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土壤改良剂改良酸化土壤的研究进展

2021-09-23推荐论文

  摘要推进酸化土壤改良、提高农业生产力是实现作物提质增收和发展绿色农业的重要任务。土壤改良剂具有降低土壤酸度、增加土壤养分、优化土壤结构、提高微生物活性、改善土壤微环境等作用,在修复酸化土壤方面具有重要意义。基于上述背景,从离子迁移转化角度阐明土壤酸化成因,总结酸性改良剂分类、作用机理、改良效果及其对作物长势的影响;指明现有改良剂在酸化土壤改良方面存在的问题,提出了新型土壤改良剂研发方向以及在应用过程中的关键影响因素;最后对改良剂未来发展趋势进行展望,以期为土壤改良剂的研发和制备提供借鉴。

  关键词土壤改良剂;酸化土壤;酸化原因;土壤结构;提质增收

土壤改良论文

  随着人口的快速增长和对自然资源的过度开发与索取,导致产生耕地面积缩减、土地肥力降低、土壤酸化等一系列土壤环境问题[1]。其中土壤酸化是指土壤无机碱性组分与无机强酸组分差值的减少,即酸中和容量减少导致的酸度上升。我国土壤酸化面积达2.04×108hm2,约占全国土地总面积的22.7%,酸化率从2.6keq·H+/(hm2·a)增至7.6keq·H+/(hm2·a)[2-3]。大气酸沉降过程和化肥过量施用是造成土壤酸化的主要成因。

  土壤论文范例: 苔藓结皮层土壤矿质元素含量变化特征

  针对我国南方地区大范围酸雨导致土壤酸化的问题,在2007年国务院颁布的《国家环境保护“十一五”规划》[4]中,明确限制SO2排放。随着土壤酸化问题越来越受到重视,现行的《土壤污染防治行动计划》明确指出,可通过减少化肥使用量的方式减缓土壤酸化。但受到可变电荷土壤特性的影响,江西、福建、重庆、广西、湖南、浙江等省(区、市)土壤酸化严重,以1:1型高岭石为代表的矿物含量高,2:1型黏土矿物含量少,导致土壤酸缓冲能力差、易酸化[2,5]。土壤酸化影响土壤物理、化学和生物性质,降低土壤质量、抑制作物生长、降低作物产量[6],因此,改善我国土壤酸化现状具有重要现实意义。添加土壤改良剂是缓解土壤酸化的有效措施之一[7]。

  土壤改良剂指的是能改善土壤物理、化学和生物特性的一类化合物[8],如石灰类、矿物和工业副产品、有机物料和生物质炭等[9],具有提升土壤pH、改善土壤结构、减少养分流失、优化微生物种群结构等功能,并且有助于构建适宜植物生长的微环境。同时土壤改良剂的制备促进工、农业废物的资源化利用,助推绿色生态农业高质量发展。笔者从离子平衡和迁移转换的角度,深度分析了土壤酸化原因,总结酸化土壤改良剂分类、作用机理、改良效果,阐述其对作物品质和产量的影响,并对新型土壤改良剂未来研发方向进行展望。

  1土壤酸化原因

  自然和人为因素共同影响土壤中离子的迁移转换过程,其中氢离子(H+)和盐基离子(K+、Ca2+、Mg2+、Na+)在土壤环境中的迁移转化是影响土壤酸化的根本原因。H+浓度升高,导致土壤酸中和容量降低,加剧酸化;盐基离子浓度降低,导致土壤胶体质子置换容量和酸缓冲能力降低[10]。可从H+和盐基离子迁移转化角度解析土壤酸化原因。

  大气中酸性物质(NOx、SOx)和水蒸气发生反应,生成HNO3和H2SO4,其在大气湿沉降作用下进入土壤;此外,NOx、SOx等酸性物质在大气干沉降作用下进入表层土壤,与水发生反应生成HNO3和H2SO4等酸性物质,在干、湿沉降共同作用下,土壤酸度缓慢提升[6]。此外,化肥的过度施用也会提升土壤酸度。肥料中含有大量尿素,尿素发生氨化反应,生成NH4+和OH-〔式(1)〕,产生的NH4+分解,生成挥发态NH3和H+〔式(2)〕。同时,NH4+发生硝化反应,生成H+和NO3-〔式(3)〕,NO3-发生反硝化生成N2及其被植物进一步吸收的过程,消耗H+〔式(4)~式(5)〕。

  当氮肥施加过量时,植物吸收土壤环境中残余的NH4+,将其转化成氨基酸,提升土壤中H+浓度〔式(6)〕[11-12];表层土壤吸收空气中的CO2,与水反应转化成HCO3-和H+;植物根部分泌产生柠檬酸、阿魏酸和苹果酸等有机酸,易发生解离,产生RCOO-和H+。上述过程形成的HCO3-和RCOO-易随盐基离子淋溶流失,造成土壤H+累积,酸度提升[13-14]。最后,土壤中有机物的硝化和氧化、金属离子络合、还原性物质(H2S和Fe2S3)氧化等过程,均会提升土壤酸度。

  此外,作为土壤的主要组成部分,盐基离子具有显著的酸缓冲特性[15],在植物吸收、盐基离子置换和降雨淋溶等作用下,导致盐基离子流失,降低土壤盐基饱和度和土壤酸缓冲性能,提升土壤酸度。植物生长发育过程吸收大量盐基离子并将其储存在植物器官内部,若植物残体不进行还田处理,导致土壤盐基离子含量降低,长期以往造成土壤酸化。当土壤H+和Al3+浓度上升时,土壤胶体交换位点的盐基离子被H+和Al3+置换到土壤淋溶液中,易随降雨淋溶流失,提升土壤酸度[16-19]。总之,外源H+浓度升高和土壤盐基离子浓度降低,共同造成土壤酸化。

  2土壤改良剂的种类、功能及其应用

  土壤改良剂又称土壤调理剂,广义上指能改良和调节土壤理化性质的一类物质,狭义上指加入土壤中用于改善土壤物理、化学、生物活性的物质。按原料来源可将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[22];按用途可分为针对酸化土壤、盐碱地、防止土壤退化、防治土壤侵蚀、降低土壤重金属污染等方面的改良剂;按性质可分为酸性土壤改良剂、碱性土壤改良剂、营养型土壤改良剂、有机物土壤改良剂、无机物土壤改良剂和生物制剂改良剂等。

  酸性土壤改良剂可分为石灰类改良剂(石灰石、白云石等),矿物和工业副产品(磷石膏、碱渣、粉煤灰等),有机物料改良剂(秸秆、腐熟粪便等),新型改良剂(聚丙烯酰胺、丛枝菌根真菌等)[23],目前使用较多的有石灰、粉煤灰和生物质炭[24]。酸性土壤改良剂在调节土壤pH的同时,具有改善土壤其他理化性质的作用:

  1)提供植物所需养分,有效抑制养分迁移,提升养分有效性[25]。如Masud[26]以石灰、鸡粪、生物质炭为土壤改良剂,不仅将土壤pH提高了0.29~1.20、交换性酸度降低29.34%~66.23%,同时提高土壤碱解阳离子和有效磷浓度,提高玉米产量。2)降低土壤容重、增加土壤孔隙、提升土壤团聚性、改善土壤结构,提高土壤透气性、保水性,促进作物对水分和营养物质的吸收。如Bossolani等[27]将磷石膏和石灰配施加入土壤,发现增加了真菌的丰富度和土壤有机碳含量,同时促进大团聚体的形成,降低土壤堆积密度,增加土壤孔隙度,提高玉米和芸苔产量。3)影响土壤生物丰富度和多样性,有效防治病虫害和增加养分有效性,改善作物生长环境,提高植物生产力,达到增产提质的目的。如Markakis等[28]发现堆肥使土壤酚类化合物浓度提高了3.7~4.4倍,抑制镰刀菌和黄萎病菌丰度,增加黄瓜和茄子鲜重。

  (4)能通过提高土壤pH、增加吸附位点数量促进重金属络合和沉淀,降低重金属的生物有效性,减少对作物的危害[29-30]。如Huang等[31]将无机和有机改良剂配施加入重金属污染酸性土壤,使pH提高了1.99~3.32,Cd、Pb、Cu和Zn等土壤提取态浓度降低,提升了土壤呼吸及细菌的多样性,促进了莴苣的生长,降低植物根和茎中Cd、Pb、Cu和Zn浓度。

  3土壤改良剂的作用原理

  3.1土壤改良剂对土壤化学性质的影响

  3.1.1对土壤酸度的影响土壤酸度分为活性酸度和潜性酸度,土壤溶液中H+浓度代表活性酸度(pH),土壤胶体上吸附态的可交换性H+和Al3+,在离子交换作用下进入淋溶液中的酸度为潜性酸度。酸度是影响土地环境质量、限制作物产量的重要指标之一[32]。通常酸化土壤中含有高浓度的H+和Al3+,影响土壤中氧化还原、吸附解吸、沉淀溶解、络合等一系列化学反应的进行。高浓度的H+和Al3+抑制植物根部细胞分裂、伸长和膜运输[33]、打破植物内部激素平衡[34-36]、抑制植物生长发育、降低作物产量和品质。酸性土壤改良剂通过降低土壤H+和Al3+浓度改善土壤酸环境。

  3.2土壤改良剂对土壤微生物和酶活性的影响微生物和酶是土壤环境变化的重要传感器,参与C、N、P等元素地球生物化学循环。酸化土壤酸度大、土壤结构差、养分含量和有效性低,影响微生物多样性和酶活性。土壤改良剂通过改变土壤物理、化学性质等方式,为微生物提供适宜生境,提高参数水平,促进有益、功能性微生物和酶定制土壤。

  4土壤改良剂对作物产量和品质的影响

  作物产量和品质提升是改良剂对酸化土壤物理、化学和生物性质改变的综合表现。改良剂增加作物产量。于翔宇[103]以石灰为改良剂,发现可以减轻土壤酸度,增加竹豆根部表面积、总长度和体积,促进竹豆茎和叶生物量增加。Vidal等[104]将蒙脱石和蚯蚓堆肥共同加入土壤,减轻了过量释放可溶性有机碳、无机氮危害植物毒性,同时促进根际微生物固定根源性有机碳,将黑麦草生物量提升了2.3倍。

  Fonte等[105]用蚯蚓和石灰改良酸性土壤,发现增强土壤结构,改善土壤气体交换、水分固定、根系伸长和碳固定,同时促进植物吸收氮,将横卧草生物量增加了180%。Li等[106]发现木质有机改良剂降低了土壤堆积密度和入渗率,增加了土壤总孔隙率和最大持水量等物理特性,增加了微生物呼吸量、微生物生物量碳、纤维素酶和过氧化氢酶活性,进而提升了小麦产量。Bharti等[107]发现蓝藻改良剂增加土壤氮和碳有效性,促进植物根际生物膜和土壤多糖、球囊霉素相关土壤蛋白形成,进而增加植物抗氧化酶、防御酶活性,使菊花鲜重增产35%、花色加深35%。

  5结论与展望

  酸化土壤改良是土壤退化的重点和难点,应用土壤改良剂降低土壤酸度的同时,增加土壤养分、优化土壤结构、提高微生物活性、改善土壤微环境,符合资源循环利用和“低碳、环保、可持续发展”绿色发展理念,在维持生态系统平衡、促进农业环境良性循环和可持续发展发挥着至关重要的作用。当前土壤改良剂抑制酸化土壤机理仍不够透彻,增产提质效果不太理想,应用土壤改良剂还存在一定的负面影响,如抑制微生物活性,增加温室气体排放、地下水重金属和水体富营养化等环境风险,危害植物降低作物产量。基于上述分析结果,提出土壤改良剂研究的方向和建议:

  1)深入详述土壤改良剂作用机理,解析土壤物质转化规律与趋势,构建统计学层面的改良剂-土壤-植物作用关系,为精确研发相应改良剂和提升土壤农业生态系统健康提供科学根据;2)土壤改良剂类别、剂量、投加方法和联合配施方式是研究探讨的热点,但土壤类型、植物种类和环境因素等条件也影响着改良效果。我国土壤改良起步较晚,研究大都局限于短期盆栽实验。因此,开展长期大田试验,综合考虑多种条件系统评价改良剂性能,为研发高效改良剂奠定基础。此外,定量分析土壤结构和分离检测微生物方法有限,开发运用高新、高分辨分析技术和研发专一型、多功能型和环保型土壤改良剂,对促进土壤改良剂发展也有深远意义。

  参考文献

  [1]赵其国,黄国勤,马艳芹.中国南方红壤生态系统面临的问题及对策[J].生态学报,2013,33(24):7615-7622.ZHAOQG,HUANGGQ,MAYQ.TheproblemsinredsoilecosysteminsouthernofChinaanditscountermeasures[J].ActaEcologicaSinica,2013,33(24):7615-7622.

  [2]GUOJH,LIUXJ,ZHANGY,etal.SignificantacidificationinmajorChinesecroplands[J].Science,2010,327(5968):1008-1010.

  [3]LUXK,MAOQG,MOJM,etal.Divergentresponsesofsoilbufferingcapacitytolong-termNdepositioninthreetypicaltropicalforestswithdifferentland-usehistory[J].EnvironmentalScience&Technology,2015,49(7):4072-4080.

  [4]国务院关于印发国家环境保护“十一五”规划的通知:国发〔2007〕37号[A/OL].(2007-11-26)[2021-02-05].http://www.gov.cn/zwgk/2007-11/26/content_815498.htm.

  [5]ROWELLDL.Chemistryofvariablechargesoils[J].EuropeanJournalofSoilScience,2000,51(3):541-549.

  [6]虞璐.生物质炭对酸化土壤的改良效应及其对土壤硝化作用的影响[D].杭州:浙江大学,2019.

  [7]LIUWJ,LIWW,JIANGH,etal.Fatesofchemicalelementsinbiomassduringitspyrolysis[J].ChemicalReviews,2017,117(9):6367-6398

  作者:刘娇娴1,2,崔骏2,刘洪宝2,潘琦1,2,何小松1,2*

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