劉嬌嫻，崔駿，劉洪寶，潘琦，何小松*

1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

人口的快速增長和對自然資源的過度開發(fā)與索取，帶來耕地面積縮減、土地肥力降低、土壤酸化等一系列土壤環(huán)境問題[1]。其中土壤酸化是指土壤無機(jī)堿性組分與無機(jī)強酸組分差值的減少，即酸中和容量減少導(dǎo)致的酸度上升。我國土壤酸化面積達(dá)2.04×108hm2，約占全國土地總面積的22.7%，酸化率從2.6 keq/(hm2·a)（以H+計，全文同）增至7.6 keq/(hm2·a)[2-3]。大氣酸沉降過程和化肥過量施用是造成土壤酸化的主要成因。針對我國南方地區(qū)大范圍酸雨導(dǎo)致土壤酸化的問題，在2007 年國務(wù)院頒布的《國家環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》[4]中，明確限制SO2排放。隨著土壤酸化問題越來越受到重視，現(xiàn)行的《土壤污染防治行動計劃》明確指出，可通過減少化肥使用量的方式減緩?fù)寥浪峄?。但受到可變電荷土壤特性的影響，江西、福建、重慶、廣西、湖南、浙江等?。▍^(qū)、市）土壤酸化嚴(yán)重，以1:1 型高嶺石為代表的礦物含量高，2:1 型黏土礦物含量少，導(dǎo)致土壤酸緩沖能力差、易酸化[2,5]。土壤酸化影響土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，降低土壤質(zhì)量，抑制作物生長，降低作物產(chǎn)量[6]。因此，改善我國土壤酸化現(xiàn)狀具有重要現(xiàn)實意義。

添加土壤改良劑是緩解土壤酸化的有效措施之一[7]。土壤改良劑指的是能改善土壤物理、化學(xué)和生物特性的一類化合物[8]，如石灰類、礦物和工業(yè)副產(chǎn)品、有機(jī)物料和生物質(zhì)炭等[9]，具有提升土壤pH、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少養(yǎng)分流失、優(yōu)化微生物種群結(jié)構(gòu)等功能，并且有助于構(gòu)建適宜植物生長的微環(huán)境。同時土壤改良劑的制備促進(jìn)工農(nóng)業(yè)廢物的資源化利用，助推綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。筆者從離子平衡和遷移轉(zhuǎn)換的角度分析土壤酸化原因，總結(jié)酸化土壤改良劑分類、作用機(jī)理、改良效果，闡述其對作物品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，并對新型土壤改良劑未來研發(fā)方向進(jìn)行展望。

1 土壤酸化原因

自然和人為因素共同影響土壤中離子的遷移轉(zhuǎn)換過程，其中氫離子（H+）和鹽基離子（K+、Ca2+、Mg2+、Na+）在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化是影響土壤酸化的根本原因。H+濃度升高，導(dǎo)致土壤酸中和容量降低，加劇酸化；鹽基離子濃度降低，導(dǎo)致土壤膠體質(zhì)子置換容量和酸緩沖能力降低[10]。

可從H+和鹽基離子遷移轉(zhuǎn)化角度解析土壤酸化原因（圖1）。大氣中酸性物質(zhì)（NOx、SOx）和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成HNO3和H2SO4，其在大氣濕沉降作用下進(jìn)入土壤；此外，NOx、SOx等酸性物質(zhì)在大氣干沉降作用下進(jìn)入表層土壤，與水發(fā)生反應(yīng)生成HNO3和H2SO4等酸性物質(zhì)，在干、濕沉降共同作用下，土壤酸度緩慢提升[6]。此外，化肥的過度施用也會提升土壤酸度。肥料中含有大量尿素，其發(fā)生氨化反應(yīng)，生成和OH-〔式(1)〕，產(chǎn)生的分解，生成揮發(fā)態(tài)NH3和H+〔式(2)〕。同時，發(fā)生硝化反應(yīng)，生成H+和〔式(3)〕，發(fā)生反硝化生成N2及其被植物進(jìn)一步吸收的過程，消耗H+〔式(4)～式(5)〕。當(dāng)?shù)适┘舆^量時，植物吸收土壤環(huán)境中殘余的將其轉(zhuǎn)化成氨基酸，提升土壤中H+濃度〔式(6)〕[11-12]；表層土壤吸收空氣中的CO2，與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化成和H+；植物根部分泌產(chǎn)生檸檬酸、阿魏酸和蘋果酸等有機(jī)酸，易發(fā)生解離，產(chǎn)生RCOO-和H+。上述過程形成的和RCOO-易隨鹽基離子淋溶流失，造成土壤H+累積，酸度提升[13-14]。最后，土壤中有機(jī)物的硝化和氧化、金屬離子絡(luò)合、還原性物質(zhì)（H2S 和Fe2S3）氧化等過程，均會提升土壤酸度。此外，作為土壤的主要組成部分，鹽基離子具有顯著的酸緩沖特性[15]，在植物吸收、鹽基離子置換和降水淋溶等作用下，導(dǎo)致鹽基離子流失，降低土壤鹽基飽和度和土壤酸緩沖性能，提升土壤酸度。植物生長發(fā)育過程吸收大量鹽基離子并將其儲存在植物器官內(nèi)部，若植物殘體不進(jìn)行還田處理，會導(dǎo)致土壤鹽基離子濃度降低，長此以往造成土壤酸化。當(dāng)土壤H+和Al3+濃度上升時，土壤膠體交換位點的鹽基離子被H+和Al3+置換到土壤淋溶液中，易隨降水淋溶流失，提升土壤酸度[16-19]?？傊庠碒+濃度升高和土壤鹽基離子濃度降低，共同造成土壤酸化。

土壤酸化反應(yīng)式如下：

2 土壤改良劑的種類、功能及其應(yīng)用

土壤改良劑又稱土壤調(diào)理劑，廣義上指能改良和調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)的一類物質(zhì)，狹義上指加入土壤中用于改善土壤物理、化學(xué)、生物活性的物質(zhì)。按原料來源可分為天然改良劑、人工合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑和生物改良劑[22]；按用途可分為針對酸化土壤、鹽堿地、防止土壤退化、防治土壤侵蝕、降低土壤重金屬污染等方面的改良劑；按性質(zhì)可分為酸性土壤改良劑、堿性土壤改良劑、營養(yǎng)型土壤改良劑、有機(jī)物土壤改良劑、無機(jī)物土壤改良劑和生物制劑改良劑等。酸性土壤改良劑可分為石灰類改良劑（石灰石、白云石等），礦物和工業(yè)副產(chǎn)品（磷石膏、堿渣、粉煤灰等），有機(jī)物料改良劑（秸稈、腐熟糞便等），新型改良劑（聚丙烯酰胺、叢枝菌根真菌等）[23]（表1），目前使用較多的有石灰、粉煤灰和生物質(zhì)炭[24]。

表1 常見酸性改良劑的優(yōu)缺點[9]Table 1 Advantages and disadvantages of common acidification amendments

酸性土壤改良劑在調(diào)節(jié)土壤pH 的同時，具有改善土壤其他理化性質(zhì)的作用：1）提供植物所需養(yǎng)分，有效抑制養(yǎng)分遷移，提升養(yǎng)分有效性[25]。如Masud等[26]以石灰、雞糞、生物質(zhì)炭為土壤改良劑，不僅將土壤pH 提高了0.29～1.20、交換性酸度降低29.34%～66.23%，同時提高土壤堿解陽離子和有效磷濃度，提高玉米產(chǎn)量。2）降低土壤容重，增加土壤孔隙，提升土壤團(tuán)聚性，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤透氣性、保水性，促進(jìn)作物對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。如Bossolani等[27]將磷石膏和石灰配施加入土壤，發(fā)現(xiàn)增加了真菌的豐富度和土壤有機(jī)碳含量，同時促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，降低土壤堆積密度，增加土壤孔隙度，提高玉米和蕓苔產(chǎn)量。3）影響土壤生物豐富度和多樣性，有效防治病蟲害和增加養(yǎng)分有效性，改善作物生長環(huán)境，提高植物生產(chǎn)力，達(dá)到增產(chǎn)提質(zhì)的目的。如Markakis 等[28]發(fā)現(xiàn)堆肥使土壤酚類化合物濃度提高了3.7～4.4 倍，抑制了鐮刀菌和黃萎病菌豐度，增加了黃瓜和茄子的鮮重。4）能通過提高土壤pH、增加吸附位點數(shù)量促進(jìn)重金屬絡(luò)合和沉淀，降低重金屬的生物有效性，減少對作物的危害[29-30]。如Huang等[31]將無機(jī)和有機(jī)改良劑配施加入受重金屬污染的酸性土壤，使pH 提高了1.99～3.32，Cd、Pb、Cu 和Zn 等土壤提取態(tài)濃度降低，提升了土壤呼吸及細(xì)菌的多樣性，促進(jìn)了萵苣的生長，降低植物根和莖中Cd、Pb、Cu 和Zn 濃度。

3 土壤改良劑的作用原理

3.1 土壤改良劑對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.1.1對土壤酸度的影響

土壤酸度分為活性酸度和潛性酸度，土壤溶液中H+濃度代表活性酸度（pH），土壤膠體上吸附態(tài)的可交換性H+和Al3+，在離子交換作用下進(jìn)入淋溶液中的酸度為潛性酸度。酸度是影響土壤環(huán)境質(zhì)量，限制作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)之一[32]。通常酸化土壤中含有高濃度的H+和Al3+，影響土壤中氧化還原、吸附解吸、沉淀溶解、絡(luò)合等一系列化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。高濃度的H+和Al3+抑制植物根部細(xì)胞分裂、伸長和膜運輸[33]，打破植物內(nèi)部激素平衡[34-36]，抑制植物生長發(fā)育，降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)。酸性土壤改良劑通過降低土壤H+和Al3+濃度改善土壤酸環(huán)境，其機(jī)理如圖2 所示。

圖2 土壤改良劑改善土壤酸環(huán)境機(jī)理Fig.2 Mechanism of soil amendments to improve soil acid environment

酸性土壤改良劑富含堿性組分，降低土壤溶液中H+和Al3+濃度以及固相中交換性氫和鋁含量，達(dá)到改善土壤酸度的目的。其作用機(jī)理如下：石灰類、生物質(zhì)炭和有機(jī)改良劑富含OH-、有機(jī)陰離子、氧化物等堿性組分，易與土壤溶液中H+發(fā)生中和、復(fù)分解等反應(yīng)，產(chǎn)生H2O 和提高土壤pH。pH 升高促進(jìn)土壤溶液中Al3+發(fā)生聚合、沉淀、配合和水解等一系列反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為低毒的Al(OH)3、有機(jī)和無機(jī)鋁配合物[38]，降低Al3+濃度；生物質(zhì)炭表面羥基、羧基官能團(tuán)吸附溶液中單體鋁（Al3+為主要存在形態(tài)）發(fā)生酯化反應(yīng)，形成有機(jī)復(fù)合體，硅酸鹽與Al3+共沉淀，生成KAlSi3O8等化合物[39]，降低土壤酸度；磷石膏中富含作用于土壤膠體交換出OH-產(chǎn)生石灰效應(yīng)，有機(jī)質(zhì)分解過程中，有機(jī)氮在氨化作用下產(chǎn)生OH-，中和H+和Al3+酸度[40]；改良劑中堿基陽離子也能將土壤溶液中H+和Al3+置換到土壤膠體表面，降低酸度。Butterly 等[41]以有機(jī)物料為改良劑，發(fā)現(xiàn)有機(jī)氮在氨化作用下產(chǎn)生OH-，降低H+和Al3+濃度，改善了土壤酸度。改良劑還能降低土壤固相中交換性氫和鋁含量，改善土壤酸環(huán)境。交換態(tài)鋁以Al3+為主要形態(tài)，吸附在土壤黏?；蚰z體表面。改良劑促進(jìn)土壤溶液中Al3+或膠體表面交換性鋁聚合生成吸附態(tài)羥基鋁，交換態(tài)鋁、羥基鋁有機(jī)質(zhì)配合成有機(jī)配合態(tài)鋁[38]，降低潛在酸度。Elisa 等[42]發(fā)現(xiàn)硅酸鈣中單硅酸形式硅吸附土壤表面交換性鋁，形成穩(wěn)定化合物，減少Al3+溶出，實現(xiàn)改良酸性土壤的目的。

改良劑種類、劑量和聯(lián)合配施方式是影響土壤酸環(huán)境的重要因素。糞肥中腐殖質(zhì)類物質(zhì)富含羧基、酚基、烯基等官能團(tuán)，比秸稈消耗更多質(zhì)子[43]，而石灰和工業(yè)副產(chǎn)品堿度比有機(jī)改良劑高[44]。因此，改良劑改善酸度效果遵循糞肥＞作物殘渣、無機(jī)改良劑＞有機(jī)改良劑。通常改良劑劑量和改善效果呈正相關(guān)。Raboin 等[45]把生物質(zhì)炭、白云石加入酸性土壤，發(fā)現(xiàn)土壤pH 隨改良劑用量增大而增大，且土壤pH 提升至5 以上。2 種及2 種以上有機(jī)改良劑和無機(jī)改良劑配施是近期研究熱點和研究趨勢。如Zhao 等[44]將油菜、花生秸稈與堿性礦渣共同加入酸性土壤，發(fā)現(xiàn)復(fù)合改良劑對土壤pH 和有機(jī)質(zhì)含量提升效果明顯，促進(jìn)Al3+轉(zhuǎn)化為羥基鋁、氫氧化鋁和無毒性有機(jī)復(fù)合體。Shi 等[46]配施生物灰分、骨粉和堿渣改良酸性土，發(fā)現(xiàn)復(fù)合改良劑使pH 升高0.63～1.37，且3 種改良劑聯(lián)合施用效果最佳，交換性酸度下降80.1%～96.9%。

改良劑在改善土壤環(huán)境酸度方面也存在一定負(fù)面影響。石灰類改良劑因溶解度低，在土壤垂直剖面移動速度緩慢，對土壤亞表層酸度改良效果不佳，同時易復(fù)酸且酸化程度嚴(yán)重[47]。磷石膏還會增加土壤溶液可溶性Al 濃度，促進(jìn)低毒Al 向高毒Al 轉(zhuǎn)化[48]。此外，生物質(zhì)炭、有機(jī)物料和石灰等改良劑用量大，需多次施用和混施化肥，成本較高，但高施用量不能大幅提高土壤pH。因此，要綜合考慮改良效果，選取最適改良劑。目前改良劑類別、劑量、投加方法和聯(lián)合配施方式的研究較為深入，但土壤類型、植物種類和其他影響因素的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不同條件下，土壤、微生物、植物和改良劑間作用方式有較大差異。因此，應(yīng)開展長期的大田試驗，綜合考慮多因素系統(tǒng)評價改良劑效果，為土壤改良劑的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

3.1.2對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是植物生長發(fā)育的必需條件之一，其含量與土壤肥力密切相關(guān)。酸化增加土壤膠體正電荷，土壤逐漸呈正電性，在靜電作用下減少吸附堿基陽離子，易使養(yǎng)分隨降水淋溶，故酸化土壤養(yǎng)分含量低。改良劑通過補充養(yǎng)分和提升養(yǎng)分固持力增加土壤養(yǎng)分（圖3），減緩?fù)寥浪峄M(jìn)程，為植物生長提供營養(yǎng)，增加作物產(chǎn)量，提升作物品質(zhì)。

圖3 土壤改良劑改善養(yǎng)分機(jī)理Fig.3 Mechanism of soil amendments to improve nutrients

改良劑富含植物生長發(fā)育必需的大量、中量和微量元素，其加入土壤會增加養(yǎng)分含量，其養(yǎng)分含量影響土壤養(yǎng)分的增加程度。Dai 等[49]由文獻(xiàn)總結(jié)提出，原料組成、熱解溫度控制生物質(zhì)炭養(yǎng)分含量，表現(xiàn)為糞肥來源＞木材來源＞草料來源，熱解溫度高，原料中碳、氮等物質(zhì)易揮發(fā)，養(yǎng)分含量較低。同時，有機(jī)物料改良劑富含Ca、Mg、N、P 及K，粉煤灰富含B、Mo 及Se，堆肥改良劑含有Mn、Zn 及Cu 等，加入土壤均能提高土壤對應(yīng)的養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長。Mahmood 等[50]把羊糞、農(nóng)家肥和豬糞加至土壤，增加了土壤總氮、總磷、全鉀和土壤有機(jī)碳含量。Crusciol 等[51]以磷石膏、石灰和硅酸鹽為改良劑，提高了土壤全剖面K、Ca、Mg、含量，改善了旱稻生長條件。改良劑可提高土壤陽離子交換量（CEC），增加養(yǎng)分固持力，降低養(yǎng)分淋失。石灰和鈣-蒙脫石富含鹽基離子，減少堿基陽離子置換出土壤膠體，增加CEC[40]。有機(jī)改良劑能補充土壤有機(jī)質(zhì)，提高CEC，還能通過無機(jī)氮轉(zhuǎn)為有機(jī)氮形式，在微生物礦化下分解有機(jī)氮，減少淋溶氮，增加養(yǎng)分利用率[52]。礦物調(diào)理劑將1:1 型高嶺石轉(zhuǎn)化為呈負(fù)電性2:1 型伊利石，提高了土壤CEC，進(jìn)而吸附又因與結(jié)合能力表現(xiàn)為黏土礦物＞鋁/鐵氧化物，也固定了磷[53]。生物質(zhì)炭表面富含—O、—OH、—COOH 等官能團(tuán)，其加入可提高土壤CEC。納米膨潤土因帶負(fù)電荷、比表面積高和活性吸附位點多，既能改善土壤養(yǎng)分保持力，也能充當(dāng)化肥緩釋載體，提高植物養(yǎng)分利用率[54]。改良劑還能影響微生物活性，增加土壤養(yǎng)分。Plaimart 等[55]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能降低土壤氨氧化細(xì)菌、氨氧化古菌和甲烷氧化菌豐度，抑制土壤硝化作用，減少硝酸鹽淋溶。Borchard等[56]通過文獻(xiàn)總結(jié)提出，生物質(zhì)炭影響微生物群落結(jié)構(gòu)，降低土壤硝化/反硝化作用，減少硝酸鹽浸出量（13%）和N2O 排放量（38%）。Chen 等[57]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭降低了分解有機(jī)碳的放線菌、變形菌、厚壁菌和子囊菌的相對豐度，增強了土壤有機(jī)-礦物質(zhì)相互作用，提高了微生物碳利用效率，從而減少土壤碳流失。

此外，改良劑也通過影響土壤酸度、水分等理化性質(zhì)，增加養(yǎng)分有效性，促進(jìn)植物生長。Pandit等[58]將生物質(zhì)炭加入酸性土壤，結(jié)果表明，其既增加土壤pH 和水分含量，提高土壤、K+、Ca2+和P-Al 濃度，又提升了土壤鉀、磷有效性和玉米產(chǎn)量。Yang 等[59]以緩釋氮肥為改良劑，改善了土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)水稻氮素吸收、減少氮淋溶和氮排放，提高葉片中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶含量，進(jìn)而增加土壤氮素有效性和水稻產(chǎn)量。改良劑還能促進(jìn)土壤有機(jī)態(tài)氮、磷、鉀和碳的礦化作用，增加養(yǎng)分有效性。Ren 等[60]以秸稈和糞肥為改良劑，發(fā)現(xiàn)其增加了土壤微生物生物量碳和生物量氮，促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的分泌，提高土壤氮、磷和鉀的有效性。Zhao 等[61]發(fā)現(xiàn)有機(jī)改良劑刺激了硝化螺旋菌、假單胞菌和鏈霉菌生長，增加微生物生物量，進(jìn)而促進(jìn)土壤硝化作用和有機(jī)質(zhì)礦化，增加氮、磷有效性和小麥產(chǎn)量。Hou 等[62]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭提高硝化螺菌、亞硝化螺菌和亞硝化單胞菌相對豐度，增加了土壤溶解性有機(jī)碳、溶解性有機(jī)氮和有效磷濃度，從而提升養(yǎng)分有效性。改良劑也能促進(jìn)有機(jī)態(tài)磷和無機(jī)磷向可溶性磷轉(zhuǎn)化，增加土壤磷有效性。Afkairin 等[63]將溶磷微生物藍(lán)藻加入土壤，發(fā)現(xiàn)增加了土壤水溶性磷和交換態(tài)磷濃度，提升了磷有效性。

雖然改良劑可增加土壤養(yǎng)分，減少化肥用量，但秸稈和生物質(zhì)炭可能促進(jìn)土壤硝化作用和反硝化作用，導(dǎo)致養(yǎng)分隨降水淋溶和溫室氣體排放[64]。長期大量添加的秸稈若沒有分解完全，秸稈殘渣促進(jìn)大團(tuán)聚體形成，導(dǎo)致土壤孔隙變大，養(yǎng)分易隨降水流失。生物質(zhì)炭還能與土壤養(yǎng)分發(fā)生沉淀或吸附反應(yīng)，降低養(yǎng)分利用率[65]。此外，工業(yè)副產(chǎn)品、糞肥衍生改良劑和新型人工合成改良劑可能造成重金屬風(fēng)險、水體富營養(yǎng)化。因此，為提高改良劑改良效果和提升土壤農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康，控制改良劑中有毒有害物質(zhì)，研發(fā)低毒、高效改良劑是未來研究的重點。

3.2 土壤改良劑對土壤物理性質(zhì)的影響

3.2.1對土壤結(jié)構(gòu)的影響

土壤結(jié)構(gòu)指土壤顆?；驁F(tuán)聚體與孔隙組成的三維結(jié)構(gòu)，決定土壤水、肥、氣、熱貯存和傳輸。土壤結(jié)構(gòu)主要包括土壤孔隙和土壤團(tuán)聚體。酸化增加土壤容重，降低土壤孔隙度和田間持水量，導(dǎo)致土壤板結(jié)嚴(yán)重，水肥氣熱通透性極差。改良劑主要通過改善土壤孔隙和土壤團(tuán)聚性改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解、土壤養(yǎng)分活化、微生物活動和植物根系的伸長。

土壤孔隙指土壤顆?；驁F(tuán)聚體之間的孔隙和團(tuán)聚體內(nèi)部的孔隙，影響土壤溶質(zhì)、水分和氣體的遷移轉(zhuǎn)化，也是微生物運動和生存的場所。改良劑通過改變土壤容重、飽和導(dǎo)水率和孔隙分布等影響土壤孔隙，改善土壤結(jié)構(gòu)[66]。陳丹平[67]發(fā)現(xiàn)以污泥炭和秸稈炭作為改良劑能降低紅壤容重，增加土壤總孔隙度，使土質(zhì)更加疏松，有利于植物吸收養(yǎng)分和水分，并增加小麥產(chǎn)量。改良劑提高土壤孔隙度可歸因于其自身多孔性和大比表面積，以及對土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的改善[68]。Hardie 等[69]發(fā)現(xiàn)高孔徑生物質(zhì)炭可填充或調(diào)節(jié)土壤孔隙，改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加土壤孔隙度。通常土壤孔隙度隨生物質(zhì)炭含量增加而增大，但其顆粒大小也影響土壤孔隙。G??b 等[70]發(fā)現(xiàn)沙土中生物質(zhì)炭使用量越多，土壤堆積密度越低，容重越小，總孔隙度也越高，同時小粒徑生物質(zhì)炭填充土壤孔隙，顯著增加了土壤大孔隙（0.5～500 μm）數(shù)量，從而提高土壤有效水分和水力傳導(dǎo)率，增加土壤保水性。此外，土壤質(zhì)地也影響土壤孔隙分布，如土壤團(tuán)聚體總孔隙度與土壤含砂量呈顯著正相關(guān)，與粉土和黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)[71]。

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量、分布及其穩(wěn)定性是目前土壤結(jié)構(gòu)的研究重點，團(tuán)聚體數(shù)量的增加，小、微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增強都會改善土壤結(jié)構(gòu)[72]。改良劑通過改變土壤有機(jī)質(zhì)、氧化物含量和保水性等影響土壤團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)（圖4）[73]。有機(jī)質(zhì)和氧化物主要充當(dāng)團(tuán)聚體膠結(jié)劑，影響土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性。Yu 等[74]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥可增加微團(tuán)聚體間有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為大團(tuán)聚體，提高土壤幾何平均直徑和質(zhì)量平均直徑，形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體。黏質(zhì)紅壤中非晶態(tài)Fe/Al 氧化物、磚紅壤中螯合Al 氧化物也作為膠結(jié)劑影響團(tuán)聚體形成。Yin 等[73]研究發(fā)現(xiàn)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體數(shù)量與Fe 氧化物含量呈正相關(guān)，黏土顆粒邊緣氧化物能促進(jìn)團(tuán)聚體形成。Du 等[75-76]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與土壤內(nèi)源性、外源性礦物作用形成有機(jī)礦物復(fù)合物，增加土壤團(tuán)聚性，同時礦物質(zhì)（Ca、Fe）促進(jìn)生物質(zhì)炭表面聚集有機(jī)質(zhì)，進(jìn)一步增強團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)。叢生菌根也能通過根外菌絲的纏連作用、分泌物的膠合作用，形成微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體，增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)[77]。土壤保水性與土壤含水量（SWC）、水分動力學(xué)有關(guān)，影響團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定。當(dāng)土壤SWC 較低時，團(tuán)聚體破碎與土壤崩塌作用有關(guān)[78]；而土壤SWC 較高時，土壤不均勻膨脹制約破碎機(jī)制[79]。水分動力學(xué)通常與團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。He 等[80]研究發(fā)現(xiàn)，自然降水降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性。但Rahman等[81]研究發(fā)現(xiàn)，密集干濕循環(huán)增強團(tuán)聚體中碳穩(wěn)定性，促進(jìn)有機(jī)碳作為黏結(jié)劑形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體，增強土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)。低分子量改良劑更能改善土壤團(tuán)聚體性質(zhì)，改良土壤。Albalasmeh等[82]研究發(fā)現(xiàn)，低分子量聚丙烯酰胺（PAM）因進(jìn)入團(tuán)聚體，穩(wěn)定在土壤內(nèi)部和外表面，相比高分子量PAM 更能降低土壤容重、滲透率和飽和導(dǎo)水性，增加土壤保水性，促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成。Zhang等[83]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭使大團(tuán)聚體含量增加19.61%，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加27.72%。但石灰類調(diào)理劑長期施入土壤造成土壤板結(jié)，增加土壤容重，減少土壤孔隙，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差。生物質(zhì)炭有機(jī)質(zhì)和氧化物等膠合劑含量少，也可能堵塞土壤微孔，對土壤結(jié)構(gòu)改善效果不佳。目前對土壤結(jié)構(gòu)影響因素已有一定的認(rèn)識，但不少研究認(rèn)為，由于研究方法和理論的限制，現(xiàn)階段土壤結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果更多取決于選用方法，而非結(jié)構(gòu)本身性質(zhì)的科學(xué)反映。因此，有必要采用新型無損傷技術(shù)對團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量研究[84]。

圖4 土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚方式[85]Fig.4 Mode of soil aggregate formation

3.2.2對土壤溫度的影響

土壤溫度影響土壤養(yǎng)分動態(tài)循環(huán)、水力特性、有機(jī)質(zhì)礦化、微生物活性和植物生長。土壤改良劑通過改變土壤剖面熱力傳播和土壤表面能量分配等方式改善土壤溫度波動。熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和熱容量是土壤溫度的主要反映參數(shù)，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率與溫度呈正相關(guān)，熱容量則與溫度呈負(fù)相關(guān)，受土壤水分、結(jié)構(gòu)、容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響[86]。改良劑改變熱導(dǎo)率和熱容量，影響土壤剖面熱力傳播。Obia 等[87]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能降低土壤密度和容重，增大土壤孔隙，使孔隙充斥更多空氣，從而增加土壤熱容量，降低土壤溫度；雖然孔隙水含量也會增加，導(dǎo)致熱導(dǎo)率升高，提高土壤溫度，但前者降低的溫度高于后者升高的溫度，因此，總體上可降低土壤溫度，減少溫度波動范圍。Zhang 等[88]發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭降低了土壤容重、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，進(jìn)而降低土壤溫度。改良劑也能改變土壤陽光反射率，控制土壤表面能量。顏色較黑的改良劑施入土壤，加深土壤顏色，降低土壤反射率。Oguntunde 等[89]將木炭加入土壤，發(fā)現(xiàn)土壤反射率降低了37%，土壤溫度提高了4 ℃。Genesio 等[90]研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度較低時，添加生物質(zhì)炭能降低紅外波長反射率，增加土壤比熱容和導(dǎo)熱率，吸收更多熱能，提高土壤溫度，減少晝夜溫差。可見，改良劑即可提高土壤溫度，又可降低土壤溫度，目 前對改良劑改善溫度機(jī)理的研究尚不深入，應(yīng)加大研究力度。同時，還需要考慮環(huán)境溫度，在溫度較高時降低土壤溫度，反之亦然，從而減少土壤溫度波動帶來的不利影響。

3.3 土壤改良劑對土壤微生物和酶活性的影響

微生物和酶是土壤環(huán)境變化的重要傳感器，參與C、N、P 等元素地球生物化學(xué)循環(huán)。酸化土壤酸度大、土壤結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分含量和有效性低，影響微生物多樣性和酶活性。土壤改良劑通過改變土壤物理、化學(xué)性質(zhì)等方式，為微生物提供適宜生境，提高參數(shù)水平（表2），促進(jìn)有益、功能性微生物和酶改良土壤。

表2 微生物測試指標(biāo)[91]Table 2 Microbiological test indicators

改良劑通過影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，塑造微生物適宜生境，增加微生物數(shù)量和活性。膨潤土能提高土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和水分含量，增加微生物生物量。He 等[92]研究發(fā)現(xiàn)，以生物質(zhì)炭為改良劑增加了土壤累積孔隙度、孔表面積密度，促進(jìn)了緊密塊狀土壤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)（大孔、中孔），為微生物提供棲息地，提高微生物豐富度和多樣性。Elbl 等[93]發(fā)現(xiàn)秸稈會刺激微生物活性，增強基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸作用，顯著增加微生物生物量。同時，改良劑粒徑會影響改良效果，也會影響微生物群落結(jié)構(gòu)，增加有益菌豐度，抑制致病菌數(shù)量。Tubeileh等[94]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥可引進(jìn)多酚毒性化合物，誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性，降低黃萎病菌豐度，減少甜椒黃萎病發(fā)病率。此外，耕種年限也會影響微生物豐富度和多樣性。Rong等[95]發(fā)現(xiàn)隨耕種年限增長，細(xì)菌和放線菌的數(shù)量和活性增大，并在第4 年達(dá)到最大值。改良劑也會影響土壤理化性質(zhì)，增加酶活性。Luo 等[96]研究發(fā)現(xiàn)，采用秸稈調(diào)節(jié)土壤碳磷比（C/P）和微生物生物量氮，會影響分泌磷酸酶的微生物種群結(jié)構(gòu)，與純礦物施肥相比，可使磷酸酶活性提高22%～53%。Wang 等[97]研究發(fā)現(xiàn)，腐熟豬糞能改善土壤透氣性和保水能力，減少微團(tuán)聚體數(shù)量，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成，增加大團(tuán)聚體中β-葡萄糖苷酶和幾丁質(zhì)酶活性。同時糞肥富含養(yǎng)分且微生物種類豐富，可提供土壤微生物底物，改善根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性。生物質(zhì)炭表面維持大多數(shù)酶活性，并提供微生物利用養(yǎng)分，增加土壤酶活性。Khan 等[98]研究發(fā)現(xiàn)，大麥秸稈可顯著增加革蘭氏陽性菌、真菌數(shù)量，提高水解酶（碳循環(huán)）活性；而豌豆秸稈可增加革蘭氏陰性菌豐度，提高蛋白酶、脲酶（氮循環(huán)）和磷酸酶（磷循環(huán)）活性。

但改良劑也不一定都能增加微生物和酶活性，有時甚至?xí)种破浠钚?。Li 等[99]發(fā)現(xiàn)水稻土施用石灰時，因植被過于單一，土壤初始pH 小于6.5 及土壤有機(jī)碳濃度增幅不大，對真菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)作用不明顯。Zheng 等[100]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭增加了土壤pH、SOC 和碳氮比（C/N），減少了真菌數(shù)量，使子囊菌和擔(dān)子菌豐度分別降低11%和66%。生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)還會固定酶底物和胞外酶，影響活性位點上底物與酶結(jié)合，降低酶活性。Lin 等[101]研究發(fā)現(xiàn)，以石灰和豬糞改良酸性土壤，可降低固氮菌（偶氮水單胞菌、偶氮螺旋菌）豐富度和多樣性，影響土壤固氮能力，降低生物可利用氮含量。李兆林等[102]發(fā)現(xiàn)生石灰可提升土壤pH，但顯著抑制蔗糖酶活性。由于目前分離、檢測優(yōu)勢微生物有一定難度，因此開發(fā)微生物和酶的高分辨分析檢測技術(shù)，可為高效優(yōu)質(zhì)改良劑研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4 土壤改良劑對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

作物產(chǎn)量和品質(zhì)提升是改良劑對酸化土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)改變的綜合表現(xiàn)。向酸化土壤添加改良劑可增加作物產(chǎn)量。于翔宇[103]以石灰為改良劑，發(fā)現(xiàn)可以減輕土壤酸度，增加竹豆根部表面積、總長度和體積，促進(jìn)竹豆莖和葉生物量增加。Vidal 等[104]將蒙脫石和蚯蚓堆肥共同加入土壤，減輕了過量釋放可溶性有機(jī)碳、無機(jī)氮危害植物毒性，同時促進(jìn)根際微生物固定根源性有機(jī)碳，使黑麥草生物量提升了2.3 倍。Fonte 等[105]用蚯蚓和石灰改良酸性土壤，發(fā)現(xiàn)可增強土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤氣體交換、水分固定、根系伸長和碳固定，同時促進(jìn)植物吸收氮，使橫臥草生物量增加了180%。Li 等[106]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)有機(jī)改良劑降低了土壤堆積密度和入滲率，增大了土壤總孔隙度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、纖維素酶和過氧化氫酶活性，進(jìn)而提升了小麥產(chǎn)量。Bharti 等[107]發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻改良劑增加土壤氮和碳有效性，促進(jìn)植物根際生物膜和土壤多糖、球囊霉素相關(guān)土壤蛋白形成，進(jìn)而增加植物抗氧化酶、防御酶活性，使菊花鮮重增產(chǎn)35%、花色加深35%。

土壤改良劑不僅可提高作物生產(chǎn)力，而且還可提升作物品質(zhì)。Liang 等[108]將堆肥施入蘋果園，提高了土壤pH、有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量，減少了芽胞菌屬、苯細(xì)菌屬、硝化螺旋菌屬、鞘氨單胞菌屬和亞硝化螺旋菌屬等可能引起移栽病害的微生物數(shù)量，使果實產(chǎn)量、平均重量和可溶性固形物含量分別提高了9.5%、9.6%、5.6%。陳士更[109]發(fā)現(xiàn)腐植酸調(diào)理劑使蘋果增產(chǎn)4.84%，總糖含量提高9.35%～15.46%，糖酸比也提高了21.84%～46.58%。Qiu 等[110]研究發(fā)現(xiàn)，生物菌肥可提高木霉菌、芽孢桿菌和鏈霉菌等有益微生物豐度，抑制鐮刀菌數(shù)量，提升黃瓜產(chǎn)量，使枯萎病發(fā)病率降低83%。Chen 等[111]以生物質(zhì)炭為改良劑，發(fā)現(xiàn)可以提高土壤pH，增加有機(jī)碳和有效氮濃度，降低致病雷氏菌數(shù)量，增加固碳、固氮潛在有益細(xì)菌豐度，顯著抑制煙草青枯病發(fā)病率，增加煙草產(chǎn)量和品質(zhì)。Mi 等[112]研究發(fā)現(xiàn)，將膨潤土施入土壤可增加土壤水分、有機(jī)碳、全氮和全磷含量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)及有效性，并提高微生物活性，使微生物生物量碳、氮和磷分別增加5%～50%、3%～42%和3%～34%，同時顯著提升了小米的產(chǎn)量和品質(zhì)。Zhang 等[113]研究發(fā)現(xiàn)，將生物質(zhì)炭加入橘園土壤可增加土壤有益細(xì)菌和腐生真菌豐度，提升柑橘果實品質(zhì)。

但不合理施用土壤改良劑會減少作物產(chǎn)量，降低作物品質(zhì)。粉煤灰中硼量較高，若施入含硼量高的土壤，會減弱植物對真菌和細(xì)菌等病原菌抗逆性，極易對植物造成危害。長期大量投加石灰類改良劑，可能引發(fā)土壤鉀、鈣和鈉等元素失衡，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。堆肥中有效養(yǎng)分含量低，養(yǎng)分常以有機(jī)態(tài)形式存在，難以被植物利用，投加后短期內(nèi)對作物生長發(fā)育影響不大。Kloss等[114]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤固氮，減少土壤有效養(yǎng)分含量，但抑制了作物生長，使芥末、大麥和紅三葉草產(chǎn)量降低了68%。Mukherjee 等[115]研究發(fā)現(xiàn)，長期添加生物質(zhì)炭會造成養(yǎng)分失衡和堿基陽離子過剩，降低蔬菜和谷物的產(chǎn)量。生物質(zhì)炭還會顯著促進(jìn)雜草生長，與作物競爭吸收更多養(yǎng)分。Safaei 等[116]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在扁豆栽培期間使雜草產(chǎn)量增加200%。

5 結(jié)論與展望

酸化土壤改良是土壤退化的重點和難點，應(yīng)用土壤改良劑在降低土壤酸度的同時，可增加土壤養(yǎng)分、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、提高微生物活性、改善土壤微環(huán)境，符合資源循環(huán)利用和低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的綠色發(fā)展理念。當(dāng)前，土壤改良劑抑制酸化土壤機(jī)理的研究仍不夠透徹，施用土壤改良劑后增產(chǎn)提質(zhì)的效果不太理想。另外，應(yīng)用土壤改良劑還存在一定的負(fù)面影響，如抑制微生物活性，增加溫室氣體排放、地下水重金屬和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境風(fēng)險，以及危害植物降低作物產(chǎn)量。

基于上述分析，提出土壤改良劑研究的方向和建議：1）深入詳述土壤改良劑作用機(jī)理，解析土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律與趨勢，構(gòu)建統(tǒng)計學(xué)層面的改良劑-土壤-植物作用關(guān)系，為精確研發(fā)相應(yīng)改良劑和提升土壤農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康提供科學(xué)根據(jù)；2）土壤改良劑類別、劑量、投加方法和聯(lián)合配施方式是研究探討的熱點，但土壤類型、植物種類和環(huán)境因素等條件也影響著改良效果。我國土壤改良研究起步較晚，大都局限于短期盆栽試驗。因此，建議開展長期大田試驗，綜合考慮多種條件系統(tǒng)評價改良劑性能，為研發(fā)高效改良劑奠定基礎(chǔ)。此外，土壤結(jié)構(gòu)定量分析和微生物分離檢測方法有限，開發(fā)運用高新、高分辨分析技術(shù)和研發(fā)專一型、多功能型、環(huán)保型土壤改良劑，對促進(jìn)土壤改良劑發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。