徐培智,戴文举,黄 旭,林碧珊,曾招兵,张 桥,解开治
(1.广东省农业科学院农业资源与环境研究所,广东 广州 510640;2.广东省农业环境与耕地质量保护中心,广东 广州 510000)
我国的农业用地资源严重缺乏,人均耕地面积不足0.09 hm2,不到世界人均耕地面积的一半,其中全国有664 个市县人均耕地面积低于联合国确定的0.05 hm2警戒线,耕地面积已出现较大的缺口,且中低产田面积占耕地总面积比例高达70%[1]。耕地是保障国家粮食安全的基础条件,保证耕地数量已逼在眉睫,手中有地,心里有底[2]。
土壤盐渍化(Soil salinization)是易溶性盐分在表层土壤中积累的过程。盐渍土作为陆地生态系统的组成部分,其脆弱的生态环境,往往容易产生次生危害[3]。据调查,全球大约有8.31 亿hm2的土壤受到盐渍化的威胁[4],我国盐渍土总面积为3 690 万hm2,分布于从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润地区到极端干旱区的广袤地区[5]。由于其脆弱生态区和严重的环境风险,众多国家已经将土壤盐渍化问题纳入到国家未来的发展规划当中[6]。我国从20 世纪30—40 年代开始关注盐渍土问题,研究工作始于50 年代,70年代以后我国启动了多项相关的国家科技攻关项目,推动了我国盐渍土及其改良工作的发展,并根据不同类型区特点在黄淮海平原建立了多个综合治理试验站(区)[7]。在一大批科学家前赴后继的努力下,经历了资源清查、水利改良、综合治理和可持续管理四个阶段[5-6],有力地支撑了我国盐渍土的开发利用,基于土壤水盐运动过程及其调控的盐渍土研究核心问题[7-8],在物理调控、化学调理、灌排管理、生物改良等方面取得可喜的成效,使盐渍土研究在发展农业生产、提高土地产能、保障粮食安全、拓展耕地资源等方面发挥了积极而重要的作用[9]。近年来,国际土壤科学联合会(IUSS)更加关注盐渍土学科的发展,2021 年世界土壤日(WSD)的主题是“防止土壤盐渍化,提高土壤生产力”,旨在通过应对土壤管理中日益严峻的挑战,防治土壤盐渍化,提高土壤意识,鼓励社会改善土壤健康,从而提高人们对维护健康生态系统和人类福祉重要性的认识。
广东是一个海洋大省,海岸线长3 368.1 km,占全国的1/5,滩涂面积20.42 万hm2,形成了大面积的盐渍化土壤——滨海盐土。滨海盐土是随地表径流入海泥沙或风浪掀起的浅海沉积物,在潮汐和海流的作用下,在潮间带絮凝、沉积,使滩面不断淤高以致露出海面后形成的土壤,其资源丰富,三角洲地区的农民以“鱼游-橹逼-鹤立-草埗-草田-围田”生动地概括了滨海滩涂的发育和利用过程[3]。滨海盐土根据成土条件及发育阶段的不同,分为滨海盐土、滨海潮间盐土、滨海沼泽盐土3 个亚类,每个亚类分一个土属和一个土种,即滨海盐土、泥滩、草滩[4]。
滨海盐土是主要中低产田类型之一,具有土壤物理化学性状差、盐分表聚强烈、地下水位高、矿化度高、水分蒸发强烈的特点[10]。据广东省第二次土壤普查资料,广东省滨海盐土面积10.71万hm2,占全省土壤面积0.73%[4],主要分布在湛江、珠海、江门、汕头等地,是未来耕地发展的重要后备资源,在沿海经济发展中具有极其重要的战略地位。当前,经济发展带来的建设用地和农业用地相互挤占日益严重,向海洋要耕地把滨海盐土打造成新粮仓,是缓解农业用地矛盾、保障粮食安全、转变农业发展方式的重要途径[10]。
土壤中的盐渍化主要来自海水中的盐分,主要成分为Cl-、Na+、Mg2+、SO42-,咸害主要成分是硫酸钠和氯化钠。表层土壤含盐量平均1.01%,变幅在0.1%~2.2%之间[11]。土壤的盐渍化使作物根系难以吸收利用土壤中的水分,产生“生理干旱”,萎蔫渴死,并且Cl-、Mg2+等元素过量,对作物也有一定的毒害作用[12]。水稻插秧后,土壤含盐量在0.1%~0.3%之间一般对水稻生长不会构成严重危害,但在田面脱水或高温季节的干旱条件下,由于田面水大量蒸发,底层土壤盐分随毛细管水土升至表层而累积,就可能产生咸害[13]。水稻生育障碍的盐分临界浓度为0.3%左右,枯死临界浓度为0.5%[14]。需要注意的是,广东省的部分滨海盐土还伴随着酸的危害,形成咸、酸、毒并存的复合障碍因子(咸酸田),酸是被埋藏在土壤中的红树林残体分解氧化产生的无机酸,毒是由于酸度过高而诱发出浓度过高的活性铝、铁等有害物质[15]。
据分析,滨海盐土表层土壤含有机质1.69%~2.75%、全 氮0.096%~0.137%、全 磷0.061%~0.142%、全 钾1.58%~2.49%,碱解氮72.0~101.8 mg/kg、速效磷9~24.9 mg/kg、速效钾104~667 mg/kg,但土壤磷含量低,耕层缺磷现象经常可见(作物生长表现缺磷症状);滨海盐土耕层的碳氮比一般都在20 以上,有些甚至超过30[11]。总体而言,滨海盐土的矿质营养丰富,潜在肥力高,通过适当的改良可以成为良田,据本团队在惠来县鳌江镇澳下村的调研,20 世纪60年代围海造田的咸酸田,经过近40 年的改良,早、晚稻的产量水平从原来的不足4 500 kg/hm2,提升到6 750~8 250 kg/hm2,成为了中高产田。
广东省滨海盐土的成土母质是浅海沉积物,由海滨水体中的有机物和无机物聚积而成。在长时间聚积作用下,河流携带的泥沙在出海口不断沉积,在中、低潮滩,土体不断淤积加高又同时受海水浸渍,导致土壤重度盐渍化和沼泽化,即滨海相沉积母质;至高潮滩之后,海水浸渍逐渐减少,受季风气候带来的雨水冲刷,土壤进入脱盐和脱沼泽化的过程;随着土体淤积加高至潮上带,基本脱离海水淹浸的影响,脱沼泽化过程明显,表层土壤脱盐,逐渐向滨海盐土发育[11]。广东省滨海盐土的pH 值变幅较大,一般为4.8~8.4,但在滨海沉积淤泥的原始土壤上,生长着红树林和一些耐盐草甸植被,红树林生长于陆地与海洋交界带的滩涂浅滩,红树林湿地生态系统是我国华南沿海重要的滨海湿地生态系统,为生态系统提供了初级生产力[16]。滨海盐土开垦后,大量的红树林残体存在于土壤中,形成木屎层,其选择性吸收的硫经还原-氧化后使土壤呈强酸性反应[17-18],土壤pH 值通常低于4,甚至可低于2.5,形成了华南区域特有的盐酸田。
滨海盐土中的盐分主要来源于潮水和海相沉积物,可溶性盐的组成以氯化物占艳对优势,硫酸盐次之,人为开垦利用后,水盐运动受到人为活动的控制与调节,因此,土壤水盐运动过程及其调控机理是盐渍土研究的核心问题[9]。近年来,广东省部分沿海地区由于堤围年久失修,或受天文大潮、强台风影响,造成海水倒灌,致使一些已改良好的滨海盐土又形成了盐渍化,严重影响耕地质量,造成成片撂荒。
滨海盐土的利用治理,可根据土壤的不同类型及环境条件,应用适宜的技术方案,采取工程建设、土壤改良、科学施肥、合理种植等措施,改善排灌条件,逐步消除障碍性因子,以“隔、排、压、改、施、选”六字治理方针,达到滨海盐土有效治理目的。
通过工程措施,加固堤围,隔断海水,防止其再次入侵农田。近30 多年来,为提高滨海盐土的经济效益,一些地方大力发展海水养殖,重新引入海水,或由于极端气候(如台风)造成滨海盐土又受到海水漫灌,土壤盐度有上升的趋势,进一步加剧了盐渍化程度,建议加固加高堤坝以隔断海水入侵路径,杜绝咸潮再次入侵,保护滨海盐土已改良的成果。
“盐随水来,盐随水去”是开展滨海盐土治理的重要依据[16]。以连片治理(围)的理念完善滨海盐土的排灌系统,实行排灌分家,重点排出沟渠内积水(盐水)。通过高标准农田建设,开挖干、支、斗、毛渠,将田块的排灌沟设计呈“非”字形结构[11]。每2.0~3.3 hm2,在田中间开一主排沟,沟宽2 m、沟深1.5 m;主排沟两旁每隔30 m 开一支沟,沟宽、沟深各1 m;支沟两旁每隔10 m 开一毛渠,宽、深各约30 cm。排水降盐的技术措施包括:(1)雨水淋洗脱盐技术。暴雨对于土壤盐分的脱盐作用很明显,张妙仙等[1]利用粉砂壤土土柱研究特大暴雨过程中土壤盐分运移特征,发现当地下水位为2.5 m 时,土壤盐分下移至83~200 cm 土层,淋洗效果最佳。基于广东省沿海气候特点,有充沛的季节性雨水资源,宜实施季节性降雨排盐,如利用清明前后的降雨、龙舟水、台风雨等降雨时段,根据天气预报,提早将排盐沟里的盐水排干,降低地下水位,形成一个自然的排盐过程。这是一个十分可行的技术措施。(2)人工淋洗脱盐技术。在秋末冬初的旱季可采用人工淋洗脱盐,其方法是引淡水淹灌,保持3~6 cm 水层,经犁耙沉泥2~3 d 后将表面水排出。有条件的地方,每月可进行2~4 次,可使土壤含盐量减半,脱盐效果显著。(3)边种植边淋洗脱盐技术。在水源充足且排水良好的区域,于水稻生育障碍盐分临界浓度0.3%左右的田块,直接采用边种植边淋洗脱盐技术,经种植后土壤盐分显著下降。试验结果显示,种植双季稻1 年后土壤含盐量可降低50%左右,且稻田在常规管理下不会出现返盐现象。因此,对于中轻盐土种稻洗盐采用“边种植边淋洗脱盐”是良好措施。
何春梅等[12]提出,在淡水充足的地区,冬季利用大型机械实行深翻土晒田,使耕层中的盐分和有毒物质集中到表土层,于春季引淡水浸田,并进行粗耙,然后把溶解有大量盐分和毒质的田水排掉,如此反复进行2~3 次,再灌回淡水插秧,插秧后勤排勤灌,切忌田面落干,可有效降低土壤含盐量。在淡水水源不足无法洗咸去毒地方,只能浸冬,切忌晒冬,避免田底盐分、有毒物质上升。
由于滨海盐土一般处于地势低洼区,排水沟水位较高,围内自排水困难,在形成环围集水沟的基础上,需要配套建设抽水站将盐水排出到围外。通过排水设施,降低地下水位,降低土壤盐度,使土壤形成一个氧化还原交替的过程,可有效改善滨海盐土的物理和化学性状,活化土壤潜在肥力,提升土壤养分的有效性。
引淡压咸是改造滨海盐土的基础,朱海等[19]分析了盐分在土壤中的动态迁移特征及其影响因素,发现盐分运移受土壤质地与结构的影响较大,且与土壤水分运移密切相关。通过高标准农田建设,根据当地水系特征和灌区(围)面积,可在围外修建水库,畅通引水渠道,解决淡水资源不足的问题,完善农田水利设施,引淡水进行灌溉,在水稻生长季节尽量保持有田面水,阻止下层水通过土壤毛细管进入耕作层。水稻生长本田期是压的关键期,根据盐害的不同程度,稻田水分管理可执行“浅(深)湿”型和“浅露(轻晒)湿”型的灌溉制度[5],即一般咸田只露田或轻晒,重度咸田则不晒田。水稻移植至返青的敏感期,以“寸水护苗”,盐分较高则以深灌为好;水稻分蘖末期,对中轻度咸田适当降低地下水位进行露田或轻晒,对重咸田则田面保持浅水到湿润;孕穗至抽穗扬花期至灌浆,稻田保持湿润至浅水层;水稻黄熟期,田面自然落干(干湿交替)。
土壤改良是运用土壤学、农业生物学、农业工程学等的原理和技术,排除影响作物生长发育的各种不利因素,改善土壤不良性状,为作物生长创造良好的土壤环境。针对滨海盐土的障碍因子特点,通过客土改良、撒施土壤改良剂(或石灰),降低土壤盐度和毒物,不断恢复耕地生产力。
客土改良在滨海盐土改良中被广泛应用。客土压咸是在排盐基础上,先在耕层铺一层3~5 cm厚的秸秆(如果需要改酸可考虑同时添加碱性土壤调理剂),利用深翻机械将秸秆深翻入土,以阻断下层盐分上升,然后进行客土改良。对于新垦的粘质田块宜适当地掺砂客土,改良土壤质地和结构并增高田面,掺砂改粘可每年每667 m2掺砂20~25 m3,连续2~3 年[12]。国内不少研究者应用农业废弃物秸秆改良盐渍化土壤,取得了显著成效[18-19]。本团队研究发现,在土壤含盐量小于0.3%滨海盐土上利用秸秆全量或倍量还田措施,通过在水稻收割机上加装秸秆粉碎抛撒装置,在水稻收割的同时实现秸秆粉碎和均匀抛撒,留茬高度≤15 cm,秸秆切碎长度≤10 cm,抛撒均匀度≥80%,用拖拉机牵引铧式犁将秸秆深翻入土,作业深度20~30 cm,可有效改良盐渍化土壤。
有条件的地方可利用专用土壤改良材料如基质土、园林有机废弃物与红壤配比,有机质含量控制在2%~3%,EC 值小于1.0 mS/cm,通过填高、平整、翻耕,即可种植作物;也可撒施矿物源调理剂改良,如石灰石、白云岩、膨润土、泥炭、草木灰、碱渣、钙镁磷肥等。近年来沿海养殖蚝场增多,产生了大量的废弃物——蚝壳,蚝壳经粉碎或煅烧后成为贝壳粉和壳灰,是很好的改良材料。但碱性土壤调理剂材料的应用,要注重监测重金属含量和钠离子含量。
研究表明,盐渍化农田氮素利用率仅14%~29%,磷肥利用率为10%~25%,低于常规农田氮磷肥利用效率[9,20],这主要是由于氨挥发和氮淋失增多而磷的有效性降低从而影响作物的正常生长,减少了作物对氮磷吸收量,降低养分利用效率[21]。磷素移动性差且易与土壤中Ca2+结合形成磷酸盐沉淀,同时盐渍土中大量Na+使土壤可溶性磷以磷酸钠盐的形式存在,危害作物生长,进一步降低磷肥生物有效性[22]。针对滨海盐土的特性,可以通过测土配方施肥、增施功能微生物和有机肥料、壮根栽培等措施提升耕地生产能力。
(1)测土配方施肥。以土壤测试和已建立的作物施肥指标体系为依据,通过测土、配方、配肥环节[1],为滨海盐土栽培作物提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用数量、施肥时期和施用方法。滨海盐土中有机质、全氮、速效钾等营养丰富,但由于土体中存在咸/酸/毒环境,磷易被固定,土壤有效磷含量往往偏低。因此,在施肥时要注重增施磷肥,主要品种包括磷酸铵和钙镁磷肥等。建议增施植物性有机肥料(堆肥)增加土壤通透性以改善土壤性状。
(2)配施功能微生物肥料。挖掘和利用盐渍土中耐盐功能微生物,可以促进土壤的物质转化,改善土壤结构及土壤肥力,使植物能够在盐渍土中生存[23]。生物有机肥含有特定功能微生物和大量有机质成分,具有直接或间接改良土壤、恢复地力、维持根际微生物区系平衡、降解有毒有害物质等作用[24],研究发现土壤中有机质能够改善土壤结构,减少地面蒸发,增强微生物活动,其本身的吸附力还具有一定的缓冲作用[25],有利于土壤盐分的下淋,又能阻止盐分上升。滨海盐土增施生物肥(菌剂或生物有机肥)+植物性有机肥料(堆肥),有利于增加土壤通透性,提升土壤活性有机质含量,激活土壤微生物群体,改善土壤物理、化学、生物性状。
(3)增施生物质炭。生物质炭含有大量的碳和植物营养物质,具有丰富的孔隙结构,比表面积大且表面含有较多的含氧活性基团。生物质炭呈弱碱性,且具有较高的阳离子交换量,施入土壤后可以提高酸性土壤pH 值,增加土壤阳离子交换量[26]。Zhu 等[27]和Xiao 等[28]研究发现,施用生物质炭可改良盐渍土同时增加土壤中的速效养分,延长肥效,提高作物养分吸收和利用率。高珊等[29]在苏北滨海盐渍土大麦-玉米轮作田间微区试验的研究发现,在中度盐渍土中施用生物质炭,可以提高土壤中可吸收态磷素含量和提高碱性磷酸酶活性,生物质炭处理下累积磷肥利用率为对照的4.4 倍。Yue 等[30]研究发现,施用生物炭可缩短盐渍土改良时间并促进植物正常生长。
(4)壮根栽培。滨海盐土中高浓度的盐对作物正常生长和土壤理化性质有负面作用,应用微生物发酵技术,在水稻播种期-苗期,施用天然微生物发酵产物(生物刺激素),可提高种子活力,提升根系对盐和酸的耐受力,活化土壤微生物,促进水稻早生快发。微生物在土壤中可以分泌大量不同类型的酶,其中脲酶可以有效地将土壤中的脲素转换成铵态氮,进而被植物利用,从而改善土壤肥力,同时还可以通过增强K+选择性吸收和运输,提升植物的耐盐性[31-32]。
(5)土壤调理。研究表明,应用黄腐酸可以改良盐渍土,吸附土壤中有害阳离子、减少盐分积累,提高生根率、生根数和根长,在一定程度上提髙作物抗性[33]。以改性腐殖酸为主体研发的新型矿基土壤调理剂,施用后可提高滨海盐土有机质含量,提升土壤肥力,调节土壤pH 值;同时,腐殖酸具有较大比表面积和弱酸基团,能与盐土壤中的Na+进行交换吸附,达到降低土壤盐分的效果。
在开垦改良之初,兼顾农田的生产功能,充分利用具耐盐抗逆能力的作物品种如“海水稻”以植物生长改善土壤理化性质为抓手,逐渐消减土壤障碍因子。近年来广东省在耐盐水稻品种选育方面已取得长足的发展,筛选出不少好品种,如广东海洋大学育成的海S1/11、海S1/12、海S1/99、海红11、海红12、海红15,广东省农业科学院水稻研究所育成的广红3 号、广盐1 号,均属早晚稻兼用型耐盐品种,已在广东省沿海地区推广应用。
其次是选择合理的种植制度。尽量实施双季稻、稻-稻-水生蔬菜轮作制,也可种植莲藕、菱角、茭白、荸荠、慈菇等水生作物,通过水作,长期保存一定的田面水,“以水压咸”,使盐/毒物侧渗至排水沟,同时要勤换田面水(如日灌夜排等方式),保持土壤pH 值在4~5 之间,建议水作连续3 年以上。
在围海造田方面,广东省在20 世纪80—90年代创造了很多成功经验,例如,在广州市万顷沙垦区,按照“边围边利用”模式,40 多年共围垦造田1 467 hm2,当地技术人员和农民第一年围海,第二年种植莲藕,平均每公顷产量18 750 kg,第三、四年土壤盐分下降到0.3%~0.6%时种植甘蔗和大蕉,每公顷产量分别达到75 000 kg 和15 000 kg。按当时的造价,围海造田每公顷投资10 050~10 200 元,投产2~3 年即可收回成本[34]。
为提高经济效益,还可探索水稻与禾虫共生种养模式,可参照广东省农业农村厅主推技术——有机稻-禾虫高质高效种养结合技术模式。
滨海盐土的土壤特性是含盐量高,具有盐渍化特征;潜在肥力高,土壤有机质丰富,通过适当的改良措施可以成为良田。当前广东省滨海盐土的利用治理存在诸多问题,一是由于投入不足、种植效益低、海水倒灌反盐等问题造成一些地方连片撂荒或歉收,形成了大面积的低产田,大大浪费了广东省本就不足的耕地资源;二是由于多年缺乏项目支撑造成开拓性研究不足,科技储备薄弱,广东省开展滨海盐土研究的相关文献集中于20 世纪60—80 年代,之后的时期处于空白,与广东省经济高度发达极不相称。到了21 世纪的今天,沿海地区在开展滨海盐土治理时仍缺乏人才、缺乏技术;三是野外科学观测试验站是农业科研依赖的基本手段和重要平台,是科技创新体系的重要组成部分,广东省还没有建立综合治理长期定位观测站和连片治理示范片,开展长期、定位、系统监测滨海盐土的土壤和生态因子演变规律研究,寻找制约其发展的关键因子,以及生产性能追踪,对广东省滨海盐土土壤盐渍化发生和演变规律缺乏科学数据支撑。为更好开展广东省滨海盐土的综合治理,需要在下列4 个方面加以关注。
在20 世纪80、90 年代,我国先后开展了第二次土壤普查以及海岸带和海涂资源的综合调查工作,基本查清了滨海盐土的资源状况(包括分布、面积、理化性质及其农业利用等方面)。至今时间跨度已超过40 年,改革开放后随着经济的发展,广东省滨海盐土土地利用与环境状况在时空上发生了巨大的变化,近年来广东省沿海地区由于滨海盐土利用不当造成低产甚至歉收的报道时有发生。因此,建议以第三次土壤普查为契机,对全省滨海盐土的分布、面积、土壤质量、土地利用现状、气候水文及地下水位、环境危害等重新进行更深入调查,并建立相应的资源数据库,为滨海盐土利用、规划、决策及管理提供科学依据。
滨海盐土的可持续利用是一个大规模区域环境治理工程,其中农业基础设施建设特别是水利工程建设的好坏在一定程度上决定着其治理的成败。建议以政府为主导加大资金投入,依托高标准农田建设资金,以及撂荒地整治资金,有序治理,同时按照“谁投资谁受益”引导社会资本参与,实现连片整治开发,通过多种渠道筹措资金加大投资建设,实现滨海盐土可持续利用。加强科技投入,设立科研专项,聚焦国家需求和学科发展,加强国内和国际科技机构的交流合作,开展适用新品种新技术新机械的研究,形成绿色低碳可持续治理模式,降低治理成本,提高滨海盐土的土壤生产能力。
广东省作为经济高度发达地区,有必要培育多层次开展滨海盐土治理的科技力量,建设一支包括土壤学[35]、植物学[36]、栽培学、微生物学、水文学[37]的专家团队,在科技上支撑作为中低产田类型之一的滨海盐土的改良与质量提升工作,为缓解广东省土地资源、提高农业可持续发展做贡献;在海水稻品种、低成本脱盐技术、轻简化技术及配套设备、土壤障碍绿色消减技术、耕地碳汇提升等研究取得突破,为广东省治理开发盐渍土地,有效扩增耕地资源、拓展农业发展空间[38]贡献才智,为“藏粮于地、藏粮于技”的国家战略贡献广东方案。
建立长期定位野外观测站和连片治理示范片,开展相关技术研究与熟化,探索形成可推广、可学习、可生产的技术模式,深入研究滨海盐土的水盐运动过程及其调控机理[9],土壤盐渍障碍消减与生态环境的互馈机制与效应[5],土地利用变化与土壤盐渍化响应关系[38],开展生产过程的实证研究、预测预警和技术集成示范。通过原位观测与监测,长期跟踪了解土壤盐渍化发生和演变规律、不同治理措施下滨海盐土的土壤肥力演变规律,及时总结改良经验及技术成果,为广东省滨海盐土治理提供借鉴,服务政府决策与产业发展,服务国家粮食安全和生态安全,服务乡村振兴国家战略。