滴灌条件下西北干旱区农田生物排盐研究进展与展望.pdf
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1、第 60 卷 第 4 期 土 壤 学 报 Vol.60,No.4 2023 年 7 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Jul.,2023 *新疆维吾尔自治区区域协同创新专项(2021E01019)、新疆维吾尔自治区重大科技专项(2020A01003-3)、新疆水利厅邓铭江院士专家工作站项目(2020D-005)共同资助 Supported by the Regional Collaborative Innovation Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region(No.2021E01019),the Major Sci
2、entific and Technological Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region(No.2020A01003-3),and the Academician Deng Mingjiang Expert Workstation Project of Xinjiang Water Resources Department(No.2020D-005)通讯作者 Corresponding author,E-mail: 作者简介:苏 媛(1994),女,陕西渭南人,博士研究生,主要从事盐碱地改良与利用研究。E-mail: 收稿日期:20220215
3、;收到修改稿日期:20220428;网络首发日期():20220722 http:/ DOI:10.11766/trxb202202150008 苏媛,田长彦,买文选,王雷,赵振勇,周宏飞.滴灌条件下西北干旱区农田生物排盐研究进展与展望J.土壤学报,2023,60(4):925938.SU Yuan,TIAN Changyan,Mai Wenxuan,WANG Lei,ZHAO Zhenyong,ZHOU Hongfei.Progress and Prospect of Biological Salt Removal from Farmland Under Drip Irrigation in
4、 Arid Area of Northwest ChinaJ.Acta Pedologica Sinica,2023,60(4):925938.滴灌条件下西北干旱区农田生物排盐研究进展与展望*苏 媛1,2,田长彦1,2,买文选1,2,王 雷1,2,赵振勇1,2,周宏飞1,2(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830000;2.中国科学院大学,北京 100049)摘 要:20 世纪末以来,膜下滴灌技术在我国西北干旱区得到了大规模的推广和应用,极大推动了绿洲农业的发展。然而,滴灌带入盐分无法排出导致的农田土壤积盐问题,使得干旱区绿洲农业的可持续发展面临巨大挑战。如何在水资源短缺的情况下
5、防治农田次生盐渍化和利用西北干旱区广泛分布的盐碱地资源,是我国干旱区农业可持续发展中迫切需要解决的问题。本文结合西北干旱区膜下滴灌农田水盐运移的特点,主要从盐生植物耐盐机制及其生长发育对盐分的响应、盐生植物排盐与盐碱土改良的互馈效应以及种植盐生植物对土壤水盐动态的影响等方面对生物排盐的研究进展进行了比较系统的梳理,同时指出了目前西北干旱区在农田生物排盐研究方面存在的不足,并对今后需要开展的研究工作进行了展望,以期为旱区农业制定合理高效的综合排盐制度提供决策依据,对于实现农田盐分平衡、缓解土壤次生盐渍化危机和土壤可持续利用具有重要意义。关键词:滴灌;生物排盐;盐碱地改良;水盐运移 中图分类号:S
6、152.4 文献标志码:A Progress and Prospect of Biological Salt Removal from Farmland Under Drip Irrigation in Arid Area of Northwest China SU Yuan1,2,TIAN Changyan1,2,Mai Wenxuan1,2,WANG Lei1,2,ZHAO Zhenyong1,2,ZHOU Hongfei1,2(1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi
7、830000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Since the end of the 20th century,mulched drip irrigation technology has been widely promoted and applied in arid areas of northwest China,which has greatly pushed the development of oasis agriculture.However,the
8、salt in water brought by drip irrigation cannot be discharged from the soil,which makes the sustainable development of oasis agriculture in arid areas challenging.Therefore,preventing and controlling secondary salinization of farmland to make use of the salt and alkali land 926 土 壤 学 报 60 卷 http:/ r
9、esources widely distributed in the arid area of northwest China under conditions of water resource shortage is an urgent problem to be solved in order to promote sustainable development of agriculture.This article sorted literature on biological salt removal and the aspect of salt tolerance mechanis
10、m,growth and development of halophytes to salt,mutual feedback effects between salt removal of halophytes and reclamation of saline-alkali soil,and the effects of planting halophytes on soil water and salt dynamics.Also,this study points out the existing problems in the research of biological salt r
11、emoval in arid areas of the northwest and suggests prospects for further research works.The study can provide decision bases for making reasonable,efficient and comprehensive salt removal systems in arid area agriculture and is of great significance for realizing salt balance in farmland,alleviating
12、 soil secondary salinization crisis and soil sustainable utilization.Key words:Drip irrigation;Biological desalting;Reclamation of saline-alkali soil;Water and salt migration 据 FAO 最新数据显示全球盐渍土壤共计约8.33108 hm2,其中亚非干旱和半干旱区域占比 20%25%1。在我国,盐渍土面积高达 3.60107 hm2,随着不合理的人为活动和加剧的气候变化,盐渍土面积仍不断增加,在影响粮食产量的同时,也严重威
13、胁到我国 18 亿亩耕地红线保障工作的开展,土壤盐渍化已经成为制约农业发展的主要因素2-3。因此土壤水盐运移过程、盐渍土的治理利用及其调控仍然是盐渍土研究的核心问题4。西北干旱区地处亚欧大陆,是典型的温带大陆干旱性气候,具有土壤母质含盐、地下水矿化度高和淡水资源稀缺等特点。在此背景下,膜下滴灌技术因其在农艺、节水和经济方面的优势在干旱缺水地区(如新疆)得到了推广和应用,在提高了水肥利用效率的同时,也改变了农田水盐运移模式5-8,其主要特点是:(1)空间特定的位置供水,作物根系生长被限制在土壤湿润体内部淡盐区9;(2)有限水量不能满足土壤盐分淋洗需求导致盐分在湿润区边缘聚集10,形成侧向排盐,滴
14、灌期结束时往往形成膜下脱盐,膜间积盐的现象。有学者指出滴灌水带入盐分无法排出土体对节水灌溉农业的可持续发展是一个潜在危机11-12。因此,含盐灌溉水条件下需要一种高效低成本的措施,将灌溉水盐分推出根区来实现农田盐分灌排平衡,以期缓解土壤次生盐渍化危机。我国盐碱地治理和利用的研究经历了从大灌无排、大灌大排、滴灌无排到综合调控四个阶段13,前人通过实践、研究已经形成和发展了不同类型和功能的盐碱地治理和盐渍化调控措施,包括水利措施、化学措施、农艺措施和生物措施13-14。其中水利措施主要针对地下水位较浅和重度盐碱化农田15-16,通过“淡水压盐”淋洗排出土壤中盐分,如近年来兴起的“咸水结冰灌溉”手段
15、17,但其受诸多因素的影响如地下水埋深、水质和土壤理化性质等,因此水利措施还须根据实际情况结合其他调控措共同改良;化学措施主要是通过添加可溶性化学物质来改良和增进土壤结构和养分功效,如施加富含 Ca2+、Mg2+元素的石膏18-19等,但施加的化学物质若选择不当极易引发土壤二次污染;农艺措施主要通过耕作方式20、地面覆盖方式21-22、施肥管理23等来控制盐分向根区积累,但人工和物料成本较高;生物措施主要是通过种植盐生植物来减少土壤含盐量,改善土壤理化性质、增加土壤微生物数量,同时提升土壤养分,达到改良盐碱土的目的24-26,有学者据此提出“干排盐”和“植物聚盐”的综合调控思路,即利用盐生植物
16、吸盐特性通过蒸散作用将盐渍区旁低洼荒地所承接的周围多余灌溉水或高盐分地下水产生的盐分聚集到地表吸收来保证周边区域土壤的盐分平衡27-28。此外,具有改土能力的盐生植物在粮食、蔬菜、水果、医药、动物饲料、生物燃料、绿化和海岸保护等方面也有潜在的经济价值29-31。因此生物措施凭借其节水、经济和可持续发展的特点,已经在西北盐渍化区域开展了相关试验研究。滴灌条件下种植盐生植物,在植物吸盐和灌溉淋洗的双重作用下,必然会涉及到根际土壤水盐状况的改变,目前关于农田不同生境条件下盐生植物根系水盐吸收和土壤水盐运移的相互作用规律等尚不清楚,而以往相关研究大多聚焦于淡土植物(又称甜土植物)。本文结合西北干旱区膜
17、下滴灌农田水盐运移的特点,主要从盐生植物耐盐机制及其生长发育对盐分的响应、盐生植物排盐与盐碱土改良的互馈效应以及种植盐生植物对土壤水盐动态的影响等方面对生物排盐的研究进展以及今后需要开展的4 期 苏 媛等:滴灌条件下西北干旱区农田生物排盐研究进展与展望 927 http:/ 研究方向进行比较系统的梳理,同时指出目前西北干旱区农田生物排盐研究方面存在的不足,并对今后需要开展的研究工作进行展望,以期为干旱区农业制定合理高效综合排盐制度提供决策依据,对于实现农田盐分平衡、缓解土壤次生盐渍化危机和土壤可持续利用具有重要意义。1 盐生植物的耐盐机理及其生长发育对盐分的响应 1.1 盐生植物的耐盐机理 1
18、980 年,Greenway 和 Munns32在定义盐生植物时对环境盐分含量进行了量化,认为能在 3.3 105 Pa(相当于 70 mmolL1单价盐)以上的渗透压水中正常生长并完成生活史的植物均为盐生植物;适当 的盐度范围可以促进盐生植物的营养和生殖生长,而超过 99%的淡土植物会在这个盐度范围内无法存活33-34,其主要原因在于两者在应对盐分时采用不同的离子运输和稳态机制35。已有研究表明盐生植物在渗透调节过程中很大程度更依赖于无机离子(Na+、Cl、K+)来维持盐胁迫下的渗透压和膨压稳定,并能够将大量的 Na+通过液泡区隔化36,而淡土植物主要通过合成可溶性物质进行渗透调节37。盐生
19、植物种类占世界陆地植物的 1%2%,中国共有盐生植物 423 种,其中新疆占 320 种38。不同类型盐生植物在应对盐胁迫下的生长调节各异,其耐盐上限也不一致。根据其对土壤盐分吸收运移的方式可分为真盐生植物(通过在细胞、组织或器官中积累高浓度的盐分)、泌盐盐生植物(通过叶腺调节体内盐分水平)和假盐生植物(根系具有超滤作用),其耐盐机理主要包括以下途径(图 1):图 1 盐生植物耐盐机理示意图 Fig.1 Schematic diagram of salt tolerance mechanism of halophytes(1)渗透调节。所有的盐生植物均必须通过调节渗透势来维持细胞膨压的稳定39
20、。在蒸发较为强烈的盐渍土环境下,由于植物根际盐分的不断积累,导致根土界面根系吸水细胞外渗透势减少,胞内水势大于胞外水势,植物无法正常吸水。为了维持正常生理代谢,植物通过渗透调节来减少胞内水势,参与渗透调节的无机离子主要包括 Na+、K+和 Cl等。(2)拒盐。相比之下,拒盐机制主要依赖于根部的水分过滤来减少盐分进入植物体内,最后通过在细胞内区隔 Na+和 Cl来避免损伤40。如芦苇能够阻止盐分进入茎部,因此单位干重叶片中 Na+含量远低于根部41。(3)离子区隔化。盐生植物和淡土植物均存在离子内部隔离的现象,盐生植物主要通过液泡膜上的 Na+/H+反转运体的跨膜运输实现 Na+的液泡隔离,是一
21、种由电化学梯度所驱动的行为42-43,而淡土植物则通过将少量盐分离子转移到老化组织中来保护幼嫩组织44,两者的区隔化行为均需能量的供应。也有学者研究得出盐生植物可以以主动或928 土 壤 学 报 60 卷 http:/ 被动吸收的方式通过不同部位在细胞内累积或外排Na+和 Cl,使细胞质中的 Na+和 Cl浓度保持在细胞可忍受范围内,从而避免离子毒害40,45-46。1.2 盐生植物生长发育对盐分的响应 盐分主要通过渗透阶段和离子毒害阶段显示其对植物生长发育的影响47-48。当盐浓度开始在根部积累时,渗透调节就开始发生,一般持续时间为几分钟至几小时36;相比之下,离子胁迫则在更长的时间尺度上发
22、展,几天或者一周以上49-50。渗透阶段以类似于水分胁迫的方式影响植物的蒸腾和根系水分吸收51,在较高盐度条件下,盐生植物会发展出不同的策略来应对和适应盐分胁迫,如类似于旱生植物应对水分胁迫所呈现出的小叶片和肉质化等特征;当外界盐分浓度超过植物自身盐分存储阈值时,盐离子在植物组织中过量积累,最终通过毒性作用对细胞造成损伤,影响其他重要元素或化合物的吸收,破坏植物营养平衡36,52。盐胁迫条件下,盐生植物因其特殊的调节方式可以在较海水还高的矿化度条件下完成其生命周期,而淡土植物只能在较低盐度的土壤中生长,微量的盐分均足以对其生长发育造成影响。由于盐生植物和淡土植物对盐分胁迫的敏感性不同,二者相对
23、产量对盐度的响应差异也较大(图 2)。注:S,敏感;MS,适度敏感;MT,适度耐盐;T,耐盐;HAL,盐生植物;NPG,无植物生长。Note:S,sensitive;MS,moderately sensitive;MT,moderately tolerant;T,tolerant;HAL,halophyte;NPG,no plant growth.图 2 FAO 对盐生植物和淡土植物耐盐性的划分53-54 Fig.2 FAO classification of salt tolerance between halophytes and glycophytes53-54 抑制植物生长发育是盐分胁
24、迫对植物最直接和最明显的效应。通常盐胁迫对植物生长发育的影响主要表现在盐分浓度和盐分类型,不同的植物类型对不同条件下盐分胁迫的响应不同55。当存在盐分胁迫时,出于自我保护机制,大多数淡土植物均会避免吸收盐分,因此盐分会在根区不断积累,进一步造成水分胁迫,而盐生植物能够将盐分离子(如Na+和 Cl)通过液泡区隔化,通过降低胞内水势来应对盐分胁迫。对于大部分淡土植物而言,在一定盐度范围内存在一个最优值,超过这个盐度阈值后,生物量会随盐分浓度的增高而减小;对于盐生植物而言,较低和较高的盐分浓度均会抑制其生长,但两者中间存在一个中间浓度盐分使得生物量达到最优值,而现有研究对这一现象的解释仍并不是完全清
25、楚37。根系是土壤-植物-大气连续体中水分和溶质运移的枢纽,其在土壤中的分布格局及生长状况能够反映出植物的生态适应对策56。对于淡土植物,如棉花和小麦等传统作物,田间滴灌条件下其根系密度往往在滴头下方湿润区达到最大57;当采用微咸水灌溉时,随着灌溉年限的增加,土壤相同空间位置的根系密度较淡水灌溉条件下小58。盐生植物和淡土植物因其对盐分胁迫的响应机制存在差异,因此根系在土壤中的生长和分布状况也不相同;Song59和 Gonzlez-Orenga等60通过室内模拟和野外采样得出土壤水盐状况对盐生植物根系的形态、长度和大小影响较为强烈,表现为高盐度抑制,低盐度促进,弋良朋等61、Yang 等62和
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