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“三北”地区盐碱地治理技术研究进展

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  摘要    盐碱地是我国重要的后备耕地资源。我国盐碱地面积巨大、分布广泛,盐渍化耕地超过20%。盐碱地的开发和治理,尤其“三北”地区对提高粮食产量和改善生态环境具有极其重要的意义。本文对近60年“三北”地区盐碱地治理技术的研究进行综述,提出盐碱地治理的策略和途径,为未来盐碱地改良技术的开发提供参考价值。
  关键词    盐碱地;治理技术;建议;“三北”地区
  土壤盐渍化是全球高度关注的资源和生态问题,是一个世界性的难题。据统计,全球盐渍土面积为10亿hm2,且以每年125亿hm2的速度增长[1]。中国是土壤盐渍化危害比較严重的国家,盐碱地总面积为9 900万hm2,约占全国陆地面积的10.3%,主要分布在东北、西北和华北地区,并以每年1.5%的速度增长[2]。盐碱地的开发利用是补充耕地、提高耕地产能,以保障粮食安全和实现农业可持续发展的重要途经。土壤瘠薄、水资源匮乏、盐碱化程度高是盐碱地开发的主要限制因素。土壤水盐运移受气候、土壤质地、农田管理措施等因素的影响。因此,应根据不同区域盐碱土的特征,针对性地采取治理措施。
  改良盐碱土是我国面临的主要难题。近年来,国内外开展了大量盐碱土改良方面的研究,并取得了大量成果。盐碱地的合理开发和利用对我国农业的可持续发展、改善生态环境具有重要意义。目前,国内外盐碱地改良主要包括化学、生物和物理改良等治理措施[3]。本文总结了“三北”地区关于盐碱地治理的措施,并比较不同措施的优缺点。
  1    “三北”地区盐碱地概况
  “三北”地区指东北(黑龙江、吉林、辽宁)、华北(北京、天津、河北、山西、内蒙古)、西北(陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆),横跨东经73°26′~127°50′,北纬33°30′~50°12′,占国土总面积的42.4%。“三北”地区盐碱地面积2 984.98万hm2,占全国盐碱地面积的82.2%,轻度、中度、重度盐碱地面积分别占“三北”地区盐碱地面积的48.8%、35.4%、15.8%[4]。甘肃、宁夏和内蒙古盐碱地以硫酸盐为主,新疆和吉林分别以氯化物、碳酸盐为主[5]。20世纪40年代,形成以水利工程为中心改良盐碱地的基本理论,如防渗、灌溉和排水等治理措施[6];50年代提出植物和化学改良盐碱地理念;近年对盐碱的研究向耕作土壤的综合改良与治理方面发展[7]。治理盐碱化土壤,需要建立在改善生态环境条件,良好的农林牧业生态系统之上,因而要因地制宜,以水肥为中心,土、水、作物结合,全面规划,综合治理,把盐碱地区建设成旱涝保收、稳产高产的农牧业生产基地。
  2    盐碱地治理的基本措施
  因地制宜地选择适宜的改良方法是盐碱地治理成败的关键。目前,我国盐碱地治理有物理、化学和生物等多种途径。“三北”地区盐碱改良方法主要有以下几类。
  2.1    物理改良技术
  2.1.1    土壤改良技术。耕作措施主要包括深松、深翻,可有效减轻盐碱危害,增加作物产量。深翻即土层置换10~12 cm能抑制盐碱3~4年,置换13~15 cm能抑制10~15年,置换16~20 cm能抑制20年左右[8],表明深翻可有效抑制土壤返盐。目前,农民整地普遍停留在25 cm的深度,25~50 cm的土壤多年来一直没有得到深松、翻耙,已经形成了严重的板结层,土壤中的盐分得不到有效的冲洗和下沉[9],形成盐碱土。深松土和浅翻轻耙可有效改善盐碱土黏重、土壤团粒结构和透气、透水性[10-13],进而减轻土壤盐渍化。深翻配施有机肥、秸秆、炉渣等不仅提高了作物产量,也可改善土壤的物理性状,提高土壤肥力水平[9-12](表1)。
  2.1.2    水利改良措施。盐碱地的水利改良措施基于“盐随水来,盐随水去”的水盐运移规律,进行排水或灌溉减盐[12],主要方法包括引水洗盐、咸水灌溉和引洪淤溉[18]。用含盐浓度在0.7%~2.0%的咸水灌溉,可大大提高多种粮油作物的产量[8](表2)。
  2.2    化学改良方法
  2.2.1    天然改良剂。改良剂的原料为草炭、天然沸石、糠醛渣及生物菌等,主要作用是改良土壤结构,提高透气性和可耕性[12]。施沸石3.8 t/hm2,产水量5.5 t/hm2,比对照增产21.7%。施用沸石后,土壤全盐量由0.240%降至0.179%,即降低25.42%,土壤pH值从9.5降至9.0,碱化度由13.98%降至7.11%,Na+由0.09%降至0.03%,HCO3-由0.12%降至0.06% [21]。
  2.2.2    化学改良剂。重度盐碱土改良通常采用化学改良剂与土壤胶体发生化学反应。常用的化学改良剂主要包括含钙物质,如石膏、磷石膏、氯化钙、过磷酸钙等[25];酸性物质,如硫酸、硫酸亚铁、硫磺、磷酸、盐酸、硫酸铵和风化煤等[26]。施用化学改良剂可提高土壤脱盐率、增加作物产量[27-28],如施用石膏可使水稻产量脱盐率提高50%,增产16.0%~18.5%;施用磷酸三钠可中和土壤碱性,补充土壤磷素[29](表3)。
  2.2.3    添加肥料。施用有机肥可有效提高土壤有机质含量、作物产量和耐盐性[10,21]。50 kg腐殖质能吸附约15 kg Na+ [30],具有降低土壤电导率的作用[2]。轻度盐碱地施加氮肥,可以提高青贮玉米产量和品质[31],氮肥总量减少10%,水稻品质有所提高[32]。盐碱地水稻产量受施肥量和肥料种类的影响。有机肥施用量45~60 t/hm2,水稻产量较不施肥的处理增加19.1%~21.6%。有机肥施用量15~30 t/hm2,产量增加8.5%~17.1%。施用纯氮163.5 kg/hm2较低施氮量(101.3 kg/hm2)产量提高29.3%[21]。   2.3    生物改良方法
  植物蒸腾作用强烈,使地下水位下降,减轻次生盐碱发生,可通过植物抗盐、避盐等生物特性改良盐碱地[33]。由于耐盐植物对土壤盐分的大量吸收和体内累积作用,土壤中盐分被植物吸收后,通过收割去除盐分[12]。
  2.3.1    植树造林。pH值8.5~9.6的苏打盐碱地可种植小黑杨、旱柳、家榆、白榆、黑杨、糖械、水曲柳、柽柳、沙棘、丁香、沙枣等[34]。柽柳、枸杞可作为重度盐碱地造林的主栽树种,但pH值大于9.5的盐碱地不适宜种植[35],白榆[36]可作为重度盐碱地造林的参考树种;柽柳、白榆、枸杞可作为中度盐碱地造林的主栽树种[37-39],银中杨、小黑杨可作为参考树种;柽柳、银中杨、糖槭、枸杞[37]、小黑杨、白榆和四翅滨藜[40]可作为轻度盐碱地造林的主栽树种,沙枣、垂柳可作为参考树种[41](表4)。
  2.3.2    活性微生物菌肥。盐碱地施酵素生物菌肥料,采用简塑盘大棚育壮秧,浅翻,洗盐排碱,配施氮、磷、钾、锌肥,综合防治病虫草害等综合栽培措施,水稻产量达到8.5 t/hm2 [48]。
  2.3.3    种植绿肥。绿肥是培养地力的重要物质基础。田菁是北方盐碱改良极有发展前途的重要先锋绿肥[19]。草木樨一年可以固氮75~240 kg/hm2,具有生物固氮的效用,也可作饲草[49]。绿肥可选一年生的豆科毛叶苕子、多年生的百脉根和小冠花,毛叶苕子1年可收2茬鲜草,合计产量266.7 kg/hm2,折合干物质产量43.3 kg/hm2;多年生的百脈根和小冠花,播种后第2年产鲜草200 kg/hm2,累计干物质产量大于33.3 kg/hm2 [50]。
  2.3.4    种植耐盐碱植物。碱茅草是改良我国“三北”地区盐渍土的理想牧草[51-52]。碱茅草在土壤含盐量1.5%~2.5%的重度盐碱地生长旺盛,种植1年后0~60 cm土壤含盐量由3.8%下降至0.9%,0~40 cm土壤有机质增加1 000 kg/hm2 [27]。0~30 cm土层,以硫酸盐为主的盐渍土含盐量3.0%~5.0%,以氯化物为主的盐渍土含盐量2.0%~3.0%,以苏打盐为主的盐渍土含盐量1.0%~1.5%,均适宜种植碱茅草[53]。碱茅草在苏打碱土及0~5 cm土层的总盐量达3.17%、pH值为10的重盐碱上能生长繁茂;在pH值8.9、总盐含量4.90%的(0~100 cm)氯化物盐土上出苗率达100%[54]。碱茅种子出苗期适宜的土壤盐碱度为1.71%,临界盐碱度为3.10%。苗期以后耐盐性逐渐提高,可在2.47%~2.79%的盐碱土正常发育生长,成株的耐盐碱度高达4.25%[55]。
  不同牧草及其品种对盐碱地改良效果和耐盐性存在明显差异[56]。如禾本科牧草林肯无芒雀麦、奥比特高冰草和北美雀麦等为耐盐品种(盐胁迫适宜值0.41%,盐胁迫临界值0.77%)。紫花苜蓿适合在轻度和中度盐碱地种植,虎尾草、马蔺可在重度盐碱地种植,具有改善土壤物理性状和减少盐分的作用(表5)。因此,在盐碱地改良的过程中,要考虑初始土壤盐碱含量、牧草种类及其品种。
  此外,黑龙江省种植水稻可以有效改良土壤盐碱地[19,70-78]。但盐碱地水稻种植需要保温旱育苗[79],配合化肥深施可明显提高水稻产量[80]。1984年之前吉林盐碱地水稻产量由原来的4.3 t/hm2 [22]增至5.6~6.0 t/hm2 [81]。盐分含量0.3%的中度盐碱土壤种植水稻,3年平均产量可达到7.5 t/hm2 [82]。盐碱井灌稻区水稻产量为7.68 t/hm2,比旱育苗人工插苗提高8.8%,且提早5 d成熟[83]。
  3    盐碱地改良建议
  3.1    培育壮苗,旱育稀植,抛秧种稻
  pH值6.5~7.0旱地育苗,提高幼苗对盐碱地的适应性,促进水稻根系发育,育苗成功后带营养土向稻田上空抛撒方式种稻[16],通过对插秧前四叶期苗情调查,抛苗平均茎粗0.3 cm,根长6.0 cm,根数18~22条;常规育苗平均茎粗为0.25 cm,根长4.0 cm,根数13~15条[22]。吉林水稻壮苗稀植平均产量7.5 t/hm2 [84]。
  3.2    实行高效种植模式
  小麦套种草木樨,玉米间种草木樨[16],加拿大小麦与三叶草、雀麦草和紫花苜蓿轮作8年后,0~30 cm土层电导率下降了55%[8]。星星草与羊草混播的覆盖率最高,覆盖率达90%,是紫花苜蓿的6倍[9]。pH值8.68的盐碱土种植水稻可以获得较高的产量。水稻田每昼夜渗漏1 cm水层、施用有机肥750 kg/hm2的处理产量较无渗漏、单施化肥的处理极显著增产,分别增加0.19、1.02 t/hm2 [85]。1969—1973年,粮草轮作区(草木樨-草木樨-高粱-谷子-玉米)5年粮食总产量4.8 t/hm2和粮食轮作区(玉米-谷子-高粱-谷子-玉米)5年粮食总产量4.1 t/hm2比较,增产0.7 t/hm2 [49]。吉林鱼麦轮作模式减轻了土壤次生盐碱化的危害[86]。向日葵耐盐碱适应性强[87],可与草木樨和紫花苜蓿套种,此种模式下苜蓿地上部分鲜重可达1.5 t/hm2 [88]。
  3.3    覆盖免耕控盐
  秸秆覆盖、地膜覆盖、水泥硬壳覆盖和沥青覆盖[89]都可应用到改良盐碱地。裸碱地上扦插和平埋玉米秸秆可使土壤表层可溶性盐分明显下降[12],扦插玉米秸秆对重盐碱地改良有良好的效果。免耕盐碱地覆盖秸秆,农田土壤含水量增加1.37%~5.24%,脱盐率达到40%~70%,增产44.2%~94.1%[8],大豆比常规措施增产21.5%。农作物秸秆还田还具有增加腐殖质、降低盐碱度和提高Ca活度等作用[25]。   3.4    合理植物配置
  弱盐碱地,杨柳科2种(新疆杨、银白杨);豆科1种(紫穗槐);菊科2种(菊芋、波斯菊);鸢尾科1种(马蔺)。轻盐碱地,菊科2种(菊芋、波斯菊);鸢尾科1种(马蔺);豆科1种(紫穗槐);藜科1种(碱蓬)。重盐碱地,菊科1种(菊芋);鸢尾科1种(马蔺)[90]。
  3.5    综合防治
  重盐碱地通过洗盐碱或置换土层,洗盐碱废水调低盐碱度后可再次灌溉,置换的重盐碱土层可用于构建温棚。经过洗盐碱洗碱或暗管排盐降低土壤盐碱含量,通过施加有机肥和细沙可进一步降低盐碱地对植物的毒害作用,用柽柳和枸杞将盐碱地分割成小面积土地后,可种植马蔺、虎尾草和碱茅等,化肥引路,选取酸性化肥如硫酸铵、过磷酸钙、硫酸钾,秸秆还田,适量施用磷肥[91]。2年后可种植苜蓿和草木樨等,3年可恢复农田生产。
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