土壤熟化技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

摘要 ""隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，退化土壤日益增多，土壤質(zhì)量形勢嚴(yán)峻，土壤改良已然成為亟待解決的科學(xué)問題和研究熱點(diǎn)。作為土壤改良的重要研究方向，土壤快速熟化技術(shù)通過快速提高土壤肥力提升了農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。主要結(jié)合土壤退化的現(xiàn)狀，梳理與闡述了基于物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)的3種土壤熟化技術(shù)及相關(guān)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展和應(yīng)用，分析了土壤熟化技術(shù)存在問題并提出展望，為土壤熟化技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞" 土壤退化；快速熟化；改良劑；聯(lián)合修復(fù)

中圖分類號(hào)" S154" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A" 文章編號(hào) "0517-6611（2024）05-0007-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.002

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progress in Soil Ripening Technology and Its Application

LI Qi，XU Ya-dong，LI Yu-hang et al

（School of Ecology and Environment，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan" 610059）

Abstract" With the development of industry and agriculture，the number of degraded soil is increasing，and the situation of soil quality is severe.Soil improvement has become an urgent scientific problem and research hotspot to be solved.As an important research direction of soil improvement，rapid soil ripening technology has improved the quality and yield of crops by rapidly improving soil fertility.In this paper，based on the current situation of soil degradation，the research status，development and application of three soil ripening technologies and related joint remediation technologies at home and abroad based on physical remediation，chemical remediation，and bioremediation are summarized and expounded.The existing problems of soil ripening technology are analyzed and the prospect is proposed，providing reference and help for the development of soil ripening technology.

Key words" Soil degradation;Rapid maturation;Improvers;Joint repair

作者簡介" 李琪（1993—），女，四川成都人，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境微生物學(xué)及生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。*通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事植物學(xué)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。

收稿日期" 2023-05-21

土壤是人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)，但如今全球土壤退化面積日益增多，土壤退化已成為全世界面臨的難題之一。全球氣候變化引起了土地退化，土地荒漠化是土壤退化的主要因素之一，其沙化面積逐年增加。黃土高原作為我國沙化典型地區(qū)，由20世紀(jì)50—70年代的1 560 km2上升到90年代的2 460 km2［1］。同時(shí)，人類的不合理利用和管理導(dǎo)致土壤退化面積急劇增加、土壤質(zhì)量下降，使植被減少、生物多樣性降低，給生態(tài)系統(tǒng)本身和環(huán)境帶來巨大的壓力和威脅［2］，其中工程施工也不可避免地造成了土壤破壞［3］。因此，退化土壤改良及修復(fù)通過提高土壤質(zhì)量促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

土壤熟化是指自然退化土壤經(jīng)人類活動(dòng)、定向培育，逐步轉(zhuǎn)化為利于作物生長的肥澤土壤的過程。其標(biāo)志是土壤物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有機(jī)物質(zhì)和營養(yǎng)含量增高，水分通透性和貯水能力保持在一個(gè)良好的平衡狀態(tài)，微生物的活性保持高效穩(wěn)定，可提供土壤作物生長所需的水、肥、氣［4］。對退化的土壤進(jìn)行熟化改良，可恢復(fù)土壤的生產(chǎn)能力，提高土壤的肥力，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可保證耕地安全，保證糧食安全［5］。該研究針對退化土壤，通過綜述近年來土壤熟化相關(guān)技術(shù)，將土壤熟化技術(shù)歸納總結(jié)為三大類，分別為物理、化學(xué)和生物熟化技術(shù)。以期因地制宜采用適宜的熟化方法提高土壤熟化程度，為退化土壤的改良及應(yīng)用提供參考。

1" 土壤熟化技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1" 物理修復(fù)法" 早期的物理修復(fù)法對設(shè)備和工藝要求過高，成本過高，并且沒有根本解決土壤污染等問題，甚至可能造成二次污染。隨著一些新型的技術(shù)、設(shè)備的出現(xiàn)，物理修復(fù)法改良土壤有了新的發(fā)展，如：電修復(fù)法、土壤氣相抽提法等［6］。電修復(fù)法是利用電極直接接觸污染的地下水或土壤，在直流電的作用下形成直流電場，從而使污染的土壤發(fā)生氧化還原反應(yīng)、水解反應(yīng)等，進(jìn)而影響土壤的pH、土壤水分布、氧化還原等理化性質(zhì)［7］；氣相抽提法是利用物理法除去土壤中揮發(fā)性有機(jī)物的原位修復(fù)技術(shù)，流過污染土壤孔隙的空氣在真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓驅(qū)使下，解吸并夾帶揮發(fā)性有機(jī)物流向抽取井，并引至地面處理［8］。土壤修復(fù)中可通過物理修復(fù)對污染物進(jìn)行去除并促進(jìn)熟化過程，物理措施技術(shù)簡單、容易操作但投入成本大、工程量大且周期長［9］。

1.2" 化學(xué)修復(fù)法" 化學(xué)熟化主要是加入化學(xué)改良劑通過化學(xué)反應(yīng)降低鹽堿土壤中的可溶性鹽堿度和pH來降低堿性［10］，化學(xué)改良技術(shù)因效果快、效果穩(wěn)定被廣泛應(yīng)用。

1.2.1" 土壤污染的化學(xué)修復(fù)。土壤污染治理對土壤的改良和熟化具有重要意義，在土壤中發(fā)生吸附、溶解、氧化還原、拮抗、絡(luò)合螯合或沉淀作用，從而降低環(huán)境中的污染物的濃度或生物有效性。常用的有固化法、穩(wěn)定化、萃取法和淋洗法：固化法是將被重金屬污染土壤與固化劑按一定比例混合，形成低滲透性固體混合物，進(jìn)而隔離污染土壤與外界聯(lián)系。穩(wěn)定化將土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為低毒性、易處理的穩(wěn)定性物質(zhì)。萃取法利用污染物在不同溶劑中的溶解度不同，將污染物進(jìn)行分離。淋洗法通過清水清洗，使得土壤中某些含有化學(xué)助劑的物質(zhì)能除去污染物。具體方法要根據(jù)土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，如固化法適合處理數(shù)量少但是污染嚴(yán)重的土壤，萃取法僅適用于高濃度油污染的土壤，而化學(xué)氧化法雖然操作比較復(fù)雜，但是可以靈活地應(yīng)用于不同類型污染物污染的土壤［11］。

1.2.2" 土壤熟化的化學(xué)改良劑。施用土壤改良劑屬于化學(xué)修復(fù)技術(shù)中常見的處理技術(shù)。土壤改良劑的類型多樣，依據(jù)材料來源一般可分為4種類型，即高分子類、礦物類、有機(jī)類和其他類型。聶朝陽［12］通過在鹽堿地上施用高分子類土壤改良劑腐殖酸基有機(jī)物料，發(fā)現(xiàn)腐殖酸基有機(jī)物料單施及配施對不同鹽堿程度土壤均具有改善作用。黃怡［13］以有機(jī)類土壤改良劑小麥秸稈生物炭在新疆灰漠土和陜西風(fēng)沙土試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物炭可促進(jìn)微生物生長、提高土壤酶活性從而改良土壤品質(zhì)；趙旭等［14］以礦物類土壤改良劑煤矸石和粉煤灰為材料，采用盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一定比例的煤矸石和粉煤灰可有效降低土壤容重和pH。對于酸性土壤，土壤改良劑在對土壤 pH進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)，也能改善土壤其他性質(zhì)，如土壤的酸度、養(yǎng)分、溫度及土壤微生物和酶活性［15］。部分不同原料類型的礦物類土壤改良劑及改良原理見表1。

1.3" 生物熟化" 生物熟化技術(shù)被認(rèn)為是清潔土壤熟化技術(shù)，對土壤副作用小，有巨大的生態(tài)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［23］。自20世紀(jì)80年代以來， 生物改良技術(shù)的研究和發(fā)展主要利用生物分解有毒有害物質(zhì)以去除土壤中的污染物，同時(shí)改良土壤物理結(jié)構(gòu)、提高化學(xué)養(yǎng)分和微生物多樣性，加速土壤熟化［4］。生物改良技術(shù)具有很大的生態(tài)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可在土壤改良領(lǐng)域加以借鑒和持續(xù)應(yīng)用［23］。

生物熟化土壤技術(shù)主要利用人工接種土壤動(dòng)物、微生物和種植植物，協(xié)調(diào)成土過程中水、肥、氣、熱等因素，從而促進(jìn)土壤黏化和有機(jī)質(zhì)聚集，形成較好的土壤團(tuán)聚體的同時(shí)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。生物熟化過程中應(yīng)更多關(guān)注成土基質(zhì)團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分、土壤水分入滲、酸堿緩沖性、土壤微生物、土壤結(jié)皮等多種指標(biāo)的變化及其對不同成土材料組配的影響［24］。生物熟化技術(shù)往往對土壤無較大污染，同時(shí)可提高土壤肥力并排除鹽分［25］，不足之處是處理效果不穩(wěn)定［26］。生物熟化主要包括三方面，一是種植耐鹽植物，二是接種土壤動(dòng)物，三是施用生物菌肥。

1.3.1" 種植耐鹽植物。耐鹽堿植物自身的代謝活動(dòng)既能增加土壤有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)含量，還能減緩地表水汽蒸發(fā)，抑制積鹽返鹽，增大覆蓋面積；也可借助葉片蒸騰作用來降低地下水位，進(jìn)而減慢土壤中鹽分的淋失或加強(qiáng)抑制土壤表層鹽分反鹽，并改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)［27］。例如，天津?yàn)I海在對鹽堿地的生物改良中選擇當(dāng)?shù)鼐哂锌果}堿能力的苗木，并取得良好效益［28］；鄭普山等［29］在山西大同、朔州等地，通過連續(xù)多年栽培苜蓿，發(fā)現(xiàn)其對鹽堿地土壤脫鹽效果顯著。常見的耐鹽植物改良效果可總結(jié)為：①耐鹽生物作為生物框架，可以帶走土壤中的鹽分，改善鹽堿土壤；②減少土壤蒸發(fā)，減少耕層中的鹽分積累；③改善鹽堿土的理化性質(zhì)，降低土壤容重，提高土壤肥力［30］。

1.3.2" 接種土壤動(dòng)物。蚯蚓是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最具代表性的大型動(dòng)物之一，蚯蚓各種生理活動(dòng)對改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)和能量代謝有顯著作用［31］。能夠顯著地提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和土壤 C、N 的有效性［32］。從土壤有機(jī)碳含量不同程度增加可知，蚯蚓對自然與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳庫有潛在影響，促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)也有助于水土流失與土壤結(jié)構(gòu)退化較嚴(yán)重的地區(qū)中土壤有機(jī)碳庫的恢復(fù)。進(jìn)行地表植物殘?bào)w的覆蓋并接種蚯蚓是可供選擇的生態(tài)工程措施［33］。

1.3.3" 施用生物菌肥。生物菌肥又稱生物肥或微生物菌肥，是一種由微生物和微生物產(chǎn)物形成的一系列生物產(chǎn)品［34］，可以提高土壤中有益微生物數(shù)量和活性，促進(jìn)土壤中的養(yǎng)料循環(huán)，增加土壤肥力，進(jìn)而調(diào)高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［35］。這些微生物可作為固氮?jiǎng)⒘姿猁}增溶劑、硫氧化劑或有機(jī)物分解劑。通過對比生物菌肥和傳統(tǒng)有機(jī)肥料的改良效果發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過微生物改良劑處理的土壤中，相比傳統(tǒng)有機(jī)肥改良的土壤，土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和保水能力均得到顯著提升［36］。微生物可通過分解碳源物質(zhì)和多糖類物質(zhì)對土壤的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)改善土壤物理的結(jié)構(gòu)［37］。在土壤中接種具有解磷功能的微生物菌群，可分解土壤中存在的鈣化類物質(zhì)，進(jìn)而降低土壤中有效磷含量［38］。劉衛(wèi)敏［39］以廢棄礦區(qū)土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)種植黑麥草并添加氧化亞鐵硫桿菌的處理方法，大大增加了廢棄礦區(qū)土壤中的重金屬去除率。常見生物菌肥按其特性分類見表2。

1.4" 土壤的聯(lián)合修復(fù)方法

1.4.1" 微生物-植物聯(lián)合修復(fù)。近年來，重金屬污染土壤的植物-微生物修復(fù)技術(shù)已成為國內(nèi)外研究重點(diǎn)，該技術(shù)憑借土壤-微生物-植物的共存關(guān)系，依靠微生物與植物修復(fù)能力優(yōu)勢，提高土壤修復(fù)的效率［44］ 。微生物-植物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制有以下兩類：①“功能菌-植物”機(jī)制，重金屬污染的土壤中可能會(huì)存在活性不受影響的耐受性菌株［45-46］，該菌株的存在有利于植物修復(fù)的進(jìn)行，形成植物-微生物聯(lián)合修復(fù)體系。Ma等［47］成功地從Ni污染土壤中分離得到耐受重金屬污染的細(xì)菌，并發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌在較高水平重金屬污染的土壤中能夠促進(jìn)植物生長。②“菌-植物共生體系”，土壤中的真菌菌絲可以和高等植物營養(yǎng)根系形成菌根［48］，菌根可對根際微生態(tài)環(huán)境進(jìn)行改善，提高植物抗病能力，增強(qiáng)植物在逆境條件下的生存能力［49］。黃藝等［50］發(fā)現(xiàn)，在苗木中施加金屬物質(zhì)Zn、Cu，菌根苗的Cu和Zn的含量是非菌根植物的2.6和1.3倍。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)污染物類別去確定修復(fù)機(jī)制，以充分利用每種機(jī)制的優(yōu)勢。

1.4.2" 植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)。植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)沒有過于復(fù)雜的修復(fù)機(jī)制，多因各自活動(dòng)區(qū)域重合而互相產(chǎn)生影響。 以蚯蚓為代表的土壤動(dòng)物與植物聯(lián)合修復(fù)研究分為“蚓體-植物”和“蚓糞-植物”兩個(gè)方向［51］。“蚓體-植物”體系主要依靠蚯蚓的活動(dòng)改善土壤結(jié)構(gòu)并為植物提供養(yǎng)分，蚯蚓可通過掘穴、進(jìn)食等過程而對植物根際土壤進(jìn)行優(yōu)化；“蚓糞-植物”體系依靠蚓糞提供給植物可溶性鹽和腐殖質(zhì)，并對改善土壤結(jié)構(gòu)和去除污染物有可利用性［51］。田偉莉等［52］通過大田試驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)，動(dòng)植物聯(lián)合修復(fù)的效果優(yōu)于單個(gè)動(dòng)物修復(fù)或植物修復(fù)的簡單疊加，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。

1.4.3" 微生物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)。微生物與動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)機(jī)制主要是動(dòng)物搬運(yùn)攝食和消化排泄。蚯蚓在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)表面攜帶大量細(xì)菌，有利于運(yùn)動(dòng)能力差的細(xì)菌擴(kuò)散，有研究表明，利用蚯蚓構(gòu)建的土壤菌群，可增強(qiáng)微生物與植物聯(lián)合修復(fù)［51］。動(dòng)物消化排泄過程可以為微生物提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，被蚯蚓攝食的微生物，一部分成為其能量來源，另一部分成為蚯蚓腸道內(nèi)菌群，可促進(jìn)蚯蚓消化作用，形成寄生關(guān)系［51，53］。國內(nèi)關(guān)于微生物-植物聯(lián)合修復(fù)研究較少，但該技術(shù)存在一定潛力，值得深入研究。

2" 土壤熟化技術(shù)存在問題

土壤熟化技術(shù)類型多樣，基本可以分為物理、化學(xué)和生物熟化的方法。物理措施往往投入成本大、工程量大且熟化周期長；化學(xué)熟化易引起二次污染，成本較高；生物熟化技術(shù)最大的問題是不夠穩(wěn)定，熟化周期一般較長。目前對土壤熟化技術(shù)實(shí)際作用機(jī)理研究并不夠透徹，并且熟化后增產(chǎn)效果也往往不理想，熟化技術(shù)可能也會(huì)造成負(fù)面影響。比如在使用土壤改良劑進(jìn)行土壤熟化的時(shí)候可能會(huì)抑制微生物活性，增加溫室氣體排放、地下水重金屬含量超標(biāo)和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)危害植物降低作物產(chǎn)量；我國土壤熟化試驗(yàn)大都局限于盆栽或小范圍土地試驗(yàn)，可能會(huì)忽略其他自然因素的影響。同時(shí)，改良劑的研究大多是集中在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)的模擬試驗(yàn)，或者直接作用于大田，沒有形成較為系統(tǒng)的熟化過程分析。許多單一改良劑作用周期長，作用效果不佳，而復(fù)合改良劑又缺乏單一材料影響的理論支撐和實(shí)踐校驗(yàn)。此外，土壤熟化的突出問題在于熟化后的土壤的結(jié)構(gòu)和功能并不穩(wěn)定，對土壤退化也缺少系統(tǒng)和長期的定位觀測和適宜性評價(jià)，對土壤熟化的程度認(rèn)定也沒有系統(tǒng)的、規(guī)范的指標(biāo)，且制定的修復(fù)目標(biāo)缺乏科學(xué)性和合理性。

3" 展望

我國土壤退化的問題日益嚴(yán)重，土壤熟化技術(shù)的改革和創(chuàng)新迫在眉睫。目前，土壤熟化技術(shù)發(fā)展迅速，單一熟化技術(shù)往往效果不太理想。因此，實(shí)現(xiàn)多技術(shù)聯(lián)合熟化提升土壤熟化效果，探究各個(gè)技術(shù)相互影響的機(jī)理和因素是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)土壤修復(fù)的重要途徑。

使用物理和化學(xué)相結(jié)合的熟化技術(shù)可以有效提高土壤熟化的速度，采用植物與微生物相結(jié)合的修復(fù)技術(shù)可原位修復(fù)污染土壤并提升土壤肥力。然而，相關(guān)土壤熟化技術(shù)如化學(xué)熟化在實(shí)際操作的過程中可能會(huì)造成二次污染等問題。生物技術(shù)相比于傳統(tǒng)的工程、化學(xué)、物理法有較高的環(huán)保性，所以當(dāng)下我國加大對生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究勢在必行。通過長期的大田試驗(yàn)，綜合考慮多種外界環(huán)境影響條件，找到最佳熟化條件以達(dá)到最好的改良效果對于實(shí)際土壤肥力提升具有更強(qiáng)的指導(dǎo)意義。此外，加強(qiáng)研究各種熟化技術(shù)的作用機(jī)理，解析土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律與趨勢，并建立相應(yīng)的熟化效果監(jiān)測及評價(jià)指標(biāo)體系，可為推進(jìn)熟化技術(shù)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

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