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我国盐碱地改良技术综述及展望
摘要
我国盐渍土面积约3 460万公顷,耕地盐碱化760万公顷,近1/5耕地发生盐碱化,盐碱地改良利用技术的发展,对于我国尤其是内陆干旱农业灌区农村经济持续健康发展、国土治理、生态环境保护等具有极其重要的现实意义。对近十几年来我国在盐碱地改良利用技术的多个层面研究现状进行综述,并就我国干旱区地理环境特性、灌区土壤盐碱化成因、盐分种类、作物结构及节水灌溉条件,如何进一步提高节水灌区排盐效果、增强盐碱地改良能力等问题,纵观国内外盐碱地治理技术,在传统的水盐运行理论基础上,提出“土壤水盐定向迁移”新理论,由此指出灌区农田“盐分上移地表排”的水利改良模式的研究发展方向。关键词 盐碱地;改良技术综述;研究展望土壤盐碱化是一个世界性的难题,全世界盐渍土面积约10亿公顷;我国盐渍土面积约3 460万公顷,耕地盐碱化760万公顷,近1/5耕地发生盐碱化,其中原生盐化型、次生盐化型和各种碱化型分布分别占总面积的52%、40%和8%。新疆盐碱化耕地约133.33万公顷,近1/3耕地盐碱化,其中80%以上为土壤次生盐碱化。新疆除伊犁河谷、阿勒泰地区和塔城部分地区土壤盐碱化较轻之外,其他地区土壤均有不同程度盐碱化,天山南麓、塔里木盆地西部各灌区最为严重,一些耕地由于次生盐碱化加重而被迫成为弃耕地。盐碱危害造成大量中、低产田和农民贫困,使大面积土壤资源难以利用,农业综合生产能力下降,严重影响农业生产发展和农民生活水平的提高。新疆耕地土壤盐碱化蔓延,若得不到有效控制和采取积极的治理措施,将制约绿洲灌溉农业的可持续发展。因此,新疆“十一五”规划重点内容之一就是大力开展盐碱地的综合治理工作,目前,盐碱地改良利用规划编制工作已正式启动,伽师、阿图什、库车、尉犁等6个自治区盐碱地改良试点区已实施。新疆盐碱地改良利用工作的启动,对于我国内陆干旱农业灌区农村经济持续健康发展、国土治理、生态环境保护等具有极其重要的现实意义。几十年来,国家和地方投入大量人力、财力和物力改造盐碱地,收到了较好的治理效果。随着我国盐碱地改良技术和研究的不断发展,在土壤盐分成因规律和特征、农田节水灌溉水盐运行机理、盐碱地改良利用技术措施等诸多方面都有新的发展和突破,取得了新的成果。盐碱地改良利用实践证明,盐碱地预防和治理是一个系统的综合治理工程,也是一个循序渐进逐步显效的过程。
1 研究现状综述根治盐碱化从而摆脱土壤盐碱化对农业生产和农业生态带来的危害,并非易事。正因为如此,在治理盐碱地的过程中我国科技人员和广大群众创造和积累了丰富的技术和方法,取得了卓越的成效。“盐随水来,盐随水去;盐随水来,水散盐留[1]”,就是人们在长期治理过程中发现和总结出来的土壤盐分运行受水分运行支配的基本规律。国内盐碱地改良利用方法和技术归纳起来大致如下:(1)物理改良。平整土地、深耕晒垡、及时松土、抬高地形、微区改土。(2)水利改良。灌排配套、蓄淡压盐、灌水洗盐、地下排盐。(3)化学改良。石膏、磷石膏、过磷酸钙、腐殖酸、泥炭、醋渣等。(4)生物改良。种植水稻、种植耐盐植物田菁等,使用微生物菌肥等。这些改良技术和方法,既有古老的技术,如平整土地、深耕晒垡、及时松土、微区改土、灌水洗盐、种植水稻、种植耐盐植物田菁等;也有近代传统改良方法,如灌排配套、蓄淡压盐、灌水洗盐、地下排盐以及化学改良技术等;还有利用生物化学新技术所研制的新型土壤改良剂(如NPK增效剂),以及利用新型材料和先进施工技术所实施地下暗管排盐工程等。近十几年来,随着盐碱地改良利用技术研究应用不断发展,单一或复合的盐碱地改良技术不断出现。1.1 水利改良技术地下渗管排盐是耕地盐碱化改良的常用方法之一,它基于“盐随水来、盐随水去”的水盐运行规律,通过铺设暗管将土壤中的盐分随水排走[2],并将地下水位控制在临界深度以下,达到土壤脱盐和防止生盐渍化目的。渗管铺设一般为水平封闭式。一级管和二级管相结合,一级管的渗入水汇入二级管中,然后流入污水管排走。若污水管道埋的深度较浅不能自行排泄渗水,可在二极管末端设集水井,定期强排。渗管的埋设深度、间距、纵坡等参数主要取决于耕地作物种类、土壤结构、地下水位埋深及气候等情况。黄河三角洲所在中心城市东营市,利用荷兰[3]暗管排碱技术实施盐碱地改良工程,暗管排碱利用专业埋管机械将PVC渗管埋入地下1.8-2.0m处,将地下盐水截引到暗管,集中起来排到明渠中,使得灌区当年地下水位下降0.5m,含盐量可降低0.1%,满足多种作物的生长发育要求。魏云杰、许模[4]论述了新疆土壤盐渍化形成的地质、地貌、土壤质地和人为灌溉方式不合理等原因,通过调查目前新疆盐渍化土壤主要有稳定脱盐型、脱盐聚盐混合型、脱盐聚盐反复型、持续聚盐型和灌溉聚盐型,其中脱盐聚盐混合型和脱盐聚盐反复型分布最广,稳定脱盐型仅分布于竖井排灌区。总结了新疆土壤盐渍化的治理研究过程及国内外防治土壤盐渍化的措施,提出了竖井排灌工程是防治新疆土壤盐渍化最有效措施。通过工程实例证明了竖井排灌具有降低地下水位和灌溉的作用,且经济效益明显。1.2 土壤改良剂由广东省农科院蔬菜研究所等单位研究的营养型酸性土壤改良剂(NPK增效剂)[5],该改良剂根据酸性土壤肥力状况和作物营养特点,采用蒙脱石、橄榄石、硫矿等多种天然矿物为原料,在改良酸性土壤、平衡作物养分、提高化肥利用率等方面有显著功效。由水稻、玉米、西瓜、蔬菜、粉蕉、荔枝、龙眼等作物进行的大田试验来看,该改良剂能提高上述作物产量10%以上。成果在国内外居领先水平,并已获国家发明专利。北京飞鹰绿地科技发展公司[6]将有机络合催化理论引入盐碱土壤改良,研制出“禾康”盐碱土壤改良剂,目前已在山东、内蒙、新疆、东北、天津等地大面积推广。“禾康”土壤改良剂是一种棕红色略带酸味无毒无害的有机液体化肥,可直接作用于土壤,因此它广泛适用于中、低产田改造、盐碱地的治理、荒漠绿化等。康地宝技术[7]利用盐土植物(盐蒿、海蓬子等)及作物自身通过根系分泌物改善根际微环境来适应逆境的机制,通过生物络合、置换反应,清除土壤团粒上多余的Na+,活化盐碱土壤中难利用的P5+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等离子及微量元素,使其转变为可利用状态被植物吸收,解除植物生理缺素症状。同时通过降低Na+,活化Ca2+、Mg2+等离子之后,可使土壤水传导能(HC)增高,使土壤水分更易流动,从而改善了作物根系环境,促进根系生长,保证作物苗齐、苗壮,使植物能够在盐碱地上生长和提高产量。适用于受盐碱侵害的农田和新开垦土地,利用有机生化高分子络合土壤中成盐离子,随灌溉水将盐分带到土壤深处,降碱脱盐,解除盐分对作物的毒害作用。由于是从植物根系分泌物中提取的产物,对人、畜、作物、土壤安全无害。钠离子吸附剂[8]具有很强的交换能力,对盐碱土中的Na+、SO42-、Cl-等有吸附能力,改良后的土壤可以降低pH值和碱化度,吸附铵离子和钾离子并提高土壤阳离子交换量,从而达到改土、脱盐的目的,使土壤向有利于植物生长方向发展。另外,由于钠离子吸附剂交换性能好,可用来提高阳离子交换能力,调整pH值,交换土壤中有害金属离子,降低土壤含盐量,脱盐率可达18.6%-29.3%。1.3 土壤水盐运移研究目前节水灌溉条件下的水盐运移等方面的研究较多。张琼、李光永[9]等人研究了棉花膜下滴灌在土壤含盐量为0.08%和0.8%情况下,灌溉周期对土壤水盐运动和棉花生长的影响,试验结果表明:在总灌水量相同的情况下,高含盐量土壤在棉花的花铃期高频灌溉与低频灌溉相比,可以有效降低湿润体体内土壤盐分含量,并且得到了棉花增产28%的结果,而对于低盐土,灌溉频率对棉花生长和产量没有显著影响。罗廷彬、任崴[9]等人对新疆部分盐碱灌区调研显示,在地下水位3～5m、中壤土条件下,利用盐碱地2～5g/L盐化水灌溉,土壤1m剖面均为脱盐状态。灌溉盐化水15a后,1m土壤残留阴离子浓度较小,多点平均为3.709mg/100g土。其中HCO-3相对较多,1m多点平均为0.404mg/100g土。K+、Na+浓度很大,1m多点平均为2.492mg/100g土。这时土壤1m全盐多点平均为0.248%,在灌溉水矿化度不直接危害作物生长时,不影响耕作和作物正常生长。由此表明,盐化水在盐碱地上无排灌溉可行。雷志栋、杨诗秀、尚松浩[10-11]等人通过对新疆叶尔羌河流域平原绿洲一些典型洼地水量平衡的观测,基于平原绿洲内部水分迁移,不同土地利用类型土壤盐分特点和典型洼地蒸发耗水的分析,论述了洼地在容泄绿洲排水、排盐方面的旱排作用和能力。提出在绿洲排水规划时,可以将旱排(或内排水)作为一种重要的排水方式,选择合适的洼地作为主要的旱排规划区,在进行水资源合理配置时,应重视盐分的宏观运、贮规划。土壤旱季自然积盐再加咸水灌溉,土壤呈明显积盐趋势。尹美娥[12]的试验研究表明,小定额灌溉,砂壤土的积盐程度较中壤土高;大定额灌溉,砂壤土的脱盐效果较中壤土为好。随着灌水定额的增加,从咸水带入土中的盐分渗滤到作物根层以下的盐量越多。雨季为土壤自然脱盐季节,经过降雨淋洗后,土壤含盐量可降至灌前水平,年内0-60cm土层一般不发生盐分累积。沈万斌、董德明[13]等人提出灌区土壤产生次生盐渍化的防治方法,分析农业灌区发生土壤次生盐渍化的研究实例,认为盐随水来但不易随水而去,由此认为提高灌溉效率,加强排水,建立盐水土地处理系统,可保证灌区农业的可持续发展。1.4 作物水盐动态模型、灌溉制度研究水盐模型以及灌溉制度等研究是盐碱土壤管理利用研究的主要内容之一。根据作物水盐动态响应函数分析[14],可把握作物生长与土壤水盐运动关系,从而建立节水、控盐、高产灌溉制度优化设计模型,为节水灌溉和微咸水利用提供决策依据。实例分析表明,研究淡水、微咸水交替灌溉条件下灌溉制度的优化设计、合理的模型及管理方法,可为实施节水控盐显著提高经济和环境效益。王仰仁、康绍忠[15]在作物水盐生产函数和农田水盐动态模型基础上,以单位面积纯收益最大为目标函数提出了制定咸水灌溉制度的模型。并以山西省永济市试区进行的棉花咸水灌溉试验资料为依据,求得了有关模型参数;利用该试区35a系列降雨、旬蒸发量资料,对3种不同灌水时间和灌水次数、7种灌溉咸水浓度,共计49种可能组合的农田土壤盐分和产量进行了模拟,并与该试区大田试验数据进行了比较。以模拟产量为依据,在对当地深井和浅井灌溉效益分析的基础上,提出了咸水灌溉制度及其相应的地下水开发利用策略。含盐劣质水灌区作物生长受土壤盐分和含水量状况的影响,国内外不少学者对作物产量和土壤含盐量的关系进行研究,建立了一些作物的水盐模型[16-19]。总体上讲,这些模型将作物产量或相对产量表示为全生育期灌水量和土壤平均含盐量的函数,为灌区灌溉管理提供了一定的理论依据,但作为全生育期模型,尚不能据此对作物生长期内土壤水盐状况进行动态管理。张展羽、郭相平[20]在上述研究基础上,考虑作物对土壤盐渍度的敏感性随生长发育阶段不同而变化这一基本现象,提出作物不同生育阶段水盐动态响应模型,用以指导含盐劣质水或盐渍化灌区的优化灌溉管理。赵丹、邵东国等[21]人根据甘肃省河西走廊疏勒河流域灌区节水灌溉条件下的土壤水盐变化野外和室内实验成果的分析,建立相应的水盐动态模拟模型。经数值模拟计算,得出在一定灌水方案下的土壤盐分分布及脱盐状况,并对适宜本地区特点的水盐调控措施进行了初步探讨。 1.5 盐碱地改良利用实践随着人口增长和水土资源的日趋短缺,我国把中、低产田的治理、开发与持续发展纳入国家经济建设规划之中。在工程排水洗盐技术、碱土改良、生物化学改良、电磁改良技术应用,以及盐碱土壤基础理论方面进行了卓有成效地研究。我国20世纪50-60年代开始在天津等地开展滨海盐土种稻改良试验和引黄灌溉、种稻改碱等农业措施为主的改良;70年代盐渍土改良进入工程与农业措施相结合的综合治理发展阶段。在黄淮海平原建立了12个试验区后又在松嫩——三江平原等地相继建立了中低产田治理与综合发展试验区,开展了“六五”至“九五”攻关研究,取得了重大成果,使我国盐碱地综合治理技术已走在世界前列。土壤改良剂的研究应用也在20世纪60-70年代开始。在土壤物理、化学改良剂方面做了不少的研究,如石膏、氯化钙、工业废酸、工业废弃物磷石膏、粉煤灰等等,均取得了一定的效果;70年代后应用电磁技术,在全国盐渍土地区进行了改土试验;90年代后生物化学土壤改良技术有了发展,如中国农业大学研制的盐碱土壤生化改良剂——康地宝已推广应用。
2 研究展望水利工程措施、农业技术措施、生物措施、化学改良等盐碱地改良的多种技术和措施具有不同的改良效果。但由于盐碱地的改良是一个较为复杂综合治理系统工程,所以对于改良盐碱土多采取以水肥为中心,包括水利工程措施、农业技术措施、种树种草等综合治理方法,这是改良治理盐碱地的主要方向。在改良盐碱土的各项措施中,从盐碱地的整治力度、排盐效果和推广使用范围来看,在多种盐碱地改良技术方法中,利用工程排水洗盐是一项重要的水利技术措施,只有健全排水设施,其他措施才能充分发挥作用。但是,从水利改良技术的运用和发展来看,这种改良技术所遵循的是一种延续了上千年没有改变的原理和方法,这就是“盐随水来,盐随水去;盐随水来,水散盐留”的水盐运行基本规律,并利用这种规律由耕地土壤表层向下实施“大水压盐、洗盐,地下排水”的方法,将下渗的土壤盐分通过地下排水的方法排水洗盐。所采取的措施多为农田布置较多且较深的明渠或地下暗渠或竖井排灌等工程技术措施,这些传统的灌排工程技术客观地存在以下问题:①洗盐排水消耗过多水资源,一般需要4 500-7 500m3/hm2的大灌溉定额,灌溉用水量高,不利于节水;②灌溉排水工程量大,排水工程投入较高,一般0.9-1.2万元/hm2,不经济,而且灌排工程施工烦琐;③众多排水沟渠和大量工程土石方占用农田,使得农田土地利用率损失6%-10%;④灌排工程维修养护工作量和难度较大,尤其是地下暗管排盐系统的维修养护和运行管理费用较高,一般年均维修养护费用900-1 500元/hm2。基于上述,随着我国盐碱地改良技术的发展和新材料新方法新技术在治盐碱技术领域的研究应用,在新的条件下对于土壤盐碱的工程性排水在技术理论创新、灌排技术方法等方面提出了新的更高的要求,需要以新的灌排方式和技术理论创新,着眼探索盐碱地改良新方法和新技术。根据新疆等干旱区地理环境特性,结合灌区土壤盐碱化成因、盐分种类、作物结构及节水灌溉条件,围绕提高灌区节水灌溉与排盐效果、提高盐碱地改良能力等问题,纵观国内外盐碱地治理技术,在传统的水盐运行理论基础上,提出“土壤水盐定向迁移”新理论,基于此理论探讨农业灌区农田“土壤盐分上移地表排”新模式。笔者认为,基于新理论方法进行“土壤水盐定向迁移”机理、“盐分上移地表排”模式、不同节水灌溉排盐低耗高效机理、地表排盐技术等基础理论和实验观测等内容的探索和技术创新研究,致力于在节水灌溉条件下,对土壤水盐运行规律和基本特征、不同基面与土壤水盐定向迁移关系、牵引力及盐分运积效应、地表排盐技术方法、适用材料技术特性实验等关键技术研究方面有所突破,为新技术应用研究打下基础。该方法为全新的水利土壤改良模式,也是今后我国干旱农业灌区盐碱地治理技术理论研究与探讨的发展方向。
