张强 赵文娟 陈卫峰 秦涛 徐升运
摘 要:盐碱地改良对改善生态环境、促进農业可持续发展具有非常重要的意义。本文根据盐碱地的特性,概述了盐碱地土壤脱盐修复及培肥保育方面的研究进展,分析了各项措施的优缺点,提出了排盐是“根”,培肥是“本”的观点,为盐碱地的改良提供参考。
关键词:盐碱地;修复;保育;改良;研究进展
中图分类号:S156.4 文献标识码:A DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2018.04.016
Research Progress on Remediation and Conservation of Saline Alkali Soil
ZHANG Qiang1,2,3,ZHAO Wenjuan1,2,3,CHEN Weifeng1,2,3,QIN Tao1,2,3,XUE Shengyun1,2,3
(1. Bio-Agriculture Institute of Shaanxi, Xi'an, Shaanxi 710043, China; 2. Enzyme Engineering Research Center of Shaanxi Province, Xi'an, Shaanxi 710600, China; 3. Northwest Agrobiology Center,Chinese Academy of Sciences, Xi'an, Shaanxi 710600, China)
Abstract: The improvement of saline alkali land was very important to improve the ecological environment and promote the sustainable development of agriculture. According to the characteristics of saline alkali land, soil desalting remediation and fertilizer conservation in saline alkali soil were summarized, the advantages and disadvantages of these measures were analyzed, and then the viewpoint — "salt discharge is the basis while fertilization is the purpose" was proposed, in order to provide reference for the improvement of saline alkali soil.
Key words: saline alkali land;remediation;conservation;improvement; research progress
盐碱地是各类盐土、碱土及盐化、碱化土壤的总称,根据土壤中盐碱含量的多少,一般可分为轻度、中度和重度盐碱地3类,作为一种重要的土地资源,土壤盐碱化严重影响了区域生态环境和粮食生产[1]。据联合国教科文组织和粮农组织的不完全统计,全球盐碱地面积达9.55亿hm2,而我国盐碱地总面积约9 914万hm2,居世界第3位[2]。盐碱土主要表现为湿时粘、通气性差;干时硬、透水性差,严重的地表会渗出盐类物质,直接造成植物枯萎、死亡[3]。土壤盐碱化使大面积土地得不到有效利用,严重影响农业生产和农民生活水平的提高,盐碱地的土壤改良与修复势在必行。
盐碱地资源的综合开发利用是实现我国农业可持续发展的根本途径,对改善农业生态环境,推动区域经济可持续发展具有非常重要的意义。本文依据盐碱地特点,在总结相关科研成果基础上,从盐碱地治理改造措施角度,概述了盐碱地脱盐修复及培肥保育方面的研究进展,并通过比较各项技术措施的优缺点,提出了排盐是“根”,培肥是“本”的观点,旨在为盐碱地改良提供参考。
1 盐碱地分类、分布及成因
1.1 分 类
盐碱土总体上分为盐土和碱土两大类[4],二者均含有大量易溶性盐分,不能为植物提供适宜的生长环境;Na+,K+,Ca2+,Mg2+及Cl-,SO42-,CO32-, HCO3-是盐碱地中的主要盐分离子[5]。国内外学者对盐碱土的分类标准并不完全统一,主要以电导率和pH值作为衡量盐碱化程度的指标。盐土一般是指盐含量达0.6%~2.0%的土壤,以NaCl为主,其可溶性盐类物质超过2 g·kg-1;碱土是指代换性钠离子阳离子代换量的百分率(ESP)超过20%、pH值大于8的土壤,以Na2CO3为主;实际上盐土与碱土常混合存在,故习惯上称之为盐碱土[6-9]。
1.2 分布与成因
我国盐碱地分布包括西北、东北、华北及滨海地区在内的17个省份,大致可分为东部沿海的滨海盐土及海涂、黄淮海平原盐碱土、东北平原盐碱土、西北内陆盐土和青海新疆的漠境盐土五大片[10]。盐碱土是在一定的自然条件下形成的,其实质是盐类在垂直方向与水平方向的不规则分布,从而导致盐分聚集在表层土壤,盐碱化严重的地区,植物几乎不能生长[11]。
内陆盐碱土主要分布于新疆大部、青海的柴达木盆地、甘肃的河西走廊和内蒙古西部;此类盐碱土多为硫酸盐碱土,部分为氯化物盐碱土,盐分含量1%~4%,表层土壤可高达20%。主要成因是由于气候干燥、日照强烈、风大少雨、蒸发量大,从而引起岩石的风蚀风化,提高了土壤含盐量;以及盐分在风力作用下向土壤上层转移,从而加剧了盐渍土的形成。冲积平原盐碱土主要分布在黄淮海平原、松辽平原及三江平原,在黄河冲积平原和黄土高原呈带状分布,以碳酸盐碱土为主。主要成因是由于地下水位上升使得盐分随水分转移至土壤表层,致使局部地区土壤盐碱化。滨海盐碱土主要分布在长江口以北的江苏、山东、河北等地,长江口以南的浙江、福建等地分布较少,土壤的盐分组成大部分为氯化物,其盐分组成及来源与大海的地层及海水息息相关,海水倒灌、风力气候作用都极易造成土壤盐碱化[12]。另外,人类不科学的开发如不合理的漫溉、过度施用化肥等,破坏了土壤结构,使土壤板结,通透性差,土壤中盐分分布不均,从而加剧了土壤的盐碱化,造成了次生盐碱化[13-15]。
2 盐碱地修复措施
土壤中盐分与水分运行的基本规律是“盐随水来,盐随水去;盐随水来,水散盐留”[16]。根据此规律,我国在盐碱地排盐、脱盐修复土壤方面主要采取水利工程、农业耕作、化学及盐生植物等措施。
2.1 水利工程措施
水利工程措施的要点是“灌水洗盐”,人工浇灌或降雨,可以使土壤中的盐分在水压作用下渗到深层土壤,从而降低表层土壤中的盐分。利用水利工程措施改造盐碱地可追溯到公元前2200年大禹治水时期,改良方法采用了沟渠排灌;解放初期,主要是以漫灌排盐为主, 20世纪60年代多推行井群排灌,70年代采用“抽咸换淡”,80年代采用“强灌强排”; 20世纪80年代起,我国北方多省采用暗管排水法改良盐碱地。暗管排水在内陆盐渍土和滨海盐渍土改良中能够降低地下水位、提高脱盐效果、防止土壤次生盐渍化。张亚年等[17]研究认为,暗管排水可以使土壤盐分排出,有效降低土壤含盐量,其效果优于明沟排水,且具有占地面积少、利于机械化作业等优点。
东营市采用了暗管排碱技术改良盐碱地,主要措施是将PVC渗管埋入地下1.8~2.0 m处,将地下盐水截流到暗管,然后集中排到明渠中,从而使地下水位下降了0.5 m,含盐量降低了0.1%[18]。韩霁昌等[19-20]在陕西卤泊滩盐碱地治理工程中,采用了“改排为蓄、水地共处、和谐生态”的综合治理模式,其核心是改“排”为“蓄”,主要措施是区域内控制排水,不对外排水,通过循环灌水压盐,使盐分向土壤下层渗透,从而减少土壤耕作层的含盐量。
水利改良措施虽然是治理盐碱地最有效的方法,但首要条件是必须有充足的淡水水源,而且投资巨大,维护费用高,地下水位控制不当会引起土壤返盐,易造成土壤次生盐渍化,及土壤中矿质元素的流失。因此,该措施在旱地农业中是不经济的。
2.2 农业耕作措施
盐碱地土壤中盐分的分布规律是表层多、下层少,因此,通过调节土壤中盐分、水分、肥力、热量的分布,可以保证植物的正常生长。平整土地、深翻松耕、客土改良、压沙等是农业耕作中最常见且行之有效的方法,其中,客土改良是国際上常用的方法,主要用于改良原生型的盐碱,特别是重度和中度盐碱土。林忠华[21]采用小区试验和大田示范相结合的方法,研究肥土、海泥和塘泥改良赤沙型旱地的效应,结果表明,客土是培肥改良赤沙型旱地的有效途径,客土能增厚耕作层,改善土壤理化性状,提高水肥容量,其中以肥土、海泥的应用效果最好。高志强[22]采取一次性客入150~250 t·hm-2的物质( 风沙赤沙或红黏土) 于盐土表面,形成25~35 cm的人工堆垫耕层,这种客土堆垫法可做到当年改良利用,当年获得好收成。
经过深耕深翻平整土地,可以把表层土壤中的盐分翻至下层,同时把含盐较少的下层土壤翻至表层;深耕晒垡可以切断土壤毛细管,减少水分蒸发,增强通透性,能够有效抑制土壤返盐[23]。孙建敏[24]研究表明,垄沟深松40 cm、中耕深松30 cm的耕作方法,能够促进高粱根系发育、显著提高高粱产量。
客土改良虽然效果直接有效,但工程量大,需要大量优质土壤,费用过高,且对取土区域造成新的伤害,不宜大面积推广使用;耕翻耙地操作简单,费用低,易推广,相对容易实施。
2.3 化学措施
化学改良的基本原理是酸碱中和,即向土壤中施用化学改良剂,降低可溶性盐分含量,减轻盐分对作物的伤害。常用的化学改良剂有脱硫石膏、硫酸盐、有机或无机肥料、糠醛渣和土壤综合改良剂等。化学改良剂一方面可改善土壤物理结构,增加孔隙率,加速排盐洗盐速度;另一方面可转变可溶性盐的化学成分,降低其含量,调节土壤酸碱度[25]。
赵兰坡等[26]使用硫酸铝改良强碱性苏打盐碱土,土壤中Ca2+,Mg2+,K+,Na+的含量明显提高,pH值下降,土壤的吸水速度及吸水量也显著提高;同时,大粒径团聚体数量明显增多,孔隙度增大,土壤容重变小。施用脱硫石膏可降低土壤中碳酸盐含量,而硫酸盐含量增加,土壤pH值和碱化度降低,有机质含量增加,土壤微生物活性提高,土壤酶活性增加;作物生长的土壤生态环境得到改善,从而提高作物产量[27]。房宸等[28]通过盆栽试验研究天津滨海盐土施用脱硫石膏并配合灌溉淋洗改良盐碱土的效果,结果表明,表层土壤(0~10 cm)施用脱硫石膏对Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-离子含量有显著降低作用;10 cm以下土壤,脱硫石膏的脱盐能力与施用量正相关;脱硫石膏与灌溉耦合时,其施用量为3 000 kg·hm-2以上时改良效果较好,且随着施用量的增加不但降低了土壤Na+含量及pH值,对灌溉量的需求也有所降低;灌溉量为田间持水量的80%时脱硫石膏对土壤Ca2+、Mg2+、K+的降低作用最显著;增加脱硫石膏的施用量可以提高土壤全盐量,但随灌溉量继续增加这种影响逐渐降低。
沸石能提高土壤通透性能,增强土壤排水下渗能力;泥炭及风化煤可以提高土壤的孔隙度、降低盐分含量及pH值等;糠醛渣能培肥土壤、平衡酸碱度,提高土壤中K+和Na+的含量[29-31]。
化学改良措施虽然见效快、效果明显,但是成本昂贵,且使用不当易对环境造成二次污染。因此,化学改良措施多用于中度和重度盐碱地,或与其他改良措施配套使用。
2.4 盐生植物措施
利用耐盐植物改良盐碱地也是治理盐碱地的一种有效途径,种植耐盐植物直接增加了地表覆盖面积,从而降低水分蒸发量,防止盐分随水分的蒸发而上升至土壤表层;同时,耐盐植物也可吸收利用部分盐类,从而直接降低土壤含盐量。随着植物根系的生长,土壤物理性状也得到改善,土壤总孔隙度和毛管孔隙度增加,透水、透气性能变好;植物根系分泌的小分子有机酸能中和土壤碱性,降低土壤pH值,提高土壤微生物量,增加土壤微生物的活性,提高土壤肥力[32-33]。
有研究表明,利用耐盐植物改良盐碱地可使0~20 cm土层脱盐率达31.1%,0~100 cm土层达19.1%;种植红豆草的土壤脱盐率最高可达56.5%;种植小冠花、聚合草、苜蓿的土壤脱盐率分别可达22.2%,25.0%和36.0% [34-35]。星星草能够在变化多端的盐碱环境生长,具有很强的抗盐碱性、抗旱性、抗寒性,是盐生植物耐盐性研究的模式植物,尤其能适应盐碱胁迫,能在pH 值9~10的高盐土壤中生长[36-37]。孙国荣等[38]通过对盐碱胁迫下星星草幼苗生理指标的测定,证明星星草幼苗在低盐碱胁迫下会利用自身具有的耐盐光合特性和较强的渗透调节能力度过不良环境。
3 盐碱地保育措施
纵观盐碱地改良的各种技术措施,脱盐、排盐是“根”,培肥是“本”。减少土壤中可溶性盐分含量是去除土壤中妨碍植物生长的有害成分,而培肥则是增加土壤的肥力,为植物生长发育提供营养保障。目前,较为有效的培肥方法是增施微生物菌肥、有机肥直接提高肥效,或通过秸秆覆盖等方式间接培肥。
3.1 微生物菌肥
微生物是土壤最活跃的组分,全程参与了土壤发生、发展和发育[39]。有研究表明,微生物菌肥能夠改变土壤理化性质和土壤内的生物种类,具有增加土壤养分、促进植物生长的作用,还能够增强植物的抗病能力。磷细菌、钾细菌、固氮菌、菌根菌、光合细菌是盐碱地改良应用的主要微生物[40]。
施用微生物菌剂可增加土壤中的微生物数量及种类,促进土壤微生物的生命活动,改善土壤理化性状;微生物新陈代谢活动中产生的有机酸,可以中和盐碱土的碱度;微生物菌剂通过自身生命活动产生多种酶,促进土壤有机质的分解、合成,较高含量的有机质可减少土壤对磷、钾元素的固定,有利于难溶性磷、钾的转化;微生物产生的植物激素、维生素以及酸性物质等也能不同程度地促进植物生长。菌根(Mycorrhiza)中的丛枝菌根和外生菌根可与绝大多数谷类、蔬菜、水果、药材和花卉等共生,对改善土壤结构、调节养分、防虫抗病具有十分重要的作用[41]。
田晓亮[42]在大庆市龙凤区境内,以苏打碱化草甸盐土和苏打盐化草甸碱土两个土属为主的土壤类型上,采用微生物肥料代替传统的化学肥料,进行造林试验。结果表明,施用微生物肥料后,植物成活率与保存率提高,土壤有机质含量平均提高了0.75 g·kg-1;微生物肥料有效地改良了盐碱地的土壤性状,并具有一定的长期有效性。崔曾杰等[43]研究盐碱地水稻不同生育期增施生物菌肥对其生长及产量的影响,结果表明,增施生物菌肥处理水稻生长发育及产量均优于正常施肥处理,全生育期增施生物菌肥的产量最高,比对照高12.5%;底肥增施生物菌肥的处理,比对照高12.4%。王纶等[44]以GPIT生物制剂对盐碱地玉米进行了试验示范,结果表明,玉米出苗率明显提高,根系发达、生长健壮、抗病力强以及单株粒质量、百粒质量都有明显提高,产量提高55.6%,说明GPIT生物制剂在盐碱地治理中有较好的效果。
3.2 秸秆覆盖
依据水盐运动“盐随水来,盐随水去”的特点,只要减少水分蒸发就能降低盐分在土壤表层的聚集,从而实现盐碱地土壤的改良。秸秆覆盖既起节水作用,又起培肥改土的作用。许多研究表明,土壤覆盖作物秸秆后,土壤的水分蒸发明显降低, 盐分在地表的聚集得到明显控制,同时还降低了土表温度,从而降低了水分蒸发量[45-46]。秸秆腐熟分解后,为土壤生物提供了大量营养,有利于微生物的生长繁殖,土壤酶的总活性显著提高[47]。秸秆覆盖方式主要有秸秆表层覆盖,秸秆夹(隔)层及秸秆翻耕入土等三大类。
李新举等[48]研究了秸杆覆盖对盐渍土水分状况影响,结果表明,水分蒸发速度与覆盖量显著负相关,随着秸秆覆盖量的增加,水分蒸发速度逐渐降低,盐分表聚现象逐渐减弱,表层盐分含量相对减少。范富等[49-50]研究表明,玉米秸秆造夹层处理可促进土壤中硝态氮的累积,化学性状改变明显,pH值下降,养分含量增加;增加秸秆使用量,物理性状也发生明显变化,土壤容重、土粒密度、孔隙度等都得到明显改善。郭相平等[51]研究了秸秆隔层对滨海盐渍土水盐运移的影响,结果表明,秸秆隔层显著影响隔层以上土层的水分分布,秸秆隔层优化了土壤盐分分布,明显抑制了水分蒸发。
焦晓燕等[52]研究表明,免耕覆盖和耕翻覆盖脱盐效果显著,脱盐率达30%~70%;秸秆反应堆中秸秆起隔盐作用,土壤孔隙状况显著改善,容重减小,土壤pH值降低,土壤脱盐达到轻盐化至非盐化水平[53]。徐娜娜等[54]研究表明,添加无机营养液的秸秆粉和添加外源微生物发酵后的秸秆粉分别施入盐碱土,均可使土壤pH值降低,土壤理化性质明显改善,土壤微生物生物量和呼吸强度显著提高。李小牛[55]在轻中度盐渍化土地上利用玉米秸秆覆盖种植向日葵,结果表明,植株生长状况良好,叶面积指数高,花盘平均质量高,百粒质量也高,总体增产效果显著。
3.3 施用有机肥
盐碱地在排盐脱盐的基础上,采取施用有机肥培肥土壤是提高土壤肥力、巩固脱盐效果、增产增收的主要途径[56]。施用有机肥料,可增加土壤中有机质含量,培肥地力,抑制盐类对植物的不良影响,促进作物生长,提高作物耐盐能力。同时,有机肥料中的有机质,对土壤中的有害盐分离子起到缓冲作用,改善土壤理化性状和盐分组成,降低土壤pH值[57]。腐植酸作为有机肥的一种,广泛分布于土壤中,其对土壤的培肥作用已经引起了人们的广泛关注。腐植酸是一种带负电的胶体,能够增加土壤阳离子吸附量,降低表土盐分含量;还可中和土壤中的碱性物质,降低土壤pH值。腐植酸中的羧基、羰基、醇羟基、酚羟基等基团有较强的离子交换和吸附能力,能减少铵态氮损失,提高氮肥利用率。此外,腐植酸能够显著增加土壤自生固氮菌的数量,强化生物固氮作用,提供更加丰富的氮素营养。同时,腐植酸还具有活化钾的功能,增加钾释放量,促进作物对钾的吸收,提高钾肥利用率[58]。
朱秋莲等[56]研究表明,采用腐植酸、有机质、秸秆等材料,研究不同配方改良盐碱地,对枸杞生长、产量、果实性状、含糖量的提高均有促进作用。王帅等[60]通过定位试验,研究了厩肥、有机肥、生物肥等对盐碱土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、pH值、速效钾的影响,结果表明,施用有机肥的土壤,其各种营养成分含量均显著提高。
增施生物有机肥能有效降低土壤pH值,且随着施用量的增加,土壤pH值降低幅度增大,施肥初期效果更为明显;增施生物有机肥能提高养分的供应能力,土壤中的全氮、有效磷和有效钾含量均随有机肥施用量的增加而增大[61]。利用生物有机肥进行土壤肥力恢复和调控,对保护耕地土壤资源、实现农业可持续发展具有重要意义。
4 综合治理
目前,在诸多盐碱土改良措施中,水利工程措施、农业耕作措施、盐生植物、化学改良剂等方法已普遍应用,但效果并不理想。化学改良措施虽然可以快速改变土壤结构,但是也可能带来二次污染;农业措施需要耗费大量的人力、物力和财力;生物改良措施见效慢,周期长。由于盐碱地的区域分布不同,地质状况不同,气候差异等因素造成了不同的盐碱地理化特征,因此针对不同土质和不同地域的盐碱地,需要采取“因地制宜,综合防治”的改良措施。杨建国等[62]采用“脱硫废弃物施用+平整土地+深松耕+水盐调控+平衡施肥+耐盐作物种植”的模式,对轻度碱化盐荒地具有良好的改良效果。
盐碱地土壤的改良是一个非常复杂的系统工程,需要诸如水利工程、农业耕作、土壤培肥保育等多项措施的配套综合应用,才能取得更好的效果。因此,笔者认为,盐碱地改良的实质是:排盐是“根”,培肥是“本”。其首要任务是排盐,脱盐,即通过水利工程措施,以沟、渠、井等多种组合方式排盐或通过耐盐植物脱盐,减少土壤中可溶性盐分的含量,从根本上减少盐分对植物的伤害;其次是固本,即通过化学改良快速改善土壤结构,再通过增施生物有机肥等方式培肥土壤,增加土壤肥力;另外,要通过平整土地等农艺措施,实现盐碱地的增产增收,巩固盐碱地的改良效果。
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