Discussion on the agricultural efficient utilization of saline-alkali land resources
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摘要: 我国约有9913万hm2盐碱地, 其中现代盐渍土约为3693万hm2, 作为重要的后备耕地资源, 盐碱地的综合利用对保障国家粮食安全具有重要的战略意义。经过几十年的研究和实践, 我国在盐碱地治理方面已经形成了完善的理论和技术体系, 取得巨大的成就, 其中淡水洗盐、灌排结合的水利工程措施在盐碱地治理中发挥了关键作用。但是, 受水资源短缺和气候条件制约, 我国大部分的盐碱地尚未开发利用。近年来, 随着社会经济发展和科学技术进步, 人们逐渐认识到盐碱地作为自然生态系统的组成部分, 其丰富的盐碱土、咸水和耐盐生物等盐碱资源在多元化食物生产、生态保护、人民生活中具有重要作用, 迫切需要加强盐碱资源高效利用的理论与技术研究, 发展盐碱地资源高效利用产业, 推动盐碱区农业高质量发展。本文分析了目前盐碱地治理现状及其面临的问题, 结合盐碱地资源高效利用研究进展, 重点对盐碱区盐生植物利用、咸水资源的高效利用、肥沃耕层构建高效改土、高品质农产品生产、设施种养空间利用和草牧业发展等六个方面进行了探讨, 以期为盐碱地资源高效利用提供参考。Abstract: Currently, there are about 9.9×107 hm2 of salt-affected soils in China, in which the modern saline soil is about 3.7×107 hm2. As an important reserved cropland resources, the comprehensive utilization of saline-alkali soils play very important role for ensuring national food security. After decades of research and practice, China has formed complete technical systems in the improvement of saline-alkali land, in which the hydraulic engineering measures combined with salt leaching by fresh water irrigation and drainage systems have played a key role in the reclamation of saline-alkali soils. However, due to the shortage of water resources and climatic conditions, most of the saline-alkali land in China has not been developed and utilized. In recent years, with the development of social economy and the progress of science and technology, people have gradually realized that saline-alkali land is an integral part of the natural ecosystem, in which the saline resources including saline soils, saline water and salt-tolerant organisms etc. have played important roles in diversified food production, ecological conservation and human life. In order to promote the high-quality development of agriculture in saline-alkali areas, it is necessary to strengthen the studies on the theories and technologies of efficient utilization of saline resources and to develop the relevant industry of saline-alkali land resources utilization. This paper analyzed current situation and the problems existing in the reclamation of saline-alkali soils, and discussed the utilization of halophytes and saline water resources, the efficient improvement of salt-affected soils by fertile root zone construction, the production of high-quality agricultural products in saline-alkali soils, the space utilization of saline lands by developing facility agriculture, and the development of grass and animal husbandry in saline-alkali land. This paper will provide reference for the efficient utilization of saline-alkali land resources.
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Keywords:
- Saline-alkali soils /
- Halophyte /
- Saline water /
- Fertile root zone /
- Efficient utilization
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我国是人口大国, 粮食安全事关国家安全稳定。根据国家统计局数据[1], 2022年我国粮食种植面积1.19亿hm2, 粮食总产量68 653万t, 同期粮食进口量14 687万t, 其中进口大豆(Glycine max) 9108万t, 仅大豆的进口量就相当于延伸利用了国外0.47亿hm2的耕地产能(按2022年大豆单产为1980 kg∙hm−2计)。一旦突发事件发生, 如战争、瘟疫、自然灾害等, 我国的粮食安全将面临严峻挑战。2022年我国耕地总面积1.28亿hm2 [2], 人均耕地面积0.09 hm2, 仅是世界人均耕地面积的27%。因此, 要保障我国粮食安全, 一方面是提高现有耕地的产能, 另一方面就是要合理开发后备耕地资源[3]。盐碱地作为重要的后备耕地资源, 其开发利用愈来愈为重要。
目前, 我国已迈上全面建设社会主义现代化国家新征程, 党的二十大对建设社会主义现代化国家进行了一系列重大部署[4], 明确要求“全面推进乡村振兴” “加快建设农业强国”, 要“全方位夯实粮食安全根基”, “树立大食物观, 发展设施农业, 构建多元化食物供给体系”, 要“推动绿色发展, 促进人与自然和谐共生”。盐碱地区由于水土资源约束, 生产力水平低, 生态环境差, 是我国建设农业强国的短板地区, 但同时又具有土地面积广阔, 开发利用潜力大的优势。2021年10月21日, 习近平总书记在黄河三角洲农业高新技术产业示范区考察调研时指出, 开展盐碱地综合利用对保障国家粮食安全、端牢中国饭碗具有重要战略意义。要加强种质资源、耕地保护和利用等基础性研究, 转变育种观念, 由治理盐碱地适应作物向选育耐盐碱植物适应盐碱地转变, 挖掘盐碱地开发利用潜力, 努力在关键核心技术和重要创新领域取得突破, 将科研成果加快转化为现实生产力[5]。2021年10月20—22日, 联合国粮农组织(FAO)召开了全球盐碱地研讨会, 大会在系统分析总结国际盐碱地改良利用成果和经验的基础上, 认为盐碱地是自然生态系统的组成部分, 只有人类活动导致的盐渍化才是问题, 人们不应该总是与盐碱地抗争, 应学会与盐碱地共存[6]。新时代新征程为盐碱地改良利用提出新需求, 迫切需要系统总结盐碱地改良经验, 分析盐碱地改良利用面临的问题, 提出盐碱地农业发展的新领域新业态, 以推动盐碱地可持续高效改良利用。
本文简要分析了我国盐碱地概况及成因、盐碱地改良利用面临的问题, 从农业高效利用盐碱地资源角度, 提出了未来关注的重点, 以期为盐碱地综合利用提供借鉴。
1. 盐碱地概况
盐碱地泛指土壤中可溶性盐类含量过高, 致使大多数植物的生长受到不同程度的抑制, 甚至不能生长成活的土地, 其土壤称为盐渍土或盐碱土, 包括各种盐土和碱土以及其他不同程度盐化和碱化的土壤。一般认为, 当土壤表层或亚表层水溶性盐类含量超过0.1%或富含石膏的土壤水溶性盐类含量超过0.2%, 或土壤碱化层的碱化度超过5%, 就属于盐渍土范畴[7]。据估计, 全球约有10亿hm2盐碱化土地, 占陆地面积的7%; 另外, 1/3的灌溉农田正遭受不同程度的盐碱化影响, 每年盐碱地面积还在以100万~200万hm2的速度扩大[8]。我国的盐碱地类型多, 分布广, 包括各类盐土、碱土、盐化土壤和碱化土壤等类型[7], 从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润地区到极端干旱区均有分布[7,9-10]。受成土母质、气候因素、地形地貌、水文地质和农业活动等因素影响, 我国的盐渍土主要分布于西北、东北、华北和沿海地区。在西北地区, 内流封闭的盆地(如准格尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地、柴达木盆地、河西走廊等)汇聚了来自山地或河流的水盐, 受地质条件限制而不能外泄, 加之区域干旱的气候条件, 造成土壤盐渍化严重; 在东北平原和华北平原, 受季风气候影响, 60%~70%的降雨发生于夏季, 加之地势平缓, 排水不畅, 导致夏季内涝和春季干旱周年反复, 盐分在土壤和地下水之间频繁交换, 形成盐渍土; 在滨海平原, 受海水浸渍的影响, 整个土体盐分较高, 盐碱化严重[7,10]。我国盐渍化土地面积约9913万hm2, 包括由于自然条件和人类活动导致地下水位过高引起土体盐分积聚的现代盐渍土约3693万hm2, 这也是人们常说的我国盐碱地的总面积; 还有分布于干旱和荒漠生物气候区历史时期盐分残留于土体中的残余盐渍土约4487万hm2, 以及为了提高现有耕地产能和开垦荒地发展灌溉, 而采用水利措施不当致使原来表层不显盐渍化而可能发生次生盐渍化的潜在盐渍土约1733万hm2[7]。另外, 随着淡水资源日渐匮乏, 采用劣质水灌溉可能导致土壤盐渍化, 全球气候变化导致海平面上升和海水入侵也增加了土壤盐渍化的风险, 盐渍化面积还在增加[10]。上述盐碱地面积数据多是20世纪80、90年代报道的, 目前已过去多年, 土壤盐渍化情况已发生很大变化, 但尚无最新的数据支持。2022年我国启动实施了第3次土壤普查[11], 并专门部署了盐碱地的普查工作, 有望通过此次普查获取现阶段我国盐碱地分布和面积的准确数据。
2. 盐碱地改良利用现状及面临的问题
我国盐碱地治理的历史十分悠久。据闵宗殿[12]总结, 盐碱地最早记载于先秦的典籍《禹贡》: 冀州“厥土惟白壤”, 青州“厥土白坟、海滨广斥”, 白壤为盐碱土, 斥为盐土, 这也是内陆盐碱土和滨海盐土的最早分类。内陆盐碱地的治理始于公元前5~4世纪的魏文侯时, 西门豹在漳河流域引水种稻、改良盐碱土; 滨海盐碱地的治理始于唐代, 大历(公元766—779年)年间, 苏北已开始修堰挡潮, 治理盐碱地。至清代, 已形成了水利改良措施, 如引水种稻洗盐(始于从先秦)、淤灌压盐(始于公元前246年秦王政元年关中地区修建的郑国渠)、围海造田(出现于唐代)等; 农业改良措施, 如深翻窝盐(首见于清《增订教稼书》)、绿肥治碱(种植苜蓿)、深沟躲盐植树、开沟排盐、压砂抗碱等。另外, 还有养鱼治盐。上述盐碱地治理的措施现在依然在发挥作用。我国对盐碱土系统研究和治理始于20世纪50年代的土地资源大规模普查, 历经资源清查、水利改良、综合治理和可持续管理4个阶段[9], 形成的灌排结合、淡水洗盐水利工程措施如深沟排盐、井灌井排、淤灌改碱、暗管排盐等在盐碱地治理中发挥了主导作用[10]。同时, 在盐碱地物理改良措施如地表覆盖、秸秆隔层、深耕降盐和开挖台田等[13-15], 化学改良措施如高钙化学制剂降碱、腐殖酸改碱、有机培肥调碱等[16-19], 和生物改良措施如种植盐生植物移盐、种植耐盐深根植物改土控盐等[20]也都取得显著进展。围绕多样化和差异化的盐碱地类型, 构建了具有针对性的盐碱障碍因子消减、水肥盐优化调控、耐盐植物适盐栽培等技术与模式, 在我国典型盐碱区盐碱地改良利用中发挥了重要的作用[9]。但无论采用哪项措施, 充足的淡水资源是盐碱地改良的首要物质基础, 形成的“以水为纲”盐碱地综合改良思路依然最为行之有效, 在当前广大盐碱区被普遍采用[10,21-22]。然而, 我国是世界上缺少充足水资源的13个国家之一, 特别是在北方地区淡水资源匮乏已严重影响社会经济发展[23], 另外全球气候变暖和降水减少又进一步加剧了淡水资源的匮乏[10], 而盐碱地又主要分布于北方地区。新时代, 我国要推进绿色发展, 建立资源节约型、环境友好型社会。在此背景下, 盐碱地改良利用还面临以下问题:
一是淡水资源不足制约盐碱地的改良。盐碱地的改良无论是采用物理措施、化学措施、生物措施, 还是水利工程措施, 均需要充足的淡水灌溉将土壤中的盐分淋洗到根区以外, 以满足植物生长所需的水盐条件[22,24-26]。但当前随着人口增长, 淡水资源缺乏已成为全球性问题, 更多的水资源用于生活和工业生产, 且维持健康的淡水环境和生态系统也需要大量的淡水资源, 各产业用水和争水问题日益严重, 尤其在盐碱地区用于农业灌溉的淡水资源也愈发短缺[10,19]; 同时过量开采深层地下淡水又进一步加剧了淡水资源匮乏的风险, 以环渤海为例, 该区平均水资源量仅有190 m3∙人−1和1650 m3∙hm−2, 仅为全国平均值的1/12和1/16[27], 而利用农业灌溉的水资源量则更少。此外, 深层地下水的过度开采也带来了深层地下水漏斗和一系列生态问题[28-29]。因此, 传统的淡水灌溉淋盐技术模式在北方盐碱区应用的局限性日益凸显。
二是传统的水利工程措施投入高且存在水盐调控不当产生次生灾害风险。传统的水利工程措施依赖于完善的灌排体系, 通过灌溉和排水有序结合, 实现根区土壤水盐优化调控; 同时通过强排把地下水位控制在土壤返盐的临界水位以下, 而灌排体系(包括暗管排盐)的建立需要大量资金投入, 大面积应用存在投入过高的问题[30-31]。另外, 对于海拔低、地下水位浅的滨海盐碱区, 如果临界水位过度控制, 可能会导致海水入侵问题, 而对于脱盐区, 如果水环境发生变化导致地下水位抬升, 又会产生次生盐渍化的危害[31]; 对于西北内陆盐碱地如新疆盐碱棉区, 大面积滴灌技术应用在治碱改土提高产量方面发挥了重要作用, 但长期小水量灌溉导致耕层积盐、无排或微排, 下游荒漠化的风险加大[9-10,32-34]。
三是淋盐排水利用不当导致生态和土地退化问题。盐碱地淋盐排水富含盐分离子和营养元素, 这部分水如果直接排入湖泊或河流, 会导致水体盐分过高和富营养化, 影响水生生物的生长, 甚至会使整个生态系统破坏[35]。另外, 淋盐排水如果直接用于灌溉, 还会导致次生盐渍化和土地退化等问题[10]。
因此, 传统的盐碱地改良利用面临水资源能否支撑、经济是否可行和生态能否可持续的挑战, 亟需探索一条持续高效的盐碱地改良利用新路。
3. 盐碱地资源高效利用探讨
我国农业受到传统观念的影响, 主要依赖于“淡水”和“淡土”环境[36], 通过淡水洗盐的水利工程措施实现盐碱地的改良, 种植农作物。受气候条件(如高寒、干旱地区)和淡水资源匮乏的影响, 大部分盐碱地是不能改良利用的[7]。从单一作物生产角度而言, 虽然盐碱地改良利用资源约束性强, 但盐碱区有广阔的土地资源, 并且具有丰富的盐生植物资源、咸水资源和多样化的气候条件, 在空间开发、满足多样化食物需求和生态建设方面潜力巨大。随着我国科技水平和经济实力的大幅度提升, 坚持人与自然和谐共生理念的绿色发展不断推进, “大食物观”的树立, 盐碱地农业发展面临新的机遇。
3.1 盐生植物利用
盐生植物是盐碱区的天然植物种类, 具有较强的耐盐能力, 能够生长在70 mmol∙L−1以上的单盐环境[37], 世界上有1560种盐生植物, 我国有400多种[37]。这些植物可以作为药用、食物、油料、蔬菜、饲料、纤维、能源、绿化等多种用途, 如甘草(Glycyrrhiza uralensis)、枸杞(Lycium chinense)等盐生植物是我国的传统中药材, 海蓬子(Saliconia bigelovii)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)等盐生植物既可以做蔬菜, 种子也是高级食用油料来源, 柽柳(Tamarix chinensis)等盐生植物是盐碱地绿化的先锋树种, 等等。另外, 盐碱地种植盐生植物具有良好的水分适应性[38]和改土降盐培肥效果[39-40], 且固碳增汇效应显著[41], 对“双碳”目标的实现具有重要作用。虽然在20世纪90年代, 美国培育出经济盐生植物海蓬子[42], 推动了盐生植物的开发利用研究, 但目前依然停留在耐盐机制解析、经济价值评价与小规模试种阶段, 迫切需要加强高价值、高耐盐的盐生植物培育、栽培、加工等方面的研究, 发展盐碱地碳汇农业, 开发盐生植物产品, 培育盐生植物产业, 促进盐碱地产能与生态协同提升。
3.2 咸水资源的高效利用
盐碱地区由于特殊的水文地质环境, 一般咸水资源丰富, 其合理开发对于盐碱地改良利用具有十分重要的意义。一是通过种植耐盐植物, 在盐碱地区和滨海滩涂地区发展咸水(海水)灌溉农业[43]; 二是利用咸水的相态转换获取淡水资源, 实现咸水资源的高效利用, 如利用咸水结冰冻融咸淡水分离原理, 冬季采用咸水结冰灌溉方法, 可有效改良盐碱地[25,44-48]; 利用水汽转换淡化原理, 采用太阳能淡化咸水, 如咸水灌溉结合地膜覆盖, 利用覆盖自然凝结的淡水实现盐碱地改良[49-50]; 三是在干旱盐碱区可通过种植耐盐植物收集蒸散发的水汽获取淡水资源[51]。目前迫切需要加强咸水安全灌溉技术与长期灌溉的环境效应研究, 创新基于自然能利用的低成本咸水淡化利用技术, 实现盐碱地的节水改良。
3.3 盐碱地肥沃耕层构建高效改土
盐碱地改良的目的是创造适于作物生长的肥沃根区环境, 早在20世纪60、70年代, 著名的土壤学家陈恩凤教授[52-54]就提出了通过有机培肥构建“厚活土层”改良盐碱地; 20世纪90年代, 魏由庆等[55-57]通过秸秆还田和增施有机肥, 培育“淡化肥沃层”实现盐碱地的改良。但由于在当时历史条件下生产力水平低下, 机械化水平不高, 并且生产资料缺乏, 未得到大面积推广应用。随着社会发展, 现代技术装备大幅进步和生产资料极大丰富, 为盐碱地肥沃耕层构建高效改土创造了条件, 如采用现代机械装备构建秸秆隔层控盐[14,58-59]、采用专用机械垂直旋磨粉碎成垄的“粉垄技术”改善土壤结构降盐控盐[60-62]等都取得了良好效果。目前迫切需要研究明晰盐碱地肥沃耕层构建控盐的土壤肥力因子, 揭示盐碱地肥沃耕层构建水肥盐调控机制, 创立盐碱地肥沃耕层构建的技术体系和模式。通过上述机理与技术研发, 实现盐碱地低成本改良与利用。
3.4 盐碱地高品质农产品生产
渗透调节是植物适应盐渍环境的策略之一。在盐胁迫下, 植物通过吸收土壤中的无机离子如Na+、K+等和在细胞中合成有机物质如可溶性糖、有机酸、氨基酸等来降低细胞渗透势, 提高细胞吸水或保水能力, 抵御高盐环境导致的渗透胁迫。这些无机或有机物质对改善作物品质具有重要作用, 如适度的盐胁迫可以提高番茄(Solanum lycopersicum)果实可溶性固形物和维生素等的含量[63]、增加草莓(Fragaria × ananassa)可溶性糖的含量[64]、增加小麦(Triticum aestivum)籽粒中麦谷蛋白、氨基酸、Na+、K+等的含量[65], 在0.3%盐浓度下稻米的食味品质和蒸煮品质最优[66]等。目前, 在盐碱地区生产实际中, 已开始采用耐盐作物品种, 结合适宜的栽培管理措施生产高品质的农产品, 如盐碱地小麦、水稻(Oryza savtiva)、果蔬类作物等。目前迫切需要加强盐胁迫对作物品质产量调控机制与技术研究, 支撑盐碱地优质高值农产品产业与品牌建设。
3.5 盐碱地设施种养空间利用
盐碱地的改良受制于水资源和气候条件, 大部分盐碱地难以改造, 但随着现代技术装备进步, 其在空间利用方面的潜力巨大, 如发展设施种养业, 实现“占天不占地, 占地不用土”。以色列是水土资源极度匮乏、不适宜农业发展的国家, 但其依靠科技创新, 在沙漠地区通过滴灌、水肥一体化、咸水淡化、现代化设施种植等一系列现代农业技术, 建成了世界上高度发达的农业生产体系[67]。2022年中央1号文件[68]在“强化现代农业基础支撑”部分明确要求“加快发展设施农业, 因地制宜发展塑料大棚、日光温室、连栋温室等设施。集中建设育苗工厂化设施, 鼓励发展工厂化集约养殖、立体生态养殖等新型养殖设施。推动水肥一体化、饲喂自动化、环境控制智能化等设施装备技术研发应用。在保护生态环境基础上, 探索利用可开发的空闲地、废弃地发展设施农业”。目前迫切需要在盐碱地区, 发展集约化、高投入、高效益的设施种养业, 带动盐碱区现代农业发展, 增加农民收入。
3.6 盐碱地草牧业
在盐碱地区, 虽然甜土植物不能正常生长, 但有大量的耐盐和盐生植物可作为牧草资源[69-71]。人类利用耐盐和盐生植物作为牧草已有上千年的历史[69]。在盐碱地生长的耐盐和盐生牧草, 不但可消化干物质产量可观, 且在粗蛋白、可消化纤维含量也较高, 一些耐盐牧草富含硒、硫等物质, 对提高反刍动物肉类品质具有良好作用[69-70]。有研究表明, 在盐碱地牧场放养羊的瘦肉率和品质显著提高[72]。有些耐盐牧草, 如铺地狼尾草(Pennisetum clandestinum)含有抗甲烷产生的物质, 可减少动物甲烷排放[73]。近年来, 我国在耐盐牧草方面的研究不断推进, 为解决“草粮争地”矛盾, 中国科学院李振声院士提出了利用滨海盐碱地建设“滨海草带”的设想[74]。然而, 在盐碱环境下, 耐盐或盐生牧草的灰分、次生代谢物、非蛋白氮等的含量会增加, 影响动物的取食、消化乃至生长[69-71], 迫切需要加强耐盐牧草品种的选育、种植、加工、饲喂与肉类品质调控的理论与技术研究, 创立盐碱区草牧业品牌, 推动盐碱区草牧业的发展。
4. 结语与展望
总之, 新时代新征程, 随着社会经济发展和现代科学技术的进步, 盐碱地农业发展迎来新的机遇。面向国家粮食安全重大需求, 依据盐碱区资源禀赋, 坚持人与自然和谐共生理念, 转变盐碱地改造思路, 创新盐碱地资源高效利用的理论、技术和产业体系, 打造盐碱地“适盐用盐”农业发展新模式, 推动盐碱区生产生态生活协调, 一二三产业融合, 高质量绿色发展。未来, 在盐碱地资源高效利用方面应重点加强以下工作:
1)盐碱地资源系统化评估。结合第3次土壤普查, 围绕我国盐碱区土壤类型、气候、水资源、植物区系等资源, 开展系统调查, 定量化评估盐碱地资源高效利用潜力, 结合当前盐碱地资源高效利用最新进展, 提出分区分类改良与利用规划, 为我国盐碱地高效利用技术研发与应用提供依据。
2)创新盐碱地资源高效利用技术。依据盐碱区土地资源、水资源和植物资源特点, 重点筛选培育高耐盐经济盐生植物, 创新耐盐植物适生种植、土壤水肥盐微域平衡性调控、盐碱地节水改良、咸水资源高效利用等理论与技术, 创制盐碱地特色产品与技术装备, 构建与区域资源禀赋相适应的盐碱地高效利用技术模式。
3)培育发展盐碱地资源高效利用新业态, 推进盐碱地特色产业升级。依据盐碱区社会经济发展需求和盐碱地资源特征, 统筹山水林田湖草沙一体化保护与系统治理, 重点培育发展盐碱地经济盐生植物产业、高品质农产品生产、设施种养业、耐盐碱苗木产业、草牧业、碳汇农业等新的业态, 构建盐碱区粮经饲结合, 种养加一体的高效发展新模式, 促进盐碱区农业生态可持续发展。
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