土壤盐渍化的改良

澳大利亚学者Rengasamy是最早对土壤的逆境胁迫进行综合论述（Rengasamy，2000；Rengasamy，2002；Rengasamy et al.，2003）的研究者。土壤的逆境胁迫主要是由其理化性质恶化引起的（Rengasamy et al.，2003）。而土壤盐渍化的基本特征是土壤物理和/或化学性质恶化，因此，盐渍土对作物的生长发育产生逆境胁迫。国内外关于盐渍土逆境胁迫的相关研究主要包括：盐渍土逆境胁迫的成因、逆境胁迫的作用机制、解除胁迫的原理与措施、胁迫发生或解除的判断标准。

一、盐渍土逆境胁迫的成因

（一）化学性质恶化

盐渍土化学性质恶化表现在过高的土壤盐度、钠质化程度和pH（Sumner，1993；Sumner&Nadiu，1998；USDA，1954）。土壤盐渍化导致土壤盐度升高，其过程包括原生盐渍化和次生盐渍化。原生盐渍化土壤盐分的主要来源之一是地下水。在干旱和半干旱地区，地下水含盐量较高，潜水埋深很浅，降雨量小，蒸发量大，最终导致地下水盐分随毛细管作用上升并在地表聚集。次生盐渍化的土壤盐分主要来源是灌溉水。在长期使用咸水或微咸水灌溉的情况下，如果排水不良，则会导致土壤盐分积累。

土壤钠质化（碱化）是指土壤在积盐与脱盐的反复过程中，大部分盐分被淋洗掉，而Na+在土壤交换性盐基中占到一定比例的过程。

土壤pH的升高的原因之一是土壤中含有碳酸盐或/和重碳酸盐，在这类土壤中，土壤pH由土壤溶液的HCO3-+CO32-活度、土壤空气的CO2分压和土壤溶液离子强度三者共同决定，其计算公式为（Mashhady&Rowell，1978）：

pH=lg A+7.82-lg p CO2-0.5I0.5

式中A——HCO3-+CO32-活度；

　　p CO2——CO2分压；

　　I——离子强度。

土壤pH升高的另一个原因是土壤胶体上吸附的Na+水解，产生OH-，其水解方程式为：应该说明的是，并不是Na+水解就一定能引起土壤的强碱性反应，还要看Na+饱和的程度以及土壤胶体上的其他离子组成。只有当土壤胶体完全被盐基饱和时，交换性Na+水解才能引起土壤的碱性反应。如果土壤胶体没有完全被盐基饱和，就是说胶体上有被吸附的H+，那么有交换性Na+水解形成的OH-则可以被H+中和，土壤有可能呈中性甚至微酸性反应（王遵亲等，1993）。

［clay］-Na++H 2O［clay］-H++OH-+Na+

（二）物理性质恶化

盐渍土物理性质受土壤盐度和钠质化程度共同调控。高盐分浓度的土壤溶液能促进黏粒的絮凝作用，增强土壤团聚体稳定性（Shain-berg&Letey，1984；Sumner&Naidu，1998），因此，盐度促使土壤物理性状向好的方面发展；土壤中过量Na+离子的存在使黏粒发生分散作用（Ayers et al.，1985；Bauder&Brock，2001，Frenkel et al.，1978），进而导致土壤通透性下降，形成表层封闭与结皮（Hardy et al.，1983；Levy etal.，2005；Mamedov etal.，2001；Shainerg etal.，2001），因此，钠质化促使土壤物理性质恶化。

根据已有研究（Quirk&Schofield，1955；Quirk，1984；Quirk，1994；Quirk，2001；Rengasamy et al.，1984），盐渍土处于某一物理状态时，土壤浸提液/土壤溶液/出流液的盐分总浓度与钠吸附比的关系为：

TEC=aSAR+b

式中TEC——盐分总浓度（mmolc·L-1）；

　　SAR——钠吸附比（mmolc·L-1）1/2；

　　a、b——经验系数。

根据TEC和SAR的关系，盐渍土按其黏粒物理状态可分为三种类型：自发分散型盐渍土、机械分散型盐渍土和絮凝型盐渍土（Sumner &Nadiu，1998）。自发分散型盐渍土是指土壤溶液的TEC小于其自发临界絮凝浓度，土壤黏粒自发性分散，物理性质不良；机械分散型盐渍土是指土壤溶液的TEC介于土壤自发临界絮凝浓度和机械临界絮凝浓度之间，黏粒不发生自发性分散，但会在机械作用力下发生分散，土壤物理性质在外力干扰时发生恶化；絮凝型盐渍土是指土壤溶液的TEC大于其机械临界絮凝浓度，土壤黏粒始终保持絮凝状态，物理性质良好。

二、逆境胁迫的作用机制

（一）化学性质限制机理

土壤化学性质限制作用是由土壤盐害引起的，主要机制为渗透胁迫、离子毒害、营养失衡（Abrol et al.，1988；Nadiu&Rengasamy，1993；USDA，1954）。渗透胁迫是由于土壤盐分过多致使土壤溶液浓度过高，渗透势降低，从而导致植物吸收土壤水分能力下降，表现出生理干旱状态。

离子毒害作用机制包括两方面：一是由于土壤环境中某些离子浓度过高而导致的毒害作用，例如，Na+浓度过高引起生质膜的破损，进而使植物的光和作用、呼吸作用、碳水化合物代谢、蛋白质和氨基酸合成等生理生化过程遭到破坏，最终抑制植物生长发育；二是由于高pH引起的毒害作用，高pH不仅直接腐蚀作物根系，而且还能引起硼、铝等元素产生毒害（Ma et al.，2003）。

营养失衡作用机制也包括两方面：一是由于土壤溶液中某一离子浓度过高引发离子拮抗作用，近而抑制植物根系对其他营养元素的吸收，如土壤中Na+浓度过高会造成K+或Ca2+的吸收受到抑制（Khan et al.，2000；Plaut et al.，2000）；二是高pH会降低N、P、Ca、Fe、Mn、Cu、Zn等营养元素的有效性（Nadiu&Rengasamy，1993）。

（二）物理性质作用机制

物理性质的限制作用包括直接作用和间接作用。直接作用是指土壤过于致密从而对根系伸展产生机械阻力或者由于土壤表层结皮/封闭而抑制种子萌发和幼苗生长。间接作用是指由于土壤物理性质恶化而引起的土壤水分、空气、养分有效性降低（Rengasamy et al.， 2003），从而影响作物的生长。钠质土结构性很差，土壤水的基质势很低，土壤水分多为无效水，水分有效性很低；土壤养分必须通过水分运输才能进人植物体内，土壤水分有效性降低必然导致土壤养分有效性降低；另外，钠质土黏粒高度分散，堵塞大孔隙，土壤通透性差，致使土壤氧气含量不足，流通性差，限制植物根系呼吸作用，严重时在厌氧环境下还会产生H 2 S等有害物质。

三、盐渍土逆境胁迫解除原理与措施

（一）解除盐渍土逆境胁迫的基本原理

1.盐　土

盐土最明显的特征是土壤溶液盐分浓度过高。虽然盐土溶液中较高的盐分浓度能够促使土壤黏粒处于凝絮状态，并维持较高的土壤渗透性，但过高的盐分浓度对作物生长具有明显的限制作用。因此，盐土改良的基本原理是降低土壤溶液的盐分浓度使之达到作物可以忍耐的水平（王遵亲等，1993）。

2.钠质土

钠质土是指土壤交换性Na+含量超过一定阈值从而导致土壤物理性质恶化并因此使作物的生长发育受到阻碍的一类土壤。钠质土含有过多的交换性Na+离子，导致黏粒高度分散，堵塞土壤孔隙，这是钠质土物理性质恶化的根本原因。因此，这类盐渍土的改良包括以下2个步骤：

（1）利用Ca2+置换土壤胶体上的Na+；

（2）将被置换的Na+淋洗出根层或土体。

因此，充足的钙源和良好的土壤渗透性是成功改良钠质土的两个基本前提（Ilyas et al.，1997；Mezewa et al.，2003）。

（二）解除盐渍土逆境胁迫的技术措施

1.洗　盐

洗盐是指通过排水的方式将溶解于水中的土壤盐分排出根层或土体。根据排水的方式，土壤洗盐可以分为垂直淋洗和水平冲洗两种方式。

盐分垂直淋洗是改良盐土的一种通用技术，其具体过程包括以下3个步骤：

（1）可溶性盐的溶解；

（2）淋洗水在土壤剖面中的渗透；

（3）盐分淋洗出根层土壤。

土壤盐分淋洗效果与其淋洗效率有关。土壤盐分的淋洗效率是指单位体积的应用水量可以淋洗排出的可溶性盐数量。土壤盐分淋洗效率与土壤盐分的初始含量和分布、溶质组成、土壤结构和质地、土壤的空间变异性、淋洗分数、土壤含水量、淋洗方法以及管理水平等因素有关（李法虎，2006）。

在一维淋洗条件下盐分的淋洗效率可用下面的经验公式描述：

式中D w——淋洗水量（mm）；

　　D s——被淋洗的土壤深度（mm）；

　　EC i——土壤初始电导率（dS·m-1）；

　　EC f——土壤淋洗后的电导率（dS·m-1）；

　　α、β——经验常数。

盐分水平冲洗是指通过水平方式将土壤盐分排出根层或土体的洗盐方法。这种方法多用于钠质土。由于钠质土导水性能极差，尤其是底层土壤几乎不透水，即使在表层土壤使用改良措施，其盐分或Na+也难被淋洗到根层以下，所以只能通过水平冲洗方式将盐分排出土壤（Qadir et al.，1998）。

2.施用化学改良剂

化学方法多用于钠质土改良，是指利用外加Ca2+或外加酸性物质活化CaCO3产生的Ca2+置换土壤胶体上的Na+。常用的钙源有：可溶性钙盐，如氯化钙（CaCl2·2H 2 O）和石膏（CaSO4·2H 2 O）等；微溶性钙盐，如石灰石（CaCO3）（Oster，1982；Qadir，1996；Shainberg&Gal，1982）。常用的酸性物质有：硫酸（Amezketa et al.，2005）、硫酸铝（王宇等，2006；赵兰坡等，2001）、硫酸铁、糠醛渣等（王遵亲等，1993）。

可溶性Ca2+与土壤交换性Na+的反应可写为：

由上式可见，改良过程中Ca2+需要量与被置换的Na+数量有关。因此，需要的Ca2+数量可由需要被置换的Na+数量求得。单位面积（m 2）盐渍土改良所需的Ca2+数量计算公式为：

式中Q Ca——钙离子需要量（molc·m-2）；

　　λ——Ca-Na置换系数，通常为1；

　　D s——土壤的改良深度（m）；

　　ρ——土壤容重（t·m-3）；

　　CEC——阳离子交换量（cmolc·t-1）；

　　ESP i——土壤的初始碱化度（%）；

ESP f——改良后土壤的碱化度（%）。

3.物理措施

物理措施是不引人外加钙源或酸性物质而仅仅改善土壤物理性质的方法。最常见的方法包括施用土壤结构改良剂和栽培耕作措施两类。

土壤结构改良剂可以改善土壤结构，提高土壤的人渗和导水性能。土壤结构改良剂可分为三类：人工合成高分子聚合物制剂，如聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙烯醇（PVA）；自然有机制剂，如芦苇胶和田菁胶；无机制剂，如氧化铁（铝）硅酸盐（黄昌勇，2000）、粉煤灰、沸石粉等。聚丙烯酰胺能有效提高土壤的人渗速率（Tang et al.，2006；Yu et al.2003；潘英华等，2003；唐泽军等，2002），是盐渍土改良中最常用的土壤结构改良剂（彭冲等，2006）。另外，碎石对土壤渗透和导水性能的改善作用近年来引起了研究者的关注（王慧芳和邵明安，2006；周蓓蓓和邵明安，2006；周蓓蓓和邵明安，2007）。这有可能是改善盐渍土物理性状的又一有效途径。

深耕或深翻是盐渍土改良中常用的栽培耕作措施。深耕可以降低土壤容重，改善土壤通透性。深翻可以粉碎心土层，提高土壤的导水性能，尤其是当盐渍土具有弱透水层或不透水层时，这种作用更加明显。而当土壤深层含有钙质矿物时，深翻可使之与表层混合，为化学改良提供钙源。土壤深翻的深度与弱透水层或不透水层及钙质层的位置有关，一般为0.5～1.0 m。

4.种植耐盐植物

种植耐盐植物改良盐渍土又称为植物改良，主要应用于钙质盐渍土（Qadir&Oster，2002；Qadir，et al.，2001）。植物改良主要机理可用如下公式表示（Qadir&Oster，2004）：

V Bio=∑RpCO2

+R H++R Phy+S Na+

改良的具体过程包括（Qadir&Oster，2004；Qadir et al.，2005；Qadir et al.，2007）：

（1）作物根系呼吸和/或根系分泌物的氧化产生大量的CO2，土壤中CO2分压的提高促进土壤钙质矿物的溶解，进而提高土壤溶液中的Ca2+浓度。

（2）产生的酸性物质增加了土壤钙质矿物的溶解。

（3）Ca2+置换土壤胶体上的Na+。

（4）作物根系的生长延伸改善土壤的通透性能。

（5）被置换下的Na+随灌溉水淋洗出土体或根层。

（6）作物吸收盐分或Na+，收获后移出土壤。

因此，应用生物改良措施必须具备以下2个前提：

（1）土壤自身含有较充足的钙源。

（2）进行灌溉促进盐分淋洗/冲洗。

5.施用有机物料

施用有机物料可以提高CO2分压，降低土壤的pH值，提高土壤团聚体数量和稳定性，改善土壤通透性能，提高土壤水分的有效性。

施用有机物料提高土壤CO2分压进而改良盐渍土的主要机理可用下列反应方程式表示：其具体过程与植物改良相似：①有机质氧化分解产生CO2，CO2溶于水产生H 2 CO3，H 2 CO3分解产生H+和HCO3-；②有机质在氧化分解过程中形成多种有机酸，产生H+；③H+与OH-发生中和反应，降低土壤的pH；④H+与土壤中CaCO3反应产生Ca2+；⑤Na-Ca在阳离子交换位进行交换，Na+被替换到土壤溶液中；⑥Na+被淋洗/冲洗出根层或土体。

许多研究表明，有机质能够提高土壤空气的CO2分压，增加Ca2+浓度，降低土壤的pH，从而改善盐渍土的物理性质。Robbins（1986）的研究发现，有机质改良盐渍土时，在所有处理中，当CO2分压最高时改良效果最好。松轩等（2004）研究表明，在盐渍土中加人草炭和风化煤后种植水稻能显著降低土壤的pH，增加交换性Ca2+的浓度，Ca2+和土壤胶体上的Na+发生交换作用，使Na+被代换出来并进人土壤溶液，在静水压力作用下向下淋洗，从而使Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+数值明显降低，土壤团聚体明显增强，土壤理化性状得到显著改善。郭继勋等（1998）研究表明，在碱斑地上覆盖枯草（600 g·m-2），两年后土壤的pH由对照的10.0降到9.4，土壤物理性质明显改善。

有机质能促进土壤团聚体的形成（Czarnes2005；Tisdall&Oades，1982），因为有机质在分解转化过程中能形成多糖、脂肪等有机物和细菌、真菌菌丝等微生物，这些物质有助于土壤团聚体的形成并提高团聚体的稳定性（Molope et al.，1987；Rilling et al.，2006；Tisdall，1991）。有机质促进土壤团聚体的形成主要是因为有机质具有胶结作用及复合作用。团聚体可分为大团聚体（＞250μm）和微团聚体（＜250μm），而微团聚体可分为大型微团聚体（20～250μm）和小型微团聚体（＜20μm）（Christensen，2001）。团聚体的形成过程如下：

＜2μm→2-20μm→20-250μm→＞250μm

在团聚体的形成过程中有机质是一种重要的胶结剂，按其年龄和降解的程度可以分为3类：

（1）短暂型胶结物质（transient binding agents），主要是指多糖，由其胶结作用形成的团聚体是短暂型的，稳定性差，寿命短，一般为几个星期。

（2）临时型胶结物质（temporary binding agents），主要是指根系和菌丝，由其胶结作用形成的团聚体是临时型的，稳定性较强，寿命较长，一般为几个月。

（3）持久型胶结物质（persistent binding agents），主要是指有机-矿质复合体，由其胶结作用形成的团聚体是持久型的，稳定性很强，寿命长，一般为几年（Tisdall&Oades，1982）。持久型胶结物质和短暂型胶结物质促进微团聚体的形成，并且持久型胶结物质起主导作用，因此，一般情况下，微团聚体的稳定性较强；临时型胶结物质促进大团聚体的形成，而当根系或菌丝分解后大团聚体的稳定性就丧失了，因此大团聚体的稳定性相对较弱（Tisdall&Oades，1982）。有机物料施人盐渍土后，经过一系列的转化分解可形成大量的腐殖质，多糖和菌丝。土壤腐殖质不但是重要的有机胶结物质，而且还能通过多价阳离子（如Ca2+、Fe3+、Al3+等）的“键桥”作用与矿物质土粒形成有机-矿物质复合体，进而形成持久型的土壤团聚体；多糖尽管是短暂型的胶结物质，但是如果它处在复合体的内部，则不易被微生物分解，从而亦可形成稳定性强、寿命长的团聚体。因此，有机质施人盐渍土后微团聚体的稳定性将会提高，数量将会增加。菌丝的形成能促进大团聚体数量的增加和稳定性的增强，尽管形成的大团聚体是临时型的，但其寿命仍能达到几个月，因此连续多次的施人有机质将会持久保持大团聚体的数量和稳定性。团聚体数量的增加和稳定性的增强能明显改善土壤的孔隙状况，改善土壤的渗透性，促进盐分淋洗。

有机质施人盐渍土后，与没有施人有机质的对照土壤相比，由于大孔隙的形成，其表层土壤水势明显增加。而水势代表的是水分所具有的能量状态，水势越高，水分的能量越高，水的流动性越强，因此，水分总是由水势高的点向水势低的点流动。因此，土壤水水势的提高表明土壤水分的可流动性增强，即土壤水分的可利用性增强，水分有效性提高。谢承陶等（谢承陶等，1993）和陈志鸿等（陈志鸿等，2002）的研究均表明有机质施人盐渍土后其表层土壤水势明显提高，这一点可以通过有机质区和对照区的土壤水分特征曲线的差异来说明。有机质施人盐渍土后，同一含水量时的土壤水吸力值，有机质区明显小于对照区，即有机质区的土壤水势高于对照区的土壤水势。另外，水分特征曲线发生变化也表明有机质改良盐渍土能够提高土壤水分的有效性，即有机质施人盐渍土后，每一相同吸力水平的土壤含水量，有机质区明显高于对照区，这说明土壤水分有效性增加，水分利用率提高。

6.覆　盖

土壤中的水分和盐分运移是一个动态过程。在淋洗作用下，土壤盐分随水向下运移；在蒸发作用下，土壤盐分随水向上运移并在地表聚集。在高地下水位和高蒸发量的盐渍土地区，如何有效抑制盐分淋洗/冲洗后的土壤返盐是盐渍土改良过程中的关键问题。利用作物秸秆或其他材料覆盖土壤表面，即可避免改良期间降雨雨滴对土壤表面团聚体的撞击而引发的表层封闭和结皮，进而提高土壤人渗性能，同时又可降低地表蒸发，防止返盐，从而提高并巩固改良效果。另外，亚表层覆盖，即在表层以下埋人碎石或作物秸秆等介质，可以有效地切断土壤的毛细管作用，从而抑制土壤返盐（Guo et al.，2006）。

四、胁迫发生或解除的判断标准

美国盐土实验室将土壤饱和浸提液电导率（EC e）作为判断土壤发生或解除盐害的指标。当EC e＞4 dS·m-1时，土壤发生盐害，作物生长受到渗透胁迫；当EC e＜4 dS·m-1时，胁迫解除（USDA，1954）。该标准在国际上已被接受并得到了广泛的应用，是目前判断土壤盐害的公认标准（Sumner，1993；Sumner&Nadiu，1998）。

钠质土的标志性特征之一是土壤物理性质恶化，其对作物生长发育的不利影响也是由土壤物理性质恶化引起的。因此，土壤是否发生钠质化也是判断盐渍土逆境胁迫发生或解除的依据。美国盐土实验室将土壤碱化度（ESP）作为土壤钠质化的判断指标，ESP＞15%、EC e＜4 dS·m-1、pH＜8.5的土壤被称作钠质土（USDA，1954）。但ESP＞15%这一标准并没有得到广泛接受，澳大利亚学者将土壤发生钠质化的ESP阈值设定为5%（McIntyre，1979；Sumner，1993）。导致二者产生差异的原因是，美国盐土实验室以饱和导水率（K10）作为判断土壤物理性质恶化的指标，当K10＜1.0 mm·h-1时，土壤物理性质恶化（USDA，1954）。美国盐土实验室测定土壤K10时使用的自来水的盐分总浓度（TEC）为3～10 mmolc·L-1，而澳大利亚学者测定K10时所用水源的盐分总浓度（TEC）为0.7 mmolc·L-1（Sumner，1993）。土壤黏粒的絮凝作用随灌溉水TEC的增加而增加（Qiurk&Schofield，1955），因此，要达到土壤K10＜1.0 mm·h-1，美国盐土实验室的试验需要比McIntyre的试验更高的土壤ESP（Shainberg et al.，1989）。由此可见，国际上对盐渍土逆境胁迫发生或解除的判断标准目前尚未形成广泛共识。

五、松嫩平原苏打盐渍土逆境胁迫研究内容

松嫩平原苏打盐渍土的相关研究主要包括以下2方面内容：

（1）土壤苏打盐渍化的发生机制与发展过程。

（2）苏打盐渍土治理与利用的技术措施。

就第一部分内容而言，其研究成果可概括为：松嫩平原苏打盐渍土具有盐化与钠质化（碱化）同时发生的特点，该区土壤盐渍化的成因包括气候因素、地形地貌特征、水文地质条件、冻融作用、人类活动等（陈恩凤等，1962；李昌华，1963；李昌华和何昌云，1964；林年丰等，1999；王晶等，1995；吴英，1997；曾昭顺和王汝庸，1962；张殿发和王世杰，2000；张为政，1994）。就松嫩平原苏打盐渍土的改良利用而言，其技术措施主要以盐渍土种稻、增施有机肥料、施用化学改良剂为核心（陈恩凤等，1984；程伯容和王汝庸，1962；李取生等，2003；罗新正和孙光友，2007；罗新正等，2003；宋长春等，2002；王春裕，2004；王志春等，2003；王遵亲等，1993；王汝庸和王春裕，1973；杨富亿等，2004；赵兰坡等，2001；周永俭等，1994）。陈恩凤教授将松嫩平原苏打盐渍土改良利用的学术指思想概括为“排灌是基础，培肥是根本”（王春裕，2004）。

六、国内外研究中存在的问题

针对土壤物理性质与化学性质同时恶化的苏打盐渍土，国内外相关研究仍存在以下不足之处：

（1）苏打盐渍土阻碍作物生长发育的作用机理；

（2）解除苏打盐渍土逆境胁迫的基本原理；

（3）苏打盐渍土逆境胁迫解除的判断标准。