土壤改良剂在几种土壤退化类型中的应用
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摘 要：随着经济的快速发展和人口数量的不断增多，加之不合理的生产活动造成了严重的土壤退化问题。本文从退化土壤的改良出发，介绍了土壤改良剂的不同类型及其在3种土壤退化类型中的应用，以期为不同类型退化土壤改良提供思路。
关键词：土壤改良；土壤沙化；土壤侵蚀；土壤污染
中图分类号：S156 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160932033
随着社会经济的快速发展，人口数量不断增多，生活的环境日益遭受着破坏。大气污染、食品安全、土地退化等成了21世纪的热点问题。根据2000年世界粮农组织（FAO）世界土壤资源报告，全球严重土地退化面积约为3500万 km2，占总土地面积的26%，其中用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%[1]。农民一味地追求高产，过度施用化肥，导致土壤板结；大量工厂的建立，导致了土壤污染；大量的砍伐树木，导致了土壤的沙漠化等，如今土壤退化问题成了亟待解决的问题。
因此，如何保持土壤质量，防止土壤退化，成为了国内外研究的热点。施用土壤改良剂是一种既经济又方便的方法，它可以改善土壤理化性质、提高土壤肥力，还能降低土壤中污染物的迁移，对于改良退化土壤有非常好的效果。本文从退化土壤的改良出发，介绍了土壤改良剂的不同类型及其在3种土壤退化类型中的应用，以期为不同类型退化土壤改良提供思路。
1 土壤改良剂介绍
土壤改良剂，又称土壤调理剂，能有效改善土壤理化性质和土壤养分状况，并对土壤微生物产生积极影响，从而提高退化土壤的生产力，使其更适宜于植物生长，而不是主要提供植物养分的物料。在20世纪50年代以前，土壤改良剂的研究只限于天然改良剂，随着研究的不断深入，科学家们从天然有机物、无机物提取到合成高分子化合物，根据不同土壤类型制成不同改良剂。按原料来源可将土壤改良剂分为天然改良剂、人工合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂和生物改良剂等4大类[1]，其中天然改良剂又可以分为无机物料和有机物料2种。其具体分类如图1所示。
1.1 天然改良剂
天然改良剂根据原料的性质，可以分为无机物料和有机物料2类。无机物料又可以分为天然矿物和无机固体废弃物；有机物料包含了有机固体废弃物、天然提取高分子化合物和有机物料。主要有石灰石、膨润土、蛭石、粉煤灰、畜禽粪便、泥炭等。
1.2 人工合成改良剂
人工合成改良剂是一种高分子有机聚合物，是通过对天然改良剂的分析研究，合成的一种与天然改良剂结构形态类似的改良剂。国内外研究和应用的人工土壤改良剂有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇等，其中聚丙烯酰胺是目前土壤改良剂的研究热点。
1.3 天然-合成共聚物改良剂
为了达到高效的治理效果，将天然改良剂与人工改良剂合成，用人工合成改良剂去弥补天然改良剂的不足，使其效果达到最佳，扩大适用范围，是一种新型的共聚物改良剂。其中包含了腐殖酸-聚丙烯酸、纤维素-丙烯酰胺、磺化木质素-醋酸乙烯等。
1.4 生物改良剂
目前研究和应用的生物改良剂包括一些商业的生物控制剂、微生物接种菌、菌根、好氧堆制茶、蚯蚓等。
土壤退化是指在各种自然，特别是人为因素影响下发生的导致土壤的农业生产能力或土地利用和环境调控潜力，即土壤质量及其可持续性下降，甚至完全丧失其物理、化学和生物学特征的过程。由于土壤退化是土壤物理、化学、生物学性质恶化导致肥力下降的总称，赵其国[2]将土壤退化分为土壤物理退化、土壤化学退化、土壤生物退化。中国科学院南京土壤研究所借鉴国外的分类，将我国土壤退化分为土壤侵蚀、土壤沙化、土壤盐化、土壤污染以及不包括上列各项的土壤性质恶化、耕地的非农业占用6类。
2.1 土壤改良剂在防治土壤沙化中的应用
土壤沙化指良好的土壤或可利用的土地变成含沙量很多的土壤或土地变成沙漠的过程。随着土壤沙漠化程度的加重，土壤物理性质、生物学特性都会发生一系列的变化，土壤水分、养分含量等降低，土壤生物酶活性下降，最终影响地上植被生长、发育和分布。在改良沙土时，研究学者更多关注的是如何增加土壤的保水能力、土壤养分含量、土壤有机质含量等。
2.1.1 天然改良剂
在天然矿物中，石灰石、膨润土等都具有保水保肥的改良作用，其中膨润土、沸石、石膏和蛭石还具有增肥作用。膨润土自身具有较强的吸水性、膨胀性、吸附性、粘着性等，施入沙土中可以增加土壤中团聚体的数量，降低土壤容重。膨润土与腐殖质作用形成有机无机复合体，施入土壤后，能够降低有机物料的分解速率，提高腐殖化系数，增加土壤有机质的累积，两者的相互结合存在着明显的交互作用[3]。粉煤灰自身的理化特性是改良沙土的物质基础，粉煤灰的平均粒径约为0.01～100 m，平均容重约为0.81～1.16g・cm-3，持水能力可达到45%～60%，显著高于沙土[4]。泥炭作为有机物料改良剂，能够提高混合沙土的持水能力，降低沙土的pH值和容重，增加沙土的有机质、速效氮和腐殖酸含量，对白菜的生长和生物量都有促进作用[5]。
2.1.2 人工合成改良剂
聚丙烯酰胺（PAM）是一种水溶性高分子聚合物，具有很强的亲水性及絮凝性，能够增加土壤团聚体数量，还能够减少土面水分蒸发，保蓄水分，提高水分利用效率。Johnson通过添加PAM增加了土壤的持水能力，为植物生长提供了更多的有效水[6]。将粉煤灰和聚丙烯酰胺混合施用，形成互补效应，但施用效果并不是简单的叠加，与对照相比，能够显著提高土壤田间持水量，同时增加土壤有效水含量。
2.1.3 生物改良剂
丛枝菌根真菌能和世界上90%以上的有花植物形成互惠互利的共生体，接种菌根真菌能够促进植物对土壤水分和养分的吸收，提高植物的抗逆性，同时菌根真菌分泌的球囊霉素相关蛋白能够改善土壤的团聚性，同时也是土壤碳的一个重要来源。丛枝菌根真菌和腐殖酸联合作用能够改善土壤微环境，同时提高了土壤酸性磷酸酶活性和有效磷的释放，沙土中细菌、真菌和放线菌数量也得到了显著的提高，进而促进土壤的形成和发育，改变土壤的理化性质[7]。
2.2 土壤改良剂在防治土壤侵蚀中的应用
土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。在防治土壤侵蚀过程中，主要有生物防治、物理化学防治、工程防治以及综合防治技术，这些防治措施的基本原理都是减少坡面径流量、减缓径流速度，提高土壤吸水能力和坡面抗冲能力，并尽可能抬高侵蚀基准面。
改良剂在防治土壤侵蚀中的应用主要集中在改良土壤结构，增加土壤的凝聚力，提高土壤吸水能力等方面。Brandsma[8]研究4种土壤改良剂（Agri-Sc、Soiltex、Humus和Kiwi Green）发现，土壤改良剂可以降低土壤密度，提高总孔隙度，其中Agri-Sc改良剂能够使土壤平均溅蚀量降低14.3%，Soiltex和Kiwi Green可使土壤结壳强度增加。人工合成改良剂中聚丙烯酰胺（PAM）处理过的土壤表面紧密的结构和较高的团聚体稳定性有效抑制了土粒的分散，增加土壤的水稳性团粒体，提高土壤渗水速度，可以有效地防止土壤的侵蚀。利用小型水道进行了针对壤土和黏土的PAM沟灌试验发现，壤土的渗透率减少了59%，黏土减少量22%，能够有效地减少流水侵蚀。在喷淋灌溉系统中模拟雨滴降落试验中，2 kg・ha-1的PAM有效地减少了径流和侵蚀，且对侵蚀的控制比对径流更有效[9]。
2.3 土壤改良剂在防治土壤污染中的应用
土壤污染破坏了土壤的自然生态平衡，并导致土壤的自然功能失调，土壤质量恶化。土壤污染可以分为无机污染和有机污染，无机污染物主要有汞、铬、铅、铜、砷、镉、酸、盐碱等，有机污染物主要有石油、氰化物、有机农药等。其中土壤重金属具有累积性、不可逆性的特点，因此重金属污染治理是现在研究热点。
2.3.1 天然改良剂
在修复重金属污染土壤中，常用的改良剂有石灰石、沸石、碳酸钙、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，而不同改良剂改良重金属污染土壤的作用机理也是不同的。石灰是使用较为广泛的一种改良剂，能够降低土壤中重金属的移动性及其在植物体内的累积。由于石灰本身具有碱性，施用石灰可以提高土壤pH值，促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐沉淀。施用少量石灰，可以使土壤有机质中的羟基和羧基与OH-反应，促使土壤可变电荷增加，土壤中Cd2+与CO32-发生化学反应生成难溶于水的CdCO3[10]。与其有同样效果的改良剂还有粉煤灰或改性粉煤灰，同样能够使土壤pH值升高，降低重金属污染土壤中Cd、Pb、Zn、Co、Cu、Ni等的迁移能力，抑制作物对重金属的吸收。沸石是碱金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，含有大量的三维晶体结构和很强的离子交换能力，从而能通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中重金属的有效性。在天然矿物中，膨润土和蛭石同样能够吸附土壤中的重金属，如Pb、Ni、Cu、Zn、As、Sb、Cd等，降低其生物有效性。
有机物料作为土壤重金属的吸附材料，其原理是重金属能够与有机物料中的有机配位体形成稳定的络合物，从而减轻重金属离子的生物有效性。常见的有机物料有畜禽粪便、污泥、绿肥、泥炭等。畜禽粪便在吸附土壤重金属的同时，还能够培肥土壤，增加土壤有机质含量，促进作物生长，在Cd污染土壤上施用鸡粪堆肥，可以促进冬小麦的生长，同时抑制了冬小麦根系对Cd的吸收 [11]。造纸污泥与土壤相互作用能形成新的吸附位点，使土壤对Cd和Sb的吸附量增加，降低其生物有效性。用粉煤灰将污水污泥结合钝化后，再施入土壤中，能够显著提高酸性土壤的pH值和Ca、Mg、B的含量，降低土壤的电导率和重金属的有效性，同时还能够增加土壤的N、P养分[12]。泥炭能吸附土壤中的重金属如Pb、Ni、Cu、Zn、As、Sb、Cd等，降低其生物有效性，同时还是良好的土壤调解剂，含有腐殖酸及营养成分，能够保肥、持水，增强土壤微生物的活动，可以提高0.25～1.61个单位的土壤pH值，增加土壤有机质，显著降低土壤中Cd有效态含量[13]。绿肥作为一种养分完全的生物肥源，不仅能够改良土壤，增加土壤养分，还能够作为土壤重金属改良剂，降低土壤中可提取性Al的浓度。
2.3.2 生物改良剂
重金属污染的土壤中，常富集有多种耐重金属的真菌和细菌。采用生物改良剂对土壤中重金属进行吸附，主要表现在胞外络合作用、胞外沉淀作用和胞内积累3种作用方式，目前主要的修复技术分为原位修复技术和异位修复技术2种。其中丛枝菌根能够通过直接作用（如螯合作用、菌丝的“过滤”机制等）和间接作用（改善矿质营养状况、改变根系形态等）修复污染土壤，包括有机烃类污染、重金属污染、石油污染、农药污染等。在灭菌土壤中添加AM真菌，可以促进海州香薷向地上部分转运Cu，提高其地上部分Cu吸收量，进而使得土壤中Cu含量减少[14]。接种菌根真菌还能够显著减少重金属复合污染土壤中三叶草对Cu、Cd、Pb的吸收。
3 总结与展望
土壤改良剂相对于其他改良方法简单易行，且效果显著，所以一直是研究者的关注点，但单一改良剂的改良效果存在不全面或不同程度的负面影响。在实际中，遇到的土壤改良问题并不是单一的，因此在选择改良剂时，通常会几种改良剂配合施用，但配施比例以及配施方法仍是值得探讨的问题。同时，针对不同的改良土壤，配施方法也有所差异。另者，在施用改良剂的同时要防治二次污染，例如在施用畜禽粪便、泥炭、粉煤灰时，可能会引入重金属，导致土壤、水体、生物的二次污染。对于一些合成有机改良剂尚有很多问题不能解释，例如PAM会与土壤中的粘土矿物相互作用，但作用机理尚不清楚，同时对土壤微生物生态系统及其生物转化产物对整个生态的影响还不太了解。生物改良剂对于重金属的改良有很好的效果，但丛枝菌根种类繁多，高效菌种的筛选问题需要解决，且其纯培养技术尚待突破。
综上所述，应用改良剂改良土壤尚有许多问题亟待解决，配施比例、配施方法、应用机理等都是今后的研究热点，同时针对不同问题的土壤，所采用的改良方法也不同。
参考文献
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作者简介：陈科皓（1989-），男，甘肃兰州人，硕士，助理工程师，研究方向：土壤改良。