摘要
人类对土壤的不合理开发和利用，导致土壤问题日益突出，严重威胁到我国的耕地质量和粮食安全。土壤调理剂因具有改良土壤结构、降低土壤盐碱危害、调节土壤酸碱度、改善土壤水分状况或修复污染土壤等功能，近年来，其研究和发展受到广泛关注。回顾了土壤调理剂发展概况，归纳总结了土壤调理剂功能和种类、我国土壤调理剂登记和发展现状，综述了土壤调理剂在改善土壤结构、调节土壤酸化、降低土壤盐碱化、修复污染土壤和提高土壤保水供水能力等方面的效果，分析了现阶段土壤调理剂施用存在的问题和未来发展方向，以期为土壤调理剂的研发、科学施用及推广提供理论依据。
Abstract
The unreasonable development and utilization of soil by human beings had led to increasingly prominent soil problems，which seriously threatened the quality of cultivated land and food security in China. In recent years，the research and development of soil conditioners had received extensive attention due to their functions of improving soil structure， reducing soil salinity hazards，adjusting soil pH，improving soil moisture status or repairing polluted soil. This research reviewed the development of soil conditioners，summarized the functions and types of soil conditioners，the registration and development status of soil conditioners in China，summarized the effects of soil conditioners on improving soil structure， adjusting soil acidification，reducing soil salinization，repairing polluted soil and improving soil water retention and supply capacity，and analyzed the existing problems and future development directions of soil conditioner application at this stage， with a view to providing theoretical basis for the research and development，scientific application and promotion of soil conditioners.
土壤作为人类生存和生态系统服务的关键资源，其健康状况对农业的可持续发展至关重要。然而，随着经济的发展和人类活动的不合理干预，土壤退化问题日益严峻。全球约 33% 的土壤为中度到高度退化，原因包括有机质流失、营养失衡、盐渍化和碱化、污染、酸化、固化、压实等[1]。据统计，我国因水土流失、盐碱化、土壤肥力衰减及酸化等造成的土壤退化面积约 4.6 亿 hm2，占全国土地面积的 40%，是全球土壤退化总面积的 1/4[2]。土壤退化导致土地生产力下降和作物品质降低，对农业的可持续发展构成了严重挑战，耕地质量的下降直接反映了土壤退化对土地生产力的影响。截至 2022 年底，我国耕地面积为 1.27 亿 hm2。但平均耕地质量等级仅为 4.76 等，其中低等级耕地（七到十等）占比高达 22%，数量超过 0.26 亿 hm2，中低产田占比高达 68.76%[3]，以往的研究表明，休耕轮作、施用有机肥、测土配方施肥等，均可在一定程度上提升耕地质量，但这些措施往往具有局限性 （如针对性不强）。而施用调理剂能根据不同土壤障碍因子有针对性地修复或改良土壤。进而增加土壤养分含量，对作物生长产生积极影响，从而提高退化土壤的生产力[4]。
土壤调理剂是指加入障碍土壤中以改善土壤物理、化学和生物性状的物料，适用于改良土壤结构、降低土壤盐碱危害、调节土壤酸碱度、改善土壤水分状况或修复污染土壤等[5]。随着对农业可持续发展需求的增长，土壤调理剂的研究和应用受到了广泛关注，对提升耕地质量、保障粮食安全具有重要的理论和现实意义，是实现农业可持续发展的关键策略之一。本研究基于现有研究，综述了土壤调理剂发展概况、功能和种类、应用现状及施用效果，分析了当前土壤调理剂存在的问题及未来发展方向，以期为土壤调理剂的研究和应用提供理论依据。
1 土壤调理剂发展概况
国际上对于土壤调理剂的研究始于 19 世纪末[6]，在 20 世纪初，西方国家就开始利用天然矿物进行土壤结构的改良；到了 20 世纪 50 年代，土壤调理剂的研究由天然土壤调理剂转向人工合成土壤调理剂，包括对水解聚丙烯腈（HPAN）、聚丙烯酰胺（PAM）、沥青乳剂（ASP）等人工合成材料的研究[7]。20 世纪 80 年代，该领域的研究达到高潮，美国、苏联、比利时等国家技术较为成熟，其中，比利时的 TC 调理剂[8]和印度的 Agri-CS 调理剂[9]最为成功。近年来，受全球对于有机食品追求的影响，国外大部分研究集中于对环境零化学影响的新型有机调节剂，包括生物炭基调理剂、保水剂等（图1）。
我国关于土壤调理剂的研究起步相对较晚， 1982 年，我国从比利时引进了聚丙烯酰胺和沥青乳剂，应用于盐碱土改良、水土流失防治、土地增温、造林种草等方面[10]。由于当时我国耕地土壤还未出现明显退化痕迹，并且成本较高，未能在我国推广使用。2000 年以后，我国开始利用农业或工业废弃物、矿石等为原料，研发出一系列环保高效产品。例如，中国农业大学张青文教授团队研制的“康地宝”脱盐剂能够有效改善土壤盐渍化[11]。同时，中国农业科学院土壤肥料研究所与多家单位共同研发的“液态地膜”土壤改良剂，能够吸收土壤中的多种粒径颗粒，有效提升退化土壤质量[12]。 2013 年前后，土壤调理剂的研究在我国发展火热，推出针对不同土壤问题的土壤调理剂，主要集中于调节土壤酸碱度、改善土壤结构。近年来，为实现农业可持续发展，我国土壤调理剂发展迅速，种类和数量愈加繁多，2023 年中国土壤调理剂市场总规模约 250 亿元人民币，增长率为 7.8%，有机调理剂、生物调理剂和纳米材料类调理剂是市场上的三大主力。关于土壤调理剂的研究主要集中于新型材料、有机类调理剂的研发，以及固体废弃物为原料研制土壤调理剂。
2 土壤调理剂的主要功能
土壤调理剂的主要功能为改善土壤障碍因子，调节土壤养分状况，调控土壤理化性质和生物学性质，最终使土壤状况适于开展绿色高效农业生产活动[13]。
土壤调理剂按功能可分为酸性土壤调理剂、结构障碍土壤调理剂、盐碱化土壤调理剂、污染土壤调理剂及保水剂（表1）。酸化土壤调理剂通过降低土壤中质子（H+）和 Al3+ 来调节土壤 pH。结构障碍土壤调理剂的施用可改善土壤物理特性，调节土壤三相比。盐碱化土壤调理剂可降低土壤 pH 并减少土壤中交换性钠含量。污染土壤调理剂可固定土壤中活性金属离子，降低其在土壤中的迁移性和生物可利用性，目前研究较多的包括生物炭、高分子材料和新型纳米材料等。保水剂通常为人工合成高分子聚合物[14]，能够保持土壤水分和养分，提升作物对水分的利用效率。
图1土壤调理剂发展历程
表1土壤调理剂功能及种类
续表
3 土壤调理剂的应用现状
截至目前，以产品通用名称为土壤调理剂获得农业农村部肥料登记证并且在有效期内的土壤调理剂产品共有 219 个（图2a），其中 2018 年登记数量最多，究其原因是肥料登记证原分为临时登记证和正式登记证，2017 年 11 月农业部修改了《肥料登记管理办法》，改临时登记证和正式登记证为肥料登记证，故 2018 年数据包含了 2017 年及之前的登记证。已登记的土壤调理剂适用范围包括酸性土壤、盐碱土壤、结构障碍性土壤、重金属污染土壤等，其中用于酸性土壤的调理剂超过一半，占比 72.7%，其次是盐碱化土壤，占比为 14.3%（图2b）。现有的土壤调理剂产品形态一般为粉剂、颗粒或水剂，三者所占比例分别为 57.6%、38.4% 与 4.8%。除了直接以土壤调理剂为通用名称登记的产品以外，其他土壤调理剂产品还包括农林保水剂 12 个。
《2020 年土壤调理剂行业分析报告》显示，2014— 2018 年，我国土壤调理剂产量分别为 97.5 万、 148.3 万、207.9 万、305.6 万和 421.8 万 t。新思界产业研究中心发布的《2021—2025 年土壤调理剂行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示，2019 年，我国土壤修复行业市场规模接近 330 亿元，同时带动了土壤调理剂市场需求持续释放， 2019 年，我国土壤调理剂市场规模接近 715 亿元。
4 土壤调理剂施用效果
4.1 土壤结构改良
土壤结构是土壤肥力的重要基础，指土壤颗粒或团聚体与孔隙组成的三维结构，决定土壤中水分、养分、空气以及热量的储存与传输状况，良好的土壤结构是作物生长的前提。一般认为，直径 0.25～10 mm 的水稳性土壤结构对土壤肥力有重要意义[32]。土壤结构改良剂的施用可以增加土壤中水稳性团聚体的含量和稳定性，能在一定程度上改善土壤通气透水性，是消除土壤板结问题的有效措施之一[33]。此外，土壤调理剂能够改变土壤中微生物种群及数量，进而达到改良土壤肥力的目的[34]。
图2我国土壤调理剂登记情况及适用范围
注：数据源于农业农村部种植业管理司。
长期以来，大量试验证明：土壤调理剂可促进大粒径团聚体的形成并增强其稳定性来改善土壤结构，改善土壤透水透气性，利于作物根系生长及养分吸收。由天然矿物[35]、固体废物、高分子聚合物[36]以及天然活性成分构成的土壤调理剂，已经被科学证实能够显著提升土壤的整体质量和结构属性。通常使用土壤团聚体（>0.25 mm） 含量、土壤容重和土壤孔隙度来评价土壤调理剂对土壤结构的改良效果，施用生物炭，水稳性团聚体增幅在 61.50%～93.00%，土壤容重降幅在 5.47%～32.50%，平均降低 17.52%；施用硅钙镁类调理剂，土壤容重降幅为 3.14%～6.36%，平均降低 5.08%（表2）。
表2土壤调理剂改良土壤结构效果
注：WR0.25 为 >0.25 mm 土壤团聚体含量。
4.2 土壤酸化治理
土壤酸化是全球农业生产面临的严重土壤退化问题之一，我国是土壤酸化问题最严重的国家之一[49]。主要是由于土壤中质子（H+）或潜性酸（Al3+）数量的增加，同时碱基阳离子（如 K+、 Ca2+、Na+ 和 Mg2+）的流失，致使土壤酸中和容量 （ANC）减少而引起的[50]。我国南方耕地红壤的主要问题是土壤酸化，主要分布在长江中下游地区、华南地区和西南地区，其中，浙江和江西两省 pH<5.5 土地占比较高[51]。土壤酸化往往伴随着肥力低、结构差等问题[52]，因此，改善耕地土壤酸化情况至关重要。
土壤调理剂能够有效降低土壤酸度，增加土壤养分，为作物生长提供丰富的物质基础，并且能够优化土壤结构，提高微生物活性[53]。石灰类、生物质炭和有机类土壤调理剂富含 OH-、CO3 2-、有机阴离子、氧化物等碱性组分，易与土壤中的活性酸 （H+）发生反应，从而提高土壤 pH[54]。硅酸钙中单硅酸形态的硅会吸附土壤表面的交换性铝，二者相互作用形成稳定化合物。这一过程能够有效减少 Al3+ 的溶出量，最终达成改良酸性土壤的目标[55]。施用土壤调理剂后，土壤 pH 平均提高 0.62（图3）。施用硅钙镁调理剂，其 pH 平均提高 0.54；施用腐植酸类调理剂后，土壤 pH 提高了 0.53；在陈静等[64]的试验中，施用矿物源调理剂改良酸化土壤效果较好，土壤 pH 提高了 1.67。
图3土壤调理剂改良酸化土壤效果
降低土壤酸度的土壤调理剂种类繁多，效果不一。牡蛎壳粉的施用，可使土壤 pH 由 5.56 提高至 7.74，有效调节土壤酸化现象[65]。生物炭施用于酸化茶园土壤后，土壤的交换性总酸、交换性铝含量显著降低，土壤 pH 上升 0.17～0.38[66]。
4.3 土壤盐碱化治理
土壤盐碱化是世界性的生态问题，全世界约有 9.32 亿 hm2 的土地受到盐碱化影响，这一问题导致土地退化、农业生产力下降[67]。我国盐碱地资源总量约为 3600 万 hm2，主要分布在东北、西北、华北以及沿海地区[68]。土壤盐碱化是半干旱地区的自然过程，蒸发量高于降水，导致盐分在土壤表层积累。而在农业生产过程中，长期灌溉、排水设施不足等人为措施导致地下水位上升，以及沿海地区的盐水入侵，都是造成土壤盐碱化的原因[69]。土壤盐碱化进一步加剧了我国耕地资源紧张问题。
盐碱化土壤调理剂能够降低土壤中的可溶性盐以及交换性钠的含量[70]，使土壤 pH 降低，改善耕地土壤质量，减轻盐分对作物造成的危害。已有研究表明，用于盐碱化土壤改良的调理剂主要包括固体废弃物、矿物类和有机类等。施用土壤调理剂，土壤 pH 降低了 0.89%～40.27%（表3），平均降低 14.48%，土壤电导率平均降低 50.46%，土壤碱化度平均降低 55.20%。
表3土壤调理剂改良盐碱化土壤效果
4.4 重金属污染修复
随着人们对农化产品质量要求的不断提升，农药、化肥的大量施用，以及不合理的灌溉措施，导致我国土壤环境整体质量偏低，我国土壤总的点位超标率达到 16.1%[80]。重金属污染会改变土壤的生态结构和功能，影响土壤的物理化学性质，显著降低农作物的产量，同时对生态环境和人类健康构成严重威胁[81]。
研究发现，土壤调理剂可以通过不同的机制，如沉淀、络合、吸附或离子交换等，降低土壤中重金属的溶解性和迁移性[82]，并降低重金属的生物可利用性。用于土壤重金属钝化的土壤调理剂主要有矿物类、硅钙镁类、有机类和纳米材料等，矿物类土壤调理剂对土壤中可交换态重金属离子的降低幅度在 18.20%～69.90%（图4a），平均降幅 31.35%；而作物中有效态重金属离子含量降幅在 41.57%～68.06%（ 图4b），平均降幅 46.73%。而硅钙镁类调理剂可降低土壤中可交换态重金属离子含量 10.64%～44.68%。有机类土壤调理剂对土壤和作物中有效态重金属离子含量的作用效果降幅分别为 14.30%～35.70% 和 45.00%～86.00%。纳米材料降低了土壤中可交换态重金属离子含量 6.39%～25.00%，并且降低作物中有效态重金属离子 20.31%～52.74%。
受污染的土壤中通常存在不止一种重金属，因此，使用单一改性材料实现理想的修复效果具有挑战性。施用有机-无机复合土壤调理剂能够显著减少土壤中有效铅的含量，并提升土壤 pH 值（从 5.34 增至 6.25），有效减少小白菜中铅的含量，促进小白菜的生长[93]。石灰、有机肥和海泡石联合施用，红壤小油菜产量比对照组高出 15 倍，并显著降低小油菜对镉和锌的吸收[94]。值得注意的是，土壤调理剂对重金属的钝化只是改变其在土壤中的存在形态，钝化剂吸附重金属离子是否会释放，造成二次污染，目前关于其作用机理尚不清晰。
4.5 提高土壤保水供水能力
我国农业发展受到水资源短缺、灌溉系统不完善以及肥料使用效率低下等关键性因素的制约。保水剂又称土壤保水剂、高分子保水剂、高吸水性树脂，具有极强的吸水和保持水分的能力，能够迅速吸收远超自身重量数百至数千倍的去离子水，以及数十至近百倍的含盐水分，并且能够反复吸水[95]。在增强土壤保水性、节约灌溉用水、提高抗旱能力等方面发挥重要作用，特别是在干旱地区的农业和节水灌溉技术中的应用受到广泛关注[96-97]。保水剂能够优化植物根系与土壤之间的环境，为植物直接提供所需的水分[98]；同时，还能通过改善植物根部周围的土壤结构，增强土壤的保水能力，从而间接地为植物提供水分[97]。
图4土壤调理剂修复污染土壤效果
研究发现，合成聚合物类保水剂适用于改善土壤蓄水保水性能，对提高旱作地区作物抗旱保苗、节水增产和水分利用效率有积极影响，尤其是在砂质土壤上作用显著[99]。使用保水剂能够减少农业灌溉中的水分消耗，延长土壤中养分的保持时间，降低植物死亡率，加快作物生长速率[100]。有机-无机杂化保水剂[101]的施用使水分利用效率提高了 71.80%～86.50%，施用量为 90 kg/hm2 时效果最好； 施用聚丙烯酰胺保水剂[102-105]土壤水分利用率增加了 4.40%～80.90%，且施用 60 kg/hm2 时效果较好 （图5）。
已有研究发现，保水剂的施用方式以沟施和穴施效果较佳，黄伟等[106]的研究比较了保水剂穴施、涂层、拌种处理 3 种不同施肥方式对马铃薯生长及产量的影响，结果表明，穴施入保水剂可提高马铃薯薯块产量和商品薯率，且效果最佳。张蕊等[107]在河套灌区对比了沟施、混施、撒施 3 种保水剂施用方式对春小麦生产的影响，发现沟施作用效果较强。保水剂的施用虽在一定程度上缓解了干旱缺水条件下对作物的影响，但保水剂吸水膨胀后，会改变土壤三相比，造成土壤气相和固相占比降低，有可能造成作物根系缺氧等问题。
图5保水剂的作用效果
5 土壤调理剂存在的主要问题
土壤调理剂因其对土壤理化性状、生物性状改良以及作物生长的积极影响，目前已被广泛应用于生态环境治理中，但其在农业生产应用过程中仍然存在一些问题。
（1）效果显现慢。土壤调理剂对土壤的调理是一个长期的、缓效的过程，并不能像生物刺激素或化肥那样效果立竿见影，农户往往期望快速看到效果，这导致农户对土壤调理剂的接受度和使用意愿降低。
（2）成本较高。人工合成土壤调理剂的价格相对较高，且相同面积下土壤调理剂可达到化肥施用量的 1.5～3 倍，甚至更高。这使得一些农户难以承担，从而限制了土壤调理剂的广泛使用。
（3）配合施用配比不清晰。单一施用一种土壤调理剂难以解决土壤障碍，往往需要多种调理剂配施或与肥料配施，但土壤调理剂的施用配比缺乏明确的指导，不同土壤类型和条件需要不同的配比，而目前缺乏具体的推荐配比，导致农户难以正确施用。
（4）推广应用程度不高。土壤调理剂的推广应用程度不高，主要原因是土壤调理剂种类繁多，缺乏健全的市场监管制度，造成农户施用难选择、难施用的问题；部分原因是缺乏有效的推广和教育机制，农户对土壤调理剂的认识不足。
6 土壤调理剂的未来发展方向
（1）高效专一型。未来土壤调理剂的研发将更加注重提高改良效果和利用率，研究针对特定土壤类型和作物需求的专用土壤调理剂，以增强其针对性和创新性，旨在同步提升土壤质量及作物品质，从而实现双重效益。
（2）复合多功能型。单一的土壤调理剂改良效果有限，不能同时解决多种问题，研发具有改良土壤结构、保水保肥、改善土壤理化性状等多功能于一体的土壤调理剂，不仅可以降低使用成本，也使农户施用更简便，有利于其推广和使用。主要针对不同区域、具有相似的多障碍因素中低产田进行长期、有效的土壤改良，最终达到多障碍因子消减的作用。
（3）环境友好型。未来土壤调理剂的研发将更加注重环境友好型，减少对土壤和水体的污染，减少对环境的危害。通过利用生物质废弃物、农业副产品、生活垃圾和工业副产品作为土壤调理剂的原料，不仅解决了环境保护的问题，同时也实现了土壤改良的目标，消除了两者之间可能存在的冲突。