吉林西部含氟盐碱地改良研究现状

林英姿 刘莞青 王高琪 杨昊 张代华

(吉林建筑大学，吉林 长春 130118)

引言

土地是人类赖以生存的基本资源，也是农业发展的重要基础。尤其对于一个拥有14亿人口的大国，人均土地资源明显低于世界的平均水平[1]。在面临土壤质量退化、荒漠化、耕地减少的情况下，保护和合理开发土地资源显然是一项迫在眉睫的重要任务。据相关统计分析，全世界盐碱地的面积为9.5438亿hm2，其中我国为9913万hm2。因而，改善盐碱地土壤质量，对人类生存及可持续发展至关重要。开发利用盐碱土，不仅是我国21世纪必须高度重视的生态环境问题，也是解决21世纪我国14亿人口粮食问题的一条重要途径，更是我国实施可持续发展战略的必由之路。

1 吉林西部盐碱地改良技术及现状

1.1 吉林西部盐碱地现状

东北地区是我国土壤盐碱化最严重的地区之一，目前松嫩平原西部的盐碱地面积约为500万hm2，其中吉林省占比达到21.30%[2]。吉林省的盐渍土主要分布在本省的西部地区，主要涉及到4市(长春市、四平市、松原市与白山市)8县(镇赉县、洮安县、大安县、通榆县、乾安县、前郭县、扶余县、农安县、怀德县与梨树县)。吉林省西部地区盐渍土主要属于苏打盐碱土类型，见图1。土壤内主要含有较多量的Na+、HCO3-，HCO3-极易与H+结合形成易挥发的CO2气体，土壤中剩余的OH-与大量的Na+结合形成碱性化合物，该区域土壤大多pH较高，不利于大多数植物的生长。于明荣[3]等在研究中得出，在吉林西部松原前郭县内土壤表层的盐渍化程度随土壤深度呈逐渐递减的趋势。2008年以来，吉林省启动了国家战略层面的“百亿斤粮食增产工程”，将原在前郭县内的前郭灌区以及乾安县内的未开发盐碱地规划为松原灌区。随着“百亿斤粮食增产工程”的启动，国内的一些学者也相继对松嫩平原地区盐碱地开发做出一系列相关性的研究工作。樊自立[4]提出，原有耕地盐渍化在减轻,新开发耕地盐渍化在发展，大部分耕地都处于脱盐不稳定反复型状态。而才源[5]等指出在1959—2014年期间，吉林省西部盐碱地实质上增加了近30万hm2。

图1 吉林西部大面积盐碱荒地

吉林省西部盐碱地变化主要分为3个阶段。第1阶段从1950年起，由于环境和人为的因素，松嫩平原的部分天然草地逐年退化，原有的轻度盐渍化地区转变为中度盐渍化地区，土壤类型逐步演变成草地盐碱地；第2阶段从1980年起，由于人口日渐增加粮食需求不断增长，大量的荒地被开垦为耕地，其主要集中在松原市前郭县内。人为的开垦致使周边土地受到严重的破坏，加速了环境的恶化，出现了大面积盐碱地；第3阶段从2000年起，国家开始对吉林西部地区规划管理，投入了大量的人力物力，草地盐碱地初步有规模地被开发为水田。

1.2 吉林西部盐碱地改良措施

我国早在20世纪中期，便开始了对盐碱地的改良研究，经过数十年间对盐碱地不断考察和勘测，形成了3种不同的盐碱地改良措施，包括生物措施、化学措施和物理措施。生物措施改良盐碱地是指通过种植耐盐植物以及培养耐盐固氮菌等手段来降低土地盐碱化程度，从而改善农作物生长条件的有效措施[6]；化学措施改良盐碱地是指运用化学反应中的酸碱中和反应达到改良土壤pH值的效果，使耕地能在耕作时更好地脱碱[7]；物理措施改良盐碱地是指运用水旱轮作的耕种方式将土壤中的盐分在稻田时期通过一系列淋洗排出。这种农业改良措施可以减少土壤的流失、防止土壤返盐、降低农田盐碱化程度，使土壤中的各形态盐分重新配置，使土壤表层含盐量降低，保证作物出苗生长，从而合理利用盐碱化土地[8]。近几年，化学和物理相结合的措施逐渐成型，由于除氟技术的不断发展，通过化学手段改性后的沸石材料也逐渐被应用到盐碱地改良中[9,10]。

吉林西部地区的土壤类型为苏打盐碱化土壤且土壤肥力较好，在充足的水源和良好的排水条件下，种植水稻是治理吉林西部盐碱地、争取农业增产的最有效措施。在种植水稻的过程中，土壤中可溶性盐随着换水渗水，排出田外，或渗到土壤底层，因而脱盐碱的效果明显[11,12]。根据周和平[13]等学者的研究指出，盐碱化水稻土春季采用大水泡田—快灌—快排的方法，如图2，稻田池中保持水层5cm左右，使土壤中盐分能充分溶解于水中，泡田一般2～3d，使水中泥浆沉淀后，采取大池口快速排水方法，将泡田水全部彻底排出。对于一般轻盐碱化水稻土泡田期可洗盐1～2次，每次都要大水深灌，泡田1～3d，使泡田水沉渍后迅速彻底排出这种方法既可大量洗盐，又可防止水肥流失，被带出稻田。插秧后，为了提高土壤温度，增强农田氧化、促进土壤熟化，一般白天灌水，夜间排水凉田，以防返盐，春季降雨后应排干换水。

图2 吉林西部某稻田春季泡田期

2 吉林西部各灌区开发现状

吉林西部地区现分别有松原、大安、前郭3大灌区。松原灌区是吉林省在建的大型灌区，是国家增产千亿斤商品粮工程及吉林省增产百亿斤商品粮的重点工程。松原灌区设计灌溉面积为19万hm2，其中水田99073.33hm2，早田70893.33hm2，天然草场20033.33hm2，给水渠及排水渠等骨干工程于2015年开工建设。松原灌区由前郭灌片和乾安灌片组成，历史上已建成的前郭灌区也包括在松原灌区前郭灌片内。前郭灌片位于吉林省西部松嫩平原，松原市前郭县松花江(三岔河口以上)左岸，是以松花江为灌溉水源，利用哈达山、锡伯屯、七门吐等泵站提水灌溉的大型灌区。大安灌区设计灌溉面积56573.33hm2，计划分为2期实施，1期计划发展水田灌溉面积21006.67hm2，目前大安灌区期骨干及田间工程均已完工，见图3。

图3 吉林西部大安灌区某稻田给水渠

研究表明，前郭灌区现有水田8120hm2，其中盐碱化水稻土3386.67hm2，占灌区总水田面积的41.7%。肖长来、梁秀娟[14]在对前郭灌区的研究表明，灌溉排水条件的好坏可以直接影响土壤脱盐的好坏程度，从而决定土地的经济效益好坏。2008年以来，各灌区工程逐步实施，前郭灌区预计续建水田3万hm2，大安灌区将新建水田5.6万hm2[15]。灌溉高标准农田的面积近年持续增长，在不断加大灌区供排水强度，增强经济效益的同时，各灌区的排水多以地表径流、地下潜水方式进入湖泊河流之中，其对环境造成的影响仍有待深入研究。

3 吉林西部改良含氟盐碱地对环境的影响

3.1 吉林西部高氟地区成因

由于氟离子较为活泼的化学性质，氟化物较为广泛地存在于自然界，其中最受关注的便是氟化物的污染来源以及氟化物的水—土迁移转化。根据谢正苗、吴卫红[16]等学者的研究指出，在钢铁和制铝等工业的过程中会排出含氟的“三废”。此外，由于自然环境所带来的火山爆发以及沙漠地区也会有局部性的高氟区。

吉林省西部地区在地质历史上曾经火山活动频繁，火山喷发时产生的气体和火山灰富含HF、CaF2、MgF2等含氟化合物，这些物质经沉降、风化、分解后，将氟释放出来进入土壤，致使该地区土壤本底值氟含量较高。目前国际上比较公认的氟的富集与碱性HCO3-型水有关，其含量随着Na2CO3和NaHCO3含量的增加而增加[17]。氟元素又是亲石元素，在盐碱地不断盐化和碱化的侵蚀下，岩石中的“硅化氟化物”极易形成结构简单的含氟化合物，在土壤的毛细作用下向地表聚集。另外，苏打盐碱土自身碱性较强，吸附态的氟极易被OH-置换下来而形成水溶态，导致地表水溶态氟含量较其它区域土壤高。

3.2 氟的危害

氟是动物和人体的必需微量元素之一，适量的氟能够促进机体多项生理功能的发挥，参与机体的代谢过程，促进哺乳动物的生长发育和繁殖，促进骨矿质晶体生长、刺激成骨细胞形成，从而使骨量增加、骨密度提高。生活中，氟较为普遍和广泛的用来预防龋齿，保护牙齿健康。但是氟一旦过量并累积在机体中，就会引起氟中毒，主要的中毒特征是损害骨骼和牙齿，引起氟斑牙和氟骨病。另外，还会抑制细胞内酶的活性，降低DNA和蛋白质的合成，破坏钙磷代谢平衡[18,19]。我国食品卫生标准规定了部分食品中氟的最高允许量，其中大米、面粉≤1.0mg·kg-1，其它食物≤1.5mg·kg-1，我国卫生部规定，每人每天通过各种途径摄入氟的总量以3.5mg为宜。

3.3 含氟盐碱地改良为稻田对环境的影响

土壤中的氟化物是大多数饮用水和食物中氟化物的主要来源，可见土壤是氟环境化学体系的枢纽，而稻田灌溉排水对土壤氟化物在环境中的分布和运移有着直接影响。研究发现，吉林省西部盐碱土中表层土全氟平均值为266.17mg·kg-1，低于全国土壤中氟的背景值，但是水溶态氟的平均含量为13.73mg·kg-1，远远高于我国土壤环境质量标准(GB15618-2008)规定的5mg·kg-1。这也说明吉林西部含氟盐碱地中氟的总量不高，但其可迁移性强。在盐碱地改良为稻田时，由于不断对土壤进行浸泡和打浆，土壤中的氟离子势必会随着稻田的排水而迁移。目前，大安灌区和乾安灌区还在逐步开发，分别引二松、嫩江水灌溉，经土壤改良和洗盐，苏打盐碱土中大量的氟会随农田排水进入水体。因此，对灌区开发时氟化物输出量以及衡量其对环境的影响研究，对于后续吉林西部盐碱地改良具有重要意义。

4 结语

目前关于吉林西部3大灌区土壤耕层中氟的本底值及其输出量鲜有报道。并且由于土壤种类不同，氟的迁移转化规律也存在着较大的差别。因此，调查3大灌区氟化物赋存形态及本底值，模拟盐碱荒地开发为水田时氟化物的输移规律，探讨农田耕作对氟化物赋存形态的影响，可为控制区域性氟骨病及降低稻田排水中的氟化物输出量提供科学依据和技术支撑。