種植耐鹽水稻鹽堿地改良過(guò)程中的鹽度變化趨勢(shì)研究

程知言胡建 葛云魏文杰陳澎軍韓繼軍

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210000）

0 引言

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地面積約為954 萬(wàn)km2，我國(guó)約為100萬(wàn)km2（楊勁松，2008；李彬等，2005），其中各類可利用鹽堿地資源37 萬(wàn)km2，具有農(nóng)業(yè)利用前景的約12萬(wàn)km2（趙其國(guó)等，2020）。這些鹽堿地形成主要受地形地貌、水文地質(zhì)條件和氣候等多種因素影響，大致可劃分為濱海鹽堿地、黃淮海平原鹽堿地、荒漠鹽堿地和草原鹽堿地等。其中，濱海鹽堿灘涂在我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布，總面積達(dá)數(shù)百萬(wàn)公頃（洪立洲等，2015），除海平面自然淤長(zhǎng)形成外，這些灘涂鹽堿地大部分由人類圍墾產(chǎn)生（Yu and Chen，1999）。由于濱海地區(qū)降雨時(shí)空分布不均，水資源調(diào)蓄空間小，地下水埋深淺、礦化度高以及人類活動(dòng)等因素制約，現(xiàn)有濱海鹽堿地土壤鹽堿化危害嚴(yán)重，旱季返鹽強(qiáng)烈，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

多年來(lái)，諸多專家、學(xué)者對(duì)濱海鹽堿地改良與利用開(kāi)展了多方面的研究，形成了物理方法改良、化學(xué)措施改良、生物種植改良以及農(nóng)藝管理措施等多種方法疊加集成的綜合改良技術(shù)體系，在抑制地表水分蒸發(fā)、防止土壤表面積鹽，隔絕表層與深層土壤水鹽交換，改善土壤理化性質(zhì)，形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)質(zhì)和土壤微生物等方面取得了較好成績(jī)，進(jìn)而徹底改善周邊的生態(tài)環(huán)境（陳恩鳳，1965；全達(dá)人等，1995；張建峰等，2002；樊潤(rùn)威和崔志祥，1996；李建法和宋湛謙，2003；郝秀珍和周東美，2003；胡一等，2015）。

生物種植改良鹽堿地方面，諸如堿蓬、田菁、檉柳、中山杉、甜高粱、大豆、大麥、耐鹽水稻、黑麥草、狗牙根等能耐一定程度鹽分的樹(shù)種和禾草（綠肥）植物應(yīng)用較為廣泛。其中，耐鹽水稻種植改良鹽堿地已經(jīng)成為長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的較為成熟的技術(shù)方案之一（Fernando，1949；Ghose and Butany，1959；Akbar et al.，1972；Fageris and Barbosa，1981；Bernstein and Hayward，1958；Moeljopawiro and Ikehashi，1981；Fageris，1985；Heenan et al.，1988；陸連江等，1990；趙記伍等，2018），然而，眾多專家和學(xué)者研究耐鹽水稻，更多得是從“耐鹽基因/ QTL 定位與克隆”“鑒定、評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)”“種質(zhì)資源庫(kù)建設(shè)、基因挖掘與新品種選育”等領(lǐng)域展開(kāi)，即便是涉及到鹽堿地改良，也往往是從“配套栽培技術(shù)”“鹽堿地改良綜合配套技術(shù)”等方面提出，簡(jiǎn)而言之，目前耐鹽水稻的研究方向主要側(cè)重于“培育出適合我國(guó)沿海灘涂種植的耐鹽優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻新品種，解決國(guó)家糧食安全重大戰(zhàn)略問(wèn)題”這一主線，對(duì)如何利用耐鹽水稻生態(tài)快速改良鹽堿地的技術(shù)方法和機(jī)理研究較少。

2017 年始，江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在南通濱海鹽堿地開(kāi)展了利用耐鹽水稻種植改良鹽堿地的科學(xué)實(shí)驗(yàn)（魏文杰等，2019），嘗試探索了包括“鹽稻10”“鹽稻12”“揚(yáng)農(nóng)1 號(hào)”以及“湘兩優(yōu)900”等逾60 個(gè)耐鹽水稻品種在種植后鹽堿地土壤理化性狀的改變，結(jié)果顯示多數(shù)地塊實(shí)現(xiàn)快速脫鹽熟化，當(dāng)年即通過(guò)江蘇省補(bǔ)充耕地標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收。同時(shí)，部分水稻品種，如“鹽稻10”和“鹽稻12”還分別取得了畝產(chǎn)508.2 kg 以及600.3 kg 的好成績(jī)①南通市通州灣示范區(qū)耐鹽水稻種植改良鹽堿地項(xiàng)目示范方測(cè)產(chǎn)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，2018，江蘇省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣協(xié)會(huì).。此外，袁隆平院士技術(shù)團(tuán)隊(duì)最新培育的“海水稻”實(shí)地測(cè)產(chǎn)結(jié)果，畝產(chǎn)也多在500kg 以上。也就是說(shuō)，在濱海灘涂地區(qū)種植耐鹽水稻既是鹽堿地改良修復(fù)、恢復(fù)濱海岸線生態(tài)環(huán)境的重要方法之一，同時(shí)也可為我國(guó)糧食提供大規(guī)模潛在生產(chǎn)基地，成為國(guó)家糧食增產(chǎn)增收的堅(jiān)強(qiáng)保障。

因此，本文擬以南通通州灣耐鹽水稻種植改良鹽堿地示范區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)長(zhǎng)期采集并分析土壤的鹽度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討改良過(guò)程中存在的自然條件和人類活動(dòng)的限制性因素，進(jìn)而為后期耐鹽水稻種植改良鹽堿地技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用提供參考。

1 地理環(huán)境與地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南黃海輻射沙脊群南翼，南通通州灣江海聯(lián)動(dòng)開(kāi)發(fā)示范區(qū)北側(cè)（圖1），北部緊鄰如泰運(yùn)河，由于高涂養(yǎng)殖廢水不定期排放，該河流僅有開(kāi)閘放水時(shí)可提供部分淡水（微咸水）資源。地區(qū)年降雨量977～1258 mm，且雨熱同季，汛期（6—9 月）雨量相對(duì)集中，全區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)，平均風(fēng)速3.5 m/s。研究區(qū)周邊以水稻、小麥和玉米種植為主，往往實(shí)行一年兩季套種。

從土壤理化性質(zhì)來(lái)看，研究區(qū)土壤經(jīng)后期人工吹沙填海形成，成熟時(shí)間短，受區(qū)域潛水及海水浸漬影響鹽漬化嚴(yán)重。土壤質(zhì)地介于砂質(zhì)壤土-壤土-粉砂質(zhì)壤土之間，孔隙度和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較差，容重均值為1.48 g/cm2，表層土壤pH 值介于8.06～8.57，平均值為8.32。表層土壤含鹽量在4.07‰～23.25‰，平均值為8.54‰，以Cl-和K+、Na+占主導(dǎo)，屬典型濱海氯鹽堿土，且為中-重度鹽土級(jí)別。研究區(qū)土壤改良前有機(jī)質(zhì)含量最高僅為1‰，總氮和有效磷也屬于嚴(yán)重不足和略貧范圍，速效鉀含量偏高，主要受主導(dǎo)易溶鹽離子K+影響，整體來(lái)看，養(yǎng)分較為貧瘠。

2 土壤鹽度快速檢測(cè)方法

在獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)方面，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法能夠全面、精確地獲得土壤含鹽量、養(yǎng)分、質(zhì)地等多種信息，但缺點(diǎn)是檢測(cè)速度較慢，無(wú)法快速指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作開(kāi)展，在春季插秧、水稻分蘗等關(guān)鍵時(shí)期，尤其需要快速檢測(cè)結(jié)果以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作。因此，在實(shí)際工作中，常使用即插式土壤電導(dǎo)率檢測(cè)儀器獲得土壤電導(dǎo)率信息，按照一定的換算公式間接獲得鹽度數(shù)據(jù)（張瑜斌等，2003）。

然而，由于土壤中含鹽量的不均質(zhì)性以及地形條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致常規(guī)即插式土壤電導(dǎo)率檢測(cè)儀在多數(shù)情況下無(wú)法獲得穩(wěn)定且可靠的鹽度數(shù)據(jù)。本次研究，通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液鹽度與溫度和電導(dǎo)率能夠呈現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系（表1，圖2）。基于此，可通過(guò)建立一種恒溫條件下（25℃）采用電導(dǎo)率儀測(cè)試土壤中浸提液的檢測(cè)方法來(lái)快速獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，這種方法可實(shí)現(xiàn)當(dāng)日采樣，次日即獲檢測(cè)數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比誤差可控制在10%范圍以內(nèi)。

主要測(cè)試方法如下：

（1）現(xiàn)場(chǎng)取樣1000 g 左右，可為略潮濕樣品，不能有明顯水跡，去除其中的雜草、小石頭等雜質(zhì)；

圖1 研究區(qū)交通位置示意圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)溶液電導(dǎo)率與鹽度、溫度關(guān)系圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)溶液電導(dǎo)率測(cè)試記錄

（2）將樣品放于45℃以下的烘箱中烘干、粉碎、去雜、過(guò)篩（20 目）、混勻；

（3）用電子天平稱量40 g 樣品，放入燒杯中。量筒量取200 mL 去離子水，倒入已放入土樣的燒杯中（土水比為1 ∶5），用玻璃棒攪拌至土壤中鹽分充分溶解；

（4）將燒杯置入25℃的水浴鍋中，靜置，待水澄清；

（5）用電導(dǎo)率儀測(cè)定上清液電導(dǎo)率，記錄電導(dǎo)率數(shù)據(jù)；

（6）按照25℃溫度條件下，電導(dǎo)率與鹽度相關(guān)關(guān)系式（1）獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)。

式（1）：YNaCl=-0.0001XEc3+0.0066XEc2+0.4966XEc+0.0026，R2=1

其中，YNaCl為土壤浸提液鹽度，XEc土壤電導(dǎo)率。

3 土壤水鹽監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域降雨量、蒸發(fā)量和潛水水位對(duì)濱海鹽堿地土壤鹽分自生演化影響強(qiáng)烈。根據(jù)單因素方法分析結(jié)果，降雨量、蒸發(fā)量和潛水水位均對(duì)表層土壤鹽度有較為顯著影響，水鹽運(yùn)移模型預(yù)測(cè)也表現(xiàn)出類似的結(jié)論（解雪峰等，2016；樓錦花等，2017）。因此，快速改良濱海鹽堿地需要考慮2 個(gè)關(guān)鍵因素：（1）洗鹽排鹽，降低土壤鹽分存量；（2）改善土壤性質(zhì)，抑制返鹽，控制土壤鹽分增量。以往旱作鹽堿地改良也往往圍繞降鹽和抑鹽這兩種主要因素開(kāi)展，通過(guò)降低地下水位、形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、控制蒸發(fā)以減少鹽分上行表聚等技術(shù)措施開(kāi)展工作，采取的主要措施包括明溝、暗管、豎井以控制地下水位、（深耕）漫灌+旋耕洗鹽以快速脫鹽、添施土壤調(diào)理或改良劑及有機(jī)肥等功能性材料以改善土壤理化性質(zhì)、秸稈覆蓋及還田以控制地表蒸發(fā)（鄧玲等，2017；鄧玲等，2017；葛云等，2018；魏文杰等，2018）。

大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在種植耐鹽水稻的過(guò)程中，其特有的農(nóng)藝措施及其組合，比如，深耕翻松土壤后利用淡水（或微咸水）漫灌及帶水旋耕洗鹽、應(yīng)用土壤改良劑及土壤理化性質(zhì)調(diào)理劑改善土壤結(jié)構(gòu)以提升土壤質(zhì)量、種植水稻過(guò)程的不同階段施加有機(jī)肥和基肥以滿足水稻生長(zhǎng)過(guò)程所需養(yǎng)分等（魏文杰等，2019），同樣可以使土壤達(dá)到土壤降鹽和抑鹽目的，且效果相比其他改良方式更優(yōu)（圖3），降鹽控鹽的持續(xù)性也更佳。

3.1 耐鹽水稻種植對(duì)不同土層土壤含水量的影響

從表2 和圖4 可以看出，耐鹽水稻種植過(guò)程中，0～20 cm 土層土壤含水量整體在30%以上，土壤含水量處于過(guò)飽和狀態(tài)，9 月6 日土壤含水量降低，主要為取樣前曬田3 d，表層土壤水分蒸發(fā)引起土壤含水量顯著降低。40～60 cm 土層含水量基本穩(wěn)定，且該層土壤含水量最低，可能該層土壤介于地表水與潛水影響之間，0～40 cm 土層含水量主要受地表水影響，60～80 cm 土層含水量主要受地下水影響，含水量較高。

3.2 耐鹽水稻種植對(duì)不同土層土壤鹽度的影響

從表3 及圖5 可以看出，耐鹽水稻種植過(guò)程中，0～20 cm 土層土壤鹽度多在2‰以下，且整體穩(wěn)定略呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明耐鹽水稻種植對(duì)抑制表層土壤返鹽及降低鹽度具有良好作用。20～40 cm 土壤鹽度波動(dòng)較大，可能與不同農(nóng)藝措施下的土壤鹽分離子遷移有關(guān)。

圖3 耐鹽水稻種植改良過(guò)程土壤鹽分演變趨勢(shì)

表2 不同土層土壤含水量變化

圖4 不同土層土壤含水量變化圖

表3 不同土層土壤鹽度變化

圖5 不同土層土壤含鹽量變化圖

根據(jù)不同土層含水量及鹽度數(shù)據(jù)，表明耐鹽水稻種植主要對(duì)0～40 cm 土層土壤鹽度影響較大，40～60 cm 土層波動(dòng)較小，而深部60～100 cm 土層鹽度變化可能受淺層地下水變化制約。

3.3 耐鹽水稻種植過(guò)程中表層土壤含鹽量受降雨和蒸發(fā)的影響

由于江蘇沿海地區(qū)雨熱同季、年度降水分布不均，自然灘涂主要形成了夏季脫鹽和春秋兩季積鹽的季節(jié)性水鹽動(dòng)態(tài)變化特征以及雨季澇害所致階段性返鹽現(xiàn)象。葛云等（2018）在對(duì)比不同秸稈利用方式下江蘇濱海鹽堿地鹽堿障礙調(diào)控研究中發(fā)現(xiàn)，短時(shí)大量降水抬升地下水位以及無(wú)覆蓋地表強(qiáng)蒸發(fā)是導(dǎo)致地表土壤迅速積鹽的主要因素。然而，從圖6 可以看出，耐鹽水稻種植全周期，土壤含鹽量穩(wěn)定在3‰以下波動(dòng)，且更多受水稻生長(zhǎng)的不同階段影響（圖3），與大氣降水和地表蒸發(fā)關(guān)聯(lián)不大。由此可見(jiàn)，耐鹽水稻種植改良鹽堿地過(guò)程中，人類活動(dòng)干預(yù)因素要強(qiáng)于自然條件因素。

3.4 水旱輪作對(duì)表層土壤含鹽量的影響

以近14 個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，洗鹽前（2019 年3 月—2019 年5 月）研究區(qū)全區(qū)鹽度相對(duì)較高，超過(guò)3‰鹽度的區(qū)域個(gè)數(shù)占整個(gè)研究區(qū)的50%以上，最高達(dá)8.32‰，達(dá)重鹽土程度，水旱輪作區(qū)鹽度平均值較旱作區(qū)更大。

圖6 耐鹽水稻種植改良過(guò)程土壤鹽分與降雨量和蒸發(fā)量關(guān)系圖

圖7 水旱輪作與旱作改良鹽堿地表層土壤鹽度變化趨勢(shì)圖

洗鹽后作物生長(zhǎng)階段（2019 年7 月—2019 年10 月）全區(qū)水旱輪作條田鹽度整體降低，旱地含鹽量平均值顯著大于水旱輪作區(qū)。

旱作輪種階段（2019 年11 月—2020 年6 月）全區(qū)鹽度不同程度抬升，旱作區(qū)鹽度波動(dòng)劇烈，相比之下，水旱輪作區(qū)則相對(duì)穩(wěn)定（圖7）。

第二年水稻種植階段（2020 年6 月起）全區(qū)鹽度繼續(xù)呈降低趨勢(shì)，至2020 年7 月下旬全區(qū)鹽度降至3‰以下之后便一直維持在3‰以下。

綜上所述，耐鹽水稻種植改良鹽堿地較傳統(tǒng)旱作改良更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）恒溫條件下（25℃）采用電導(dǎo)率儀測(cè)試土壤中浸提液的檢測(cè)方法來(lái)快速獲得土壤鹽度數(shù)據(jù)，為鹽堿地改良過(guò)程中的精準(zhǔn)人工干預(yù)提供了可能。

（2）種植耐鹽水稻對(duì)濱海鹽堿地改良具有良好作用，可有效控制耕作層（0～20 cm）土壤鹽度維持在較低的水平且保持穩(wěn)定，有利于作物生長(zhǎng)，進(jìn)而形成良性的生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)土壤熟化。

（3）在耐鹽水稻種植過(guò)程中，60 cm 深度以下土層受地表水影響較小，因此，前期洗鹽可深耕至地下40 cm 處，能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，降低潛在鹽害，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。

（4）通過(guò)種植耐鹽水稻改良鹽堿地，受地理氣候等自然因素制約較小，改良效果較傳統(tǒng)旱作改良更優(yōu)，在配合土壤改良劑或理化性質(zhì)調(diào)理劑使用的前提下，可推薦在有淡水（或微咸水）資源的鹽堿地大范圍推廣應(yīng)用。