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鹽堿地改良技術

  鹽堿土是各類鹽土、堿土以及不同程度鹽化和堿化土壤的統稱。由于土體中含有大量鹽堿成分,并具有不良理化性質,致使植物生長受到抑制,甚至不能生長。據農業部第二次全國普查統計資料顯示,我國鹽堿土資源總面積約為3467×104 hm2,居世界第三位,而目前已開墾種植的鹽堿土面積僅為577×104 hm2,此外,我國耕地中鹽堿化面積達到920.9×104 hm2,約占耕地總面積的6.62%。作為我國重要的后備耕地資源,改良和利用鹽堿地對補償日益減少的耕地面積、保障國家糧食安全具有重要意義。

  鹽堿土在我國分布廣泛,其中西北、華北、東北及沿海是我國鹽堿土的主要分布區域,受區域氣候、地形、母質、水文地質及生物等因素的影響,鹽堿土類型多樣,且具有明顯的季節性、強烈的表聚性、較高的異質性、類型的復雜性以及積鹽和脫鹽的反復性等特點。依據地區的差異,鹽堿土可分為濱海鹽土、黃淮平原鹽漬土、松嫩平原鹽堿土、半荒漠內陸鹽土及荒漠鹽土。土壤水分是鹽分的溶劑也是鹽分運動的載體,鹽分在土壤中運動具有“鹽隨水來,鹽隨水去”特點。受土壤類型、氣候條件、地形及地下水等因素影響,土壤水鹽運移規律表現出明顯的區域性特點,以環渤海季風氣候區為例,該地區春季蒸發量大、降雨量少,深層土壤鹽分在水分驅動下逐漸向表層聚集,土壤表現為爆發式積鹽;夏季,降雨量逐漸增大,降雨淋洗使土體表現為淋鹽;秋季隨著降雨減少,但蒸發量依然較大,土壤也表現為積鹽,但沒有春季強烈;冬季,土壤出現凍結,深層土壤鹽分隨水分向凍層遷移,這個“潛在式”積鹽過程又為來年春季土壤“爆發式”積鹽創造了條件。
  鹽堿土和土壤水鹽運移的特點決定了鹽堿土改良利用的復雜性和多樣性。鹽堿土改良應以因地制宜和綜合改良為基本原則,并且在排鹽、隔鹽和防鹽的同時,積極地培肥土壤,以達到鹽堿土高效利用的目的。目前鹽堿地改良措施包括農業技術措施、農田水利措施、化學改良措施和生物改良措施等。
  一、農業技術措施
  物理改良措施主要通過客土、平整土地、地表覆蓋以及耕作措施等方法以改善土壤結構增強土壤滲透性、減少蒸發、來提高土壤鹽分淋洗效率。以上措施中,客土措施最為有效,但由于高昂的成本,在鹽堿地改良措施中一般不被采用;地表覆蓋措施是目前最常用的改良措施,地表覆蓋切斷了土壤水和大氣之間的交流,可有效地抑制土壤水分蒸發,降低鹽分在表層積累。其中覆蓋材料、覆蓋時間以及覆蓋量等對土壤水熱鹽動態有顯著的影響,地膜覆蓋可使土壤水蒸氣回流,并對表層鹽分具有有效的淋洗作用,隨覆蓋時間延長,土壤表層脫鹽效率有增大趨勢,在干旱地區以及春季干旱季節,提早覆膜有利于抑制土壤表層鹽分積累;此外,秸稈覆蓋對土壤鹽分也具有較好的抑制作用,同時,還增加土壤有機質,提高土壤肥力,對調節土壤水鹽狀況有重要作用;其他的覆蓋物也被利用與鹽堿地改良,如水泥硬殼覆蓋和沙石覆蓋等,它們對減少土壤無效蒸發,調節鹽分在土體中的分布,促進春播作物出苗等方面皆有一定作用。
  二、農田水利改良措施
  農田水利改良措施是依據“鹽隨水來,鹽隨水去”的基本原理,利用淡水淋洗的措施淋洗土壤鹽分,后經過排水措施把鹽分排出土體,并降低地下水位,減少鹽分在土壤表層累積,以達到改良鹽堿地的目的,這是目前鹽堿地改良中最有效的措施。采用井、溝、渠相結合的水利工程措施,利用機井抽提地下水灌溉,可以將表層土壤中的鹽分淋洗到耕層以下,同時產生較大的地下水位降深,在強烈返鹽季節控制地下水位在臨界水位以下,以減輕表層土壤返鹽。我國在水利工程改良鹽堿土方面做了大量的工作,取得了矚目的成績,特別是在我國黃淮海平原地區的井灌井排、排、灌、蓄、補綜合運用,雨水、地面水、土壤水和地下水的統一調控,均極大地加速了干旱、洪澇、鹽堿及咸水的綜合治理過程。
  三、化學改良措施
  鹽堿土尤其是堿土中Na+被土壤膠體吸附后,會導致膠體相互排斥和顆粒分散,土壤表現出濕時黏、干時硬、通氣透水和適耕性能差等物理特征,土壤堿化嚴重。通過向土壤中使用化學改良劑、有機肥可降低甚至消除這些不利影響,改善土壤理化性質。一般常見的化學改良劑包括石膏、氯化鈣、硫酸鈣、硫酸鋁、硫酸以及硫等,這些改良劑對以Na+為主的堿土具有良好改良作用。改良劑中二價陽離子如Ca2+,Mg2+可代換多余的交換性Na+,減少其吸附性,促進土壤顆粒凝聚,改善土壤結構,增強土壤滲透性。據研究通過施用化學改良劑,耕層土壤微結構中大粒級顆粒比重增大,毛管孔隙數量增多,土壤持水能力降低,而供水能力增強。通過施用石膏、過磷酸鈣等含鈣較高的化學改良劑,鹽堿土尤其是堿化土耕層中可交換性Na+含量和堿化度明顯降低。不同性質的化學改良劑,對鹽堿土改良效果不同,其中石膏對堿土的改良效果優于有機肥,有機肥對鹽土的改良效果優于石膏。雖然化學改良劑有效地改善土壤結構,但必須配合一些水利措施,以排出多余可溶性的Na+,以減少Na+對土壤不利影響,達到改良的效果。
  四、生物改良措施
  鹽堿地的生物改良通過引種、篩選和種植耐鹽植物來改善土壤物理、化學性質和土壤小氣候,從而達到減少土壤水分的蒸發和抑制土壤返鹽目的。有些改良植物具有較大的生物量和良好的耐鹽性能,地上部分收獲可移走大量鹽分。研究表明:種植堿蓬后,深層土壤Na+每年每畝土地可減少128kg;有些植物可通過其發達的根系改善土壤結構和增強土壤滲透性,以促進水分的入滲和鹽分淋洗;有些深根植物可通過水分吸收可使地下水位降低,緩解了部分土壤積鹽。通過生物改良措施增加了土壤表層覆蓋度,調節了土壤微氣候,從而減少了水分蒸發和抑制了鹽分積累,同時植物根系的生長改善了土壤結構提高了鹽分淋洗效果,地上部分生物量返回土壤后又能增加有機質,改善土壤結構和提高土壤肥力。但是生物改良也有其局限性,每種植物具有自己的耐鹽范圍,因此在耐鹽植物引進和種植的過程中,必須配合其他改良措施和肥料管理,為修復植物生長創造適宜的土壤水鹽條件。
  在鹽堿地改良中,應根據鹽堿地分布區氣候、地形和土壤等條件,合理選擇改良措施,并且各項措施應相互配合使用以達到綜合改良鹽堿地,促進土壤水鹽動態的良性循環。而各項措施均需要灌排工程措施的配合才能達到改良鹽堿地的目的,充足的淡水是以上改良措施的重要保證。但在鹽堿土分布區淡水資源嚴重匱乏限制了以上措施的實施,而鹽漬區豐富的淺層地下咸水和劣質水的開發和利用逐漸被人們所重視。
  五、咸水利用改良鹽堿地
  1. 微咸水灌溉改良鹽堿地
在淡水資源匱乏的背景下,鹽堿土分布區豐富的地下咸水可被看作為農業可利用的水資源。研究表明:咸水灌溉可在一定程度上緩解由于淡水不足造成的干旱問題,甚至可在不影響土壤性質的情況下,實現作物增產。但如果利用不當則會造成土壤退化和作物減產。目前,國內外針對咸水灌溉的灌溉水量和水質、灌溉方式及對土壤水鹽動態影響等方面開展了大量的研究工作。研究表明:一定礦化度咸水的入滲可有效地淋洗土壤鹽分,隨入滲水量的增加,土壤的脫鹽深度逐漸加深。利用咸水進行灌溉時,咸水含鹽量越高則應相應增大灌水定額,以減少鹽分在表層土壤滯留。利用咸水進行灌溉過程中,灌溉水帶入土壤的鹽分在土壤中累積與淋洗交替進行,當灌溉水礦化度大于3 g L-1,則有不同程度的積鹽。此外,咸水的SAR(鈉吸附比)水平對土壤理化性質也具有重要影響,咸水灌溉過程中,咸水的入滲對土壤具有雙重作用,一方面灌溉水中的鹽分有利于穩定土壤孔隙結構,提高土壤導水通氣性,隨咸水礦化度增加,咸水入滲加快;而另一方面,如果灌溉水中鈉離子比例較高時,則會導致土壤顆粒分散,土壤導水通氣能力下降。
  此外,咸水灌溉的關鍵是選擇適當的灌溉方式,目前,灌溉方式主要包括漫灌、溝灌、噴灌和滴灌,其中滴灌比其他灌溉方式能更好地調整根區土壤鹽分狀況和獲得更高的產量,同時可大大減少水資源的消耗。同一個地方可能會有不同礦化度的水源,利用不同水質咸水的方式主要包括咸水直接灌溉、咸淡混灌和咸淡輪灌,以盡量減少咸水含鹽量和節約淡水為最終目的。合理的咸水利用方式應根據當地氣候、土壤、水源條件及作物的耐鹽性等來確定。
  2. 冬季咸水結冰灌溉改良鹽堿地  
咸水結冰灌溉技術針對鹽堿地分布區地下咸水礦化度較高而不能直接用于灌溉的現實,通過冬季抽提當地地下咸水進行灌溉,在地表形成咸水冰層,依據春季咸水冰融化過程中咸淡水分離入滲的原理進行鹽堿地改良。由于咸水結冰灌溉的咸水來源于當地的地下咸水,融水入滲之后,咸水中鹽分和部分淋洗的土壤鹽分又回流至地下水,沒有外來鹽分進入農田系統,因此咸水結冰灌溉在重鹽堿區是安全和有效的改良措施,它實現了鹽分在土壤和地下水中的循環。研究表明:咸水冰融化入滲鹽堿土過程中,后融化出的微咸水和淡水的入滲,對土壤鹽分具有較好的淋洗效果。冬季咸水結冰灌溉時,灌水時期以抽提的地下咸水能夠穩定結冰氣溫的時間來確定,以河北省環渤海區為例,咸水結冰灌溉時期為1月上旬當氣溫低于-5℃時,此時抽取的地下水含鹽量為12g L-1左右,能夠穩定結冰。咸水結冰灌溉的水量以土壤含鹽量和灌溉定額方程而定。河北省環渤海區,利用12 g L-1的咸水進行冬季結冰灌溉可有效淋洗0-40 cm土壤鹽分的水量為180mm。融水完全入滲后,根層(0-40 cm)土壤鹽分含量可由高于1%迅速降至0.3%以下,此時配合春季地膜覆蓋措施,可將土壤鹽分維持在0.4%以下,保證了作物(棉花)整個生育期正常生長,并且當年便可獲得理想的作物產量。
  總之,鹽堿地的改良應遵循因地制宜、綜合治理的基本原則,依據區域氣候特點、作物生長發育規律及土壤水鹽動態規律,選擇合理的改良措施。

  本文來源:中國科學院遺傳與發育生物學研究所 劉小京研究員  

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