盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术效果研究

孙 萍,张 涛,张海丽,邢全林,张 雷

(山东省地质矿产勘查开发局 第六地质大队,山东 威海 264209)

我国存在大面积的盐渍化土壤。据有关部门统计,当前我国盐渍化土壤总面积约9.87×103亿m2,其中现代盐渍化土壤面积约3.67×103亿m2,残余盐渍化土壤面积4.47×103亿m2,潜在盐渍化土壤面积1.73×103亿m2[1-3]。由于土壤含盐量通常超过0.3%,盐渍化土壤很难直接种植农作物或林木等,我国大面积的盐渍化土壤需要进行隔盐脱盐处理,以提升其可利用效率。目前,我国常见的盐渍化土壤隔盐脱盐技术包括物理、化学、生物法等。由于缺乏系统性的论述,相关工作人员在实际应用这些盐渍化土壤隔盐脱盐技术时并不能做出针对性的选择。因此,文章针对盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术效果进行综述,旨在为相关领域实际工作提供参考。

1 盐渍化土壤分类及成因

1.1 盐渍化土壤基本特征

盐渍化土壤指的是一类易溶性盐分在土壤表层逐渐累计形成盐碱化的土壤。这类土壤含盐量通常超过0.3%,可溶性盐的主要成分包括钠、钾、钙等硫酸盐、氯化物等[4-6]。一般情况下氯化物及硫酸盐的pH值在7左右,为中性盐;碳酸盐和重碳酸盐pH值约在9.5～10.2间,为碱性盐[7]。盐渍化土壤物理结构差,与一般的健康土壤相比更容易出现板结现象,不利于农作物生长。此外,盐渍化土壤的微生物活性低、持水性差,植物在生产过程中很难获得充分的水分和影响。

1.2 盐渍化土壤分类

根据土壤特性可以将盐渍化土壤分为盐土和碱土,盐土可分为滨海盐土、草甸盐土;碱土可分为草甸碱土、草原碱土等,见图1。

图1 盐渍化土壤分类Fig.1 Classification of salinized soil

盐土指的是盐渍化土壤中全盐量约占比0.6%～2.0%的土壤[8]。盐土的pH值一般在8.0左右,呈弱碱性。从外观来看,盐土的表面通常都有一层淡淡的盐霜,严重时会形成一层较厚的盐结皮。我国的盐土主要存在八个亚类,除图1所示滨海盐土等外,还有沼泽盐土、简化盐土、普通盐土、洪积盐土及参与盐土。这些盐土的形成原因存在一定差异,但整体上均受土壤的成土条件、成土过程及土壤基本性能等影响。

碱土指的是盐渍化土壤中pH值超过8.0的碱性土壤,包括草甸碱土、草原碱土、龟裂碱土、酶质碱土等[9]。碱土的形成有直接形成也有由盐土转化而来。一般情况下碱土是盐土的伴生物。碱土中的Na+发生水解时会形成大量的NaOH,而土壤中的植物、微生物在生产过程中会形成大量的CO2,二者之间发生反应以后会形成碱化能力极强的无水碳酸钠。在长时间不受控制的碱化作用下,碱土的pH值甚至能够达到10.0以上,此时土壤结构恶化速度会逐渐加快,土壤的颗粒度会显著提升而土壤的通透性会变得极差。

1.3 盐渍化土壤成因

盐渍化土壤的成因较为复杂。一般情况下土壤中的钠、钾等离子都是植物生长需要的重要元素。但是在某些作用下,这些离自然因素、人为因素子浓度逐渐增大至一定程度后,就会对植物形成危害。文章从自然因素、人为因素两个主要视角对盐渍化土壤成因进行总结。

1.3.1 自然因素

土壤在较少人为干预的自然条件下,受气候、地貌、成土母质等因素的影响而形成较为丰富的盐储备,此时土壤也会逐渐盐渍化。出现这种盐渍化的地区大多集中在沿海或西部内陆地区。沿海地区盐渍化土壤主要受海洋暖湿气流的影响,土壤中的水分蒸发量较高,一旦降水无法保证,则地下水中的盐分会沿着土壤毛管水转移至地表土壤。出现盐渍化土壤的内陆地区多为干旱、少雨地区。在长时间降水—蒸发不平衡状态下,地下水中的盐分同样会沿着土壤毛管转移至地表土壤,导致地表土壤中的盐分不断累计形成盐渍化。总之,大部分盐渍化土壤中的盐分都来自于地下水,气候尤其温度与湿度是造成盐渍化土壤现象的重要自然因素。

1.3.2 人为因素

导致突然出现盐渍化现象的人为因素主要包括:首先,不合理的自然资源开发模式,在自然资源开发过程中不能采用合理的植物看法、染料燃烧及农作物灌溉方法等,容易引起土壤的次生盐渍化;其次,在成土母质盐源较为丰富的地区,如果普遍采用大水漫灌的形式抽取大量的地下水,也会因为局部地区水分蒸发量大于降水量,此时也会形成盐渍化土壤;最后,因为人类的生产、生活等行为导致地表植被被破坏时,也会导致土壤地面水分大量蒸发,此时也会诱发地下水中的盐分向地表移动,形成盐渍化土壤。

1.4 盐渍化土壤危害

盐渍化土壤对当地自然环境存在严重威胁。由于盐渍化土壤中含有大量的高浓度盐分、碱分,土壤的结构、故水性、肥力等都会遭到破坏。盐渍化土壤的危害集中在生理干旱和离子毒害两方面。

1.4.1 生理干旱

盐渍化土壤中含有浓度较高的盐碱成分。盐渍化土壤中的纸塑原生质膜在长期处于高度盐碱环境下时,会因为土壤渗透压的不断增大而导致植物原生质膜反向向土壤中传递水分,最终导致植物因缺水死亡。这种生理干旱现象是最直观反映盐渍化土壤危害的表现之一。

1.4.2 离子毒害

传统土壤中的钾、钠等离子对于植物、微生物等的生长和存活具有很高的意义。然而,在盐渍化土壤中这些离子的浓度远远超过正常土壤,钠、氯等离子浓度过高时会导致植物细胞膜的头型增大,进而阻碍植物从土壤中获得必须的营养和水分。离子毒害造成的危害较生理干旱更为严重。植物长期缺乏充分营养,无法完成光合作用等,会在较短时间内增加二氧化碳的排放量,加剧全球变暖、破坏全球生态环境等。

2 盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术分析

2.1 盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术

目前较为常见的盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术主要包括物理法、化学法、生物法、工程法等,见图2。

图2 常见盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术Fig.2 Materials and technologies for salt separation and desalination of common salinized soils

2.1.1 物理法

现有以物理材料和技术进行隔盐脱盐的思路主要包括无机法和有机法两种。

无机法主要利用沸石隔层等无机物对盐渍化土壤进行隔盐脱盐[10]。以在盐渍化土壤种植刺槐为例。种植刺槐前,可以在刺槐树的树穴底部铺设20 cm厚的一层沸石隔层,在树穴侧壁铺设10 cm厚的沸石隔层,基本可以保证以树穴为中心80 cm半径内的土壤含盐碱量明显降低,从而保证植物的正常生长。沸石隔层的具体铺设位置及厚度需要根据植物的具体需求进行合理制定。此外,无机法开展盐渍化土壤隔盐脱盐所使用的材料和技术还包括炉渣、椰壳生物炭等,其隔盐脱盐的基本原理与沸石隔层类似。

有机法主要利用小麦秸秆、玉米秸秆等无机物对盐渍化土壤进行隔盐脱盐。以我国西部地区为例,当地在对盐渍化土壤进行隔盐脱盐时利用了农林业每年产生的大量副产品包括各类型农作物秸秆和砻糠废料等,在植物种植时将这些有机料填埋在土壤深度80 cm处,以7 000 kg/hm2的比例使用,可以有效提升土壤20～80 cm处涂层的含水量,还能够通过秸秆形成土壤毛细管隔断,有效阻止地下水中盐分向上迁移。

融合法是目前最新的应用物理法进行盐渍化土壤隔盐脱盐的思路。融合法,即在对盐渍化土壤进行处理过程中同时应用有机料和无机料形成隔层等,实现两种材料的优势互补。例如,在对盐渍化土壤隔层进行铺设时,将沸石、生物炭、菌渣等进行混合制备为厚度约20 cm的隔层,可以实现控水、控盐碱等多种效果,能够有效抑制土壤中主要盐碱离子的聚集,进而充分提升盐渍化土壤的生物活性[11-13]。相比于一般的物理法而言,这种融合法不仅能够保证土壤中植物的正常存活,还能起到净化土壤、提升土壤酶活性等的目的。

2.1.2 化学法

利用化学法对盐渍化土壤进行隔盐脱盐所需要的材料通常也可分为无机料、有机料等。

采用无机料进行盐渍化土壤隔盐脱盐时主要用到的材料包括脱硫石膏、磷石膏等。这些石膏材料多来自于工业废弃物。在使用这类材料时,通常将其进行干燥、粉末化处理制成土壤改良剂,以喷洒或填埋的方式对盐渍化土壤进行处理。据有关部门统计,按照30 t/hm2的比例进行盐渍化土壤处理,能显著降低深度20 cm左右土壤的pH值,降低土壤中盐碱离子浓度,提高土壤中有机质及一般植物所需营养成分的含量。

采用有机料进行盐渍化土壤隔盐脱盐时所需材料主要包括糠醛渣、腐植酸等酸性物料,其原理为利用酸碱中和效应实现土壤的隔盐脱盐。例如,在对盐渍化土壤进行处理时选用腐植酸,按照300 kg/hm2的比例进行盐渍化土壤处理,能够有效降低40层面厚土壤的盐碱含量,进而提升土壤中植物所需养分含量和饱和导水率。

融合法即将无机料和有机料进行融合使用,以更好地实现盐渍化土壤隔盐脱盐。例如,在对病害盐渍土壤进行处理时,将石膏和园林废弃堆肥进行混合以后进行翻埋处理,可以在有效降低土壤pH值的同时,提高土壤中有效磷、氮等的含量,进而优化土壤中植物的生长环境。

2.1.3 生物法

生物法对盐渍化土壤进行隔盐脱盐的主要原理,是利用植物、真菌等在植物根部构成的特殊微环环节土壤对植物造成的危害[14-15]。生物法,主要包括植物根际促生细菌菌剂促生法和植物菌根真菌剂脱盐促生法。这两种方法的根本差异是采用的菌剂及其作用位置不同。植物根际促生细菌菌剂主要作用于植物根际环境,利用施加梭梭根际枯草芽孢杆菌溶液时,有效成分主要作用于植物根际,提高植物的过氧化氢酶活性等,从而有效降低根际环境中的盐碱离子含量。而植物菌根真菌菌剂则主要通过与植物根系构建一体式的菌根,从而保护宿主植物在盐渍化土壤中不会受到盐碱离子的影响。例如,以蚯蚓粪、活性酶等对植物根际进行作用,再接种摩西球囊霉等改善植物根际土壤环境,可以有效调节植物根际附近酶活性,增强植物根系对有效营养成分的吸收能力。

2.2 盐渍化土壤隔盐脱盐材料与技术应用选择

不同的处理方式在成本、效果等方面存在一定的差异。通常来说沸石隔盐等物理方法更适合单株植物,如各类数目的盐渍化土壤隔盐脱盐,这类需要深挖树穴的植物可以更好地发挥物理法成本低、操作难度低等优势;大面积农作物种植场景更适合化学法和生物法等,这两种方法普遍可以通过喷洒、翻埋等方式进行土壤脱盐隔盐,但整体使用成本更高。在实际的盐渍化土壤隔盐脱盐过程中,需要根据土壤的具体处理目标灵活选用隔盐脱盐材料和技术。

3 结语

对我国大面积的盐渍化土壤进行脱盐隔盐是当前我国生态环境治理工作的重点之一。文章认为,目前最实用的脱盐隔盐方法总体可以概括为物理法、化学法及生物法等。不同方法的应用场景、应用成本存在较大差异,工作人员需要根据土壤种植作物等的差异进行灵活选择。