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高分子材料改良盐碱地研究进展 主旨内容 01 图形摘要
1.1背景意义 土壤盐碱化引起农业生态资源失衡，阻碍农业经济健康发展。近年来，因自然天气、人为活动等因素导致的土壤盐碱化问题日趋严重。我国盐碱土地分布广泛，总面积超过1.48×109亩，其中未被利用的盐碱土约占80%。滨海盐碱地约占全国盐碱地的40%，占沿海陆地总面积27.45%。受到地形环境等因素影响，滨海盐碱土壤盐分含量高，土壤密度大，土壤表层出现积盐、结壳开裂现象。滨海盐碱土壤中高浓度盐分使土壤有益微生物数量减少，土壤酶活性降低，土壤中腐殖质的形成转化慢，作物可利用的有效养分低。滨海盐碱土壤盐含量过高，土壤溶液的渗透压大，盐离子进入植物体内并累积，阻碍了植物正常的养分速吸收、转化和利用，植物的蒸腾作用和光合作用等活动受到抑制，植物产生生理干旱，生长出现畸形甚至死亡。盐分胁迫还会影响种子的萌发出苗，抑制作物生长发育，进而造成减产。盐碱土资源利用和国家粮食安全息息相关，土壤盐碱化问题对我国土地资源的可持续利用造成了巨大威胁，严重制约了我国后备土地资源的综合利用。滨海盐碱地作为我国重要的后备土地资源之一，改良未利用的滨海盐碱土地，一方面可以扩增国家的耕地资源，另一方面也能够拓宽我国农业发展空间，对保障我国耕地和粮食安全、严守耕地红线意义重大。 使用土壤改良剂改善土壤物理性状，既高效又便捷，是当前盐碱土改良的主要手段之一。传统的化学良剂主要有氯化钙、石膏、磷石膏、脱硫石膏、绿矾、硫酸铁、硫酸铝、硫磺、硫铁矿以及天然的矿土资源如褐煤、沸石、生物炭等。这类化学改良剂主要是通过调节土壤酸碱度和土壤吸附性离子的组成来改善土壤结构，增加土壤通透性，从而达到改良盐碱土壤的目的。如石膏改良盐碱土的主要原理是增加了土壤中的Ca2+含量，通过Ca2+与土壤胶体吸附的Na+、Mg2+进行交换，使土壤由亲水胶体变为疏水胶体，改善土壤结构和通透性，达到脱盐和抑制返盐的作用。 传统的化学改良剂虽然对土壤中的盐基离子起到置换作用，但容易造成土壤pH值改变过大，作物难以成活的问题。此外该类改良剂还存在使用量大、改良周期长、改良后土壤容易返盐等问题。高分子改良剂能够有效的降低土壤的碱化度，提升作物的产量和品质，解决土壤板结、土壤肥力低下以及土壤返盐等问题。多种高分子改良剂搭配使用还可以提高土壤的有机质和腐殖酸含量，增加土壤N、P、K等营养物质，改善土壤结构，减轻土壤中盐分对作物的胁迫。
图1 我国盐碱土面积及分布和典型盐碱地 1.2高分子改良剂定义及分类 高分子改良剂指采用高分子材料作为改良盐碱土壤结构、提升盐碱土壤性能的物质。高分子改良剂中的高分子材料也称为聚合物材料，通常是指分子量超过一万的复合材料。高分子改良剂可按照改良材料数量、改良材料来源等方式进行分类。按照改良材料数量不同，高分子改良剂可分为单一型高分子改良剂和复合型高分子改良剂。按照材料来源不同，高分子改良剂可分为天然高分子改良剂和人工合成高分子改良剂。 单一型高分子改良剂中只有一种高分子材料，包括腐殖酸改良剂、矿物黄腐酸钾改良剂、聚谷氨酸改良剂等；复合型高分子改良剂中的高分子物质与其他高分子物质或者有机物质组合存在，如聚谷氨酸、马来酸等酸性组合高分子改良剂、腐殖酸。天然高分子改良剂是经过一定的化学方法从某些天然物质中所提取的有机大分子物质。常见的天然高分子改良剂主要有腐殖酸、柠檬酸、纤维类、壳聚糖等。天然高分子物质对于环境的危害性小，同时对土壤物理性质的改良效果较无机矿物类改良剂更为全面和有效。人工合成的高分子聚合物改良剂包括丙烯酸及其衍生物（丙烯酰胺、丙烯酰睛、丙烯酰肼等）、乙烯基类聚合物（苯乙烯基铵盐、烯丙基铵盐、聚苯乙烯磺化物等）以及其他种类的高聚物。 1.3高分子改良剂盐碱土原理 高分子改良剂的改良原理可以概括为物理、化学、生物三个方面： (1) 物理方面，高分子改良剂自身携带丰富的活性基团（羟基、羧基、酰胺基等）能够与土壤颗粒形成氢键，通过氢键作用吸附分散的土壤颗粒。高分子改良剂还可以通过静电桥接作用进一步促进土壤团粒的凝聚，增加土壤水稳性大团聚体的数量，减少肥料流失，间接增强土壤肥力。高分子改良剂同时具有保水的功能，高分子改良剂携带的亲水基团能够与水分子结合形成水凝胶。水凝胶通过氢键与水分子中的氢原子在土壤颗粒表面形成稳定的结合水分子层，不仅能增加土壤的持水能力，还可以在土壤颗粒施加约束力，促进土壤颗粒的凝絮及团聚，提高土壤团聚体的水稳性。在干旱土壤中使用高分子改良剂能够起到保水、减少水分蒸发的作用。 （2）化学方面，高分子改良剂可以置换土壤颗粒表面的钠离子；降低土壤盐含量。部分酸性高分子改良剂还可以与盐碱土壤中碱性物质发生中和反应，调节土壤的酸碱度，有效的降低盐碱土壤的碱度。天然高分子改良剂还可以螯合或络合土壤的养分离子，提高土壤氮磷钾等营养元素的有效性，使土壤中可被农作物利用的营养元素含量增加促进作物生长。 （3）生物方面，高分子改良剂含有氨基酸、甜菜碱、酚类等化合物，可以刺激土壤有益微生物生长和繁殖，增加微生物丰度，促进土壤有机质形成。部分高分子改良剂含有的植物激素（赤霉素，生长素和细胞分裂素等）还具有抗菌和杀虫作用，能够提高农作物的抗逆性，促进作物增产。 因地制宜地使用高分子材料，通过提升水肥利用率来增加土壤肥力和农作物产量，能避免化肥的过度使用，减少化肥残留对土壤的影响，降低土壤板结率，有利于农业生态环境的保护和可持续发展。
图2 高分子改良剂的特点 1.4高分子改良材料在农业中的应用 在农业生产上，高分子吸水树脂是常用的土壤保水剂。在土壤中加入一定质量分数的高吸水树脂，可增加土壤中结合水总量，提高土壤持水能力，减少土壤中水分的蒸发。高分子吸水树脂与自然降水或者灌溉水结合，可减少水分蒸发和下渗，在一定程度上减少了灌溉水的用量和次数，节约了水资源。 在肥料生产中，高分子材料通常用于制备缓释肥料。高分子物质通过共价键或离子键的形式直接或间接地与普通肥料结合，形成一种新的功能性高分子缓释化肥。通过控制高分子材料的结构来控制肥料释放速度，能提高化肥的利用效率，减少化肥使用量。 在盐碱土改良中，高分子种衣剂可以提高种子出苗率。高分子种衣剂能在种子发芽过程中逐步释放，促进种子生根发芽，改善种子的生长环境。高分子改良剂可以促进土壤小团聚形大团聚体，增加土壤内部孔隙数量，提高土壤的持水保肥能力。聚马来酸酐可以吸附 K+、NH4+、Ca2+、Mg2+，避免土壤阳离子的流失，并可以在植物的根系附近与 H+交换后供植物吸收利用，具有保肥、降盐降碱作用。聚丙烯不仅可以作为一种保水剂改良土壤其降盐碱的作用强于常见的石膏和生物炭，还可以促进土壤团粒化，显著提高土壤的通透性，减少土壤中养分元素的相互反应，固定养分。
图3 高分子改良剂的改良效果 1.5实验室研究结果 实验室以新型高分子材料絮凝剂为基础研发了一款高分子改良剂，采用东营市滨海盐碱土，通过玉米盆栽试验对高分子改良剂的改良效果进行验证。结果发现，使用新型高分子改良剂相比传统石膏处理和市场上使用的微生物改良剂更能够提高玉米植株体内养分含量和生物量，同时增加土壤有机质和速效养分含量。高分子改良剂降低盐碱土壤氯离子与钠离子含量效果显著，比不使用改良剂处理的盆栽分别降低了38.97%和35.75%。对种植玉米后的盐碱土进行结构分析，发现高分子改良剂土壤中大颗粒（大于0.25毫米团聚体）的数量比不使用改良剂处理的盐碱土增加了30%，比使用传统石膏处理的土壤增加了23%，说明高分子改良剂能够改善土壤结构，破除土壤板结，促进土壤水分入渗。此外新型高分子改良剂盆栽的土壤含水率增加了13.7%，且使用了新型高分子改良剂后盆栽土壤的盐度无显著性提高，使用后不会造成土壤的盐碱化。
图4 不同改良剂盆栽实验效果 实验室建设 02 2.1实验室设备安装调试 截止到本月，共64大类，120余件试验设备到达实验室，以完成大部分设备的安装调试工作。此外试验用地的测距已经完成，为下一步铺设喷灌设施奠定基础。
图5 设备调试及喷灌设备示意图 2.2实验室参观工作 本月20至21日，实验室负责人崔振岭教授带队视察实验室与试验田建设进展。崔振岭带队参观了实验室，详细了解实验室各平台的具体情况，指出了实验室下一步工作方向。参观结束后，一行人于国创中心会议室召开研讨会，苗琪就实验室建设进展和规划进行汇报，实验室研究生就近期研究进展、遇到问题和研究计划做汇报。崔振岭对每位汇报人的工作进行了点评，并阐述了实验室发展方向以及目标定位，最后要求团队成员要精诚合作、积极进取，利用好平台资源，提升个人本领。 此外，还参观了团队位于盐碱地农业综合试验示范基地的试验田，对试验田的规划和试验设计做出了方向指示，确定了105亩试验田的功能分区，分为养分高效利用、土壤改良培肥、新材料与新产品应用、土壤-作物系统调控和技术集成示范五大区块，每个区块设计1-2个大田试验。此次视察为实验室未来发展进一步指明了方向，提升了团队成员的工作积极性。水发农业集团科技部、水发金水建设工程有限公司东营项目部、盐碱地改良与利用实验室研究生及盐碱地生物改良技术与模式创新团队等相关人员参与活动。
图6 崔振岭教授参观实验室与试验田 End
撰稿：黄志清 编辑：蔡廷瑶 审稿：崔振岭 苗琪
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