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土壤盐渍化修复

一、土壤盐碱化概念

        土地盐碱化又称盐渍化,是指在人为和自然作用下土壤表层盐分净含量不断增加,以至超过某一限度的地质过程和现象。土壤盐碱化所造成的土地退化是荒漠化的主要类型之一,因而土壤盐碱化被视作一种环境地质问题。土壤盐渍化发生在干旱、半干旱区。由于漫溉和只溉不排,导致地下水位上升或土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表,水分蒸发后,使盐分积累在表层土壤中,当土壤含盐量太高(超过0.3%)时,形成的盐碱灾害。

        当土壤表层或亚表层(即耕作层,一般厚度为 20~30cm)中,水溶性盐类的累积含量超过 0.1%(100g风干土中含 0.1g 水溶性盐类)或 0.2%时(富含石膏情况下),或当土壤碱化层的碱化度(即交换性钠占整个交换性阳离子总量的百分数)超过 5%时,就属盐渍土范畴。简单说,就是土壤里边含有太多盐分。就像大家吃饭时盐放多了,人吃了会不舒服,植物也是一样,如果土壤表面的盐分太多,也影响植物正常生长。

二、土壤盐碱化的现状

        土地盐碱化是一个世界性的土壤退化问题,盐碱化不仅降低了耕地的生产力,而且严重制约着耕地利用的永续性,直接影响着农业的可持续发展。据统计,全球土地面积 132 亿公顷,其中可耕地面积 70 亿公顷,已耕地面积 15 亿公顷,已耕地中约 3.4 亿公顷(23%)为盐渍土,5.6 亿公顷(37%)为碱土,分布于 100 多个国家。也就是说,全世界大多数主要岛屿的滨海地区和干旱、半干旱地带都有盐渍土与碱化土壤的分布。

        我国土地的盐碱化情况十分严重。根据中科院土壤研究所的最新研究结果,我国各种类型的盐渍土总量为 9912 万公顷,其中现代(活性)盐渍化土壤约 3693 万公顷,残余盐渍化土壤约 4486 万公顷,潜在盐渍化土壤约1733 万公顷,分布于我国 23 个省、市、自治区的平原、盆地和滨海地区,每年由于盐碱化造成的净经济损失达 129 亿元。

三、盐碱地的成因

1.自然因素

(1)气候的影响:气候的干燥度和地面蒸发与降水比值与土壤的盐渍化关系十分密切,而土壤冻结加剧了土壤盐渍化进程。在北温带半湿润大陆季风性气候区,降水量小,蒸发量大,溶解在水中的盐份容易在土壤表层积聚。

(2)温度的影响:在地温梯度影响下,土壤水从下向冻结锋面移动,盐分随之向上迁移。当地温梯度较大或地下水位较高时,水分和盐分的迁移量随之增大当土壤含盐时,冻结深度相应减小,水盐被抬升靠近地表,土壤盐碱化进入孕育期。

(3)水位的影响:地表水和地下水径流量及水质直接影响土壤含盐量。

(4)植被的影响:干早和半干旱地区生长着草甸植物和荒漠的植物。盐生植物含盐量可达10%~45%,通过强大的根系从底层吸收水分和盐分,并以残落物的形式留存地面,植物残核被分解而形成的钙盐和钠盐返回土壤中,对土壤的盐演化起到推波助澜的作用。

(5)地形的影响:地形和地貌直接影响地表水和地下水的径流。土壤盐渍化程度表现为随地形从高到低、从上游到下游逐渐加剧的趋势。

2.人文因素

(1)不良的灌溉管理和灌溉技术;

(2)工程不配套,妨碍了灌区径流排泄;

(3)排水不良,缺乏完善的排水系统不仅是造成内涝的原因,也是耕地发生盐碱化的重要原因;

(4)农业技术措施不当。

四、盐碱地的危害

(l)pH 值高,降低土壤养分的有效性

(2)对土壤结构的破坏

(3)土壤有机质含量少,浅层微生物活动能力差

(4)抗旱抗涝能力弱。

五、修复方法

1.物理修复

(1)排水:盐渍土多分布于排水不畅的低平地区,地下水位较高,促进了水盐向上运行,引起土壤积盐和返盐。排水可以加速水分的运动,调节土壤中的盐分含量。排水措施包括明沟排水,竖井排水和暗沟排水。

(2)冲洗:是用水灌溉盐碱土壤,把盐分淋洗到底土层,或用水携带把盐分排出,淡化和脱去土壤中的盐分。冲洗只能降低土层中的盐分,但不可能彻底清洗土壤中的盐分。冲洗必须必备两个条件,一是要有淡水来源,二是具备完善的排水系统。

(3)松土和施肥:盐碱土经过深耕,可以疏松土壤表层,切断毛细管,减少蒸发量,改变土壤结构,增加孔隙度;提高土壤的通透性,加速土壤淋盐和防止返盐作用。另外,施有机肥,既可以制约盐碱,减轻对植物的伤害,又可以增加土壤有机质,并补充和平衡土壤中植物所需的阳离子,而离子平衡可提高植物的抗盐性。

(4)铺沙压碱:沙土掺入盐碱后,可以改变土壤结构,使土壤孔隙度增大,通透性增强;促进团粒结构形成,使保水、蓄水能力增大,减少蒸发,抑制深层的盐分向上运动,使表层土壤的碱化度降低,起到了压碱的作用。

2.化学修复

化学修复方法也属于非生物学措施,主要包括:添加改良剂如聚合物、石膏、沸石、糠醛渣等;以充分利用碱泡中的盐、碱、硝、卤等资源。在碱化土壤上施用化学药剂,其作用原理是改变土壤胶体吸附性离子的组成,从而改善土壤的物理性质,使土壤结构性和通透性增加,既有利于土壤脱盐与抑制返盐,又有利于植物生长。但化学改良措施若不与生物、水利改良措施相结合,很难达到预期的效果和目的。聚合物改良盐碱土的作用有两个方面:一是改善土壤结构,加速洗盐排碱过程;二是改变吸收性盐基成分,增加盐基代换容量,调节土壤酸碱度。

长期以来人们治理盐碱地向来采用物理方法或化学方法使土壤脱盐的措施,这些改良方法多偏重于工程措施,虽取得一定成绩,但存在一些不可克服的缺点:工程费用昂贵,效果不能持久,淡水资源不足,难以满足压盐碱的需要等问题。只有生物改良才能改变土壤的结构,使土壤的理化性质得到本质上的改善。在很少人为投入的前提下在短期内改良盐碱地的植被和土壤的理化性质。从而为探索盐碱地的修复方法提供新的思路,对恢复当地的生态系统具有重要意义。

3.生物修复

(1)生物修复盐碱土主要包括植物修复和微生物修复。植物修复主要是加强防护林建设及草原的管理和建设,如植树种草、围栏封育、量草计牧等,在盐碱土壤上引种和驯化有经济价值的盐生植物和耐盐植物(如星星草、朝鲜碱茅等),根茬培肥、秸秆覆盖、人工建立枯草层、增施有机肥和有机物料(如有机复合肥、厩肥、绿肥和秸秆等),利用湖泡育苇养鱼;建立自然保护区(如向海自然保护区等)。利用传统的杂交技术和遗传工程方法培育抗盐新品种和培育转抗盐基因植物。

(2)微生物修复主要是从盐碱地植物根系中筛选耐盐碱的联合固氮菌或采用遗传工程和分子生物学手段将耐盐基因转移到固氮菌中,分离出的联合固氮菌作为菌肥施加到土壤中以促进植物生长,从而达到改良盐碱土的目的。

        固氮蓝藻在盐碱地改良上具有优势及应用潜力,这种方法不仅具有投入低的优点,而且能改变土壤的结构,使土壤的理化性质得到本质上的改善,主要表现在:土壤的 pH、电导率和可交换性钠的降低;水力传导率及土壤孔隙度的提高;土壤总氮含量、总碳含量、总磷含量和总硫含量的明显提高。

        Singh等研究表明蓝藻的微生物垫就可以在雨季对所围起的盐碱地进行改良,一年之后使土壤的 pH 值从 9.5 降到 7.6、土壤固水能力提高了 40%、土壤熟化现象得到改善、可交换性钠降低了20-33%,并且能成功地种植水稻等作物。

        蓝藻具有原核微生物的典型细胞结构:细胞内含有核酸成分,但无细胞核的完整结构,细胞壁含胞壁酸和二氨基庚二酸,具有调节 pH 的作用;属于革兰氏染色阴性,细胞壁带有大量的负电荷,因而可以吸附Na+;细胞中含有叶绿素a,进行产氧型光合作用。

       细胞能分泌粘液层、荚膜或形成胶鞘,通常称之为胞外多糖(EPS)EPS 除含有中性单糖外,还含有硫酸基团、己糖醛酸或氨基己糖,同时有些 EPS 还含有甲基化的己糖或戊糖。由于 EPS 为多聚阴离子大分子,含有多种功能基团,如羧基、羟基、羰基、硫酸基等均可与阳离子作用,它对 Na+的吸附能影响外环境 pH 改变。此外,EPS 具有保持水分、降低蒸发的作用,因此能够抵抗强的干旱环境。

        固 N 蓝藻的上述调节 Na+ 传输的功能主要是由于它具有 Na+/H+ 和 Na+/H+-K+ 反向载体系统,反向载体系统是指物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反,即载体在与 H+ 结合后再与其他分子或离子 (如 Na+) 结合,两者朝相反方向通过细胞膜进行运输。以调节细胞内的 pH 值的平衡。

六、案例分享

1.1981 年,一个印度的学者研究了 3 种蓝藻的混合物对盐碱土的作用。土壤样品取自于印度的“卡纳尔”,其研究是在实验室进行的,结果表明:土壤的 pH 从 9.60 降到 8.95,可交换性 Na 降低了 37.26%,土壤的电导率降低了11.67%。

2.1885年,另一个印度学者年进一步研究了固 N 蓝藻对稻田盐碱土的影响,取改良前后的土壤样品进行分析表明:土壤的 pH 从 9.2 降到 8.3,可交换性 Na 降低了 39.41%,土壤的孔隙度提高了12%,水力传导率从 0.579 cm/h 提高到 1.659 cm/h,C的百分数从 0.99 升高到 1.31,N 的百分数从 0.034 提高到 0.045,总 P 的含量提高了 68.31%。由此可见,蓝藻的有效利用可以提高盐碱土的物理、化学和营养特性。