土壤熟化技術及其應用研究進展

摘要 ""隨著工農業的發展，退化土壤日益增多，土壤質量形勢嚴峻，土壤改良已然成為亟待解決的科學問題和研究熱點。作為土壤改良的重要研究方向，土壤快速熟化技術通過快速提高土壤肥力提升了農作物的質量和產量。主要結合土壤退化的現狀，梳理與闡述了基于物理修復、化學修復、生物修復的3種土壤熟化技術及相關聯合修復技術的國內外研究現狀、發展和應用，分析了土壤熟化技術存在問題并提出展望，為土壤熟化技術領域發展提供參考和幫助。

關鍵詞" 土壤退化；快速熟化；改良劑；聯合修復

中圖分類號" S154" 文獻標識碼" A" 文章編號 "0517-6611（2024）05-0007-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.002

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress in Soil Ripening Technology and Its Application

LI Qi，XU Ya-dong，LI Yu-hang et al

（School of Ecology and Environment，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan" 610059）

Abstract" With the development of industry and agriculture，the number of degraded soil is increasing，and the situation of soil quality is severe.Soil improvement has become an urgent scientific problem and research hotspot to be solved.As an important research direction of soil improvement，rapid soil ripening technology has improved the quality and yield of crops by rapidly improving soil fertility.In this paper，based on the current situation of soil degradation，the research status，development and application of three soil ripening technologies and related joint remediation technologies at home and abroad based on physical remediation，chemical remediation，and bioremediation are summarized and expounded.The existing problems of soil ripening technology are analyzed and the prospect is proposed，providing reference and help for the development of soil ripening technology.

Key words" Soil degradation;Rapid maturation;Improvers;Joint repair

作者簡介" 李琪（1993—），女，四川成都人，研究員，碩士生導師，從事環境微生物學及生態修復技術研究。*通信作者，教授，博士生導師，從事植物學與生態修復技術研究。

收稿日期" 2023-05-21

土壤是人類生存發展的基礎，但如今全球土壤退化面積日益增多，土壤退化已成為全世界面臨的難題之一。全球氣候變化引起了土地退化，土地荒漠化是土壤退化的主要因素之一，其沙化面積逐年增加。黃土高原作為我國沙化典型地區，由20世紀50—70年代的1 560 km2上升到90年代的2 460 km2［1］。同時，人類的不合理利用和管理導致土壤退化面積急劇增加、土壤質量下降，使植被減少、生物多樣性降低，給生態系統本身和環境帶來巨大的壓力和威脅［2］，其中工程施工也不可避免地造成了土壤破壞［3］。因此，退化土壤改良及修復通過提高土壤質量促進生態系統的穩定和可持續發展。

土壤熟化是指自然退化土壤經人類活動、定向培育，逐步轉化為利于作物生長的肥澤土壤的過程。其標志是土壤物理結構優化，有機物質和營養含量增高，水分通透性和貯水能力保持在一個良好的平衡狀態，微生物的活性保持高效穩定，可提供土壤作物生長所需的水、肥、氣［4］。對退化的土壤進行熟化改良，可恢復土壤的生產能力，提高土壤的肥力，提高生態系統的穩定性，同時可保證耕地安全，保證糧食安全［5］。該研究針對退化土壤，通過綜述近年來土壤熟化相關技術，將土壤熟化技術歸納總結為三大類，分別為物理、化學和生物熟化技術。以期因地制宜采用適宜的熟化方法提高土壤熟化程度，為退化土壤的改良及應用提供參考。

1" 土壤熟化技術研究現狀

1.1" 物理修復法" 早期的物理修復法對設備和工藝要求過高，成本過高，并且沒有根本解決土壤污染等問題，甚至可能造成二次污染。隨著一些新型的技術、設備的出現，物理修復法改良土壤有了新的發展，如：電修復法、土壤氣相抽提法等［6］。電修復法是利用電極直接接觸污染的地下水或土壤，在直流電的作用下形成直流電場，從而使污染的土壤發生氧化還原反應、水解反應等，進而影響土壤的pH、土壤水分布、氧化還原等理化性質［7］；氣相抽提法是利用物理法除去土壤中揮發性有機物的原位修復技術，流過污染土壤孔隙的空氣在真空泵產生的負壓驅使下，解吸并夾帶揮發性有機物流向抽取井，并引至地面處理［8］。土壤修復中可通過物理修復對污染物進行去除并促進熟化過程，物理措施技術簡單、容易操作但投入成本大、工程量大且周期長［9］。

1.2" 化學修復法" 化學熟化主要是加入化學改良劑通過化學反應降低鹽堿土壤中的可溶性鹽堿度和pH來降低堿性［10］，化學改良技術因效果快、效果穩定被廣泛應用。

1.2.1" 土壤污染的化學修復。土壤污染治理對土壤的改良和熟化具有重要意義，在土壤中發生吸附、溶解、氧化還原、拮抗、絡合螯合或沉淀作用，從而降低環境中的污染物的濃度或生物有效性。常用的有固化法、穩定化、萃取法和淋洗法：固化法是將被重金屬污染土壤與固化劑按一定比例混合，形成低滲透性固體混合物，進而隔離污染土壤與外界聯系。穩定化將土壤中的污染物轉化為低毒性、易處理的穩定性物質。萃取法利用污染物在不同溶劑中的溶解度不同，將污染物進行分離。淋洗法通過清水清洗，使得土壤中某些含有化學助劑的物質能除去污染物。具體方法要根據土壤質量狀況進行恰當的選擇，如固化法適合處理數量少但是污染嚴重的土壤，萃取法僅適用于高濃度油污染的土壤，而化學氧化法雖然操作比較復雜，但是可以靈活地應用于不同類型污染物污染的土壤［11］。

1.2.2" 土壤熟化的化學改良劑。施用土壤改良劑屬于化學修復技術中常見的處理技術。土壤改良劑的類型多樣，依據材料來源一般可分為4種類型，即高分子類、礦物類、有機類和其他類型。聶朝陽［12］通過在鹽堿地上施用高分子類土壤改良劑腐殖酸基有機物料，發現腐殖酸基有機物料單施及配施對不同鹽堿程度土壤均具有改善作用。黃怡［13］以有機類土壤改良劑小麥秸稈生物炭在新疆灰漠土和陜西風沙土試驗中發現生物炭可促進微生物生長、提高土壤酶活性從而改良土壤品質；趙旭等［14］以礦物類土壤改良劑煤矸石和粉煤灰為材料，采用盆栽試驗發現一定比例的煤矸石和粉煤灰可有效降低土壤容重和pH。對于酸性土壤，土壤改良劑在對土壤 pH進行調節的同時，也能改善土壤其他性質，如土壤的酸度、養分、溫度及土壤微生物和酶活性［15］。部分不同原料類型的礦物類土壤改良劑及改良原理見表1。

1.3" 生物熟化" 生物熟化技術被認為是清潔土壤熟化技術，對土壤副作用小，有巨大的生態效益和潛在的經濟價值［23］。自20世紀80年代以來， 生物改良技術的研究和發展主要利用生物分解有毒有害物質以去除土壤中的污染物，同時改良土壤物理結構、提高化學養分和微生物多樣性，加速土壤熟化［4］。生物改良技術具有很大的生態效益和潛在的經濟價值，可在土壤改良領域加以借鑒和持續應用［23］。

生物熟化土壤技術主要利用人工接種土壤動物、微生物和種植植物，協調成土過程中水、肥、氣、熱等因素，從而促進土壤黏化和有機質聚集，形成較好的土壤團聚體的同時提高土壤有機質含量。生物熟化過程中應更多關注成土基質團聚體和有機質等養分、土壤水分入滲、酸堿緩沖性、土壤微生物、土壤結皮等多種指標的變化及其對不同成土材料組配的影響［24］。生物熟化技術往往對土壤無較大污染，同時可提高土壤肥力并排除鹽分［25］，不足之處是處理效果不穩定［26］。生物熟化主要包括三方面，一是種植耐鹽植物，二是接種土壤動物，三是施用生物菌肥。

1.3.1" 種植耐鹽植物。耐鹽堿植物自身的代謝活動既能增加土壤有機質、營養物質含量，還能減緩地表水汽蒸發，抑制積鹽返鹽，增大覆蓋面積；也可借助葉片蒸騰作用來降低地下水位，進而減慢土壤中鹽分的淋失或加強抑制土壤表層鹽分反鹽，并改善土壤結構和理化性質［27］。例如，天津濱海在對鹽堿地的生物改良中選擇當地具有抗鹽堿能力的苗木，并取得良好效益［28］；鄭普山等［29］在山西大同、朔州等地，通過連續多年栽培苜蓿，發現其對鹽堿地土壤脫鹽效果顯著。常見的耐鹽植物改良效果可總結為：①耐鹽生物作為生物框架，可以帶走土壤中的鹽分，改善鹽堿土壤；②減少土壤蒸發，減少耕層中的鹽分積累；③改善鹽堿土的理化性質，降低土壤容重，提高土壤肥力［30］。

1.3.2" 接種土壤動物。蚯蚓是土壤生態系統中最具代表性的大型動物之一，蚯蚓各種生理活動對改善土壤理化性質、促進物質循環和能量代謝有顯著作用［31］。能夠顯著地提高土壤結構的穩定性和土壤 C、N 的有效性［32］。從土壤有機碳含量不同程度增加可知，蚯蚓對自然與農田生態系統中土壤有機碳庫有潛在影響，促進了土壤大團聚體的形成，提高土壤結構穩定性，同時也有助于水土流失與土壤結構退化較嚴重的地區中土壤有機碳庫的恢復。進行地表植物殘體的覆蓋并接種蚯蚓是可供選擇的生態工程措施［33］。

1.3.3" 施用生物菌肥。生物菌肥又稱生物肥或微生物菌肥，是一種由微生物和微生物產物形成的一系列生物產品［34］，可以提高土壤中有益微生物數量和活性，促進土壤中的養料循環，增加土壤肥力，進而調高作物產量和品質［35］。這些微生物可作為固氮劑、磷酸鹽增溶劑、硫氧化劑或有機物分解劑。通過對比生物菌肥和傳統有機肥料的改良效果發現，在經過微生物改良劑處理的土壤中，相比傳統有機肥改良的土壤，土壤團聚體的數量和保水能力均得到顯著提升［36］。微生物可通過分解碳源物質和多糖類物質對土壤的化學性質進行調節，同時改善土壤物理的結構［37］。在土壤中接種具有解磷功能的微生物菌群，可分解土壤中存在的鈣化類物質，進而降低土壤中有效磷含量［38］。劉衛敏［39］以廢棄礦區土壤為研究對象，發現種植黑麥草并添加氧化亞鐵硫桿菌的處理方法，大大增加了廢棄礦區土壤中的重金屬去除率。常見生物菌肥按其特性分類見表2。

1.4" 土壤的聯合修復方法

1.4.1" 微生物-植物聯合修復。近年來，重金屬污染土壤的植物-微生物修復技術已成為國內外研究重點，該技術憑借土壤-微生物-植物的共存關系，依靠微生物與植物修復能力優勢，提高土壤修復的效率［44］ 。微生物-植物聯合修復機制有以下兩類：①“功能菌-植物”機制，重金屬污染的土壤中可能會存在活性不受影響的耐受性菌株［45-46］，該菌株的存在有利于植物修復的進行，形成植物-微生物聯合修復體系。Ma等［47］成功地從Ni污染土壤中分離得到耐受重金屬污染的細菌，并發現這些細菌在較高水平重金屬污染的土壤中能夠促進植物生長。②“菌-植物共生體系”，土壤中的真菌菌絲可以和高等植物營養根系形成菌根［48］，菌根可對根際微生態環境進行改善，提高植物抗病能力，增強植物在逆境條件下的生存能力［49］。黃藝等［50］發現，在苗木中施加金屬物質Zn、Cu，菌根苗的Cu和Zn的含量是非菌根植物的2.6和1.3倍。在實際應用中應根據污染物類別去確定修復機制，以充分利用每種機制的優勢。

1.4.2" 植物-動物聯合修復。植物-動物聯合修復沒有過于復雜的修復機制，多因各自活動區域重合而互相產生影響。 以蚯蚓為代表的土壤動物與植物聯合修復研究分為“蚓體-植物”和“蚓糞-植物”兩個方向［51］。“蚓體-植物”體系主要依靠蚯蚓的活動改善土壤結構并為植物提供養分，蚯蚓可通過掘穴、進食等過程而對植物根際土壤進行優化；“蚓糞-植物”體系依靠蚓糞提供給植物可溶性鹽和腐殖質，并對改善土壤結構和去除污染物有可利用性［51］。田偉莉等［52］通過大田試驗方法發現，動植物聯合修復的效果優于單個動物修復或植物修復的簡單疊加，具有較強的推廣應用前景。

1.4.3" 微生物-動物聯合修復。微生物與動物聯合修復機制主要是動物搬運攝食和消化排泄。蚯蚓在土壤中運動時表面攜帶大量細菌，有利于運動能力差的細菌擴散，有研究表明，利用蚯蚓構建的土壤菌群，可增強微生物與植物聯合修復［51］。動物消化排泄過程可以為微生物提供大量營養物質，被蚯蚓攝食的微生物，一部分成為其能量來源，另一部分成為蚯蚓腸道內菌群，可促進蚯蚓消化作用，形成寄生關系［51，53］。國內關于微生物-植物聯合修復研究較少，但該技術存在一定潛力，值得深入研究。

2" 土壤熟化技術存在問題

土壤熟化技術類型多樣，基本可以分為物理、化學和生物熟化的方法。物理措施往往投入成本大、工程量大且熟化周期長；化學熟化易引起二次污染，成本較高；生物熟化技術最大的問題是不夠穩定，熟化周期一般較長。目前對土壤熟化技術實際作用機理研究并不夠透徹，并且熟化后增產效果也往往不理想，熟化技術可能也會造成負面影響。比如在使用土壤改良劑進行土壤熟化的時候可能會抑制微生物活性，增加溫室氣體排放、地下水重金屬含量超標和水體富營養化等環境風險，可能會危害植物降低作物產量；我國土壤熟化試驗大都局限于盆栽或小范圍土地試驗，可能會忽略其他自然因素的影響。同時，改良劑的研究大多是集中在實驗室范圍內的模擬試驗，或者直接作用于大田，沒有形成較為系統的熟化過程分析。許多單一改良劑作用周期長，作用效果不佳，而復合改良劑又缺乏單一材料影響的理論支撐和實踐校驗。此外，土壤熟化的突出問題在于熟化后的土壤的結構和功能并不穩定，對土壤退化也缺少系統和長期的定位觀測和適宜性評價，對土壤熟化的程度認定也沒有系統的、規范的指標，且制定的修復目標缺乏科學性和合理性。

3" 展望

我國土壤退化的問題日益嚴重，土壤熟化技術的改革和創新迫在眉睫。目前，土壤熟化技術發展迅速，單一熟化技術往往效果不太理想。因此，實現多技術聯合熟化提升土壤熟化效果，探究各個技術相互影響的機理和因素是實現可持續土壤修復的重要途徑。

使用物理和化學相結合的熟化技術可以有效提高土壤熟化的速度，采用植物與微生物相結合的修復技術可原位修復污染土壤并提升土壤肥力。然而，相關土壤熟化技術如化學熟化在實際操作的過程中可能會造成二次污染等問題。生物技術相比于傳統的工程、化學、物理法有較高的環保性，所以當下我國加大對生物修復技術的應用研究勢在必行。通過長期的大田試驗，綜合考慮多種外界環境影響條件，找到最佳熟化條件以達到最好的改良效果對于實際土壤肥力提升具有更強的指導意義。此外，加強研究各種熟化技術的作用機理，解析土壤物質轉化規律與趨勢，并建立相應的熟化效果監測及評價指標體系，可為推進熟化技術發展打下良好基礎。

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