盐碱地修复利用措施研究进展

于宝勒

（1内蒙古自治区林业监测规划院，呼和浩特010020；2内蒙古大学生态与环境学院，呼和浩特010020）

0 引言

随着土地灌溉面积的逐年扩大，温室效应引起的全球气候变化造成的干旱增加、海平面上升，都直接或间接地加剧了积盐过程，导致土地盐碱化持续扩展，尤其在水资源相对匮乏的干旱、半干旱地区，土壤盐碱化所带来的环境问题、农牧业持续发展问题和贫困问题，将对自然环境与人类社会造成很大影响。全国第五次荒漠化公报显示，截至2014年，国内盐渍化土地面积17.19 km2，占荒漠化土地面积的6.58%[1]。另一方面，随着经济的飞速发展，耕地、草地的面积日益减少，影响到国家的农牧业发展。增加优质耕地，保障耕地红线，保障国家粮食安全；保护天然草地，促进人工草地发展，保障农牧业健康发展成为当前国内农牧业发展的重要方向。有效修复改良盐碱地，对解决农业用地紧缺、遏制土壤盐渍化的加重具有重要意义。

目前针对盐碱地的研究主要包括盐碱地和盐渍化的发生和演变研究、水盐运移机理及建模研究、盐渍化的监测、评估、预测与预警研究、盐渍化与灌溉的关系研究、生态环境与盐渍化的关系研究、土壤盐渍化的生态环境效益的研究、盐碱障碍与生态修复研究等方面[2-4]。笔者将着重针对盐碱化土地的改良与修复研究进行综述。

1 盐碱化对土壤与植物的影响

要采取具有针对性的措施对盐碱地进行有效的修复与改良，首先应在充分了解土壤盐碱化对土壤与植物所产生的影响。

1.1 盐碱化对土壤的影响

土壤盐渍化会对土壤的理化性质产生较大影响。盐碱化会造成土壤板结，土壤质地与结构的变化，导致土壤透水性变差；同时土壤盐渍化还会导致土壤肥力的下降以及有效养分的转化[3]，使土壤中有毒金属的溶解度与迁移率提高，土壤重金属污染的风险提升[5]。

同时，盐碱胁迫对土壤酶活性与土壤微生物也有显著的影响[6-10]，盐度增加会使土壤微生物氮转化速率、精氨酸氨化和硝化速率、微生物生物量氮和脲酶活性降低[8]；不同类型的土壤酶对盐碱胁迫的响应表现有所不同，土壤脲酶与土壤蔗糖酶活性对盐碱胁迫呈先升后降的趋势；土壤过氧化氢酶活性呈不断上升的趋势；轻度盐碱胁迫程度能促进碱性磷酸酶活性，而重度盐碱胁迫抑制碱性磷酸酶活性[9]。土壤中微生物丰富度、多样性、群落组成与功能受土壤盐度的影响[10-11]；土壤微生物对盐胁迫的敏感性要先于植物体，因此能较早地指示生态系统功能的变化[12]，不同盐碱类型和盐碱程度胁迫下，土壤细菌群落组成会有显著差异，土壤细菌群落通过调节物种组成响应与适应盐碱胁迫[13]。

1.2 盐碱化对植物的影响

高盐胁迫条件下，植物种子萌发与幼苗发育以及植物生长均会受到抑制，植物干物质量下降[14-15]，重度盐碱化土地上往往寸草不生。过高的盐分对植物幼苗、叶、根均产生影响，且与其他器官相比，盐胁迫对植物根的生长抑制作用更明显。盐碱胁迫过程中，植物体的光合作用、蛋白质合成、能量和脂代谢等过程都会受到影响。研究表明，轻度盐胁迫有利于促进一些耐盐植物的光合作用[15]，但当盐离子浓度达到一定浓度后，超过植物自身的调节阈值，植物叶片的净光合速率、蒸腾作用、气孔导度和表观叶肉导度均呈不同程度的下降趋势[16]，从而影响植物的生长。盐胁迫下植物体内会产生大量的活性氧(ROS)，造成植物细的氧化损伤，甚至导致死亡。一些植物通过自身调节机制减轻盐碱对其造成的损害，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)能够清除植物体内多余的超氧化自由基，减轻盐胁迫对植物造成的损伤[17]。

盐碱化对植物的影响主要通过引发生理干旱、危害植物体组织与细胞、阻碍植物对养分的摄入等方面产生。盐碱条件会引起植物生理干旱，由于盐碱土中积盐过多，导致渗透胁迫，破坏植物体内正常的水分代谢，严重时导致植株死亡。土壤盐碱化会危害植物体组织，盐碱的腐蚀作用能直接破坏植物组织；在土壤pH较高的情况下，OH-对植物体产生直接毒害作用。植物体内积聚的过多盐分会阻碍蛋白质合成，加重含氮的中间代谢产物积累，导致植物体组织细胞中毒。土壤盐碱还会阻碍植物的营养摄入与吸收，过多的盐分使土壤物理性状与肥力状况不佳，导致植物营养摄入减慢，转化利用率也降低。且由于Na+的竞争导致植物体对钾、磷和其他营养元素的吸收减少，磷的转移受抑，严重影响植物体的营养状况[18]。

2 盐碱地改良研究进展

从20世纪30年代开始，美国、苏联、日本、以色列、意大利等国家就开展了盐碱地的改良研究并取得了较好效果，中国自20世纪50年代起，开展了大规模的盐碱地改良工作[4]。以往盐碱地改良主要以工程措施为主，化学方法为辅。工程措施主要包括灌水洗盐、排水除盐（暗管排水）、客土改良等。除工程措施外，施用有机肥料（秸秆、淤泥、粉煤灰等）及种植绿肥植物、水旱轮作等也起到了不同程度的作用。随后在离子置换理论的指导下，化学改良剂应用逐渐增多，最常用的有石膏、磷石膏、烟气脱硫石膏、绿矾以及产品化的土壤改良剂。生物措施上通过选种、引种、基因工程改良等方法选育了很多适生的耐盐植物。此外，在微生物改良土壤方面，菌根菌的使用也取得了较好效果。不同改良措施在效果、成本、实施难易度等方面各有特色。

2.1 工程措施

工程措施也指物理措施，主要包括灌溉洗盐、深松耕、铺设隔离层、客土改良、暗管排盐等工程方式，通过灌溉将盐分压至土壤下层，或通过铺设隔离层阻断潜水上升路径，促进下行重力水对土壤的淋洗，减轻盐分表积。深松耕能降低耕层土壤碱化度、pH和容重，提高土壤孔隙度和保水能力，有利于抑制土壤返碱，最终提高产量和水分生产率。通过铺设沙子[18]、秸秆[19-20]、沸石[18]、陶粒[18]等可以显著降低土壤电导率、促进植物光合作用。铺设隔离层与客土改良等方法虽然可以达到促进植物生长，提高生物量的目的，但是工程要耗费较大的人力、物力、财力，不适于大面积的应用，较多应用于园林绿化等领域。关胜超等[21]以松嫩平原盐碱地为研究对象，采用覆盖风沙土、铺设秸秆、制沟、筑台等4种工程措施进行改良，结果表明，裸碱斑上铺设秸秆有效地促进了植被的恢复，垄沟系统与垄台系统可以在一定程度上有效促进裸碱斑植被的恢复，但不同处理间植被恢复效果差异不显著，植被恢复状况在年际间具有较大差异。覆沙对作物的生长和产量均有显著影响。总体上各项指标均随覆沙厚度的增加而增加，覆沙对于玉米的影响要大于对向日葵的影响。覆沙对于苜蓿的产量影响显著，而对黄花草木樨产量影响不显著。

田间和区域水盐调控是土壤长期得到有效改良的关键[22]。为了使碱化草甸实现水盐调控，孙兆军等[18]在宁夏平罗西大滩进行的研究结果表明，改良碱化草甸土并配合大水洗碱措施，能降低耕层土壤碱化度和pH，有利于土壤排碱，从而促进油葵生长，灌水泡田量越大，改良效果越好，油葵产量和水分生产率越高。在灌水条件较好的地区，改良碱土型盐碱地需尽可能采用大水水洗盐压盐。对水资源短缺的干旱、半干旱地区，灌溉洗盐的方式要求较多的淡水资源，会造成一定的水资源浪费。

目前多地应用覆膜滴灌、暗管排盐等工程措施，达到盐碱地有效利用目的的同时，在节约水资源、降低工程难度的方面均有较好的效果[18,23-25]。孙兆军等[18]研究表明，改良碱化草甸土配合滴灌和喷灌措施能降低耕层上壤碱化度和pH，有利于抑制土壤返碱，从而促进油葵生长，在灌水量较少的条件下，最终不影响甚至提高油葵产量，显著提高了水分生产率，达到节水高效增产的目的。刘洪光等[26]针对盐碱地滴管葡萄的研究结果表明，滴灌配合覆膜，可极大提高表层土壤水分含量，在灌水和覆膜内土壤水分的反复蒸发、凝聚、下渗微循环作用下，土壤的盐分向土体下部迁移，且靠近滴头处土壤土层盐分迁移愈加明显。

2.2 化学措施

化学措施是通过改变盐碱土壤胶体的吸附性阳离子的组成，改善土壤结构，调节酸碱度，改善土壤营养状况，达到改良土壤的目的。石膏改良盐碱地的研究与实践由来已久[27]，烟气脱硫石膏作为电厂的主要副产品，在盐碱地改良中的应用研究也有20多年，目前实验范围已覆盖国内北方有盐碱地的绝大多数省份[28]。脱硫石膏改良碱化土壤机理为，脱硫石膏（主要成分为CaSO4·2H2O）中Ca2+和土壤中游离的NaHCO3和 Na2CO3作用 ，生成 CaCO3、Ca(HCO3)2和 Na2SO4，Na2SO4通过灌溉洗盐冲刷排出，从而减少土壤中的Na+离子。降低土壤碱性，消除Na2CO3和NaHCO3对作物的毒害，同时，Ca2+比Na+对土壤中胶体的吸附能力强，通过离子交换作用，Ca2+离子可以将Na+离子代换出来。农田试验结果表明，碱化土壤施用烟气脱硫石膏后，土壤pH、ESP均下降，通常土壤含盐量也随之减少；各耐盐植物的生长发育得到促进，出苗率、株高和相对生物量提升，耐盐植物的耐盐等级也有所提高，扩展了耐盐植物在盐碱地上的种植范围。虽然脱硫石膏应用于盐碱地改良的效果显著，但由于矿石质量、工艺等原因，部分烟气脱硫石膏中盐分含量可能很高，并含有许多可溶性盐[30-31]，燃煤烟气脱硫石膏中高盐含量如超出植物对盐的忍耐度，可能对植物生长造成危害[30]。田野等[29]针对吉林地区碱化土壤特点的研究表明，适量施用脱硫石膏可以显著降低土壤含盐量，但过量脱硫石膏带入土壤的盐分不能及时淋洗，反而会导致土壤含盐量增加。因此，科学制定脱硫石膏的用量与施用频率对于减少脱硫石膏改良的二次污染风险至关重要。Zhao等[32]针对脱硫石膏应用对土壤盐碱度、作物产量和土壤及作物重金属的长期影响进行了研究，结果表明，在脱硫石膏施用后的第一年，土壤pH和表层土ESP显著降低，而EC在第二年显著降低。4年后，施用过脱硫石膏的土壤的EC、pH和ESP水平分别比改良前低58.3%、92.2%和95.2%。施用脱硫石膏的土壤和农作物中重金属（Cd、As、Pb、Hg和Cr）的含量远低于现有的水平标准和可检测限度。

随着脱硫石膏改良盐碱地研究的不断深入，将脱硫石膏与其他具有改良盐碱土性质的土壤调理剂配合使用的研究也不断出现[33-35]，脱硫石膏与有机物料配施均显著降低耕层土壤pH、EC与Na+的含量，增加土壤孔隙度与Mg2+含量；作物产量也有所提高[32]。脱硫石膏与结构改良剂配合施用能显著改善龟裂碱土理化性状，促进水稻成长，但改良效果受到土壤深度的影响[34]。将脱硫石膏与腐殖酸配合使用，可以有效降低土壤的盐碱化程度，且其效果优于单一使用脱硫石膏[35]。

有机肥、腐殖酸、蚯蚓粪、糠醛渣、开心果渣、粉煤灰、各类工业废弃物等施入盐碱土壤后能降低土壤EC、水溶性Na+和K+含量以及SAR，提高土壤养分的有效性与利用率，增强植物叶片光合能力，促进植物的生长[36-40]。施用有机无机复混肥能够提高土壤养分含量，增加土壤有机质含量，可以在化肥施用量减少的情况下，通过改善土壤理化性质，提高肥料利用效率，实现产量、生产性能和营养品质的显著提升[41]。盐胁迫条件下，施用外源NO能提高根组织的渗透调节能力、降低自由基积累、缓解根系氧化损伤，改善根系对离子的选择性吸收、促进根系生长，从而提高植株耐盐性[42-44]。周万海等[44]的研究表明，外源NO供体硝普钠(SNP)处理能明显缓解盐胁迫对苜蓿幼苗根系生长的抑制和氧化损伤，提高根系活力，且通过一氧化氮合酶(NOS)和硝酸还原酶(NR)途径产生的内源NO也可能在苜蓿根系适应盐胁迫的调节中起关键作用。

2.3 生物措施

生物措施被认为是盐碱地改良措施中最有效且安全的方式[45-46]。生物措施改良包括植物措施、微生物措施等方面。

植物措施主要是通过种植耐盐碱植物改良盐碱地。耐盐植物在生长过程中不仅可以降低土壤的盐碱度，还可以改善盐碱土壤的理化性质，促进土壤生物群落的恢复。耐盐碱植物具有聚盐性或泌盐性，耐盐植物直接摄取土壤中的盐分，植物根系的生长延伸改善土壤的通透性，然后通过水分淋洗滤去Na+或者通过植物吸收Na+从地上部分收获而除去[15]。植物改良措施还可以通过降低地下水位，“盐随水来、盐随水去”，达到降低土壤盐度的效果。植物的蒸腾作用可降低地下水位，地下水位的降低可以有效降低底层土壤返盐。同时，种植耐盐植物还可以增加地表盖度，抑制土壤表层水分蒸发，进而抑制盐分随水分蒸发向地表运动返盐，减少表层土壤的盐分积累[45]。植物根系的生长可改善土壤性状，根系分泌的有机酸及植物残体经微生物分解产生的有机酸还能中和土壤碱性，植物的根、茎、叶返回土壤后又能改善土壤结构，增加有机质，提高肥力[47-49]。

国内约有盐生植物430种，分属于66科197属[50-51]，可以作为资源开发利用的有200多种，其中大部分有多种利用价值。根据国内北方盐渍土地区群众的长期实践，已筛选出向日葵、碱谷、糜子、大麦、高粱、甜菜、棉花、胡麻等适合在盐碱地上种植的作物和大米草、咸水草、芦苇、罗布麻、沙棘、枸杞、杜仲等耐盐经济植物。种植小黑麦[50]、翅碱蓬、中亚滨藜、柽柳、白刺、地肤、罗布麻都能不同程度使土壤含盐量逐渐减少，氮、磷、钾和有机质含量增加，进而起到改良盐碱的目的[53]。王静等[54]通过大田试验研究不同牧草苜蓿、芨芨草、羊草、红豆草改良盐碱地的效果，发现4种牧草对盐碱地土壤理化性质改善明显，种植牧草可使土壤容重逐年降低，土壤含水量、有机质得到不同程度的增加，且不同牧草根系作用下土壤养分均呈波动状变化趋势，苜蓿对土壤中的碱解氮总体具有富集作用，而红豆草对碱解氮消耗较大，芨芨草可以促进土壤中速效磷的转化，而羊草作用下的土壤含钾量略有上升，同时碱化度变化均随改良时间的延长呈现波动状减少趋势。适应性种植耐盐植物和进行盐碱化草场恢复重建，具有方法简单、投资费用低等优点。将该方法与灌溉淋盐、排水系统、土壤改良与土壤培肥等措施相结合，将有可能加速草场恢复重建，提高土壤生产力。另外，鉴于耐盐植物对盐碱地改良的效果与机理，通过基因工程手段，通过编辑植物特定的基因，提高植物对盐胁迫的耐受性，也在成为新的研究热点。

除植物改良措施外，微生物改良也是盐碱地生物改良措施的重要途径。生物措施中，AM真菌已被国内外许多研究证实可增强植物的抗盐碱能力[55-57]，从而达到较好的改良土壤的效果。在自然盐性环境下有大量AM真菌分布，且能与植物形成菌根。有研究表明，芽孢杆菌(Bacillussp.)与假单胞菌(Pseudomonasp.)和（或）丛枝菌根真菌(AM)能在盐碱和非盐水条件下改善突尼斯4个沙棘种源的生长、生理生化特性[55]。张雯雯等[56]采用原位滨海盐碱土系统研究了AM真菌与蚯蚓相互作用对盐碱土养分有效性和植物盐适应性的影响，结果表明，中度盐胁迫下，蚯蚓和AM真菌可以改善土壤化学和生物特性，促进玉米养分吸收和生长，重度盐胁迫下，蚯蚓和AM真菌主要改善土壤物理结构降低含盐量，促进玉米钾吸收和生理调节能力，从而提高玉米耐盐性。张义飞等[55]的研究表明，在高盐胁迫下，AM真菌显著降低了盐胁迫效应，AM真菌既能促进羊草对营养元素的吸收，又能减少离子毒害，调节渗透势，进而提高了羊草生物量，菌根效应明显。生物菌肥和土壤调理剂及其配施处理能降低土壤的pH和全盐量，促进植物幼苗生长与幼苗叶片叶绿素含量与光合作用能力，提高植物的高度、密度和盖度[58-59]。Ahmed等[60]研究结果表明，香豆素预处理可以增强渗透调节过程和抗氧化防御系统来缓解盐度对小麦幼苗生长的不利影响。

2.4 综合措施

虽然上述这些方法具有一定的改良效果，但是单一的方法只能在一定范围内减轻或降低盐碱危害，而不能从根本上消除盐碱危害和解决土壤盐碱化的问题。国内干旱半干旱区呈现出土地盐碱问题与灌溉长期并存、局部盐碱化减缓和持久性的盐碱反复与加剧并存的现状，土地盐碱化的治理问题需要采取综合、系统的方法加以解决。综合措施就是将上述的工程措施、化学措施、生物措施进行有机结合，达到更好的改良效果。目前，将不同措施进行综合应用的研究较多[61-64]，Llyas[64]在盐碱土上利用种植多年生紫花苜蓿、刺田菁和小麦轮种、秸秆覆盖、休耕处理等4种方法进行改良，每个改良处理都加或不加石膏，设置或不设置明渠排水。一年后，作物轮作结合石膏的处理区内表层土壤EC、pH明显降低，紫花苜蓿结合石膏处理与休耕处理相比，0～80 cm土壤Cl-减小。盐碱地改良集成配套技术的研究与应用在多地开展并取得了较好的成效，针对淡水资源匮乏制约盐碱地改良利用难题，自1982年以来，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心在环渤海低平原和滨海平原开展了缺水盐渍区盐碱地改良利用研究与示范工作，形成了以咸水、雨水、耐盐植物高效利用为核心的工程措施、农艺措施与生物措施相结合的盐碱地改良利用技术体系，为环渤海缺水盐渍区农业发展和生态环境建设提供了科技支撑[65]。中国科学院东北地理与农业生态研究所、吉林省林科院、白城市林科院等单位，采取整地与使用土壤改良剂、施有机肥相结合方式，成功在吉林省西部中重度苏打盐碱土上栽植了羊草和白刺、柽柳、枸杞、沙枣等耐盐碱植物，总结出了林草结合的植被恢复模式[4,21]。中国科学院南京土壤研究所实施的河套平原盐碱地生态治理项目[66]采用“基础理论+核心技术+新型装备+产业技术+模式示范”一体化思路，揭示河套平原土地盐碱化形成规律与盐碱障碍生态消减原理，研发生物适应型与生态导向型盐碱地治理修复关键技术，研制大型排盐控盐工程设备与复合型生态调理制剂产品，创建盐碱地综合治理技术体系和特色生态产业发展模式。可见，制定科学的治理规划和采取系统治理措施是今后盐碱地治理的最佳途径。林佳等[67]在大庆市林甸县，以景观生态学理论为视角，基于RS和GIS技术，结合关键景观与盐碱地的生态廊道分析等方法，确定盐碱地防治分区；并进一步确定了盐碱化防治分区中的核心防治区域，为大尺度土地盐碱化综合防治提供了新的思路和方法。

3 研究展望

从机理机制研究角度看，当前的研究用土壤物理、化学特征以及作物生长状况作为盐碱地改良利用效果的评价指标，然而，土壤生物学特征也能够反映土壤质量状况，在今后的研究中加强土壤微生物学特征指标对土壤环境变化的研究，将有利于准确地评价不同作物及种植方式改良盐碱土的作用机制。不同改良措施下，措施-土壤-植物三者之间的相互影响及其作用机理，应用后对减少土壤含盐量的作用途径均有待深入研究。

从研究的时效角度看，不同的改良措施作用于土壤，进而影响植物是一个漫长的过程，不同改良措施对土壤的影响也随着时间的延长产生不同的效应，尤其是化学改良剂进入土壤一段时间后，其对土壤产生的影响尚不明确。由于盐碱地改良研究在国内的开展时间并不算很长，且多地大、中规模的应用实践时间较短，因此盐碱地改良的相关研究大多以较短的时间尺度为主，缺乏长期的监测与研究。今后的研究应进一步加强盐碱地改良的长期效应研究，通过评价指标选取与长期观测，全面评价不同改良措施的成效。

从盐碱地改良方式的角度看，生物修复因具有有效、无污染等优点，在今后应成为盐碱地改良方式的重要研究方向，其中植物的耐盐性基因研究也将在今后成为盐碱地改良领域的重点，通过基因工程技术编辑抗胁迫的基因从而研发出更耐盐碱的植物种；同时，立足于不同地区、不同盐碱地类型的改良方式综合应用以及技术集成模式研究与应用也将是今后关注的重点。

从研究应用实践角度看，盐碱地改良研究中大多以玉米等农作物或白菜等蔬菜为研究对象，改良方式主要运用于耕地改良与农作物生产领域；将盐碱地用于人工牧草种植的实践应用相对较少，不同改良措施对牧草品质以及生理特征的影响研究不多。因此，针对牧草进行耐盐性评价、培育耐盐牧草品种、探寻适于人工牧草建植的盐碱地改良措施等，均对国内天然草地的有效保护、人工草地的良好发展以及农牧业的健康发展具有重要意义。