土壤改良劑在鹽漬化土壤生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

賈林, 劉璐瑤, 張濤, 聶阿秀, 李志明, 張金龍,2*

(1.天津泰達(dá)鹽堿地綠化研究中心有限公司,天津 300457;2.天津泰達(dá)綠化科技集團(tuán)股份有限公司,天津 300457)

我國(guó)鹽堿地土壤面積約3.69×107hm2,約占耕地面積的5%[1]。根據(jù)其分布區(qū)域主要分為濱海鹽堿地、西北內(nèi)陸鹽堿地以及東北鹽堿地。根據(jù)其組成分為氯鹽鹽堿土壤、硫酸鹽鹽堿土壤以及碳酸鹽鹽堿土壤。鹽堿土壤主要分為鹽土和堿土,其主要特點(diǎn)是土壤中鹽分含量、pH高于一般種植土壤,鹽離子含量過(guò)高影響鹽堿區(qū)域土壤植物生長(zhǎng)。鹽土土壤離子主要為鈉離子、氯根離子;而堿土土壤中碳酸根以及碳酸氫根含量較高。土壤物理結(jié)構(gòu)是影響植物生長(zhǎng)的重要因素,不同類(lèi)型鹽堿土壤的容重均高于種植土壤的容重,孔隙度均小于種植土壤的孔隙度,并且有研究表明鹽堿土壤沒(méi)有穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。鹽堿土壤的養(yǎng)分含量也較低,加之不同離子吸收存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,鹽堿區(qū)域土壤鹽離子含量較高,從而間接地制約了其他營(yíng)養(yǎng)離子的吸收利用。

1 土壤改良劑研究現(xiàn)狀

土壤改良劑是指在植物受到各種自然因素或人為因素,如土壤沙質(zhì)化、板結(jié)化、鹽堿化等土壤退化和重金屬離子、化學(xué)物質(zhì)污染的作用后,施用的以使土壤狀況更適宜作物生長(zhǎng)的非肥料類(lèi)物質(zhì)[2-3]。土壤改良劑的研究最早開(kāi)始于19世紀(jì)末,20世紀(jì)50年代研究者將研究的重點(diǎn)放在天然改良劑上,在改善土壤的效果方面也取得了明顯的研究進(jìn)展。然而,在土壤改良劑推廣方面的研究進(jìn)展不太樂(lè)觀,其原因在于土壤改良劑用量較大和成本較高。20世紀(jì)70年代土壤改良劑的研究進(jìn)入了巔峰期,并且西方較發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、比利時(shí)以及法國(guó)等在土壤改良劑方面的應(yīng)用也比較廣泛。根據(jù)不同的分類(lèi)方式可以對(duì)土壤改良劑進(jìn)行多種方式的分類(lèi)。根據(jù)原料的來(lái)源可以將土壤改良劑劃分為天然改良劑、人工合成改良劑、天然合成共聚物改良劑以及生物改良劑;根據(jù)土壤改良劑的組成將其分為無(wú)機(jī)改良劑和有機(jī)改良劑;根據(jù)土壤改良劑的用途可以將其分為酸性土壤改良劑、鹽堿土壤改良劑、重金屬改良劑以及有機(jī)物改良劑。

2 土壤改良劑改良鹽漬化土壤的機(jī)理

鹽堿土壤改良劑主要通過(guò)改良土壤理化性質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)土壤鹽分含量的下降,最終實(shí)現(xiàn)鹽堿土壤的改良:(1)改善土壤顆粒組成,促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成。鹽堿區(qū)域土壤顆粒中黏粒占比較高、土壤結(jié)構(gòu)差,提高土壤砂粒占比,促進(jìn)大團(tuán)聚體形成是鹽堿區(qū)域土壤改良的重要目標(biāo)。由于土壤顆粒組成變化是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程,目前摻沙是提高土壤砂粒占比的直接措施[4-5]。有機(jī)改良劑,特別是秸稈能夠顯著增加土壤中>5 mm和2～5 mm粒徑級(jí)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量。(2)改善土壤三相比。土壤三相比是衡量土壤物理結(jié)構(gòu)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),直接影響土壤水鹽運(yùn)移。有機(jī)秸稈、河沙等直接降低土壤容重以及提高土壤孔隙度,而PAM等通過(guò)化學(xué)反應(yīng),促進(jìn)土壤顆粒膠黏,從而降低土壤容重、提高土壤孔隙度[6-7]。(3)改善土壤導(dǎo)水性能。水分的入滲過(guò)程伴隨著土壤鹽分溶解淋洗過(guò)程,鹽堿區(qū)域土壤的導(dǎo)水性能是衡量土壤鹽分淋洗效率的重要指標(biāo)。脫硫石膏能夠提高鹽堿土壤水分累積量約70%,而河沙能夠提高鹽堿土壤水分累積量達(dá)200%以上[6-7]。(4)降低土壤含鹽量和pH,但也有研究表明濱海鹽土經(jīng)過(guò)淋洗后土壤pH會(huì)有一定幅度的升高[8]。(5)提高土壤養(yǎng)分含量。鹽堿區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量低,土壤養(yǎng)分缺乏,秸稈、腐殖酸等有機(jī)改良劑能夠顯著提高鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)含量以及速效養(yǎng)分含量,有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)橥寥来髨F(tuán)聚體形成提供載體[9-10]。礦基土壤調(diào)理劑使得土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量提高32.3%、41.7%、42.1%、40.6%。(6)增加微生物豐富度。生物炭、脫硫石膏、有機(jī)肥復(fù)配脫硫石膏、秸稈均增加耕層(0～40 cm)土壤細(xì)菌數(shù)量(1.5～8.8倍)、放線菌(1.2～10.0倍)、真菌數(shù)量(1.1～4.4倍)。而微生物代謝活動(dòng)中產(chǎn)生的有機(jī)酸以及其他代謝產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)土壤pH,促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改善[11-12]。

3 常用的鹽漬化土壤改良劑

常用的鹽漬化土壤改良劑分為無(wú)機(jī)改良劑、有機(jī)改良劑和生物改良劑。其中無(wú)機(jī)改良劑和有機(jī)改良劑直接通過(guò)改變土壤的理化性質(zhì)達(dá)到改良效果,其特點(diǎn)為改良時(shí)間短、效果顯著。而生物改良劑需要通過(guò)微生物活動(dòng)間接改良鹽漬化土壤,其特點(diǎn)是見(jiàn)效較慢,且微生物對(duì)土壤理化性質(zhì)有一定的要求。

3.1 無(wú)機(jī)改良劑

無(wú)機(jī)改良劑是分子量較小,組成較為簡(jiǎn)單的一類(lèi)物質(zhì)。目前鹽堿土壤中較為常用的無(wú)機(jī)改良劑主要有石膏、河沙和粉煤灰等,因?yàn)槠浠瘜W(xué)組成較為簡(jiǎn)單。

3.1.1 石膏類(lèi)

石膏類(lèi)的主要組成成分為CaSO4,而CaSO4與鹽堿土壤中離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是其改良鹽堿土壤的本質(zhì),主要發(fā)生“鹽類(lèi)轉(zhuǎn)換”和“離子置換”化學(xué)反應(yīng)[13]。濱海鹽堿土由于富含Na+和K+等離子,遇水容易板結(jié),孔隙度很低,透水性極差,在鹽堿土中加入一定量脫硫石膏,足量的Ca2+可以置換出原土中的交換性Na+,能明顯提高土壤顆粒的凝聚性,改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu),加大土壤孔隙度,從而有效提高土壤在飽和狀態(tài)下的水力傳導(dǎo)度,加速排鹽效應(yīng)[13]。而蘇打鹽堿土壤由于富含CO32-和HCO3-等離子,土壤堿性偏高,利用石膏中的SO42-離子可把CO32-離子置換出來(lái),從而降低土壤pH[1-3]。

杜學(xué)軍等[7]研究了脫硫石膏對(duì)東北蘇打鹽堿土壤水分特性的影響,結(jié)果表明施用石膏后累積入滲量增加達(dá)20.00%～55.15%,累積入滲率增加到64.94%～339.83%;并且隨著施用量的增加,吸滲率、穩(wěn)定入滲率以及經(jīng)驗(yàn)指數(shù)均顯著增加。徐文碩等[14]對(duì)濱海鹽堿土壤的研究結(jié)果也表明,石膏能夠促進(jìn)土壤水分運(yùn)移。但是高小龍等[6]研究脫硫石膏對(duì)銀北鹽堿土壤水分特性的影響,結(jié)果表明脫硫石膏減少了累積入滲量,減小了濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。這可能與不同鹽堿地土壤中顆粒組成不同有關(guān)。并且并不是石膏的使用量越大,土壤的累積入滲量和入滲速率越大。這可能主要是因?yàn)槭嗍┯昧康脑龃蟛⑽茨芴岣咄寥赖挠行Э紫抖?反而可能堵塞土壤孔隙,進(jìn)而阻礙重力水流動(dòng),從而導(dǎo)致土壤導(dǎo)水性能并未隨著石膏施用量的增加而一直增加。也有研究表明施用脫硫石膏后土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性提高約30%[15]。土壤大團(tuán)聚體的形成可能與Ca2+把土壤膠體中的Na+置換出來(lái)改變了土壤膠體的電位勢(shì)有關(guān)。黃艷飛等[16]研究石膏對(duì)蘇打鹽堿土壤的改良效果,結(jié)果表明石膏能夠促進(jìn)鹽堿土壤的絮凝,提高鹽堿土壤中鹽分離子的淋洗效率,最終降低土壤pH和含鹽量。賀園春[17]研究了石膏在濱海鹽堿土壤中的改良效果,結(jié)果表明石膏能夠顯著提高鹽堿土壤的飽和導(dǎo)水率。石婧等[18]研究施用脫硫石膏能夠使土壤容重由1.58降到1.36,土壤孔隙度由39%提高到51%,土壤pH由9.2下降到8.5,土壤電導(dǎo)率由3.1 mS/cm下降到1.7 mS/cm,Na+含量由2.80 g/kg下降到1.00 g/kg,K+含量由0.08 g/kg下降到0.06 g/kg。目前的研究基本表明脫硫石膏的施用量在達(dá)到一定值之后,其改良效果不再隨著施用量的增加而正向變化。這與脫硫石膏在土壤中存在的兩個(gè)平衡(溶解平衡和化學(xué)平衡)有關(guān)[13]。

3.1.2 河沙

河沙作為一種天然的無(wú)機(jī)物質(zhì),在自然界廣泛存在。河沙作為一種物理土壤改良劑,主要通過(guò)提高土壤沙粒含量,改變土壤不同粒徑顆粒組成,從而改善土壤物理結(jié)構(gòu),特別是土壤的孔隙度和飽和導(dǎo)水率,最終影響土壤的脫鹽效率。

濱海氯化鈉類(lèi)型的鹽漬土屬于非水穩(wěn)性土壤,土壤遇水會(huì)崩解成細(xì)小顆粒,穩(wěn)固性極差,導(dǎo)致土壤導(dǎo)水性能較差,鹽分淋洗效率低下。亓波等[19]研究了摻沙對(duì)鹽漬土壤土塊崩解的影響,結(jié)果表明摻沙可以改善土壤質(zhì)地,使土壤中的沙粒含量提高,黏粒和粉粒含量降低,在土壤充分入滲的情況下,改善土壤顆粒級(jí)配,更有利于鹽漬土塊的崩解。鹽漬土摻沙主要促進(jìn)粒徑為5～10 mm的土塊向<0.25 mm的土塊崩解,增加土壤中的基質(zhì)入滲,進(jìn)而提高入滲能力,且摻沙越多入滲能力越大。戴世鑫等[20]研究表明,摻沙能夠使得黏質(zhì)土壤中砂粒占比提高到62%,能夠使得黏質(zhì)鹽土孔隙度提高36%以上。高崧等[21]研究了河沙對(duì)鹽堿土壤水分入滲特性以及鹽分淋洗特性的影響,結(jié)果表明累積入滲量和濕潤(rùn)鋒與混沙的含量成正比,并且土壤初始和穩(wěn)定入滲量也與混沙量成正比?；焐衬軌蝻@著提高土壤鹽分的淋洗效率,增加土壤脫鹽深度。但是混沙對(duì)于不同離子的脫鹽率不盡相同,其中對(duì)K+、Mg2+和Cl-的脫鹽率無(wú)明顯影響,Na+和Ca2+的脫鹽率與混沙量成正比,SO42-和HCO3-的脫鹽率則隨著混沙量的增加而降低。曲曉玲[22]通過(guò)研究沙對(duì)黏質(zhì)鹽土質(zhì)地構(gòu)成以及鹽離子組成的影響,結(jié)果表明摻沙能夠顯著降低土壤中黏粒的含量比例,并且能夠顯著降低主要鹽離子在離子總量中的比例,其中Na+和Cl-下降10%～20%。周利穎等[23]在河套地區(qū)鹽堿土壤中的研究結(jié)果表明,通過(guò)摻沙18%～24%能夠使得30 cm土層土壤含鹽量降低90%以上。

3.1.3 其他無(wú)機(jī)改良劑

粉煤灰是煤粉燃燒后釋放的一種工業(yè)廢棄物,其主要成分為SiO2和Al2O3。粉煤灰具有特殊的物理結(jié)構(gòu),其內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá),使得其具有較大的比表面積。有研究表明,通過(guò)施用粉煤灰能夠顯著改良鹽堿土壤。董少文等[24]研究了粉煤灰對(duì)寧夏銀北鹽堿土壤的改良效果,結(jié)果表明,施用粉煤灰后,土壤pH由10.41下降到8.31;土壤全鹽含量下降50%以上;土壤孔隙度則增加約20%;而土壤容重則由1.50 g/cm3以上降到1.35 g/cm3以下。周文志等[25]研究表明,在濱海鹽堿土中施用粉煤灰后,土壤鹽分總淋洗時(shí)間縮短約30%,并且粉煤灰的效果優(yōu)于木醋酸和園林廢棄物堆肥,并且也能顯著降低土壤的pH、全鹽含量以及SAR。相關(guān)研究表明施用粉煤灰后,鹽堿土壤中有新晶相方解石生成,土壤顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,增加土壤孔隙度,進(jìn)而改善土壤的理化性質(zhì)[26]。

硫酸鋁[Al2(SO4)3]作為鹽堿區(qū)域土壤改良劑,其改良鹽堿土壤的機(jī)理與石膏類(lèi)改良鹽堿土壤的機(jī)理類(lèi)似:鋁離子改良劑+H2O=羥基鋁離子+nH+;2H++CaCO3=Ca2++H2O+CO2;土壤膠體-2Na++Ca2+=土壤膠體-Ca2++2Na+[27-28]。目前硫酸鋁主要用于蘇打鹽堿土壤改良中,在濱海氯化鹽堿土壤中的應(yīng)用較少。王宇等研究硫酸鋁對(duì)蘇打鹽堿土壤的改良效果,結(jié)果表明添加硫酸鋁后,土壤pH由10.0下降到7.5,土壤陽(yáng)離子交換量顯著降低,土壤堿性下降,并且土壤中水溶性鹽離子含量占比發(fā)生質(zhì)變,其中(CO32-+HCO3-)/(Cl-+SO42-)值顯著下降,鹽堿土壤由蘇打鹽堿土壤變?yōu)榱蛩猁}堿土[29]。馬玉濤等研究發(fā)現(xiàn),硫酸鋁能夠改變土壤物理結(jié)構(gòu),其中蘇打鹽堿土壤中>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和<0.053 mm粉黏粒組分的比例降低,而使得2～0.25,0.25～0.053 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例增加[30-32]。

3.2 有機(jī)改良劑

3.2.1 聚丙烯聚合物類(lèi)

聚丙烯酰胺(Polyacrylamide),簡(jiǎn)稱(chēng)PAM,分子式(C3H5NO)n。作為一種高分子聚合物,由丙烯酰胺(Acrylamide,簡(jiǎn)稱(chēng)AM)均聚或與其他單體共聚而成[33]。聚丙烯酰胺(PAM)能夠改善土壤理化性質(zhì)的機(jī)制主要源于其分子結(jié)構(gòu)特性,PAM的分子結(jié)構(gòu)單元中的酰胺基容易形成氫鍵,使其具有良好的水溶性,并且能夠與土壤中的許多物質(zhì)產(chǎn)生水解、降解、親和、吸附、交聯(lián)等一系列化學(xué)反應(yīng)。PAM的親水性很強(qiáng),存在活性較高的親水基團(tuán),PAM通過(guò)氫鍵與水分子結(jié)合在顆粒表面形成厚度約為0.5 nm的2～3個(gè)結(jié)合水水分子層,此水分子層有助于高分子網(wǎng)束的展開(kāi),從而表現(xiàn)出顯著的絮凝和團(tuán)聚作用[34]。

賴羽寒[35]研究PAM對(duì)濱海鹽堿地土壤的改良效果,結(jié)果表明施用PAM的鹽堿土壤的穩(wěn)定入滲率和累積入滲總量是對(duì)照的1倍以上,土壤容重則由1.578 g/cm3下降到1.486～1.512 g/cm3;并且對(duì)不同分子量的PAM的改良效果進(jìn)行研究,結(jié)果表明PAM的分子量為1 200萬(wàn)時(shí),其對(duì)濱海鹽堿地土壤的導(dǎo)水性能和土壤容重的改善效果最為顯著。趙秀芳等[8]研究了分子量為300萬(wàn)時(shí)不同濃度PAM對(duì)于濱海鹽堿地土壤導(dǎo)水性能的影響,結(jié)果表明,0.05～2.40 g/L的PAM均能改善鹽堿土壤的導(dǎo)水性能,淋洗初期,入滲速率隨著PAM濃度的增加而增大;但是出水穩(wěn)定之后,濃度為0.60 g/L的PAM的入滲速率最大。張雪辰等[33]研究PAM對(duì)蘇北鹽堿土壤改良的最佳效果的濃度為0.09 g/L。韓翠蓮等研究了PAM對(duì)西北內(nèi)陸鹽堿地土壤物理性質(zhì)的影響,結(jié)果表明施用不同濃度的PAM,土壤容重均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),而土壤孔隙度則均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[36-37]。鹽堿土壤導(dǎo)水性能與土壤鹽分淋洗效率具有直接關(guān)系,土壤水分入滲速率和累積入滲量越大,鹽分淋洗效率越高。濱海鹽堿土壤施用PAM后,除HCO3-升高外,土壤其他可溶性鹽離子含量均顯著降低,特別是Na+和Cl-含量降低90%以上[38]。

3.2.2 腐殖酸類(lèi)

腐殖酸是自然界中廣泛存在的一種大分子有機(jī)物質(zhì),腐殖酸的組成非常復(fù)雜,其一般是由芳香族以及多官能團(tuán)構(gòu)成的高分子有機(jī)酸。腐殖酸碳含量一般在50%以上。褐煤、草炭以及風(fēng)化煤是目前提取腐殖酸的主要原料。由于腐殖酸原料來(lái)源復(fù)雜,而不同來(lái)源的腐殖酸在化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)方面存在著很大差異,因此運(yùn)用不同腐殖酸進(jìn)行土壤改良的效果也不盡相同[39]。

李曉菊等[40]研究了腐殖酸對(duì)濱海鹽堿土壤水分入滲特性的影響,結(jié)果表明,隨著腐殖酸施用量的增加,相同時(shí)間土壤水分入滲量和濕潤(rùn)鋒降低;相同深度水分入滲時(shí)間、水分入滲量以及土壤含水率均增加。鹽堿土壤結(jié)構(gòu)一般較黏、容重較大,使得土壤深層鹽分無(wú)法得到有效淋洗。土壤飽和導(dǎo)水率是反映土壤三相比的一個(gè)重要指標(biāo),飽和導(dǎo)水率的提高能夠促進(jìn)土壤鹽分的淋洗。郭同鎧等[41]研究了腐殖酸對(duì)濱海黏質(zhì)鹽土持水性能的影響,結(jié)果表明腐殖酸能夠提高土壤飽和導(dǎo)水率128.05%。這可能是由于腐殖酸具有的親水性官能團(tuán)能夠聚集水分,促進(jìn)水分的運(yùn)動(dòng)。吳佳利和黃瑞瑞[42-43]研究了腐殖酸在濱海鹽堿土的改良效果,發(fā)現(xiàn)隨著施用腐殖酸量的增加,土壤飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),土壤容重和土壤Na+和Cl-離子呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),而土壤養(yǎng)分等顯著升高。這可能是由于隨著腐殖酸用量的增加,腐殖酸吸水膨脹,從而占據(jù)大量的土壤孔隙,不利于水分的運(yùn)動(dòng)。顧鑫等在東北蘇打鹽堿土中施用煤炭腐殖酸,土壤pH由8.74下降到7.91;土壤堿化度由31.7%下降到26.1%。并對(duì)腐殖酸對(duì)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響進(jìn)行研究,結(jié)果表明腐殖酸有利于>2.0 mm團(tuán)聚體的形成,并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),土壤團(tuán)聚體明顯向著大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[44-45]。雖然對(duì)于腐殖酸改良鹽堿土壤的研究有很多,但是關(guān)于腐殖酸改良鹽堿土壤的機(jī)理的研究卻很少,這可能與腐殖酸本身的組成及類(lèi)型較為復(fù)雜有關(guān)。

3.2.3 其他有機(jī)物

土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)是較為理想的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體。張曼玉等[46]研究了秸稈對(duì)西北內(nèi)陸鹽土土壤結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明秸稈能夠降低土壤中小于0.053 mm團(tuán)聚體的比例,增加0.250～2.000 mm團(tuán)聚體的比例;并且是土壤結(jié)構(gòu)由塊狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu),土壤孔隙數(shù)量增多且分布均勻。而研究表明這種土壤結(jié)構(gòu)有利于改善土壤的導(dǎo)水特性,從而有利于鹽分的淋洗。趙哲萱等[47]發(fā)現(xiàn)秸稈對(duì)東北蘇打鹽堿土結(jié)構(gòu)具有相同的改良效果。這可能是因?yàn)榻斩捘軌蛱峁┪F(tuán)聚體和細(xì)小土壤顆粒附著的載體。研究也表明秸稈能夠顯著提高土壤有機(jī)碳的含量,而有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成所必須的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)。王翊婷等[9]研究表明秸稈不僅能夠顯著降低東北蘇打鹽堿地土壤的pH和土壤全鹽含量,而且能夠提高土壤銨態(tài)氮含量56.37%,提高土壤速效磷含量達(dá)55.07%。秸稈分解過(guò)程中釋放的有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)槲⑸锾峁┰?從而促進(jìn)微生物的代謝,有助于鹽堿土壤的綜合改良。

除了作物秸稈以及園林廢棄物直接用于鹽堿地土壤改良之外,近年來(lái)利用植物秸稈加工成具有多孔隙的生物炭進(jìn)行鹽堿地土壤改良的研究也有很多[48-49]。但是由于不同原料、不同加工條件制備的生物炭的理化性質(zhì)不同,其在鹽堿地土壤改良中的效果也不完全相同[50]。

3.3 生物改良劑

利用微生物對(duì)鹽堿土壤的改良是目前鹽堿土壤改良的熱點(diǎn)。目前關(guān)于生物改良的熱點(diǎn)在于篩選耐鹽堿微生物,從而對(duì)這些微生物加以利用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)改良鹽堿地土壤生態(tài)。朱尤東在東營(yíng)鹽堿地中篩選到20余種具有高滲脅迫耐受能力的菌株,能在含鹽量為5%～10%的極端環(huán)境生存[51]。孫明真對(duì)黃河三角洲鹽堿地中篩選到的高效耐鹽菌功能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)這些耐鹽菌具有一些獨(dú)特的功能,其分泌酸性物質(zhì)吲哚乙酸的能力極強(qiáng),分泌產(chǎn)鐵載體以及胞外多糖的能力也很強(qiáng),同時(shí)具有較高的纖維素分解效率[52]。這些特異性的功能可能促進(jìn)鹽堿土壤大團(tuán)聚體的形成,進(jìn)而改善土壤孔隙結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤鹽分淋洗,實(shí)現(xiàn)改良鹽堿地土壤的效果[52]。王鐵在東北蘇打鹽堿土壤中篩選到物種耐鹽菌:鹽堿固氮菌、桿狀鏈霉菌、解淀粉芽孢桿菌、膠凍樣類(lèi)芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌。這幾種菌種能使得土壤pH下降4%左右,使土壤全鹽含量下降20%以上[53]。但是不同微生物改良鹽堿地的效果不盡相同,例如鹽堿固氮菌對(duì)于鹽堿地土壤的堿解氮的增效最為顯著;鏈霉菌對(duì)于鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)增效最為顯著;膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)于鹽堿地土壤有效磷的增效最為顯著;解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌對(duì)于鹽堿地土壤全鹽含量的減效最為顯著;膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)于鹽堿地土壤pH的降效最為顯著。這主要與不同微生物分泌的代謝產(chǎn)物有關(guān),滿全莉[54]研究表明微生物能夠通過(guò)產(chǎn)生特異性磷酸酶和植酸酶來(lái)提高鹽堿地土壤中有效磷的含量;微生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸能夠促進(jìn)有效養(yǎng)分的產(chǎn)生。

嗜鹽真菌CCHA(灰綠曲霉)是鹽堿地土壤改良中研究較為深入的微生物,該微生物是劉曉丹等[55]從東北蘇打鹽堿地中分離出來(lái)的。周曉陽(yáng)的研究結(jié)果表明嗜鹽真菌CCHA(灰綠曲霉)對(duì)環(huán)境的適宜性極強(qiáng),其最適生長(zhǎng)pH為9,但在pH 3～11范圍內(nèi)均能正常生長(zhǎng);而其對(duì)鹽分的適宜范圍更廣,可以在0～20%的鹽度內(nèi)正常生長(zhǎng),最適生長(zhǎng)鹽度為5%[56]。陳麗娜等將嗜鹽真菌CCHA(灰綠曲霉)與惰性材料進(jìn)行復(fù)配制備混合菌劑后,開(kāi)發(fā)形成微生物-納米整合技術(shù)。該技術(shù)從鹽堿地形成的機(jī)理、土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境的角度入手,通過(guò)優(yōu)選的天然準(zhǔn)納米物理介質(zhì),使其在鹽堿地耕作層中自發(fā)水土分離、自然沉降,并受土壤不同空隙的多級(jí)篩分,最后在犁底層上下一定范圍形成惰性鹽堿隔離區(qū)域(界面),該技術(shù)在鹽堿地治理方面取得了明顯的改良效果。陳麗娜等應(yīng)用原位掃描電鏡技術(shù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明灰綠曲霉的分生孢子和菌絲能夠與鹽堿土壤顆粒相互作用,形成穩(wěn)定、多孔網(wǎng)狀和形態(tài)各異的土壤團(tuán)聚體。而改良后的鹽堿地土壤pH由10.2左右降到8.1、堿化度由40%下降到15%、陽(yáng)離子交換量由23%升高到35%、可溶性鹽含量由0.62%降到0.09%、微團(tuán)粒組成由5%升高到50%[57]。目前的研究?jī)H限于在東北蘇打鹽堿地中的改良應(yīng)用,而對(duì)濱海鹽堿土壤的改良效果還有待研究。

4 問(wèn)題與展望

4.1 目前存在的主要問(wèn)題

4.1.1 改良劑存在局限性

進(jìn)入21世紀(jì)后,鹽漬化土壤改良劑材料種類(lèi)沒(méi)有突破性進(jìn)展,這嚴(yán)重制約了鹽漬化區(qū)域土壤改良以及利用。另外,關(guān)于鹽漬化土壤改良劑的研究多是針對(duì)農(nóng)田土壤鹽漬化改良,農(nóng)田土壤鹽漬化程度相對(duì)較低,通過(guò)傳統(tǒng)的改良劑可以有效改善土壤的理化性質(zhì)。我國(guó)北方濱海地區(qū)具有大面積的濱海鹽漬化區(qū)域,這些區(qū)域土壤受海洋影響,土壤含鹽量一般較高(有的區(qū)域能夠達(dá)到50 g/kg),而目前關(guān)于鹽漬化土壤改良劑的應(yīng)用多為含鹽量為10 g/kg以下的鹽漬化土壤,這也制約了改良劑的應(yīng)用范圍。

4.1.2 單一改良劑效果有限

雖然目前對(duì)于鹽堿土壤改良劑的研究有很多,但歸根到底仍是通過(guò)物理、化學(xué)、生物等手段改善鹽堿土壤物理結(jié)構(gòu)、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成、獲得理想的固液氣三相比以及促進(jìn)土壤鹽分淋洗等。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,由于鹽堿區(qū)域土壤受土壤形成機(jī)理、氣候水文條件以及地下水等多因素影響,很難通過(guò)單一的土壤改良劑進(jìn)行有效的改良。因此,目前鹽堿區(qū)域土壤的改良一般需要通過(guò)水利工程以及改良劑等綜合措施進(jìn)行。但是如何改良鹽堿區(qū)域土壤物理結(jié)構(gòu),從而改善土壤導(dǎo)水性能,提高土壤鹽分淋洗效率,進(jìn)而改良化學(xué)性質(zhì)始終是鹽堿區(qū)域土壤改良劑的研究重點(diǎn)。

4.2 展望

4.2.1 加強(qiáng)新型土壤改良劑的研究

目前有關(guān)鹽漬化土壤改良的熱點(diǎn)之一是通過(guò)篩選耐鹽微生物和植物,進(jìn)而利用耐鹽生物進(jìn)行鹽漬化土壤的改良。從地質(zhì)演變進(jìn)程看,土壤鹽漬化是土壤發(fā)育形成的一個(gè)階段,而生物,特別是微生物在這個(gè)階段扮演著重要角色。目前的眾多研究也表明,在鹽漬化程度較高的區(qū)域,雖然地表無(wú)法生長(zhǎng)植物,但是土壤中卻存在著大量的微生物。因此,加大耐鹽堿微生物的篩選,篩選能耐不同梯度鹽堿土壤的微生物,將是鹽漬化土壤改良的重要方向。

利用耐鹽植物進(jìn)行鹽漬化土壤改良以及生態(tài)修復(fù),是一種綠色可持續(xù)發(fā)展的方式。通過(guò)對(duì)鹽漬化土壤演替規(guī)律的研究,眾多研究者發(fā)現(xiàn):自然條件下,鹽地堿蓬的生長(zhǎng)能夠顯著降低土壤含鹽量、改善土壤理化性質(zhì),最終使得鹽漬化土壤向著有利于更多植物生長(zhǎng)的方向發(fā)育。因此,加強(qiáng)鹽漬化區(qū)域鹽生植物篩選,將為鹽漬化區(qū)域土壤改良和生態(tài)修復(fù)提供更多可能。

4.2.2 形成系統(tǒng)的鹽漬化土壤改良體系

雖然關(guān)于鹽漬化土壤改良劑的研究有很多,但是多為單一改良劑的研究。鹽漬化土壤改良以及區(qū)域生態(tài)修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要通過(guò)多種措施共同發(fā)揮作用,才能起到更好的效果。我國(guó)鹽漬化土壤分布較廣,但是根據(jù)鹽漬化土壤形成機(jī)理可以將其分為濱海鹽漬土、東北鹽漬土以及西北內(nèi)陸鹽漬土三大類(lèi)型。針對(duì)每一類(lèi)型鹽漬化土壤,從土壤結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物以及耐鹽植物等多維度進(jìn)行全面、系統(tǒng)的改良,最終建立適宜每種類(lèi)型鹽漬化土壤的土壤改良和生態(tài)修復(fù)體系。