土壤盐结皮研究进展与展望
2022-02-18
来源:易榕旅网
陕西农业科学 土壤盐结皮研究进展与展望 张建国 。马爱生 ,徐新文。,雷加强 (1.西北农林科技大学资源环境学院农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100; 2.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐摘830011) 要:土壤盐结皮(SSC)是盐土表层的特殊层次,主要是通过易溶性盐离子结晶胶结土壤颗粒而形成的。 SSC在自然条件和灌溉条件下均可形成发育,具有舍盐量高、硬度大等特点,对土壤水文、植物、地下水和土壤 风蚀等过程具有重要影响。综述了国内外该领域研究进展,分析了研究的趋势,讨论了其前沿科学问题和未 来研究的重点,以期促进SSC方面的研究,加深对盐渍土壤地表过程的认识,为改造利用盐土资源和防止盐 渍化的发生提供指导依据。 关键词:土壤盐结皮;基本性质;土壤风蚀;生态水文效应 全世界盐土面积约897.0万km ,约占陆地 总面积的6.5 ,主要分布在内陆干旱、半干旱地 区,占干旱区总面积的39 ,滨海地区也有分布。 中国盐渍土面积约有2O多万km ,约占国土总面 积的2.1 l1]。土壤盐结皮(soil salt crust,SSC) 是盐土地表的一个特殊层次,主要是通过易溶性 盐离子结晶胶结土壤颗粒而形成的[2 ]。与盐土 相对应,SSC在世界上分布非常广泛,在我国主要 1 SSC的形成及基本性质 SSC又称为盐壳,主要是在毛细作用下,土壤 水分和可溶性盐分汇聚在地表,水分蒸发散失,而 盐分则在地表积聚结晶土壤颗粒形成SSC。在自 然条件下,SSC多发生于干旱、半干旱地区的盐漠 和海岸线附近等地下水位较浅的区域。SSC的形 成发育过程与土壤盐分表聚过程密不可分,受到 温度、风速、灌溉水矿化度、土壤质地和沙埋(流动 风沙区)等因素的影响L5 引,气温越高、风速越大、 分布在中部干旱盐渍土大区、西部强干旱盐渍土 大区与特干盆地盐渍土,滨海盐渍土大区、东部半 干旱一半湿润盐渍土大区在干旱季节也广泛发 灌溉水矿化度越高,盐分表聚作用越强烈,≤10 cm的沙埋对SSC的形成有促进作用,>10 cm的 沙埋对SSC的形成有抑制作用。塔里木盆地 育 ]。SSC不仅盐分含量高(一般在150 g/kg以 上),而且硬度较大,厚度多在5—15 cm,与土壤 物理结皮、土壤生物结皮在物质组成、结构和形成 机制方面都存在较大差异l_3],李生宇等_4]认为应 将其在土壤结皮分类系统中单独划归为化学结 皮。 SSC的形成与该区降水稀少和蒸发强烈的气候以 及丰富的盐源紧密相关[1 ,气候越干旱,积盐强 度越大,积盐层越厚,再加上水土资源不合理的利 用使局部地下水位上升,加剧了表层盐分的积累 作为土壤表层的特殊层次,SSC对土壤侵蚀 和次生盐渍化。美国内布拉斯加州兰开斯特县 Salt Basin表层SSC中的盐分主要来源于该区地 及沉积过程、土壤水文过程、植被分布等方面有着 重要影响 。在广泛阅读国内外相关文献的 下水,由于土壤水分蒸发盐分在表层积累所致,且 基础上,笔者综述了SSC研究的最新进展,分析 了国内外研究趋势,并对其前沿科学问题和未来 该区土壤含盐量自表层向下层逐渐降低_】 。 Goodall等[2 将阿拉伯半岛东南海岸和内陆区的 SSC分为厚盐壳(>10 cm)和薄盐壳(<10 cm) 两种主要类型,其形成发育主要受潮汐冲积和沉 积过程影响,包括分解作用和碳酸化表层沉积作 研究的重点进行了展望,以期促进我国SSC研 究,加深对盐土地表过程的认识,为改造利用盐土 资源和防治次生盐渍化提供指导依据。 收稿日期:2013—03—09 基金项目:国家自然科学基金项目(40901137)、中科院干旱区生物地理与生物资源重点实验室开放课题基金(LBBs一2010—009)、中 国科学院“西部之光博士专项”(XBBS200908)、中央高校基本科研业务项目(QN20090O39O)和西北农林科技大学博士科研启动项目 (Z109021003)共同资助。 作者简介:张建国(1981一),男,汉族,山东菏泽人,博士,讲师,硕士生导师,主要从事土壤水盐运移和荒漠化防治研究。 张建国等:土壤盐结皮研究进展与展望 用两个主要过程。乌兹别克斯坦咸海流域SSC 组成以盐分占主导地位,超过50 的组分为 PM850(颗粒直径<850 tim),表示其具有相对较 结皮的研究很少,且仅局限于盐结皮的时空分布 以及与灌溉的关系方面。 高的可蚀性潜力r1 ,其形成主要是由于水分蒸发 后盐分结晶土壤颗粒所致口 。 2 SSC的生态环境效应 2.1 SSC的土壤水文效应 SSC不仅在自然状态下存在,在咸水灌溉条 件下或者是在地下水位较浅的农业区也经常能够 发育,特别是在蒸发强烈的干旱区。塔里木沙漠 公路防护林采用高矿化度区域地下水(2.8— 29.7 g/1)进行滴灌,极端干旱的气候环境造成土 研究表明SSC可以降低表面水分的蒸发。 Fujimaki等。。]对盐碱裸地土壤蒸发过程的研究表 明,土壤盐结皮能够有效抑制土壤水分的蒸发。 张建国等 研究了塔克拉玛干沙漠腹地咸水滴 灌下土壤盐结皮对土壤水分蒸发的影响,结果也 壤蒸发强烈,SSC在防护林带内广泛发育[1引。在 咸水滴灌条件下,随着水分的蒸发,在表层以滴头 为中心,可形成盐分聚积的同心圆SSC『】 。随着 表面盐壳的不断增厚,SSC本身具有隔热和阻碍 蒸发的作用l_g],从而使SSC达到一定厚度时保持 恒定。在塔克拉玛干沙漠腹地咸水滴灌条件下 SSC一般在灌溉后第5 d开始形成,在一个灌溉 周期内,电导率经历增加一降低一稳定的变化过 程,在年内SSC的电导率随着气温的变化而呈明 显的月际变化 ]。塔里木沙漠公路防护林SSC 的电导率在水平方向上自滴头向外呈先增加后降 低的趋势,厚度在距滴头40 crn处达最大,而在 40 cm以外变化不明显。滴头上坡向SSC的厚度 和电导率均大于下坡向;随着防护林种植年限的 增长,SSC厚度随防护林种植年限的增加而增加 并最终保持在某一稳定厚度,而含盐量则呈先增 加后降低的趋势口 。 张建国等[2。。对塔里木沙漠公路防护林SSC 的化学特征的研究结果表明,SSC有机质含量随 着灌溉年限的增加而增加,全N、全P均随着灌 溉年限的增加而增加,全K先增加后降低。全盐 量、SO4卜、Mg抖、Na 、C1一、K 、Ca 含量均远 高于流沙地,且随着灌溉年限的增加而逐渐减少。 pH值呈碱性,随着灌溉年限的增加而逐渐降低。 Griinberger等_21]通过对泰国东北低地水稻田的 研究表明,在地下水位埋藏浅的旱季,土壤水分蒸 发盐分在表层积聚形成SSC,其中Cl一贡献最 大。 SSC一般具有硬度大、含盐量高的特点_3]。 盐漠地区形成的SSC厚度多在1—2 cm(河流尾 闾和积水洼地形成的盐结壳厚度多在5—15 cm, 含盐量150 g/kg以上。在自然条件下地下水位 较浅的区域,水分蒸发散失,盐分在地表聚集形成 盐结皮 。有关自然条件下形成的盐结皮前人进 行过相关研究,但对于咸水灌溉条件下形成的盐 表明土壤盐结皮能够有效抑制土壤水分的蒸发, 但盐结皮对土壤蒸发的抑制效率在一个灌溉周期 内随着时间的变化而不断降低,盐结皮对林地土 壤水分蒸发的抑制效率为33.O0 9/5,而对裸沙地 土壤蒸发的抑制效率为13.37 。Howari等_2 2_ 的研究表明,不同离子组成的盐结皮对不同波长 的光谱吸收特性和反照率存在很大差异,晶体大 小或含盐量并不会影响结皮光谱吸收带的位置。 Fujimaki等_7]的研究表明,土壤反照率与结皮含 盐量成正比,20 cm深度土壤积盐量每增加1 mg/cm ,土壤反照率约增加0.002。有结皮土壤 表面的反射比高于无结皮土壤,高反射比导致土 壤对太阳能的低吸收,因此有结皮的土壤表面温 度较低,蒸发量降低。当结皮变干后,盐结皮的形 成阻碍了毛管水向土壤表层的运动而成为水分蒸 发的一道屏障。这是土壤盐结皮能够抑制蒸发的 机理所在。而Marsha等[2 ]认为土壤盐结皮可以 加速热量传输,从这方面来考虑,它又会加速土壤 水分的运动过程而利于蒸发的进行,可能这种作 用远小于反射比对土壤蒸发的影响。 2.2 SSC对植物生长的影响 SSC会对植物的生长发育产生一定影响。咸 水灌溉后SSC在塔里木沙漠公路防护林带内广 泛发育口 ,SSC含盐量虽高,但厚度有限且位于 土壤表层,林木根系分布层含盐量并不高,仅仅稍 高于流沙地,因此一般不会对植物造成危害[2。。。 只要灌溉制度合理,植物的生长并不会受到水分 和盐分的严重胁迫l_2 。咸水滴灌下林地土壤可 溶性盐蒸发积累与灌溉淋溶过程交替发生,土壤 盐渍化状况取决于蒸发积累和淋溶脱盐两种作用 的对比。突发性的强降雨可将SSC中的盐分向 下层土壤淋溶,当根系层土壤盐分含量超过植物 的耐盐范围时,就可能造成植物生理干旱,甚至死 亡,对防护林的防护效益产生不良影响I2 。突发 性的强降雨对防护林沙拐枣的危害与灌溉水矿化 陕西农业科学 度、立地类型、林龄等影响土壤盐结皮状况的因素 紧密相关。目前,防治突发性降雨危害的方式主 要是在降雨的同时开启滴灌带,从而增加淋洗盐 分的水量,将盐分淋洗至根系分布层以下,达到盐 害防治的目的L5 ]。 2.3 SSC对地下水的影响 SSC高含盐量对地下水是一个潜在的污染威 胁。Weisbrod与Dragila[2 通过模拟实验,研究 了干旱环境条件下岩石裂隙对盐结皮的潜在影 响,旱季在裂隙附近形成厚厚的含盐量很高的 SSC,其形成主要受温度和大气蒸发潜力的影响。 温度越高,蒸发强度越大,形成的SSC含盐量越 高。当雨季来临,降水可将其中的可溶性盐分溶 解并通过断裂带进入地下水,从而增加地下水的 含盐量,对地下水造成盐分污染。 2.4 SSC对土壤风蚀的影响 SSC致密的结构可以增强土壤抗风蚀性。 Langston和Neuman[¨]通过风洞模拟实验对比 分析研究了SSC与土壤生物结皮对土壤风蚀的 敏感性,结果表明,SSC具有较强的抗风蚀能力, 但其抗风蚀能力低于土壤生物结皮。0 Brien和 Neuman_2 用激光多普勒测速仪在风洞内研究了 结皮破裂和风蚀过程中的土壤颗粒运动,结果表 明,生物结皮能够承受超过几个小时的连续颗粒 的影响,而不管在何种侵蚀风速(6.7—9.6 m/s) 或氯化钠含量(80—320 g/kg)条件下,SSC在1.5 h内即会被充分侵蚀。Argaman等通过风动对南 咸海盆地SSC的研究结果表明,该区所有的土 壤/沉积物含有盐,特别是在SSC中盐分占主导 地位,该区土壤具有相对较高的可蚀性潜力。但 SSC的存在降低了风蚀,通过建立新SSC或者是 保留原有SSC均可降低风蚀。 3 结语 目前,土壤结皮的研究主要集中于土壤生物 结皮和土壤物理结皮口 ∞]。国外有关SSC方面 的研究,仅局限于其基本性质、对土壤蒸发的影响 以及土壤风蚀效应等有限的几个方面,而我国的 SSC研究,仅有少数学者在新疆塔里木盆地进行 了其基本性质以及其对土壤蒸发的影响的初步研 究[3 。当前,国内外SSC有关的研究远远 落后于土壤生物结皮和物理结皮,而我国SSC方 面的研究与国际相比尚显不足。在我国自然条件 恶劣的西北干旱、半干旱盐土地区和东部地下水 位较浅的盐渍化和次生盐渍化地区,开展有关 SSC的形成发育、基本性质及其在区域生态系统 中的作用等方面的研究,其生态环境效应可考虑 从其对土壤人渗、地下水浅埋区的潜水蒸发、地下 水化学性质、种子库萌发、植物生长、微生物多样 性、土壤风蚀等方面着手。李保国等[3 提出我国 土壤物理学未来10 a五个方面主要的任务包括: 土壤结构形成过程及其稳定性,土壤中能量传输 和物质运移过程,土壤性状及过程的时空变异与 尺度转化,土壤物理过程与土壤化学、土壤生物过 程的耦合。作为盐土表层土壤一大气界面的特殊 层次,笔者认为今后可以在不同自然条件的地区 进行SSC的生态环境效应研究,如对土壤水热盐 运移的影响,对营养物质的循环与贮存、水分循 环、温室气体固定与释放、群落结构等的影响, SSC与土壤风蚀的相互作用机制等。在干旱区应 特别关注对水分循环的影响,因为水分因子往往 是构成干旱半干旱地区生态环境的最关键因子。 因此,有关SSC相关的研究有很多的科学问 题需要解决,开展相关的研究对于合理开发利用 占全球陆地总面积6.5 的盐土区的水土资源, 保护区域生态环境具有重要的现实和理论意义。 可以预见,SSC的相关研究将成为未来一段时间 干旱一半干旱区土壤学、水文学、生态学研究的热 点和难点。 参考文献: Eli王尊亲,祝寿泉,俞仁培,等,主编.中国盐渍土 EM].北京:科学出版社,1993. 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