沙化土壤改良劑應用效益分析與前景展望

王春穎，云欣悅，梁允剛，郭宇澤

(1. 內蒙古農業大學生命科學學院，內蒙古 呼和浩特 010019； 2. 內蒙古自治區沙地(沙漠)生態系統與生態工程重點實驗，內蒙古 呼和浩特010010)

土壤沙化一般是由人為因素和自然因素共同作用的結果，其中人為因素主要是人們對土地的不合理利用，包括耕地的過度農墾、過度放牧、濫墾濫挖等，導致我國土地沙化嚴重。土壤沙化直接降低土地的生產力，造成植被退化、生物多樣性降低，引起土壤質量下降、水土流失加劇，嚴重破壞土地生產質量。并且會導致生態系統功能失調、生態環境退化，造成沙塵天氣頻發，直接破壞了人居安全環境[1-3]。土壤沙化主要包括土壤的物理退化、化學退化和生物退化，物理退化主要是土壤結構破壞、細顆粒減少、團粒結構喪失等；化學退化主要是營養物質的流失，導致關鍵元素缺失，自我修復的化學反應難以完成；生物退化主要是微生物、土壤動物等數量與種類的減少、發展失衡等。所以，眾多沙化土地治理措施均是針對此三種退化過程開展逆轉治理，較為常見的治理措施是物理、化學、生物措施或三者相結合的綜合措施，如在流動沙地修復過程中，一般會通過設置水土流失治理工程措施結合造林種草等生物措施，在沙化土地上建立林草植被，再通過植被的作用提升土壤質量，而在沙化耕地的治理中，多采用改變耕作方式，通過保護性耕作措施來提升沙化耕地質量，并采取減少施用化肥，增施有機肥、微生物肥等措施直接改良土壤。近年來，伴隨著新材料的發展，化學措施也上升為修復沙化土壤的一項重要措施，改良劑的研發與應用逐漸上升為研究熱點。土壤改良劑種類較多，常見的有生物炭、腐植酸、聚丙烯酰胺、膨潤土、粉煤灰等，其在一定程度上緩解了沙區農業生產危機，開展土壤改良劑特別是針對沙化土壤的改良劑研究具有實際意義。

1 土地沙化與土壤改良劑概述

我國的沙化土地大部分分布于干旱、半干旱或半濕潤氣候區，多風少水、植被稀少是主要特征。土壤沙化直接造成土地生產力降低，同時也對生態環境造成嚴重影響。重度沙化還會產生嚴重的沙埋現象，直接危及農田、草地、公路等，給沙區的生產和生活都帶來了極大危害。第五次全國荒漠化和沙化監測結果顯示，截至2014年，全國沙化土地面積為17 212萬hm2，占國土面積的 17.93%[4]。目前，我國約有5 300萬hm2的可治理沙化土地，并且通過大面積的國土綠化，土地沙化已經得到遏制，但是還存在約3 200萬hm2潛在沙化土地[5]。沙化土地特點在于土粒松散，粗顆粒增加，無明顯結構，毛細作用弱，水分入滲能力增強，但土壤保水蓄水、保肥蓄肥能力差，且土壤沙化越嚴重，此類特征越顯著，土地沙化已經成為制約人民生產、生活以及經濟發展的重要因素。加強沙化土地治理，改良沙化土地，防止沙化土地繼續退化，保護土地環境等形勢迫在眉睫。

土壤改良劑應用于沙化土壤中，能夠有效改善土壤結構，增加團聚體數量，進而提升土壤的蓄水保肥能力，實現作物增產目的。近年來，土壤改良劑的應用研究較為廣泛，土壤改良劑種類繁多，按原料來源可分為4類，即天然改良劑、人工合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑和生物改良劑。目前，應用于沙化土地的土壤改良劑主要是天然改良劑、生物改良劑。一般情況下，人工合成改良劑只作為輔助，與天然改良劑配套使用，而天然-合成共聚物改良劑在沙化土地改良中較為少見。天然改良劑主要是自然界中固有的物料，可分為無機物料、有機物料兩大類。無機物料主要是一些天然礦物或無機固體廢棄物，如砒砂巖、磷石膏、膨潤土、凹凸棒土等；有機物料主要是從天然有機體提取的高分子化合物、有機質物料及有機廢棄物等，常見的有機廢棄物主要有作物秸稈、腐植酸、菌渣等，有機質物料主要是生物炭等。天然提取高分子化合物主要是羧甲基纖維素鈉等[6]。人工合成改良劑一般為高分子有機聚合物，常見的人工合成改良劑主要有聚乙烯醇樹脂、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺等。生物改良劑主要是微生物改良劑，包括微生物菌劑、生物有機肥等。微生物土壤改良劑含有多種有益細菌，此類改良劑主要是通過增加土壤中有益微生物數量，提高微生物活動，進而提高土壤養分的分解速率，為作物生長提供充足養分[7]，微生物土壤改良劑具有較廣闊的應用前景。

2 改良劑對土壤性質的影響

2.1 土壤物理性質變化

沙化土壤最典型的特征為缺少團粒結構、土質粗化、透氣性增強、保水性差，所以施用土壤改良劑的主要目的在于調節土壤三相比，改善土壤結構、提高土壤顆粒的黏滯力、增強其保水保肥能力。在評價改良劑的作用效果時，土壤物理性質的變化放在首位，如土壤水分、容重、孔隙度、團聚體等是重要的考核指標體系。

土壤水分作為干旱區植物生長重要的限制因子，其是最為重要的物理性質，它不僅是土壤微生物活動的必要條件，也是土壤其他性質變化關鍵誘發因素[8]。沙土保水能力較差，極易發生水分虧缺，大部分土壤改良劑能夠有效地解決此問題。劉慧軍等[9]研究結果表明，沙地改良劑(主要成分為膨潤土)能夠明顯提高 0～60 cm土層土壤含水量。何熙等[10]在開展秸稈改良材料對沙質土壤飽和含水量的研究發現，秸稈是一種優質的土壤改良劑，可顯著提高沙質土壤的含水量，并且隨著秸稈施用量的增加含水量呈遞增趨勢。一般來說，生物質土壤改良劑均具有提高土壤保水能力的功能，一方面是提高土壤的儲水能力，另一方面是增加土壤的保水能力，儲水能力主要體現在含水量的顯著提升，保水能力主要體現在降低土壤蒸發速率[11]。肖占文等[12]進行有機碳土壤改良劑研究發現，有機碳對風沙土改土效應顯著，施用有機碳改良劑可有效提高風沙土的總持水量，施加有機肥也能夠顯著增加土壤水分含量[13]。劉立軍[14]開展了微生物土壤改良劑應用研究，認為在風沙地區施用改良劑能夠顯著提高土壤的保水能力。在松嫩平原沙化土壤中也有相關研究開展，通過施加生物炭、有機肥等，均可有效改善土壤結構，并且在很大程度上提高水分吸收和保持能力[15]。內蒙古各沙地常采用的沙質土壤改良劑主要為鈉化膨潤土，其對沙地風沙土的土壤保水性能有顯著促進作用，并且多年連續施用保水效果極大增強[16]。此外，在川西北高寒沙地也有人進行改良研究，多用秸稈、菌渣顆粒進行土壤改良，在高寒地區此類改良劑能夠發揮較強的改土作用，施入后有效增加沙化土壤耕作土層的含水量[17]。在柴達木盆地也開展了有機改良劑試驗研究，改良劑施入土層達100 cm，各土層土壤含水量均顯著提升，而且在耕作層約40 cm以內的土壤水分增加效果更為顯著[18]。土壤容重和孔隙度表征了土壤的疏松程度，容重大小直接影響植物根系生長，容重大則土壤緊實板結，孔隙度降低、土壤團粒缺少，利于植物根系發育的土壤一般是容重較小、土壤孔隙多[19]。但是土壤容重過小，也會造成植物根系難以扎穩，容易造成土壤跑墑，營養成分流失。土壤改良劑有助于優化風沙土土壤結構，并且施用量越大，越有利于降低土壤容重[11]，并使土壤處于植物生長適宜的容重范圍。在科爾沁沙地通過施用改性的膨潤土，土壤容重顯著降低[20]；在毛烏素沙地耕地施用微生物土壤改良劑后，土壤容重呈顯著下降趨勢，而總孔隙度則呈顯著上升趨勢[21]。此外，施用不同有機物料可在一定程度上增加 0～20 cm土壤總孔隙度飽和含水量，降低土壤容重，改良效果隨施用量及施用年限的增加而增加[22]。

土壤團聚體是指土粒通過各種自然過程的作用而形成的直徑<10 mm的結構單位。土壤團聚體不僅是土壤中各形態、粒徑、非機械穩定和機械穩定團聚體的總和，同時也是土壤肥力的基礎載體，可用來衡量土壤結構的優劣[8,23]。曹麗花等[24]研究認為，濃度 0.05% 左右的沃特保水劑對 5～1 mm團聚體含量作用效果顯著，可有效改良風沙土。也有研究認為，生物質土壤改良劑用量越大，越有利于風沙土中大于 0.25 mm粒徑團聚體的形成，而風沙土結構的改良效果也將越好[11]。攝曉燕[25]在風沙土中添加砒砂巖發現可促進風沙土土壤中大于 0.25 mm團聚體的形成，提高團聚體的穩定性。王桂君[15]研究表明，單獨施加有機肥對土壤團聚體的形成也有明顯的促進作用。

2.2 土壤化學性質變化

土壤的化學性質是土壤營養成分的重要體現，其對作物或植物的生長與發育起著決定性作用，土壤養分含量低，則會出現作物生長緩慢、發育受限等問題。同時，土壤營養物質的多少，直接關系到土壤團粒結構的優劣，甚至可以影響到微生物群落結構，所以，化學性質的改變也導致土壤物理性質、微生物性質的協同變化。而改良劑最直接的作用則是提升土壤化學性質，這也是許多學者將目光轉向改良劑的重要原因之一。

氮素、磷素、鉀素、有機質及微量元素等化學成分是農業生產的重要關注點，蔣坤云等[26]在沙地上施用環保型土壤改良劑后發現，其可增加土壤有機質、全氮以及速效養分的含量。屈皖華等[27]在沙化土壤中將有機物料單施，以及配施玉米秸稈、牛糞等有機物料，表明均可有效增加土壤碳氮組分，提高土壤全氮含量。張賓賓[28]認為在沙化土壤施用改良劑可有效提升土壤全氮儲備，提高硝態氮含量，從而緩解養分失衡。周磊[20]在沙地施用沙質土壤改良劑后發現，土壤耕層的養分含量得到顯著提高，土壤保肥效果明顯，并且隨著改良劑的施入年限增加而呈增強趨勢。攝曉燕[25]認為，添加砒砂巖可顯著改善風沙土對銨態氮的保肥性和供肥性，有助于改善土壤磷素的供應。肖茜等[29]將生物炭添加到風沙土中發現，添加適量生物炭可增強土壤對氮的固持能力，降低硝態氮淋失的風險。劉曉林[17]利用秸稈顆粒改良劑改善沙土質量，結果顯示秸稈是一種較好的改良劑，能夠有效降低沙化土壤的外源養分淋溶率。周磊[16]利用改性膨潤土后，沙地土壤陽離子交換量、有機質和氮、磷、鉀含量得到顯著提高，沙地土壤肥力明顯改善。呂濤等[30]認為，沙漠保水改良劑對降低土壤pH值、提高土壤速效氮、速效磷含量效果最好，沙漠抗旱保水保肥改良劑對提高土壤速效鉀和有機質含量效果最明顯。周吉祥[31]連續三年的研究表明，生物炭和有機肥聯合施用增加了土壤中總有機碳、總氮、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，提高了土壤碳氮比。

2.3 土壤生物學性質變化

土壤微生物生物量是活的土壤有機質的組成部分，主要指土壤體積小于50 μm3的生物總量[32]，在土壤中執行有機物的轉化[33]。土壤微生物在土壤中比較敏感，它可以精準地反映出土壤微生物活性以及土壤肥力狀況。相關研究表明，微生物量對土壤養分的循環和釋放等都具有重要作用，可直接反映土壤的肥力狀況[34]。

周磊[20]研究發現，在科爾沁沙地施用沙質土壤改良劑提高了0～40 cm土層土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量和土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶的活性。肖占文等[12]在風沙土中施用有機碳土壤改良劑后，風沙土微生物和酶活性有所增加。王桂君[15]在松嫩平原沙化土壤中施加生物炭和有機肥有效提高了土壤細菌群落的多樣性并改善了土壤細菌群落的結構組成，影響了土壤真菌群落組成及叢枝菌根真菌群落結構。李小煒等[21]在榆林市北部沙區施用微生物類土壤改良劑后顯著提高了土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等含量。周磊[16]研究表明，在科爾沁沙地施用改性膨潤土后提高了0～40 cm土層土壤微生物生物量碳、氮、磷和土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性。吳苗[35]在毛烏素沙地施用微生物菌劑后，N-乙酰-β-D-葡糖糖苷酶、酸性磷酸酶以及酚氧化酶的活性顯著增大，并且土壤細菌中變形菌門、放線菌門和擬桿菌門相對豐度較高。周吉祥[31]研究表明，有機沙化土壤改良劑可提高土壤養分含量，增加土壤胞外酶活性和碳庫庫容，影響土壤微生物群落結構，培育土壤肥力。呂濤等[30]在庫布齊沙漠西北緣典型沙化土地施用不同改良劑可以有效地提高沙化土壤中微生物數量及酶活性。

3 改良劑對植物的影響

3.1 對沙地植物生長的影響

土壤沙化致使土壤質量變差，隨著沙化程度增加，植被群落的覆蓋度、群落物種的多樣性以及植被地上和地下的生物量都急劇下降[36-38]。土壤改良劑可通過改善土壤的理化性質，增加土壤含水量，增強土壤中微生物活動，提高土壤保水保肥能力，從而為植物的生長發育創造良好的生存環境[11]。改善沙化土壤的理化性質，促進地上植物生長發育與增加沙地植被覆蓋率是改良與治理沙化土壤的重中之重。

蔣坤云等[26]發現環保型土壤改良劑有效促進了小葉錦雞兒的高生長和根系的生長。張賓賓[28]在沙地施加3種土壤改良劑后發現，對楊柴、檸條、沙柳、歐美楊4個樹種的新梢生長及生物量均有不同程度的促進效果。攝曉燕[25]研究表明，在同一養分和水分梯度下，在風沙土中添加砒砂巖可提高黑麥草的地上生物量和地下生物量。劉曉林[17]研究結果表明，在川西北高寒沙地施用純化肥、牦牛糞、秸稈改良劑和菌渣改良劑均能夠有效促進黑麥草的生長發育。吳苗[35]研究表明，2種固沙措施下，施用微生物菌劑后樣方內植物生長迅速并且植物蓋度和高度的增加效果顯著。

3.2 對作物生長的影響

改良劑對沙質土壤耕地作物生長及產量存在顯著影響，并且施用量不同，對作物的影響效果不同，當施用量為12 t·hm-2時，燕麥籽粒產量和地上生物量最高，而且對燕麥籽粒粗蛋白、賴氨酸和B-葡聚糖含量影響顯著[9]。周磊[16]研究也認為，施加改良劑對沙地玉米具有極顯著的增產效果。王桂君[15]將生物炭和有機肥聯合施加后發現，作物生物量積累以及產量顯著增加，說明這兩種材料是優質的沙化土壤改良劑，均具有較高的農業利用價值。周磊[16]在科爾沁沙地的沙質土壤耕地施用改性膨潤土后，玉米株高、葉面積指數、地上干物質量和根干重均得到顯著提高。李小煒等[21]研究不同的施用方法認為，基施土壤改良劑均能顯著提高玉米株高、莖粗、鮮重以及氮、磷、鉀含量和產量，微生物土壤改良劑更有利于促進種子子粒氮和磷的吸收，提高種子品質。陳霽菲[18]研究表明將有機改良劑結合起壟覆膜能夠優化枸杞的生長參數，改善枸杞的品質，提高枸杞的產量以及土壤水分利用效率。

4 存在問題及研究趨勢

沙化土壤改良劑是應對土地退化的重要措施，其開發與應用具有廣闊的前景。目前，土壤改良劑在農業生產領域開展的相關研究較多，在沙地、沙漠、沙化草地領域的研究相對欠缺，并且對環境友好型、長效性的多功能型土壤改良劑的研發與應用更為薄弱。另外，針對沙化土壤改良劑的相關研究多處于室內試驗，大田應用研究相對偏少，導致改良劑的配套應用技術相對匱乏。土壤改良劑是農林及環境領域實現高質量發展的重要選擇之一，因此，新型土壤改良劑的研發、研究與應用應該引起有關部門重視。

沙化土壤改良劑是實現沙化土地質量提升的可靠保證，從農林高質量發展需求來看，以下幾個方面應該得到重視：

(1)改良劑的原材料及其加工工藝將面向低成本，此是沙化改良劑降低成本的根本保證。應充分利用秸稈、枝條等農林冗余物、廢棄物材料，通過加工工藝改進，研制低成本、環保型改良劑。

(2)注重沙化土壤改良劑水土保持、抑制土壤風蝕等附加功能挖掘，研發多種功能于一體的復合型改良劑，更加注重配套技術應用研究。

(3)耐旱、耐低溫等優良抗逆微生物挖掘及其功能菌改良劑的研制與利用，微生物類改良劑兼具有毒有害物質降解、無機養分激活等功能。

(4)開展沙化土壤退化監測，為改良劑的選擇提供依據。同時，更加注重構建改良劑施用效益監測與評價體系，有利于支撐沙化土地的科學防治。