淹水在蘇打鹽堿土形成過程中的作用
——蘇打鹽堿土形成原因的探討

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(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130102；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國科學院 大安堿地生態(tài)試驗站，吉林 大安 131317)

0 引 言

鹽堿化是一種漸進的環(huán)境災害，由于自然以及人為因素的干擾，土壤中富集的鹽堿等有害離子不斷通過蒸發(fā)等途徑集聚在地表，抑制了植物(作物)的生長發(fā)育，嚴重危害了土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[1]。我國鹽堿土面積廣大，主要分布于東北、西北內(nèi)陸、黃河中上游河套平原、黃淮海平原以及濱海地區(qū)，總面積約為9 910萬hm2[2]。其中東北松嫩平原西部是蘇打鹽堿土在我國的集中分布區(qū)[3]，面積達342萬hm2，占該區(qū)土地總面積的15.2%，且仍以每年1.4%的速度擴展[4-5]。土壤蘇打鹽堿化的不斷加劇，不僅危害耕地質(zhì)量，而且嚴重影響國家糧食安全和區(qū)域生態(tài)環(huán)境。數(shù)據(jù)資料顯示，1954-2000年間，松嫩平原西部的草地面積縮減了約64%，退化的草地主要變成了鹽堿荒地[6]。因此，蘇打鹽堿地治理已成為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的當務之急。

松嫩平原西部的蘇打鹽堿土主要鹽分為Na2CO3和NaHCO3[7]，與濱?；騼?nèi)陸以NaCl和Na2SO4鹽分為主的鹽堿土在土壤障礙方面有所不同，主要表現(xiàn)為土壤pH高，堿性強，物理結(jié)構(gòu)惡化，滲透性極差。有研究表明，堿性鹽對于植物種子萌發(fā)以及根系生長的抑制作用顯著大于中性鹽[8]，同時由于鈉質(zhì)土顆粒細小，質(zhì)地致密，透水性極差(土壤飽和導水率低至0.05 mm·d-1)[9]，導致很難通過灌溉洗鹽實現(xiàn)改良的目的。與大多數(shù)鹽堿土相比，蘇打鹽堿土形成原因更為復雜，治理難度更大，只有準確找到其主導障礙因素形成原因，才能對癥下藥，實現(xiàn)有效的改良與利用。本文基于有關(guān)蘇打鹽堿土成因方面的文獻，并結(jié)合作者多年實際研究工作的經(jīng)驗，從蘇打鹽堿土表觀格局、物理和化學特征等方面對其形成原因系統(tǒng)地梳理與總結(jié)，以期為蘇打鹽堿土的有效治理和科學利用提供有益指導與借鑒。

1 蘇打鹽堿土成因的主要觀點

1.1 特殊地形地勢是蘇打鹽堿土形成的前提

東北松嫩平原的地形特點是，西、北 、東三面被大小興安嶺和長白山脈環(huán)繞，南部隆起[10]，這一特殊的地形構(gòu)造使松嫩平原整體四周地勢高，中部形成大面積凹陷區(qū)，地勢低洼，排水不暢，平原內(nèi)泡沼遍布[11-12]。林年豐等人研究認為這一特殊地貌主要是由于新構(gòu)造運動所造成的，更新世時期地殼反復多次的沉降抬升運動，使松嫩平原中部形成中央凹陷區(qū)，進而形成中央大湖，隨著地質(zhì)運動的發(fā)展，由于不規(guī)則的地殼隆起和沉降，中央大湖破碎消失，該區(qū)域最終形成大大小小若干不同的沉降區(qū)[13]，之后發(fā)展成為眾多的湖泊和沼澤，為蘇打鹽堿土的形成創(chuàng)造了地質(zhì)基礎(chǔ)。同時有研究表明，松嫩平原蘇打鹽堿土的鹽分主要集中在地殼運動時期形成的沉降區(qū)內(nèi)，該區(qū)域也是現(xiàn)代蘇打鹽堿土的重災區(qū)[14]，這也從側(cè)面反映出，特殊的地質(zhì)構(gòu)造為蘇打鹽堿土的形成提供了重要條件。

1.2 富鈉礦物為蘇打鹽堿土形成提供了母質(zhì)來源

松嫩平原周圍山地的成土母質(zhì)多為玄武巖和花崗巖風化物[15]，以富鈉的硅鋁酸鹽礦物為主要成分[16]，蒙脫石占很大比例[17]，堿性大，遇水易膨脹分散。裘善文等人研究指出土壤母質(zhì)中的NaAlO2、Na2SiO3和NaHSiO3等化合物經(jīng)過了若干年代的風化搬運、沖刷淋洗，在平原和低洼地區(qū)中沉積下來，在比較穩(wěn)定的靜水環(huán)境條件下形成深厚的河湖淤(沖)積物[18-20]。在低洼淹水盆地，水解和酸蝕作用使得巖石礦物進一步溶解，釋放出大量游離Na+[21]，由于淹水造成強烈的土壤還原作用，最終形成以NaHCO3和Na2CO3為主要成分的蘇打鹽堿土[22]。因此，富含Na+的土壤母質(zhì)為松嫩平原蘇打鹽堿土的形成提供了物質(zhì)來源。

1.3 水文特征為蘇打鹽堿土形成創(chuàng)造了重要動力

1.4 干旱氣候拉動鹽分表聚加速了土壤蘇打鹽堿化的形成

松嫩平原屬溫帶季風性氣候向溫帶大陸性氣候過渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)常年平均降水量在400 mm左右[28]，且季節(jié)性極強，主要降雨集中在夏季，降雨時經(jīng)常發(fā)生內(nèi)澇，造成水多流不出去[29]。這些聚集在低洼處的水分常年靠蒸發(fā)減少，年蒸發(fā)量達 1 700～1 800 mm，是降水量的4～5倍[28]，巨大的蒸發(fā)拉力又使得松嫩平原低洼淹水區(qū)域的土壤中鹽分隨水分上行集聚在地表[30]。同時松嫩平原冬季寒冷漫長，凍融作用對土壤中鹽分遷移也有重要的推動作用。松嫩平原冬季土壤凍結(jié)期較長，凍結(jié)時間長達5個月[31]，凍結(jié)期內(nèi)土壤鹽分從未凍結(jié)區(qū)遷移到凍結(jié)區(qū)[1]，鹽分隨地下水垂直向上遷移[32]，導致融化時鹽分進一步集聚在地表[31]，加劇了表層土壤的鹽堿化程度，這種現(xiàn)象以低洼區(qū)域更為顯著[32]。

1.5 生物活動加劇了土壤蘇打鹽堿化過程

生物活動，如動物采食、踐踏，特別是人類過度放牧、盲目墾荒以及挖土采藥等[20]，嚴重破壞了地表植被，使原本宜牧的草地蓄水能力減弱[5,33]，蒸發(fā)加劇[34]，鹽分隨地下水位不斷上升，在地表集聚[35]，堿斑也隨之出現(xiàn)，最終造成土壤蘇打鹽堿化程度越來越高。另一方面，由于植物對鹽堿的適應性不同，許多植物不斷退化導致地表裸露，也加劇了土壤鹽堿化程度。

表1 各種成土因素在蘇打鹽堿土形成中的作用Table 1 Effects of soil forming factors on saline-sodic soils formation

2 淹水對蘇打鹽堿土的影響

在蘇打鹽堿土形成的漫長歷史過程中，水分運動對土壤鹽分的形成、聚集以及分布起到了至關(guān)重要的作用，人們在長期的生產(chǎn)實踐中也總結(jié)出了“鹽隨水來，鹽隨水走”這一客觀規(guī)律。然而現(xiàn)實卻是在水分往復的來去運動中，土壤鹽分越聚越多。究其原因，主要是水分運動方向發(fā)生了變化，造成土壤不同程度或不同周期性的淹水，從而將水分運動方向由水平運動改為上行運動為主，造成了“鹽隨水來，水走鹽存”的局面。從目前蘇打鹽堿土地表景觀格局、土壤物理特征以及土壤的化學性質(zhì)等方面，都充分證實了土壤淹水是蘇打鹽堿化加劇的重要原因。

2.1 地表景觀

松嫩平原西部的蘇打鹽堿土多呈碟形斑塊狀分布，從衛(wèi)星遙感圖像上清晰可見(詳細參見百度網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星地圖)，這正與湖泊和泡沼的分布位置相吻合。在一定空間內(nèi)，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的耐鹽堿植物經(jīng)常呈現(xiàn)出環(huán)狀的鑲嵌式分布，在平原地勢略高處分布著羊草、蘆葦?shù)戎械饶望}堿植物，相對于這些植物群落的略低處，則出現(xiàn)了虎尾草、堿茅及堿蓬等強耐鹽堿植物，并且這些植物群落經(jīng)常呈河流狀分布。這種地表景觀格局充分印證了由于湖泊泡沼等地區(qū)長期處于淹水狀態(tài)，這些地表水分無法水平流動，只有在干旱季節(jié)通過強烈的地表蒸發(fā)作用散失掉，在水分蒸發(fā)過程中，水中的鹽分卻殘留到土壤中?？梢?，土壤周期性或不規(guī)律的淹水加劇了區(qū)域內(nèi)土壤的蘇打鹽堿化。

國內(nèi)早期大量研究也指出，松嫩平原西部過去呈現(xiàn)濕地景觀，湖泊多為咸水湖，且呈封閉、半封閉的淹水狀態(tài)，周圍鹽堿土以湖泊為中心，呈同心圓狀分布并逐漸向外擴張[13]。后來隨著區(qū)域內(nèi)氣候發(fā)生變化，地表景觀逐漸由濕地景觀向鹽堿草甸乃至荒漠演變。區(qū)域內(nèi)原來連在一起的水體慢慢分離成數(shù)量眾多的面積大小不等的碟狀洼地，土壤鹽分也多在這些區(qū)域集聚。楊雅杰等人研究表明，碟形洼地鹽堿集聚，導致代換性鈉比微高地多出7倍左右[37]，這些研究發(fā)現(xiàn)都從地表景觀方面證明了淹水在蘇打鹽堿土的形成過程中發(fā)揮了重要作用。

2.2 土壤物理性質(zhì)

蘇打鹽堿土的土壤質(zhì)地黏重，易板結(jié)，透水性很弱[38]，不利于植物生長。有研究指出蘇打鹽堿土的飽和導水率低至0.05 mm·d-1[9]，土壤容重高達1.6～1.7 g·cm-3，結(jié)構(gòu)系數(shù)小于4.45%[39]。蘇打鹽堿土較差的土壤物理性質(zhì)可能是由于長期淹水，導致大量Na+解吸，土粒之間相互排斥，使土壤膠體高度分散，從而破壞了土壤的結(jié)構(gòu)造成的[40-41]。另一方面，由于松嫩平原土壤母質(zhì)多為伊利石、鈉蒙脫石，膨脹性強，濕時膨脹，干時收縮[42]。淹水造成的水分過飽和環(huán)境易使黏土膨脹分散，導致空氣和水的滲透性變低[43]， 造成土壤透水通氣性差[44]，最終導致了蘇打鹽堿土緊實黏重的土壤物理性質(zhì)。因此，淹水對蘇打鹽堿土物理性質(zhì)的演變方面也起著至關(guān)重要的作用。

2.3 土壤化學反應

CO2+H2O=H2CO3，

3 蘇打鹽堿地治理對策與途徑

蘇打鹽堿土雖是一種逆境土壤環(huán)境，但同時也是一種重要的土地資源，其開發(fā)潛力和發(fā)展前景廣闊。只有針對蘇打鹽堿土形成的特殊條件采取科學合理的治理對策，因地制宜，才能取得預期的效果。

3.1 蘇打鹽堿地治理首先必須讓水動起來，建立完善的水利工程

遵循土壤水鹽運動原理，蘇打鹽堿地治理首先必須讓水流動起來，真正實現(xiàn)“鹽隨水走”。長期以來，造成“鹽隨水來，水走鹽存”現(xiàn)象的主要原因是水分沒有真正流動起來，周期性或不規(guī)律淹水現(xiàn)象廣泛存在，加劇了區(qū)域內(nèi)水分運動主要以上行為主，造成土壤鹽分表聚現(xiàn)象尤為突出。因此，蘇打鹽堿地治理，水利設(shè)施建設(shè)至關(guān)重要。吉林省目前廣泛推行的西部“河湖連通”工程正是本著這一宗旨，既實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟和生態(tài)補水，同時又能連動現(xiàn)有水體，使其流動起來，土壤鹽分才能真正隨水洗掉。

同時，完善的水利工程不僅包含大型引水干渠，還應建立眾多支渠、毛渠，特別是要有對應的排水渠道，只有建立起四通八達的水網(wǎng)工程，才能真正讓區(qū)域內(nèi)的水流動起來，發(fā)揮洗鹽排堿的作用。蘇打鹽堿地水利工程就像人體的血管一樣，只有動脈、靜脈乃至毛細血管全部通暢，血流才能順暢，任何一個地方不通都會發(fā)生栓塞，都達不到以水治理鹽堿的目的。

3.2 蘇打鹽堿地以稻治堿切忌只灌不排，排水的洗鹽作用重于灌水

目前吉林省西部土地整理工程實施近10年，三大引水工程已全部貫通，以稻治堿所需要的水這一必要條件已完全具備，但是鹽堿地種稻效果卻不理想。究其原因，是只注重了灌水，而沒有重視排水問題。許多鹽堿地改成稻田后，稻農(nóng)只灌不排或多灌少排，一是沒有完善的排水設(shè)施，二是排水費工費時。而沒有排水的鹽堿地稻田何談排鹽？沒有排水的稻田就是一種土壤周期性淹水。有研究表明，現(xiàn)行鹽堿地種稻，在不排水或少排水情況下，一個生長季過后，田塊尺度鹽分不是減少，而是增加的[50]。也有研究發(fā)現(xiàn)谷物的產(chǎn)量與土壤pH、EC、ESP以及容重呈顯著的負相關(guān)關(guān)系[51]，而淹水又是造成土壤鹽堿化加劇的一個重要原因，不及時排水將不同程度地對蘇打鹽堿區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定的損失[52-53]。因此，土地整理工程只有引水是不完善的，還應修建相應的排水設(shè)施，防止稻田長期處于淹水狀態(tài)，積水必須及時排出才能加快排鹽的過程[54]，這也是蘇打鹽堿地種稻最終取得成功的關(guān)鍵。

3.3 蘇打鹽堿地治水措施要得當，農(nóng)業(yè)綜合治理措施要配套

淹水對土壤蘇打鹽堿化程度具有重要影響，因此，治水是蘇打鹽堿地治理的前提。印度在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中得出經(jīng)驗，地下排水是對抗淹水和鹽化的有效方法，利用地下排水對抗淹水和土壤鹽漬化，排水后作物產(chǎn)量明顯增加[55]。澳大利亞南部治堿工程表明，對于鹽分的管理，比如興修水利、減少洪澇，可以顯著提高生產(chǎn)力，顯著提高鹽漬區(qū)的經(jīng)濟效益[56]。首創(chuàng)于英國的暗管排鹽技術(shù)，被美國、荷蘭等廣泛運用，發(fā)展至今，暗管排鹽也擁有了排水排鹽的雙重功能[57-58]；原蘇聯(lián)的豎井排鹽、中國的治澇工程等，都說明鹽堿地的治理必須先排水，即從根本上解決掉土壤淹水的問題。但是蘇打鹽堿地排水應該采取哪種方式呢？實踐證明，豎井排鹽和暗管排鹽在蘇打鹽堿土上都是不可行的，原因是這一地區(qū)地下水埋深非常淺，土壤質(zhì)地黏重、顆粒細小、滲透性極差。因此，松嫩平原西部的蘇打鹽堿地治理必須尋找適合的排水方式，不能照搬照用。

同時，要建立完善的農(nóng)業(yè)配套措施。首先，平整的土地是水稻高產(chǎn)的重要保證[59]，低洼地區(qū)極易積水[60]，形成淹水環(huán)境，也是健康土壤轉(zhuǎn)變?yōu)樘K打鹽堿土的常發(fā)區(qū)域。因此及時平整土地，減少洼地的數(shù)量[61]，避免淹水條件的出現(xiàn)也是蘇打鹽堿土治理和開發(fā)利用的一個重要手段。研究表明，在平整土地的同時配以“客砂換土”等土壤改良措施，改堿與改土相結(jié)合，是改善蘇打鹽堿土的有效方法[62]。淹水造成蘇打鹽堿土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)差，下滲能力弱，從而造成土壤板結(jié)，不利于植物根系穿插，影響作物生長[63]。因此，及時進行翻耕或采用振動深松等技術(shù)[64]，不僅可以一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，重新構(gòu)建土壤團粒結(jié)構(gòu)，而且能夠提高土壤的透水通氣性[65]，增加土壤水分和空氣含量，為作物生長提供良好的條件。翻耕深松使原本緊實黏重的蘇打鹽堿土結(jié)構(gòu)得到改善，增加了土壤的滲透性，促進鹽分隨水向下層運移[66]。研究結(jié)果表明，深松后土壤的入滲能力提高了10～100倍[67]，這就使得土壤中鹽分的淋洗效率也大大提高，達到更好的脫鹽效果。另一方面，深松切斷土壤毛細管，也就在一定程度上切斷了鹽分向上運移的途徑，減輕了鹽分表聚的壓力[65]。但是由于土壤鹽堿含量有隨土壤深度增加的趨勢，因此，翻耕過深也容易造成土壤表層鹽堿加重，不利于作物種植[68]。