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user: 2. 土壤改良剂对土壤性状的影响研究 2.1. 土壤改良剂概念及分类 土壤改良剂是根据土壤团粒结构形成的原理，利用动植物残体、泥炭以及废弃物等原料，从中获取腐殖酸、纤维素、多糖类物质以及木质素等作为团聚土壤颗粒的胶结剂，或者模拟天然团粒胶结剂的分子性质与结构而合成的高分子聚合物 [ 12 ]。按照原料来源可将土壤改良剂分为四类 [ 13 ] ：天然改良剂、合成改良剂、生物改良剂和天然-合成共聚物改良剂。 2.1.1. 天然改良剂 天然材料主要分为无机和有机物料。 1) 无机物料 其中无机物料主要有蛭石、膨润土、石膏、石灰石、粉煤灰和珍珠岩等天然矿物材料，可以有效改善土壤结构、提高土壤的保水保肥能力、改良盐碱地。如膨润土，由于其具备一定的黏着性、分散性以及膨胀性等特点，其作为改良剂添加到土壤中能显著提高土壤团聚体数量及土壤孔隙度，土壤容重降低 [ 14 ]。李吉进等人 [ 15 ] 的研究表明，使用膨润土作为砂土的土壤改良剂，能提升土壤含水量。易杰祥等的研究表明膨润土还能降低土壤酸碱度。 2) 有机物料 有机物料主要有动物粪便、腐殖酸、木质素、作物秸秆、纤维素、单宁酸、树脂胶、多糖、泥炭、生活垃圾等，具有原料充足、经济有效的改良土壤结构和理化性质的功能，但是需求用量大，易于分解，且其所带的阳离子对土壤和作物具有一定的毒害作用。 2.1.2. 人工合成改良剂 人工合成改良剂是人工合成的模拟天然改良剂结构的高分子有机聚合物。这类改良剂包括聚丙烯酰胺(Polyacrylamide， PAM)、聚丙烯盐酸、聚乙二醇、聚乙烯醇等，其中PAM是研究者较为关注的人工合成改良剂。效果好，但施用量少，同时这类改良剂的成本较高。合成改良剂可以改善土壤物理性状、增强土壤的保水保肥能力 [ 16 ]。人工合成的改良剂有助于优化土壤结构，显著增加土壤总孔隙度和毛管孔隙度、土壤表面粗糙度、土壤入渗率、土壤保水能力和土壤大团聚体数目，显著降低土壤容重，维护土壤孔隙结构稳定程度。由于人工合成改良剂具有分解后会产生一些中间产物，例如聚丙烯酰胺降解的中间产物使丙烯酰胺，具有一定的毒性，作为土壤改良剂进行施用是否会产生土壤污染等问题，需要进行进一步研究；另外人工合成改良剂还存在着成本较高的问题，在实际使用中仍需进行进一步的改进和研究。 2.1.3. 天然-合成共聚物改良剂 天然-合成共聚物改良剂是指单体接枝聚合到天然高聚物上，主要类型有磺化木质素–醋酸乙烯、淀粉–丙烯酰胺/丙烯腈、纤维素–丙烯酰胺、腐殖酸–聚丙烯酸、沸石凹凸棒–丙烯酰胺等，这类改良剂弥补了天然改良剂和人工合成改良剂之间的缺点，摒弃了天然改良剂难以长久存在的缺点，达到了改良土壤并促进作物生长效果 [ 17 ]。聚合物改良剂可以通过其自身所具有的功能基团的分子和分散于土壤颗粒中的包裹、缠绕、贯穿、吸附以及形成化学键等方式创建和稳定水稳性团粒结构，对于提高土壤理化性质、增加土壤肥力、改善土壤的保水保肥性能、改良盐碱地尤其是在控制水土流失等多方面具有非常重要的作用。 2.1.4. 生物改良剂 生物改良剂主要包含一些商用的生物控制剂、微生物接种菌、菌根以及蚯蚓等，尤其菌根-丛枝菌根，其能显著改变土壤理化性状，同时增加产量。丛枝菌根(AMF)的根外菌丝与菌丝网均能够促进土壤团粒结构的形成，增强土壤的稳定性，提高土壤孔隙度和透气性；此外，菌根真菌还可以有效活化土壤中的矿质养分元素，使得作物根系可以充分吸收土壤中的一些营养元素以及移动性能较差的磷、铜、锌等微量元素，促进作物生长；由于菌根真菌可以提高土壤对作物的养分供应，增强作物对病原菌的抗性。 2.2. 土壤改良剂对土壤水分的影响 土壤改良剂对土壤水分的影响主要通过两大途径来实现，第一是高聚物树脂可以快速吸水，然后缓慢释放水分，在此过程中起到了一个微型水源的作用 [ 18 ] ；第二通过改良剂的作用来形成土壤水稳性团聚体，从而减少土壤表层的水分的蒸发和土壤底层水分的渗漏，最终达到提升土壤持水保水能力的作用。有学者研究发现，施用四种不同浓度的聚丙烯酰胺处理中土壤含水率均比对照处理中的土壤含水率要高出0.35%~4.56% [ 19 ]。张燕等人 [ 20 ] 的研究还发现，施用秸秆、煤矸石、建筑垃圾、煤渣等类型土壤改良剂均可使耕作层土壤水分保持在相对较高的水平，平均含量比对照高1.5%左右。Choudhary等人 [ 21 ] 的盆栽实验发现，施用改良剂后土壤表层水分减少，但是中底层水分较多，对照实验土壤表层和底层均没有水分，表明改良剂可以有效抑制水分向土壤底层渗漏、向土壤表层蒸发。研究表明，在土壤中混合聚丙烯酸钠可以提高砂土、壤土以及粘土的持水能力 [ 22 ]，马军勇等人 [ 23 ] 的研究表明土壤改良剂还可以促进降水向有效利用水分的转化，减少土壤水分无效蒸发，降低耗水量，最终增加土壤水分利用效率。王久志研究了阴离子沥青乳剂对土壤水分的影响，发现沥青乳剂可以抑制水分蒸发，增加土壤含水量，且改良剂用量越多，其抑制效果越佳 [ 24 ]。 2.3. 土壤改良剂对土壤容重的影响 土壤改良剂可以有效地改善土体结构，增加土壤中大团聚体和土壤表层粗糙度，增大土壤孔隙度，降低土壤容重 [ 25 ]。员学锋等人 [ 16 ] 的研究发现，施用改良剂后，土壤内部孔隙增多，土壤的总孔隙度增大，土壤容重显著降低。周继等人 [ 19 ] 研究了不同坡位上改良剂对土壤性状的影响，结果发现在上坡、中坡以及下坡三种位置施用聚丙烯酰胺均可以使土壤容重降低，降低量分别为0.07 g·m −3 ~0.33 g·m −3 ，0.05 g·m −3 ~0.31 g·m −3 ，0.09 g·m −3 ~0.32 g·m −3 ，与此同时土壤紧实度也相应变小。张宏伟等人 [ 26 ] 的研究表明施用腐殖酸接枝共聚物后，与对照相比较各土样容重均明显降低，且土壤变疏松。施用浓度为2%、1%和0.5%的PAM改良剂均能使土壤容重降低 [ 27 ]。韩凤朋等人 [ 28 ] 发现，当PAM改良剂施用量小于2.0 g·m −2 时，土壤容重随着施用量的增加而降低，和对照相比较，土壤容重降低了0.13 g·m −3 ，当施用量为3.0 g·m −2 时，土壤容重随着改良剂施用量的增加而增加，和对照相比较，土壤容重增加了0.02 g·m −3 ，表明PAM改良剂在一定范围内可以对土壤起到改善结构、降低容重的作用。 2.4. 土壤改良剂对土壤结构的影响 土壤结构是土壤肥力的重要基础特征。直径10 mm~0.25 mm的水稳性土壤结构对土壤肥力具有非常重要意义 [ 29 ]。土壤改良剂可以显著提高土壤水稳性团聚体含量。员学锋等人 [ 30 ] 研究发现，施用量为0.005%和0.1%的PAM改良剂无论是在撒施还是拌施方式下均可以提高>0.1 mm、>0.5 mm、>0.25 mm的土壤团聚体的含量。一些学者还发现凹凸棒石黏土也可以显著增加土壤中>0.5 mm团聚体的总数 [ 31 ]。在土壤中施加改良剂可以使分散的土壤颗粒聚合形成团粒结构，对土壤中水稳性团粒的含量和稳定性增加较为显著，并且可以更好地改善土壤的通气和透水性。Oades等人 [ 32 ] 发现了使用PAM土壤改良剂可以增加土壤中水力传导性、增加土壤的孔隙度并提高土壤水容量。曾觉延等人 [ 33 ] 研究发现土壤改良剂能促使土粒形成微团聚体、团聚体，显著提升土壤水稳性团聚体含量和质量、土壤总孔隙度、土壤中传导孔隙度和有效水贮存孔隙度。Miller则研究发现PAM土壤改良剂主要作用在距地表0 cm~5 cm深处的土壤，改良剂可以有效控制土壤的吸胀性，降低土壤结皮的生成 [ 34 ]。冯瑞云等人 [ 35 ] 研究了秸秆型土壤改良剂对土壤结构、水分等的影响，研究发现秸秆还田能够有效改良土壤，降低土壤体积质量。随着秸秆型土壤改良剂施入土壤时间的延长，土壤大粒级(5 mm、3 mm~5 mm、1 mm~3 mm)颗粒粒级分数均随施入量增加而逐步增加。田间持水率随着秸秆型土壤改良剂施入量而增加，土壤保水性能明显增强。土壤水分蒸发量随着秸秆型土壤改良剂的增加而减少。秸秆型土壤改良剂施用量为750 kg·hm −2 时，综合经济效益最好。 2.5. 土壤改良剂对土壤肥力的影响 研究表明，土壤改良剂能够明显增加土壤中有机质、全氮、速效钾等养分。张宾宾等人 [ 36 ] 研究了Arkadolith改良剂对沙土肥力的影响，发现沙土土壤有机质较对照试验增加了32.1%~92.9%，全氮含量增加了50%~135.7%，速效氮则增加了1.04~3.57倍，速效磷增加了0.65~2.08倍，改良剂对土壤肥力的影响效果十分显著。腐殖酸对土壤肥力的影响也十分显著，可以有效增加土壤中有机质、速效氮和速效磷以及饱和持水量等指标 [ 37 ]。傅秋华等人 [ 34 ] 研究发现施用了竹炭土壤改良剂后，可以增加土壤中速效钾、交换性钙、水解氮和有效磷的含量，并且随着竹炭施用量的增加，土壤速效钾含量随之增加。有研究表明，在施用康乐改良剂后，土壤中有机质、全氮、速效磷、速效氮等含量分别增加了0.26%~0.52%，0.06%~0.21%，1.6~6.0倍，1.5~2.6倍，效果显著 [ 38 ]。针对甘肃河西内陆灌区因长期施用化肥引起的土壤板结、有机质含量降低、土壤贮水能力弱以及作物产量低等问题，张春梅等人 [ 39 ] 采用正交试验方法，研究了有机营养土改良剂对灌漠土理化性质的影响，发现有机营养土壤改良剂施用量与灌漠土孔隙度、持水量、有机质、速效养分、饲用高梁农艺性状、经济性状和产量呈显著的正相关关系。