吉林西部含氟鹽堿地改良研究現(xiàn)狀

林英姿 劉莞青 王高琪 楊昊 張代華

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118)

引言

土地是人類賴以生存的基本資源，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。尤其對于一個擁有14億人口的大國，人均土地資源明顯低于世界的平均水平[1]。在面臨土壤質(zhì)量退化、荒漠化、耕地減少的情況下，保護和合理開發(fā)土地資源顯然是一項迫在眉睫的重要任務(wù)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，全世界鹽堿地的面積為9.5438億hm2，其中我國為9913萬hm2。因而，改善鹽堿地土壤質(zhì)量，對人類生存及可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。開發(fā)利用鹽堿土，不僅是我國21世紀必須高度重視的生態(tài)環(huán)境問題，也是解決21世紀我國14億人口糧食問題的一條重要途徑，更是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。

1 吉林西部鹽堿地改良技術(shù)及現(xiàn)狀

1.1 吉林西部鹽堿地現(xiàn)狀

東北地區(qū)是我國土壤鹽堿化最嚴重的地區(qū)之一，目前松嫩平原西部的鹽堿地面積約為500萬hm2，其中吉林省占比達到21.30%[2]。吉林省的鹽漬土主要分布在本省的西部地區(qū)，主要涉及到4市(長春市、四平市、松原市與白山市)8縣(鎮(zhèn)賚縣、洮安縣、大安縣、通榆縣、乾安縣、前郭縣、扶余縣、農(nóng)安縣、懷德縣與梨樹縣)。吉林省西部地區(qū)鹽漬土主要屬于蘇打鹽堿土類型，見圖1。土壤內(nèi)主要含有較多量的Na+、HCO3-，HCO3-極易與H+結(jié)合形成易揮發(fā)的CO2氣體，土壤中剩余的OH-與大量的Na+結(jié)合形成堿性化合物，該區(qū)域土壤大多pH較高，不利于大多數(shù)植物的生長。于明榮[3]等在研究中得出，在吉林西部松原前郭縣內(nèi)土壤表層的鹽漬化程度隨土壤深度呈逐漸遞減的趨勢。2008年以來，吉林省啟動了國家戰(zhàn)略層面的“百億斤糧食增產(chǎn)工程”，將原在前郭縣內(nèi)的前郭灌區(qū)以及乾安縣內(nèi)的未開發(fā)鹽堿地規(guī)劃為松原灌區(qū)。隨著“百億斤糧食增產(chǎn)工程”的啟動，國內(nèi)的一些學(xué)者也相繼對松嫩平原地區(qū)鹽堿地開發(fā)做出一系列相關(guān)性的研究工作。樊自立[4]提出，原有耕地鹽漬化在減輕,新開發(fā)耕地鹽漬化在發(fā)展，大部分耕地都處于脫鹽不穩(wěn)定反復(fù)型狀態(tài)。而才源[5]等指出在1959—2014年期間，吉林省西部鹽堿地實質(zhì)上增加了近30萬hm2。

圖1 吉林西部大面積鹽堿荒地

吉林省西部鹽堿地變化主要分為3個階段。第1階段從1950年起，由于環(huán)境和人為的因素，松嫩平原的部分天然草地逐年退化，原有的輕度鹽漬化地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸塞}漬化地區(qū)，土壤類型逐步演變成草地鹽堿地；第2階段從1980年起，由于人口日漸增加糧食需求不斷增長，大量的荒地被開墾為耕地，其主要集中在松原市前郭縣內(nèi)。人為的開墾致使周邊土地受到嚴重的破壞，加速了環(huán)境的惡化，出現(xiàn)了大面積鹽堿地；第3階段從2000年起，國家開始對吉林西部地區(qū)規(guī)劃管理，投入了大量的人力物力，草地鹽堿地初步有規(guī)模地被開發(fā)為水田。

1.2 吉林西部鹽堿地改良措施

我國早在20世紀中期，便開始了對鹽堿地的改良研究，經(jīng)過數(shù)十年間對鹽堿地不斷考察和勘測，形成了3種不同的鹽堿地改良措施，包括生物措施、化學(xué)措施和物理措施。生物措施改良鹽堿地是指通過種植耐鹽植物以及培養(yǎng)耐鹽固氮菌等手段來降低土地鹽堿化程度，從而改善農(nóng)作物生長條件的有效措施[6]；化學(xué)措施改良鹽堿地是指運用化學(xué)反應(yīng)中的酸堿中和反應(yīng)達到改良土壤pH值的效果，使耕地能在耕作時更好地脫堿[7]；物理措施改良鹽堿地是指運用水旱輪作的耕種方式將土壤中的鹽分在稻田時期通過一系列淋洗排出。這種農(nóng)業(yè)改良措施可以減少土壤的流失、防止土壤返鹽、降低農(nóng)田鹽堿化程度，使土壤中的各形態(tài)鹽分重新配置，使土壤表層含鹽量降低，保證作物出苗生長，從而合理利用鹽堿化土地[8]。近幾年，化學(xué)和物理相結(jié)合的措施逐漸成型，由于除氟技術(shù)的不斷發(fā)展，通過化學(xué)手段改性后的沸石材料也逐漸被應(yīng)用到鹽堿地改良中[9,10]。

吉林西部地區(qū)的土壤類型為蘇打鹽堿化土壤且土壤肥力較好，在充足的水源和良好的排水條件下，種植水稻是治理吉林西部鹽堿地、爭取農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的最有效措施。在種植水稻的過程中，土壤中可溶性鹽隨著換水滲水，排出田外，或滲到土壤底層，因而脫鹽堿的效果明顯[11,12]。根據(jù)周和平[13]等學(xué)者的研究指出，鹽堿化水稻土春季采用大水泡田—快灌—快排的方法，如圖2，稻田池中保持水層5cm左右，使土壤中鹽分能充分溶解于水中，泡田一般2～3d，使水中泥漿沉淀后，采取大池口快速排水方法，將泡田水全部徹底排出。對于一般輕鹽堿化水稻土泡田期可洗鹽1～2次，每次都要大水深灌，泡田1～3d，使泡田水沉漬后迅速徹底排出這種方法既可大量洗鹽，又可防止水肥流失，被帶出稻田。插秧后，為了提高土壤溫度，增強農(nóng)田氧化、促進土壤熟化，一般白天灌水，夜間排水涼田，以防返鹽，春季降雨后應(yīng)排干換水。

圖2 吉林西部某稻田春季泡田期

2 吉林西部各灌區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀

吉林西部地區(qū)現(xiàn)分別有松原、大安、前郭3大灌區(qū)。松原灌區(qū)是吉林省在建的大型灌區(qū)，是國家增產(chǎn)千億斤商品糧工程及吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧的重點工程。松原灌區(qū)設(shè)計灌溉面積為19萬hm2，其中水田99073.33hm2，早田70893.33hm2，天然草場20033.33hm2，給水渠及排水渠等骨干工程于2015年開工建設(shè)。松原灌區(qū)由前郭灌片和乾安灌片組成，歷史上已建成的前郭灌區(qū)也包括在松原灌區(qū)前郭灌片內(nèi)。前郭灌片位于吉林省西部松嫩平原，松原市前郭縣松花江(三岔河口以上)左岸，是以松花江為灌溉水源，利用哈達山、錫伯屯、七門吐等泵站提水灌溉的大型灌區(qū)。大安灌區(qū)設(shè)計灌溉面積56573.33hm2，計劃分為2期實施，1期計劃發(fā)展水田灌溉面積21006.67hm2，目前大安灌區(qū)期骨干及田間工程均已完工，見圖3。

圖3 吉林西部大安灌區(qū)某稻田給水渠

研究表明，前郭灌區(qū)現(xiàn)有水田8120hm2，其中鹽堿化水稻土3386.67hm2，占灌區(qū)總水田面積的41.7%。肖長來、梁秀娟[14]在對前郭灌區(qū)的研究表明，灌溉排水條件的好壞可以直接影響土壤脫鹽的好壞程度，從而決定土地的經(jīng)濟效益好壞。2008年以來，各灌區(qū)工程逐步實施，前郭灌區(qū)預(yù)計續(xù)建水田3萬hm2，大安灌區(qū)將新建水田5.6萬hm2[15]。灌溉高標準農(nóng)田的面積近年持續(xù)增長，在不斷加大灌區(qū)供排水強度，增強經(jīng)濟效益的同時，各灌區(qū)的排水多以地表徑流、地下潛水方式進入湖泊河流之中，其對環(huán)境造成的影響仍有待深入研究。

3 吉林西部改良含氟鹽堿地對環(huán)境的影響

3.1 吉林西部高氟地區(qū)成因

由于氟離子較為活潑的化學(xué)性質(zhì)，氟化物較為廣泛地存在于自然界，其中最受關(guān)注的便是氟化物的污染來源以及氟化物的水—土遷移轉(zhuǎn)化。根據(jù)謝正苗、吳衛(wèi)紅[16]等學(xué)者的研究指出，在鋼鐵和制鋁等工業(yè)的過程中會排出含氟的“三廢”。此外，由于自然環(huán)境所帶來的火山爆發(fā)以及沙漠地區(qū)也會有局部性的高氟區(qū)。

吉林省西部地區(qū)在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)火山活動頻繁，火山噴發(fā)時產(chǎn)生的氣體和火山灰富含HF、CaF2、MgF2等含氟化合物，這些物質(zhì)經(jīng)沉降、風(fēng)化、分解后，將氟釋放出來進入土壤，致使該地區(qū)土壤本底值氟含量較高。目前國際上比較公認的氟的富集與堿性HCO3-型水有關(guān)，其含量隨著Na2CO3和NaHCO3含量的增加而增加[17]。氟元素又是親石元素，在鹽堿地不斷鹽化和堿化的侵蝕下，巖石中的“硅化氟化物”極易形成結(jié)構(gòu)簡單的含氟化合物，在土壤的毛細作用下向地表聚集。另外，蘇打鹽堿土自身堿性較強，吸附態(tài)的氟極易被OH-置換下來而形成水溶態(tài)，導(dǎo)致地表水溶態(tài)氟含量較其它區(qū)域土壤高。

3.2 氟的危害

氟是動物和人體的必需微量元素之一，適量的氟能夠促進機體多項生理功能的發(fā)揮，參與機體的代謝過程，促進哺乳動物的生長發(fā)育和繁殖，促進骨礦質(zhì)晶體生長、刺激成骨細胞形成，從而使骨量增加、骨密度提高。生活中，氟較為普遍和廣泛的用來預(yù)防齲齒，保護牙齒健康。但是氟一旦過量并累積在機體中，就會引起氟中毒，主要的中毒特征是損害骨骼和牙齒，引起氟斑牙和氟骨病。另外，還會抑制細胞內(nèi)酶的活性，降低DNA和蛋白質(zhì)的合成，破壞鈣磷代謝平衡[18,19]。我國食品衛(wèi)生標準規(guī)定了部分食品中氟的最高允許量，其中大米、面粉≤1.0mg·kg-1，其它食物≤1.5mg·kg-1，我國衛(wèi)生部規(guī)定，每人每天通過各種途徑攝入氟的總量以3.5mg為宜。

3.3 含氟鹽堿地改良為稻田對環(huán)境的影響

土壤中的氟化物是大多數(shù)飲用水和食物中氟化物的主要來源，可見土壤是氟環(huán)境化學(xué)體系的樞紐，而稻田灌溉排水對土壤氟化物在環(huán)境中的分布和運移有著直接影響。研究發(fā)現(xiàn)，吉林省西部鹽堿土中表層土全氟平均值為266.17mg·kg-1，低于全國土壤中氟的背景值，但是水溶態(tài)氟的平均含量為13.73mg·kg-1，遠遠高于我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-2008)規(guī)定的5mg·kg-1。這也說明吉林西部含氟鹽堿地中氟的總量不高，但其可遷移性強。在鹽堿地改良為稻田時，由于不斷對土壤進行浸泡和打漿，土壤中的氟離子勢必會隨著稻田的排水而遷移。目前，大安灌區(qū)和乾安灌區(qū)還在逐步開發(fā)，分別引二松、嫩江水灌溉，經(jīng)土壤改良和洗鹽，蘇打鹽堿土中大量的氟會隨農(nóng)田排水進入水體。因此，對灌區(qū)開發(fā)時氟化物輸出量以及衡量其對環(huán)境的影響研究，對于后續(xù)吉林西部鹽堿地改良具有重要意義。

4 結(jié)語

目前關(guān)于吉林西部3大灌區(qū)土壤耕層中氟的本底值及其輸出量鮮有報道。并且由于土壤種類不同，氟的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律也存在著較大的差別。因此，調(diào)查3大灌區(qū)氟化物賦存形態(tài)及本底值，模擬鹽堿荒地開發(fā)為水田時氟化物的輸移規(guī)律，探討農(nóng)田耕作對氟化物賦存形態(tài)的影響，可為控制區(qū)域性氟骨病及降低稻田排水中的氟化物輸出量提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。