孫 萍,張 濤,張海麗,邢全林,張 雷

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第六地質(zhì)大隊,山東 威海 264209)

我國存在大面積的鹽漬化土壤。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,當前我國鹽漬化土壤總面積約9.87×103億m2,其中現(xiàn)代鹽漬化土壤面積約3.67×103億m2,殘余鹽漬化土壤面積4.47×103億m2,潛在鹽漬化土壤面積1.73×103億m2[1-3]。由于土壤含鹽量通常超過0.3%,鹽漬化土壤很難直接種植農(nóng)作物或林木等,我國大面積的鹽漬化土壤需要進行隔鹽脫鹽處理,以提升其可利用效率。目前,我國常見的鹽漬化土壤隔鹽脫鹽技術(shù)包括物理、化學(xué)、生物法等。由于缺乏系統(tǒng)性的論述,相關(guān)工作人員在實際應(yīng)用這些鹽漬化土壤隔鹽脫鹽技術(shù)時并不能做出針對性的選擇。因此,文章針對鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)效果進行綜述,旨在為相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H工作提供參考。

1 鹽漬化土壤分類及成因

1.1 鹽漬化土壤基本特征

鹽漬化土壤指的是一類易溶性鹽分在土壤表層逐漸累計形成鹽堿化的土壤。這類土壤含鹽量通常超過0.3%,可溶性鹽的主要成分包括鈉、鉀、鈣等硫酸鹽、氯化物等[4-6]。一般情況下氯化物及硫酸鹽的pH值在7左右,為中性鹽;碳酸鹽和重碳酸鹽pH值約在9.5～10.2間,為堿性鹽[7]。鹽漬化土壤物理結(jié)構(gòu)差,與一般的健康土壤相比更容易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,不利于農(nóng)作物生長。此外,鹽漬化土壤的微生物活性低、持水性差,植物在生產(chǎn)過程中很難獲得充分的水分和影響。

1.2 鹽漬化土壤分類

根據(jù)土壤特性可以將鹽漬化土壤分為鹽土和堿土,鹽土可分為濱海鹽土、草甸鹽土;堿土可分為草甸堿土、草原堿土等,見圖1。

圖1 鹽漬化土壤分類Fig.1 Classification of salinized soil

鹽土指的是鹽漬化土壤中全鹽量約占比0.6%～2.0%的土壤[8]。鹽土的pH值一般在8.0左右,呈弱堿性。從外觀來看,鹽土的表面通常都有一層淡淡的鹽霜,嚴重時會形成一層較厚的鹽結(jié)皮。我國的鹽土主要存在八個亞類,除圖1所示濱海鹽土等外,還有沼澤鹽土、簡化鹽土、普通鹽土、洪積鹽土及參與鹽土。這些鹽土的形成原因存在一定差異,但整體上均受土壤的成土條件、成土過程及土壤基本性能等影響。

堿土指的是鹽漬化土壤中pH值超過8.0的堿性土壤,包括草甸堿土、草原堿土、龜裂堿土、酶質(zhì)堿土等[9]。堿土的形成有直接形成也有由鹽土轉(zhuǎn)化而來。一般情況下堿土是鹽土的伴生物。堿土中的Na+發(fā)生水解時會形成大量的NaOH,而土壤中的植物、微生物在生產(chǎn)過程中會形成大量的CO2,二者之間發(fā)生反應(yīng)以后會形成堿化能力極強的無水碳酸鈉。在長時間不受控制的堿化作用下,堿土的pH值甚至能夠達到10.0以上,此時土壤結(jié)構(gòu)惡化速度會逐漸加快,土壤的顆粒度會顯著提升而土壤的通透性會變得極差。

1.3 鹽漬化土壤成因

鹽漬化土壤的成因較為復(fù)雜。一般情況下土壤中的鈉、鉀等離子都是植物生長需要的重要元素。但是在某些作用下,這些離自然因素、人為因素子濃度逐漸增大至一定程度后,就會對植物形成危害。文章從自然因素、人為因素兩個主要視角對鹽漬化土壤成因進行總結(jié)。

1.3.1 自然因素

土壤在較少人為干預(yù)的自然條件下,受氣候、地貌、成土母質(zhì)等因素的影響而形成較為豐富的鹽儲備,此時土壤也會逐漸鹽漬化。出現(xiàn)這種鹽漬化的地區(qū)大多集中在沿?；蛭鞑績?nèi)陸地區(qū)。沿海地區(qū)鹽漬化土壤主要受海洋暖濕氣流的影響,土壤中的水分蒸發(fā)量較高,一旦降水無法保證,則地下水中的鹽分會沿著土壤毛管水轉(zhuǎn)移至地表土壤。出現(xiàn)鹽漬化土壤的內(nèi)陸地區(qū)多為干旱、少雨地區(qū)。在長時間降水—蒸發(fā)不平衡狀態(tài)下,地下水中的鹽分同樣會沿著土壤毛管轉(zhuǎn)移至地表土壤,導(dǎo)致地表土壤中的鹽分不斷累計形成鹽漬化。總之,大部分鹽漬化土壤中的鹽分都來自于地下水,氣候尤其溫度與濕度是造成鹽漬化土壤現(xiàn)象的重要自然因素。

1.3.2 人為因素

導(dǎo)致突然出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象的人為因素主要包括:首先,不合理的自然資源開發(fā)模式,在自然資源開發(fā)過程中不能采用合理的植物看法、染料燃燒及農(nóng)作物灌溉方法等,容易引起土壤的次生鹽漬化;其次,在成土母質(zhì)鹽源較為豐富的地區(qū),如果普遍采用大水漫灌的形式抽取大量的地下水,也會因為局部地區(qū)水分蒸發(fā)量大于降水量,此時也會形成鹽漬化土壤;最后,因為人類的生產(chǎn)、生活等行為導(dǎo)致地表植被被破壞時,也會導(dǎo)致土壤地面水分大量蒸發(fā),此時也會誘發(fā)地下水中的鹽分向地表移動,形成鹽漬化土壤。

1.4 鹽漬化土壤危害

鹽漬化土壤對當?shù)刈匀画h(huán)境存在嚴重威脅。由于鹽漬化土壤中含有大量的高濃度鹽分、堿分,土壤的結(jié)構(gòu)、故水性、肥力等都會遭到破壞。鹽漬化土壤的危害集中在生理干旱和離子毒害兩方面。

1.4.1 生理干旱

鹽漬化土壤中含有濃度較高的鹽堿成分。鹽漬化土壤中的紙塑原生質(zhì)膜在長期處于高度鹽堿環(huán)境下時,會因為土壤滲透壓的不斷增大而導(dǎo)致植物原生質(zhì)膜反向向土壤中傳遞水分,最終導(dǎo)致植物因缺水死亡。這種生理干旱現(xiàn)象是最直觀反映鹽漬化土壤危害的表現(xiàn)之一。

1.4.2 離子毒害

傳統(tǒng)土壤中的鉀、鈉等離子對于植物、微生物等的生長和存活具有很高的意義。然而,在鹽漬化土壤中這些離子的濃度遠遠超過正常土壤,鈉、氯等離子濃度過高時會導(dǎo)致植物細胞膜的頭型增大,進而阻礙植物從土壤中獲得必須的營養(yǎng)和水分。離子毒害造成的危害較生理干旱更為嚴重。植物長期缺乏充分營養(yǎng),無法完成光合作用等,會在較短時間內(nèi)增加二氧化碳的排放量,加劇全球變暖、破壞全球生態(tài)環(huán)境等。

2 鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)分析

2.1 鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)

目前較為常見的鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)主要包括物理法、化學(xué)法、生物法、工程法等,見圖2。

圖2 常見鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)Fig.2 Materials and technologies for salt separation and desalination of common salinized soils

2.1.1 物理法

現(xiàn)有以物理材料和技術(shù)進行隔鹽脫鹽的思路主要包括無機法和有機法兩種。

無機法主要利用沸石隔層等無機物對鹽漬化土壤進行隔鹽脫鹽[10]。以在鹽漬化土壤種植刺槐為例。種植刺槐前,可以在刺槐樹的樹穴底部鋪設(shè)20 cm厚的一層沸石隔層,在樹穴側(cè)壁鋪設(shè)10 cm厚的沸石隔層,基本可以保證以樹穴為中心80 cm半徑內(nèi)的土壤含鹽堿量明顯降低,從而保證植物的正常生長。沸石隔層的具體鋪設(shè)位置及厚度需要根據(jù)植物的具體需求進行合理制定。此外,無機法開展鹽漬化土壤隔鹽脫鹽所使用的材料和技術(shù)還包括爐渣、椰殼生物炭等,其隔鹽脫鹽的基本原理與沸石隔層類似。

有機法主要利用小麥秸稈、玉米秸稈等無機物對鹽漬化土壤進行隔鹽脫鹽。以我國西部地區(qū)為例,當?shù)卦趯}漬化土壤進行隔鹽脫鹽時利用了農(nóng)林業(yè)每年產(chǎn)生的大量副產(chǎn)品包括各類型農(nóng)作物秸稈和礱糠廢料等,在植物種植時將這些有機料填埋在土壤深度80 cm處,以7 000 kg/hm2的比例使用,可以有效提升土壤20～80 cm處涂層的含水量,還能夠通過秸稈形成土壤毛細管隔斷,有效阻止地下水中鹽分向上遷移。

融合法是目前最新的應(yīng)用物理法進行鹽漬化土壤隔鹽脫鹽的思路。融合法,即在對鹽漬化土壤進行處理過程中同時應(yīng)用有機料和無機料形成隔層等,實現(xiàn)兩種材料的優(yōu)勢互補。例如,在對鹽漬化土壤隔層進行鋪設(shè)時,將沸石、生物炭、菌渣等進行混合制備為厚度約20 cm的隔層,可以實現(xiàn)控水、控鹽堿等多種效果,能夠有效抑制土壤中主要鹽堿離子的聚集,進而充分提升鹽漬化土壤的生物活性[11-13]。相比于一般的物理法而言,這種融合法不僅能夠保證土壤中植物的正常存活,還能起到凈化土壤、提升土壤酶活性等的目的。

2.1.2 化學(xué)法

利用化學(xué)法對鹽漬化土壤進行隔鹽脫鹽所需要的材料通常也可分為無機料、有機料等。

采用無機料進行鹽漬化土壤隔鹽脫鹽時主要用到的材料包括脫硫石膏、磷石膏等。這些石膏材料多來自于工業(yè)廢棄物。在使用這類材料時,通常將其進行干燥、粉末化處理制成土壤改良劑,以噴灑或填埋的方式對鹽漬化土壤進行處理。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,按照30 t/hm2的比例進行鹽漬化土壤處理,能顯著降低深度20 cm左右土壤的pH值,降低土壤中鹽堿離子濃度,提高土壤中有機質(zhì)及一般植物所需營養(yǎng)成分的含量。

采用有機料進行鹽漬化土壤隔鹽脫鹽時所需材料主要包括糠醛渣、腐植酸等酸性物料,其原理為利用酸堿中和效應(yīng)實現(xiàn)土壤的隔鹽脫鹽。例如,在對鹽漬化土壤進行處理時選用腐植酸,按照300 kg/hm2的比例進行鹽漬化土壤處理,能夠有效降低40層面厚土壤的鹽堿含量,進而提升土壤中植物所需養(yǎng)分含量和飽和導(dǎo)水率。

融合法即將無機料和有機料進行融合使用,以更好地實現(xiàn)鹽漬化土壤隔鹽脫鹽。例如,在對病害鹽漬土壤進行處理時,將石膏和園林廢棄堆肥進行混合以后進行翻埋處理,可以在有效降低土壤pH值的同時,提高土壤中有效磷、氮等的含量,進而優(yōu)化土壤中植物的生長環(huán)境。

2.1.3 生物法

生物法對鹽漬化土壤進行隔鹽脫鹽的主要原理,是利用植物、真菌等在植物根部構(gòu)成的特殊微環(huán)環(huán)節(jié)土壤對植物造成的危害[14-15]。生物法,主要包括植物根際促生細菌菌劑促生法和植物菌根真菌劑脫鹽促生法。這兩種方法的根本差異是采用的菌劑及其作用位置不同。植物根際促生細菌菌劑主要作用于植物根際環(huán)境,利用施加梭梭根際枯草芽孢桿菌溶液時,有效成分主要作用于植物根際,提高植物的過氧化氫酶活性等,從而有效降低根際環(huán)境中的鹽堿離子含量。而植物菌根真菌菌劑則主要通過與植物根系構(gòu)建一體式的菌根,從而保護宿主植物在鹽漬化土壤中不會受到鹽堿離子的影響。例如,以蚯蚓糞、活性酶等對植物根際進行作用,再接種摩西球囊霉等改善植物根際土壤環(huán)境,可以有效調(diào)節(jié)植物根際附近酶活性,增強植物根系對有效營養(yǎng)成分的吸收能力。

2.2 鹽漬化土壤隔鹽脫鹽材料與技術(shù)應(yīng)用選擇

不同的處理方式在成本、效果等方面存在一定的差異。通常來說沸石隔鹽等物理方法更適合單株植物,如各類數(shù)目的鹽漬化土壤隔鹽脫鹽,這類需要深挖樹穴的植物可以更好地發(fā)揮物理法成本低、操作難度低等優(yōu)勢;大面積農(nóng)作物種植場景更適合化學(xué)法和生物法等,這兩種方法普遍可以通過噴灑、翻埋等方式進行土壤脫鹽隔鹽,但整體使用成本更高。在實際的鹽漬化土壤隔鹽脫鹽過程中,需要根據(jù)土壤的具體處理目標靈活選用隔鹽脫鹽材料和技術(shù)。

3 結(jié)語

對我國大面積的鹽漬化土壤進行脫鹽隔鹽是當前我國生態(tài)環(huán)境治理工作的重點之一。文章認為,目前最實用的脫鹽隔鹽方法總體可以概括為物理法、化學(xué)法及生物法等。不同方法的應(yīng)用場景、應(yīng)用成本存在較大差異,工作人員需要根據(jù)土壤種植作物等的差異進行靈活選擇。