Current Application Status of Soil Improvers

WANGLina, WANGDi, RENCuimei, GUXin, ZHANGHongyu, LINa, QIGuochao, FENGPeng

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (30) : 84-88. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0268

Current Application Status of Soil Improvers

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Abstract

An important goal of soil management in the Songnen Plain is improvement of soda saline-alkali soil. Summing up the previous research results on soil improvement, this article summarized the application types, action mechanisms, improvement effects, existing problems of improvers in soil improvement, and looked forward to the application prospects of improvers, in order to provide reference for future in-depth research. The results showed that improvers could be divided into inorganic improvers, organic improvers, and microbial agents. The use of combined improvers was better than that of single improver. The application of improvers improved soil physical and chemical properties, structure, nutrient content, and micro ecological environment, and promote plant growth. The research and development of new organic improvers were the focus of future research.

Key words

improvers / soda saline-alkali soil / action mechanisms / improvement effect / application prospect / Songnen Plain

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WANG Lina , WANG Di , REN Cuimei , GU Xin , ZHANG Hongyu , LI Na , QI Guochao , FENG Peng. Current Application Status of Soil Improvers. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2024, 40(30): 84-88 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0268

0 引言

盐碱地作为中国重要的后备耕地资源，具有极大的开发和利用价值，如何实现盐碱地的耕地化应用是一个世界性难题。据联合国教科文组织(UNESCO)和粮农组织(FAO)不完全统计，全球盐渍土面积约为8.3×108 hm2，且呈逐年递增的趋势[1-2]。中国盐碱土分布广泛，总面积约9.9×107 hm2，潜在盐碱化土壤约1.7×107 hm2，主要分布于干旱半干旱的东北、西北、华北内陆、湿润半湿润的华东滨海及沿海平原地区[3]。因地理环境及气候不同土壤的盐分及含量差异较大，如：东北平原低洼盐碱地主要以Na2CO3和NaHCO3为主成分，该类型土壤约占地区盐碱土总面积的70%[4-5]，西北、华北内陆地区主要以Na2SO4和NaCl为主成分，华东滨海及沿海地区主要以NaCl为主成分[6-7]。东北松嫩平原的苏打盐碱土受地质背景、自然因素、人为因素的影响，如新构造运动，半干旱气候环境，土壤冻结和融化形成的水盐运移规律，化肥农药的不合理应用，过度放牧等等，逐步造成了土壤盐渍化。多年来，土壤研究者们纷纷聚集起来共同探索苏打盐碱地的修复及改良方法，致力于寻求低成本、见效快、操作方便、可持续的改良方式[8]。笔者通过实践试验、查阅文献、收集新闻报道等方式综合评价发现，针对盐碱土的改良最行之有效的方法是使用改良剂，按成分可归类为化学改良剂和生物有机改良剂两大类，大部分改良剂的应用在当今已见成效，并规模化地使用，本文就多年来的相关研究文献进行了梳理，总结出土壤修复所应用的改良剂类型、用法用量、改良效果、存在问题等供今后参考。

1 改良剂的作用机理

1.1 化学改良剂

盐碱土的基本特征是土壤容重高、孔隙度低、水分渗透性差、介于pH 8.5~10.5、碱化度高于15%，盐分组成以Na2CO3、NaHCO3为主，阴离子(CO32-+HCO3-)与(SO42-+Cl-)含量比>1，阳离子Na+的含量较高[9-10]。根据2014年不完全统计，黑龙江省苏打盐碱地总面积已超过2×106 hm2，重度盐碱地面积为1.07×106 hm2，已垦耕地面积约为4×105 hm2[11]，并且盐渍化土地面积以每年2 hm2的速度递增[12]。黑龙江省在耕地化利用上正面临严重的土壤盐渍化威胁，亟待探究有效的改良方法，荒田变良田，实现土壤最大化利用，保障粮食的增产稳产。
目前，应用的土壤化学改良剂按主要作用成分可分为无机成分和有机成分两种。研究表明无机改良剂（如石膏、硫酸铝、磷石膏、氯化钙等）是通过钙离子交换降低土壤Na+的饱和度及土壤pH，再通过排水洗盐方法使盐分随水下移，达到耕层土壤脱盐的效果，降低土壤全盐量，减轻盐碱环境对作物的危害，调节土壤环境而达到改良效果[13-14]；有机酰胺类改良剂通过其亲水性可胶结土壤颗粒，增加土壤的可吸附性、减少水分蒸发、抑制土壤表层盐分的聚集、提高土壤的通透性而改善土壤结构[15-16]。目前，在土壤化学调控技术中运用最为广泛的化学材料聚丙烯酰胺(PAM)，研究显示其对土壤有吸附、调控、改良作用[16]。

1.2 有机生物改良剂

微生物—土壤—作物的互作效应充分体现微生物在促进作物生长及改善土壤结构上的重要性。生物有机肥中有机成分的添加可增加土壤中有机碳含量，促进土壤大团聚体形成，增加土壤孔隙度，提升土壤稳定性，提高土壤酶活性，增大土壤微生物种类及数量，改善土壤微生态布局及环境[17]。微生物菌剂与常规化学肥料、有机肥料相比，提升土壤质量及作物产量主要通过4种方式：一是通过微生物的生命活动产生的代谢物N、P、K来增加土壤中的营养成分的含量，二是将土壤中不能直接利用的物质转换为可被吸收利用的物质，三是自身分泌生长激素、维生素提高作物的生长，四是自身分泌抗生素抑制植物病原菌的活动，从而提高土壤肥力，改善土壤的生态环境，部分会降低盐碱地土壤含盐量与pH，促进作物生长，提高单位产量[18-19]。研究显示，施用复合菌剂的土壤pH降低了0.92个单位，电导率降低27.0%，HCO3-含量降低54.1%，速效N、P、K明显增加，水稻的株高、根长、鲜重、干重分别高于对照391.5%、215.5%、1203.8%、1235.7%[20]。随着化肥减量配施有机物料，土壤提质增效技术模式及方法的研发与运用，施用微生物菌剂是科学调控土壤养分组成、改善植物生长、减肥增效的最有效途径[21-22]。

2 改良剂的主要类型及应用

2.1 含钙制剂及酸性物质

含钙制剂一般指石膏、亚硫酸钙、磷石膏、氯化钙等，这类改良剂主要是为土壤直接提供外源性Ca2+，提高交换出吸附于土壤胶体中的Na+量，从而消除土壤的碱性来源，从离子角度改善土壤性状。酸性物质一般指硫酸、硫酸亚铁、硫酸铝等，这类改良剂的主要是通过水解作用释放H+降低土壤pH，溶解土壤中的沉积钙来活化Ca2+从土壤胶体中置换Na+并随水分排出，改变土壤可溶性盐的组分，从而达到改良土壤的效果[23-24]。吉林农业大学研究发现，在重度苏打盐碱土中添加一定范围的硫酸铝，土壤中大部分微团聚体含量增加，大粒径团聚体数量明显增多，孔隙度增大，容重质量减小，作物生长状况得到改善，出苗率得到提高[25]。研究表明，酸性物质能够促进土壤大团聚体形成，孔隙度增加，改善土壤结构，提升土壤稳定性[26]。同时，含钙制剂和酸性物质联合应用可达到协同促进效应，宁夏大学研究显示1.5%燃煤烟气脱硫废弃物（主要成分亚硫酸钙）和0.5%糠醛渣（酸性）联合施用后土壤pH，可溶性盐和碱化度(ESP)可分别下降到7.5，9.43‰，9.52%，改良盐碱土效果好于单一应用[27]。

2.2 有机类

有机类改良剂，常见应用如腐殖质类（草炭、风化煤、绿肥、有机肥料、生物炭）、工业合成改良剂（如土壤改碱剂CLS、施地佳、禾康、聚马来酸酐和聚丙烯酸等）、工业脚料糠醛渣、醋渣、菌渣、工农业废弃物等。草炭是一种自然条件下形成的天然养分载体，含多种作物所需养分，并对外来添加养分具有较强保持能力[28-29]。风化煤是出露于地面或埋藏于浅部的热值很低的“废煤”，工业利用率低，而且在中国分布广、储量大[30]。风化煤中含有大量腐殖酸和多种含氧活性功能团，富含有机质、腐殖质，具有较强的吸附和离子交换能力[31-32]。绿肥主要有草木栖、沙打旺、紫花苜蓿、兰花草、民豌豆、田菁及油菜等，大部分通过繁茂的茎叶减弱土表水分蒸发，发达的根系锁住土壤水分，抑制土壤返盐返碱；根、茎、叶翻压入土通过微生物的腐熟作用，增加土壤的有机质，产生的有机酸可中和碱化的土壤，降低土壤pH[33]。有机肥料的应用可以增加土壤微生物丰富度，提供大量的有机质、N、P、K和微量元素[34]，以及土壤酶活性[35]，为植物生长提供充足营养[35-36]。生物炭(biochar)是生物质在缺氧或限氧条件下热裂解得到的富碳产物，生物质主要为玉米、水稻、小麦等秸秆，主要包括碳和灰分两部分，碳占比最高约70%~80%，碳的结构包括相对稳定的芳族碳和不稳定的脂族碳；灰分是指生物炭含有的矿物成分，如K、Ca、Na和Mg等[37]。生物炭的含有的脂族和芳族碳成分可形成丰富的空隙结构以及巨大的比表面积及吸附力，对改善土壤的容重，促进大团聚体形成，提高土壤的含水量和通透性，改良土壤的理化性质；灰分可提高土壤养分含量和有效性，增强土壤肥力，调节微生物群落结构和多样性，促进植物生长，近年来土壤学与环境学领域对生物炭的多功能性开展了广泛研究[38⇓⇓-41]。
工业合成改良剂，聚丙烯酰胺(PAM)是一种高分子聚合物，由丙烯酰胺(AM)均聚或与其他单体共聚而成，PAM的分子量差异较大，在土壤改良中一般选取中低分子量的PAM。研究表明，施加5 g/m2的PAM可达到土壤保水抑盐，促进植株生长的效果[42]。土壤改碱剂CLS，是吉林农业大学土壤改良培肥研究所创制，研究表明施加改良剂CLS于重度盐碱土后土壤容重、孔隙度呈现增加，pH、总碱度、交换性Na+等指标明显下降[43]。施地佳、禾康、盐碱丰一般用来水稻泡田，有研究报道显示水稻田施用3种改良剂后可明显降低土壤盐分含量。
工业脚料生物质渣类，糠醛渣是玉米芯、玉米秆、稻壳等加工后下脚料中的聚戊糖水解产生具有强酸性的有机物质，中国农业科学院研究表明施用5 %糠醛渣后可降低土壤pH、含盐量，显著提升土壤微生物多样性，增强苕子的抗氧化酶类、叶绿素、可溶性糖含量[44]。醋渣是制造醋剩余的残渣，需经过发酵过程获得的醋渣堆肥才可用于各类土壤的改良，醋渣覆盖可明显降低土壤的pH，促进樱桃幼苗地上部生长，增加地上生物量[45]。菌渣是培养食用菌后的基质废弃物，有研究显示施入大球盖菇菌渣能有效降低滨海地区林地土壤含盐量，优化土壤理化性质，改善土壤真菌群落结构，改良土壤效果显著[46]。

2.3 微生物菌剂

微生物菌剂是从大自然分离出一个或多个菌株，利用菌群构建法依托载体，经人为改造后具有降解功能的细菌共同体，是环境修复的重要生物方法之一，其属于有机类改良剂，但功能远大于有机类。目前，农用微生物产品主要包括生物有机肥和农用微生物菌剂，两者区别是生物有机肥中植物所需营养成分大于功能微生物含量，相比微生物菌剂有效活菌数更高，对于土壤微生态调节功能显著，可直接或间接改良土壤质量，保持土壤微生物区系平衡，降解有毒、有害物质[47-48]。
农业微生物菌剂主要包括生物修复菌、菌根菌、促生菌、肥料腐熟剂、光合细菌剂、固氮菌、根瘤菌及硅酸盐微生物试剂等。其中，链霉菌属、芽孢杆菌属、哈茨木霉菌属、白僵菌、苏云金芽孢杆菌、假单胞菌属等多用于植株病虫害生物防治[49]。木质素降解菌、半纤维素降解菌等主要用于秸秆的腐熟制备堆肥；红黄链霉菌多用于土壤养分及结构的改善，有研究显示其可加快有机物分解，有效氮转化率达5%~13%，磷转化率为7%~15%，钾转化率8%~16%，菌剂可分泌胶性物质，黏合土壤颗粒，增强其透气性和保水性[50]。中国农业科学院研究表明复合肥料添加芽孢杆菌、芽单胞菌和草炭组成的复合菌剂可显著降低土壤盐分和pH值，提高根际土壤的碱解氮、速效钾和有效磷含量，提高优势菌群的丰度[51]。山东农业大学研究里氏木霉、费格森埃希菌、普通变形杆菌、灰绿曲霉、蕈状芽胞杆菌、谷氨酸棒杆菌、粘质沙雷氏菌构建的复合功能菌剂与自制复合菌剂组合生产的有机肥，在一个种植季内能快速有效改善土壤理化性质，增强土壤肥力，调节土壤微生物群落结构，改善土壤环境，促进糯玉米生长，提高产量和籽粒品质[52]。
综上所述，复合肥料添加微生物菌剂不仅可以改变土壤结构，降低盐碱地pH，提高土壤养分含量，还能改变土壤微生物区系分布、提高土壤环境条件，增强作物的抗逆性，减轻作物病虫害的发生，这些应用效果充分显示微生物菌剂辅助盐碱地改良应用潜力巨大。

3 改良剂应用存在的问题

3.1 改良剂应用的局限性

从20世纪60—70年代中国学者就开始对改良剂进行研究，21世纪重点侧重改良剂搭配使用，注重提高土壤肥力、土壤微生物活性和土壤酶活性等[53-54]。然而因地区经济产业类别不同，如山西制醋的醋渣生产量很大，而地方应用量较少，形成大部分堆积、废弃，运输到东北成本较高。另一方面如微生物菌剂的应用大多数还停留在农业科学研究上，面向的是学校、科研院所、企业等小范围，真正被农民了解应用于农业生产上较少。

3.2 农民认可度和认知度不足

已进入市场的一些改良剂因急于见效益，缺乏可信度，缺少布点示范或无偿使用等推广经验，以及针对农民使用开展有效的培训，作用机理简化呈现，从而出现农民对改良剂认知不足及认可度不高的现象。

3.3 鱼龙混杂，缺乏精品

近年来，因国家政策导向的变化，盐碱地的改良及应用成为农业产业发展重要方向，改良剂市场需求急剧增加，产品不断更新，商家为利益最大化，大搞噱头，改良剂产品层出不穷，改良作用大小、改良机理不清晰，滥竽充数者较多。

4 总结与展望

新型改良剂研发是当前盐碱土改良的热点，相关部门要加强监管，禁止无效产品流入市场。农业微生物菌剂、有机肥、工业脚料、农业废弃物等再利用，结合化学无机酸性改良剂，可达到改善土壤结构、提质增效、保持土壤生态平衡的可持续循环利用的要求，应继续开展创新研究。
盐碱土的改良任重而道远，尤其北方旱田的改良，受季节和气候的影响，改良剂的使用也受限制，希望国家能够提供相关支持政策，扶持科研人员创制更多更高效的改良剂以及研发一系列配套改良技术，实现东北松嫩平原苏打盐碱土的耕地化利用，助力东北大粮仓建设，夯实国家粮食安全“压舱石”。

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【目的】研究玉米秸秆还田对不同耕作处理下旱地土壤团聚体及其有机碳的影响,旨在探究长期传统耕作土壤添加秸秆后团聚体及其有机碳的变化规律,并确定添加秸秆提高土壤有机碳的主要原因,为旱地农田固碳技术提供理论依据。【方法】采集大田长期试验地的传统耕作和免耕小区土样进行室内培养试验,设置4个处理,分别为传统耕作土壤不加秸秆（CT）、免耕土壤不加秸秆（NT）、传统耕作土壤加秸秆（CTS）和免耕土壤加秸秆（NTS）,15次重复;秸秆为传统耕作玉米植株地上部分,用量为5%烘干土质量,在25℃恒温培养箱中通气培养180 d,定期取样进行团聚体组成和有机碳含量的测定。【结果】（1）不加秸秆处理团聚体以250—53 μm为主,占全部团聚体的52%—66%;添加秸秆处理以2 000—250 μm团聚体为主,占全部团聚体的41%—50%,CTS较CT提高230%—302%,NTS较NT提高92%—134%。（2）添加秸秆处理平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及>0.25 mm团聚体百分比（R<sub>0.25</sub>）显著提高,培养到180 d时,CTS较CT分别提高133%、130%和235%,NTS较NT分别提高53%、75%和87%。（3）培养至180 d时,CTS较CT分别提高250—53 μm和250 μm）形成并增强其稳定性,提高大团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率,且对传统耕作处理土壤的促进效果更明显。
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本文引用 [1] 摘要
为了探究生物有机肥和复合微生物菌剂联用对土壤理化性质、草莓营养生长和果实品质的影响,以草莓‘红颊’为试验材料,设置普通有机肥底肥(T0);普通有机肥底肥+菌剂追肥(T1);生物有机肥底肥(T2);生物有机肥底肥+菌剂追肥(T3);灭活生物有机肥底肥+灭活菌剂追肥(T4)跟踪调查不同处理下的土壤理化性质、草莓营养生长、果实产量及品质。结果显示：生物有机肥底肥和菌剂追施可以明显改善土壤酸化,提高土壤有机质及速效养分,并降低土壤电导率。该措施对草莓的营养生长和果实品质同样也有显著积极作用。通过对比现蕾期到成熟期的变化率,T3处理的草莓株高、株幅以及叶绿素较T0处理分别依次增加了2.53%、3.62%和18.99%。此外比对T3与T0的植株质量表明,T3的地上部分生物质和干物质量分别提高了20.05%、5.09%,而地下部分生物质和干物质量提高了2.69%、5.05%。此外,T3处理增加各代果实单果重和挂果数,草莓产量达(30.10&plusmn;3.87)t/hm<sup>2</sup>。其对果实品质改善也有显著的积极作用,各代果实的可溶性固形物提高2.08%~5.32%,可滴定酸降低了5.15%~18.76%,维生素C提高了5.67%~10.22%。综上所述,添加生物有机肥作为底肥,并辅以菌剂追施,可提高土壤肥力,并对草莓生长、产量和果实品质有显著的积极影响,本研究为设施草莓栽培提供技术依据和理论支撑。
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本文引用 [1] 摘要
为明确微生物菌剂在内蒙古河套地区中度盐碱土壤改良中的作用，可为盐碱土壤质量提升提供技术支撑。采用大田随机区组试验设计方法，以空白处理（CK）为对照，设置3种微生物菌剂处理，包括丹路牌微生物菌剂（DL）、自主研发的复合微生物菌剂BZ1<sup>T</sup>/1-15（由芽孢杆菌、芽单胞菌和草炭组成），其使用量分别为570 kg·hm<sup>-2</sup>（BL1）和1140 kg·hm<sup>-2</sup>（BL2）。分析不同处理措施下的土壤盐分、养分以及细菌群落结构组成和多样性的变化特征。结果表明：施用微生物菌剂（DL、BL）均可显著降低土壤盐分和pH值，其中BL2处理对降低土壤盐分的效果最显著，与CK、DL、BL1相比分别降低了14.0%、4.2%、7.4%（P&lt;0.05）。同时，施用BL1和BL2微生物菌剂对提高根际土壤的碱解氮、速效钾和有效磷含量有显著作用，其中BL1、BL2处理的碱解氮含量较CK和DL分别显著提高26.4%和11.67%、50.94%和33.33%，BL2处理的速效钾含量较CK、DL和BL1分别显著提高24.1%、24.7%和11.1%（P&lt;0.05）。高通量测序结果表明，BL2处理的丰富度指数（ACE、Chao1）显著高于其他处理，还可显著提升放线菌门、厚壁菌门和蓝细菌门的优势菌群丰度，另外BL1和BL2处理显著降低了酸杆菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门和浮霉菌门细菌菌群的相对丰度（P&lt;0.05）。相关性分析结果显示，放线菌门与土壤pH值、碱解氮分别呈显著负相关、正相关（r分别为-0.581*、0.595*）；土壤速效钾与变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门分别呈极显著负相关、正相关和正相关（r分别为-0.753**、0.503*和0.569*）。因子分析结果表明，有机质、盐分和养分等是影响土壤细菌群落结构的主控环境因子，因为其总共解释了67.0%的群落变化；它们的贡献率依次为：土壤有机质&gt;盐分&gt;速效钾&gt;pH&gt;有效磷&gt;碱解氮。另外，BL1和BL2菌剂的施用对提高向日葵的产量有显著作用，且作物产量与养分含量呈极显著正相关关系。因此，施用微生物菌剂不仅可以降低土壤盐分和pH值，而且还可显著提高土壤养分含量和作物产量，改善细菌菌群结构。该研究可以为微生物菌剂在内蒙古河套灌区盐碱土壤改良方面提供试验基础和参考。
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