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      鹽堿地改良研究現(xiàn)狀及展望

      2017-11-18 16:21:11張翼夫李問盈胡紅陳婉芝王憲良
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年18期
      關(guān)鍵詞:改良措施鹽堿地研究進(jìn)展

      張翼夫+李問盈+胡紅+陳婉芝+王憲良

      摘要:隨著我國人口的不斷增長及在推進(jìn)工業(yè)化和城市化進(jìn)程中人均耕地面積的不斷減少,鹽堿地作為重要的土地資源之一,其改良與利用已經(jīng)成為確保我國耕地“紅線”不被突破、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。本文綜述了鹽堿地的形成與分布以及各種改良措施如工程措施、農(nóng)藝措施、生物措施和化學(xué)措施等的研究進(jìn)展,探討了現(xiàn)有改良措施存在的問題與不足,并對(duì)未來鹽堿地改良措施的優(yōu)化提出了展望。

      關(guān)鍵詞:可持續(xù)發(fā)展;鹽堿地;研究進(jìn)展;改良措施

      中圖分類號(hào): S156.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)18-0007-04

      收稿日期:2016-04-27

      基金項(xiàng)目:公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(編號(hào):201503136)。

      作者簡介:張翼夫(1990—),男,江蘇揚(yáng)州人,博士,主要從事保護(hù)性耕作研究。E-mail:972534402@qq.com。

      通信作者:李問盈,教授,主要從事保護(hù)性耕作研究。E-mail:wwyyli@cau.edu.cn。 土壤鹽堿化是世界旱作農(nóng)區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),鹽堿土資源遍及世界100多個(gè)國家,總面積達(dá)10億hm2[4]。土壤鹽堿化的防治與鹽堿土的開發(fā)利用已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推進(jìn)可持續(xù)進(jìn)程的重要研究內(nèi)容[5-6]。本文綜述了鹽堿地的形成與分布以及各種改良措施的研究進(jìn)展,探討了現(xiàn)有改良措施存在的問題與不足,并對(duì)未來鹽堿地改良措施的優(yōu)化提出了展望,以期為鹽堿地改良與利用提供參考。

      1 鹽堿土的形成與分布

      1.1 鹽堿土的成因

      作為鹽土與堿土的統(tǒng)稱,通常把可溶性鹽類物質(zhì)含量大于2 g/kg,且影響作物正常發(fā)育的土壤稱為鹽土[7];堿土用堿化度來劃分,是指代換性鈉離子占可溶性陽離子的比例(用ESP表示,單位%)大于20%,pH值大于8的土壤[8]。而通常鹽土與堿土是混合存在的,所以統(tǒng)稱為鹽堿土。

      鹽堿土形成的實(shí)質(zhì)是可溶性鹽類在土壤中發(fā)生重新分布,鹽分在土壤表層積累超過了正常值[9]。影響土壤鹽分積累的原因主要有自然因素和人為因素,其中自然因素是鹽堿土形成的內(nèi)因,包括氣候、地形、水文活動(dòng)和植被因素等;而人為因素是鹽堿土形成的外因,特別是次生鹽堿土的形成[10-12]。目前,世界上次生鹽堿化的土壤面積還在不斷增大,主要原因有氣候變暖,海平面不斷上升、淡水資源的日益缺乏、環(huán)境污染的加劇、化肥不合理的施用和不合理的灌溉等[13]。

      1.2 鹽堿土的分布

      世界鹽堿土壤分布廣泛,不僅存在于荒漠、半荒漠地區(qū),而且在肥沃的河流、沿海地區(qū)以及沖積平原、灌溉區(qū)域也有所分布,總面積約9.53億hm2(表1),并且每年在以100萬~150萬hm2的速度增加[14-15]。

      我國鹽堿土資源總面積約9 900萬hm2,主要分布在東北平原,西北干旱、半干旱地區(qū),黃淮海平原及東部沿海地區(qū)[4,16]。其中,西北干旱區(qū)是我國最大的鹽堿土分布區(qū),總面積約1 300萬hm2,主要包括青海、新疆、內(nèi)蒙古西部和甘肅河西走廊地區(qū);其次為濱海鹽堿土區(qū),面積約800萬hm2,主要分布在黃海、渤海和東海的海岸沿線[17]。

      2 鹽堿土改良研究現(xiàn)狀

      鹽堿土改良的根本目的是改善土壤理化特性,為作物提供良好的生長發(fā)育環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)高效[18]。近年來,隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術(shù)的逐漸成熟與利用,已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)土壤、作物發(fā)展演變數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量,形成了鹽堿地改良的高新監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,為鹽堿地決策咨詢服務(wù)體系的構(gòu)建創(chuàng)造了條件[19-21]。下面著重對(duì)近年來國內(nèi)外在工程措施、農(nóng)藝措施、生物措施和化學(xué)措施等鹽堿化土壤改良利用理論與技術(shù)方面取得的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

      2.1 工程改良措施

      工程改良措施主要是通過建立完善的排灌系統(tǒng),借助井、溝、渠等配套措施,鉆灌水井、修筑臺(tái)田、埋設(shè)暗管等,達(dá)到灌水適當(dāng)、排水及時(shí)的效果。陶炳炎提出豎井排水可以降低地下水深度,淡化地下水表層,加速根層脫鹽[22]。閆少鋒等通過豎井抽排水試驗(yàn),探討了天然降水條件下地下水位動(dòng)態(tài)及土壤脫鹽規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明,豎井排水的區(qū)域土壤鹽分含量呈下降趨勢(shì),下降幅度為52%,未設(shè)豎井排水的區(qū)域土壤表層出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象,土壤鹽分含量上升41%[23]。

      近年來,地下暗管排鹽技術(shù)發(fā)展迅速。實(shí)踐證明,暗管排水能夠提高淋洗效果,對(duì)鹽堿土壤返鹽過程的抑制效果明顯,特別是在低洼、溝排難度大、井排效果不明顯的地區(qū),暗管排水可將鹽分淋溶至根系層以下,降低土壤鹽分峰值[24]。楊岳通過暗管排水研究發(fā)現(xiàn),疏勒河流域鹽堿地脫鹽率、排鹽量增加,土壤鹽分含量下降,作物長勢(shì)良好,產(chǎn)量增加[25]。馬鳳嬌等研究表明,在暗管埋設(shè)條件下,雨季降水量對(duì)大面積的輕度鹽堿地淋洗脫鹽效果非常顯著[26]。

      2.2 農(nóng)藝改良措施

      農(nóng)藝改良措施是建立在“鹽隨水來,鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律基礎(chǔ)上的,通過不同農(nóng)藝耕作方式,抑制或減少土壤水分的蒸發(fā),減輕鹽分的表聚,淡化耕作層,進(jìn)而達(dá)到改良的目的[18]。同時(shí)農(nóng)藝改良措施是鹽堿土理化性狀改良的基礎(chǔ),也是化學(xué)改良和生物改良的基礎(chǔ),它主要包括合理的耕作與栽培技術(shù),通過翻耕、耙地、鎮(zhèn)壓、中耕等田間作業(yè),創(chuàng)造良好的土壤表層結(jié)構(gòu),促進(jìn)脫鹽;通過合理灌溉、施肥和地表覆蓋等措施,增加土壤墑情,抑制鹽分表聚,調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱狀況,為作物高產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。

      2.2.1 耕作改良 耕作改良措施主要是重新排列土壤顆粒,改善土壤結(jié)構(gòu),逐步提升土壤質(zhì)量,恢復(fù)地力,為鹽堿土理化性質(zhì)改良提供基礎(chǔ)[27]。高金方指出,翻耕是傳統(tǒng)的耕作措施,通過翻耕把上下位置的土層進(jìn)行調(diào)換,曬垡后可加速耕層土壤熟化,堵截毛管孔隙,抑制深層土壤鹽分的上返[28]。endprint

      深松是在不翻土的條件下通過機(jī)械耕作來松碎土壤,不打亂土層而打破犁底層的耕作方法,可熟化底土層,利于作物根系深扎[29]。劉長江等通過田間示范試驗(yàn),研究了不同深松深度對(duì)蘇打鹽堿化田的土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,通過深松,蘇打鹽堿土含鹽量和pH值有所降低,土壤環(huán)境明顯改善,同時(shí)深松能夠促進(jìn)作物的根系發(fā)育,提高產(chǎn)量[30]。司振江等利用振動(dòng)深松技術(shù)對(duì)黑龍江省大慶市蘇打鹽堿土及草原進(jìn)行改良,結(jié)果表明,改良后2~3年,土壤理化指標(biāo)趨于良性變化,以人工種植羊草的群落成為優(yōu)質(zhì)群落[31]。

      2.2.2 覆蓋改良 覆蓋改良是指利用農(nóng)田產(chǎn)物覆蓋農(nóng)田表面,使農(nóng)田環(huán)境有利于農(nóng)作物生長的措施[32]。目前鹽堿土地表覆蓋常采用農(nóng)用地膜、作物秸稈、水泥硬殼等材料及鋪沙壓堿等措施。

      趙蘭坡等通過田間試驗(yàn)進(jìn)行蘇打鹽堿土改良研究,研究表明采用地膜覆蓋能夠提高玉米的出苗率,促進(jìn)玉米生長[33]。喬海龍通過土柱模擬試驗(yàn),研究了秸稈的不同覆蓋方式對(duì)水分運(yùn)移的影響,結(jié)果表明秸稈深層覆蓋能夠阻礙毛細(xì)管,降低土壤深層的水分蒸發(fā),而表層秸稈覆蓋會(huì)減少土壤表面與空氣的接觸,具有較好的保水效果[34]。秸稈的深層覆蓋與表層覆蓋相結(jié)合,較其他覆蓋方式保水效果好,而且對(duì)土壤鹽分的表聚與返鹽進(jìn)程均有較好的抑制作用,由此促進(jìn)了作物的生長發(fā)育。趙永敢等通過微區(qū)試驗(yàn),研究了秸稈深埋、上蓋秸稈下埋秸稈、上蓋地膜下埋秸稈和地膜覆蓋4種覆蓋措施對(duì)土層水鹽運(yùn)移的影響,結(jié)果表明上蓋地膜下埋秸稈措施在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿土改良中效果最好[35]。李偉強(qiáng)等通過大田試驗(yàn),對(duì)水泥硬殼覆蓋條件下土壤水分的變化規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明水泥硬殼覆蓋能夠減少土壤的凍結(jié)時(shí)間,對(duì)土壤水分的無效蒸發(fā)和融凍時(shí)期的土壤返鹽有明顯的抑制效果[36]。

      鋪沙壓堿通過改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤孔隙度與通透性來改變土層水分運(yùn)移規(guī)律,已經(jīng)成為一種重要的改良鹽堿土措施。在降水過程中,土壤鹽分淋溶至深層土層,由于土壤結(jié)構(gòu)的改善,土壤保水效果得到提高,抑制了水分的蒸發(fā)和鹽分向土表的運(yùn)移,降低了土壤表層的鹽化度,因而起到了壓堿的作用[37]。張長生等針對(duì)河套灌區(qū)的鹽堿土改良,結(jié)合田間試驗(yàn)和室內(nèi)分析,研究摻沙措施對(duì)耕層土壤結(jié)構(gòu)和離子含量的影響,結(jié)果表明摻沙有利于大直徑土壤微粒的形成,摻沙后 0~40 cm耕層土壤的容重明顯減小[38]。

      2.2.3 有機(jī)肥改良 施用有機(jī)肥是鹽堿土改良的有效農(nóng)藝措施之一,土壤中施用有機(jī)肥能夠改善土壤物理性質(zhì),減少蒸發(fā)量,起到抑鹽的作用,增加有機(jī)膠體、腐殖質(zhì)含量,從而加強(qiáng)對(duì)鹽分離子的吸附能力,降低鹽堿土中土壤鹽分的活性[39]。目前常用于改良鹽堿土的有機(jī)肥有沼氣肥、糠醛渣、農(nóng)家肥等。蔡阿興等研究表明,施用生產(chǎn)沼氣后的剩余物沼渣和沼液,有利于提高堿土養(yǎng)分含量,改善土壤物理性狀和提高農(nóng)作物產(chǎn)量[40]。王志平發(fā)現(xiàn),施用糠醛渣,土壤中有機(jī)質(zhì)、K+和可溶性Na+含量顯著增加,CO32-和HCO3-含量顯著減少,說明糠醛渣有利于改良?jí)A化土壤,促進(jìn)鹽害離子向下淋溶[41]。有機(jī)肥數(shù)量大、來源廣,畜禽糞便和枯枝落葉等有機(jī)物料,可通過坑漚和堆制等腐熟后施入土壤,也可通過機(jī)械粉碎直接還田[42]。Li等研究得出,利用食料型玉米秸稈粉碎物可改善土壤CO2偏壓、土壤空氣,試驗(yàn)利用不同堿化度(ESP)水平的鹽堿土施加不同量的玉米秸稈粉碎物,并育種30~60 d,使得CO2偏壓升高,土壤溶液的pH值降低,改良鹽堿土效果較為明顯[43]。

      2.3 生物改良措施

      2.3.1 植物改良 生物改良是最具生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的措施,切實(shí)可行,而耐鹽植物的選擇是鹽堿地生物改良的前提,培育和種植耐鹽植物對(duì)鹽堿地的改良利用極為重要[44-45]。Barrett-Lennard研究發(fā)現(xiàn),通過在鹽堿土上種植濱藜屬(Atriplex amnicola)等耐鹽植物,可以恢復(fù)土地正常生產(chǎn)力[46]。林學(xué)政等利用鹽生植物鹽地堿蓬(Suaeda salsa)對(duì)濱海鹽堿地進(jìn)行生物修復(fù),結(jié)果表明試驗(yàn)區(qū)堿蓬根際土壤的電導(dǎo)率較對(duì)照組下降13%,有機(jī)質(zhì)含量和總氮含量分別增加43%和18%,同時(shí)根際土壤的微生物數(shù)量也明顯增加[47]。李海英等利用生物技術(shù)研究了苜蓿對(duì)柴達(dá)木盆地棄耕鹽堿地的改良效果,試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著苜蓿種植年限的增加,土壤全鹽量有所降低,耕作層(0~30 cm)全鹽量由種植前的1518%下降到0.126%,脫鹽率達(dá)91.700%[48]。

      培育耐鹽作物是鹽堿地開發(fā)、利用的有效方式。雖然植物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)過程極為復(fù)雜,但這些調(diào)控都是建立在基因基礎(chǔ)上的,借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,對(duì)耐鹽細(xì)胞系的培育、滲透調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)移和鹽誘導(dǎo)基因的利用等方面的研究已經(jīng)獲得了顯著的成果[49-51]。早期分離出的耐鹽基因有脯氨酸激增(overproduction)基因、甘氨酸甜菜堿運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)基因、編碼膽堿-甘氨酸甜菜堿合成的基因和調(diào)控海藻糖合成的基因[52]。鹽脅迫基因的主要功能是促進(jìn)離子平衡,如通過質(zhì)膜Na+/H+的逆向運(yùn)輸排出Na+,液泡Na+/H+的逆向運(yùn)輸使Na+在液泡內(nèi)累積并隔離,且多數(shù)鹽脅迫基因都能抑制損傷并進(jìn)行自身修復(fù)[53-54]。近年來,在高等植物中也相繼分離出不少耐鹽基因,有些已經(jīng)成功轉(zhuǎn)移到其他植物中[55-57]。

      2.3.2 微生物改良 微生物在鹽堿土改良方面的應(yīng)用主要是微生物促進(jìn)植物耐鹽堿性的研究。通過耐鹽堿微生物作用改善植物根際環(huán)境,可減輕鹽分對(duì)作物生長的抑制作用,從而改良鹽堿地[58-59]。在鹽脅迫條件下,施用復(fù)合微生物菌劑能夠促進(jìn)玉米幼苗根系的生長,提高根系活力,表明施用復(fù)合微生物菌劑能夠緩解鹽堿土中的鹽堿脅迫壓力[60]。逢煥成等采用盆栽試驗(yàn)方法,研究發(fā)現(xiàn)微生物菌劑對(duì)鹽堿土理化性狀及生物性狀均有較好的改良效果[61]。

      2.4 化學(xué)改良措施

      化學(xué)改良是利用酸堿中和原理來改良鹽堿土理化性質(zhì)的方法[18]?;瘜W(xué)改良的效果主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是改善土壤結(jié)構(gòu),提高鹽堿土排鹽降漬的能力;二是增加鹽基代換,調(diào)節(jié)土壤酸堿度[62]。化學(xué)改良劑包括石膏、過磷酸鈣、硫酸鋁等。張麗輝等通過小區(qū)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磷石膏中的有效鈣可將土壤膠體中的Na+代換出來,游離酸可中和土壤堿度,從而降低鹽堿土pH值,提高土壤肥力,研究結(jié)果表明,磷石膏適用于小面積的鹽堿土改良[63]。添加硫酸鋁可使強(qiáng)堿性蘇打鹽堿土土壤溶液的pH值明顯下降,離子濃度明顯增加,土壤的吸水量和吸水速度、毛管水上升高度和速度明顯提高,土壤大顆粒團(tuán)聚體數(shù)量明顯增多,土壤容重變小,孔隙度增大[33]。endprint

      近年來,利用高聚物改良劑改良鹽堿地的研究已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[64-66]。曾覺廷等通過田間試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn),對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同種類改良劑都能提高土壤中大團(tuán)聚體總量,但聚丙烯酰胺(PAM)效果最好;盆栽條件下以PAM的影響最顯著,田間試驗(yàn)以聚乙烯酸樹脂(VAM)為佳[67]。安東等采用大田試驗(yàn)與玉米室內(nèi)模擬盆栽結(jié)合的研究思路,對(duì)比鹽堿土在施用硫磺、石膏、有機(jī)肥、PAM等不同改良劑后土壤水分及相關(guān)性質(zhì)的變化,綜合而言PAM表現(xiàn)出了最佳效果[68]。

      3 展望

      實(shí)踐表明,不同的鹽堿土改良措施效果有所不同,每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。工程措施工程量大,投入高,加大了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本;農(nóng)藝措施存在返鹽的潛在危險(xiǎn);生物措施技術(shù)發(fā)展迅速,耐鹽基因的分離已實(shí)現(xiàn)常規(guī)化,但是目前還未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn);高成本和潛在的環(huán)境污染問題限制了高分子化合物的推廣應(yīng)用,同時(shí)大多土壤改良劑在施用后需用大量水沖洗,在水資源缺乏的地區(qū)推廣應(yīng)用困難,且成本較高,效果不穩(wěn)定。

      綜上所述,依靠單一的改良措施難以達(dá)到較好的改良目的,因此合理地開發(fā)和利用鹽堿土資源應(yīng)采用綜合治理的改良措施,將工程措施、農(nóng)藝措施、生物措施和化學(xué)措施有機(jī)結(jié)合起來,因地制宜,綜合治理,實(shí)現(xiàn)鹽堿土資源的系統(tǒng)改良和高效利用。另外,隨著國內(nèi)外鹽堿土改良利用技術(shù)的快速發(fā)展和新材料、新方法的出現(xiàn),為我國鹽堿土資源的可持續(xù)發(fā)展提供了機(jī)遇。今后,對(duì)于鹽堿地改良的研究,應(yīng)在長期監(jiān)測(cè)治理的基礎(chǔ)上,因地制宜地展開改良措施的調(diào)整與優(yōu)化,加強(qiáng)區(qū)域次生鹽堿化和潛在鹽堿化的預(yù)報(bào)研究。

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