土壤改良剂的研究利用现状

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  土壤改良剂的研究利用现状_农学_农林牧渔_专业资料。土壤改良剂的研究利用现状 摘要:全世界拥有耕地 7.3 亿 hm2,但每年平均有近 500 万 hm2 的土地因退化 而不能生产粮食。到 2050 年,世界近 6 亿 hm2 的土地沙化,约有 200

  土壤改良剂的研究利用现状 摘要:全世界拥有耕地 7.3 亿 hm2,但每年平均有近 500 万 hm2 的土地因退化 而不能生产粮食。到 2050 年,世界近 6 亿 hm2 的土地沙化,约有 200 万 hm2 灌溉土地盐渍化。因此,如何保持土壤质量、改善酸碱土壤、解除土壤毒性、减 少土传病害传播, 成为人们关注的焦点。应用土壤改良剂可在一定程度上缓解农 业生产危机,它可以促进土壤团粒的形成、改良土壤结构、提高肥力、保护耕层 土壤、改善土壤保水保肥性、提高粮食产量[1-2]。在国内外大量相关研究的基础 上,本文对土壤改良剂研究现状、主要种类、功能作用、使用技术、存在问题及 应用前景等进行了综述,以期为相关产品的研发与利用提供参考。 一、 土壤改良剂的研究概况 土壤改良剂的研究始于 19 世纪末, 距今已有 100 多年的历史。 根据土壤改 良剂的来源、制法和性质,其研究历史可以划分为两个时期,即天然土壤改良剂 研究时期和人工合成土壤改良剂研究时期。 天然土壤改良剂的研究时期从 19 世纪末到 20 世纪 40 年代, 约 50 余年的 历史。 这个时期主要是利用天然有机质为原料, 从中提取天然聚合物, 如纤维素、 半纤维素、木质素、多糖类、腐殖酸类等物质作为土壤改良剂,或者利用微生物 合成产物等有机胶结物作为土壤改良剂。研究较多的是藻朊酸盐,它是从藻类中 抽取的多糖羧酸类化合物,藻朊酸钠用量 0.1%便有显著的改土效果。早在 20 世 纪初, 西方国家就开展了利用天然高分子如纤维素、 半纤维素、 木质素、 腐殖酸、 多糖、瓜儿豆提取液、淀粉共聚物改良土壤的研究。它们具有原料充足、制备简 单、施用方便、效果良好和经济可行等优点,但由于天然土壤改良剂易被土壤微 生物分解,施用周期短,且用量较大,施用后释放的大量阳离子对土壤有毒害作 用,因此并没有受到人们的重视,难以在生产上广泛应用。 从 20 世纪 50 年代开始,随着人工合成化工技术的发展,土壤改良剂的研 究工作就从天然土壤改良剂过渡到人工合成土壤改良剂研究时期。 克里利姆土壤 改良剂是初期人工合成的改良剂,主要成分是聚丙烯酸钠盐,具有高效、抗微生 物分解、无毒等优点。美国首先开发了商品名为 Krilium 的合成类高分子土壤改 良剂,之后人们对大量的人工合成材料包括水解聚丙烯腈( HPAN ) 、聚乙烯醇 (PVA) 、 聚丙烯酰胺 (PAM) 、 沥青乳剂 (ASP) 及多种共聚物有了更充分的认识, 并发现其中比较理想的是聚丙烯酰胺。 人工改良剂的优点在于不易被土壤微生物 分解,作用持久,且对土壤微生物和土壤动物无害,改良后的土壤更有益于作物 的生长。在现代人工制剂中,人们往往根据土壤特性及主要限制因子,应用植物 秸秆、氟石、磷石灰、膨胀土、蛭石、石膏等,并加入植物生长所需要的营养元 素,研制出具有特定功效的改良剂,如酸性土壤改良剂、碱性土壤改良剂和营养 型土壤改良剂,以达到改土和促进植物生长的双重作用。 随着土壤改良剂在农业和生态环境中的广泛应用, 国内外土壤改良剂的新产 品也越来越多。世界各国为了保护农田和扩大耕地面积,提高农作物产量,研制 和开发了种种土壤保湿剂、 松土剂、 固沙剂、 增肥剂、 消毒剂和降酸碱剂。 目前, 土壤改良剂主要应用于美国、前苏联、利比亚、科威特、比利时等石油产品丰富 的国家, 一些石油化工副产品类的土壤改良剂已大面积应用于固沙造林。比利时 在土壤改良剂的研究和应用方面处于领先地位,应用较多的为聚丙烯酰胺、聚乙 烯醇和沥青乳剂等, 应用范围除农作物外, 主要用于海港固沙、 菜地和观赏植物。 国内过去有些单位曾研究过聚丙烯腈、聚丙烯醇等,后来由于种种原因在很长一 段时间停止了这项研究。 最近几年,随着有机化学工业的发展和国外土壤改良剂 的研究和应用, 国内许多单位也开始了这项研究和小范围的生产应用。人工合成 土壤改良剂的成功,为从农业科学和从有机质的作用方面去研究土壤结构问题, 打开了一个新的局面[3-6]。 二、土壤改良剂的种类 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。 2.1 天然改良剂 按原料性质分成无机物料和有机物料。其中无机物料主要包括天然矿物(石 灰石、膨润石、石膏、蛭石、珍珠岩等)和无机固体废弃物(粉煤灰等) ;有机 物料主要包括有机固体废弃物(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) 、天然提取高分子化合物(多糖、纤维素、树脂 胶、单宁酸、腐殖酸、木质素等)和有机质物料(泥炭、炭等) 。 2.2 人工合成土壤改良剂 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。 2.3 天然-合成共聚物改良剂 主要包括腐殖酸-聚丙烯酸、 纤维素-丙烯酰胺、 淀粉-丙烯酰胺/丙烯丙烯腈、 沸石/凹凸棒石-丙烯酰胺、磺化木质素-醋酸乙烯等。 2.4 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是丛枝菌根(AM) 。 三、土壤改良剂的主要功能作用 3.1 改善土壤物理化学特性 土壤结构是土壤肥力的重要基础。一般认为直径 0.25 耀 10mm(尤其是 1 耀 4mm)的水稳性土壤结构对土壤肥力有重要意义。长期以来,国内外在土壤 改良剂能有效改善土壤物理特性方面进行了大量且较为深入的研究。 施用土壤改 良剂可以促使分散的土壤颗粒团聚,形成团粒,增加土壤中水稳性团粒的含量和 稳定性,显著提高团聚体的质量,降低土壤容重,增大土壤总孔隙度,改善通气 透水性,提高土壤利用价值[7-11]。 3.1.1 改善土壤结构 土壤结构与决定土壤肥力的化学因子(粘粒矿物质、有机无机复合体、酸碱 度、氧化还原电位等) 、生物学因子(土壤生物、活性酶等) 、物理学因子(机械 强度、通气性、温度、水分等)都密切相关,低产、不宜耕作、易板结及水土流 失严重的土壤,结构差、团粒数量少,不宜于作物生长。大量研究表明,施加了 土壤改良剂后土壤变得疏松,土壤的孔隙增多,容重下降。疏松的土壤有利于土 壤中的水、气、热等的交换及微生物的活动,有利于土壤中养分对植物的供应, 从而提高了土壤肥力。吴淑芳、吴普特等人发现,使用 3 种改良剂聚丙烯酸、 脲醛树脂和聚乙烯醇后,土壤容重均有下降[12]。张继娟、李绍才等在研究喷射 条件下 PAM 特性参数对土壤物理性质的影响中得出,不同分子量的处理,土壤 容重均有显著下降且存在明显差异[13]。 3.1.2 改善土壤蓄水能力,提高水分利用率 汪德水、 张美荣等研究结果说明, 沥青乳剂和 PAM 均能减少土面水分蒸发, 保蓄水分,提高水分利用效率[14]。巫东堂、王久志在土壤改良剂覆盖改土作用 的研究中指出,施用沥青乳剂后,不仅能增加土壤含水量,而且具有抑制水分蒸 发的效果。由于土壤结构的改善,土壤水分入渗率有了明显的增加。在山西省雁 北地区的砂壤、轻壤等土壤上喷施 BIT 后,水分利用率提高 32.3%,耗水系数降 低 24.6%,同时也提高了饱和导水率,特别是对壤质土的饱和导水率有更为明显 的提高[5]。 3.1.3 改善土壤保肥能力,提高养分利用率 土壤改良剂通过创建水稳性团粒和对肥料元素的吸附、活化作用,减少了肥 料进入土壤液相,抑制肥料元素的流失,使土壤肥力得以保持,供给作物吸收利 用,从而有利于提高肥料的利用率。高永恒研究结果表明:施土壤改良剂后,增 加了草坪床土壤的有机质和全氮含量[15]。郭和蓉、陈琼贤等研究结果表明:营 养型土壤改良剂能活化酸性土壤中的磷和钾,促进氮和钾的缓效化,有利于养分 的保蓄,防止土壤养分的淋失,提高了养分利用率[16-17]。 3.1.4 调节土壤温度 中国农业科学院土壤肥料研究所 1992 年在北京潮褐土冬小麦地试验,地表 配施 0.1%PAM, 观测小麦越冬期至次年小麦封垅前后地表温度变化, 发现 PAM 处 理对地表 5cm 土层温度影响最大,地表最高,最低温度和平均温度较对照均有 提高[18]。 由此所主持 1998~1999 年在山西万荣冬小麦地对新型 PAM (0.3g/m2) 进行试验,观测比较 PAM 处理对土壤温度变化的影响,与对照相比,PAM 对土 壤温度略有影响,但差异不大;苗期至返青期土壤温度增加 0.1~0.2 益。PAM 对 土壤温度的影响可能与 PAM 的使用浓度有关[19]。 3.1.5 降低土壤侵蚀 喷施土壤改良剂后,表土的稳固性加强,使土壤不易被水、风冲走和吹走, 从而起到保土、固土的作用。在风蚀地区,土表喷施土壤改良剂后,在土表结构 不被破坏之前,能有效地控制风蚀。冯浩、吴淑芳等对 3 种聚合物类改良剂(聚 丙烯酸、聚乙烯醇、脲醛树脂)进行坡地试验研究表明:可明显推迟产流时间, 减少径流系数, 土壤侵蚀量减少 58%以上。 对于聚丙烯酸、 脲醛树脂聚合物而言, 随浓度增大,产流时间越来越长,径流系数与侵蚀量呈明显递减趋势[11]。 3.1.6 调节土壤盐分 耕层土壤盐分动态变化受多种因素影响。土壤经改良剂处理,在地表形成一层 薄膜或碎块隔离层, 使土壤水分蒸发强度减弱以及浅层土壤结构得到改善,使盐 分上升的趋势减弱而向下淋洗的效果增强。 某些土壤改良剂还可对碱化土壤起到 中和作用。周恩湘、姜淳等在滨海盐化潮土上施用沸石的试验表明:施用沸石后 明显提高了土壤的盐基交换能力,使土壤中可溶性盐分减少,土壤的阳离子交换 量增大[20]。 3.2 改善土壤生物化学特性 土壤微生物数量直接影响土壤的生物化学活性及土壤养分的组成与转化, 是 土壤肥力的重要指标之一。 土壤酶是土壤中的生物催化剂,土壤中的一切生化过 程, 都是在土壤酶的参与下进行和完成的,土壤酶活性作为土壤质量的生物活性 指标已被广泛接受[21]。张晓海、邵丽等关于土壤改良剂对植烟土壤微生物影响 的研究表明:土壤改良剂可在短时间内迅速增加烟田土壤微生物的数量[22]。邢 世和、 熊得中等通过田间试验, 表明用土壤改良剂处理过的土壤, 土壤微生物 (细 菌、真菌、放线菌、磷细菌、钾细菌、纤维素分解菌)数量、土壤酶(过氧化氢 酶、 脲酶、 磷酸酶和纤维素酶) 的活性及烤烟产量均比对照有不同程度提高[23]。 3.3 促进植株生长,增加作物产量 土壤改良剂通过改良土壤结构,增加孔隙度,为作物生长创造一个良好的水 气条件, 从而可提高作物出苗率、 改善作物的生长状况、 增加作物产量。 王志玉、 刘作新利用土壤改良剂 MDM)检验其对水稻生长的影响,结果发现出苗率分别 比对照高 14.29%和 8.57%,平均株高和平均单株分蘖数比对照增加了 31.58%和 87.77%,单株鲜重和干重与对照相比存在显著性差异,分别高于对照 120.30%和 112.38% ,对水稻的单株产量进行多重比较,均有显著性差异,分别高于对照 117.43%和 72.15%[24]。唐泽军、雷廷武等在土壤改良剂(PAM)对玉米的影响 中发现, PAM 覆盖率 80%及 60%试验地的高秆 (高于 1.60m) 和中秆 (1.0 耀 1.6m) 分别比对照多 13%和 2%,鲜物质质量分别比对照提高了 31%和 24%[25]。 四、土壤改良剂使用技术研究 4.1 土壤改良剂用量 土壤改良剂用量的多少直接影响改土效果,一般以占干土重的百分率表示。 若施用量过少,团粒形成量少,改良土壤效果不明显,甚至无改土效果;施用量 太大,成本提高,造成浪费,有时还会发生混凝土化现象,起到反作用。根据土 壤和土壤改良剂的性质选择适当用量是非常重要的。 50 年代, Hedrick 和 Moury 等报道, 聚电解质聚合物改良剂能有效地改良土壤物理性质,最低用量是占被改 良土重的 0.001%,适宜用量是 100-2000mg/kg,Sherwood.L.V 和 EngibousJ.C. 也证明此种改良剂用量不能少于 10mg/kg[26]。奥田东等指出,以 5000mg/kg 用 量为极限,超过这个极限,反而不利于团粒的形成[27]。现今,因改良剂的种类 繁多,性质得到了改善,其具体用量各不相同。许多土壤改良剂不但具有改良土 壤结构的功能,更是具备了增加土壤肥力,活化土壤营养成分的作用[28],所以 其用量变化很大,很多改良剂的用量都超过了 1kg/m2[29]。 4.2 土壤改良剂的使用方法 对于高聚物土壤改良剂,如聚丙烯酰胺,以其固态施入土壤可以吸水膨胀, 但结构改良剂很难溶解进入土壤溶液, 未进入土壤溶液的膨胀态改良剂几乎无改 土效果,如果将它溶于水施用,土壤物理性质可得到明显改善 [5]。因此,目前 使用较多的为水溶性土壤改良剂,并多采用喷施、灌施的技术方法。但对于大片 沙漠和荒漠的绿化和改良,由于水分等条件限制,喷、灌施技术则难以适用。以 前普遍认为, 土壤改良剂要在表土墒情适宜时施用,当土壤湿度为田间最大持水 量的 70%耀 80%时效果最佳。 最近, 由于施用方法从固态施用到液态施用的改进, 施用时对土壤湿度的要求与以前不同。 增加土壤有机质能起到改良土壤物理性状、提高土壤养分含量的双重作用。但有 机肥来源有限,很难满足要求,而土壤改良剂可以人工合成,来源广,用其代替 有机质改土是可行的。二者同时使用,不仅可以改善土壤结构,还可弥补有机质 来源不足的问题。大量长期施用化肥容易造成土壤板结,理化性质恶化,污染土 壤。 结构差、 肥力低的土壤, 单独使用土壤改良剂或化肥效果都不佳, 同时使用, 产量能显著提高。 五、问题与展望 土壤改良剂具有改良土壤结构、减少水分蒸发等许多优点,然而在农业生产 中推广与应用时还存在着一系列亟待解决的问题,例如:效果好但成本较高,使 得其推广应用一直受到限制;缺乏必要的宣传和技术培训,很多农民不了解,更 不知道如何使用;产品研发材料单一,因工艺技术问题导致产品质量、效果、性 能不稳定, 市场上缺乏广适性和专一性的土壤改良剂产品;土壤改良剂应用的持 续时间过短有待提高, 且没有长期对土壤环境和农产品质与量变化进行研究,不 能确定土壤改良剂安全无污染。 如何研制出成本更低、效果更好、施用方法更简便、使用安全系数更高、更容易 被农民接受的土壤改良剂是今后研发的一个重点。另外,立足于生态环境保护, 从生态农业的角度出发,可以考虑综合利用煤矸石、农作物秸秆、油菜籽粕、产 沼废渣等废弃资源生产土壤改良剂,变废为宝,在充分利用废弃资源保护环境的 同时,改善土壤结构,平衡土壤蓄水保肥能力,提高作物的产量和品质。 总之, 土壤改良剂的生产技术及应用研究不断发展,使土壤改良剂在遏制土壤退 化、改良中低产田、增容扩蓄等方面的应用越来越广泛。同时,土壤改良剂已经 在农作物生产、保护林种植、草场生产、城市绿化、高速公路绿化、花卉生产等 方面得到广泛应用。 若能在土壤改良剂产品成本、性能和持效性等方面加以改进 和提升,土壤改良剂将具有更加广阔的应用前景。 参考文献 [1] 孙云秀.土壤结构改良剂的改土效果及其使用的研究 [ J] .干旱区研究, 1988, (3 ) :51-52. 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