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50年代以前,土壤结构改良剂的研究仅限于天然结构改良剂,研究较多的是藻朊酸盐,它是从藻类中抽取的多糖羧酸类化合物,藻朊酸钠用量01%(按土重计算)便有显著的改土效果。但由于天然结构改良剂易被土壤微生物分解且用量较大,难以在生产上广泛应用,于是,人工合成结构改良剂的研究便逐渐开展起来。克里利姆土壤改良剂是初期人工合成的改良剂,主要成分是聚丙烯酸钠盐,具有高效、抗微生物分解、无毒等优点。最近几年,高效低用量土壤结构改良剂出现,使用方法不断改进,使用成本逐渐下降,使其具有越来越广阔的应用前景。
1 土壤结构改良剂的种类、性质
土壤结构改良剂是根据团粒结构形成的原理,利用植物残体、泥炭、褐煤等为原料,从中抽取腐殖酸、纤维素、木质素、多糖羧酸类等物质,作为团聚土粒的胶结剂,或模拟天然团粒胶结剂的分子结构和性质所合成的高分子聚合物。前一类制剂为天然土壤结构改良剂,后一类则称为合成土壤结构改良剂。
1.1天然土壤结构改良剂
1.1.1天然结构改良剂的种类
1.1.1.1腐殖酸类以泥炭、褐煤为原料制成褐腐酸钠或钾,它们是一大类多环稠环有机化合物。其结构与土壤腐殖质相似。
1.1.1.2多聚糖类从瓜尔豆中提取的一种高分子物质。
1.1.1.3纤维素类主要成分为纤维素,用碱液加湿处理后,即产生纤维糊,可做为结构改良剂。
1.1.1.4木质素类一般以纸浆废液为原料制成,包括木质素磺酸、木质素亚硫酸铵、木质素亚硫酸钙等。
1.1.1.5其它粉煤灰、糠醛渣、沼渣。
1.1.2以多聚糖和腐殖酸类说明天然结构改良剂的性质和作用机制
多聚糖是一种水溶性天然土壤结构改良剂,它是从瓜尔豆中提取的一种高分子物质,其分子质量大于2.0×10５u。多聚糖在水溶液中是一种生物不稳定性物质,在土壤中能被微生物降解成小分子物质,因此,改良土壤时,用量大于人工合成改良剂。多聚糖是一种线性的绕曲的高分子聚合体,在其链条上有大量的－OH,羟基与粘粒矿物晶体表面上的氧原子形成氢键,示意如下:粘土晶面Si－Ｏ……HO－R－OH－O－Si粘土晶面,将分散的土壤颗粒胶结在一起形成团聚体。多聚糖的亲水基－ＯＨ与粘粒的氧键,其键能为20.9～41.9 kJ/mol。由它胶结的微团粒或团粒具有相当程度的稳定性。这样,粘粒表面吸附的水分子被高分子有机化合物取代,而且有机化合物的亲水功能团与粘土矿物的活性点相结合,于是,粘粒表面为疏水的烃链所被覆,从根本上改变了粘粒的水合性和胀缩性,使生成的团粒具有水稳性。
1.2人工合成土壤结构改良剂
1.2.1聚乙烯醇(PVA),属非离子型聚合物,结构式为:
1.2.2聚丙烯酰胺制剂(PHM),结构式:
这种制剂中的干物质含量为80%,干物质中的含氮量为192%。
1.2.3沥青乳剂(ASP)
1.2.4聚丙烯腈
－（－ＣＨ２－ＣＨ－）a－（ＣＨ２－ＣＨ）b－
｜ ｜
COO－ CH＋
它们是由单体聚合而成的,单体有乙烯单体(CH２＝CH２)、丙烯酸(CH２＝CH－COOH)、丙烯腈单体(CH２＝ＣＨ－ＣＮ）等。在聚合物链条上有许多功能基,其中有些是活性功能基,如羧基(－ＣＯＯＨ）、氨基(－ＮＨ２）等。这些活性功能基在溶液中解离后,就使聚合物成为带电离子,或是聚合阴离子,或是聚合阳离子。合成的结构改良剂一般具有很强的粘结力,能把分散的土粒粘结成稳固的团粒。阳离子型聚合改良剂与粘粒上的负电荷结合,胶结分散的粘粒形成团聚体,阴离子型结构改良剂作用机制不同于阳离子型,它与带负电荷的土粒结合分三种情况:一是由氢键连结,即阴离子型结构改良剂分子上的羟基(－ＯＨ）与粘粒矿物晶体面上氧原子结合形成氢键;二是在低pH条件下,阴离子型结构改良剂产生正电荷,与粘粒晶面上的负电荷形成离子键;三是高价矿质离子作为盐桥分别与阴离子型改良剂分子上的负电荷和土粒上的负电荷结合形成离子键。
2 土壤结构改良剂的应用效果
2.1 改善土壤结构
土壤结构改良剂能有效地改善土壤团粒结构,减小土壤容重,增加总孔隙度。西南农业大学曾觉廷的研究证明,土壤改良剂能使分散的土粒形成微团聚体,进一步形成团聚体,不仅增加土壤中水稳性团聚体的含量,而且显著提高团聚体的质量。在盆栽土壤试验中,大团聚体含量比对照增加了,PHM为20.88%,VAM为4.73%,HNA为2.24%。陕西农科院土肥所宋立新的试验表明,0.5～0.25mm团聚体相对增加3.7%～54.6%,结构改良剂不仅能使分散的土粒团聚,还可使微团粒相互粘结,所以施用结构改良剂后,大团粒的比率大大增加。有人曾做过试验,施入0.05%CRD－1816后,2～５mm及大于5mm的团粒占团粒总数的63%,施用量增至0.15%时,则达90%,而对照仅为11%。结构改良剂促进团粒结构形成的同时,还提高了土壤总孔隙度,降低土壤容重。紫黄泥土施用PHM(0.4%)和VAM(0.1%)后,土壤中＞50μm孔隙分别是18.3%和11.7%,而对照仅有7.7%。最近,山西省农业科学院土肥所研究了粉煤灰的改土效应,试验结果表明,土壤施入粉煤灰后,可以降低容重,增加孔隙度,调节三相比,提高地温,缩小膨胀率,明显地改善了粘土的物理性状。
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2.2 提高土壤蓄水保水能力
西南农业大学陈萌在紫色土上的试验证明,PHM和VAM均能提高土壤持水量和释水量,增大土壤吸持水分对植物的有效程度。中国农科院汪德水的研究结果说明,沥青乳剂和PHM均能减少土面水分蒸发,保蓄水分,提高水分利用效率。王久志在土壤结构改良剂覆盖改土作用的研究中指出,施用沥青乳剂后,在0～１５cm和1m土层内,土壤含水量分别增加19.33%～27.44%和10%。在蒸发的3个阶段中,沥青乳剂具有抑制水分蒸发的效果,抑制率达14.7%～32.3%。
2.3 提高土壤温度
沥青乳剂可以提高地温。有试验证明,施用沥青乳剂后,在1d内或一年内土壤温度均高于对照,日平均增温2.1℃。宋立新等研究证明施用沥青乳剂增高耕层地温,较对照高0.8～1.5℃。
3 土壤结构改良剂使用技术研究
3.1 土壤结构改良剂的用量
一般以占干土重的百分率表示,若施用量过小,团粒形成量少,作用不大;施用量过大,则成本高,投资大,有时还会发生混凝土化现象。根据土壤和土壤改良剂性质选择适当的用量是非常重要的,80年代,Hedrick和Mowry等报道,聚电解质聚合物改良剂能有效地改良土壤物理性状的最低用量为10 mg/kg,适宜用量为100～2000 mg/kg。奥田东等指出,以5000 mg/kg用量为极限,超过这个极限,反而不利于团粒的形成。近几年来的研究结果与以前有所不同,1986年,Wallace试验证明,使用量为4 mg/kg时,水稳性团粒增加的幅度大,说明聚丙烯酰胺用量低于10 mg/kg,也具有一定的改土效果。
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3.2 土壤结构改良剂的使用方法
如果将粉剂直接撒施于表土中,由于结构改良剂很难溶解进入土壤溶液,这种施用方法的改土效果很小,在相同情况下,将改良剂溶于水施用,土壤的物理性状明显得到改善,例如,每公顷用42 kg固态聚丙烯酰胺,土壤团聚体和土壤导水率均未增加,但改良剂溶于水施用,每公顷只用32.2 kg聚丙烯酰胺,团聚体增加45.2%,土壤的物理性状有较大改善。
3.3 施用时土壤墒情
以前普遍认为,要在表土墒情适宜时进行,适宜的湿度为田间最大持水量的70%～８０％。最近,由于施用方法从固态施用到液态施用的改进,施用时对土壤湿度的要求与以前不同。研究证明,施用前要求把土壤耙细晒干,且土壤愈干,愈细,施用效果愈好。
4 在烟草上应用展望
中国植烟土壤长期片面重视化学肥料,致使土壤有机质含量锐减,土壤物理性状恶化,尤其是团聚体数量和质量的下降,土壤通气状况退化。研究证明土壤的物理性状对烟叶的品质和产量有着重要影响,其中尤以通气状况和水分状况之间的平衡,控制了大部分品质要素。烟草是需氧较多的植物,依靠氧维持根系功能。(1)氧气的供应状况是由土壤孔性和结构性决定的。由于烟碱是在烟草根部,尤其是在幼根和根毛等部位形成,保持良好的土壤通气性有利于烟碱的合成。土壤通气性不良,则土壤供氧不足,根系呼吸受阻,新生根的形成和活性就会降低,直接影响烟碱合成。施用土壤结构改良剂,改善土壤通气性,有利于烟碱的合成。(2)土壤通气状况和水分状况还影响植物对养分的吸收。通气良好的环境,能使根部供氧状况良好,并能促使呼吸产生的CO2从根际散失。根际土壤中氧气的含量高,能促进烟株根系的有氧呼吸,有利于植物对养分的吸收。水分对烟株生长,特别是对根系的生长有很大影响,也同样间接影响养分的吸收。许多研究表明,若施用甘露醇降低营养液的水势,植物对H２PO4－、K＋和其它离子的吸收就会受到抑制。不同含水量土壤的吸收试验证明,玉米对８６Ｒb的吸收随土壤含水量由10%增加到28%而提高。对K＋而言,缺水既可降低其从土粒向根表的迁移速率,也可减弱根系的吸收能力。再者,北方土壤的主要粘粒矿物为2:1型蒙脱石,K＋在这样的土壤中的固定现象十分明显,尤其是在土壤干湿交替过程中,更为严重。试验证明,保持土壤湿润,缓解干湿交替过程是提高K＋有效性的重要措施。因此,植烟土壤的土壤结构改良,土壤水分性状和通气性状的平衡,成为我国烟草栽培工作中的一项重要任务。土壤结构改良剂的研究及应用证实,它不但增加土壤团粒结构,改善土壤通气性,还能提高土壤水分有效性及土壤温度。土壤结构改良剂应用效果研究及使用技术的改进,为烟草生产再上新台阶奠定了基础。土壤结构改良剂有效施用量的减少,施用方法的改进,改土效果的提高,使得它在大田使用成为可能。烟草是一种利润较高的经济作物,施用土壤结构改良剂,能提高烟叶外观品质和内在质量,提高产值及投入产出比,而且该项技术易于推广,见效快,因此,土壤结构改良剂在烟草生产上有广阔的应用前景。
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