|
|
|
|
|
fase 亮文解读：中国盐碱地改良与利用——进展与展望 |
|
|
论文标题：
期刊：
作者：guangzhou wang, gang ni, gu feng, haley m. burrill, jianfang li, junling zhang, fusuo zhang
发表时间：15 jun 2024
doi：
微信链接：
耕地保育与产能提升
soils for food security
专 辑 文 章 介 绍
· 第一篇 ·
▎论文id
saline-alkali soil reclamation and utilization in china: progress and prospects
中国盐碱地改良与利用：进展与展望
发表年份：2024年
第一作者：王光州
通讯作者：王光州
邮箱：wanggz@cau.edu.cn
作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院
cite this article :
guangzhou wang, gang ni, gu feng, haley m. burrill, jianfang li, junling zhang, fusuo zhang. saline-alkali soil reclamation and utilization in china: progress and prospects. front. agr. sci. eng., 2024, 11(2): 216–228
· 文 章 摘 要 ·
土壤盐碱化对全球可耕地的生产力构成了威胁。受中国人口增长和社会经济发展的影响，近几十年来，中国可耕地面积不断减少，已接近维持国家粮食安全所需的最小面积1.2亿公顷的临界值。盐碱地是我国重要的后备耕地资源，其改良利用可以有效扩展耕地面积，提升粮食生产水平，对保障国家粮食安全具有重要意义。本文首先系统梳理了盐碱地改良的主要原则和技术措施，包括淋洗、覆盖、阻断、离子平衡和土壤肥力提升等。之后，概述了我国在盐渍土改良方面的主要成就和不同地区的典型改良技术。基于新提出的“以种适地”理念，介绍了相关研究进展，包括盐生植物种植、耐盐碱品种选育和功能微生物菌剂研发等。最后，本文分析了当前盐碱地高效利用所面临的难题与挑战，并对未来的发展方向进行了展望。
· 文 章 亮 点 ·
1. 盐碱地是中国重要的后备耕地资源，其改良利用对扩展耕地面积、保障粮食安全具有重要意义。
2. 中国在盐碱地改良和利用方面取得了重要进展，并研发出多项特色改良技术。
3. 未来应实施综合治理战略，将传统盐碱地管理措施与新技术相结合，提高作物产量。
· graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
土壤盐碱化对全球农业生产、粮食安全和可持续发展构成威胁。盐碱化破坏土壤结构，导致土壤退化，每年约有1000万公顷灌溉土地被废弃。受盐碱化影响的国家主要位于干旱和半干旱气候区，这些地区降雨少蒸发大，容易导致土壤盐碱化。随着气候变化，海平面上升对沿海地区的影响以及全球变暖导致蒸发量增加，预计将加剧土壤盐碱化。
中国约有3670万公顷盐碱地，1230万公顷具有农业潜力，其中667万公顷可用作耕地，对这部分盐碱地进行开垦和改良，可有效扩大土地利用面积，增加粮食产量，确保国家粮食安全。近年来，植物和微生物基因组学的进展为解决作物耐盐性提供了新方案。本文全面综述了盐碱地改良利用的基本原理和策略，介绍了不同地区盐碱地治理技术，引入“以种适地”等概念及其进展，并分析了当前盐碱地管理面临的挑战，对未来研究提出了建议。
▎盐碱地改良支撑作物产能提升
1. 灌溉与排水工程
水分蒸发使土壤中的离子（如na 、mg2 、cl–和so42–）上移至表面，形成盐碱地。盐碱土可通过淡水灌溉淋洗土壤中的盐分与抑制地下水上升来改良。在灌溉充足地区，采样深沟、暗管排盐等措施。沟渠建设可提升排水效率，对地表和深层土壤排盐效果好，但对更深土层效果可能不佳。暗管排盐则在1–2 m深处排盐，管道间距越小，效率越高。深沟与暗管结合可显著提升脱盐效果，但需要大量水，且要注意盐分积聚问题。
2. 地表覆盖与深层隔离阻断盐分上移
在水资源紧缺区，地表覆盖和深层隔离能降低水分蒸发和盐分迁移。地表覆盖使用如塑料薄膜等材料，而深层隔离是在土壤40 cm深处设置秸秆或沙子来切断毛细管，阻止水和盐上移。两者结合，即“上覆下隔”技术，可提升阻盐效果，在盐碱地广泛应用。此外，秸秆还可作为土壤肥料。
3. 通过施肥平衡营养元素与盐离子
提高土壤肥力可增强土壤缓冲能力和养分释放，促进作物生长，提升耐盐性。有机肥能改善土壤结构，利于盐分淋洗和保持肥水。化肥和改良剂对降碱控盐至关重要，如氮肥可提升作物耐盐性和产量，磷肥可促进作物对磷、钾、钙、镁的吸收等。酸性肥料如硫酸铵能降低土壤ph值，降低盐度。有机肥和其他有机物能中和土壤中的氢氧根离子，降低土壤碱化。石膏可消除碱度，淋洗钠离子。多种材料组合使用效果更佳，如石膏和腐殖酸结合能显著降低土壤ph值和钠吸附比。
4. 耕作实践
垂直与水平耕作对盐碱地改良十分重要。犁底层的存在阻碍了盐分的淋洗，因此需要机械深松以提高淋洗效率。长期深松能降低土壤容重，加速盐分淋洗，利于根系生长。在棉花种植中，耕作深度增加，土壤盐度显著降低，60 cm深处的耕作可使产量大幅提高。
沟播与灌溉方式能改变盐分水平分布，减轻盐胁迫对作物的影响。垄沟种植、中间灌溉可将盐分积累在垄的两侧侧或中心，利于沟中作物生长 (图1a)。平床种植时，应将种子置于两侧以避免中心的高盐分 (图1c)。交替灌溉可使盐分在不灌溉侧的垄上积累，作物应种于灌溉沟旁 (图1e)。沟灌在细腻土壤中更有效，沙质土壤不适合，因为后者的高土壤孔隙度和低颗粒结构会阻止盐分的移动。
图1 不同沟灌系统的盐分累积模式及作物安全种植区域。
▎不同地区的特色改良技术
1. 中国西北地区的覆膜滴灌技术
在中国西北干旱地区，由于有限的降雨和巨大的蒸发量，土壤容易盐碱化。为提高灌溉效率和控制盐碱化，覆膜滴灌技术得到广泛应用，新疆自20世纪90年代初开始采用。与漫灌相比，滴灌能均匀滴水、避免深层渗透，覆膜可减少蒸发和盐离子上升 (图2)。目前，这项技术已在甘肃、内蒙古和吉林等其他地区得到广泛应用。但随着滴灌的增加，导致下游地区水量减少，加剧了土壤的二次盐碱化和沙漠化，最终对生态系统造成严重破坏，威胁农业可持续性。
图2 膜下滴灌技术 (a) 和种稻洗盐技术 (b)。
2. 东北地区种稻洗盐技术
东北地区以苏打盐碱地为主，自20世纪50年代起，松嫩平原西部开始种植水稻，到21世纪初盐碱地稻田占该地稻田近半。水稻可能因水分稀释盐分和浅层根系对钠离子不敏感而得以种植。苏打盐碱土改良需采取化学方法，如用钙离子替换钠离子、灌溉排水、生物修复和耕作措施 (图2)。具体可用石膏改良剂，生物改良措施，以及深耕松土、掺沙换土等方法来降低盐度和碱度，改善土壤结构。
3. 华北平原咸水利用
中国淡水资源紧缺，人均年可用水量不到美国的四分之一。华北平原尤为严重，已达绝对缺水水平，地下水超采问题加剧淡水危机。然而，中国咸水资源丰富，可有效利用于农业灌溉，缓解淡水不足。自20世纪60–70年代起，中国开始利用咸水资源，但咸水灌溉需结合作物的耐盐能力进行合理灌溉，制定合理的灌溉制度。咸水结冰灌溉等特色技术显著降低土壤盐度，促进了盐碱地区的农业生产。
4. 肥沃土层的构建
盐碱地区农业发展受土壤质量低下的限制。为改善土壤，已采取多种措施：先通过工程方式如漫灌、排水等洗盐排盐；随后采用农艺措施如深松深耕、掺沙等来优化土壤结构；再通过施肥和土壤改良剂提高土壤肥力。但仍需建立标准的评估指标和阈值来判断土层肥力，如盐分、肥力及土层深度等。未来需深入研究盐碱动态规律和培肥原理，实现区域特色的改良和治理技术。
▎植物适生改良
1. 盐生植物改良
生物修复技术利用盐生植物的耐盐性来改良盐碱地。中国有400多种盐生植物，如碱蓬、海蓬子等，它们能在高盐土壤中生长并降低土壤盐分，改善土壤性质。盐生植物可单作或间作种植，并可作牧草、燃料或蔬菜。在中等盐度土壤中还可采用间作方式，而在重度盐碱土壤中则连续单作几年以降低盐度。这项技术节水、低投资、生态可持续，具有潜在经济价值，是有前途的技术。未来需继续探索其与其他土壤改良措施结合的最佳改良方式。
2. 耐盐作物的育种
提高作物耐盐性除了土壤改良，还可通过传统育种和植物组学技术实现 (图3)。耐盐机制复杂，涉及离子平衡、渗透调节等多个方面。盐生植物和耐盐作物提供丰富的耐盐基因资源，是育种的重要种质。新型生物技术如crispr/cas基因编辑可加速耐盐作物的育种过程。尽管育种面临复杂性挑战，但遗传学和基因组学的进步为培育耐盐作物提供了技术支撑。结合传统育种和现代生物技术，可以更有效地培育出耐盐性强的作物，提高农业可持续性和产量。
图3 作物育种和功能微生物提高作物耐盐能力。
3. 耐盐微生物潜力挖掘
在盐胁迫下，植物能通过根系分泌物吸引功能性微生物，这些微生物能增强植物对盐碱环境的适应性，促进作物生长。耐盐微生物具有多种耐盐机理：维持离子平衡、渗透调节与水分吸收、促进营养吸收、分泌有机酸降低土壤ph值 (图3)。合成微生物群落的应用可能比单一菌株接种更有效。为了提高接种效率，农业实践中结合了有机材料、生物炭等作为载体，使用先进制剂技术保护微生物，实现缓慢释放。
· 结 论 ·
中国的盐碱地改良与利用工作取得了举世瞩目的成就，在提高粮食产能方面做出了重要贡献，但仍面临技术重复低效、水资源短缺和技术复杂、成本高等诸多挑战。为解决这些问题，未来的工作需要从以下五个方面进一步优化：研发区域特色改良技术，提高改良效率；进行作物根际精确调控和管理，增强作物适生能力；因地制宜利用微咸水资源以缓解淡水限制；研发简化和智能化技术以提升接受度和应用率；引导盐碱地商业投资和业务发展，促进盐碱地农业经济发展，增加农民收入。
【作者及团队介绍】
王光州，中国农业大学资源与环境学院副教授，博士生导师，校级高层次引进优秀人才。主要从事地上–地下互馈、土壤健康等方面研究。目前主持国家自然科学基金、国家重点研发项目子课题等项目。相关工作以第一作者或通讯作者发表在nature communications, ecology letters, global change biology, journal of applied ecology等期刊。现任中国土壤学会土壤健康工作组委员，植物营养与肥料学会根际营养专业委员会委员。
阅读原文请点击
免费下载专辑文章请点击
《前沿》系列英文学术期刊
由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被sci收录，其他也被a&hci、ei、medline或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。
中国学术前沿期刊网
特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负米乐app官网下载的版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
