑均能顯著提高玉米株高、莖粗、鮮重以及氮、磷、鉀含量和產(chǎn)量，微生物土壤改良劑更有利于促進(jìn)種子子粒氮和磷的吸收，提高種子品質(zhì)。陳霽菲[18]研究表明將有機(jī)改良劑結(jié)合起壟覆膜能夠優(yōu)化枸杞的生長參數(shù)，改善枸杞的品質(zhì)，提高枸杞的產(chǎn)量以及土壤水分利用效率。

4 存在問題及研究趨勢(shì)

沙化土壤改良劑是應(yīng)對(duì)土地退化的重要措施，其開發(fā)與應(yīng)用具有廣闊的前景。目前，土壤改良劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域開展的相關(guān)研究較多，在沙地、沙漠、沙化草地領(lǐng)域的研究相對(duì)欠缺，并且對(duì)環(huán)境友好型、長效性的多功能型土壤改良劑的研發(fā)與應(yīng)用更為薄弱。另外，針對(duì)沙化土壤改良劑的相關(guān)研究多處于室內(nèi)試驗(yàn)，大田應(yīng)用研究相對(duì)偏少，導(dǎo)致改良劑的配套應(yīng)用技術(shù)相對(duì)匱乏。土壤改良劑是農(nóng)林及環(huán)境領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要選擇之一，因此，新型土壤改良劑的研發(fā)、研究與應(yīng)用應(yīng)該引起有關(guān)部門重視。

沙化土壤改良劑是實(shí)現(xiàn)沙化土地質(zhì)量提升的可靠保證，從農(nóng)林高質(zhì)量發(fā)展需求來看，以下幾個(gè)方面應(yīng)該得到重視：

(1)改良劑的原材料及其加工工藝將面向低成本，此是沙化改良劑降低成本的根本保證。應(yīng)充分利用秸稈、枝條等農(nóng)林冗余物、廢棄物材料，通過加工工藝改進(jìn)，研制低成本、環(huán)保型改良劑。

(2)注重沙化土壤改良劑水土保持、抑制土壤風(fēng)蝕等附加功能挖掘，研發(fā)多種功能于一體的復(fù)合型改良劑，更加注重配套技術(shù)應(yīng)用研究。

(3)耐旱、耐低溫等優(yōu)良抗逆微生物挖掘及其功能菌改良劑的研制與利用，微生物類改良劑兼具有毒有害物質(zhì)降解、無機(jī)養(yǎng)分激活等功能。

(4)開展沙化土壤退化監(jiān)測(cè)，為改良劑的選擇提供依據(jù)。同時(shí)，更加注重構(gòu)建改良劑施用效益監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，有利于支撐沙化土地的科學(xué)防治。