種植耐鹽水稻鹽堿地改良過程中的鹽度變化趨勢研究

程知言胡建 葛云魏文杰陳澎軍韓繼軍

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210000）

0 引言

據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積約為954 萬km2，我國約為100萬km2（楊勁松，2008；李彬等，2005），其中各類可利用鹽堿地資源37 萬km2，具有農(nóng)業(yè)利用前景的約12萬km2（趙其國等，2020）。這些鹽堿地形成主要受地形地貌、水文地質(zhì)條件和氣候等多種因素影響，大致可劃分為濱海鹽堿地、黃淮海平原鹽堿地、荒漠鹽堿地和草原鹽堿地等。其中，濱海鹽堿灘涂在我國沿海地區(qū)廣泛分布，總面積達(dá)數(shù)百萬公頃（洪立洲等，2015），除海平面自然淤長形成外，這些灘涂鹽堿地大部分由人類圍墾產(chǎn)生（Yu and Chen，1999）。由于濱海地區(qū)降雨時空分布不均，水資源調(diào)蓄空間小，地下水埋深淺、礦化度高以及人類活動等因素制約，現(xiàn)有濱海鹽堿地土壤鹽堿化危害嚴(yán)重，旱季返鹽強烈，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

多年來，諸多專家、學(xué)者對濱海鹽堿地改良與利用開展了多方面的研究，形成了物理方法改良、化學(xué)措施改良、生物種植改良以及農(nóng)藝管理措施等多種方法疊加集成的綜合改良技術(shù)體系，在抑制地表水分蒸發(fā)、防止土壤表面積鹽，隔絕表層與深層土壤水鹽交換，改善土壤理化性質(zhì)，形成團粒結(jié)構(gòu)，增加有機質(zhì)和土壤微生物等方面取得了較好成績，進(jìn)而徹底改善周邊的生態(tài)環(huán)境（陳恩鳳，1965；全達(dá)人等，1995；張建峰等，2002；樊潤威和崔志祥，1996；李建法和宋湛謙，2003；郝秀珍和周東美，2003；胡一等，2015）。

生物種植改良鹽堿地方面，諸如堿蓬、田菁、檉柳、中山杉、甜高粱、大豆、大麥、耐鹽水稻、黑麥草、狗牙根等能耐一定程度鹽分的樹種和禾草（綠肥）植物應(yīng)用較為廣泛。其中，耐鹽水稻種植改良鹽堿地已經(jīng)成為長期實踐總結(jié)出來的較為成熟的技術(shù)方案之一（Fernando，1949；Ghose and Butany，1959；Akbar et al.，1972；Fageris and Barbosa，1981；Bernstein and Hayward，1958；Moeljopawiro and Ikehashi，1981；Fageris，1985；Heenan et al.，1988；陸連江等，1990；趙記伍等，2018），然而，眾多專家和學(xué)者研究耐鹽水稻，更多得是從“耐鹽基因/ QTL 定位與克隆”“鑒定、評價體系和標(biāo)準(zhǔn)”“種質(zhì)資源庫建設(shè)、基因挖掘與新品種選育”等領(lǐng)域展開，即便是涉及到鹽堿地改良，也往往是從“配套栽培技術(shù)”“鹽堿地改良綜合配套技術(shù)”等方面提出，簡而言之，目前耐鹽水稻的研究方向主要側(cè)重于“培育出適合我國沿海灘涂種植的耐鹽優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻新品種，解決國家糧食安全重大戰(zhàn)略問題”這一主線，對如何利用耐鹽水稻生態(tài)快速改良鹽堿地的技術(shù)方法和機理研究較少。

2017 年始，江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在南通濱海鹽堿地開展了利用耐鹽水稻種植改良鹽堿地的科學(xué)實驗（魏文杰等，2019），嘗試探索了包括“鹽稻10”“鹽稻12”“揚農(nóng)1 號”以及“湘兩優(yōu)900”等逾60 個耐鹽水稻品種在種植后鹽堿地土壤理化性狀的改變，結(jié)果顯示多數(shù)地塊實現(xiàn)快速脫鹽熟化，當(dāng)年即通過江蘇省補充耕地標(biāo)準(zhǔn)的驗收。同時，部分水稻品種，如“鹽稻10”和“鹽稻12”還分別取得了畝產(chǎn)508.2 kg 以及600.3 kg 的好成績①南通市通州灣示范區(qū)耐鹽水稻種植改良鹽堿地項目示范方測產(chǎn)驗收報告，2018，江蘇省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣協(xié)會.。此外，袁隆平院士技術(shù)團隊最新培育的“海水稻”實地測產(chǎn)結(jié)果，畝產(chǎn)也多在500kg 以上。也就是說，在濱海灘涂地區(qū)種植耐鹽水稻既是鹽堿地改良修復(fù)、恢復(fù)濱海岸線生態(tài)環(huán)境的重要方法之一，同時也可為我國糧食提供大規(guī)模潛在生產(chǎn)基地，成為國家糧食增產(chǎn)增收的堅強保障。

因此，本文擬以南通通州灣耐鹽水稻種植改良鹽堿地示范區(qū)為研究對象，通過長期采集并分析土壤的鹽度監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討改良過程中存在的自然條件和人類活動的限制性因素，進(jìn)而為后期耐鹽水稻種植改良鹽堿地技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用提供參考。

1 地理環(huán)境與地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南黃海輻射沙脊群南翼，南通通州灣江海聯(lián)動開發(fā)示范區(qū)北側(cè)（圖1），北部緊鄰如泰運河，由于高涂養(yǎng)殖廢水不定期排放，該河流僅有開閘放水時可提供部分淡水（微咸水）資源。地區(qū)年降雨量977～1258 mm，且雨熱同季，汛期（6—9 月）雨量相對集中，全區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)，平均風(fēng)速3.5 m/s。研究區(qū)周邊以水稻、小麥和玉米種植為主，往往實行一年兩季套種。

從土壤理化性質(zhì)來看，研究區(qū)土壤經(jīng)后期人工吹沙填海形成，成熟時間短，受區(qū)域潛水及海水浸漬影響鹽漬化嚴(yán)重。土壤質(zhì)地介于砂質(zhì)壤土-壤土-粉砂質(zhì)壤土之間，孔隙度和團粒結(jié)構(gòu)較差，容重均值為1.48 g/cm2，表層土壤pH 值介于8.06～8.57，平均值為8.32。表層土壤含鹽量在4.07‰～23.25‰，平均值為8.54‰，以Cl-和K+、Na+占主導(dǎo)，屬典型濱海氯鹽堿土，且為中-重度鹽土級別。研究區(qū)土壤改良前有機質(zhì)含量最高僅為1‰，總氮和有效磷也屬于嚴(yán)重不足和略貧范圍，速效鉀含量偏高，主要受主導(dǎo)易溶鹽離子K+影響，整體來看，養(yǎng)分較為貧瘠。

2 土壤鹽度快速檢測方法

在獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)方面，專業(yè)實驗室檢測方法能夠全面、精確地獲得土壤含鹽量、養(yǎng)分、質(zhì)地等多種信息，但缺點是檢測速度較慢，無法快速指導(dǎo)現(xiàn)場工作開展，在春季插秧、水稻分蘗等關(guān)鍵時期，尤其需要快速檢測結(jié)果以指導(dǎo)現(xiàn)場工作。因此，在實際工作中，常使用即插式土壤電導(dǎo)率檢測儀器獲得土壤電導(dǎo)率信息，按照一定的換算公式間接獲得鹽度數(shù)據(jù)（張瑜斌等，2003）。

然而，由于土壤中含鹽量的不均質(zhì)性以及地形條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致常規(guī)即插式土壤電導(dǎo)率檢測儀在多數(shù)情況下無法獲得穩(wěn)定且可靠的鹽度數(shù)據(jù)。本次研究，通過大量對比實驗，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液鹽度與溫度和電導(dǎo)率能夠呈現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系（表1，圖2）。基于此，可通過建立一種恒溫條件下（25℃）采用電導(dǎo)率儀測試土壤中浸提液的檢測方法來快速獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用中，這種方法可實現(xiàn)當(dāng)日采樣，次日即獲檢測數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)與專業(yè)實驗室檢測數(shù)據(jù)對比誤差可控制在10%范圍以內(nèi)。

主要測試方法如下：

（1）現(xiàn)場取樣1000 g 左右，可為略潮濕樣品，不能有明顯水跡，去除其中的雜草、小石頭等雜質(zhì)；

圖1 研究區(qū)交通位置示意圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)溶液電導(dǎo)率與鹽度、溫度關(guān)系圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)溶液電導(dǎo)率測試記錄

（2）將樣品放于45℃以下的烘箱中烘干、粉碎、去雜、過篩（20 目）、混勻；

（3）用電子天平稱量40 g 樣品，放入燒杯中。量筒量取200 mL 去離子水，倒入已放入土樣的燒杯中（土水比為1 ∶5），用玻璃棒攪拌至土壤中鹽分充分溶解；

（4）將燒杯置入25℃的水浴鍋中，靜置，待水澄清；

（5）用電導(dǎo)率儀測定上清液電導(dǎo)率，記錄電導(dǎo)率數(shù)據(jù)；

（6）按照25℃溫度條件下，電導(dǎo)率與鹽度相關(guān)關(guān)系式（1）獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)。

式（1）：YNaCl=-0.0001XEc3+0.0066XEc2+0.4966XEc+0.0026，R2=1

其中，YNaCl為土壤浸提液鹽度，XEc土壤電導(dǎo)率。

3 土壤水鹽監(jiān)測結(jié)果分析

研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域降雨量、蒸發(fā)量和潛水水位對濱海鹽堿地土壤鹽分自生演化影響強烈。根據(jù)單因素方法分析結(jié)果，降雨量、蒸發(fā)量和潛水水位均對表層土壤鹽度有較為顯著影響，水鹽運移模型預(yù)測也表現(xiàn)出類似的結(jié)論（解雪峰等，2016；樓錦花等，2017）。因此，快速改良濱海鹽堿地需要考慮2 個關(guān)鍵因素：（1）洗鹽排鹽，降低土壤鹽分存量；（2）改善土壤性質(zhì)，抑制返鹽，控制土壤鹽分增量。以往旱作鹽堿地改良也往往圍繞降鹽和抑鹽這兩種主要因素開展，通過降低地下水位、形成土壤團粒結(jié)構(gòu)、控制蒸發(fā)以減少鹽分上行表聚等技術(shù)措施開展工作，采取的主要措施包括明溝、暗管、豎井以控制地下水位、（深耕）漫灌+旋耕洗鹽以快速脫鹽、添施土壤調(diào)理或改良劑及有機肥等功能性材料以改善土壤理化性質(zhì)、秸稈覆蓋及還田以控制地表蒸發(fā)（鄧玲等，2017；鄧玲等，2017；葛云等，2018；魏文杰等，2018）。

大量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在種植耐鹽水稻的過程中，其特有的農(nóng)藝措施及其組合，比如，深耕翻松土壤后利用淡水（或微咸水）漫灌及帶水旋耕洗鹽、應(yīng)用土壤改良劑及土壤理化性質(zhì)調(diào)理劑改善土壤結(jié)構(gòu)以提升土壤質(zhì)量、種植水稻過程的不同階段施加有機肥和基肥以滿足水稻生長過程所需養(yǎng)分等（魏文杰等，2019），同樣可以使土壤達(dá)到土壤降鹽和抑鹽目的，且效果相比其他改良方式更優(yōu)（圖3），降鹽控鹽的持續(xù)性也更佳。

3.1 耐鹽水稻種植對不同土層土壤含水量的影響

從表2 和圖4 可以看出，耐鹽水稻種植過程中，0～20 cm 土層土壤含水量整體在30%以上，土壤含水量處于過飽和狀態(tài)，9 月6 日土壤含水量降低，主要為取樣前曬田3 d，表層土壤水分蒸發(fā)引起土壤含水量顯著降低。40～60 cm 土層含水量基本穩(wěn)定，且該層土壤含水量最低，可能該層土壤介于地表水與潛水影響之間，0～40 cm 土層含水量主要受地表水影響，60～80 cm 土層含水量主要受地下水影響，含水量較高。

3.2 耐鹽水稻種植對不同土層土壤鹽度的影響

從表3 及圖5 可以看出，耐鹽水稻種植過程中，0～20 cm 土層土壤鹽度多在2‰以下，且整體穩(wěn)定略呈下降趨勢，說明耐鹽水稻種植對抑制表層土壤返鹽及降低鹽度具有良好作用。20～40 cm 土壤鹽度波動較大，可能與不同農(nóng)藝措施下的土壤鹽分離子遷移有關(guān)。

圖3 耐鹽水稻種植改良過程土壤鹽分演變趨勢

表2 不同土層土壤含水量變化

圖4 不同土層土壤含水量變化圖

表3 不同土層土壤鹽度變化

圖5 不同土層土壤含鹽量變化圖

根據(jù)不同土層含水量及鹽度數(shù)據(jù)，表明耐鹽水稻種植主要對0～40 cm 土層土壤鹽度影響較大，40～60 cm 土層波動較小，而深部60～100 cm 土層鹽度變化可能受淺層地下水變化制約。

3.3 耐鹽水稻種植過程中表層土壤含鹽量受降雨和蒸發(fā)的影響

由于江蘇沿海地區(qū)雨熱同季、年度降水分布不均，自然灘涂主要形成了夏季脫鹽和春秋兩季積鹽的季節(jié)性水鹽動態(tài)變化特征以及雨季澇害所致階段性返鹽現(xiàn)象。葛云等（2018）在對比不同秸稈利用方式下江蘇濱海鹽堿地鹽堿障礙調(diào)控研究中發(fā)現(xiàn)，短時大量降水抬升地下水位以及無覆蓋地表強蒸發(fā)是導(dǎo)致地表土壤迅速積鹽的主要因素。然而，從圖6 可以看出，耐鹽水稻種植全周期，土壤含鹽量穩(wěn)定在3‰以下波動，且更多受水稻生長的不同階段影響（圖3），與大氣降水和地表蒸發(fā)關(guān)聯(lián)不大。由此可見，耐鹽水稻種植改良鹽堿地過程中，人類活動干預(yù)因素要強于自然條件因素。

3.4 水旱輪作對表層土壤含鹽量的影響

以近14 個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，洗鹽前（2019 年3 月—2019 年5 月）研究區(qū)全區(qū)鹽度相對較高，超過3‰鹽度的區(qū)域個數(shù)占整個研究區(qū)的50%以上，最高達(dá)8.32‰，達(dá)重鹽土程度，水旱輪作區(qū)鹽度平均值較旱作區(qū)更大。

圖6 耐鹽水稻種植改良過程土壤鹽分與降雨量和蒸發(fā)量關(guān)系圖

圖7 水旱輪作與旱作改良鹽堿地表層土壤鹽度變化趨勢圖

洗鹽后作物生長階段（2019 年7 月—2019 年10 月）全區(qū)水旱輪作條田鹽度整體降低，旱地含鹽量平均值顯著大于水旱輪作區(qū)。

旱作輪種階段（2019 年11 月—2020 年6 月）全區(qū)鹽度不同程度抬升，旱作區(qū)鹽度波動劇烈，相比之下，水旱輪作區(qū)則相對穩(wěn)定（圖7）。

第二年水稻種植階段（2020 年6 月起）全區(qū)鹽度繼續(xù)呈降低趨勢，至2020 年7 月下旬全區(qū)鹽度降至3‰以下之后便一直維持在3‰以下。

綜上所述，耐鹽水稻種植改良鹽堿地較傳統(tǒng)旱作改良更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）恒溫條件下（25℃）采用電導(dǎo)率儀測試土壤中浸提液的檢測方法來快速獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)，為鹽堿地改良過程中的精準(zhǔn)人工干預(yù)提供了可能。

（2）種植耐鹽水稻對濱海鹽堿地改良具有良好作用，可有效控制耕作層（0～20 cm）土壤鹽度維持在較低的水平且保持穩(wěn)定，有利于作物生長，進(jìn)而形成良性的生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)土壤熟化。

（3）在耐鹽水稻種植過程中，60 cm 深度以下土層受地表水影響較小，因此，前期洗鹽可深耕至地下40 cm 處，能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，降低潛在鹽害，促進(jìn)水稻生長。

（4）通過種植耐鹽水稻改良鹽堿地，受地理氣候等自然因素制約較小，改良效果較傳統(tǒng)旱作改良更優(yōu)，在配合土壤改良劑或理化性質(zhì)調(diào)理劑使用的前提下，可推薦在有淡水（或微咸水）資源的鹽堿地大范圍推廣應(yīng)用。