我國土壤改良修復工程技術研究進展

王凱 孫星星 秦光蔚 李紅陽 高波 蔡彥虹

摘要：耕地是我國糧食安全的根本保障，由于農業生產等因素影響，我國部分耕地出現了不同程度的退化，主要表現形式為土壤鹽堿化、酸化和重金屬污染。針對土壤退化問題，需要采取物理措施、化學措施、生物措施等多種方法進行改良、修復。筆者對近年來我國土壤改良修復技術的相關文獻資料進行分析，針對鹽堿土壤、酸化紅壤以及重金屬污染土壤等不同退化類型，綜述了土壤改良調理劑修復、耐逆適生作物栽培、微生物改良等技術，分析當前使用的土壤改良修復技術存在的問題，提出對未來土壤改良修復技術發展趨勢的展望。

關鍵詞：土壤退化;改良;修復;調理劑;植物修復;微生物

中圖分類號： S156? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）20-0040-09

收稿日期：2021-03-08

作者簡介：王 凱（1969—），男，江蘇鹽城，副研究員，主要從事生態農業以及耕地保護相關研究。E-mail：13851051048@163.com。

通信作者：蔡彥虹，女，北京人，農藝師，主要從事農業科技管理。E-mail：cyh0610@sina.com。

近年來，由于農業生產等人為因素影響，部分耕地質量發生嚴重退化，土壤酸化、鹽漬化問題突出，作物土傳病害發生日益嚴重。據統計，我國有1.3億hm2耕地中有0.25億hm2發生了不同程度退化，保障糧食安全的根本在耕地，為確保糧食安全，需要對耕地進行改良與修復。筆者查閱了近年來關于土壤改良修復相關文獻資料，分析我國土壤退化基本情況、主要土壤改良工程技術、存在主要問題，并提出對未來土壤改良修復技術的展望。

1 我國土壤退化情況

我國目前耕地總體質量不容樂觀，土壤退化現象較為嚴重。現有中低產田面積約0.927億hm2，包括酸化紅壤0.173億hm2，鹽堿地0.073億hm2，低產沙化潮土0.080億hm2，低產水稻土 0.040億hm2，主要分布在黃河三角洲鹽堿地、南方酸性紅壤、北方干旱半干旱地區等區域。

我國鹽堿地分布在東部沿海平原地區、淮海平原地區、東北地區、西北干旱帶半干旱地區[1]，主要表現為土壤可溶鹽類含量較高，板結、通透性差，對植物生長產生直接抑制作用。長江口以北的江蘇省、山東省、河北省、天津市、遼寧省等地濱海鹽土面積達100萬hm2，黃淮海平原的鹽漬土約有13333萬hm2，東北平原的鹽漬土以松嫩平原最多，據統計東北3省共有鹽堿土面積約320萬hm2;西北地區的鹽堿土壤約有200萬hm2左右，分布在內蒙古河套灌區、寧夏銀川灌區、甘肅河西走廊、新疆準葛爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地、青海柴達木盆地等地區。

土壤酸化指土壤膠體吸附了一定量交換性Al3+或交換性H+，促使土壤堿性鹽基離子淋失，從而使土壤酸度增高的現象[2]。我國土壤酸化區域主要集中在華中、西南和華東沿海3個區域。由于煤、石油等燃料大量燃燒，過量施用氯化鉀、硫酸鉀、氯化銨等酸性肥料以及火山爆發、森林火災等因素，導致酸性物質大量排放產生酸雨，酸雨中硫酸根離子和硝酸根離子等多種侵蝕離子沉降，致使土壤酸化[3]。南方廣大紅壤區生態環境遭到破壞，土壤肥力衰退，退化程度僅次于我國黃土高原地區[4]。土壤有機質減少很可能是紅壤理化性質快速退化的原因，在湖南省祁陽市進行長期定位監測，發現土壤長期單施化肥 20 年后pH值由5.7下降至4.5[5]。目前，粵桂甘蔗產區、云南煙草產區等土壤酸化情況較為嚴重。

耕地受重金屬污染造成退化已成為全球面臨的重要問題，重金屬污染的土壤不僅直接影響糧食等農作物產量與品質，還能通過食物鏈直接或間接影響其他生物。土壤重金屬污染具有累積性、潛伏性、滯后性等顯著特點，難以被治理[6]。我國耕地中重金屬Cd的污染最為嚴重，其次為鉻（Cr）、銅（Cu）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鋅（Zn）、砷（As）、鎳（Ni）、錳（Mn）等污染。我國西南部、中南部地區土壤重金屬超標現象較為嚴重;其中，鎘（Cd）、Hg、As、Pb? 4 種重金屬污染物含量從西北到東南、從東北到西南方向呈現逐漸升高的趨勢[7]。耕地發生重金屬污染的主要原因，包括長期依賴農藥、化肥、農膜等以外，還有因化工產業、采礦挖掘等引發的流域灌溉水源輸入性因素。據報道，Cd、Pb污染的土壤中對玉米籽粒中的蛋白質含量造成潛在影響[8]，Pb污染土壤會對辣椒幼苗生長發育造成抑制[9]。

2 主要土壤改良工程技術

關于退化土壤的改良措施主要有物理措施、化學措施、生物措施和工程措施等方式，本研究主要針對鹽堿地、酸性紅壤和重金屬污染土壤，綜述了土壤調理劑、耐逆適生作物、微生物改良技術以及其他技術的研究進展。

2.1 土壤調理劑改良技術

我國土壤調理劑研究開始于20世紀80年代，具有改良土壤理化性質、改善微生物環境等優點，但目前針對其分類并沒有明確規定。白博文等根據原料將其劃分為天然無機物原料類、有機質原料類、廢棄物原料類、天然高分子化合物類、人工合成改良劑、天然-合成共聚物類和生物改良劑。天然無機物類主要有石灰石、石膏、蛭石、珍珠巖、粉煤灰、沸石、麥飯石等，具有調節土壤pH值、吸附重金屬、改良土壤結構等作用。天然有機物類主要有腐殖酸類、多聚糖類、纖維素和木質素類，具有提高土壤保墑保水性能和穩定土壤孔隙結構等作用。合成高分子材料類可分為陰離子型、陽離子型和非離子型[10]，主要有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚氨酯、聚醋酸乙烯、聚谷氨酸以及脲醛樹脂等，合成過程中可以模擬天然膠結劑的分子結構和性質，黏結性較好，絮凝性強，能顯著改善土壤的物理結構和性能。

鹽堿土壤添加改良劑的目的是為了降低土壤的pH值和EC值，提高土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀的含量。石灰石、海泡石、沸石、脫硫石膏等無機物類改良劑在調節土壤pH值和EC值等方面具有積極作用;定期施用腐殖酸類、多聚糖類和木質素類等有機類改良劑可提高土壤有機質含量、調節土壤理化性質，顯著增加作物產量;生物炭具有表面積大和多孔性的優點，能夠改善鹽堿土壤物理結構，增強水肥利用效率。當前諸多研究均將不同種類的土壤改良劑混合形成配方使用，對于土壤改良產生增效作用。姚強等研究發現，腐殖酸、脫硫石膏、菌渣等原料間的協同效應對濱海鹽堿地具有良好的改良效果[11]。使用工業腐殖酸對新疆克拉瑪依市紅山湖周邊鹽堿地土壤進行了改良，能夠降低土壤pH值，提高有機質含量，增加Mn、P和有效磷的含量[12]。

酸性土壤通常使用土壤改良劑進行改善。石灰是一種傳統的酸性土壤改良劑，能夠有效降低土壤交換性Al3+含量，從而改善土壤酸化。除石灰外，磷石膏、硼泥、白云石等工業副產物也被運用到酸性土壤改良中。徐智等提出，磷石膏和有機固體廢棄物聯合堆肥能夠有效改善土壤酸化現象[13]。另外，農作物秸稈、糞肥等有機物料也可以提高酸性土壤pH值，提高土壤肥力[14，15]。近年來，研究發現生物炭能夠顯著提高土壤pH值，改良理化性質，提升作物產量和品質[16-17]。

土壤重金屬污染主要通過鈍化劑實現修復，使土壤中重金屬的有效性和遷移性降低，從而降低重金屬污染程度[18]。鈍化劑按種類可分為無機類、有機類和有機-無機復合型3類。無機類鈍化劑包括含鈣類、磷酸類、硅酸類和金屬類4種;有機類鈍化劑包括污泥、有機堆肥等有機質和生物炭;有機-無機復合型鈍化劑對重金屬污染土壤的修復效果通常要優于單一類型的鈍化劑。將生物炭和蒙脫石[19]、磷酸類[20]鈍化劑配合使用，能夠起到增效作用，大幅降低重金屬遷移性和有效性，對土壤改良效果優異。常見土壤改良劑主要成分及功能見表1。

2.2 耐逆適生作物

植物與土壤存在著相互依存、互惠互利的關系，植物依靠土壤中的養分生存，土壤又能夠通過植物保持健康狀態。我國植物修復研究于1996年開始[33]，主要分布在重金屬污染治理、鹽堿土壤改良等方面，近年來該領域論文發表數量呈現波動式增長態勢，主要研究機構為西南科技大學、中國科學院大學和中國科學院南京土壤研究所等單位[34]。

耐鹽植物的應用是鹽堿地區植物改良的關鍵，可以有效汲取土壤中的鹽分，但不會在體內形成鹽分積累，能通過莖葉上的耐鹽腺體將鹽分排到植株外。傳統的鹽堿地改良作物，如白蠟[35]、檉柳[36]、沙棗[37]、堿茅[38]、胡楊[39]、紫穗槐[40]和枸杞[41]，具有耐鹽性強、抗逆性好等優勢，可以有效改良土壤，經濟價值較高，劉盛林等研究發現，在黃河三角洲鹽漬化荒地上種植檉柳、白蠟，能夠顯著提高土壤磷酸酶活性和降低pH值[42]。當前，藜科、禾本科、菊科和豆科是耐鹽作物中研究最多的科，其他種類如漆樹科的鹽膚木等喬木類在鹽堿地改良中應用較好。

我國關于耐鹽牧草的研究從20世紀80年代開始，吉林省農業科學院對堿茅屬進行研究，發現堿茅屬對鹽堿土壤有較好的適應以及改良能力，目前在我國北方地區已廣泛種植，取得較好的經濟和生態效益[43]。遼寧省通過在鹽堿地上種植細葉藜，不僅改良了土壤的理化性質，也為養豬業提供了優質飼料[44]。當前，耐鹽牧草主要有禾本科和豆科2類，禾本科牧草代表性的有蘇丹草、冰草、草地早熟禾、偃麥草等，豆科牧草研究較為廣泛的有苜蓿類、苕子、田菁等。牧草資源是改良貧瘠鹽堿化土壤的有效植物，具有耐鹽抗旱、耐濕抗寒等諸多優點，具有較大的開發潛力。在鹽堿地種植甜菜、高粱、棉花、水稻等抗鹽農作物具有較高的經濟價值。程知言等研究發現，耐鹽水稻種植對濱海鹽堿地改良具有良好的作用，可有效控制耕作層（0～20 cm）土壤鹽度維持在較低的水平且保持穩定[45]，同時水稻種植的特殊水田環境具有淋鹽、洗鹽和壓鹽作用。

另外，堿蓬是目前能在含鹽量為3%的土壤中生存的極少數植物之一，在土壤改良、修復等方面具有極為重要的應用潛力。在新疆鹽堿地上種植堿蓬和鹽角草后，能夠提高土壤脫鹽率和含水量，降低土壤含鹽量和有毒離子含量，改善土壤理化性質[46]。馬藺作為多年生鳶尾屬植物，抗鹽堿能力優良，適合大部分地區種植，觀賞價值、生態價值和經濟價值較高，當前在改良鹽堿土方面的應用也成為研究的熱點。主要鹽堿地改良的植物類型和種類見表2。

重金屬污染土壤采取植物修復法更接近自然生態，從經濟投入、修復周期和避免二次污染等多方面考慮都是目前的最佳選擇。目前，全世界發現的超富集植物超過400種，黑麥草、蜈蚣草、龍葵、東南景天、遏藍菜等超富集植物是當前植物修復重金屬污染土壤的研究熱點，其中，蜈蚣草對砷的超富集作用被研究標志著植物修復技術在國內進入實際應用階段。遏藍菜是典型的重金屬超富集植物，具有極高的重金屬累積和耐受能力，可以在其地上部大量富集鋅、鎘等重金屬。近年來，竹類植物在修復土壤重金屬污染方面開始受到重視，據報道，雷竹、菲白竹、金鑲玉竹和白莢竹等對銅、鋅、鉛等重金屬富集能力較強。一些外來入侵植物，如紫莖澤蘭[58]，因其對重金屬富集能力強、適應能力強、生長速度快、生物量大，也可作為某些重金屬污染地區的修復植物。與草本植物相比，木本植物特別具有生物量大、根系發達的特點，相關研究表明栓皮櫟、梧桐[59]等喬木的適應性強，具有較強的重金屬積累能力。主要重金屬污染土壤改良植物見表3。

2.3 微生物改良

土壤微生物在土壤形成、能量轉移、養分循環和生態系統長期穩定過程中發揮著重要作用[89]，即使退化耕地中也存在著多種微生物類型，具有特殊適應性的“本土”微生物是改良鹽堿土壤和重金屬污染土壤的首選。

土壤微生物通過固氮或溶磷等機制為植物提供營養，對鹽堿地等營養缺乏生態系統十分重要，微生物的添加可以顯著增加土壤微生物多樣性，可以調節土壤中蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶等有益酶的活性[90]，降低丙二醛含量，達到改良土壤的目的[91]。微生物的代謝活動可以產生大量有機酸，降低鹽堿地的鹽堿程度。通過微生物的生命活動，還能增加植物營養供應或提供植物激素等調節因子[92]，或拮抗土壤中的植物病原菌等。植物根際促生菌（PGPR）是目前微生物改良措施中應用最為廣泛的微生物，有較多的研究結果證明PGPR能夠提高植株的耐鹽堿能力[93-95]，并與植株聯合作用改良土壤理化環境，具有成本低、效率高等顯著優勢。鹽堿土壤中變形菌門、擬桿菌門和芽單胞菌門是最豐富的微生物種群[89]，芽孢桿菌屬和假單胞菌屬是當前用于鹽堿土壤改良中應用較多的微生物，枯草芽孢桿菌與金合歡、小麥聯合作用能夠顯著改善鹽堿土壤環境，提高金合歡與小麥的產量[89]。解磷真菌、叢枝菌根真菌與海濱錦葵聯合作用對濱海鹽土理化性質有顯著改善（表4）。

近年來，植物與微生物聯合修復重金屬污染土壤的報道逐漸增多，主要通過篩選耐受性強的微生物菌株，在植物修復時接種該菌株，能很大程度強化植物修復效率[104]。朱崗輝等報道，放線菌PSQ、shf2和細菌Ts37、C13能夠顯著提高蜈蚣草累積砷的能力[105]。文一等發現，鏈霉菌（Streptomyces sp.）能夠促使砷形態轉化，增加砷生物可利用性，促進蜈蚣草對砷的吸收[106];巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）能促進青葙對鎘的吸收和轉化效率[107];熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）能夠增強東南景天對鋅、鎘的富集程度[108];叢枝菌根真菌能改變土壤pH值和酶活性，增強植物對As的耐性和吸收效率[109]（表5）。

2.4 其他技術

土壤改良和利用主要通過2個方面，一方面是改良土壤理化特性，另一方面是提高作物對土壤中非正常因素的耐受性。除土壤改良劑、耐逆適生作物和微生物改良外，還有一些化學改良措施、農業耕作措施、水利工程措施。

2.4.1 鹽堿地改良技術

目前，國內關于鹽堿地治理主要措施有引水種稻洗鹽、淤灌壓鹽、圍海造田、深翻窩鹽、綠肥治堿、植樹造林、養魚治鹽、壓沙抗堿等[111]。部分研究采取咸水淡化的方法，利用機器設備對地下抽出含鹽量較高的咸水進行淡化，然后用處理過的水灌溉土壤，并在地面保有一定深度水層，以溶解土壤中的鹽分，再將溶鹽后的水集中排出，從而減少土壤的含鹽量[112]。另外，可采取工程措施改良土壤鹽堿狀況，主要包括暗管排鹽技術和客土回填技術。在濱海鹽堿地構建排水網絡、隔離網絡和調整土壤成分，能夠有效地降低地下水位，改善土壤性狀[113]。

2.4.2 重金屬污染土壤改良修復技術

重金屬污染土壤修復可以采用客土法/換土法、隔離法、熱脫附、電修復、淋洗法、固定法等物理和化學技術。

客土法/換土法是指將受重金屬污染的土壤采用表面覆蓋、深耕翻土，或將受污染的土壤清除后用干凈新土回填[114]。另外，可以采用土壤隔離法對重金屬污染嚴重且難以治理的土壤進行改善，利用防滲材料對土壤重金屬污染區域進行分割、隔離，目的是阻斷污染物向異地擴散的途徑[115]。熱脫附修復技術主要針對重金屬汞，利用熱傳導或輻射方式對土壤進行修復，通過直接或間接加熱從土壤中分離污染物，包括高溫原位加熱修復技術、低溫原位加熱修復技術和原位電磁波加熱技術等。電修復技術是將電極插入受污染土壤，通過施加低直流電形成電場，使土壤中的重金屬離子在電場作用下向負極遷移，并對富集在負極的重金屬進行收集處理[116]。

化學淋洗修復是指用化學淋洗液與重金屬污染物發生作用，將污染物與清洗液一起從土壤中分離的技術，可以分為原位淋洗和異位淋洗2種方式[117]。化學固定技術主要是利用固化劑對重金屬的吸附、共沉淀或離子交換等作用來降低其可移動性和溶解性[118]。土壤中的重金屬被固定后，可減少重金屬的遷移和生物利用度，從而降低重金屬毒性。主要的固化劑有硅酸鹽、瀝青、石灰、水泥、鋼渣和堆肥等。

3 當前土壤改良技術存在主要問題及展望

當前土壤改良修復技術中，較多技術在理想化狀態下表現較好，但在田間實際應用時，由于溫度、pH值等外界干擾因素影響，會使諸多技術受到限制而無法實現土壤改良目的。

土壤調理劑在環境保護、研究推廣等方面還存在一些問題，如天然材料的改良效果較為有限，工業副產物和高分子聚合物類對生態環境可能存在潛在風險。另外，在農業推廣使用時，土壤調理劑的成本較高，難以大面積去推廣使用。當前土壤調理劑的分類也比較模糊，缺乏統一標準。

植物修復技術具有廣泛的應用和良好的發展前景，但該技術仍存在很多不足，如大部分植物修復還存在于試驗階段、植物單一耐受性、修復周期長、植物種類少、生物量低、植物聯合修復技術還不夠成熟等。重金屬污染植物修復技術存在著修復效率較低、修復周期長的問題。客土法和換土法雖然見效快，但工程量大、投資高，且受污染的土壤遷移過程中容易發生二次污染。超富集植物種類較少，本身又具有生長慢、生物量小等局限性，難以大規模推廣使用。

土壤是人類生存與發展的基礎，土壤問題直接制約著農業長期可持續發展。我國耕地土壤面積有限，充分利用現有土地資源是確保糧食安全的基本保障，亟需對現有退化的土壤進行改良修復。黃河三角洲地區、西北灌區等地的鹽堿地是我國重要的后備耕地資源，由于技術因素制約，土壤改良一直以來是一項極為艱巨的工作。新形勢下，鹽堿地綠色低碳改良技術、耐鹽糧食作物與特色抗逆作物適應性種植技術、多水源聯合利用技術、水鹽智能監測調控技術等減緩鹽漬障礙的土壤改良修復關鍵技術的研究顯得尤為重要。針對我國酸化紅壤的土壤酸瘦、耕層淺薄、作物產量較低等突出問題，應該大力推進生物改良與有機阻控技術、增氧降酸技術，篩選耐酸耐鋁作物新品種、研發多功能生物技術，構建適合酸性紅壤的生態保育綜合集成技術。針對中低產田塊，應該加大秸稈還田力度，推進生物炭等有機質施用，打破中低產田土壤生物障礙消減機制。重金屬污染土壤應該以多措并舉的方式，以生物改良為基礎，輔以物理措施和一定的化學措施，促使土壤盡快恢復，保障人民糧食安全。土壤改良技術是土地可持續利用的科技支撐力量，是當前較為緊迫的社會需求。在土壤改良方面應該注重優質、高效、低成本和環境友好型等方面，同時具有保水保肥、改善土壤理化性質等功能。

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