咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽改良鹽漬土研究進(jìn)展

張 璐，楊 帆， 王志春

(1．中國科學(xué)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(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土壤鹽堿化是一種世界性的土壤環(huán)境惡化問題。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織/教科文組織統(tǒng)計，全球鹽漬土面積約為1×109hm2，占世界陸地總面積的7.2%，且隨著全球氣候變化和人口的增加，鹽漬土面積仍有增長趨勢[1]。我國干旱-半干旱氣候帶面積廣大，鹽漬土分布范圍也較廣[2]，鹽漬土總面積約為9.91×107hm2，主要分布于黃淮海平原以及濱海地區(qū)、河套平原、西北內(nèi)陸和東北平原地區(qū)[3]。土壤鹽堿化導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。以東北蘇打鹽漬土為例，其鹽堿地總面積約5×106hm2，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[4]。數(shù)據(jù)資料顯示，東北地區(qū)松嫩平原西部的草地面積在1954-2000年間縮減了約64%，主要退化成了鹽堿荒地[5]。因此，鹽漬土治理與改良工作刻不容緩。

目前，鹽漬土改良已經(jīng)得到了充分的研究和實踐，總體包括工程措施、物理化學(xué)改良和生物改良措施。傳統(tǒng)的鹽漬土改良方式，如工程方面興修水利，物理方面的“客沙換土”、灌溉洗鹽及暗管排鹽等方式有效地改良了鹽漬土的物理化學(xué)性質(zhì)，但都存在成本較高的問題。單純的化學(xué)改良方式則需要特別注意過量施用化學(xué)改良劑引起的土壤二次污染問題。生物改良措施經(jīng)濟環(huán)保，但利用生物改良鹽漬土前期需要開展耐鹽堿植物種質(zhì)資源篩選和培育等大量基礎(chǔ)性工作[6]。

利用咸水結(jié)冰灌溉治理鹽堿地是一種新興的鹽漬土改良方式，已經(jīng)在濱海鹽漬土區(qū)進(jìn)行了試驗研究，且在一定程度上證實了這種改良方式的有效性。咸水結(jié)冰灌溉可以提高土壤含水量，同時有效降低了耕層土壤的含鹽量，鹽漬土物理性質(zhì)也得到了一定的改善[7]。另一方面，從鹽漬土的形成原因方面來看，大多數(shù)鹽漬化區(qū)域位于春季降水少、蒸發(fā)量大的季風(fēng)氣候或大陸性氣候的濱?；騼?nèi)陸地區(qū)。若春季土壤鹽漬化加劇的情況沒有得到改善，惡劣的土壤性質(zhì)(如土壤鹽含量過高或土壤黏重板結(jié)等)不僅會影響種子發(fā)芽率和植物的根部呼吸，也會對植物莖和新發(fā)嫩芽產(chǎn)生嚴(yán)重危害[8]，造成植物生長受阻和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失。因此，春季土壤鹽堿狀況對作物(特別是對鹽堿度敏感的作物)生長的初期階段尤其重要[9]。咸水結(jié)冰灌溉的改良方式能夠有效改善鹽漬土區(qū)春季降水少、蒸發(fā)量大的問題，尤其適用于冬季寒冷干燥、春季干旱少雨的溫帶季風(fēng)性氣候和溫帶大陸性氣候的鹽漬土分布區(qū)。由于春季氣溫升高，冬季凍結(jié)在土壤表面的咸水冰開始融化，可以起到有效補充土壤水分，緩解土壤干旱狀況和春季土壤鹽漬化的季節(jié)性爆發(fā)的作用，同時也避免了“大水漫灌”式灌溉造成的水資源浪費問題。夏季充足的雨水進(jìn)一步?jīng)_洗土壤中的鹽分，達(dá)到脫鹽的效果。因此，咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽技術(shù)是一種即經(jīng)濟又高效的鹽漬土改良方式。

本文通過分析咸水灌溉結(jié)冰融水淋鹽改良鹽漬土的原理和優(yōu)勢，以及目前研究的內(nèi)容和方法，總結(jié)了咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽這種新興改良技術(shù)存在的不足和亟需解決的問題，同時展望了未來的研究的方向，以期為未來咸水結(jié)冰融水淋鹽改良技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用提供參考。

1 咸水結(jié)冰灌溉原理

咸水結(jié)冰淡化技術(shù)最早在海水淡化方面有較多的應(yīng)用[10]，國外依照該原理進(jìn)行海水淡化有豐富的研究經(jīng)驗。Nakagawa等[11]通過冷凍濃縮技術(shù)淡化海水的試驗結(jié)果表明，海水冰在融化初期得到的溶液鹽分濃度高于原溶液，融化后期的溶液鹽分濃度低于原溶液鹽濃度。海水凍融技術(shù)可以有效降低溶液的鹽濃度，達(dá)到淡化海水的目的。相比于膜過濾法和蒸餾法等淡化方式，海水結(jié)冰淡化技術(shù)具有能量消耗小且成本低，節(jié)約能源、設(shè)備和資金的優(yōu)勢[12-13]。因此，是否可以采用咸水淡化技術(shù)改良鹽漬土以及如何利用鹽漬土區(qū)地下咸水資源也得到了越來越多的關(guān)注，該種方法也逐漸被引入到鹽漬土改良領(lǐng)域。

咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽技術(shù)是一種充分利用鹽漬土區(qū)域的地下咸水或微咸水資源以及當(dāng)?shù)氐亩镜蜏貤l件(一月中下旬穩(wěn)定氣溫低于-5 ℃)，同時利用咸水冰融化時，咸水先融出、淡水后融出的原理，對鹽漬土進(jìn)行改良的新方法(圖1)。春季咸水冰融化后，先融出的咸水對土壤理化性質(zhì)進(jìn)行改善，后融出的淡水對鹽漬土壤中的鹽分進(jìn)行二次淋洗，可以一次性達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)和灌溉洗鹽兩個目的[14]。

圖1 咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽原理Fig.1 Principle of freezing saline water irrigation and meltwater leaching

咸水結(jié)冰和融化過程都具有脫鹽作用。Beier等[15]在不同的環(huán)境溫度、鹽濃度和質(zhì)量流量下進(jìn)行了實驗室咸水冰凍融分離試驗，結(jié)果表明咸水冰融化過程的脫鹽效果顯著高于結(jié)冰過程的脫鹽效果。咸水冰融化過程主要分兩個階段：(I)由于咸水中不同濃度的溶液含鹽量不同，故冰點也不同，咸水冰融化時，由于咸淡分離現(xiàn)象，先融化的水中鹽分含量高，為咸水，此階段為第一階段；(II)冰體中咸水融化后，淡水開始融化，此階段融水的含鹽量和離子含量大幅降低，以淡水為主[16]，為第二階段。

第二階段，咸水融化完成后，結(jié)冰融化過程中咸淡分離出的淡水后融化。通過淡水緩慢入滲沖洗的方式，土壤中的鹽分充分溶解于水中，并在水流的沖刷和淋洗下，隨淡水流出土層，下滲入深層土壤中[24]，進(jìn)一步達(dá)到了對鹽漬土洗鹽的效果，起到減輕耕層土壤鹽堿程度、抑制返鹽的作用，極大的改善了鹽堿土的理化狀況[7]。相反，如果一次性灌水量過大，土壤及其微孔中的鹽分沒有足夠的時間進(jìn)行充分地溶解和擴散，致使大水灌溉后，土壤中大部分鹽分仍留存在孔隙中，洗鹽效果仍不理想[24]。而咸水結(jié)冰灌溉的處理方式在結(jié)冰融化的過程中，融水緩慢的滲入土壤中，使土壤固體中鹽分有充足的時間溶解、擴散，從而使更多的鹽分隨水流出土體，提高了洗鹽效果。因此，在洗鹽時間和水量控制方面，咸水結(jié)冰灌溉效果優(yōu)于大水漫灌的洗鹽方式。

2 咸水結(jié)冰灌溉的作用

咸水結(jié)冰灌溉不僅節(jié)約水資源，而且不易引起土壤次生鹽漬化等土壤環(huán)境二次污染問題，改良效果也好于傳統(tǒng)灌溉方式。相比于淡水灌溉的方式，礦化度小于5 g·L-1的微咸水灌溉不會導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)[25]。關(guān)于微咸水灌溉對土壤和作物產(chǎn)量的試驗研究表明，作物生長期灌溉一次微咸水，與雨養(yǎng)旱作處理相比增產(chǎn)10%～30%，因此作物種植管理過程中用微咸水代替一次淡水灌溉的方式可以改善土壤，同時節(jié)約淡水的用量[26]。但是，礦化度大于5 g·L-1的咸水直接澆灌于土壤會導(dǎo)致土壤表層鹽分含量較高，鹽分累積量大等問題[25]。而咸水結(jié)冰灌溉下，0～40 cm土層土壤鹽度可下降約50%，在80 cm土體中的鹽分積累量下降約43.6%[25]。因此，相比于咸水直接灌溉的處理方式，咸水結(jié)冰灌溉能有效降低鹽分表聚化現(xiàn)象的發(fā)生。Li等[14,27]對濱海鹽漬土進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉土柱試驗，結(jié)果表明，與淡水冰融水灌溉相比，咸水冰融水在鹽漬土壤中的入滲速度更快，入滲和脫鹽深度更深?？赡苁怯捎谙啾扔趥鹘y(tǒng)灌溉方式，咸水結(jié)冰過程中發(fā)生咸淡分離，先融化的咸水對土壤起到浸潤和疏通作用，后融化的淡水對土壤鹽分進(jìn)行二次沖洗，存在雙重洗鹽的效果[28]；而淡水僅能起到洗鹽的作用，對土壤入滲性能等物理條件的改良效果差，所以入滲速度和脫鹽深度低于咸水結(jié)冰灌溉。另外，咸水結(jié)冰覆蓋不僅可以起到一定平抑地溫的作用，而且能夠抑制土壤冬季潛在積鹽過程[28]，削弱裸露鹽堿地在強烈的凍融作用下鹽分的反復(fù)運移和累積。與沒有進(jìn)行任何改良處理的蘇打鹽漬土相比，經(jīng)過咸水結(jié)冰融水入滲后，春季(4月份)蘇打鹽漬土壤化凍深度可提高40 cm。因此，咸水結(jié)冰灌溉不僅能節(jié)約灌溉用水量，對鹽漬土壤的改良效果也大幅提高[16]。

咸水結(jié)冰灌溉改良對植物生長也起到一定的改善作用。咸水結(jié)冰灌溉能有效降低根層土壤含鹽量，增加土壤含水量[7,29]。濱海地區(qū)重鹽堿地的咸水結(jié)冰灌溉棉花種植試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果：與對照相比，咸水結(jié)冰灌溉處理下的棉花根、莖、葉中K+含量分別提高0.78、1.82和1.19倍，而Na+含量分別降低64.3%、57.6%和64.5%，減輕了Na+鹽過多對棉花造成的單鹽毒害[30]。對檉柳的生長也起到了促進(jìn)作用，且結(jié)冰灌水量大的改良效果更好，與不結(jié)冰灌溉的對照處理之間的差異顯著[31]。咸水結(jié)冰灌溉處理通過改善鹽漬土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，為植物生長發(fā)育提供了基本環(huán)境條件，進(jìn)而起到了減輕鹽漬土壤對植物的離子毒害、提高產(chǎn)量的作用。

3 咸水結(jié)冰灌溉研究的熱點、方法及局限

3.1 咸水結(jié)冰灌溉研究熱點

目前咸水結(jié)冰灌溉研究主要側(cè)重于結(jié)冰融水過程和土壤性質(zhì)變化兩個方面，其中，研究較多的是不同鈉吸附比(SAR)、不同鹽度以及不同礦化度的咸水結(jié)冰融水對土壤理化性質(zhì)的影響。研究表明，與高SAR處理相比，低SAR的咸水結(jié)冰處理入滲速度快、入滲深度深，但表層土壤含水率較低[19,32]。Guo等[20]研究了不同鹽度咸水融冰對土壤含水量的影響，結(jié)果顯示：高鹽度咸水冰處理的土壤含水量低于低鹽度咸水冰處理，而深層土壤含水量則相反。對不同礦化度的咸水結(jié)冰試驗結(jié)果表明：咸水冰礦化度低(8 g·L-1和16 g·L-1)的處理土柱0～50 cm土壤表現(xiàn)為脫鹽，礦化度高(24 g·L-1和32 g·L-1)的處理則表現(xiàn)為積鹽[33]。這些研究結(jié)果說明：結(jié)冰所用咸水的性質(zhì)對融冰后土壤特性有很大影響；結(jié)冰灌溉所用咸水的SAR、鹽度和礦化度過高會引起土壤表層含水率降低或積鹽等現(xiàn)象，不能對鹽堿土壤的改善起到積極的作用。因此，確定合適的咸水鹽分濃度和鹽分組成進(jìn)行結(jié)冰灌溉是今后需要研究的重點方向。

3.2 咸水結(jié)冰灌溉試驗方法

現(xiàn)階段咸水結(jié)冰灌溉的試驗方式主要有室內(nèi)模擬試驗和田間試驗兩種。室內(nèi)模擬試驗主要為土柱試驗，利用土柱模擬咸水冰融水淋鹽效果，監(jiān)測濕潤峰、累計入滲量[32]、不同土層含水率[19]、含鹽量[33]及離子濃度和脫/積鹽率[16]等土壤指標(biāo)。田間試驗集中在咸水結(jié)冰灌溉和提高作物產(chǎn)量和種子出苗率兩個方面。除田間直接進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉試驗外，我國學(xué)者還設(shè)置了咸水結(jié)冰灌溉結(jié)合田間覆膜處理的試驗方式，并進(jìn)行了相關(guān)的研究調(diào)查。研究結(jié)果顯示，北方濱海鹽漬土地區(qū)咸水結(jié)冰覆膜處理與不覆膜處理相比，0～5 cm土層土壤含鹽量下降46.5%，5～20 cm土層土壤含鹽量下降67.7%，結(jié)冰灌溉覆膜處理下菊芋產(chǎn)量可增加115%～175%[7]，說明咸水結(jié)冰灌溉結(jié)合覆膜處理比單獨結(jié)冰灌溉處理進(jìn)一步改良了濱海鹽漬土化學(xué)性質(zhì)，提高了作物產(chǎn)量。Guo等[34]對濱海鹽漬土咸水結(jié)冰覆膜種植棉花的試驗得到相似的結(jié)論，冬季咸水結(jié)冰覆膜比不覆膜處理在0～20 cm土層含水量增加了7%～14%。咸水結(jié)冰秸稈覆蓋的研究結(jié)果與咸水結(jié)冰覆膜覆蓋相似。Pang等[9]的研究表明：秸稈覆蓋使0～20 cm土壤含鹽量降低了10.2%；另有研究表明，與咸水結(jié)冰灌溉處理相比，咸水結(jié)冰秸稈覆蓋處理進(jìn)一步提高了土壤表層的脫鹽率，株高和單株生物量差異均達(dá)極顯著水平[25]。因此，咸水結(jié)冰灌溉結(jié)合覆膜處理可以在一定程度上避免土壤積鹽和含水率降低的風(fēng)險，提高鹽漬土改良的效果?？傮w上，咸水結(jié)冰灌溉的大田試驗研究相對較少，對于不同處理方式和不同植物、土壤類型的研究仍需要進(jìn)行充分的挖掘。

3.3 咸水結(jié)冰灌溉研究局限性

目前，國內(nèi)關(guān)于咸水結(jié)冰灌溉的研究主要集中在天津、河北等濱海鹽漬土地區(qū)，主要研究對象為NaCl、Na2SO4型鹽漬土，鮮有關(guān)于蘇打鹽漬土(Na2CO3、NaHCO3型鹽漬土)等類型的咸水結(jié)冰灌溉研究試驗[22]。咸水結(jié)冰灌溉改良效果主要表現(xiàn)在土壤含水量、含鹽量以及土壤中鹽分的移動分布狀況上，關(guān)于咸水結(jié)冰灌溉改良方式下對植物影響的研究較少，且咸水結(jié)冰灌溉對不同植物類型和不同土壤類型的影響研究不充分，還有進(jìn)一步研究和發(fā)展的空間。表1對咸水結(jié)冰灌溉試驗的發(fā)展進(jìn)行了梳理和總結(jié)。

表1 咸水結(jié)冰灌溉改良鹽漬土主要研究進(jìn)程Table 1 The main research courses of saline soil reclamation by freezing saline water irrigation

4 提高溶液電解質(zhì)濃度咸水結(jié)冰灌溉研究

水溶液鹽度對土壤有一定的絮凝作用，其本質(zhì)是推動吸附的陽離子接近土壤顆粒表面，增加土壤團聚性，促進(jìn)粘土顆粒的聚集和團聚體的形成[17]。對于鹽漬化嚴(yán)重的地區(qū)，僅僅依靠咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽來改良鹽漬土壤的理化性質(zhì)，效果可能不理想。Summer等[41]指出，土壤中總電解質(zhì)濃度(TEC)低于臨界絮凝濃度(CFC)時，粘土在高堿化度(ESP)值下會自發(fā)分散，破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)黏重。Frenkel等[42]認(rèn)為，在鈉飽和的鹽漬土壤中，過量的交換性鈉“侵入”土壤團聚體層間位置，由于吸附鈉體積較大、電荷單一和水化狀態(tài)等，嚴(yán)重破壞了保持團聚體穩(wěn)定的內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)，引起土壤顆粒的物理分離，造成土壤退化，并逐漸演變成鹽漬土壤[17]。因此，適度提高土壤電解質(zhì)濃度是改良鹽漬土黏土顆粒易分散的有效手段[43]。在特殊的高鈉質(zhì)化土壤中，必需配合一定的化學(xué)手段[38]，即在提高土壤電解質(zhì)濃度的同時，去除土壤中過剩的鈉離子，實現(xiàn)土壤中離子平衡，達(dá)到徹底改良鹽漬土的目的。

施用化學(xué)改良劑是一種行之有效的鹽漬土改良方式?；瘜W(xué)改良劑一方面能夠提高土壤溶液電解質(zhì)濃度，使土壤物理結(jié)構(gòu)得到改善；另一方面可以調(diào)節(jié)離子之間的平衡關(guān)系，改善土壤的化學(xué)性質(zhì)。我國早在20世紀(jì)50、60年代就已經(jīng)開始利用石膏等化學(xué)改良劑來改良鹽漬土[44]。發(fā)展至今，已經(jīng)有利用石膏、腐植酸類、有機廢棄物及微生物菌劑等多種化學(xué)改良劑的改良方式[45-47]，其中利用石膏等高鈣鎂含量的工業(yè)副產(chǎn)品作為土壤改良劑已得到廣泛應(yīng)用，且目前為止在鹽堿土壤中施用石膏仍是改良鹽漬土的主要方式。Zhao等[48]在我國東北松嫩平原利用脫硫石膏改良鹽漬土，明顯降低了土壤的鹽分、ESP以及SAR等鹽堿指標(biāo)。國外，如意大利沿海地區(qū)等也有在土壤中加入高電解質(zhì)含量的礦渣作為改良劑來降低鹽堿土壤中過量的交換性鈉的實例[49]。因此，不同電解質(zhì)濃度的改良劑不僅起到改善土壤離子組成的作用[31]，對降低鹽堿地土壤溶液pH值[50]以及作物產(chǎn)量都有顯著促進(jìn)作用[51]。

圖2 蘇打鹽堿地各種結(jié)冰灌溉處理試驗效果[22]Fig.2 Experimental results of various freezing irrigation treatments on saline-sodic soil

因此，由于不同土壤類型和土壤離子組成存在很大差異，導(dǎo)致咸水結(jié)冰灌溉的改良效果差別較大。咸水灌溉結(jié)冰配合提高電解質(zhì)濃度的措施來平衡土壤中各離子含量，對提高灌溉洗鹽效果很有益處[21]，但目前的研究大部分仍集中于將改良劑添加到土壤中，通過改良劑在土壤中的一系列化學(xué)反應(yīng)來改良鹽漬土的方式上，其他的改良劑應(yīng)用途徑，如將改良劑添加到灌溉溶液中進(jìn)行土壤改良，則很少涉及。

5 討論與展望

咸水灌溉結(jié)冰技術(shù)是一種新興的鹽漬土改良方式，對節(jié)約淡水資源和促進(jìn)咸水資源的高效利用具有重要意義[53-54]，但目前仍處于初步發(fā)展階段。在利用咸水結(jié)冰灌溉融水淋鹽改良鹽漬土?xí)r，冬季抽取鹽漬土區(qū)地下水進(jìn)行結(jié)冰覆蓋可以降低地下水位，有效減少因地下水位高引起的淺層含鹽地下水上行造成的土壤鹽漬化問題[14]。春季土壤表層有冰層覆蓋，可以起到降低土壤水分蒸發(fā)的作用。同時咸水冰融化時還具有洗鹽壓鹽[22]，提高土壤含水量[31]，降低土壤含鹽量[28,37]，平抑地溫[14]，改善土壤物理性質(zhì)[19]和節(jié)約春季灌溉用水等優(yōu)勢。

咸水結(jié)冰灌溉作為一種改良鹽漬土土壤理化性質(zhì)的方式，在國內(nèi)還沒有得到充分的試驗和研究，但也逐漸受到越來越多的關(guān)注。國內(nèi)關(guān)于咸水灌溉結(jié)冰改良技術(shù)的研究多停留在試驗階段，且試驗研究對象多集中在濱海鹽漬土等NaCl型鹽漬土分布區(qū)，對于以Na2CO3和NaHCO3為主的蘇打鹽漬土的咸水灌溉結(jié)冰技術(shù)研究較少。相較于濱海鹽漬土，蘇打鹽漬土土壤質(zhì)地黏重、透水性差，土壤物理性質(zhì)更為惡劣，微咸水結(jié)冰灌溉技術(shù)在該類型的鹽堿地中能否取得理想的改良效果還需今后進(jìn)一步的研究驗證。另一方面，目前的咸水結(jié)冰覆蓋試驗多以土柱試驗為主，田間試驗較少。而且，咸水結(jié)冰灌溉后對不同植物類型以及植物生長狀況的影響研究還不夠充分。咸水結(jié)冰灌溉研究主要還是集中在土壤理化性質(zhì)變化上，內(nèi)容較單一，對土壤其他性質(zhì)，如土壤微生物等的影響研究較少，這也是今后可以繼續(xù)研究探索的方向。此外，關(guān)于咸水灌溉結(jié)冰結(jié)合改良劑提高土壤電解質(zhì)濃度的研究不多，且目前的改良劑主要應(yīng)用方式是將其添加到土壤中，然后結(jié)合咸水結(jié)冰灌溉淋洗的方式進(jìn)行鹽漬土改良。而將改良劑加入到灌溉水溶液中，增加電解質(zhì)濃度，再進(jìn)行結(jié)冰灌溉處理的鹽漬土改良方式還鮮有研究。這些都是今后“咸水灌溉結(jié)冰融水淋鹽改良鹽漬土”這一新興的鹽漬土改良技術(shù)需要繼續(xù)不斷研究和深入的重要方向。