魯西北黃泛區(qū)土壤障礙因子應(yīng)對策略研究進展

董艷芳 周曉琳 李洪杰 王玉霞 杜夢揚 李子雙

摘要 ?魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田面臨著鹽堿、干旱和澇漬3種常見的土壤障礙因子，綜述了3種土壤障礙因子對土壤性質(zhì)和植物生長的危害，從植物生理和技術(shù)措施兩個層面闡述了3種土壤障礙因子的應(yīng)對策略研究進展，分析了土壤障礙因子應(yīng)對研究中存在的問題，對魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田土壤未來合理高效利用的研究方向進行了展望，以期為魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田土壤的合理高效利用提供理論參考。

關(guān)鍵詞 ?魯西北黃泛區(qū)；土壤障礙因子；鹽堿；干旱；澇漬

中圖分類號 ?S155.3 ??文獻標(biāo)識碼 ?A ??文章編號 ?0517-6611（2023）05-0015-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.005

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research Progress on Countermeasures of Soil Obstacle Factors in the Yellow River Flood Area of Northwestern Shandong Province

DONG Yan-fang， ZHOU Xiao-lin，LI Hong-jie ?et al

（ Dezhou Academy of Agricultural Science， Dezhou， Shandong 253015）

Abstract ?The farmland in Yellow River flood area of Northwestern Shandong Province is faced with three common soil obstacle factors： saline-alkali， drought and waterlogging. In this article， the hazards of three soil obstacle factors to soil properties and plant growth were summarized. The research progress of countermeasures for the three soil obstacle factors was expounded from the perspectives of plant physiology and technical measures. The problems existing in the study of soil obstacle factors were analyzed. The future research direction of rational improvement and utilization of farmland soil in Yellow River flood area of Northwestern Shandong Province was prospected. In order to provide a theoretical reference for the rational and efficient utilization of farmland soil in the Yellow River flood area of Northwestern Shandong Province.

Key words ?Yellow River flood area;Soil obstacle factors;Saline-alkali;Drought;Waterlogging

基金項目 ??國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1901002）；山東省重大科技創(chuàng)新工程項目（2019JZZY010716）；山東省重點研發(fā)計劃項目（2021CXGC010804）；山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目“山東省冬小麥種肥混播技術(shù)模式集成創(chuàng)新與示范”；德州市市級研發(fā)計劃項目“德州農(nóng)田土壤改良機理與新技術(shù)研究”；德州市市級研發(fā)計劃項目“德州地區(qū)綠肥應(yīng)用模式及利用技術(shù)研究與示范”。

魯西北黃泛區(qū)屬于黃泛沖積平原的一部分，是山東省內(nèi)潮土的主要分布區(qū)［1］，地表坦蕩，土層深厚，光、熱、水充足，糧食作物增產(chǎn)潛力巨大。該區(qū)地貌主要因黃河多次遷徙、泛濫而形成。

鹽堿、干旱和澇漬是魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田所面臨的常見土壤障礙因子。魯西北黃泛區(qū)需積極有效應(yīng)對農(nóng)田土壤障礙因子，才能真正確保魯西北農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。該研究綜述了鹽堿、干旱和澇漬3種土壤障礙因子的危害，從作物生理和技術(shù)措施2個層面闡述了應(yīng)對3種土壤障礙因子的研究進展，分析了土壤障礙因子應(yīng)對研究中存在的問題，對魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田土壤未來合理利用的研究方向進行了展望，以期為魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田土壤的合理高效利用提供理論依據(jù)和參考。

1 3種土壤障礙因子的危害

魯西北黃泛區(qū)最主要的地貌類型是緩坡平地、河灘高地和淺灘洼地，面積占比見圖1。其中，緩坡平地地勢平緩，排水不暢，地下水埋藏淺，鹽度高，土壤屬鈣質(zhì)潮土，易鹽漬化；河灘高地地形部位相對較高，由黃河干流洪水沖積而成，土壤質(zhì)地較輕，地下水埋藏較深，易受干旱威脅；淺灘洼地由黃河泛濫時主河道以外的靜水沉積而形成，地勢低于周邊，易積水，易受內(nèi)澇威脅［2-3］。

1.1 鹽堿的危害

鹽堿地通氣透水性差，易積水，土壤質(zhì)地黏重，會抑制土壤微生物的活性，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分分解緩慢，從而使土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足［4］，鹽堿危害示意見圖2。土壤鹽堿化會阻礙地表土壤溫度升高，降低土壤酶活性和好氧微生物活性，降低土壤有機質(zhì)含量和土壤肥力，增加土壤容重，加劇表層土壤鹽分的積累，影響植物的正常生長［5］。土壤鹽堿化會破壞植物組織，影響氣孔收縮和養(yǎng)分吸收［6］。鹽堿化土壤溶液中含有大量可溶性鹽分，使?jié)B透壓升高，導(dǎo)致植物根系難以吸收水分和養(yǎng)分，抑制植物生長并對植物產(chǎn)生毒性作用，從而引起植物生理干旱［7］，同時，鹽堿化會導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧的積累，從而損害甚至殺死植物細胞［8］。在鹽堿地中生長的植物往往會因缺鈣離子和鉀離子而產(chǎn)生營養(yǎng)脅迫，會造成植物營養(yǎng)失調(diào)，表現(xiàn)為抑制植物組織和器官的生長［9］。

1.2 干旱的危害

干旱導(dǎo)致土壤水分嚴(yán)重不足，威脅土壤微生物的生長，使土壤微生物數(shù)量急劇減少，導(dǎo)致土壤各種生化活動減弱［10］，干旱危害示意見圖3。研究表明，干旱可以通過影響土壤溫度、氣體交換和微生物的養(yǎng)分輸送來影響微生物種群的活動和分布，導(dǎo)致土壤微生物碳減少［11-13］。干旱會促使植物發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)來適應(yīng)環(huán)境，影響農(nóng)藝性狀的正常形成［14-15］。干旱會降低光合效率、葉片光合速率和蒸騰速率，降低葉面積指數(shù)，最終降低生態(tài)系統(tǒng)的總初級生產(chǎn)力［16-17］。在干旱條件下，植物細胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧，與生物大分子反應(yīng)生成具有強氧化性的膜質(zhì)過氧化物和各種小分子降解物，導(dǎo)致膜過氧化，破壞膜的完整性，降低保護膜的活性［18-19］。研究表明，干旱在一定程度上抑制小麥種子萌發(fā)和幼苗生長［20］，苗期干旱顯著影響小麥器官生長，從而影響小麥產(chǎn)量［21］；干旱可抑制苗期植物和根系的生長，降低株高，減少葉面積，降低植物生物量，增加根冠比［22-23］。

1.3 澇漬的危害

澇漬地濕黏土壤持水能力強，釋水力弱，導(dǎo)水能力差［24］，土壤與外界的氣體交換受阻時植物呼出二氧化碳，空氣中的氧氣只能通過分子在土壤中擴散的形式在土壤中擴散，這是由于氧氣在土壤中的分子態(tài)擴散速率極慢，限制對氧的需求，根區(qū)土壤呈強還原性，土壤有機質(zhì)分解消耗溶解氧，產(chǎn)生大量毒害植物根系的有毒物質(zhì)，影響根系生長，阻礙根系養(yǎng)分運輸吸收利用，嚴(yán)重時產(chǎn)量低下甚至停產(chǎn)［25-26］，澇漬危害示意見圖4。澇漬會導(dǎo)致作物營養(yǎng)失調(diào)，品質(zhì)和產(chǎn)量下降［27-28］；延緩葉片生長速度，使葉片失綠、萎蔫、老化等［29-30］；影響作物干物質(zhì)的積累，降低穗粒數(shù)、千粒重，繼而影響產(chǎn)量［31］，此外，澇漬還顯著降低谷物中與淀粉和蛋白質(zhì)合成相關(guān)的關(guān)鍵酶的活性，影響各成分的含量，從而影響谷物品質(zhì)［25］。

2 3種土壤障礙因子的應(yīng)對策略研究進展

2.1 鹽堿的應(yīng)對策略研究進展

目前，植物耐鹽堿的研究主要集中在種子萌發(fā)、幼苗生長、生理生化等方面，通過加入外源物質(zhì)、與真菌的協(xié)同效應(yīng)、利用生物技術(shù)手段、培育耐鹽堿品種等方式，可以提高植物的耐鹽堿能力。在低濃度鹽溶液條件下，紫花苜蓿種子的發(fā)芽特性優(yōu)于蒸餾水［32］。苜蓿種子在高鹽濃度下能夠發(fā)芽，在低鹽濃度下獲得較高的發(fā)芽率［33］。外源硅誘抗可以提高在堿脅迫下紫花苜蓿抗氧化、滲透調(diào)節(jié)以及離子平衡調(diào)控能力，進而提高堿脅迫下紫花苜蓿的耐堿性［34-35］。野生大豆S-腺苷蛋氨酸合成酶基因的過表達通過增加抗氧化酶和羥基氧化酶的活性及相關(guān)基因的表達來提高轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽堿性［36-38］。在鹽脅迫情況下，絨毛白蠟植株通過增加脯氨酸含量提高過氧化物酶的活性來保護植物免受傷害，以提高耐鹽堿性［39-42］。在鹽堿脅迫下，增加鈣離子含量可以提高水稻、小麥、番茄的耐鹽堿能力［43-45］。葉面噴施亞精胺會明顯促進番茄生長，提高其耐鹽堿性［46］。在小麥上接種內(nèi)生菌可提高植物的耐鹽堿性［47］。過表達SlSAMS1在番茄中可以促進多胺的積累，提高過氧化氫酶的活性，減緩細胞的氧化損傷，增強其耐鹽堿能力［48］。發(fā)芽前用不同梯度的鹽水溶液浸泡種子，種子吸水膨脹后，可提高植物的耐鹽堿能力［49］。

鹽堿地改良主要通過工程措施、農(nóng)藝措施、化學(xué)措施、生物措施［50-51］。工程措施包括水利工程措施和土地整治工程措施，其中，水利工程措施主要有灌溉洗鹽、排水脫鹽、節(jié)水控鹽和改排為蓄［4］。陜西鹵泊灘鹽堿地治理工程堅持因地制宜，探索了“改排水為蓄、水地共生、和諧生態(tài)”的治理模式［52］。土地整治工程措施主要有平整土地、客土改良、鋪沙壓堿［4］。宮秀杰等［53］采用“土層置換+秸稈阻斷”的方法，顯著降低了松嫩平原北部鹽堿地土壤耕層的鹽分。農(nóng)藝措施主要有耕作、覆蓋及培肥。研究表明，地膜覆蓋種植油葵結(jié)合沙封種植孔，可促進鹽堿地油葵生長［54］。樂陵鹽堿地高粱田試驗研究表明，壟溝深松、耕深松能促進作物根系發(fā)育，顯著提高作物產(chǎn)量［4，55］。化學(xué)措施主要在土壤里施入改良劑來改善土壤理化性質(zhì)和土壤團聚體結(jié)構(gòu)。高肥力結(jié)合土壤改良劑和高肥結(jié)合有機肥的施肥模式可以顯著降低土壤鹽分含量，促進土壤養(yǎng)分積累，顯著提高小麥和玉米的產(chǎn)量［56］。在沿海鹽堿土壤中添加生物炭和EM可降低鹽分含量并改善土壤質(zhì)量，改善植物養(yǎng)分吸收刺激植物生長［57］。在沿海鹽堿地作物栽培中，施用造紙干粉和糠醛渣可緩解鹽堿脅迫，提高土壤微生物代謝活性［4，58］。生物措施主要是植物改良措施和微生物改良措施，其中，植物改良措施主要包括種植耐鹽植物和種植綠肥植物［4，50］。研究表明，耐鹽植物顯著降低土壤容重和地表土壤鹽分，增加土壤微生物量［59］。從美國引進的多年生阿爾岡金苜蓿在西哈茂草原大面積種植，改善了土壤理化性質(zhì)，增強了保水保肥能力［4，60］。微生物改良措施包括利用微生物提高植物的耐鹽性和施用微生物肥料［50］。麥稈和纖維素分解真菌同時接種麥稈可提高豆科植物在鹽環(huán)境中的固氮能力，增強抗鹽性［4，61］。在鹽堿地施用生物菌肥可促進可溶性蛋白質(zhì)的增加，降低葉片中脯氨酸的含量，增加土壤養(yǎng)分，提高作物的耐鹽堿性［62］。

2.2 干旱的應(yīng)對策略研究進展

干旱條件下，作物會形成一系列應(yīng)對干旱脅迫的反應(yīng)和抵御干旱的機制［63］。近年來，作物抗旱性的研究主要集中在作物種子的發(fā)芽特征、形態(tài)特征、生理生化等方面。適度的干旱促進藜麥種子中游離氨基酸含量的增加，促進過氧化物酶活性提高，促進種子萌發(fā)［64］。干旱脅迫下，藜麥葉片蒸騰減少，葉片保持較好的水勢，形成較低的滲透勢，提高水分利用效率，增強抗旱性［62，65-66］。在干旱條件下，根系會增加土壤中的體積和根長密度，從而改善土壤水分供應(yīng)［67］。在一定的干旱脅迫下，植物細胞可以通過合成更多的可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖來提高滲透勢，促進根系對水分的吸收，適應(yīng)干旱［68-69］。在干旱脅迫下，脫落酸在根部積累并通過木質(zhì)部運輸?shù)街l保衛(wèi)細胞，調(diào)節(jié)氣孔開放和葉片生長［70-71］。對甜菜抗旱生理生化及分子機制進行系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下增加脯氨酸和甜菜堿含量可提高甜菜抗旱性［72-75］。

為了提高應(yīng)對干旱災(zāi)害的能力，減少干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的損失，學(xué)者們進行了大量研究，提出了一系列因地制宜的防旱抗旱措施。玉米栽培實踐中，采取秸稈覆蓋、深耕深翻、推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)等抗旱措施［76］。對茶園茶樹通過淺耕除草，蓋遮陽網(wǎng)、蓋膜，培土鋪草覆蓋的方式抗旱［77］。豫北麥區(qū)抗旱措施有對干旱災(zāi)害預(yù)測預(yù)警、培育耐高溫抗熱害高光效的新品種、深耕打破犁底層、采用農(nóng)家肥與化肥結(jié)合、科學(xué)灌溉等抗旱措施［78］。蘋果果園抗旱管理措施主要有覆膜、覆草、覆沙等覆蓋措施，全園生草，穴貯肥水，節(jié)水灌溉等［79］。我國南方干旱應(yīng)對策略主要有在旱災(zāi)高危地區(qū)實施人工天氣和開發(fā)空氣水資源，在脆弱地區(qū)實施生態(tài)環(huán)境改造，保障糧食安全與實施策略降低農(nóng)業(yè)風(fēng)險，合理利用水資源等［80］。

2.3 澇漬的應(yīng)對策略研究進展

澇漬條件下，植物積極適應(yīng)和抵抗?jié)碀n的環(huán)境［81］。植物在淹水條件下形成不定根，降低氧擴散阻力，增加吸氧面積［82］。大豆淹莖基部逐漸增厚產(chǎn)生不定根，不定根和主根的皮層均形成通氣組織［83］。一些水稻植株在淹水過程中通過節(jié)間伸長、葉片伸長和葉鞘伸長獲得氧氣［84］。在澇漬脅迫下，植物體內(nèi)誘導(dǎo)合成了一些新的蛋白質(zhì)和酶［85］?；ㄉ吭跐碀n脅迫下表現(xiàn)出一定的增粗現(xiàn)象，這與發(fā)育良好的通氣組織的形成有關(guān)［81］。水澇脅迫下，菊花谷胱甘肽含量隨脅迫程度的加深而升高［86］。耐澇性高的大麥品種不定根切片中存在大量通氣組織，促進了氧氣向根系的運動，提高了作物的耐澇性［87］。通過基因工程技術(shù)將甘露醇、脯氨酸、果聚糖等滲透保護物質(zhì)生物合成的關(guān)鍵酶基因引入植物中，使其過表達，可在一定程度上提高植物的抗?jié)承裕?8-89］。黃瓜淹水后，游離脯氨酸在植物體內(nèi)迅速積累，清除羥基自由基，降低細胞滲透勢，減輕淹水對植物的傷害［90］。通過基因改造將一些耐澇基因引入植物中，可獲得抗?jié)巢牧希?1］。

澇漬地管理的原則是及時排出田間多余的水分，控制地下水位，為作物提供適宜生長的水土環(huán)境。澇漬地的管理方式包括明渠排水、暗管排水、聯(lián)合排水和控制排水。其中，明渠排水加快了農(nóng)田水分的運動［92］。暗管排水可降低地下水位和土壤含水量，提高土壤溫度，降低土壤容重，提高總空隙度，提高滲透系數(shù)，改善土壤理化性質(zhì)［93］。農(nóng)田控制排水具有節(jié)水、提高農(nóng)業(yè)水肥利用效率、提高雨水利用率、減少農(nóng)業(yè)污染物排放的綜合作用［94-95］。澇漬地治理的最終目標(biāo)是提高澇漬地的綜合利用效益［92］。澇漬地具有巨大的生產(chǎn)潛力，可用于農(nóng)業(yè)種植和水上種植及多種經(jīng)營的開發(fā)［96-97］。采用棉花秸稈還田技術(shù)改良澇地，對提高土壤有機質(zhì)含量、土壤肥力、土地自然生產(chǎn)力，增加土壤速效養(yǎng)分含量，減少化肥消耗及降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本具有積極作用［94］。

3 研究中存在的問題

近年來，國內(nèi)外在應(yīng)對3種土壤障礙因子方面進行了很多有益探索，提供了大量可靠的數(shù)據(jù)和理論支持，但也存在一定的局限。

（1）對鹽堿條件下的植物生理層面的研究存在著模糊鹽化條件和堿化條件的現(xiàn)象，雖然鹽化與堿化經(jīng)常同時發(fā)生，相互影響，但是在研究中需明確主導(dǎo)影響因子，才能確保研究的科學(xué)性。此外，植物生理層面的研究缺少對植物生命全過程的關(guān)注，僅僅集中在種子萌發(fā)、幼苗生長等方面，缺少對植物不同生長時期不同部位的研究及分子機制方面更深層次的研究。在鹽堿地的改良措施中，工程措施投資高且易帶來次生鹽漬化現(xiàn)象，農(nóng)藝措施作用時間短，化學(xué)措施容易帶來二次污染，生物措施周期相對較長［51］。目前各地對鹽堿地進行統(tǒng)籌規(guī)劃的重視程度尚不夠，未能充分發(fā)揮出鹽堿地的土地資源優(yōu)勢。

（2）對干旱條件下的植物生理層面的研究存在分子機理研究不深入，缺乏綜合性指標(biāo)鑒定體系，育種進程緩慢等問題。在不同抗旱措施方面，干旱監(jiān)測體系建設(shè)不夠完善，多種抗旱措施結(jié)合的研究不夠，作物抗旱性與各種抗旱措施相結(jié)合研究的重視程度不高。

（3）對澇漬條件下的植物生理層面的研究存在耐澇漬機制基因型研究少，對耐澇漬基因的遺傳特性、耐澇漬育種的研究力度不足等問題。在應(yīng)對澇漬措施上，澇漬監(jiān)測不夠及時精準(zhǔn)，抗?jié)臣夹g(shù)理論體系尚未建立，對作物抗?jié)承缘倪m應(yīng)機理研究還不夠。

4 展望

針對魯西北黃泛區(qū)農(nóng)田土壤所面臨的3種土壤障礙因子現(xiàn)狀，除應(yīng)統(tǒng)籌應(yīng)對3種土壤障礙因子，統(tǒng)一規(guī)劃堿旱澇，完善排灌系統(tǒng)，推廣多元化種植，完善農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善耕地質(zhì)量，提升土壤肥力，充分發(fā)揮地方資源優(yōu)勢外，建議今后從以下幾個方面開展相關(guān)研究。

（1）在農(nóng)田鹽堿地改良利用方面，需結(jié)合農(nóng)田土壤實際情況，采取物理改良、化學(xué)改良與生物改良相結(jié)合的方式，突出多種措施的優(yōu)點，因地制宜，并進一步加大培育耐鹽堿植物的研究力度，加大對耐鹽堿植物不同生長時期不同部位的研究力度，更深入地研究耐鹽堿植物分子機制方面，積極篩選土壤改良劑、選擇和培育耐鹽堿的植物新品種，盡快建立起完善的植物耐鹽堿體系。

（2）在農(nóng)田防旱抗旱方面，在生產(chǎn)實際中需創(chuàng)新思路，在完善干旱監(jiān)測體系、制定好因地制宜的防旱抗旱措施的同時需著力對作物抗旱生理生化及分子機制進行研究，完善干旱綜合性指標(biāo)鑒定體系，加快抗旱植物育種進程，培育高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物新品種。

（3）在農(nóng)田防澇抗?jié)撤矫妫枚喾N土壤水分監(jiān)測方法及時做好作物澇漬監(jiān)測，結(jié)合實際地形特點選取適合的排澇與除澇措施，加大作物抗?jié)承缘倪m應(yīng)機理的研究，建立完善的抗?jié)臣夹g(shù)理論體系，選育優(yōu)良耐澇的種質(zhì)資源。

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