土壤改良剂的研究与应用进展

土壤改良剂的研究与应用进展

随着经济和社会的不断发展，土壤侵蚀问题日益突出，主要表现为土壤坚硬、硬化、侵蚀、碱化、氧化、元素失衡、化学污染、有机质流失和动植物区系退化，严重制约了土壤肥力的发展。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%,其中由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%。农业生产活动造成土壤退化是引起土地退化的重要原因。应用土壤改良剂是修复退化土壤的重要措施之一。土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状和土壤养分状况,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。因此,其研究与应用对防治土壤退化具有重要的理论和现实意义。土壤改良剂的研究始于19世纪末,研究较多的有沸石、粉煤灰、污泥、绿肥、聚丙烯酰胺等单一改良剂,但其存在改良效果不全面或有不同程度的负面影响等问题。近年来,为进一步提高土壤改良剂的改良效果,降低其负面影响,越来越多的研究者将不同改良剂配合施用,但是配合施用的方法仍是值得探讨的问题。此外新型多功能改良剂的研制和应用也是目前的研究热点。本文将综合国内外研究进展对土壤改良剂进行分类并总结分析其应用效果和存在的问题,以期为进一步研究和应用土壤改良剂提供参考。1土壤修复剂的分类按原料来源可将土壤改良剂分为天然改良剂、合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂和生物改良剂。其具体分类如图1所示。2土壤改良剂可用于土壤改良2.1天然改良剂2.1.1沸石膨润土可以提高土壤理化性状,多种天然矿物具有改良土壤的作用(见表1)。天然矿物对土壤改良的效果主要表现在以下几个方面。(1)改善土壤结构。有的天然矿物如膨润土具有一定的膨胀、分散性、粘着性等,施入土壤可增加团聚体数量,增大土壤孔隙度,降低土壤容重。(2)提高土壤的保水能力。沸石具有贮水能力,施入土壤后可提高耕层土壤的含水量1%~2%,在干旱条件下使耕层土壤田间持水量增加5%~15%。李吉进等用膨润土改良砂土,可使土壤含水量增加。(3)提高土壤保肥能力和增加土壤肥力。沸石具有很强的吸附能力和很高的阳离子交换量,可促进土壤中养分的释放。关连珠等研究发现沸石可吸附NH4+和P,所吸附的NH4+和P大部分是可解吸的。沸石也可活化土壤难溶性P;沸石还能改善土壤供钾状况。另外膨润土、蛭石等也具有保肥作用,能给土壤带来植物生长所需的常量和微量元素(Ca、Mg、K、Fe等)。(4)改良盐碱地,缓冲土壤pH值。土壤中的Na+、Cl-都可以进入沸石内部被沸石吸附,使土壤中的盐分减少,碱化度降低,并对土壤pH值起到缓冲作用。膨润土、石膏也能降低土壤的全盐量。易杰祥等研究表明膨润土改良砖红壤后使土壤酸度降低。另外石灰石、蛭石、石膏等也能调节土壤酸碱度。(5)吸附重金属。沸石、膨润土和蛭石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。沸石、膨润土可有效固定放射性物质Cs。但是天然矿物在实际应用中存在一些理论和技术问题,如施用量、施用方式和施用时间,天然矿物的储量对其大面积推广应用的限制等。此外天然矿物对养分的释放特性及影响因素也有待于进一步研究。2.1.2粉煤灰对作物活性的影响用于土壤改良的无机固体废弃物主要有粉煤灰,其改良效果主要表现在以下几个方面。(1)改善土壤物理性质。粉煤灰可降低土壤容重,增加孔隙度,调节三相比,提高地温。如果用于改良砂质土壤可增加土壤的持水能力,同时水力传导性增加,有利于防止结皮。(2)增加土壤肥力,提高作物产量。粉煤灰中有效B的含量高达5718mg·kg-1,可补充土壤中硼元素供应,提高油菜和棉花等需硼作物的产量和品质。粉煤灰可与酸性土壤中的酸性组分反应,释放S、B、Mo等营养元素,还可增加土壤中Mg2+、Ca2+等金属离子的有效性,抑制Al3+和Mn2+的毒害作用。在石灰性土壤中施加粉煤灰也能增加S的有效性,从而提高作物产量。碱性粉煤灰与猪粪混合可使无机磷的移动性增强。(3)改善土壤微生物和酶活性。粉煤灰配合有机物质(如污水污泥)可通过吸附作用降低有毒金属含量,同时通过降低C/N比,提供有机化合物,改善酶活性和N、P循环来增加微生物的多样性和提高微生物活性;含沥青的粉煤灰改良土壤可增加真菌包括菌根菌和革兰氏阴性细菌的数量;粉煤灰施入土壤还可作为固N菌和磷细菌的载体;碱性粉煤灰和石灰混合还有杀死病原菌的作用。(4)改良重金属污染土壤,粉煤灰或改性粉煤灰可使土壤pH值升高,降低重金属污染土壤中重金属Cd、Pb、Zn、Co、Cu、Ni等的迁移能力,抑制作物对重金属吸收。但是无机固体废弃物改良土壤也有一些负面效应。(1)粉煤灰中磷的有效性低,对加入的磷具有较强的吸附固定作用,该固定作用随粉煤灰含水量增加而显著增大。(2)粉煤灰中较高的B的有效性不利于其它作物的生长,从而限制了粉煤灰在农作物栽培上的应用,但可通过粉煤灰风化来降低B的有效性,另外土壤中合适的粉煤灰加入比例也可以避免硼和重金属的毒害。(3)风化粉煤灰的使用能增加作物对Se的积累。(4)一些短期的室内培养实验发现砂土中加未风化的粉煤灰会抑制微生物的呼吸、酶的活性和土壤N的循环。(5)粉煤灰含有5%~30%的有毒元素,特别是Cd、Cu、Pb可以滤出,可能造成土壤、水体与生物污染,特别是风化粉煤灰可溶性盐含量高更易造成地下水污染。另外粉煤灰中还发现了放射性元素U、Ra等的存在。2.1.3污染土壤的土壤改良作用应用于土壤改良中的有机固体废弃物主要有:造纸污泥、城市污水污泥、城市生活垃圾、作物秸秆、豆科绿肥和畜禽粪便等,其对土壤改良的作用主要表现在以下几个方面。(1)改善土壤物理性质。造纸污泥、城市污水污泥、城市生活垃圾、作物秸秆、豆科绿肥和畜禽粪便改良土壤都能促进团粒结构的形成,降低土壤容重,增强土壤持水能力。(2)提高土壤肥力。有机固体废弃物含有丰富的有机质,可增加土壤有机质的含量;Warman等的研究表明有机固体废弃物改良土壤可增加有效N、P的含量,Ce′sarGuerrero等研究发现用堆腐过的猪粪改良土壤净氮矿化率低,可避免过量无机氮的释放;另外还能增加各种中微量元素如Ca、Mg、Cu、Zn、Fe等的含量。小麦秸秆、油菜秸秆施入土壤还能明显增加土壤速效K和缓效K的含量。(3)改善土壤生化特性。豆科绿肥改良土壤能提供丰富的有机质,刺激土壤微生物的生长和活动,使微生物量和细菌数量增加,脱氢酶活性增加。SaraElfstrand等研究了不同绿肥形式对土壤微生物量、微生物群落组成和土壤酶活性的影响,结果发现土壤中直接加入红三叶草植株体能有效地提高和维持较高微生物量和酶活性(蛋白酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶)。张晓海等研究发现禾本科秸秆改良土壤可增加长期施化肥的烟地土壤中微生物数量。(4)降低重金属的生物活性。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。苏德纯等研究表明施用经粉煤灰钝化后的污水污泥能降低土壤重金属的有效性。绿肥改良土壤还能降低土壤中可提取性Al的浓度。有机固体废弃物作为土壤改良剂主要存在的问题:(1)污水污泥碳氮比过高;(2)污水污泥可使土壤中可提取的Zn、Cu、Mo等的含量增加,对植物产量有一定的抑制作用;(3)污水污泥和土壤混合能促进硝酸盐的淋溶,存在地下水污染的风险,尤其在秋季或冬季过多施用污泥会引起地下水和地表水的N、P污染,如果长期施用豆科绿肥,土壤中积累过量的P和N,也可通过下渗和径流造成水体污染;(4)污水污泥和城市垃圾中含有一些有害成分,如各种病原茵、寄生虫卵,以及Cu、Zn、Ni、Mo、Cd、Pb等重金属和多氯联苯、二口恶英等难降解的有毒有机物质,可溶性盐含量也较高,对植物和微生物有毒害作用,因此污泥在进行土地利用前需经过无害化的预处理。(5)秸秆应与N肥配合施用,否则易引起作物缺氮;2.1.4甲壳素改良土壤对黑麦草生长的影响天然提取高分子化合物是利用一定的化学方法从天然产物中提取出来的高分子化合物.甲壳素类化合物是一种天然的多糖高分子化合物,被广泛应用于土壤改良。甲壳素类物质在土壤改良中的应用主要有以下几个方面。(1)改善土壤物理性质。甲壳素能有效改善土壤的团粒结构;将其喷洒在土壤表面,则能形成一层薄膜,具有保墒作用。(2)改善土壤中氮的有效性,Sarathchandra等研究表明,甲壳素改良土壤使土壤中矿化氮含量增加,从而使黑麦草的茎重增加。(3)改善土壤菌落。甲壳素能促进土壤中放线菌及其它一些有益微生物如固氮菌、纤维分解菌、乳酸菌、放线菌的生长。Sarathchandra等研究发现,甲壳素改良土壤使土壤细菌数增加13倍,真菌数增加2.5培,同时还能抑制土壤中有害细菌如霉菌、丝状菌的繁殖与生长,防治土传病,如能有效控制棉花黄萎病的发生。Hallmann等研究发现甲壳素可诱导土壤、根际和根内微生物产生有利的变化,对棉花、白苜蓿和黑麦草的寄生线虫有抑制作用。(4)提高植物活性,促进作物生长,提高产量。Sarathchandra等研究表明,甲壳素改良土壤使黑麦草茎重增加,根茎比减小,这可能与来自甲壳素的矿化的氮有关。甲壳素类物质在土壤改良中存在的问题:Mian等检测出当甲壳素含量达0.8%时有植物毒性。Sarathchandra等研究发现甲壳素改良土壤使白三叶草结瘤和茎重降低。2.1.5泥炭土pa有机质物料作为土壤改良剂应用较多的是泥炭,而关于炭改良土壤的研究报道较少。泥炭改良土壤的效果主要表现在以下几方面。(1)改善土壤物理性状,提高土壤保水能力。陈伏生等研究表明泥炭改良风沙土能提高土壤保水能力(2)提高土壤肥力。泥炭能增加土壤中有机质、全氮、速效氮和速效磷等的含量,能带来植物生长所需的常量和微量元素(Ca、Mg、K、Fe等)。(3)降低土壤碱性。可尹怀宁等用泥炭对辽河北部平原苏打盐渍化土壤进行改良,结果表明土壤pH及碱化度下降,耕作层呈现为明显脱盐。(4)对土壤菌根菌的影响。Joner等发现泥炭对菌根菌有促进作用,Vestberg等却发现泥炭对菌根菌有抑制作用,泥炭对菌根的影响与泥炭种类、土壤类型、种植作物种类等因素有关。(5)吸附重金属。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[64、65]。(6)吸附有机污染物。丁锁等研究表明在盆栽条件下泥炭能显著增强土壤对荧蒽、苯并[k]荧蒽的吸附和固定,同时降低黑麦草对二种多环芳烃的吸收。泥炭在土壤改良应用中应注意的问题:泥炭施用量过高可能会影响土壤通透性,泥炭中的腐殖酸在分解过程形成有机酸和其它毒素可能会仰制植物根系的生长。2.2pam的施用合成改良剂是模拟天然改良剂人工合成的高分子有机聚合物。国内外研究和应用的人工合成土壤改良剂有聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)、聚乙烯醇树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇、脲醛树脂等,其中PAM是研究者最为关注的人工合成土壤改良剂。PAM对土壤的改良作用主要表现在以下几个方面:(1)改善土壤物理性状、增强土壤的保水保土能力。PAM可有效改善土壤结构,使土壤大团聚体数目增加,增大土壤表面粗糙度,降低土壤容重,增大土壤总孔隙度和毛管孔隙度,进而使土壤颗粒和孔隙结构保持稳定,使土壤入渗率明显提高,提高土壤的含水量。用阴离子型PAM改良退化的板结土壤,较低的施用量(0.001%)即能起到改善土壤物理性质的作用。用阳离子型PAM处理土壤也可增加水稳性团聚体,提高土壤的可湿性和持液能力及土壤的渗透率。坡地沙壤土施用一定量的PAM可以提高土壤的入渗率,减少径流量,促进土壤沉降,减少土壤侵蚀量和肥力流失量,但是砂土中施用PAM同时也显著地减小了土壤的稳定水力传导度,为了维持良好的土壤水力传导性能,应尽可能地减小PAM的施用量。轻壤质潮土中加入0.15%的PAM可显著改善土壤对有效水的保持和供应,将PAM施入土壤中还能提高土壤的抗蚀力和抗冲力,防治田间水土流失。Francisco等在喷灌时将PAM溶于灌溉水后施用,使坡地土壤渗透率提高,减少了径流量和土壤侵蚀量。Sojka等通过大田试验发现,土壤结构性状越差,PAM对土壤结构的改善效果越不明显。W.J.Busscher等研究发现PAM和麦茬、美洲山核桃枝混合施用对土壤物理性状没有表现出明显的改善作用,PAM和有机质的有效混合还需要进一步的研究。(2)对肥料的吸附与释放作用。土壤中施用PAM可使土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量增加。PAM与土壤混合能增加土壤对NH4+、NO3-、K+、PO43-的吸附量,减少其淋溶损失,PAM施用量越大,作用越大。但也有学者研究发现土壤经PAM处理后抑制了土壤对磷的物理吸附,使有效磷在土壤中向下的迁移性加强。吸水交联PAM能显著提高作物对FeSO4、水溶性锰肥的吸收。(3)对土壤微生物和酶活性的影响。Jeanine等研究发现大分子量的阴离子型线性PAM施入土壤后使土壤中的细菌数量增加,但这种影响具有生境特异性。Steinberger等研究表明经PAM处理的土壤中微生物的生物量增加,并促进了好气性细菌的生长,但其原因还未弄清。大分子量的阴离子型线性PAM能作为土壤微生物的N源,使水解小分子量酰胺的酶活性有所提高或者不发生变化。Sojka等将PAM施于垄沟的表层土壤中,在沟灌的方式下可以使径流水中的致病细菌、真菌、藻类的生物量下降,说明PAM可以防止植物病原体通过灌溉水传播。James等将阴离子型PAM+Al2(SO4)3和PAM+CaO分别施于砂土、砂壤土、壤土和粘土四种土壤中,粪水流速为60.01min-1时PAM混合物可使粪水中总大肠菌和粪便大肠菌数降低30%~50%。如果在家畜养殖集中的地区正确使用PAM能减少慢流速粪水中肠细菌的数量和进入地表水、地下水的污染物数量。PAM在土壤改良研究与应用中的不足之处。(1)土壤溶液和可溶性盐会影响PAM的吸水性能;(2)应用于土壤改良成本较高;PAM降解中间产物是丙烯酰胺,该物质有毒,从长远来看PAM作为土壤结构改良剂的应用是否会产生土壤污染,是值得关注和深入研究的问题;(3)PAM作为土壤改良剂主要是与土壤中的粘土矿物相互作用,但作用机理尚不太清楚。(4)目前对PAM的生物转化、PAM对土壤微生物生态系统及其生物转化产物对整个生态系统的影响还不太了解,关于PAM的生物降解方面的研究尚不足。2.3amf在土壤改良中的应用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。其中研究应用较多的有丛枝菌根(AM)。AM在土壤改良的应用主要表现在以下几方面。(1)改善土壤物理性质。AM含有丰富的菌丝体,能增加土壤有机质含量,丛枝菌根真菌(AMF)根外菌丝能产生一种细胞外糖蛋白,与菌丝网一起有利于上壤团粒结构的形成,提高土壤稳定性,增强土壤通透性。(2)AMF能活化土壤中矿质养分,促进植物根系对营养元素尤其是移动性较差的P、Cu、Zn等矿质元素的吸收。(3)增强宿主植物的抗病性、抗逆性(抗旱、耐盐、抗酸等)。AMF能诱导植物对土传病原物产生抗病性,减轻一些土传病原真菌和胞囊线虫、根结线虫等对植物造成的危害,其机理是AMF提高了植物的营养水平,使植株健壮,从而增强植物对病原菌的抗性。但是Larkin的研究表明生物改良剂与有效的作物轮作的结合在抑制病原菌方面具有更大的潜力。同时,AM的根外菌丝的延伸和扩展,增大了植物根系的吸收范围和吸收能力,降低永久凋萎点,提高植物抗旱性和水分利用效率。此外AMF能够通过增加植物对P、Cu、Mg的吸收而减少植物对Na和Cl吸收,从而提高植物耐盐能力。(4)AM还可用于重金属、有机污染土壤的修复。AM在土壤改良研究与应用中的不足之处:AMF种类繁多,高效菌种的筛选问题需要解决;AMF的纯培养技术尚待突破。3天然-合成现良剂的研究目前土壤改良剂已广泛应用于退化土壤的改良,其改良作用主要体现在以下几个方面:(1)改善土壤物理性状、增强