林英姿 劉莞青 王高琪 楊昊 張代華

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118)

引言

土地是人類賴以生存的基本資源，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。尤其對(duì)于一個(gè)擁有14億人口的大國(guó)，人均土地資源明顯低于世界的平均水平[1]。在面臨土壤質(zhì)量退化、荒漠化、耕地減少的情況下，保護(hù)和合理開發(fā)土地資源顯然是一項(xiàng)迫在眉睫的重要任務(wù)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，全世界鹽堿地的面積為9.5438億hm2，其中我國(guó)為9913萬hm2。因而，改善鹽堿地土壤質(zhì)量，對(duì)人類生存及可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。開發(fā)利用鹽堿土，不僅是我國(guó)21世紀(jì)必須高度重視的生態(tài)環(huán)境問題，也是解決21世紀(jì)我國(guó)14億人口糧食問題的一條重要途徑，更是我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。

1 吉林西部鹽堿地改良技術(shù)及現(xiàn)狀

1.1 吉林西部鹽堿地現(xiàn)狀

東北地區(qū)是我國(guó)土壤鹽堿化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，目前松嫩平原西部的鹽堿地面積約為500萬hm2，其中吉林省占比達(dá)到21.30%[2]。吉林省的鹽漬土主要分布在本省的西部地區(qū)，主要涉及到4市(長(zhǎng)春市、四平市、松原市與白山市)8縣(鎮(zhèn)賚縣、洮安縣、大安縣、通榆縣、乾安縣、前郭縣、扶余縣、農(nóng)安縣、懷德縣與梨樹縣)。吉林省西部地區(qū)鹽漬土主要屬于蘇打鹽堿土類型，見圖1。土壤內(nèi)主要含有較多量的Na+、HCO3-，HCO3-極易與H+結(jié)合形成易揮發(fā)的CO2氣體，土壤中剩余的OH-與大量的Na+結(jié)合形成堿性化合物，該區(qū)域土壤大多pH較高，不利于大多數(shù)植物的生長(zhǎng)。于明榮[3]等在研究中得出，在吉林西部松原前郭縣內(nèi)土壤表層的鹽漬化程度隨土壤深度呈逐漸遞減的趨勢(shì)。2008年以來，吉林省啟動(dòng)了國(guó)家戰(zhàn)略層面的“百億斤糧食增產(chǎn)工程”，將原在前郭縣內(nèi)的前郭灌區(qū)以及乾安縣內(nèi)的未開發(fā)鹽堿地規(guī)劃為松原灌區(qū)。隨著“百億斤糧食增產(chǎn)工程”的啟動(dòng)，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也相繼對(duì)松嫩平原地區(qū)鹽堿地開發(fā)做出一系列相關(guān)性的研究工作。樊自立[4]提出，原有耕地鹽漬化在減輕,新開發(fā)耕地鹽漬化在發(fā)展，大部分耕地都處于脫鹽不穩(wěn)定反復(fù)型狀態(tài)。而才源[5]等指出在1959—2014年期間，吉林省西部鹽堿地實(shí)質(zhì)上增加了近30萬hm2。

圖1 吉林西部大面積鹽堿荒地

吉林省西部鹽堿地變化主要分為3個(gè)階段。第1階段從1950年起，由于環(huán)境和人為的因素，松嫩平原的部分天然草地逐年退化，原有的輕度鹽漬化地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸塞}漬化地區(qū)，土壤類型逐步演變成草地鹽堿地；第2階段從1980年起，由于人口日漸增加糧食需求不斷增長(zhǎng)，大量的荒地被開墾為耕地，其主要集中在松原市前郭縣內(nèi)。人為的開墾致使周邊土地受到嚴(yán)重的破壞，加速了環(huán)境的惡化，出現(xiàn)了大面積鹽堿地；第3階段從2000年起，國(guó)家開始對(duì)吉林西部地區(qū)規(guī)劃管理，投入了大量的人力物力，草地鹽堿地初步有規(guī)模地被開發(fā)為水田。

1.2 吉林西部鹽堿地改良措施

我國(guó)早在20世紀(jì)中期，便開始了對(duì)鹽堿地的改良研究，經(jīng)過數(shù)十年間對(duì)鹽堿地不斷考察和勘測(cè)，形成了3種不同的鹽堿地改良措施，包括生物措施、化學(xué)措施和物理措施。生物措施改良鹽堿地是指通過種植耐鹽植物以及培養(yǎng)耐鹽固氮菌等手段來降低土地鹽堿化程度，從而改善農(nóng)作物生長(zhǎng)條件的有效措施[6]；化學(xué)措施改良鹽堿地是指運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)中的酸堿中和反應(yīng)達(dá)到改良土壤pH值的效果，使耕地能在耕作時(shí)更好地脫堿[7]；物理措施改良鹽堿地是指運(yùn)用水旱輪作的耕種方式將土壤中的鹽分在稻田時(shí)期通過一系列淋洗排出。這種農(nóng)業(yè)改良措施可以減少土壤的流失、防止土壤返鹽、降低農(nóng)田鹽堿化程度，使土壤中的各形態(tài)鹽分重新配置，使土壤表層含鹽量降低，保證作物出苗生長(zhǎng)，從而合理利用鹽堿化土地[8]。近幾年，化學(xué)和物理相結(jié)合的措施逐漸成型，由于除氟技術(shù)的不斷發(fā)展，通過化學(xué)手段改性后的沸石材料也逐漸被應(yīng)用到鹽堿地改良中[9,10]。

吉林西部地區(qū)的土壤類型為蘇打鹽堿化土壤且土壤肥力較好，在充足的水源和良好的排水條件下，種植水稻是治理吉林西部鹽堿地、爭(zhēng)取農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的最有效措施。在種植水稻的過程中，土壤中可溶性鹽隨著換水滲水，排出田外，或滲到土壤底層，因而脫鹽堿的效果明顯[11,12]。根據(jù)周和平[13]等學(xué)者的研究指出，鹽堿化水稻土春季采用大水泡田—快灌—快排的方法，如圖2，稻田池中保持水層5cm左右，使土壤中鹽分能充分溶解于水中，泡田一般2～3d，使水中泥漿沉淀后，采取大池口快速排水方法，將泡田水全部徹底排出。對(duì)于一般輕鹽堿化水稻土泡田期可洗鹽1～2次，每次都要大水深灌，泡田1～3d，使泡田水沉漬后迅速?gòu)氐着懦鲞@種方法既可大量洗鹽，又可防止水肥流失，被帶出稻田。插秧后，為了提高土壤溫度，增強(qiáng)農(nóng)田氧化、促進(jìn)土壤熟化，一般白天灌水，夜間排水涼田，以防返鹽，春季降雨后應(yīng)排干換水。

圖2 吉林西部某稻田春季泡田期

2 吉林西部各灌區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀

吉林西部地區(qū)現(xiàn)分別有松原、大安、前郭3大灌區(qū)。松原灌區(qū)是吉林省在建的大型灌區(qū)，是國(guó)家增產(chǎn)千億斤商品糧工程及吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧的重點(diǎn)工程。松原灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積為19萬hm2，其中水田99073.33hm2，早田70893.33hm2，天然草場(chǎng)20033.33hm2，給水渠及排水渠等骨干工程于2015年開工建設(shè)。松原灌區(qū)由前郭灌片和乾安灌片組成，歷史上已建成的前郭灌區(qū)也包括在松原灌區(qū)前郭灌片內(nèi)。前郭灌片位于吉林省西部松嫩平原，松原市前郭縣松花江(三岔河口以上)左岸，是以松花江為灌溉水源，利用哈達(dá)山、錫伯屯、七門吐等泵站提水灌溉的大型灌區(qū)。大安灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積56573.33hm2，計(jì)劃分為2期實(shí)施，1期計(jì)劃發(fā)展水田灌溉面積21006.67hm2，目前大安灌區(qū)期骨干及田間工程均已完工，見圖3。

圖3 吉林西部大安灌區(qū)某稻田給水渠

研究表明，前郭灌區(qū)現(xiàn)有水田8120hm2，其中鹽堿化水稻土3386.67hm2，占灌區(qū)總水田面積的41.7%。肖長(zhǎng)來、梁秀娟[14]在對(duì)前郭灌區(qū)的研究表明，灌溉排水條件的好壞可以直接影響土壤脫鹽的好壞程度，從而決定土地的經(jīng)濟(jì)效益好壞。2008年以來，各灌區(qū)工程逐步實(shí)施，前郭灌區(qū)預(yù)計(jì)續(xù)建水田3萬hm2，大安灌區(qū)將新建水田5.6萬hm2[15]。灌溉高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的面積近年持續(xù)增長(zhǎng)，在不斷加大灌區(qū)供排水強(qiáng)度，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，各灌區(qū)的排水多以地表徑流、地下潛水方式進(jìn)入湖泊河流之中，其對(duì)環(huán)境造成的影響仍有待深入研究。

3 吉林西部改良含氟鹽堿地對(duì)環(huán)境的影響

3.1 吉林西部高氟地區(qū)成因

由于氟離子較為活潑的化學(xué)性質(zhì)，氟化物較為廣泛地存在于自然界，其中最受關(guān)注的便是氟化物的污染來源以及氟化物的水—土遷移轉(zhuǎn)化。根據(jù)謝正苗、吳衛(wèi)紅[16]等學(xué)者的研究指出，在鋼鐵和制鋁等工業(yè)的過程中會(huì)排出含氟的“三廢”。此外，由于自然環(huán)境所帶來的火山爆發(fā)以及沙漠地區(qū)也會(huì)有局部性的高氟區(qū)。

吉林省西部地區(qū)在地質(zhì)歷史上曾經(jīng)火山活動(dòng)頻繁，火山噴發(fā)時(shí)產(chǎn)生的氣體和火山灰富含HF、CaF2、MgF2等含氟化合物，這些物質(zhì)經(jīng)沉降、風(fēng)化、分解后，將氟釋放出來進(jìn)入土壤，致使該地區(qū)土壤本底值氟含量較高。目前國(guó)際上比較公認(rèn)的氟的富集與堿性HCO3-型水有關(guān)，其含量隨著Na2CO3和NaHCO3含量的增加而增加[17]。氟元素又是親石元素，在鹽堿地不斷鹽化和堿化的侵蝕下，巖石中的“硅化氟化物”極易形成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的含氟化合物，在土壤的毛細(xì)作用下向地表聚集。另外，蘇打鹽堿土自身堿性較強(qiáng)，吸附態(tài)的氟極易被OH-置換下來而形成水溶態(tài)，導(dǎo)致地表水溶態(tài)氟含量較其它區(qū)域土壤高。

3.2 氟的危害

氟是動(dòng)物和人體的必需微量元素之一，適量的氟能夠促進(jìn)機(jī)體多項(xiàng)生理功能的發(fā)揮，參與機(jī)體的代謝過程，促進(jìn)哺乳動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，促進(jìn)骨礦質(zhì)晶體生長(zhǎng)、刺激成骨細(xì)胞形成，從而使骨量增加、骨密度提高。生活中，氟較為普遍和廣泛的用來預(yù)防齲齒，保護(hù)牙齒健康。但是氟一旦過量并累積在機(jī)體中，就會(huì)引起氟中毒，主要的中毒特征是損害骨骼和牙齒，引起氟斑牙和氟骨病。另外，還會(huì)抑制細(xì)胞內(nèi)酶的活性，降低DNA和蛋白質(zhì)的合成，破壞鈣磷代謝平衡[18,19]。我國(guó)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了部分食品中氟的最高允許量，其中大米、面粉≤1.0mg·kg-1，其它食物≤1.5mg·kg-1，我國(guó)衛(wèi)生部規(guī)定，每人每天通過各種途徑攝入氟的總量以3.5mg為宜。

3.3 含氟鹽堿地改良為稻田對(duì)環(huán)境的影響

土壤中的氟化物是大多數(shù)飲用水和食物中氟化物的主要來源，可見土壤是氟環(huán)境化學(xué)體系的樞紐，而稻田灌溉排水對(duì)土壤氟化物在環(huán)境中的分布和運(yùn)移有著直接影響。研究發(fā)現(xiàn)，吉林省西部鹽堿土中表層土全氟平均值為266.17mg·kg-1，低于全國(guó)土壤中氟的背景值，但是水溶態(tài)氟的平均含量為13.73mg·kg-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-2008)規(guī)定的5mg·kg-1。這也說明吉林西部含氟鹽堿地中氟的總量不高，但其可遷移性強(qiáng)。在鹽堿地改良為稻田時(shí)，由于不斷對(duì)土壤進(jìn)行浸泡和打漿，土壤中的氟離子勢(shì)必會(huì)隨著稻田的排水而遷移。目前，大安灌區(qū)和乾安灌區(qū)還在逐步開發(fā)，分別引二松、嫩江水灌溉，經(jīng)土壤改良和洗鹽，蘇打鹽堿土中大量的氟會(huì)隨農(nóng)田排水進(jìn)入水體。因此，對(duì)灌區(qū)開發(fā)時(shí)氟化物輸出量以及衡量其對(duì)環(huán)境的影響研究，對(duì)于后續(xù)吉林西部鹽堿地改良具有重要意義。

4 結(jié)語

目前關(guān)于吉林西部3大灌區(qū)土壤耕層中氟的本底值及其輸出量鮮有報(bào)道。并且由于土壤種類不同，氟的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律也存在著較大的差別。因此，調(diào)查3大灌區(qū)氟化物賦存形態(tài)及本底值，模擬鹽堿荒地開發(fā)為水田時(shí)氟化物的輸移規(guī)律，探討農(nóng)田耕作對(duì)氟化物賦存形態(tài)的影響，可為控制區(qū)域性氟骨病及降低稻田排水中的氟化物輸出量提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。