盐碱地改良与腐植酸应用技术探讨

2018-06-26田一良刘艳升张海兵

腐植酸 2018年3期

田一良刘艳升张海兵

中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院克拉玛依 834000

目前，土壤盐碱化已经成为一个世界性难题。从分布上看，除南极洲外，亚、欧、非、澳、南北美洲都有盐碱地的存在。从面积上看，全球约有9.55亿公顷盐碱地，90%为自然因素形成的原生盐碱地；10%是由于人为因素而造成的次生盐碱地。其中澳大利亚、俄罗斯和我国的盐碱土分别为3.57、1.71、0.99亿公顷，分别占世界盐碱地37.4%、17.9%和10.3%左右[1]。

我国的盐碱地分布横跨全国西北、东北、华北和滨海地区的17个省份，其中具有农业发展利用潜力盐碱地近0.13亿公顷，占我国耕地面积10%以上。同时，现有耕地中灌溉不当造成67万公顷的次生盐碱地[2]。目前，我国土地使用面积已经达到上限，后备土地资源开发与利用焦点应是退化地的改良与治理。我国盐碱地多处于干旱半干旱地带，土壤尚未受到人为重金属和农药污染，是目前亟待开发的、可耕种的洁净土地资源和有机农业潜在土地资源。盐碱化改良和开发利用是世界各国研究的热点问题。自20世纪50年代以来，我国投入了大量的人力、物力和财力用来改良盐碱地，开展了盐碱地治理改良的实践探索，盐碱地的治理改良技术和研究不断发展，并取得了大量的研究成果。

本文将依据盐碱土壤成因，从土壤结构-水-盐一体化的角度分析各种盐碱地改良技术的优缺点，提出腐植酸绿色可持续改良技术方案。

1 土壤盐碱化的形成因素分析

土壤盐碱化主要受自然因素和人为因素的影响，造成耕种层土壤中可溶性盐含量超过上限值（通常认为土壤可溶性含盐量上限值为0.3%），从而影响作物正常生长，使土壤的腐殖质淋失，土壤结构遭到破坏。土壤盐碱化表现为土表的白色盐分积淀（即碱斑），土壤湿时泥泞而干时坚硬。

通常情况下，土壤地下水与表层土壤水维持一定动态平衡，地下水位恒定，表层土壤中盐离子含量相对稳定。从土壤结构分析，土壤中的粒径＜0.25 mm团粒结构增多，使土壤中毛细管水比率大幅度增加；粒径≥0.25 mm团粒结构孔隙率在1.641～2.114[3]，能够阻断土壤中毛细管水现象。从土壤团粒结构-水-盐一体化角度分析，土壤盐碱化形成原因是在自然因素或人为因素影响下，土壤团粒结构分布发生改变，粒径≥0.25 mm大颗粒团粒结构大幅度减少，使土壤容重增加，持水量、孔隙率、通透性都有所降低，土壤中的毛细管水比率增大。气候干旱时，土壤深层含可溶性盐的地下水通过土壤毛细管上升到土壤耕作层，通过地面水分蒸发后盐分留在土壤表层。当没有足够淡水稀释土壤表层盐分并将其排走，耕作层可溶性盐在地面水平方向与垂直方向重新分配，盐分在土壤表层逐渐积聚超过0.3%，耕地中生长的植物根部细胞由于较高的内外盐浓度差而形成“生理干旱”，抑制植物生长或造成死亡，从而形成土壤盐碱化现象。

从土壤盐碱化形成源头看，土壤团粒结构分布影响土壤中水盐的运移规律，土壤团粒结构分布改变“盐随水来，盐随水去”平衡，形成新的“盐随水来，水散盐留”状况。因此，利用土壤团粒结构-水-盐一体化调控改良盐碱化土壤，是从源头上治理盐碱地的有效方法。

2 基于土壤结构-水-盐一体化的盐碱地改良技术分析

不同学科领域的盐碱地改良研究与实践，形成盐碱地改良的技术有物理改良、化学改良、生物改良、水利工程改良、腐植酸改良等，取得了较好的成效[4]。尽管各项技术都提出了不同的理论依据[5]，但将土壤结构和水盐运移规律解析作为指导，有助于从源头上评价和遴选最经济和可持续的盐碱地改良技术。

2.1 物理改良技术

在物理改良技术中，常用客土压碱、深耕深松土壤、铺沙压碱（阻断土壤毛细管吸水作用）等改良模式，其实质是通过增加土壤中粒径≥0.25 mm团粒结构数量或切断毛细管水作用的方式，疏通垂直方向水分运行途径，抑制地下水盐通过毛细现象向表层运移，实现表层土壤降盐排碱，进而逐渐改良耕层土壤。这类改良模式适合中高度盐碱化土壤的改良，可以从根本上改良盐碱地，但是物理改良技术存在诸如工程量巨大、投资成本高、维持时间有限等问题。

以客土治碱方式为例，客土是指由别处来的土，并不是当地原土，一般情况下是指质地比较好的壤土或者是人工配制的土壤，即粒径≥0.25 mm的团粒结构数量含量较高的土壤。一般自然土壤并不能成为优质客土，需要在添加了其他人工物之后，才能成为满足条件的优质客土。然而盐碱地一般以区域性存在，要获得质地优秀的壤土或者是人工配制土壤，都需要从距离较远的其他区域运输，这样的改良模式花费较大。对于新疆的准噶尔盆地和塔里木盆地等常年大风的地区，即使从别处运来质地优良的客土，在耕作表层还未形成密集植被时，极易被大风吹起破坏，给客土治碱带来难题。

2.2 化学改良技术

盐碱地化学改良技术是通过一些酸性盐类（硫酸钠、硫酸亚铁、磷石膏、脱硫石膏等）物质来中和碱性土壤，快速改良盐碱地的团粒结构等理化性质，降低土壤的pH值，增强土壤中阳离子的交换能力，降低土壤的含盐量，激发土壤中微生物和酶的活性，促进植物根系的生长，特别适合高度盐碱化土壤治理，是改造施工简单、周期短、见效快的有效方法。但是化学改良技术存在引入新的有害离子和重金属的风险，可能会造成土壤的二次污染。

目前国内外学者研究表明[6]，碱化土壤的改良需要加入含钙物质进行改良，已出现了采用石膏改良碱化土壤的先例，并取得较大成功。但由于石膏作为土壤改良剂价格较高，因此使用较少。目前，在盐碱化治理中较多使用的是脱硫石膏，每亩地施用500～1000 kg脱硫石膏，采用旋耕，使其与土壤充分结合，能够起到很好的效果。但由于大部分脱硫石膏都是火力发电厂除硫除尘产生的脱硫副产物，作为燃煤电厂的废弃物，脱硫石膏含有一定量重金属和有害元素，这些重金属元素会随着脱硫石膏改良盐碱地而进入土壤中。虽然有学者指出加入脱硫石膏引起的土壤重金属质量分数变化均低于《土壤环境质量》国家二级标准，但从脱硫石膏中不同种类重金属在淋洗实验所取得的数据来看，砷、汞、镉在蒸馏水淋洗作用下表现出向土壤深处迁移的趋势。因此，尽管在一定的浓度范围内施用脱硫石膏，在雨水的冲刷作用下，不会导致严重的土壤砷污染，且砷多集中在下层土壤中，不会引起表土层作物根系的吸收；镉含量随深度分布比较均匀，汞含量的分布则呈现顶层多、深处少的趋势，但对于作为潜在的洁净土地资源和有机农业土地资源的盐碱地来说，脱硫石膏中的重金属和有害元素的污染对盐碱地改良是不利的。

2.3 生物改良技术

在生物改良技术中，种植耐盐碱植物（常见的有碱蓬、盐角草、怪柳、滨藜、罗布麻、芦苇等）能够通过提高根部二氧化碳分压，交换钠离子，吸收并积累盐分，最后通过地上部分的收获从而去除盐分，从源头解决土壤盐分过多的问题。同时茎叶茂盛的植物也可有效减少土表水蒸发量，抑制土壤返盐，其根系发达可深入土壤深层，提高土壤的透水性和保水力，抑制土壤积盐，并降低地下水位，加速土壤脱盐[7]。

生物改良技术有别于化学改良技术，其环保性能好，不容易引入新的离子或有害重金属，不易产生二次污染，但见效较慢。

2.4 水利工程改良技术

在水利工程技术中，以淋洗排盐为主的工程措施是国外盐碱地治理的主要手段。这类方式主要基于不改变土壤结构组成，而是依靠增加土壤水分下渗从而降低耕作层土壤可溶性盐含量，达到“盐随水来，盐随水去”的目的。盐碱地灌水冲洗土壤，使盐分溶于土壤水中，在土壤水下渗作用下将土壤表层的可溶性盐排到下边或淋洗通过排水沟排出。这类方式适用于中低程度盐碱化土地的治理。但是水利工程改良技术同样存在用工量大、投入成本高、维持时间有限或受限于水资源紧张等一系列问题，不能从根本上解决土壤盐碱化难题。

以暗管排盐技术为例，它是基于“盐随水来、盐随水去”的水盐运移规律而开发的，首先可以对土壤进行脱盐，土壤中盐分的排出可以有效降低次生盐渍化的概率，没有化学污染、对机械化耕作也没有什么影响，而且占地面积小，可实现规模化操作。但是暗管排盐技术没有从根本上改变土壤的团粒结构，无法切断毛细管水作用；另外将盐分转移至农田下游或低洼之地，形成新的生态环境污染和土地资源浪费，因此暗管排盐可以说是一种治标不治本的改良技术。同时，我国的盐碱地多分布在干旱或半干旱地区，暗管排盐将在一定程度上受制于当地的水资源。

2.5 腐植酸改良技术

腐植酸改良技术是从盐碱地的土壤结构改良出发，通过调控土壤团粒结构，降低各种易溶性盐类向地面方向运移和积累，达到原位改良目的，是有效治理盐碱地的方法。土壤无机质是岩石分解而来，腐植酸是土壤形成的积极参与者和促进者，是土壤结构的稳定剂。研究发现微生物的分泌物和死亡后形成的腐植酸类物质作用不可忽视，腐植酸和黄腐酸对硅酸盐、闪石、白云石、绿帘石都有较强的分解作用[8]。土壤中腐植酸类物质只有很少一部分以游离态存在，大部分以盐类、金属离子络合物、铁或铝氧化物凝胶被黏土吸附的状态存在。其中以盐类和金属离子络合物形态的腐植酸类物质作用最大，使土壤中粒径＜0.25 mm的胶粒结构团聚并提高其含量，从而有效抑制土壤毛细管水，达到改良盐碱地目的。另外，腐植酸有机无机团粒体对土壤中钾、钙、镁、铁、锌和锰等有益元素的迁移或固定有很大影响。

土壤学家发现，在黑钙土中，腐植酸通过不溶性的腐植酸-钙络合物形成原生团聚体，这种形态的结合体对土壤结构的稳定性最大；在灰土和红壤中，Fe2O3与黄腐酸结合形成具有胶粘特征的混合物。富含腐植酸类物质的土壤，比贫瘠土壤的团聚体高5～7倍，总孔隙度高0.3～1倍，空气含量和渗水速度都明显偏高。同样腐植酸影响着土壤的盐基交换容量，当土壤表层腐植酸类物质占总土壤重量的2%～10%时，腐植酸类物质的盐基交换容量占总盐基交换容量的35%～65%，其中黑钙土腐植酸类物质的盐基交换容量最高[9]。此外，腐植酸影响着土壤持水性。由于腐植酸类物质能降低水的表面张力，从而降低水与土粒表面的接触角，增加水的铺展面积，使土壤保水能力提高。腐植酸又是植物养料的仓库，土壤腐植酸通过吸附、络合、螯合和离子交换等作用或者间接通过激活或抑制土壤生物酶，对诸多营养物质起保护作用和贮存作用。腐植酸在促进碳、氮的矿化；抑制速效磷、钾的固定，促进难溶磷、钾的溶解；减少各种营养元素的流失等方面也都有重要作用[9]。

施用畜禽粪（如鸡粪、羊粪）以及其他农田废弃物等有机肥，其中重要的腐植酸成分不但能够培肥土壤、改善土壤结构、增强土壤保水保肥能力，而且能够减少水分蒸发，促进淋盐，抑制返盐，加速脱盐，但由于有机肥中腐植酸含量过低，施用量过大（1500千克/亩），人工费用过高，目前情况下难以应用。内蒙古农业大学岳殷萍等[10]通过用风化煤、泥炭或褐煤为原料制作的腐植酸钠/钾，配合脱硫石膏改良盐碱地效果十分明显，但如上所述，脱硫石膏也带来了有害重金属二次污染的潜在危险。

综上所述，盐碱地治理各项技术各有优缺点，腐植酸改良技术具有多重效应特点。从盐碱地形成原因入手，多种技术优化和集成将是今后彻底治理盐碱地的发展方向。

3 腐植酸绿色可持续改良技术方案

针对盐碱地普遍存在的“盐”“碱”“瘦”“板”“凉”等障碍性因子，不易改良且易反复的现象分析，可利用生物质快速热解产品改性生产的腐植酸进行控盐、改碱、增碳、降容、增温等多重效应结合，快速改良的同时持续地补充腐植酸，消除作物生长障碍，解决返盐现象，从而实现盐碱地高效、绿色、低成本、原位、可持续改良。为此，作者依据盐碱土壤成因，从土壤结构-水-盐一体化的角度分析各种盐碱地改良技术的优缺点，提出了基于生物质快速热解的盐碱地腐植酸绿色可持续改良技术方案，见图1。

盐碱地腐植酸绿色可持续改良技术方案是通过使用腐植酸包膜肥和菌肥及可降解地膜持续为土壤补充腐植酸，喷施叶面肥抑制作物水分蒸腾的盐碱地腐植酸改良技术和产品四位一体的高效集成，从而调控土壤团粒化、抑制耕层水分蒸发、促进土壤增温降容，进而达到其目的。具体如下：一是通过活性腐植酸强化调控土壤团粒化和可降解地膜覆盖，抑制耕层水分蒸发，实现控盐；二是通过使用菌肥和腐植酸包膜肥以及可降解地膜持续为土壤补充腐植酸，确保稳定的团粒化结构，防止返盐现象；三是通过施用高孔隙率和富含活性含氧官能团的生物半焦粉，降低土壤容重，提高透气性，同时生物半焦粉的黑色能够增加土壤表面的吸光系数，有助于提高地温，促进作物生长；四是通过喷施叶面肥，抑制作物叶面水分蒸腾，减少作物根吸收盐分和促进生长，从而可形成盐碱地腐植酸控盐、改碱、增碳、降容、增温的高效绿色原位持续改良治理模式和多种快速改良与培肥产品的高效集成应用体系。