土壤熟化技术及其应用研究进展

摘要   随着工农业的发展，退化土壤日益增多，土壤质量形势严峻，土壤改良已然成为亟待解决的科学问题和研究热点。作为土壤改良的重要研究方向，土壤快速熟化技术通过快速提高土壤肥力提升了农作物的质量和产量。主要结合土壤退化的现状，梳理与阐述了基于物理修复、化学修复、生物修复的3种土壤熟化技术及相关联合修复技术的国内外研究现状、发展和应用，分析了土壤熟化技术存在问题并提出展望，为土壤熟化技术领域发展提供参考和帮助。

关键词  土壤退化；快速熟化；改良剂；联合修复

中图分类号  S154  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）05-0007-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.002

开放科学（资源服务）标识码（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

作者简介  李琪（1993—），女，四川成都人，研究员，硕士生导师，从事环境微生物学及生态修复技术研究。*通信作者，教授，博士生导师，从事植物学与生态修复技术研究。

收稿日期  2023-05-21

土壤是人类生存发展的基础，但如今全球土壤退化面积日益增多，土壤退化已成为全世界面临的难题之一。全球气候变化引起了土地退化，土地荒漠化是土壤退化的主要因素之一，其沙化面积逐年增加。黄土高原作为我国沙化典型地区，由20世纪50—70年代的1 560 km2上升到90年代的2 460 km2［1］。同时，人类的不合理利用和管理导致土壤退化面积急剧增加、土壤质量下降，使植被减少、生物多样性降低，给生态系统本身和环境带来巨大的压力和威胁［2］，其中工程施工也不可避免地造成了土壤破坏［3］。因此，退化土壤改良及修复通过提高土壤质量促进生态系统的稳定和可持续发展。

土壤熟化是指自然退化土壤经人类活动、定向培育，逐步转化为利于作物生长的肥泽土壤的过程。其标志是土壤物理结构优化，有机物质和营养含量增高，水分通透性和贮水能力保持在一个良好的平衡状态，微生物的活性保持高效稳定，可提供土壤作物生长所需的水、肥、气［4］。对退化的土壤进行熟化改良，可恢复土壤的生产能力，提高土壤的肥力，提高生态系统的稳定性，同时可保证耕地安全，保证粮食安全［5］。该研究针对退化土壤，通过综述近年来土壤熟化相关技术，将土壤熟化技术归纳总结为三大类，分别为物理、化学和生物熟化技术。以期因地制宜采用适宜的熟化方法提高土壤熟化程度，为退化土壤的改良及应用提供参考。

1  土壤熟化技术研究现状

1.1  物理修复法  早期的物理修复法对设备和工艺要求过高，成本过高，并且没有根本解决土壤污染等问题，甚至可能造成二次污染。随着一些新型的技术、设备的出现，物理修复法改良土壤有了新的发展，如：电修复法、土壤气相抽提法等［6］。电修复法是利用电极直接接触污染的地下水或土壤，在直流电的作用下形成直流电场，从而使污染的土壤发生氧化还原反应、水解反应等，进而影响土壤的pH、土壤水分布、氧化还原等理化性质［7］；气相抽提法是利用物理法除去土壤中挥发性有机物的原位修复技术，流过污染土壤孔隙的空气在真空泵产生的负压驱使下，解吸并夹带挥发性有机物流向抽取井，并引至地面处理［8］。土壤修复中可通过物理修复对污染物进行去除并促进熟化过程，物理措施技术简单、容易操作但投入成本大、工程量大且周期长［9］。

1.2  化学修复法  化学熟化主要是加入化学改良剂通过化学反应降低盐碱土壤中的可溶性盐碱度和pH来降低碱性［10］，化学改良技术因效果快、效果稳定被广泛应用。

1.2.1  土壤污染的化学修复。土壤污染治理对土壤的改良和熟化具有重要意义，在土壤中发生吸附、溶解、氧化还原、拮抗、络合螯合或沉淀作用，从而降低环境中的污染物的浓度或生物有效性。常用的有固化法、稳定化、萃取法和淋洗法：固化法是将被重金属污染土壤与固化剂按一定比例混合，形成低渗透性固体混合物，进而隔离污染土壤与外界联系。稳定化将土壤中的污染物转化为低毒性、易处理的稳定性物质。萃取法利用污染物在不同溶剂中的溶解度不同，将污染物进行分离。淋洗法通过清水清洗，使得土壤中某些含有化学助剂的物质能除去污染物。具体方法要根据土壤质量状况进行恰当的选择，如固化法适合处理数量少但是污染严重的土壤，萃取法仅适用于高浓度油污染的土壤，而化学氧化法虽然操作比较复杂，但是可以灵活地应用于不同类型污染物污染的土壤［11］。

1.2.2  土壤熟化的化学改良剂。施用土壤改良剂属于化学修复技术中常见的处理技术。土壤改良剂的类型多样，依据材料来源一般可分为4种类型，即高分子类、矿物类、有机类和其他类型。聂朝阳［12］通过在盐碱地上施用高分子类土壤改良剂腐殖酸基有机物料，发现腐殖酸基有机物料单施及配施对不同盐碱程度土壤均具有改善作用。黄怡［13］以有机类土壤改良剂小麦秸秆生物炭在新疆灰漠土和陕西风沙土试验中发现生物炭可促进微生物生长、提高土壤酶活性从而改良土壤品质；赵旭等［14］以矿物类土壤改良剂煤矸石和粉煤灰为材料，采用盆栽试验发现一定比例的煤矸石和粉煤灰可有效降低土壤容重和pH。对于酸性土壤，土壤改良剂在对土壤 pH进行调节的同时，也能改善土壤其他性质，如土壤的酸度、养分、温度及土壤微生物和酶活性［15］。部分不同原料类型的矿物类土壤改良剂及改良原理见表1。

1.3  生物熟化  生物熟化技术被认为是清洁土壤熟化技术，对土壤副作用小，有巨大的生态效益和潜在的经济价值［23］。自20世纪80年代以来， 生物改良技术的研究和发展主要利用生物分解有毒有害物质以去除土壤中的污染物，同时改良土壤物理结构、提高化学养分和微生物多样性，加速土壤熟化［4］。生物改良技术具有很大的生态效益和潜在的经济价值，可在土壤改良领域加以借鉴和持续应用［23］。

生物熟化土壤技术主要利用人工接种土壤动物、微生物和种植植物，协调成土过程中水、肥、气、热等因素，从而促进土壤黏化和有机质聚集，形成较好的土壤团聚体的同时提高土壤有机质含量。生物熟化过程中应更多关注成土基质团聚体和有机质等养分、土壤水分入渗、酸碱缓冲性、土壤微生物、土壤结皮等多种指标的变化及其对不同成土材料组配的影响［24］。生物熟化技术往往对土壤无较大污染，同时可提高土壤肥力并排除盐分［25］，不足之处是处理效果不稳定［26］。生物熟化主要包括三方面，一是种植耐盐植物，二是接种土壤动物，三是施用生物菌肥。

1.3.1  种植耐盐植物。耐盐碱植物自身的代谢活动既能增加土壤有机质、营养物质含量，还能减缓地表水汽蒸发，抑制积盐返盐，增大覆盖面积；也可借助叶片蒸腾作用来降低地下水位，进而减慢土壤中盐分的淋失或加强抑制土壤表层盐分反盐，并改善土壤结构和理化性质［27］。例如，天津滨海在对盐碱地的生物改良中选择当地具有抗盐碱能力的苗木，并取得良好效益［28］；郑普山等［29］在山西大同、朔州等地，通过连续多年栽培苜蓿，发现其对盐碱地土壤脱盐效果显著。常见的耐盐植物改良效果可总结为：①耐盐生物作为生物框架，可以带走土壤中的盐分，改善盐碱土壤；②减少土壤蒸发，减少耕层中的盐分积累；③改善盐碱土的理化性质，降低土壤容重，提高土壤肥力［30］。

1.3.2  接种土壤动物。蚯蚓是土壤生态系统中最具代表性的大型动物之一，蚯蚓各种生理活动对改善土壤理化性质、促进物质循环和能量代谢有显著作用［31］。能够显著地提高土壤结构的稳定性和土壤 C、N 的有效性［32］。从土壤有机碳含量不同程度增加可知，蚯蚓对自然与农田生态系统中土壤有机碳库有潜在影响，促进了土壤大团聚体的形成，提高土壤结构稳定性，同时也有助于水土流失与土壤结构退化较严重的地区中土壤有机碳库的恢复。进行地表植物残体的覆盖并接种蚯蚓是可供选择的生态工程措施［33］。

1.3.3  施用生物菌肥。生物菌肥又称生物肥或微生物菌肥，是一种由微生物和微生物产物形成的一系列生物产品［34］，可以提高土壤中有益微生物数量和活性，促进土壤中的养料循环，增加土壤肥力，进而调高作物产量和品质［35］。这些微生物可作为固氮剂、磷酸盐增溶剂、硫氧化剂或有机物分解剂。通过对比生物菌肥和传统有机肥料的改良效果发现，在经过微生物改良剂处理的土壤中，相比传统有机肥改良的土壤，土壤团聚体的数量和保水能力均得到显著提升［36］。微生物可通过分解碳源物质和多糖类物质对土壤的化学性质进行调节，同时改善土壤物理的结构［37］。在土壤中接种具有解磷功能的微生物菌群，可分解土壤中存在的钙化类物质，进而降低土壤中有效磷含量［38］。刘卫敏［39］以废弃矿区土壤为研究对象，发现种植黑麦草并添加氧化亚铁硫杆菌的处理方法，大大增加了废弃矿区土壤中的重金属去除率。常见生物菌肥按其特性分类见表2。

1.4  土壤的联合修复方法

1.4.1  微生物-植物联合修复。近年来，重金属污染土壤的植物-微生物修复技术已成为国内外研究重点，该技术凭借土壤-微生物-植物的共存关系，依靠微生物与植物修复能力优势，提高土壤修复的效率［44］ 。微生物-植物联合修复机制有以下两类：①“功能菌-植物”机制，重金属污染的土壤中可能会存在活性不受影响的耐受性菌株［45-46］，该菌株的存在有利于植物修复的进行，形成植物-微生物联合修复体系。Ma等［47］成功地从Ni污染土壤中分离得到耐受重金属污染的细菌，并发现这些细菌在较高水平重金属污染的土壤中能够促进植物生长。②“菌-植物共生体系”，土壤中的真菌菌丝可以和高等植物营养根系形成菌根［48］，菌根可对根际微生态环境进行改善，提高植物抗病能力，增强植物在逆境条件下的生存能力［49］。黄艺等［50］发现，在苗木中施加金属物质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。在实际应用中应根据污染物类别去确定修复机制，以充分利用每种机制的优势。