東北蘇打鹽堿地整治工程技術與裝備研究綜述

王景立 韓楠楠 馮偉志 姜立民 趙春凱

(吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林長春130118)

引言

鹽堿地是指土壤中含過量的可溶性鹽堿的土地，是鹽地、堿地、鹽化土地、堿化土地的總稱，對植物生長直接造成抑制作用或危害的土壤[1]。鹽堿地是地球上廣泛分布的土壤類型之一，是一種重要的土地資源。全世界鹽堿地面積為9.54億hm2，主要集中在歐亞大陸、非洲、美洲西部[2]。我國鹽堿土地資源總量約為9.9萬hm2，主要分布在東北、西北、華北、內(nèi)陸以及沿海地區(qū)[3]。據(jù)統(tǒng)計，有80%左右的鹽堿地未得到開發(fā)與利用，因此，鹽堿地開發(fā)與利用的潛力巨大[4]。東北蘇打鹽堿地是世界上三大蘇打鹽堿地集中分布區(qū)之一，總面積達500萬hm2[5]。開展東北蘇打鹽堿地綜合治理技術與裝備研究，具有生態(tài)效益、社會效益與經(jīng)濟效益兼得，現(xiàn)實利益與長遠利益兼顧的作用，是一項功在當代，利在千秋的重要事業(yè)。

1 國內(nèi)外鹽堿地治理技術與措施研究現(xiàn)狀

1.1 國外鹽堿地治理技術研究現(xiàn)狀

美國、埃及、印度、澳大利亞等國家學者們重點研究地下水運動和水鹽平衡規(guī)律，分析土壤鹽漬化成因，目的是從源頭尋找防治土壤鹽漬化的方法。研究表明土壤中可溶鹽主要來源于地表水、地下水、灌溉水及土壤本身，分析了灌區(qū)水鹽特征和區(qū)域自然條件對水鹽平衡的影響以及灌溉和排水對土壤水鹽運動狀況的影響[6]。目前，國際上比較成熟的水鹽運動、溶質(zhì)運移模擬模型包括unsatchem、leachm、hydrus-1D，2D，適于旱地灌溉及灌溉次生鹽漬化量化數(shù)值模擬。利用水的運動方程Richards和鹽 (溶質(zhì))的運移方程Advection-Dispersion建立計算機模型，通過觀測田間數(shù)據(jù)等進行模型驗證與完善，輸入條件參數(shù)，計算機獲取未來不同時段地下水與土壤鹽堿化動態(tài)數(shù)值進行土壤鹽堿化預測，進而根據(jù)輸出文件，篩選未來土壤鹽堿化最輕的輸入條件，指導灌溉參數(shù)，控制土壤鹽堿化[7]。

國外學者們對引起土壤次生鹽堿化的原因研究較深入。以B.A.薩烏緬為代表的一些學者認為灌區(qū)土壤次生鹽堿化的形成是由于不合理的灌溉導致地下水位升高以及強烈的蒸發(fā)而引起土壤鹽堿化[8-10]。以B.A.科夫達為代表的研究者則認為灌區(qū)土壤鹽堿化的主要原因是排水不暢及底土和地下水的原生鹽堿化[11-14]。另有一些學者通過對灌溉水質(zhì)量及其對土壤影響的研究，認為在干旱、半干旱地區(qū)，灌溉水一般都含有一定數(shù)量的易溶性鹽分，長期灌溉，土壤鹽分含量必然增加[15-17]?？傮w上，對發(fā)展灌溉引起土壤次生鹽堿化的原因可概括為3個方面：引起淺層地下水位升高超過其臨界深度，導致土體和地下水中鹽分向地表富集；土壤中存在積鹽層，轉向地表累積；采用高礦化地面水或地下水灌溉，而又無調(diào)控措施，致使鹽分在土壤表層累積。另外，一些工礦企業(yè)排放的含鹽棄渣和廢水，作為環(huán)境污染源也使局部地段的土壤發(fā)生鹽堿化[18]。

國際鹽堿地改良措施主要有水利工程、農(nóng)藝措施、化學改良和綜合措施。水利工程方面包括沖洗淋鹽、高鹽沖淡、井排、暗管排水。農(nóng)藝措施方面包括深耕深松、生物改良、培育耐鹽堿品種?；瘜W改良方面主要利用石膏、磷石膏、硫酸、硫磺、硫酸嚴鐵、硫酸鋁等。綜合措施包種稻改良和農(nóng)林復合二項技術[19，20]。

1.2 國內(nèi)鹽堿地治理技術研究現(xiàn)狀

我國鹽堿地治理歷史悠久，早在2000多年前人們就認識了鹽堿地的形成、特性、危害和改良方法?！渡袝碡暺分杏?“厥土惟白壤”、“水去復其性”記載?！洱R民要術》中有 “綠肥輪作改堿”的記載。公元7世紀已將鹽堿土分為鹽、堿、硝、桀土 (濱海重鹽堿土)。新中國成立后重點開展了對鹽堿地實驗方法、理化特性、鹽堿土分類、植物鹽堿脅迫響應、水鹽平衡、水鹽運動規(guī)律、鹽堿化預測與管理等方面的系統(tǒng)研究。

我國在防治鹽堿化問題的過程中，逐步確立了“因地制宜，綜合防治”和 “水利工程措施與農(nóng)業(yè)生物措施相結合”的原則和觀點。在鹽堿地成因與機理方面，2007年周和平等在傳統(tǒng)的水鹽運行理論基礎上，提出 “土壤水鹽定向遷移”新理論，由此指出灌區(qū)農(nóng)田 “鹽分上移地表排”的水利改良模式的研究方向[21]。2011年孫兆軍等對銀川平原鹽堿荒地類型分類與分析基礎上，以篩選合適的鹽堿荒地專用改良劑為突破口，開展了培肥、實時田間水鹽調(diào)控、耐鹽堿植物品種配置和喬灌草有機結合等試驗研究，提出了鹽堿化、堿化、鹽化3種鹽堿荒地類型的恢復模式[22]。單奇華等為揭示濱海鹽堿地對生態(tài)改良的應激性變化規(guī)律，研究了濱海鹽堿地土壤質(zhì)量指標對生態(tài)改良的響應敏感性、響應過程和響應度[23]。2016年田長彥等針對新疆旱區(qū)灌排水鹽平衡模式與鹽堿地農(nóng)業(yè)開發(fā)利用模式存在的資源效率低、維持成本高等問題，通過機理研究、技術研發(fā)建立新疆干旱區(qū)現(xiàn)代水鹽平衡調(diào)控理論，創(chuàng)新干旱區(qū)鹽堿地生態(tài)治理模式，形成全產(chǎn)業(yè)鏈的鹽堿地生態(tài)治理技術服務體系[24]。

在土壤培肥與改良技術方面國內(nèi)學者主張 “淡化肥沃層”，在不減少土體鹽貯量的前提下，通過提高土壤肥力，以有機肥對土壤鹽分進行時、空、形的調(diào)控，在農(nóng)作物主要根層，建立良好的肥、水、鹽生態(tài)環(huán)境[25]。1984年陳恩鳳提出 “治水是基礎，培肥是根本”的觀點，通過培肥改土增加土壤有機質(zhì)含量[26]。1995年魏由慶通過黃淮海平原水鹽均衡的分析，提出加強利用有機肥來調(diào)控土壤水鹽[27]。2014年王斌等在新疆瑪納斯鹽堿地上依據(jù)鹽堿地土壤改良劑施用方法及原料組成，進行了土壤改良劑對土壤鹽分、pH值以及棉花產(chǎn)量的影響試驗。結果表明：滴施型土壤改良劑降低土壤鹽分、pH值以及提高棉花產(chǎn)量效果均極顯著優(yōu)于基施型土壤改良劑[28]。2015年李旭霖等在黃河入?？诟浇鼮I海重鹽堿地上研究不同改良劑的改良效果，選用禾康、磷石膏、微生物菌肥、土生、藥肥和有機肥進行試驗，選擇出適合于該區(qū)濱海重鹽堿地上的鹽堿改良劑[29]。

在工程技術措施方面，2001年王全九等根據(jù)膜下滴灌過程中土壤水鹽運移特征，研究與探索利用膜下滴灌技術開發(fā)利用鹽堿地的有關技術要素[30]。2009年宋紹憲等針對黃河三角洲重鹽堿地生態(tài)開發(fā)模式，對 “上農(nóng)下漁”和 “暗管排水”鹽堿地開發(fā)技術的環(huán)境價值和經(jīng)濟價值進行了評價，為濱海重鹽堿地的改良提供科學依據(jù)[31]。2012年于淑會等在對暗管排鹽治理技術國內(nèi)外研究成果分析基礎上，提出暗管排鹽技術應注重暗管埋設條件下的水鹽運移模型研究，應綜合研究排水制度與灌溉制度[32]。2014年楊樹昌等為了探索鹽堿地區(qū)玉米種植耕作方式，采取免耕 、深翻 +旋耕、深松+旋耕、旋耕4種耕作方式研究對土壤含水量、土壤緊實度和玉米產(chǎn)量的影響，證明深松 +旋耕方式的松土保墑和玉米增產(chǎn)效果最好[33]。2016年楊勁松等采用“基礎理論+核心技術 +新型裝備 +產(chǎn)業(yè)技術 +模式示范”一體化思路，揭示河套平原土地鹽堿化形成規(guī)律與鹽堿障礙生態(tài)消減機制，研發(fā)生物適應型與生態(tài)導向型鹽堿地治理修復技術，研制大型排鹽控鹽工程設備與復合型生態(tài)調(diào)理劑產(chǎn)品，創(chuàng)建鹽堿地綜合治理技術體系和特色生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式[34]。2016年賈蘇卿等通過對不同耕作模式下土壤中可溶性鹽分EC值的測定及其對春玉米株高、產(chǎn)量的影響，表明秋深松 +秋施肥 +秋旋耕 +中黑炭模式能夠有效降低土壤中可溶性鹽分含量[35]。

2 東北蘇打鹽堿地理化特征及主要成因

2.1 東北蘇打鹽堿地理化特征

東北蘇打鹽堿地有別于我國其它類型鹽堿地，地形平緩，水流緩慢，排水不暢，地下水礦化度高，使大量可溶性鹽分聚集于表層土壤中，是鹽分遷移富集區(qū)，具有土壤交換性鈉含量高、土壤板結粘重、滲透性極差、淋溶作用弱、理化性質(zhì)惡劣等特殊性，治理利用難度大，其它鹽堿地治理的成功技術與模式難以直接應用。

2.2 東北蘇打鹽堿地主要成因

2.2.1 水文因素引起蘇打的累積，從而形成不同類型的蘇打鹽漬土

蘇打鹽堿地的形成與地下水位的高低和礦化度的大小有關，地下水位愈高，蒸發(fā)愈強烈，土壤積鹽就愈重。隨著Ca(HCO3)2的固定，地下水中鹽分通過毛管水和膜狀水的移動到達地表引起蘇打的累積，從而形成不同類型的蘇打鹽漬土。另外，深層承壓水中含有大量蘇打，且在40～100cm土層中存在CaCO3不透水層，使得淋濾鹽堿的水不易下滲，同時，由于年降水量遠遠小于年蒸發(fā)量，在強烈的蒸發(fā)作用下，地下水便借助土壤毛管作用上升，攜帶可溶性鹽分向地表遷移并蓄積，使得地表土壤逐漸堿化。

2.2.2 地質(zhì)地形因素為形成蘇打鹽漬土提供了給源

元素遷移的地球化學過程，是引起東北地區(qū)蘇打鹽堿聚積的重要來源，該地區(qū)土壤中鈉與鉀主要以鋁硅酸鹽形式存在，在風化過程中，形成了含鈉、鉀、鈣、鎂的重碳酸鹽類，經(jīng)雨水溶解后，隨地表和地下水徑流運動，匯集到平原與河谷等低洼積水地區(qū)，再經(jīng)蒸發(fā)轉化為碳酸鹽而沉淀，而含鉀離子和鈉離子的重碳酸鹽及含氯、硫的化合物則呈易溶性鹽被淋洗遷移于低地，為形成蘇打鹽漬土提供了給源。

2.3 東北蘇打鹽堿地治理與利用現(xiàn)狀

2012年安豐華等對吉林省西部蘇打鹽堿土堿化程度較高、土壤含鹽量較高、土壤滲透性較弱等問題，研究了暗管不同深度、間距及不同深松深度對蘇打堿土物理性質(zhì)、化學性質(zhì)及水稻生長狀況及產(chǎn)量的影響，以及暗管改堿技術對暗管水量和水質(zhì)、地下水水位和水質(zhì)的影響[36]。2014年王軍等在白城市鎮(zhèn)賚縣研究松嫩平原西部土地整理對鹽漬化土壤的改良效果，對原耕地、鹽堿地和新增耕地土壤電導率、陰陽離子總量、堿化度、pH值、有機質(zhì)以及陽離子交換量等指標的差異進行研究與分析，提出在土地整理中通過完善灌溉與排水系統(tǒng)、將土地平整工程與深耕深松和增施有機肥相結合及采用生物措施等提升鹽漬化土壤的改良方法[37]。2016年楊帆等針對東北土壤鹽堿導致的生態(tài)環(huán)境惡化、限制區(qū)域生態(tài)恢復和經(jīng)濟發(fā)展的問題，研究東北蘇打鹽堿地形成機理及障礙消減機制，研發(fā)適用于蘇打鹽堿地治理的微生物、植物種植與修復關鍵技術，研制鹽堿地治理工程裝備，建立蘇打鹽堿地綜合治理模式[38]。2017年王景立等結合CAS相關理論進行鹽堿地機械化深松作業(yè)改良的分析，設計了適合鹽堿地改良的相關機具，并考慮配合化學改良劑的施撒與深松設備的配套使用，增大土壤孔隙度，阻止土壤返鹽，為鹽堿地改良提供了相關技術與裝備[39]。

3 結論與展望

基于上述研究成果與東北蘇打鹽堿地生態(tài)特征，本文結論如下。

國內(nèi)外學者在鹽堿地整治技術與裝備研究方面，重理論技術研究，而輕裝備研究，且改良技術單一，綜合運用多項技術措施很少。在理論與技術研究方面探索與形成了鹽堿地成因、水鹽運移規(guī)律及脆弱生態(tài)修復機理等，針對不同鹽堿地類型研制與篩選出了相應的改良劑，在農(nóng)藝技術方面培育與篩選了一些耐鹽堿植物。在工程方面方面主要包括整平土地、建立完善的排灌系統(tǒng)、深翻改土、換土、淋洗、淤積等措施。在耕作方面采取深耕細耙、增施綠肥和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)等措施。

單一的治理技術措施，對東北蘇打鹽堿地整治效果差、效率低、投資高，應綜合運用工程手段、化學手段與生物手段，將化學良劑的施用、作物秸稈根茬培肥與土壤耕作裝備相結合。

注重工程裝備的研制，研制適于東北蘇打鹽堿地生態(tài)整治系列工程裝備，如深松與改良劑噴施復式作業(yè)機、秸稈亞表層翻埋復式作業(yè)機、組合非驅(qū)動水稻秸稈壓埋復式作業(yè)機等，為鹽堿地生態(tài)治理提供工程技術與裝備。