土壤盐碱化是威胁生态安全和人类生存的重要环境问题之一,全世界盐碱地面积约9.54亿hm²,而且目前世界约20%的农业用地盐碱化程度在不断加重^[1],预计到2050年,将会有超过50%的耕地盐碱化^[2]。 中国盐碱地面积大,类型多样,各类盐碱地面积总计9 913.3×10⁴hm^2[3]。盐碱地作为中国重要的后备耕地资源,其合理开发对保障中国耕地安全具有重要的意义^[4,5]。松嫩平原是世界上三大片苏打盐碱土集中分布区之一,生态环境脆弱,是中国北方土地荒漠化最严重的地区之一。该区盐碱化土地面积约342×10⁴hm²,占土地总面积的20％,且重度盐碱化面积仍以每年1.4%的速度扩展^[6,7]。而作为重度盐碱化的苏打盐碱土,由于有30~100 cm以钠离子为主的碱化层,基本上不能利用。盐碱化程度不断加剧,不仅制约着农、牧业发展,而且已危及粮食安全与农业可持续发展^[8]。松嫩平原因受中温带半湿润、半干旱的大陆性季风气候的影响,土壤返盐期主要发生在春季和秋季,而由于受低的潜水位、冬季土壤冻融作用和春天低降雨、强蒸发的多重作用下,春季呈爆发性积盐,严重影响作物种子萌发和幼苗生长^[9,10],成为盐碱土改良和利用的重要瓶颈。目前,国内一些专家利用冬季咸水结冰灌溉以达到春季土壤盐分淋洗的目的,已经开展了室内模拟和野外试验,并取得了良好的效果^[11~13]。在松嫩平原的苏打盐碱土区,已有学者开展了结冰灌溉的初步工作,郭凯等利用室内模拟试验研究了不同钠吸附比咸水结冰融水入渗对苏打盐碱土的水盐运移影响^[14]。然而治理和利用苏打盐碱土, 需要室内模拟与野外试验相结合,探讨最佳的土壤盐碱改良方式。本研究旨在利用当地丰富的浅层地下水资源,通过不同的结冰灌溉方式,探索出有效的土壤盐碱改良措施,以便合理利用当地丰富的地下微咸水资源而达到改良盐碱土的目的。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于松嫩平原西南部的大安碱地生态试验站,地处45^○35′58″N~45^○36′28″N, 123^○50′27″E~123^○51′31″E,试验站周围地区属嫩江古河道低漫滩,不同盐碱化程度的盐碱土镶嵌分布,相伴共存,是松嫩平原典型盐碱土区。该区地表水缺乏,地表径流可利用量较少,而地下水资源丰富。由于受中温带大陆性季风的影响,春季干旱多风,蒸发强烈,最大蒸发量为降水量的6倍以上;夏季炎热,雨量集中,7~8月份降水量占全年的56%;秋季和冬季降水稀少,且冬季土壤冻结,冻层深达160~180 cm^[10]。

1.2 试验设计和田间管理

试验中磷石膏添加量由石膏需求量（GR）计算求得^[15,16]：

GR=86×CEC×(ESP₁-ESP₂)×10^-5×ρ×D (1)

式（1）中,GR为 石膏需求量（g/m²）; CEC 为阳离子交换量（cmol/kg）; ESP₁ 为 初始碱化度, ESP₂ 为 目标碱化度,ρ 为土壤容重（Mg/m³）,D为土层深度（m）。当磷石膏的石膏含量为60%时,CEC=25。试验土样100% GR的磷石膏添加量为 6 880 g/m²,50% GR的磷石膏添加量为3 440 g/m²。

试验小区土壤盐碱化程度较重,0~40 cm土层pH为10.8,全盐量为7.8 g/kg,是典型的苏打盐碱土。为研究不同方式下结冰灌溉对土壤的脱盐效果,试验共设置A、B、C、D和对照CK,共5个处理,每个处理设3次重复,共15个小区,随机区组设计。A为100% GR的磷石膏+微咸水结冰（矿化度为1.6g/L的潜水）,B为50%GR的磷石膏+微咸水结冰,C为淡水结冰（矿化度为0.6 g/L的承压水）,D为微咸水结冰,CK为对照不做任何处理。试验前平整小区,小区长5 m、宽4 m,各小区之间设置宽1 m、高0.5 m的田垄,以防侧渗和互溢。试验前处理A、B分别在小区土壤表面均匀撒上磷石膏,然后进行灌水结冰,灌水分6次进行,每次灌水30 mm,待结冰后再进行下一次灌溉。试验于2011年1月1日对试验地各小区进行结冰灌溉,灌溉时气温-20℃,灌水量为180 mm,灌水后各小区地表形成冰层。并于2011年4月25日,耕种前对小区进行采样,分析结冰灌溉后土壤水分和土壤盐碱的分布规律。

1.3 土壤取样与测定方法

在每个试验小区中按“V”字形设3个取样点进行随机取样。取土深度按照0~10 cm、10~20cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm共6个土层进行采样。将每一层的3个样点的样品进行混合,作为待试样品。

土壤含水率以烘干称重法测得土壤重量含水率。

土壤水溶性盐的测定：将土样自然风干,研磨并过1mm孔径筛。按照土壤农化分析方法,土水比按1:5进行浸提液提取^[17]。浸提液在实验室做水溶性盐分析,分析项目包括：pH、EC和Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃^2-、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-主要离子含量。EC用TOLEDO-326电导仪进行测定,pH值用酸度计测定,Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺离子采用原子吸收分光光度法测量,CO₃^2-和HCO₃^-离子采用双指示剂–中和滴定法测量,Cl^-离子采用硝酸银滴定法测量,SO₄^2-离子采用EDTA间接络合滴定法测量。钠吸附比（SAR）是土壤溶液中钠含量的主要参数,反映了钠离子和钙镁离子的相对数量。土壤浸提液钠吸附比（SAR）采用下式计算：

SAR=[Na+][Ca2+]+[Mg2+])/2（2）

2 结果与分析

2.1 土壤剖面含水率的变化规律

图1显示了各试验处理土壤含水率变化情况。CK含水率随深度的增加而呈递增趋势, 而A、B、C、D结冰灌溉处理由于冰层融化后的消融水进入表层土壤,使得0~20 cm土层的含水率明显大于CK,且各层含水率随深度的增加呈递减趋势,但均显著大于CK。A、B处理施用磷石膏后,表层含水率显著低于C、D处理,这说明磷石膏对土壤渗透性有良好的改良效果,且呈现出渗透速度随磷石膏施用量（A>B）的增加而增大的规律,这是由于磷石膏中的二价阳离子（主要是钙离子）与土壤胶体上的钠离子发生了交换作用,有利于土壤团粒结构的生成,增大了土壤孔隙度,导致土壤渗透速度加快^[18,19]。因此结冰灌溉对土壤水分的补充作用非常大,尤其在松嫩平原西部,春季干旱少雨,春播时土壤过干,在播种时通常坐水种,而结冰灌溉有效增加土壤耕层水分,为春播抗旱起到重要作用。

2.2 不同处理方式下盐碱土水溶性盐的变化

土壤水溶性盐分组成是盐碱土的重要属性,在盐碱土的改良利用过程中,常常分析其各离子含量在改良前后的变化来检验改良结果。图2是土壤Na⁺、Ca²⁺+Mg²⁺、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Cl^-结冰灌溉结束后在土壤剖面的分布规律。如图所示,不同土壤离子含量之间比较,Na⁺、Cl^-离子的含量具有相同的变化趋势,在0~60 cm土壤层,CK>C>A、B、D;CO₃^2-、HCO₃^-具有相同的变化趋势,CK>C、D>A、B;SO₄^2-表现为B在土壤剖面中含量最高,其次为A,其他处理SO₄^2-含量均较少;Ca²⁺+Mg²⁺离子表现为A的含量最高,其次为B,CK最低。分析原因,CK由于无冰层覆盖而表现出冬季隐蔽性的积盐和春季因强烈蒸发而返盐,致使表层土壤盐分含量高于其它处理。A、B、C、D处理由于采取了冬季结冰灌溉的方式使土壤表层覆盖了冰层,影响了土体内部的冻融过程,从而抑制了因冻融作用所产生的隐蔽性积盐^[13]。同时冰层融化后产生的融水对表层土壤的盐分具有淋洗作用,因而上层土壤的含盐量明显小于CK。在0~40 cm土层中,积聚的Na⁺、Cl^-、CO₃^2-离子的含量均为D<C,说明使用微咸水结冰灌溉的脱盐效果优于淡水结冰灌溉。苏打盐碱土含有大量的钠离子,这些钠离子被吸附在土壤胶体中变成交换性钠离子,大量交换性钠离子的存在使粘土颗粒间距变小,土壤粘土颗粒高度分散,透水性、透气性减弱。而微咸水中含有较高的含盐量和较多的钙、镁离子,这些钙、镁离子具有较小的水合半径,用钙、镁离子代换钠离子,可以使粘土颗粒凝絮,增大土壤孔隙半径,从而改善土壤结构和通透性^[20-21]。同时微咸水结冰融化时,咸淡水分离,先融化的咸水对土壤盐具有重要的淋洗作用,同时后融化的淡水对土壤盐进行稀释和冲洗,使上层土壤盐分减少。A、B处理因土壤表层覆盖有一定量的磷石膏（60%的CaSO₄2H₂O）,这些磷石膏在融水的稀释下,使Ca²⁺和SO₄^2-离子的含量大大增加,土粒吸附的钠离子被钙离子置换出来,从而使土壤代换性钠降低^[22]。磷石膏在降低土壤碱化度和pH的同时,其所含高价离子的介入可降低土壤胶体表面由于负电荷相互排斥而产生的电位势,促进土壤胶体由于相互吸附而凝聚,有利于土壤团粒结构的生成,增加孔隙度,降低土壤容重,提高土壤持水性能^[23]。由于土壤结构的改善和土壤通透性的增强,致使土壤中的盐分随着水分的入渗而下渗到深层土壤层或浅层地下水,因而在0~40 cm土层中,各离子的含量显著低于C、D,说明A、B的洗盐效果明显优于C、D。在0~20 cm土层中,积聚的Na⁺、Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-离子含量为A<B,说明随磷石膏施用量的增多洗盐效果越好。

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图1   不同处理下土壤剖面水分分布状况

Fig.1   Soil moisture distribution in soil profiles of different treatments

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图2   不同处理方式下土壤剖面离子分布状况(a:Na⁺; b:Ca²⁺+Mg²⁺; c.Cl^-; d:SO₄^2-; e:CO₃^2-; f:HCO₃^-)

Fig.2   Ions distribution in soil profiles of different treatments

2.3 不同处理方式下盐碱土盐碱化指标变化规律

土壤电导率（EC）、土壤盐分含量（SC）、钠吸附比（SAR）和pH是衡量土壤盐碱化程度的重要指标。图3所示,EC 、SC和SAR在土壤层0~40 cm均表现为CK>C>D>B>A,其中C的EC在0~40 cm的均值较对照下降了20%,D较对照下降了33%, B下降了38%, A下降了44%。土壤含盐量不同处理间比较,C较对照降低了24%,D较对照降低了30%, B降低了40%, A降低了45%。SAR不同处理之间差异较大,C较对照减少了19%,D较对照减少了33%, B减少了49%, A减少了56%。而pH表现为CK最高,其次为C和D,B、A最小,C、D较对照减少量不足5%,而A、B减少量超过5%。因此说明淡水结冰融水冲洗会降低土壤盐碱化程度,而微咸水结冰的融水入渗对土壤盐碱化的降低较淡水作用明显,磷石膏的加入进一步降低了土壤的盐碱化程度,且随着磷石膏量的增加土壤盐碱化降低。

实验结果与滨海盐土咸水结冰灌溉结果较一致^[13],结冰灌溉表层土壤含水率均明显高于对照,表层土壤盐分含量明显低于对照。然而苏打盐碱土0~10 cm土壤层含水率较对照的增加量为50%,滨海盐土增加量为11%,苏打盐碱土表层土壤含水率较对照的增加量明显大于滨海盐土。苏打盐碱土0~10 cm土壤层含盐量较对照降低了16%,而滨海盐土土壤含盐量在该层土壤较对照降低了85%,表层脱盐量苏打盐碱土明显小于滨海盐土。分析原因,一方面苏打盐碱土较滨海盐土土壤渗透性差,影响了融水的入渗;另一方面,苏打盐碱地的微咸水的含盐量为1.6 g/L,远远低于滨海盐碱地的咸水15 g/L,低盐量的融水入渗速率明显低于高盐量的融水入渗,因此在松嫩平原需要对苏打盐碱土加入一定量的石膏来增加土壤的入渗速率,达到洗盐的目的,使土壤表层形成淡化表层,利于植物的生长。因此在松嫩平原西部的苏打盐碱土区,由于具有丰富的浅层地下水,地下水具有较高的矿化度,在冬天的冻融作用下,大量离子聚积于地表土壤,造成土壤春季爆发性积盐。而微咸水结冰灌溉一方面可以利用高矿化度的潜水作为地表灌溉资源,同时加入工业废料的磷石膏,改变土壤化学指标的同时,使土壤物理特性得到改善,进而对土壤盐碱化进行改良,该方法具有很高的应用价值。

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图3   不同处理下土壤剖面盐碱化参数变化趋势

Fig.3   Salinization patameters distribution in soil profile in different treatments

3 结 论

1） 春季是土壤返盐高峰期,经过冬天结冰灌溉,春季融水入渗增加了表层土壤0~40 cm的含水率。微咸水和淡水结冰灌溉后土壤表层含水率高于微咸水结冰+磷石膏处理,且加入磷石膏量越多含水率越低。

2） 冬天结冰灌溉对耕层土壤水溶性盐具有明显的淋洗作用,在0~40 cm土壤中Na⁺、Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-在融水淋洗作用下明显降低。微咸水结冰灌溉洗盐效果明显好于淡水结冰灌溉,微咸水+磷石膏淋洗和改良效果好于微咸水结冰灌溉,且随磷石膏施用量的增多洗盐效果更好。

3） 结冰灌溉对土壤盐碱化具有明显的改良作用,在土壤耕层（0~40 cm）盐化指标（EC、SC）和碱化指标（SAR、pH）均明显降低。淡水结冰融水冲洗会降低土壤盐碱化程度,而咸水结冰的融水对土壤盐碱化的降低较淡水作用明显,磷石膏的加入进一步降低了土壤的盐碱化程度,且随着石膏量的增加土壤盐碱化降低。

4） 松嫩平原西部的苏打盐渍土区,潜水结冰灌溉一方面可以利用高矿化度的潜水作为地表灌溉资源,同时加入工业废料的磷石膏,改变其化学指标的同时,使苏打碱土物理特性得到改善,进而对土壤盐碱化进行改良,该方法具有很高的应用价值。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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