土壤調理劑應用效應研究進展

駱 園，熊德中

(福建農林大學資源與環境學院，福建福州 350000)

土壤調理劑應用效應研究進展

駱 園，熊德中*

(福建農林大學資源與環境學院，福建福州 350000)

在國內外相關研究的基礎上，綜述了土壤調理劑的研究概況、主要原料及分類標準，系統地分析和討論了土壤調理劑在土壤改良、植物生理以及生態環境中的功能和作用，并針對其發展中存在的問題進行了展望。

土壤調理劑；土壤結構；土壤生物；生物炭

土壤是人類最基本的生產資料，也是人類賴以生存的物質基礎。但隨著經濟的快速發展，為了滿足人類日益增長的需求，人們開始了各種不合理地利用土地甚至是破壞土地的行為。濫砍濫伐、占用耕地、化肥亂用、礦產資源亂挖等活動都導致了嚴重的土壤退化。據統計，目前全世界擁有耕地7.30億hm2，但每年平均有大約500萬hm2的耕地因土壤退化而不能生產糧食。預計到2050年，世界將有近6億hm2的土地發生沙化，約200萬hm2的灌溉土地發生鹽漬化[1]。就我國而言，土壤退化總面積達到4.65億hm2，占全國土地總面積的40%以上[2]，同時北方的土地沙化、鹽漬化問題，南方的水土流失、酸化問題，以及土壤重金屬和有機物污染問題，都已向人類發出嚴重警告。為了解決土壤問題，恢復土壤生產力，使土壤健康發展，土壤改良成為學者研究的對象。諸多研究表明，正確使用土壤調理產品改良土壤，可以有效緩解土壤退化問題。筆者在國內外大量相關研究的基礎上，綜述了土壤調理劑的研究現狀、施用效果并提出了研究中存在的問題，以期為土壤調理劑相關研究提供參考。

1 土壤調理劑研究概況

普遍意義上，土壤調理劑也稱為土壤改良劑，但前者對于無明顯障礙因子的土壤也具有良好的增產效果，因此應用范圍更廣。土壤調理劑目前尚無統一定義，國內普遍上的定義是指加入土壤中用于改善土壤的物理、化學或生物性狀的物料，用于改良土壤結構、降低土壤鹽堿危害、調節土壤酸堿度、改善土壤水分狀況或修復污染土壤等[3]。土壤改良產品種類繁多，有改良土壤結構的土壤結構調理劑、調節土壤酸堿性的土壤酸堿劑、防風固沙的固沙劑等。廣義上來說，能對土壤起到改良作用的物料都可作為土壤調理劑。

早在農業社會，前人就從豐富的農業經驗中總結出客土法、石灰改良法、秸稈還田等樸素實用的土壤調理方法，但隨著人類對土壤利用的多元化，土壤的問題也漸變復雜。土壤調理劑的研究始于19世紀末，最開始是針對干旱、半干旱及鹽堿地土壤[1]。20世紀50年代以前，學者主要利用天然的有機高分子化合物如纖維素、木質素、多糖類、腐殖酸類等物質作為土壤調理劑，但由于天然土壤調理劑易被土壤微生物分解，施用后釋放的陽離子數量眾多，對土壤有毒害作用，并且用量大、成本高，因此難以在生產中廣泛應用，土壤調理劑的研究進入瓶頸。20世紀50年代后，隨著人工合成技術的推廣，土壤調理劑也進入到人工合成的新階段。當時美國率先研究出一種叫做Krilium的高分子改良劑，它不但能促進土壤團粒結構的形成、提高土壤水穩性能，而且還具有耐降解能力，面市后受到相關研究工作者的密切關注[4]。隨后前蘇聯、日本以及部分歐洲國家也相繼研究開發出新型的人工合成改良劑，其中涵青乳劑、聚丙稀酰胺(PAM)的效果較明顯[5]。隨著人與自然矛盾的變化及高新技術的發展，土壤調理劑的生產原料和制作工藝也更加環保、低耗。在現代土壤調理劑的研究中，人們大多就地取材，利用農田或工業生產剩余的有機廢棄物以及各種礦物、貝類作為土壤調理劑的原料，同時多種改良劑配合使用，以尋求最優效益。面對各種各樣的土壤和環境問題，土壤調理劑也更加具有功能性和現實性，土壤結構改良劑、酸堿調節劑、保水劑等產品陸續應用于生產生活中。

2 土壤調理劑原料及分類

2.1 土壤調理劑原料土壤調理劑原料多種多樣，主要包括：天然礦物類，如石灰石、蛭石、珍珠巖、石膏、沸石等；農業廢棄物類，如作物秸稈、畜禽糞便、豆科綠肥、魚產品下腳料等；工業廢棄物類，如污水污泥、粉煤灰、堿渣、脫硫廢棄物、造紙廢棄物等；天然提取高分子化合物，如多糖、纖維素、腐殖酸、木質素等；生物類，如微生物菌種、菌根、蚯蚓等；人工合成高分子聚合物，如PAM、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和脲醛樹脂(UF)等；有機質類，如泥炭、碳、生物炭、木材等[4,6-7]。

2.2 土壤調理劑分類土壤調理劑尚無統一定義，由于產品眾多、成分復雜，也很難對其進行嚴格的分類，為了便于理解和研究，我國學者主要按原料來源、功能用途和作用對象對其進行分類。按原料來源分為天然調理劑、人工合成調理劑、天然-人工共聚物調理劑和生物調理劑[7]。按功能用途分為土壤結構調理劑、土壤酸堿調節劑、土壤保水劑、用于綠化的土壤調理劑等。按作用對象分為沙田土壤調理劑、冷浸田土壤調理劑、漬澇田土壤調理劑等。

3 土壤調理劑的主要功能

3.1 改善土壤養分狀況土壤養分含量與作物生長產量質量產生直接的聯系，近年為了提高農業產量，國內廣泛存在不合理的農業活動，如大量施用化肥、作物連作等，從而導致土壤養分流失、失衡及連作障礙問題日益嚴重，土壤肥力普遍下降。改善土壤養分狀況、恢復土壤肥力是土壤調理劑的首要任務。大量研究表明，土壤調理劑能有效提高土壤有機質及營養元素。Huang等[8]通過對紅壤地區的稻田施用綠肥、農家堆肥等有機改良劑發現僅僅施用NPK肥的土壤有機質儲量與對照稻田無差別，而早稻施用綠肥、晚稻施用農家肥時土壤有機質達到最高水平，能顯著提高土壤有機質儲量。Huang等[9]在我國各水稻種植區選取11個試驗點進行生物炭改良試驗，結果表明生物炭對稻田的土壤有機質、全氮含量普遍具有促進作用，并且在施用N肥的基礎上施用生物炭不僅可以保證土壤質量，還可以提高水稻產量。

3.2 改善土壤物理條件

3.2.1改良土壤結構。土壤結構直接影響土壤中水、氣的比例，進而影響土壤的保水保肥性能，對植物生長具有重要意義。一般認為，團粒結構是最理想的土壤結構形態，是肥沃土壤的象征。泥炭、保水劑、PAM等土壤結構調理劑都對土壤結構有顯著的改良效果，可促進土壤形成良好的土壤團聚體[10-11]。劉慧君[12]對內蒙古沙地燕麥種植區施用PAA-K、PAM等土壤調理劑，結果表明，0～60 cm的土壤容重均有所下降，并且顯著提高了0～10、10～20、20～40 cm各土層大于0.25 mm的團聚體含量。Shawn等[13]在實驗室條件下對已被破壞土壤結構的土壤進行研究時發現，土壤大顆粒的形成與真菌脂肪甲基酯有密切關聯，而對土壤施入毛野豌豆、牛糞等改良物質可顯著增加土壤的真菌數量和微生物有效碳，從而增加土壤的大顆粒數量，改善土壤結構。

3.2.2保持水土，防止水土流失。水土流失是當今世界普遍關注的土壤退化問題之一，我國由于其特殊的地形地貌和氣候，加上不合理的土地利用，破壞了植被覆蓋及土壤表層結構，水土流失問題極為嚴重[14]。但近幾年的研究表明，噴施土壤結構調理劑可使表土的穩固性加強，從而起到保土、固土的作用[15]。于健等[16]在測試PAM對沙壤土入滲及侵蝕的影響的試驗中發現，不同分子量和水解度的PAM均能提高土壤入滲率，降低土壤侵蝕量。何熙等[17]利用秸稈、膨潤土及PAM等材料設計出的新型復合土壤改良劑對3種不同土壤進行改良，結果表明，改良材料均能顯著提高3種土壤的田間持水力，其中秸稈對促進大粒級顆粒團聚具有顯著作用，從而提高土壤的保水持水能力，防止土壤侵蝕。

3.3 改善土壤化學環境土壤膠體與土壤溶液之間時刻都在發生化學反應，土壤所有的外在性狀表現全都是微觀的土壤化學性質的反映，所以改善土壤化學性質是改良土壤的根本所在。土壤調理劑在調節土壤酸堿度和緩解土壤重金屬污染方面取得了較大的進展。

3.3.1調節土壤酸堿度。在近10年的研究中發現，施用土壤調理劑能有效降低土壤酸度，提高土壤穩定性，恢復土壤肥力[18]。董穩軍等[19]以南方典型冷浸田為研究對象，使用生物活性炭、脫硫灰、石灰、腐殖酸等調理劑對其進行改良。冷浸田由于長期漬水，微生物活性低，土壤呈強酸性，氧化還原電位強，施入改良劑后，脫硫灰和石灰能有效提高土壤pH，其中脫硫灰對降低土壤Eh也有顯著作用。魏嵐等[20]研究表明利用堿渣、菇渣、污泥、泥炭等土壤調理劑均能提高土壤pH，降低酸性土壤交換性鋁含量，提高土壤有機質、交換性鈣、交換性鎂含量。

在對鹽堿地進行改良的研究中，紀立東等[21]利用BGA土壤調理劑對寧夏鹽堿障礙性土壤進行改良，結果表明，與空白對照和配方施肥相比，施用BGA土壤調理劑有效改善了土壤理化性質，土壤中水穩性團聚體質量數量、土壤孔隙度均有所增加，土壤pH、堿化度和全鹽含量均有所降低，有效提高了枸杞的質量和產量。王元等[22]利用專用土壤改良劑YNEC對受鹽迫害的早熟禾的土壤進行改良，結果表明YNEC能夠調控并降低土壤鹽迫害，提高草坪草在鹽堿地的適應能力。

3.3.2緩解土壤重金屬污染。宋偉等[23]整理收集了我國土壤重金屬污染的案例資料，建立了我國138個典型區域的耕地土壤重金屬污染數據庫，并測算了我國耕地的土壤重金屬污染概況。數據顯示，我國耕地的土壤重金屬污染概率為16.67%，據此推斷我國耕地重金屬污染的面積約占耕地總量的1/6。由此可見，土壤重金屬污染問題已成為我國嚴重的環境問題。在對土壤施用調理劑的過程中，學者發現通過離子間的交換、吸附、沉淀等鈍化作用[24-25]，某些調理劑可以改變重金屬在土壤中的存在形態，降低其在土壤中的生物有效性，緩解其威脅[26]。Zhou等[27]利用石灰巖和海泡石調理劑、羥基組氨酸和沸石調理劑對已被污染的水稻土進行改良，結果表明，2組調理劑減少了可交換重金屬離子和萃取的重金屬濃度，明顯抑制了Pb、Cd、Cu和Zn在水稻中的吸收和富集。Luke等[28]利用堆肥和生物炭調理劑，探索調理劑對礦山的重金屬污染土壤中砷的影響，結果發現，由于調理劑溶解的有機質控制了金屬的遷移性，大量誘導了孔隙水中砷的溶解，生物炭最大程度地降低了有效金屬的濃度。

3.4 改善土壤生物條件土壤生物是土壤生命力的重要部分，土壤中生物與微生物的多樣性為維持土壤肥力、構造土壤結構作出了巨大貢獻。土壤生物不僅是土壤有機質的分解者、土壤營養循環的促進者，土壤中蚯蚓、螞蟻等大型動物為土壤營造的孔洞、通道、顆粒更是對土壤中空氣和水的傳輸產生了重要影響[29]。只有保持土壤中的生物多樣性才能保證整個土壤圈的正常運轉。而面對土壤生境的破壞，土壤生物多樣性的日趨減少及土壤的退化，保持土壤的生物功能和多樣性也受到越來越多的關注與研究。孫薊峰[4]在研究麥飯石、硅鈣礦、牡蠣殼和蒙脫石4種調理劑對土壤生物特性的影響時發現，施用牡蠣殼調理劑后，土壤堿性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性均得到顯著提高；而施用硅鈣礦調理劑后，土壤微生物總量與對照相比提高了64.1%，施用效果明顯。Chen等[30]對我國四川的水稻田進行生物質炭的改良，發現在分別施入生物質炭20和40 t/hm2的情況下，土壤細菌的16S rRNA的基因復制數量分別顯著增加了28% 和64%，而土壤真菌的18S rRNA基因復制數量分別顯著減少了35% 和 46%，從而增加了土壤細菌數量，減少了土壤真菌數量，改變了土壤微生物種群構成。

3.5 改善植物農藝性狀和生理作用

3.5.1改善植物農藝性狀。提高作物質量產量一直是農業活動的最終目標，諸多研究表明施用土壤調理劑能有效改善植物的農藝性狀，提高作物質量與產量。薛超群等[31]通過田間試驗研究了Agri 土壤調理劑不同用量(0、3.75、7.50、11.25、15.00 kg/hm2)對煙葉香味物質、感官質量和經濟性狀的影響。結果表明，隨土壤調理劑用量的增加，煙葉美拉德反應產物、類胡蘿卜素、降解產物、芳香族氨基酸降解產物、總香味物質含量和香氣質量有所提高，煙葉產量也顯著增加。劉素云等[32]利用土壤調理劑產品、聚丙烯酰胺、腐殖酸3種改良劑對植煙土壤進行改良試驗，結果表明，3種改良劑均能提高煙葉中Zn的含量，并且顯著增加了中上等煙的比例以及煙葉產量。

3.5.2改善植物生理作用。通過了解植物的生理狀況可以了解植物的健康情況，植物生理的各項指標是評價植物健康的有效手段。任勝超[33]于2010年在湖北恩施使用土壤調理劑對植煙土壤進行改良，結果發現在煙草生長的各個階段，土壤調理劑的施用均能夠顯著提高煙株的光合色素含量水平，同時可以顯著提高煙株葉片(35～65 d)的保護酶活性，提高該時期葉片抵御外界逆境的能力。張賓賓[34]在對沙地植物進行土壤改良試驗時發現，通過施加天然粘土礦物和污水污泥復合而成的新型環保改良劑能夠在不同程度上提高楊柴、檸條、沙柳、歐美楊的光合速率和葉水勢，降低4種樹葉片的蒸騰速率和氣孔導度。

3.5.3防止土傳病害。土傳病害是指病原體如真菌、細菌、線蟲和病毒隨病殘體生活在土壤中，條件適宜時從作物根部或莖部侵害作物而引起的病害。土傳病害往往是由于施肥不當或作物連作所導致，嚴重影響作物的質量和產量。孫文哲等[35]發現改變傳統施藥方式，施用叢枝菌根、商業產品“山佰松”、甲殼索等生物調理劑能夠增強植物的抗病性，抑制和減少病原菌入侵和繁殖的機會，從而防止土傳病害。葉枯病是大蒜的常見病害，多發于大蒜連作地區，會直接導致作物減產。周紅梅等[36]在山東濟寧大蒜種植區進行土壤改良，發現施用麥飯石、牡蠣殼、蒙脫石、硅鈣礦和有機肥5種調理劑不但能夠明顯改善土壤的理化性質，而且大蒜葉枯病的發病率相比對照也明顯降低，從而保證了大蒜的產量。

4 土壤調理劑應用發展中存在的問題

土壤調理劑對農業生產、環境保護等各方面均具有積極的作用，推廣土壤調理劑在實際生產中的運用是必行之路。然而在推廣的過程中仍有許多問題亟待解決。

4.1 潛在風險問題出于“綠色環保”的制作理念，土壤調理劑很大一部分是對廢棄物進行資源化利用，但許多廢棄物本身自帶的化學元素施入土壤后很可能造成土壤的污染[4]。例如，粉煤灰是工業生產中排放出的大氣污染物，施入土壤后有明顯的增濕作用，同時由于其富含硼，它還是油料作物的良好肥源，施用粉煤灰改良的土壤上生長的油料作物的產量及品質均有明顯提高。但是粉煤灰所攜帶的重金屬元素以及天然放射性核素可能會導致土壤污染和生態環境的放射性污染，存在一定的風險，因此施用時需明確用量，并進行長期的定位跟蹤監測[37-38]。

4.2 用量及施土配方土壤調理劑普遍存在用量問題，用量太少，改土效果不明顯；用量太多，成本提高，造成浪費甚至土壤板結等問題[39]。目前各種調理劑都存在測土配方及用量不明確的問題，因此如何配方施用以及施用量是目前研究的重點。

4.3 土壤調理劑成本問題對于農民來說，成本是他們考慮的首要問題。而土壤調理劑普遍存在成本偏高的問題，這無疑會加重農民的投入成本，是土壤調理劑推廣過程中面臨的最大考驗[1]。改進調理劑的生產技術，盡量就地取材，完善土壤調理劑的功能，最大程度地降低生產成本，才是解決土壤調理劑成本問題的關鍵。

4.4 缺乏規范的評價及分類標準由于土壤調理劑的來源眾多，產品也良莠不齊，因此很難建立完整規范的評價體系和分類標準，給使用者造成了選擇上的困難[11]。對此，各地的研究人員應該有針對性地就土壤養分失衡、結構不良、水分失調等各方面土壤問題研發產品，國家管理人員應該加強對土壤調理產品知識產權的保護，嚴格審查專利的成分及效果，同時對產品進行系統的分類和定義。

4.5 安全質量問題伴隨著新產品的出現，假冒偽劣產品必然會陸續出現在市場上。針對假冒偽劣產品，相關質檢部門應加強市場監管，安排不定期監督抽查和質量檢驗，發現問題立即曝光，以凈化土壤調理劑市場[40]。

5 結語

面對各種土壤退化問題及糧食危機，土壤調理劑已經在糧食生產、環境保護、綠化生態等各方面發揮出了它的優越性并得到越來越多的關注和研究。針對上述提出的土壤調理劑發展中存在的問題，若能切實有效地改進創新土壤調理劑的生產技術，規范完善土壤調理劑的系統管理，土壤調理劑必然能發揮出更大的優越性并具有更廣闊的應用前景。

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The Research Advance in Application Effect of Soil Conditioners

LUO Yuan, XIONG De-zhong*

(College of Resource and Environment, Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350000)

Based on the relevant studies at home and abroad, the general situation, main material and classified standard of soil conditioners were reviewed, the functions of soil conditioners on soil improvement, plant physiology and environment and ecology were discussed, aiming at the problems, the prospect was forecasted.

Soil conditioners; Soil structure; Soil organism; Biochar

福建省煙草公司資助項目(2013.65)。

駱園(1991-)，女，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向：植物營養學。*通訊作者，教授，從事植物營養與施肥研究。

2015-03-23

S 156.2

A

0517-6611(2015)13-077-03