淹水在苏打盐碱土形成过程中的作用——苏打盐碱土形成原因的探讨

，

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春130102；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院 大安碱地生态试验站，吉林 大安 131317)

0 引 言

盐碱化是一种渐进的环境灾害，由于自然以及人为因素的干扰，土壤中富集的盐碱等有害离子不断通过蒸发等途径集聚在地表，抑制了植物(作物)的生长发育，严重危害了土壤生态环境质量[1]。我国盐碱土面积广大，主要分布于东北、西北内陆、黄河中上游河套平原、黄淮海平原以及滨海地区，总面积约为9 910万hm2[2]。其中东北松嫩平原西部是苏打盐碱土在我国的集中分布区[3]，面积达342万hm2，占该区土地总面积的15.2%，且仍以每年1.4%的速度扩展[4-5]。土壤苏打盐碱化的不断加剧，不仅危害耕地质量，而且严重影响国家粮食安全和区域生态环境。数据资料显示，1954-2000年间，松嫩平原西部的草地面积缩减了约64%，退化的草地主要变成了盐碱荒地[6]。因此，苏打盐碱地治理已成为该区域生态环境保护的当务之急。

松嫩平原西部的苏打盐碱土主要盐分为Na2CO3和NaHCO3[7]，与滨海或内陆以NaCl和Na2SO4盐分为主的盐碱土在土壤障碍方面有所不同，主要表现为土壤pH高，碱性强，物理结构恶化，渗透性极差。有研究表明，碱性盐对于植物种子萌发以及根系生长的抑制作用显著大于中性盐[8]，同时由于钠质土颗粒细小，质地致密，透水性极差(土壤饱和导水率低至0.05 mm·d-1)[9]，导致很难通过灌溉洗盐实现改良的目的。与大多数盐碱土相比，苏打盐碱土形成原因更为复杂，治理难度更大，只有准确找到其主导障碍因素形成原因，才能对症下药，实现有效的改良与利用。本文基于有关苏打盐碱土成因方面的文献，并结合作者多年实际研究工作的经验，从苏打盐碱土表观格局、物理和化学特征等方面对其形成原因系统地梳理与总结，以期为苏打盐碱土的有效治理和科学利用提供有益指导与借鉴。

1 苏打盐碱土成因的主要观点

1.1 特殊地形地势是苏打盐碱土形成的前提

东北松嫩平原的地形特点是，西、北 、东三面被大小兴安岭和长白山脉环绕，南部隆起[10]，这一特殊的地形构造使松嫩平原整体四周地势高，中部形成大面积凹陷区，地势低洼，排水不畅，平原内泡沼遍布[11-12]。林年丰等人研究认为这一特殊地貌主要是由于新构造运动所造成的，更新世时期地壳反复多次的沉降抬升运动，使松嫩平原中部形成中央凹陷区，进而形成中央大湖，随着地质运动的发展，由于不规则的地壳隆起和沉降，中央大湖破碎消失，该区域最终形成大大小小若干不同的沉降区[13]，之后发展成为众多的湖泊和沼泽，为苏打盐碱土的形成创造了地质基础。同时有研究表明，松嫩平原苏打盐碱土的盐分主要集中在地壳运动时期形成的沉降区内，该区域也是现代苏打盐碱土的重灾区[14]，这也从侧面反映出，特殊的地质构造为苏打盐碱土的形成提供了重要条件。

1.2 富钠矿物为苏打盐碱土形成提供了母质来源

松嫩平原周围山地的成土母质多为玄武岩和花岗岩风化物[15]，以富钠的硅铝酸盐矿物为主要成分[16]，蒙脱石占很大比例[17]，碱性大，遇水易膨胀分散。裘善文等人研究指出土壤母质中的NaAlO2、Na2SiO3和NaHSiO3等化合物经过了若干年代的风化搬运、冲刷淋洗，在平原和低洼地区中沉积下来，在比较稳定的静水环境条件下形成深厚的河湖淤(冲)积物[18-20]。在低洼淹水盆地，水解和酸蚀作用使得岩石矿物进一步溶解，释放出大量游离Na+[21]，由于淹水造成强烈的土壤还原作用，最终形成以NaHCO3和Na2CO3为主要成分的苏打盐碱土[22]。因此，富含Na+的土壤母质为松嫩平原苏打盐碱土的形成提供了物质来源。

1.3 水文特征为苏打盐碱土形成创造了重要动力

1.4 干旱气候拉动盐分表聚加速了土壤苏打盐碱化的形成

松嫩平原属温带季风性气候向温带大陆性气候过渡区，区域内常年平均降水量在400 mm左右[28]，且季节性极强，主要降雨集中在夏季，降雨时经常发生内涝，造成水多流不出去[29]。这些聚集在低洼处的水分常年靠蒸发减少，年蒸发量达 1 700～1 800 mm，是降水量的4～5倍[28]，巨大的蒸发拉力又使得松嫩平原低洼淹水区域的土壤中盐分随水分上行集聚在地表[30]。同时松嫩平原冬季寒冷漫长，冻融作用对土壤中盐分迁移也有重要的推动作用。松嫩平原冬季土壤冻结期较长，冻结时间长达5个月[31]，冻结期内土壤盐分从未冻结区迁移到冻结区[1]，盐分随地下水垂直向上迁移[32]，导致融化时盐分进一步集聚在地表[31]，加剧了表层土壤的盐碱化程度，这种现象以低洼区域更为显著[32]。

1.5 生物活动加剧了土壤苏打盐碱化过程

生物活动，如动物采食、践踏，特别是人类过度放牧、盲目垦荒以及挖土采药等[20]，严重破坏了地表植被，使原本宜牧的草地蓄水能力减弱[5,33]，蒸发加剧[34]，盐分随地下水位不断上升，在地表集聚[35]，碱斑也随之出现，最终造成土壤苏打盐碱化程度越来越高。另一方面，由于植物对盐碱的适应性不同，许多植物不断退化导致地表裸露，也加剧了土壤盐碱化程度。

表1 各种成土因素在苏打盐碱土形成中的作用Table 1 Effects of soil forming factors on saline-sodic soils formation

2 淹水对苏打盐碱土的影响

在苏打盐碱土形成的漫长历史过程中，水分运动对土壤盐分的形成、聚集以及分布起到了至关重要的作用，人们在长期的生产实践中也总结出了“盐随水来，盐随水走”这一客观规律。然而现实却是在水分往复的来去运动中，土壤盐分越聚越多。究其原因，主要是水分运动方向发生了变化，造成土壤不同程度或不同周期性的淹水，从而将水分运动方向由水平运动改为上行运动为主，造成了“盐随水来，水走盐存”的局面。从目前苏打盐碱土地表景观格局、土壤物理特征以及土壤的化学性质等方面，都充分证实了土壤淹水是苏打盐碱化加剧的重要原因。

2.1 地表景观

松嫩平原西部的苏打盐碱土多呈碟形斑块状分布，从卫星遥感图像上清晰可见(详细参见百度网络卫星地图)，这正与湖泊和泡沼的分布位置相吻合。在一定空间内，不难发现，现有的耐盐碱植物经常呈现出环状的镶嵌式分布，在平原地势略高处分布着羊草、芦苇等中等耐盐碱植物，相对于这些植物群落的略低处，则出现了虎尾草、碱茅及碱蓬等强耐盐碱植物，并且这些植物群落经常呈河流状分布。这种地表景观格局充分印证了由于湖泊泡沼等地区长期处于淹水状态，这些地表水分无法水平流动，只有在干旱季节通过强烈的地表蒸发作用散失掉，在水分蒸发过程中，水中的盐分却残留到土壤中。可见，土壤周期性或不规律的淹水加剧了区域内土壤的苏打盐碱化。

国内早期大量研究也指出，松嫩平原西部过去呈现湿地景观，湖泊多为咸水湖，且呈封闭、半封闭的淹水状态，周围盐碱土以湖泊为中心，呈同心圆状分布并逐渐向外扩张[13]。后来随着区域内气候发生变化，地表景观逐渐由湿地景观向盐碱草甸乃至荒漠演变。区域内原来连在一起的水体慢慢分离成数量众多的面积大小不等的碟状洼地，土壤盐分也多在这些区域集聚。杨雅杰等人研究表明，碟形洼地盐碱集聚，导致代换性钠比微高地多出7倍左右[37]，这些研究发现都从地表景观方面证明了淹水在苏打盐碱土的形成过程中发挥了重要作用。

2.2 土壤物理性质

苏打盐碱土的土壤质地黏重，易板结，透水性很弱[38]，不利于植物生长。有研究指出苏打盐碱土的饱和导水率低至0.05 mm·d-1[9]，土壤容重高达1.6～1.7 g·cm-3，结构系数小于4.45%[39]。苏打盐碱土较差的土壤物理性质可能是由于长期淹水，导致大量Na+解吸，土粒之间相互排斥，使土壤胶体高度分散，从而破坏了土壤的结构造成的[40-41]。另一方面，由于松嫩平原土壤母质多为伊利石、钠蒙脱石，膨胀性强，湿时膨胀，干时收缩[42]。淹水造成的水分过饱和环境易使黏土膨胀分散，导致空气和水的渗透性变低[43]， 造成土壤透水通气性差[44]，最终导致了苏打盐碱土紧实黏重的土壤物理性质。因此，淹水对苏打盐碱土物理性质的演变方面也起着至关重要的作用。

2.3 土壤化学反应

CO2+H2O=H2CO3，

3 苏打盐碱地治理对策与途径

苏打盐碱土虽是一种逆境土壤环境，但同时也是一种重要的土地资源，其开发潜力和发展前景广阔。只有针对苏打盐碱土形成的特殊条件采取科学合理的治理对策，因地制宜，才能取得预期的效果。

3.1 苏打盐碱地治理首先必须让水动起来，建立完善的水利工程

遵循土壤水盐运动原理，苏打盐碱地治理首先必须让水流动起来，真正实现“盐随水走”。长期以来，造成“盐随水来，水走盐存”现象的主要原因是水分没有真正流动起来，周期性或不规律淹水现象广泛存在，加剧了区域内水分运动主要以上行为主，造成土壤盐分表聚现象尤为突出。因此，苏打盐碱地治理，水利设施建设至关重要。吉林省目前广泛推行的西部“河湖连通”工程正是本着这一宗旨，既实现区域内的经济和生态补水，同时又能连动现有水体，使其流动起来，土壤盐分才能真正随水洗掉。

同时，完善的水利工程不仅包含大型引水干渠，还应建立众多支渠、毛渠，特别是要有对应的排水渠道，只有建立起四通八达的水网工程，才能真正让区域内的水流动起来，发挥洗盐排碱的作用。苏打盐碱地水利工程就像人体的血管一样，只有动脉、静脉乃至毛细血管全部通畅，血流才能顺畅，任何一个地方不通都会发生栓塞，都达不到以水治理盐碱的目的。

3.2 苏打盐碱地以稻治碱切忌只灌不排，排水的洗盐作用重于灌水

目前吉林省西部土地整理工程实施近10年，三大引水工程已全部贯通，以稻治碱所需要的水这一必要条件已完全具备，但是盐碱地种稻效果却不理想。究其原因，是只注重了灌水，而没有重视排水问题。许多盐碱地改成稻田后，稻农只灌不排或多灌少排，一是没有完善的排水设施，二是排水费工费时。而没有排水的盐碱地稻田何谈排盐？没有排水的稻田就是一种土壤周期性淹水。有研究表明，现行盐碱地种稻，在不排水或少排水情况下，一个生长季过后，田块尺度盐分不是减少，而是增加的[50]。也有研究发现谷物的产量与土壤pH、EC、ESP以及容重呈显著的负相关关系[51]，而淹水又是造成土壤盐碱化加剧的一个重要原因，不及时排水将不同程度地对苏打盐碱区农业生产造成一定的损失[52-53]。因此，土地整理工程只有引水是不完善的，还应修建相应的排水设施，防止稻田长期处于淹水状态，积水必须及时排出才能加快排盐的过程[54]，这也是苏打盐碱地种稻最终取得成功的关键。

3.3 苏打盐碱地治水措施要得当，农业综合治理措施要配套

淹水对土壤苏打盐碱化程度具有重要影响，因此，治水是苏打盐碱地治理的前提。印度在农业生产实践中得出经验，地下排水是对抗淹水和盐化的有效方法，利用地下排水对抗淹水和土壤盐渍化，排水后作物产量明显增加[55]。澳大利亚南部治碱工程表明，对于盐分的管理，比如兴修水利、减少洪涝，可以显著提高生产力，显著提高盐渍区的经济效益[56]。首创于英国的暗管排盐技术，被美国、荷兰等广泛运用，发展至今，暗管排盐也拥有了排水排盐的双重功能[57-58]；原苏联的竖井排盐、中国的治涝工程等，都说明盐碱地的治理必须先排水，即从根本上解决掉土壤淹水的问题。但是苏打盐碱地排水应该采取哪种方式呢？实践证明，竖井排盐和暗管排盐在苏打盐碱土上都是不可行的，原因是这一地区地下水埋深非常浅，土壤质地黏重、颗粒细小、渗透性极差。因此，松嫩平原西部的苏打盐碱地治理必须寻找适合的排水方式，不能照搬照用。

同时，要建立完善的农业配套措施。首先，平整的土地是水稻高产的重要保证[59]，低洼地区极易积水[60]，形成淹水环境，也是健康土壤转变为苏打盐碱土的常发区域。因此及时平整土地，减少洼地的数量[61]，避免淹水条件的出现也是苏打盐碱土治理和开发利用的一个重要手段。研究表明，在平整土地的同时配以“客砂换土”等土壤改良措施，改碱与改土相结合，是改善苏打盐碱土的有效方法[62]。淹水造成苏打盐碱土区土壤结构差，下渗能力弱，从而造成土壤板结，不利于植物根系穿插，影响作物生长[63]。因此，及时进行翻耕或采用振动深松等技术[64]，不仅可以一定程度上改善土壤结构，重新构建土壤团粒结构，而且能够提高土壤的透水通气性[65]，增加土壤水分和空气含量，为作物生长提供良好的条件。翻耕深松使原本紧实黏重的苏打盐碱土结构得到改善，增加了土壤的渗透性，促进盐分随水向下层运移[66]。研究结果表明，深松后土壤的入渗能力提高了10～100倍[67]，这就使得土壤中盐分的淋洗效率也大大提高，达到更好的脱盐效果。另一方面，深松切断土壤毛细管，也就在一定程度上切断了盐分向上运移的途径，减轻了盐分表聚的压力[65]。但是由于土壤盐碱含量有随土壤深度增加的趋势，因此，翻耕过深也容易造成土壤表层盐碱加重，不利于作物种植[68]。