鹽堿地改良與腐植酸應(yīng)用技術(shù)探討

田一良 劉艷升 張海兵

中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院 克拉瑪依 834000

目前，土壤鹽堿化已經(jīng)成為一個(gè)世界性難題。從分布上看，除南極洲外，亞、歐、非、澳、南北美洲都有鹽堿地的存在。從面積上看，全球約有9.55億公頃鹽堿地，90%為自然因素形成的原生鹽堿地；10%是由于人為因素而造成的次生鹽堿地。其中澳大利亞、俄羅斯和我國的鹽堿土分別為3.57、1.71、0.99億公頃，分別占世界鹽堿地37.4%、17.9%和10.3%左右[1]。

我國的鹽堿地分布橫跨全國西北、東北、華北和濱海地區(qū)的17個(gè)省份，其中具有農(nóng)業(yè)發(fā)展利用潛力鹽堿地近0.13億公頃，占我國耕地面積10%以上。同時(shí)，現(xiàn)有耕地中灌溉不當(dāng)造成67萬公頃的次生鹽堿地[2]。目前，我國土地使用面積已經(jīng)達(dá)到上限，后備土地資源開發(fā)與利用焦點(diǎn)應(yīng)是退化地的改良與治理。我國鹽堿地多處于干旱半干旱地帶，土壤尚未受到人為重金屬和農(nóng)藥污染，是目前亟待開發(fā)的、可耕種的潔凈土地資源和有機(jī)農(nóng)業(yè)潛在土地資源。鹽堿化改良和開發(fā)利用是世界各國研究的熱點(diǎn)問題。自20世紀(jì)50年代以來，我國投入了大量的人力、物力和財(cái)力用來改良鹽堿地，開展了鹽堿地治理改良的實(shí)踐探索，鹽堿地的治理改良技術(shù)和研究不斷發(fā)展，并取得了大量的研究成果。

本文將依據(jù)鹽堿土壤成因，從土壤結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化的角度分析各種鹽堿地改良技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出腐植酸綠色可持續(xù)改良技術(shù)方案。

1 土壤鹽堿化的形成因素分析

土壤鹽堿化主要受自然因素和人為因素的影響，造成耕種層土壤中可溶性鹽含量超過上限值（通常認(rèn)為土壤可溶性含鹽量上限值為0.3%），從而影響作物正常生長，使土壤的腐殖質(zhì)淋失，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞。土壤鹽堿化表現(xiàn)為土表的白色鹽分積淀（即堿斑），土壤濕時(shí)泥濘而干時(shí)堅(jiān)硬。

通常情況下，土壤地下水與表層土壤水維持一定動(dòng)態(tài)平衡，地下水位恒定，表層土壤中鹽離子含量相對(duì)穩(wěn)定。從土壤結(jié)構(gòu)分析，土壤中的粒徑＜0.25 mm團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增多，使土壤中毛細(xì)管水比率大幅度增加；粒徑≥0.25 mm團(tuán)粒結(jié)構(gòu)孔隙率在1.641～2.114[3]，能夠阻斷土壤中毛細(xì)管水現(xiàn)象。從土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化角度分析，土壤鹽堿化形成原因是在自然因素或人為因素影響下，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分布發(fā)生改變，粒徑≥0.25 mm大顆粒團(tuán)粒結(jié)構(gòu)大幅度減少，使土壤容重增加，持水量、孔隙率、通透性都有所降低，土壤中的毛細(xì)管水比率增大。氣候干旱時(shí)，土壤深層含可溶性鹽的地下水通過土壤毛細(xì)管上升到土壤耕作層，通過地面水分蒸發(fā)后鹽分留在土壤表層。當(dāng)沒有足夠淡水稀釋土壤表層鹽分并將其排走，耕作層可溶性鹽在地面水平方向與垂直方向重新分配，鹽分在土壤表層逐漸積聚超過0.3%，耕地中生長的植物根部細(xì)胞由于較高的內(nèi)外鹽濃度差而形成“生理干旱”，抑制植物生長或造成死亡，從而形成土壤鹽堿化現(xiàn)象。

從土壤鹽堿化形成源頭看，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分布影響土壤中水鹽的運(yùn)移規(guī)律，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分布改變“鹽隨水來，鹽隨水去”平衡，形成新的“鹽隨水來，水散鹽留”狀況。因此，利用土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化調(diào)控改良鹽堿化土壤，是從源頭上治理鹽堿地的有效方法。

2 基于土壤結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化的鹽堿地改良技術(shù)分析

不同學(xué)科領(lǐng)域的鹽堿地改良研究與實(shí)踐，形成鹽堿地改良的技術(shù)有物理改良、化學(xué)改良、生物改良、水利工程改良、腐植酸改良等，取得了較好的成效[4]。盡管各項(xiàng)技術(shù)都提出了不同的理論依據(jù)[5]，但將土壤結(jié)構(gòu)和水鹽運(yùn)移規(guī)律解析作為指導(dǎo)，有助于從源頭上評(píng)價(jià)和遴選最經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的鹽堿地改良技術(shù)。

2.1 物理改良技術(shù)

在物理改良技術(shù)中，常用客土壓堿、深耕深松土壤、鋪沙壓堿（阻斷土壤毛細(xì)管吸水作用）等改良模式，其實(shí)質(zhì)是通過增加土壤中粒徑≥0.25 mm團(tuán)粒結(jié)構(gòu)數(shù)量或切斷毛細(xì)管水作用的方式，疏通垂直方向水分運(yùn)行途徑，抑制地下水鹽通過毛細(xì)現(xiàn)象向表層運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)表層土壤降鹽排堿，進(jìn)而逐漸改良耕層土壤。這類改良模式適合中高度鹽堿化土壤的改良，可以從根本上改良鹽堿地，但是物理改良技術(shù)存在諸如工程量巨大、投資成本高、維持時(shí)間有限等問題。

以客土治堿方式為例，客土是指由別處來的土，并不是當(dāng)?shù)卦粒话闱闆r下是指質(zhì)地比較好的壤土或者是人工配制的土壤，即粒徑≥0.25 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)數(shù)量含量較高的土壤。一般自然土壤并不能成為優(yōu)質(zhì)客土，需要在添加了其他人工物之后，才能成為滿足條件的優(yōu)質(zhì)客土。然而鹽堿地一般以區(qū)域性存在，要獲得質(zhì)地優(yōu)秀的壤土或者是人工配制土壤，都需要從距離較遠(yuǎn)的其他區(qū)域運(yùn)輸，這樣的改良模式花費(fèi)較大。對(duì)于新疆的準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地等常年大風(fēng)的地區(qū)，即使從別處運(yùn)來質(zhì)地優(yōu)良的客土，在耕作表層還未形成密集植被時(shí)，極易被大風(fēng)吹起破壞，給客土治堿帶來難題。

2.2 化學(xué)改良技術(shù)

鹽堿地化學(xué)改良技術(shù)是通過一些酸性鹽類（硫酸鈉、硫酸亞鐵、磷石膏、脫硫石膏等）物質(zhì)來中和堿性土壤，快速改良鹽堿地的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)，降低土壤的pH值，增強(qiáng)土壤中陽離子的交換能力，降低土壤的含鹽量，激發(fā)土壤中微生物和酶的活性，促進(jìn)植物根系的生長，特別適合高度鹽堿化土壤治理，是改造施工簡單、周期短、見效快的有效方法。但是化學(xué)改良技術(shù)存在引入新的有害離子和重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)造成土壤的二次污染。

目前國內(nèi)外學(xué)者研究表明[6]，堿化土壤的改良需要加入含鈣物質(zhì)進(jìn)行改良，已出現(xiàn)了采用石膏改良?jí)A化土壤的先例，并取得較大成功。但由于石膏作為土壤改良劑價(jià)格較高，因此使用較少。目前，在鹽堿化治理中較多使用的是脫硫石膏，每畝地施用500～1000 kg脫硫石膏，采用旋耕，使其與土壤充分結(jié)合，能夠起到很好的效果。但由于大部分脫硫石膏都是火力發(fā)電廠除硫除塵產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物，作為燃煤電廠的廢棄物，脫硫石膏含有一定量重金屬和有害元素，這些重金屬元素會(huì)隨著脫硫石膏改良鹽堿地而進(jìn)入土壤中。雖然有學(xué)者指出加入脫硫石膏引起的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量》國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但從脫硫石膏中不同種類重金屬在淋洗實(shí)驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)來看，砷、汞、鎘在蒸餾水淋洗作用下表現(xiàn)出向土壤深處遷移的趨勢(shì)。因此，盡管在一定的濃度范圍內(nèi)施用脫硫石膏，在雨水的沖刷作用下，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤砷污染，且砷多集中在下層土壤中，不會(huì)引起表土層作物根系的吸收；鎘含量隨深度分布比較均勻，汞含量的分布則呈現(xiàn)頂層多、深處少的趨勢(shì)，但對(duì)于作為潛在的潔凈土地資源和有機(jī)農(nóng)業(yè)土地資源的鹽堿地來說，脫硫石膏中的重金屬和有害元素的污染對(duì)鹽堿地改良是不利的。

2.3 生物改良技術(shù)

在生物改良技術(shù)中，種植耐鹽堿植物（常見的有堿蓬、鹽角草、怪柳、濱藜、羅布麻、蘆葦?shù)龋┠軌蛲ㄟ^提高根部二氧化碳分壓，交換鈉離子，吸收并積累鹽分，最后通過地上部分的收獲從而去除鹽分，從源頭解決土壤鹽分過多的問題。同時(shí)莖葉茂盛的植物也可有效減少土表水蒸發(fā)量，抑制土壤返鹽，其根系發(fā)達(dá)可深入土壤深層，提高土壤的透水性和保水力，抑制土壤積鹽，并降低地下水位，加速土壤脫鹽[7]。

生物改良技術(shù)有別于化學(xué)改良技術(shù)，其環(huán)保性能好，不容易引入新的離子或有害重金屬，不易產(chǎn)生二次污染，但見效較慢。

2.4 水利工程改良技術(shù)

在水利工程技術(shù)中，以淋洗排鹽為主的工程措施是國外鹽堿地治理的主要手段。這類方式主要基于不改變土壤結(jié)構(gòu)組成，而是依靠增加土壤水分下滲從而降低耕作層土壤可溶性鹽含量，達(dá)到“鹽隨水來，鹽隨水去”的目的。鹽堿地灌水沖洗土壤，使鹽分溶于土壤水中，在土壤水下滲作用下將土壤表層的可溶性鹽排到下邊或淋洗通過排水溝排出。這類方式適用于中低程度鹽堿化土地的治理。但是水利工程改良技術(shù)同樣存在用工量大、投入成本高、維持時(shí)間有限或受限于水資源緊張等一系列問題，不能從根本上解決土壤鹽堿化難題。

以暗管排鹽技術(shù)為例，它是基于“鹽隨水來、鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律而開發(fā)的，首先可以對(duì)土壤進(jìn)行脫鹽，土壤中鹽分的排出可以有效降低次生鹽漬化的概率，沒有化學(xué)污染、對(duì)機(jī)械化耕作也沒有什么影響，而且占地面積小，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化操作。但是暗管排鹽技術(shù)沒有從根本上改變土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，無法切斷毛細(xì)管水作用；另外將鹽分轉(zhuǎn)移至農(nóng)田下游或低洼之地，形成新的生態(tài)環(huán)境污染和土地資源浪費(fèi)，因此暗管排鹽可以說是一種治標(biāo)不治本的改良技術(shù)。同時(shí)，我國的鹽堿地多分布在干旱或半干旱地區(qū)，暗管排鹽將在一定程度上受制于當(dāng)?shù)氐乃Y源。

2.5 腐植酸改良技術(shù)

腐植酸改良技術(shù)是從鹽堿地的土壤結(jié)構(gòu)改良出發(fā)，通過調(diào)控土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降低各種易溶性鹽類向地面方向運(yùn)移和積累，達(dá)到原位改良目的，是有效治理鹽堿地的方法。土壤無機(jī)質(zhì)是巖石分解而來，腐植酸是土壤形成的積極參與者和促進(jìn)者，是土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑。研究發(fā)現(xiàn)微生物的分泌物和死亡后形成的腐植酸類物質(zhì)作用不可忽視，腐植酸和黃腐酸對(duì)硅酸鹽、閃石、白云石、綠簾石都有較強(qiáng)的分解作用[8]。土壤中腐植酸類物質(zhì)只有很少一部分以游離態(tài)存在，大部分以鹽類、金屬離子絡(luò)合物、鐵或鋁氧化物凝膠被黏土吸附的狀態(tài)存在。其中以鹽類和金屬離子絡(luò)合物形態(tài)的腐植酸類物質(zhì)作用最大，使土壤中粒徑＜0.25 mm的膠粒結(jié)構(gòu)團(tuán)聚并提高其含量，從而有效抑制土壤毛細(xì)管水，達(dá)到改良鹽堿地目的。另外，腐植酸有機(jī)無機(jī)團(tuán)粒體對(duì)土壤中鉀、鈣、鎂、鐵、鋅和錳等有益元素的遷移或固定有很大影響。

土壤學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在黑鈣土中，腐植酸通過不溶性的腐植酸-鈣絡(luò)合物形成原生團(tuán)聚體，這種形態(tài)的結(jié)合體對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最大；在灰土和紅壤中，F(xiàn)e2O3與黃腐酸結(jié)合形成具有膠粘特征的混合物。富含腐植酸類物質(zhì)的土壤，比貧瘠土壤的團(tuán)聚體高5～7倍，總孔隙度高0.3～1倍，空氣含量和滲水速度都明顯偏高。同樣腐植酸影響著土壤的鹽基交換容量，當(dāng)土壤表層腐植酸類物質(zhì)占總土壤重量的2%～10%時(shí)，腐植酸類物質(zhì)的鹽基交換容量占總鹽基交換容量的35%～65%，其中黑鈣土腐植酸類物質(zhì)的鹽基交換容量最高[9]。此外，腐植酸影響著土壤持水性。由于腐植酸類物質(zhì)能降低水的表面張力，從而降低水與土粒表面的接觸角，增加水的鋪展面積，使土壤保水能力提高。腐植酸又是植物養(yǎng)料的倉庫，土壤腐植酸通過吸附、絡(luò)合、螯合和離子交換等作用或者間接通過激活或抑制土壤生物酶，對(duì)諸多營養(yǎng)物質(zhì)起保護(hù)作用和貯存作用。腐植酸在促進(jìn)碳、氮的礦化；抑制速效磷、鉀的固定，促進(jìn)難溶磷、鉀的溶解；減少各種營養(yǎng)元素的流失等方面也都有重要作用[9]。

施用畜禽糞（如雞糞、羊糞）以及其他農(nóng)田廢棄物等有機(jī)肥，其中重要的腐植酸成分不但能夠培肥土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤保水保肥能力，而且能夠減少水分蒸發(fā)，促進(jìn)淋鹽，抑制返鹽，加速脫鹽，但由于有機(jī)肥中腐植酸含量過低，施用量過大（1500千克/畝），人工費(fèi)用過高，目前情況下難以應(yīng)用。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)岳殷萍等[10]通過用風(fēng)化煤、泥炭或褐煤為原料制作的腐植酸鈉/鉀，配合脫硫石膏改良鹽堿地效果十分明顯，但如上所述，脫硫石膏也帶來了有害重金屬二次污染的潛在危險(xiǎn)。

綜上所述，鹽堿地治理各項(xiàng)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，腐植酸改良技術(shù)具有多重效應(yīng)特點(diǎn)。從鹽堿地形成原因入手，多種技術(shù)優(yōu)化和集成將是今后徹底治理鹽堿地的發(fā)展方向。

3 腐植酸綠色可持續(xù)改良技術(shù)方案

針對(duì)鹽堿地普遍存在的“鹽”“堿”“瘦”“板”“涼”等障礙性因子，不易改良且易反復(fù)的現(xiàn)象分析，可利用生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)品改性生產(chǎn)的腐植酸進(jìn)行控鹽、改堿、增碳、降容、增溫等多重效應(yīng)結(jié)合，快速改良的同時(shí)持續(xù)地補(bǔ)充腐植酸，消除作物生長障礙，解決返鹽現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)鹽堿地高效、綠色、低成本、原位、可持續(xù)改良。為此，作者依據(jù)鹽堿土壤成因，從土壤結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化的角度分析各種鹽堿地改良技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于生物質(zhì)快速熱解的鹽堿地腐植酸綠色可持續(xù)改良技術(shù)方案，見圖1。

鹽堿地腐植酸綠色可持續(xù)改良技術(shù)方案是通過使用腐植酸包膜肥和菌肥及可降解地膜持續(xù)為土壤補(bǔ)充腐植酸，噴施葉面肥抑制作物水分蒸騰的鹽堿地腐植酸改良技術(shù)和產(chǎn)品四位一體的高效集成，從而調(diào)控土壤團(tuán)粒化、抑制耕層水分蒸發(fā)、促進(jìn)土壤增溫降容，進(jìn)而達(dá)到其目的。具體如下：一是通過活性腐植酸強(qiáng)化調(diào)控土壤團(tuán)粒化和可降解地膜覆蓋，抑制耕層水分蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)控鹽；二是通過使用菌肥和腐植酸包膜肥以及可降解地膜持續(xù)為土壤補(bǔ)充腐植酸，確保穩(wěn)定的團(tuán)粒化結(jié)構(gòu)，防止返鹽現(xiàn)象；三是通過施用高孔隙率和富含活性含氧官能團(tuán)的生物半焦粉，降低土壤容重，提高透氣性，同時(shí)生物半焦粉的黑色能夠增加土壤表面的吸光系數(shù)，有助于提高地溫，促進(jìn)作物生長；四是通過噴施葉面肥，抑制作物葉面水分蒸騰，減少作物根吸收鹽分和促進(jìn)生長，從而可形成鹽堿地腐植酸控鹽、改堿、增碳、降容、增溫的高效綠色原位持續(xù)改良治理模式和多種快速改良與培肥產(chǎn)品的高效集成應(yīng)用體系。

圖1 鹽堿地腐植酸綠色可持續(xù)改良技術(shù)方案Fig.1 Green sustainable improvement technical scheme for humic acid in saline-alkali soil

4 結(jié)論

土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分布影響著土壤中水鹽運(yùn)移規(guī)律，土壤鹽堿化主要由于土壤中粒徑≥0.25 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少、毛細(xì)管水增加造成的。利用土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)-水-鹽一體化調(diào)控改良鹽堿化土壤，是最有效且從源頭上治理鹽堿地的方法。

物理改良、化學(xué)改良、生物改良、水利工程改良、腐植酸改良5類技術(shù)在鹽堿地改良過程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，且均取得了良好效果，腐植酸改良技術(shù)相對(duì)最優(yōu)。從鹽堿地形成的原因入手，多種技術(shù)、產(chǎn)品優(yōu)化和集成將是今后鹽堿地高效低成本綠色快速徹底治理鹽堿地的發(fā)展方向。

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