沙化土壤改良剂应用效益分析与前景展望

王春颖，云欣悦，梁允刚，郭宇泽

(1. 内蒙古农业大学生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 2. 内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验，内蒙古 呼和浩特010010)

土壤沙化一般是由人为因素和自然因素共同作用的结果，其中人为因素主要是人们对土地的不合理利用，包括耕地的过度农垦、过度放牧、滥垦滥挖等，导致我国土地沙化严重。土壤沙化直接降低土地的生产力，造成植被退化、生物多样性降低，引起土壤质量下降、水土流失加剧，严重破坏土地生产质量。并且会导致生态系统功能失调、生态环境退化，造成沙尘天气频发，直接破坏了人居安全环境[1-3]。土壤沙化主要包括土壤的物理退化、化学退化和生物退化，物理退化主要是土壤结构破坏、细颗粒减少、团粒结构丧失等；化学退化主要是营养物质的流失，导致关键元素缺失，自我修复的化学反应难以完成；生物退化主要是微生物、土壤动物等数量与种类的减少、发展失衡等。所以，众多沙化土地治理措施均是针对此三种退化过程开展逆转治理，较为常见的治理措施是物理、化学、生物措施或三者相结合的综合措施，如在流动沙地修复过程中，一般会通过设置水土流失治理工程措施结合造林种草等生物措施，在沙化土地上建立林草植被，再通过植被的作用提升土壤质量，而在沙化耕地的治理中，多采用改变耕作方式，通过保护性耕作措施来提升沙化耕地质量，并采取减少施用化肥，增施有机肥、微生物肥等措施直接改良土壤。近年来，伴随着新材料的发展，化学措施也上升为修复沙化土壤的一项重要措施，改良剂的研发与应用逐渐上升为研究热点。土壤改良剂种类较多，常见的有生物炭、腐植酸、聚丙烯酰胺、膨润土、粉煤灰等，其在一定程度上缓解了沙区农业生产危机，开展土壤改良剂特别是针对沙化土壤的改良剂研究具有实际意义。

1 土地沙化与土壤改良剂概述

我国的沙化土地大部分分布于干旱、半干旱或半湿润气候区，多风少水、植被稀少是主要特征。土壤沙化直接造成土地生产力降低，同时也对生态环境造成严重影响。重度沙化还会产生严重的沙埋现象，直接危及农田、草地、公路等，给沙区的生产和生活都带来了极大危害。第五次全国荒漠化和沙化监测结果显示，截至2014年，全国沙化土地面积为17 212万hm2，占国土面积的 17.93%[4]。目前，我国约有5 300万hm2的可治理沙化土地，并且通过大面积的国土绿化，土地沙化已经得到遏制，但是还存在约3 200万hm2潜在沙化土地[5]。沙化土地特点在于土粒松散，粗颗粒增加，无明显结构，毛细作用弱，水分入渗能力增强，但土壤保水蓄水、保肥蓄肥能力差，且土壤沙化越严重，此类特征越显著，土地沙化已经成为制约人民生产、生活以及经济发展的重要因素。加强沙化土地治理，改良沙化土地，防止沙化土地继续退化，保护土地环境等形势迫在眉睫。

土壤改良剂应用于沙化土壤中，能够有效改善土壤结构，增加团聚体数量，进而提升土壤的蓄水保肥能力，实现作物增产目的。近年来，土壤改良剂的应用研究较为广泛，土壤改良剂种类繁多，按原料来源可分为4类，即天然改良剂、人工合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂和生物改良剂。目前，应用于沙化土地的土壤改良剂主要是天然改良剂、生物改良剂。一般情况下，人工合成改良剂只作为辅助，与天然改良剂配套使用，而天然-合成共聚物改良剂在沙化土地改良中较为少见。天然改良剂主要是自然界中固有的物料，可分为无机物料、有机物料两大类。无机物料主要是一些天然矿物或无机固体废弃物，如砒砂岩、磷石膏、膨润土、凹凸棒土等；有机物料主要是从天然有机体提取的高分子化合物、有机质物料及有机废弃物等，常见的有机废弃物主要有作物秸秆、腐植酸、菌渣等，有机质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纤维素钠等[6]。人工合成改良剂一般为高分子有机聚合物，常见的人工合成改良剂主要有聚乙烯醇树脂、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺等。生物改良剂主要是微生物改良剂，包括微生物菌剂、生物有机肥等。微生物土壤改良剂含有多种有益细菌，此类改良剂主要是通过增加土壤中有益微生物数量，提高微生物活动，进而提高土壤养分的分解速率，为作物生长提供充足养分[7]，微生物土壤改良剂具有较广阔的应用前景。

2 改良剂对土壤性质的影响

2.1 土壤物理性质变化

沙化土壤最典型的特征为缺少团粒结构、土质粗化、透气性增强、保水性差，所以施用土壤改良剂的主要目的在于调节土壤三相比，改善土壤结构、提高土壤颗粒的黏滞力、增强其保水保肥能力。在评价改良剂的作用效果时，土壤物理性质的变化放在首位，如土壤水分、容重、孔隙度、团聚体等是重要的考核指标体系。

土壤水分作为干旱区植物生长重要的限制因子，其是最为重要的物理性质，它不仅是土壤微生物活动的必要条件，也是土壤其他性质变化关键诱发因素[8]。沙土保水能力较差，极易发生水分亏缺，大部分土壤改良剂能够有效地解决此问题。刘慧军等[9]研究结果表明，沙地改良剂(主要成分为膨润土)能够明显提高 0～60 cm土层土壤含水量。何熙等[10]在开展秸秆改良材料对沙质土壤饱和含水量的研究发现，秸秆是一种优质的土壤改良剂，可显著提高沙质土壤的含水量，并且随着秸秆施用量的增加含水量呈递增趋势。一般来说，生物质土壤改良剂均具有提高土壤保水能力的功能，一方面是提高土壤的储水能力，另一方面是增加土壤的保水能力，储水能力主要体现在含水量的显著提升，保水能力主要体现在降低土壤蒸发速率[11]。肖占文等[12]进行有机碳土壤改良剂研究发现，有机碳对风沙土改土效应显著，施用有机碳改良剂可有效提高风沙土的总持水量，施加有机肥也能够显著增加土壤水分含量[13]。刘立军[14]开展了微生物土壤改良剂应用研究，认为在风沙地区施用改良剂能够显著提高土壤的保水能力。在松嫩平原沙化土壤中也有相关研究开展，通过施加生物炭、有机肥等，均可有效改善土壤结构，并且在很大程度上提高水分吸收和保持能力[15]。内蒙古各沙地常采用的沙质土壤改良剂主要为钠化膨润土，其对沙地风沙土的土壤保水性能有显著促进作用，并且多年连续施用保水效果极大增强[16]。此外，在川西北高寒沙地也有人进行改良研究，多用秸秆、菌渣颗粒进行土壤改良，在高寒地区此类改良剂能够发挥较强的改土作用，施入后有效增加沙化土壤耕作土层的含水量[17]。在柴达木盆地也开展了有机改良剂试验研究，改良剂施入土层达100 cm，各土层土壤含水量均显著提升，而且在耕作层约40 cm以内的土壤水分增加效果更为显著[18]。土壤容重和孔隙度表征了土壤的疏松程度，容重大小直接影响植物根系生长，容重大则土壤紧实板结，孔隙度降低、土壤团粒缺少，利于植物根系发育的土壤一般是容重较小、土壤孔隙多[19]。但是土壤容重过小，也会造成植物根系难以扎稳，容易造成土壤跑墒，营养成分流失。土壤改良剂有助于优化风沙土土壤结构，并且施用量越大，越有利于降低土壤容重[11]，并使土壤处于植物生长适宜的容重范围。在科尔沁沙地通过施用改性的膨润土，土壤容重显著降低[20]；在毛乌素沙地耕地施用微生物土壤改良剂后，土壤容重呈显著下降趋势，而总孔隙度则呈显著上升趋势[21]。此外，施用不同有机物料可在一定程度上增加 0～20 cm土壤总孔隙度饱和含水量，降低土壤容重，改良效果随施用量及施用年限的增加而增加[22]。

土壤团聚体是指土粒通过各种自然过程的作用而形成的直径<10 mm的结构单位。土壤团聚体不仅是土壤中各形态、粒径、非机械稳定和机械稳定团聚体的总和，同时也是土壤肥力的基础载体，可用来衡量土壤结构的优劣[8,23]。曹丽花等[24]研究认为，浓度 0.05% 左右的沃特保水剂对 5～1 mm团聚体含量作用效果显著，可有效改良风沙土。也有研究认为，生物质土壤改良剂用量越大，越有利于风沙土中大于 0.25 mm粒径团聚体的形成，而风沙土结构的改良效果也将越好[11]。摄晓燕[25]在风沙土中添加砒砂岩发现可促进风沙土土壤中大于 0.25 mm团聚体的形成，提高团聚体的稳定性。王桂君[15]研究表明，单独施加有机肥对土壤团聚体的形成也有明显的促进作用。

2.2 土壤化学性质变化

土壤的化学性质是土壤营养成分的重要体现，其对作物或植物的生长与发育起着决定性作用，土壤养分含量低，则会出现作物生长缓慢、发育受限等问题。同时，土壤营养物质的多少，直接关系到土壤团粒结构的优劣，甚至可以影响到微生物群落结构，所以，化学性质的改变也导致土壤物理性质、微生物性质的协同变化。而改良剂最直接的作用则是提升土壤化学性质，这也是许多学者将目光转向改良剂的重要原因之一。

氮素、磷素、钾素、有机质及微量元素等化学成分是农业生产的重要关注点，蒋坤云等[26]在沙地上施用环保型土壤改良剂后发现，其可增加土壤有机质、全氮以及速效养分的含量。屈皖华等[27]在沙化土壤中将有机物料单施，以及配施玉米秸秆、牛粪等有机物料，表明均可有效增加土壤碳氮组分，提高土壤全氮含量。张宾宾[28]认为在沙化土壤施用改良剂可有效提升土壤全氮储备，提高硝态氮含量，从而缓解养分失衡。周磊[20]在沙地施用沙质土壤改良剂后发现，土壤耕层的养分含量得到显著提高，土壤保肥效果明显，并且随着改良剂的施入年限增加而呈增强趋势。摄晓燕[25]认为，添加砒砂岩可显著改善风沙土对铵态氮的保肥性和供肥性，有助于改善土壤磷素的供应。肖茜等[29]将生物炭添加到风沙土中发现，添加适量生物炭可增强土壤对氮的固持能力，降低硝态氮淋失的风险。刘晓林[17]利用秸秆颗粒改良剂改善沙土质量，结果显示秸秆是一种较好的改良剂，能够有效降低沙化土壤的外源养分淋溶率。周磊[16]利用改性膨润土后，沙地土壤阳离子交换量、有机质和氮、磷、钾含量得到显著提高，沙地土壤肥力明显改善。吕涛等[30]认为，沙漠保水改良剂对降低土壤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剂对提高土壤速效钾和有机质含量效果最明显。周吉祥[31]连续三年的研究表明，生物炭和有机肥联合施用增加了土壤中总有机碳、总氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量，提高了土壤碳氮比。

2.3 土壤生物学性质变化

土壤微生物生物量是活的土壤有机质的组成部分，主要指土壤体积小于50 μm3的生物总量[32]，在土壤中执行有机物的转化[33]。土壤微生物在土壤中比较敏感，它可以精准地反映出土壤微生物活性以及土壤肥力状况。相关研究表明，微生物量对土壤养分的循环和释放等都具有重要作用，可直接反映土壤的肥力状况[34]。

周磊[20]研究发现，在科尔沁沙地施用沙质土壤改良剂提高了0～40 cm土层土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量和土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性。肖占文等[12]在风沙土中施用有机碳土壤改良剂后，风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机肥有效提高了土壤细菌群落的多样性并改善了土壤细菌群落的结构组成，影响了土壤真菌群落组成及丛枝菌根真菌群落结构。李小炜等[21]在榆林市北部沙区施用微生物类土壤改良剂后显著提高了土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等含量。周磊[16]研究表明，在科尔沁沙地施用改性膨润土后提高了0～40 cm土层土壤微生物生物量碳、氮、磷和土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性。吴苗[35]在毛乌素沙地施用微生物菌剂后，N-乙酰-β-D-葡糖糖苷酶、酸性磷酸酶以及酚氧化酶的活性显著增大，并且土壤细菌中变形菌门、放线菌门和拟杆菌门相对丰度较高。周吉祥[31]研究表明，有机沙化土壤改良剂可提高土壤养分含量，增加土壤胞外酶活性和碳库库容，影响土壤微生物群落结构，培育土壤肥力。吕涛等[30]在库布齐沙漠西北缘典型沙化土地施用不同改良剂可以有效地提高沙化土壤中微生物数量及酶活性。

3 改良剂对植物的影响

3.1 对沙地植物生长的影响

土壤沙化致使土壤质量变差，随着沙化程度增加，植被群落的覆盖度、群落物种的多样性以及植被地上和地下的生物量都急剧下降[36-38]。土壤改良剂可通过改善土壤的理化性质，增加土壤含水量，增强土壤中微生物活动，提高土壤保水保肥能力，从而为植物的生长发育创造良好的生存环境[11]。改善沙化土壤的理化性质，促进地上植物生长发育与增加沙地植被覆盖率是改良与治理沙化土壤的重中之重。

蒋坤云等[26]发现环保型土壤改良剂有效促进了小叶锦鸡儿的高生长和根系的生长。张宾宾[28]在沙地施加3种土壤改良剂后发现，对杨柴、柠条、沙柳、欧美杨4个树种的新梢生长及生物量均有不同程度的促进效果。摄晓燕[25]研究表明，在同一养分和水分梯度下，在风沙土中添加砒砂岩可提高黑麦草的地上生物量和地下生物量。刘晓林[17]研究结果表明，在川西北高寒沙地施用纯化肥、牦牛粪、秸秆改良剂和菌渣改良剂均能够有效促进黑麦草的生长发育。吴苗[35]研究表明，2种固沙措施下，施用微生物菌剂后样方内植物生长迅速并且植物盖度和高度的增加效果显著。

3.2 对作物生长的影响

改良剂对沙质土壤耕地作物生长及产量存在显著影响，并且施用量不同，对作物的影响效果不同，当施用量为12 t·hm-2时，燕麦籽粒产量和地上生物量最高，而且对燕麦籽粒粗蛋白、赖氨酸和B-葡聚糖含量影响显著[9]。周磊[16]研究也认为，施加改良剂对沙地玉米具有极显著的增产效果。王桂君[15]将生物炭和有机肥联合施加后发现，作物生物量积累以及产量显著增加，说明这两种材料是优质的沙化土壤改良剂，均具有较高的农业利用价值。周磊[16]在科尔沁沙地的沙质土壤耕地施用改性膨润土后，玉米株高、叶面积指数、地上干物质量和根干重均得到显著提高。李小炜等[21]研究不同的施用方法认为，基施土壤改良剂均能显著提高玉米株高、茎粗、鲜重以及氮、磷、钾含量和产量，微生物土壤改良剂更有利于促进种子子粒氮和磷的吸收，提高种子品质。陈霁菲[18]研究表明将有机改良剂结合起垄覆膜能够优化枸杞的生长参数，改善枸杞的品质，提高枸杞的产量以及土壤水分利用效率。

4 存在问题及研究趋势

沙化土壤改良剂是应对土地退化的重要措施，其开发与应用具有广阔的前景。目前，土壤改良剂在农业生产领域开展的相关研究较多，在沙地、沙漠、沙化草地领域的研究相对欠缺，并且对环境友好型、长效性的多功能型土壤改良剂的研发与应用更为薄弱。另外，针对沙化土壤改良剂的相关研究多处于室内试验，大田应用研究相对偏少，导致改良剂的配套应用技术相对匮乏。土壤改良剂是农林及环境领域实现高质量发展的重要选择之一，因此，新型土壤改良剂的研发、研究与应用应该引起有关部门重视。

沙化土壤改良剂是实现沙化土地质量提升的可靠保证，从农林高质量发展需求来看，以下几个方面应该得到重视：

(1)改良剂的原材料及其加工工艺将面向低成本，此是沙化改良剂降低成本的根本保证。应充分利用秸秆、枝条等农林冗余物、废弃物材料，通过加工工艺改进，研制低成本、环保型改良剂。

(2)注重沙化土壤改良剂水土保持、抑制土壤风蚀等附加功能挖掘，研发多种功能于一体的复合型改良剂，更加注重配套技术应用研究。

(3)耐旱、耐低温等优良抗逆微生物挖掘及其功能菌改良剂的研制与利用，微生物类改良剂兼具有毒有害物质降解、无机养分激活等功能。

(4)开展沙化土壤退化监测，为改良剂的选择提供依据。同时，更加注重构建改良剂施用效益监测与评价体系，有利于支撑沙化土地的科学防治。