東北蘇打鹽堿地生態(tài)治理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與集成示范

楊 帆, 王志春，馬紅媛,楊 福,田春杰, 安豐華

中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102

東北蘇打鹽堿地生態(tài)治理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與集成示范

楊 帆, 王志春*，馬紅媛,楊 福,田春杰, 安豐華

中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102

“東北蘇打鹽堿地生態(tài)治理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與集成示范”項(xiàng)目(2016YFC0501200)由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃提供資助。項(xiàng)目主要針對(duì)東北土壤鹽堿導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化、限制區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問(wèn)題,綜合考慮東北鹽堿地區(qū)氣候條件、鹽堿程度和土地利用方式等差異,研究東北蘇打鹽堿地形成機(jī)理及障礙消減機(jī)制,研發(fā)適用于蘇打鹽堿地治理的微生物、植物種植與修復(fù)關(guān)鍵技術(shù),研制鹽堿地治理工程裝備和產(chǎn)品,建立蘇打鹽堿地綜合治理和生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式,在東北蘇打鹽堿地典型分布區(qū)開(kāi)展縣域示范,為蘇打鹽堿地長(zhǎng)效治理提供范式,實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益共贏的鹽堿地治理良性循環(huán)。

生態(tài)治理; 關(guān)鍵技術(shù); 集成示范; 蘇打鹽堿地; 中國(guó)東北

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織統(tǒng)計(jì),全世界鹽堿地面積約9.6億公頃。土地鹽堿化是制約生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世界性問(wèn)題,鹽堿地治理利用的理論和技術(shù)一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

土壤鹽堿化理論研究自20世紀(jì)50年代開(kāi)始,開(kāi)展了對(duì)鹽堿土實(shí)驗(yàn)方法、理化特性、植物鹽堿脅迫響應(yīng)、植物根區(qū)瞬時(shí)-穩(wěn)態(tài)鹽分平衡、水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律、鹽堿化預(yù)測(cè)與管理等方面的系統(tǒng)研究,形成了土壤鹽堿化理論的基本框架[1-2]。鹽堿地治理技術(shù)研究成果豐碩,且在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。鹽堿地治理方法可歸納為水利工程、化學(xué)、農(nóng)藝和生物等措施。水利工程措施已在美國(guó)加州等灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)和我國(guó)黃河三角洲等鹽堿地區(qū)推廣應(yīng)用[3-5]。以石膏類(lèi)工業(yè)副產(chǎn)品為主的各種化學(xué)改良劑,在發(fā)達(dá)國(guó)家水資源豐富且灌排條件好的鹽堿地區(qū)大量應(yīng)用[6-9]。機(jī)械整地、深松耕作、增施有機(jī)肥等農(nóng)藝措施,在有效改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤水分和養(yǎng)分有效性等方面發(fā)揮重要作用[10-11]。鹽堿地種稻改良,灌溉排水沖洗鹽分效果顯著,成為邊治理邊利用的有效途徑[12-14]。磁感應(yīng)電導(dǎo)率儀(EM系列)的廣泛應(yīng)用,推動(dòng)了土壤鹽堿化信息獲取技術(shù)發(fā)展[15,16]。生物措施是治理鹽堿地的重要途徑[7,17],展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。近年來(lái),巴基斯坦通過(guò)種植田箐(Sesbaniaaculeata)和卡拉草(Leptochloafusca)改良蘇打鹽堿地技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用[5,17,18]。篩選、培育和種植耐鹽堿植物或品種,必將在鹽堿地生態(tài)治理中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

東北蘇打鹽堿地是我國(guó)主要鹽堿地類(lèi)型之一,總面積500萬(wàn)公頃,主要分布于東北西部,屬于典型生態(tài)脆弱區(qū)。土地鹽堿化導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境急劇惡化,直接限制了區(qū)域生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。蘇打鹽堿地作為鹽堿地的一種重要類(lèi)型,具有土壤交換性鈉含量高、鹽分淋洗困難等特殊性和復(fù)雜性[19,20],土壤蘇打鹽堿化形成及障礙機(jī)理仍未得到系統(tǒng)闡釋[21]。本項(xiàng)目根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展水平,面向東北西部大規(guī)模土地開(kāi)發(fā)整理和生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,擬在深入開(kāi)展東北蘇打鹽堿地成因、演化規(guī)律和鹽堿逆境脅迫消減機(jī)制等理論研究基礎(chǔ)上,綜合考慮該區(qū)氣候條件、鹽堿程度和土地利用方式等差異,重點(diǎn)研發(fā)適用于蘇打鹽堿地治理的微生物、植物種植與修復(fù)技術(shù),研制土地鹽堿化信息采集裝備和鹽堿地治理工程裝備以及土壤調(diào)理劑等治理產(chǎn)品,為蘇打鹽堿地生態(tài)治理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支持。集成建立蘇打鹽堿地綜合治理技術(shù)體系和蘇打鹽堿地利用生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式,在東北蘇打鹽堿地典型分布區(qū)開(kāi)展縣域以上示范,為東北鹽堿地治理利用提供適用解決方案和范式,引領(lǐng)鹽堿地治理進(jìn)入生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益共贏的良性循環(huán)。項(xiàng)目的啟動(dòng)和實(shí)施,對(duì)東北鹽堿脆弱區(qū)生態(tài)修復(fù)和區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義。

1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

1.1 具體研究?jī)?nèi)容

1.1.1 蘇打鹽堿地形成機(jī)理及障礙消減機(jī)制

重點(diǎn)研究東北蘇打鹽堿地區(qū)域尺度景觀格局演變規(guī)律,宏觀分析鹽堿地景觀演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制,預(yù)測(cè)土壤鹽堿化發(fā)展趨勢(shì)；微觀尺度研究地下水,微地貌和凍融作用下的土壤蘇打鹽堿化過(guò)程及形成機(jī)理；解析鈉離子毒害和滲透脅迫等鹽堿障礙因子,研究不同調(diào)控措施對(duì)鹽堿脅迫的消減機(jī)制,提出鹽堿逆境脅迫消減途徑。

1.1.2 蘇打鹽堿地微生物生態(tài)及修復(fù)技術(shù)

重點(diǎn)研究蘇打鹽堿地微生物群落結(jié)構(gòu)、分布和功能,探索蘇打鹽堿地微生物生態(tài)修復(fù)機(jī)制,研發(fā)高活性微生物菌株、復(fù)合菌劑、菌肥及應(yīng)用技術(shù),構(gòu)建蘇打鹽堿地地下-地上復(fù)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系。

1.1.3 蘇打鹽堿地耐鹽堿植物種植與修復(fù)技術(shù)

收集、篩選和培育適合鹽堿生境的耐鹽堿植物或品種,著重解決打破種子休眠、種苗快繁、水鹽調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù),建立適應(yīng)性耐鹽堿植物規(guī)模化種植技術(shù)體系；利用典型耐鹽堿植物,實(shí)施蘇打鹽堿地定向修復(fù)和差異化修復(fù)技術(shù)。開(kāi)展植物修復(fù)鹽堿地的生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估,優(yōu)化完善鹽堿地修復(fù)技術(shù)。

1.1.4 蘇打鹽堿地整治工程裝備研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)

重點(diǎn)研制鹽堿地空地一體遙感探測(cè)裝備,開(kāi)發(fā)遙感精細(xì)探測(cè)硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)。研發(fā)地面土壤鹽堿快速測(cè)定系統(tǒng),形成土壤鹽堿化程度快速診斷技術(shù)。研發(fā)適于蘇打鹽堿地應(yīng)用的土壤深松、秸稈還田等聯(lián)合作業(yè)裝備,建立田間應(yīng)用配套技術(shù)體系。

1.1.5 蘇打鹽堿土調(diào)理劑產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用

優(yōu)選出適合蘇打鹽堿地改良的無(wú)機(jī)礦質(zhì)改良劑。篩選出高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新型有機(jī)物料蘇打鹽堿土調(diào)理劑配方。研制出具有不同功能優(yōu)勢(shì)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合鹽堿土調(diào)理劑產(chǎn)品。根據(jù)土壤鹽堿化程度,研究各種鹽堿土調(diào)理劑精確定量施用技術(shù),構(gòu)建蘇打鹽堿土調(diào)理劑施用技術(shù)體系,建立蘇打鹽堿土調(diào)理劑生產(chǎn)工藝流程、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.6 典型蘇打鹽堿地綜合治理及生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)集成示范

綜合優(yōu)化集成鹽堿地治理關(guān)鍵技術(shù),選擇東北蘇打鹽堿地典型區(qū),構(gòu)建蘇打鹽堿地特種經(jīng)濟(jì)植物、耐鹽堿牧草和堿性稻米生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新模式,建立示范基地,開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)化加工產(chǎn)品,打造鹽堿地生態(tài)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品品牌。

1.2 項(xiàng)目研究思路

通過(guò)揭示蘇打鹽堿地形成機(jī)理和障礙消減機(jī)制,依托相關(guān)野外臺(tái)站和試驗(yàn)基地,篩選培育耐鹽堿微生物和植物,快速恢復(fù)鹽堿地植被；研發(fā)和應(yīng)用鹽堿地深松、秸稈還田聯(lián)合作業(yè)裝備以及鹽堿土調(diào)理劑,解決土壤過(guò)量鈉離子導(dǎo)致的理化障礙問(wèn)題；研發(fā)和應(yīng)用空地一體遙感探測(cè)裝備和地面土壤鹽堿測(cè)定系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鹽堿快速診斷和鹽堿地利用格局合理配置；綜合集成生態(tài)治理技術(shù),創(chuàng)建蘇打鹽堿地生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)模式,在吉林和黑龍江蘇打鹽堿地典型區(qū)開(kāi)展示范。

項(xiàng)目總體技術(shù)路線(圖1)。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Research flow diagram

2 總體目標(biāo)

2.1 項(xiàng)目目標(biāo)

針對(duì)東北鹽堿地土壤蘇打含量高、堿化嚴(yán)重等問(wèn)題,深入研究鹽堿地形成機(jī)理,創(chuàng)建與蘇打鹽堿特性相適應(yīng)的鹽堿地微生物和植物修復(fù)技術(shù),研發(fā)出鹽堿地診斷、鹽堿脅迫消減工程裝備和鹽堿土調(diào)理劑等技術(shù),建立蘇打鹽堿地生態(tài)高值特色產(chǎn)業(yè)集成創(chuàng)新模式,為東北鹽堿地生態(tài)治理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供示范樣板。

2.2 預(yù)期成果

(1)明確東北蘇打鹽堿地形成機(jī)理和土壤鹽堿化障礙削減機(jī)制,發(fā)表論文40—50篇,其中SCI收錄15—20篇,出版專(zhuān)著1—2部；

(2)建立東北蘇打鹽堿地菌種資源庫(kù)1個(gè), 研發(fā)高效菌株5—10株,專(zhuān)用復(fù)合菌肥1—3種,構(gòu)建微生物生態(tài)治理技術(shù)1—2項(xiàng),實(shí)現(xiàn)土壤pH值降低0.5—1個(gè)單位,堿化度降低20%以上；

(3)篩選、培育耐鹽堿植物新品種或品系8—10種,建立東北蘇打鹽堿地耐鹽堿基因收集圃1個(gè),構(gòu)建蘇打鹽堿地植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)3—5項(xiàng),植被覆蓋率達(dá)80%以上；

(4)研制鹽堿地空地一體遙感探測(cè)裝備和地面土壤鹽堿快速測(cè)定系統(tǒng)各1套,蘇打鹽堿地深松和秸稈還田聯(lián)合作業(yè)裝備2—3套；

(5)研發(fā)蘇打鹽堿土調(diào)理劑產(chǎn)品3—5個(gè),建立產(chǎn)品加工工藝流程2—3套,根層土壤含鹽量降低40%以上,鈉堿化度降低30%以上；

(6)形成蘇打鹽堿地特種經(jīng)濟(jì)植物、耐鹽堿牧草和堿性稻米等生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)5—8項(xiàng),產(chǎn)品4—6種；

(7)申請(qǐng)專(zhuān)利10—15項(xiàng),形成技術(shù)規(guī)程4—6項(xiàng),培養(yǎng)研究生30—40名,培訓(xùn)農(nóng)民、技術(shù)咨詢(xún)及服務(wù)10000 人次以上。

(8)在吉林和黑龍江蘇打鹽堿地典型區(qū)域,建立綜合治理和生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)萬(wàn)畝以上縣域示范3—4個(gè),累計(jì)推廣500萬(wàn)畝,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益130億元以上。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 項(xiàng)目研究展望

東北蘇打鹽堿地由于地域特點(diǎn)和土壤性質(zhì)復(fù)雜性,決定了治理技術(shù)必然從單一向綜合治理體系發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外已有的研究成果基礎(chǔ)上,亟需加強(qiáng)針對(duì)蘇打鹽堿地土壤特性和氣候特點(diǎn)的適用技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用。創(chuàng)建和發(fā)展蘇打鹽堿地耐鹽堿牧草、特種經(jīng)濟(jì)植物和特色農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)及模式,實(shí)現(xiàn)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益三者有機(jī)結(jié)合,必將在蘇打鹽堿地生態(tài)治理和可持續(xù)利用方面發(fā)揮示范作用。項(xiàng)目預(yù)期取得土壤鹽堿化形成理論、蘇打鹽堿地生態(tài)治理和生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)等系列研究成果,在豐富和發(fā)展鹽堿土理論體系,創(chuàng)新土壤鹽堿化防治技術(shù)等方面將具有重要科學(xué)價(jià)值。

3.2 存在問(wèn)題

項(xiàng)目涉及有蘇打鹽堿土調(diào)理劑產(chǎn)品、鹽堿地生態(tài)產(chǎn)業(yè)加工產(chǎn)品等,其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展可能受到區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況、土地利用方式和市場(chǎng)認(rèn)知程度等諸多因素影響。鹽堿地生態(tài)產(chǎn)業(yè)加工產(chǎn)品大多為新產(chǎn)品,市場(chǎng)認(rèn)可需要一定的時(shí)期,同時(shí)也將面臨市場(chǎng)波動(dòng)影響。需要深入挖掘鹽堿地生態(tài)產(chǎn)品特色,以促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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Research and integrated demonstration of ecological amelioration techniques of saline-sodic land in northeast China

YANG Fan, WANG Zhichun*, MA Hongyuan, YANG Fu, TIAN Chunjie, AN Fenghua

NortheastInstituteofGeographyandAgriculturalEcology,ChinesAcademyofSciences,Changchun130102,China

The project of Research and Integrated Demonstration of Ecological Amelioration Techniques of Saline-sodic Land in northeast China(2016YFC0501200)is sponsored by the National Key Research and Development Initiative, Ministry of Science and Technology of China. Aiming at issues such as deteriorated ecological environment, limited regional ecological restoration and low economic development of saline-sodic land in northeast China, this project tries to investigate the formation and stress mechanisms of soil salinity and sodicity, develop key amelioration techniques through microorganism, plant, soil amendment and agricultural engineering, integrate and demonstrate these ecological amelioration techniques on the county basis in typical distribution regions of saline-sodic land in northeast China. The ecological management model for saline-sodic land will be established, leading the saline-sodic land management to an economic, ecological and social beneficial cycle.

ecological amelioration; key techniques; integrated demonstration; saline-sodic land; northeast China

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501200)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172102

*通訊作者Corresponding author. E-mail: wangzhichun@iga.ac.cn

楊帆, 王志春，馬紅媛,楊福,田春杰, 安豐華.東北蘇打鹽堿地生態(tài)治理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與集成示范.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7054- 7058.

Yang F, Wang Z C, Ma H Y, Yang F, Tian C J, An F H.Research and integrated demonstration of ecological amelioration techniques of saline-sodic land in northeast China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7054- 7058.