盐碱土生态系统的修复和改良

盐碱土是盐土和碱土的统称[1]。据联合国教科文组织和粮农组织的不完全统计, 全球盐碱地面积已达9.5×108hm2, 且每年以1.0~1.5×106hm2速度增长[2]。其中, 我国盐碱土面积为3.7×107hm2, 分布几乎遍布全国[3]。土壤盐碱化不仅导致土壤生产力降低, 而且引发诸多生态环境问题。随着土地资源的紧张, 必须寻求有效措施防治和改良盐碱土壤。以往盐碱土改良主要侧重于水利措施、农业措施等改良技术, 但往往存在投入大、成本高等问题。随着科技发展, 生态工程和基因工程日渐兴起, 对提高盐碱土治理开发水平大有促进。通过国内外盐碱土改良利用技术研究进展综述, 为合理开发利用盐碱土壤进一步提供理论和实践指导。

1 盐碱土概况

1.1 世界盐碱土概况

据联合国教科文组织和粮农组织的不完全统计, 全球盐碱地面积已达9.5亿hm2, 分布在从寒带, 温带到热带的各个地区, 从美洲、欧洲、亚洲到澳洲, 遍及各个大陆及亚大陆地区, 其中北美洲15755×103hm2, 占1.65%;墨西哥和中美洲1965×103hm2, 占0.21%;南美洲129163×103hm2, 占13.53%;非洲80538×103hm2, 占8.43%;南亚87608×103hm2, 占9.17%;北亚和中亚211686×103hm2, 占22.17%;东南亚19983×103hm2, 占2.09%;澳洲及周边地区357330×103hm2, 占37.42%;欧洲50804×103hm2, 占5.32%。这些盐碱土约占世界土地总面积的10%, 其中90%是由于自然因素形成的, 10%是由于人们不正确地运用灌溉、设施栽培 (塑料大棚、日光温室和地膜覆盖) 、化学改良剂和砍伐森林造成的次生盐渍化, 还有一些潜在的盐渍土虽然现在还没有表现出盐害, 但如果人们不马上改变其不合理的利用方式, 盐害将会很快表现出来。而且, 全球的盐碱地每年以100~150万hm2速度增长。

1.2 我国盐碱土概况

我国盐碱土资源总面积为3 6 6 5 8×103hm2。中国地域广大, 气候多样, 盐碱土的分布几乎遍布全国。但各地差异显著, 不但面积有别, 而且盐分组成与成因也颇为不同。一般分为5个区: (1) 西北内陆盐碱区。包括新疆大部分地区, 青海的柴达木盆地, 甘肃的河西走廊和内蒙古西部。该区主要盐分是Cl-、SO42-, 盐分含量1%~4%, 表层土壤可高达20%。 (2) 黄河中游半干旱盐碱区。包括青海、甘肃东部, 宁夏内蒙的河套地区以及陕西、山西的河谷平原。盐碱土在黄河冲积平原和黄土高原呈带状分布。 (3) 黄淮海平原干旱半干旱洼地盐碱区。包括黄河下游, 海河平原, 黄淮平原, 地跨京津冀鲁豫以及皖北、苏北平原。该区主要盐分是Cl-、SO42-和CO32-。 (4) 东北半湿润半干旱低洼盐碱区。包括松嫩平原, 辽西盆地, 三江平原和呼伦贝尔地区。该区盐分含量通常低0.3%, 主要盐分是CO32-和HCO3-。 (5) 沿海半湿润盐碱区。包括华东、华南及江北沿海地区, 该区盐分含量一般在0.4%以上, 主要盐分是Cl-。

1.3 土壤盐碱化成因

1.3.1 土壤中的盐分来源

土壤中的盐分包括不同的离子, 如Cl-、SO42-、CO32-、HCO 3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。通常情况下, 它们在土壤溶液中作为营养成分。当这些离子的浓度达到足以对土壤性状和植物生长产生不良影响时, 就成为盐分。主要来源有: (1) 海洋, 如风暴潮、海雾、海水入侵等。 (2) 土壤母质, 如离子含量高的岩石、火山灰和矿质分解等。 (3) 成土运动, 如自然条件下离子变化。 (4) 过量施肥, 肥料中的一些离子残留在土壤中。 (5) 动植物分解物, 一部分无机离子如不能全部被植物吸收利用, 则进入土壤。

1.3.2 土壤盐碱化成因

通常情况下, 土壤地下水与表层土壤水维持一定的动态平衡, 地下水位恒定, 表层土壤中的离子含量相对稳定。气候干旱时, 土壤蒸发量增大, 土壤中的水分含量下降, 引起地下水沿土壤毛细管上移, 土壤中的盐分也随着水分同时运动。水分蒸发以后, 盐分则在土壤表层积累, 盐分离子达到一定高的浓度时, 就发生土壤盐碱化[3]。所以, 绝大部分盐碱土分布在干旱、半干旱地区[1]。

当发生洪涝时, 水分较长时间覆盖在土壤上面, 土壤毛细管被水分填充, 使地下水与表层水连通, 地下水位提高。洪水退去, 表层水蒸发时, 地下水中的盐分会在土壤表层过量积累, 引起土壤盐碱化。

不受人为影响、自然发生的土壤盐碱化称为原生盐碱化。由于人类活动引发的土壤盐碱化称为次生盐碱化。

发生次生盐碱化的主要原因一为灌溉不当, 二为植被破坏, 三为海水入侵。

在干旱地区, 为了提高农业产量, 灌溉是通常的耕作活动[12]。如果灌溉方式和用水量适当, 则不会对土壤地下水位产生影响, 只是补足土壤饱和含水量。但是, 大部分地区一般采用大水漫灌。这样如同发生洪涝, 极易引发土壤盐碱化。

如果灌溉用水中盐分离子含量过高, 长期使用这样的水, 也会使盐分离子在土壤中过量积累, 发生土壤盐碱化[9]。

植被破坏, 尤其是砍伐森林, 会打破土壤与地下水位之间的平衡。森林蒸腾量大, 可以使地下水位保持在一定深度[13]。当树木被伐掉, 种植农作物或土壤裸露时, 一方面水分蒸腾量降低, 地下水位上升;另一方面, 降水进入土壤的比例加大, 也会抬升地下水位, 从而导致土壤盐碱化[14]。

在沿海地区, 气候干旱时, 大量开采地下水, 使地下水位下降, 地下水呈漏斗形分布, 打破了淡水层与咸 (海) 水层之间的界线, 海 (咸) 水进入淡水区, 再提水灌溉时, 过量的盐分离子进入农田, 引起土壤盐碱化。

2 盐碱土修复和改良利用技术

2.1 修复和改良原则

我国盐碱土地理分布范围较为广泛, 各地生物、气候、地貌、水文和地质条件差异很大, 盐碱土类型各异, 修复和改良治理必须坚持“因时因地制宜、综合防治”的原则。各种改良技术相互配合, 形成一整套防治措施, 包括工程、农业、化学和生物措施。

2.2 修复和改良利用的主要措施

2.2.1 工程措施

(1) 水利工程设施。就是通过水利工程设施, 改善用水、管水方法, 以便淋洗、冲淡盐分, 调控地下水位, 达到改良盐碱土目的[5]。

建立完善的排灌系统, 包括井、沟、渠配套, 做到旱能灌、涝能排, 并且灌水量适当、排水及时, 是盐碱土农业利用中最基本的要求。生产实践中“上农下鱼, 沟灌沟排”、“井灌井排”和“淤灌”等措施都是盐碱区劳动人民智慧的结晶。近年来, 一些地区还通过铺设排盐暗管, 取得了良好效果[6]。

(2) 生态工程措施。是应用生态系统中物种共生、物质循环再生、结构与功能协调原则, 结合系统工程的最优化方法, 设计分层多级利用的生产工艺系统[7]。例如盐碱土上种植耐盐作物蓖麻, 在生产蓖麻籽同时, 利用蓖麻叶饲养蓖麻蚕, 综合开发利用盐碱土壤, 取得较好经济与生态效益。在天津滨海盐土区, 通过淡水置换、建立生态储水盆地, 结合其它配套措施, 种植巨型水生植物, 不仅增加了生物多样性、美化环境, 而且降低了氯化物的浓度、改善水质, 为进一步改良盐碱土打下基础[8]。

2.2.2 农业措施

就是通过合理耕作, 增施有机肥料, 间作、套作和轮作, 因土种植以及发展节水农业等, 达到改善土壤结构, 提高土壤肥力, 防止返盐, 巩固土壤脱盐效果[3]。

(1) 种植耐盐作物。种植耐盐作物可以提高盐碱化土壤的利用率, 扩大盐碱化耕地的种植面积。不同作物的耐盐能力存在一定差异, 耐盐能力与作物品种、土壤水分、农业技术等因素密切相关[9~10]。耐盐能力较强的大田作物有:水稻、玉米、红麻、棉花、高粱、大麦等。盐碱化程度不同的耕地上, 应该选种适宜的耐盐作物, 边利用边改良, 同时, 避免连茬产生的不良影响。

(2) 耕作施肥。盐碱土改良中, 整地深翻、适时耕耙、增施有机肥、合理施用化肥等都是改良效果较好的措施。深松、换土, 地面覆盖防止返盐, 躲盐巧种、耕作层下铺设隔盐层、施用有机肥等都是盐碱土改良利用工作的宝贵经验。特别是畜禽粪、秸杆、枯枝落叶等有机物料, 来源广、数量大, 可以通过坑沤、堆制等腐熟后施入土壤, 也可通过机械粉碎直接还田, 对盐碱土改良具有积极作用[11~12]。

(3) 发展节水农业。节水农业是干旱半干旱地区发展农业生产的重要途径。主要通过种植耐旱作物, 采用滴灌、喷灌、管灌等新型灌溉方式, 不仅解决水资源不足问题, 还能防止土壤盐碱化[13]。另外, 通过水分-盐渍度-植物产量函数及其动态模型, 预测不同盐渍度下, 不同作物需求的最佳淡水量、适宜淡水与盐水配比量, 为节水农业提供依据[14]。发展节水农业是改良盐碱土的基础工作, 是除盐防盐和利用盐碱土的重要措施。

2.2.3 化学措施

就是施用化学改良剂或一些矿质肥料, 改善土壤理化性质, 减轻或消除盐碱危害作用[15]。主要利用其中的钙代换出土壤中的代换性钠, 或用生成的酸, 直接中和土壤的碱性, 达到改良目的。碱土化学改良剂一类是含钙物质, 如石膏、磷石膏、电厂脱硫后的煤灰石膏;另一类是酸性物质, 如硫磺粉、硫酸、硫酸铝、硫酸亚铁等。

近年来, 新型化学改良剂产品较多, 主要有NTOC、盐碱丰、康地宝、禾康盐碱清除剂以及高聚合物等, 在改良盐碱土方面均有较好的效果[5]。此外, 天津开发区运用海湾泥、粉煤灰等废弃物配制用于盐土绿化的“人造土”, 同时, 通过试验研究证明:在盐土的一定深度处铺垫粉煤灰层, 可以加速土体脱盐、稳定地下水位, 利于植物生长[16], 为废弃物的资源化利用及滨海盐土的改造提供新的技术途径。

2.2.4 生物措施

利用植物或微生物的生命活动来积累有机质, 改善土壤结构, 增加植被覆盖, 减少土壤蒸发, 变蒸发为蒸腾, 降低地下水位, 以便加速盐分淋洗、延缓或防止积盐返盐。

(1) 利用现有种质资源筛选耐盐品种。不同植物的耐盐性不同, 同一植物不同品种的耐盐性也存在差异。因此, 利用现有种质资源筛选耐盐植物是一条简易有效的育种途径。其方法简便、经济实用, 适合筛选大量资源。目前筛选得出较强抗盐能力的植物有:碱蓬、大米草、田菁、黄花草木犀、苜蓿、杨树、柽柳、苦楝、皂角、刺槐、侧柏等[16~18]。

(2) 杂交育种培育耐盐品种。与野生植物远缘杂交是育成耐盐植物的重要方法。当前在农作物驯化和育种工作中, 发现许多作物的栽培品种遗传变异资源已严重枯竭, 这种现象普遍存在于种植于起源地以外的自花授粉作物中。而在起源地的栽培品种及野生种的遗传变异资源则较为丰富, 例如:在番茄起源地的原始品种中发现了高水平的变异, 野生种的变异则更为丰富。在秘鲁番茄中可以区分的至少有35个生理小种, 它们在单株、群体、小种和种的水平上都存在很大的变异[19~20]。利用远缘杂交育种, 可解决目前耐盐基因转移后表达困难、成功率小的问题, 有着广阔的市场前景。

(3) 利用基因工程培育耐盐品种基因工程, 又称为重组DNA技术。在基因方面主要集中在与植物抗盐性相关的诱导渗透调节小分子有机物有关的转基因 (如脯氨酸基因、甜菜碱合成酶基因、糖醇类合成基因和多胺物质合成基因) 、与离子区隔化相关基因 (如N a+/H+反转录基因T a N H x 1和Ta NHx2、Na+/H+反转录蛋白基因SOS1及H A L 2基因) 、转录因子相关的转基因 (Os DREB1A基因和DERB转录因子基因) 、保护酶基因 (如SOD基因) 和大分子蛋白相关基因 (如LEA基因) 的研究[21~22]。在基因表达的蛋白质方面主要是对质膜和液泡跨膜离子转运蛋白包括K+/Na+离子转运蛋白、K+/Na+逆向转运蛋白、草酸氧化酶以及液泡膜H+转运无机焦磷酸酶 (H+--PPase) , 以及蛋白质组进行相关研究[23~24]。

虽然转基因技术还存在生物安全问题, 但是随着对植物耐盐遗传机理更为深入研究, 转基因技术将会更广泛地应用于植物育种, 培育出更多新的耐盐经济作物品种。

(4) 利用微生物提高植物的耐盐性。我国主要是通过微生物的耐盐性试验, 从植物根际土壤中分离、筛选出耐盐微生物。如从燕麦根际土壤分离、筛选出2个解磷能力相对较强的有机磷细菌 (YM-2, YM-4) [25]。另外, 从北方滨海盐碱土中分离到的几个硅酸盐细菌, 是目前广泛应用于微生物肥料的一种重要功能菌[26];在盐碱湿地, 利用光合细菌可以增加有效磷, 促进浮游生物生长, 提高初级生产力, 改善水质[27]。

国际上的研究热点是将耐盐碱微生物的抗逆性基因转移到农作物中[25], 使其获得耐盐性, 尤其是酵母菌类低等真核生物, 其细胞简单容易培养, 遗传背景清楚, 并且其遗传研究方法已很成熟, 加之根瘤农杆菌介导转化系统的建立, 使得向植物引入外源基因成为可能, 因此从盐碱土壤中分离耐盐酵母菌, 研究其耐盐机理, 寻找克隆耐盐性相关基因并转化农作物, 不仅具有理论价值, 也会产生很大的经济效益。

不同的盐碱土壤改良利用技术措施各具其特殊作用, 生产实践中, 应当各种措施合理配合, 综合防治才能取得良好效果。

3 展望

(1) 建立区域盐分预报系统, 现在, 四电极、感应磁电导率、时域反射仪等现代电磁技术被引入土壤系统, 提高了土地资源制图的速度和精度。在认识区域水盐运动的发生、发展规律的基础上, 建立可行的区域水盐预报系统。从而能够快速掌握土壤盐分动态, 及时采取相应的防治措施。

(2) 为了合理改良利用盐碱土, 应该进一步研究土壤溶液浓度、盐碱离子组成、拮抗作用及其与植物耐盐碱性的关系, 探讨水、肥、盐三者的相互作用机制, 揭示它们之间的本质联系, 有利于引进耐盐先锋植物, 建立合理的地面生物结构, 达到改良利用盐碱土和改善环境目的。

(3) 运用现代生物技术, 加速耐盐、耐涝和耐旱植物品种的筛选。现代生物技术的发展突破了远源物种不能杂交的禁区。因此, 人类应有能力通过现代生物技术将耐盐植物的耐盐基因分离出来, 导入到常规的作物中, 提高作物的耐盐性。同时, 人类可以利用植物细胞的全能性, 通过组织培养繁殖耐盐植物, 为快速筛选耐盐植物提供了技术保证。

摘要：土壤盐碱化是重要的环境问题之一, 盐碱土对植物生长危害极大。随着人口不断增长、耕地逐渐减少, 改良利用盐碱土壤具有重要意义。本文阐述了盐碱土基本特性及其危害, 回顾了工程措施、农业措施、化学措施和生物措施等盐碱土改良利用的重要技术, 特别介绍了转基因技术和生态学方法对盐碱土修复和改良、抑制土壤盐碱化的作用, 对提高盐碱土壤综合利用具有意义。

关键词：盐碱土,退化生态系统,工程措施,农业措施,化学措施,生物措施

参考文献

[1] 石元春.盐碱土改良-诊断、管理、改良[M].北京:农业出版社, 1996.

[2] Malcolm E, Sumner R N.Sodic soils～distribution, properties, management and environmental consequences[M].New York:Oxford University Press, 1998.

[3] 张建锋, 张旭东, 周金星, 等.世界盐碱地资源及其改良利用的基本措施[J].水土保持研究, 2005, 12 (6) :28～30.

[4] Allakhverdiev S I, Sakamoto A, Nishiyama Y, et al.Ionic and osmatic effects of NaCl～induced inactivation of photosystemsⅠandⅡin synechococcus sp[J].Plant physiol, 2000, 123:1047～1056.

[5] 谢晓蓉, 刘金荣, 金自学, 等.黑河灌区盐碱化土地的修复与调控研究[J].水土保持通报, 2006, 26 (2) :107～110.

[6] 吉志军, 唐运平, 张志扬, 等.不同基底处理下碱蓬种植对滨海盐渍的改良与修复效应初探[J].南京农业大学学报, 2006, 29 (1) :138～141.

[7] 刘惠清.实用生态工程学[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[8] Liu P P, Yang C Q, Qu J H, et al.Designing principles of an ecological water storage basin on coastal saline:a case study[J].Journal of Environ-mental Sciences, 2005, 17 (1) :62～66.

[9] Hussain N, Ali A, Sarwar G, Mujeeb F, Tahir M.Mechanism of salt toler-ance in rice[J].Pedosphere, 2003, 13 (3) :233～238.

[10] 秦嘉海, 吕彪, 赵芸晨.河西走廊盐土资源及耐盐牧草改土培肥效应的研究[J].土壤, 2004, 36 (1) :71～75.

[11] 盛连春, 马逊风, 王志平.松嫩平原盐碱化土地的修复与调控研究[J].东北师范大学报, 2002, 34 (1) :30～35.

[12] Bhatti A U, Khan Q, Gurmani A H, Khan M J.Effect of organic manure and chemical amendments on soil prop-erties and crop yield on a salt affected Entisol[J].Pedosphere, 2005 (1) :46～51.

[13] 赖先齐, 刘建国, 张凤华, 等.玛纳斯河流域绿洲农业弃耕地生态重建研究[J].石河子大学学报, 2004, 22 (1) :27～31.

[14] Wang Y R, Kang S Z, LI F S, et al.Saline water irrigation scheduling through a crop water-salinity pro-duction function and a soil-water-salinity dynamic model[J].Pedosphere, 2007, 17 (3) :303～317.

[15] Sadiq M.Amelioration of saline-sodic with tillage implements and sulfuric acid application[J].Pedosphere, 2007, 17 (2) :182～190

[16] 孙振元, 刘金, 赵梁军, 等.盐碱土绿化技术[M].北京:中国林业出版社, 2004.

[17] 张立兵, 徐化凌, 赵庚星.碱蓬的耐盐能力及其对滨海盐渍土的改良效果[J].土壤, 2007, 39 (2) :310～313.

[18] 李月芬, 汤洁, 林年丰, 等.黄花草木犀改良盐碱土的试验研究[J].水土保持通报, 2004, 24 (1) :8～11.

[19] Dessalegne L, Wetten A C, Caligari P D S.Production of transgenic toma-toes expressing oxalate oxidese[J].ActaHorticulturae, 1997, 447:457～458.

[20] Foolad M R, Lin G Y.Absence of a genetic relationship between salt tol-erance during seed gemination and veg-etative growth in tomato[J].Plant Breeding, 1997, 116:363～367.

[21] 吕萍萍, 胡军, 沈昕, 等.抗盐胡杨Na+/H+逆向转运蛋白基因PeNhaDl的功能[J].植物生理与分子生物学学报, 2007, 33 (2) :173～178.

[22] 张宏飞, 王锁民.高等植物Na+吸收、转运及细胞内Na+稳态平衡研究进展[J].植物学通报, 2007, 24 (5) :561～571.

[23] 黄萍, 张富春, 王瑜, 等.跨膜离子转运蛋白与植物耐盐的分子生物学[J].生物技术通报, 2007, 2:1～5.

[24] 舒烈波, 梅捍卫, 罗利军.水稻抗旱耐盐蛋白质组学研究进展[J].生物技术通报, 2007, 4:31～37.

[25] 王晓坤, 王刃, 周笑白, 等.盐生植物根际微生物对含盐环境污染修复展望[J].土壤通报, 2007, 38 (3) :1003～1006.

[26] 李杨, 李登煜, 黄明勇, 等.从盐碱土中分离的几株硅酸盐细菌的生物学特性初步研究[J].土壤通报, 2006, 37 (1) :206～208.

[27] Liu F J, Hu W Y, Li Q Y.Phytosynthetic bacteria (PSB) as a water quality im-provement mechanism in saline～alkali wetland ponds[J].Journal of Environ-mental Sciences, 2002, 14 (3) :339～344.