鲁西北黄泛区土壤障碍因子应对策略研究进展_董艳芳.pdf

鲁西北黄泛区土壤障碍因子应对策略研究进展董艳芳，周晓琳，李洪杰，王玉霞，杜梦扬，李子双（德州市农业科学研究院，山东德州）摘要 鲁西北黄泛区农田面临着盐碱、干旱和涝渍 种常见的土壤障碍因子，综述了 种土壤障碍因子对土壤性质和植物生长的危害，从植物生理和技术措施两个层面阐述了 种土壤障碍因子的应对策略研究进展，分析了土壤障碍因子应对研究中存在的问题，对鲁西北黄泛区农田土壤未来合理高效利用的研究方向进行了展望，以期为鲁西北黄泛区农田土壤的合理高效利用提供理论参考。关键词 鲁西北黄泛区；土壤障碍因子；盐碱；干旱；涝渍中图分类号 文献标识码 文章编号（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，；基金项目 国家重点研发计划项目（）；山东省重大科技创新工程项目（）；山东省重点研发计划项目（）；山东省农业重大应用技术创新项目“山东省冬小麦种肥混播技术模式集成创新与示范”；德州市市级研发计划项目“德州农田土壤改良机理与新技术研究”；德州市市级研发计划项目“德州地区绿肥应用模式及利用技术研究与示范”。作者简介 董艳芳（），女，山东茌平人，农艺师，从事土壤研究。通信作者，正高级农艺师，从事土壤与植物营养学研究。收稿日期 鲁西北黄泛区属于黄泛冲积平原的一部分，是山东省内潮土的主要分布区，地表坦荡，土层深厚，光、热、水充足，粮食作物增产潜力巨大。该区地貌主要因黄河多次迁徙、泛滥而形成。盐碱、干旱和涝渍是鲁西北黄泛区农田所面临的常见土壤障碍因子。鲁西北黄泛区需积极有效应对农田土壤障碍因子，才能真正确保鲁西北农业的可持续发展。该研究综述了盐碱、干旱和涝渍 种土壤障碍因子的危害，从作物生理和技术措施 个层面阐述了应对 种土壤障碍因子的研究进展，分析了土壤障碍因子应对研究中存在的问题，对鲁西北黄泛区农田土壤未来合理利用的研究方向进行了展望，以期为鲁西北黄泛区农田土壤的合理高效利用提供理论依据和参考。种土壤障碍因子的危害鲁西北黄泛区最主要的地貌类型是缓坡平地、河滩高地和浅滩洼地，面积占比见图。其中，缓坡平地地势平缓，排水不畅，地下水埋藏浅，盐度高，土壤属钙质潮土，易盐渍化；河滩高地地形部位相对较高，由黄河干流洪水冲积而成，土壤质地较轻，地下水埋藏较深，易受干旱威胁；浅滩洼地由黄河泛滥时主河道以外的静水沉积而形成，地势低于周边，易积水，易受内涝威胁。盐碱的危害 盐碱地通气透水性差，易积水，土壤质地黏重，会抑制土壤微生物的活性，导致土壤养分分解缓慢，从图 鲁西北黄泛区各地貌类型面积占比 而使土壤养分供应不足，盐碱危害示意见图。土壤盐碱化会阻碍地表土壤温度升高，降低土壤酶活性和好氧微生物活性，降低土壤有机质含量和土壤肥力，增加土壤容重，加剧表层土壤盐分的积累，影响植物的正常生长。土壤盐碱化会破坏植物组织，影响气孔收缩和养分吸收。盐碱化土壤溶液中含有大量可溶性盐分，使渗透压升高，导致植物根系难以吸收水分和养分，抑制植物生长并对植物产生毒性作用，从而引起植物生理干旱，同时，盐碱化会导致植物体内活性氧的积累，从而损害甚至杀死植物细胞。在盐碱地中生长的植物往往会因缺钙离子和钾离子而产生营养胁迫，会造成植物营养失调，表现为抑制植物组织和器官的生长。干旱的危害 干旱导致土壤水分严重不足，威胁土壤微生物的生长，使土壤微生物数量急剧减少，导致土壤各种生化活动减弱，干旱危害示意见图。研究表明，干旱可以通过影响土壤温度、气体交换和微生物的养分输送来影响微生物种群的活动和分布，导致土壤微生物碳减少。干旱安徽农业科学，（）：会促使植物发生一系列生理生化反应来适应环境，影响农艺性状的正常形成。干旱会降低光合效率、叶片光合速率和蒸腾速率，降低叶面积指数，最终降低生态系统的总初级生产力。在干旱条件下，植物细胞内产生活性氧，与生物大分子反应生成具有强氧化性的膜质过氧化物和各种小分子降解物，导致膜过氧化，破坏膜的完整性，降低保护膜的活性。研究表明，干旱在一定程度上抑制小麦种子萌发和幼苗生长，苗期干旱显著影响小麦器官生长，从而影响小麦产量；干旱可抑制苗期植物和根系的生长，降低株高，减少叶面积，降低植物生物量，增加根冠比。图 盐碱危害示意 图 干旱危害示意 涝渍的危害 涝渍地湿黏土壤持水能力强，释水力弱，导水能力差，土壤与外界的气体交换受阻时植物呼出二氧化碳，空气中的氧气只能通过分子在土壤中扩散的形式在土壤中扩散，这是由于氧气在土壤中的分子态扩散速率极 安徽农业科学 年慢，限制对氧的需求，根区土壤呈强还原性，土壤有机质分解消耗溶解氧，产生大量毒害植物根系的有毒物质，影响根系生长，阻碍根系养分运输吸收利用，严重时产量低下甚至停产，涝渍危害示意见图。涝渍会导致作物营养失调，品质和产量下降；延缓叶片生长速度，使叶片失绿、萎蔫、老化等；影响作物干物质的积累，降低穗粒数、千粒重，继而影响产量，此外，涝渍还显著降低谷物中与淀粉和蛋白质合成相关的关键酶的活性，影响各成分的含量，从而影响谷物品质。种土壤障碍因子的应对策略研究进展 盐碱的应对策略研究进展 目前，植物耐盐碱的研究主要集中在种子萌发、幼苗生长、生理生化等方面，通过加入外源物质、与真菌的协同效应、利用生物技术手段、培育耐盐碱品种等方式，可以提高植物的耐盐碱能力。在低浓度盐溶液条件下，紫花苜蓿种子的发芽特性优于蒸馏水。苜蓿种子在高盐浓度下能够发芽，在低盐浓度下获得较高的发芽率。外源硅诱抗可以提高在碱胁迫下紫花苜蓿抗氧化、渗透调节以及离子平衡调控能力，进而提高碱胁迫下紫花苜蓿的耐碱性。野生大豆 腺苷蛋氨酸合成酶基因的过表达通过增加抗氧化酶和羟基氧化酶的活性及相关基因的表达来提高转基因水稻的耐盐碱性。在盐胁迫情况下，绒毛白蜡植株通过增加脯氨酸含量提高过氧化物酶的活性来保护植物免受伤害，以提高耐盐碱性。在盐碱胁迫下，增加钙离子含量可以提高水稻、小麦、番茄的耐盐碱能力。叶面喷施亚精胺会明显促进番茄生长，提高其耐盐碱性。在小麦上接种内生菌可提高植物的耐盐碱性。过表达 在番茄中可以促进多胺的积累，提高过氧化氢酶的活性，减缓细胞的氧化损伤，增强其耐盐碱能力。发芽前用不同梯度的盐水溶液浸泡种子，种子吸水膨胀后，可提高植物的耐盐碱能力。图 涝渍危害示意 盐碱地改良主要通过工程措施、农艺措施、化学措施、生物措施。工程措施包括水利工程措施和土地整治工程措施，其中，水利工程措施主要有灌溉洗盐、排水脱盐、节水控盐和改排为蓄。陕西卤泊滩盐碱地治理工程坚持因地制宜，探索了“改排水为蓄、水地共生、和谐生态”的治理模式。土地整治工程措施主要有平整土地、客土改良、铺沙压碱。宫秀杰等采用“土层置换秸秆阻断”的方法，显著降低了松嫩平原北部盐碱地土壤耕层的盐分。农艺措施主要有耕作、覆盖及培肥。研究表明，地膜覆盖种植油葵结合沙封种植孔，可促进盐碱地油葵生长。乐陵盐碱地高粱田试验研究表明，垄沟深松、耕深松能促进作物根系发育，显著提高作物产量，。化学措施主要在土壤里施入改良剂来改善土壤理化性质和土壤团聚体结构。高肥力结合土壤改良剂和高肥结合有机肥的施肥模式可以显著降低土壤盐分含量，促进土壤养分积累，显著提高小麦和玉米的产量。在沿海盐碱土壤中添加生物炭和 可降低盐分含量并改善土壤质量，改善植物养分吸收刺激植物生长。在沿海盐碱地作物栽培中，施用造纸干粉和糠醛渣可缓解盐碱胁迫，提高土壤微生物代谢活性，。生物措施主要是植物改良措施和微生物改良措施，其中，植物改良措施主要包括种植耐盐植物和种植绿肥植物，。研究表明，耐盐植物显著降低土壤容重和地表土壤盐分，增加土壤微生物量。从美国引进的多年生阿尔冈金苜蓿在西哈茂草原大面积种植，改善了土壤理化性质，增强了保水保肥能力，。微生物改良措施包括利用微生物提高植物的耐盐性和施用微生物肥料。麦秆和纤维素分解真菌同时接种麦秆可提高豆科植物在盐环境中的固氮能力，增强抗盐性，。在盐碱地施用生物菌肥可促进可溶性蛋白质的增加，降低叶片中脯氨酸的含量，增加土壤养分，提高作物的耐盐碱性。干旱的应对策略研究进展 干旱条件下，作物会形成一系列应对干旱胁迫的反应和抵御干旱的机制。近年来，作物抗旱性的研究主要集中在作物种子的发芽特征、形态特 卷 期 董艳芳等 鲁西北黄泛区土壤障碍因子应对策略研究进展征、生理生化等方面。适度的干旱促进藜麦种子中游离氨基酸含量的增加，促进过氧化物酶活性提高，促进种子萌发。干旱胁迫下，藜麦叶片蒸腾减少，叶片保持较好的水势，形成较低的渗透势，提高水分利用效率，增强抗旱性，。在干旱条件下，根系会增加土壤中的体积和根长密度，从而改善土壤水分供应。在一定的干旱胁迫下，植物细胞可以通过合成更多的可溶性蛋白质和可溶性糖来提高渗透势，促进根系对水分的吸收，适应干旱。在干旱胁迫下，脱落酸在根部积累并通过木质部运输到枝条保卫细胞，调节气孔开放和叶片生长。对甜菜抗旱生理生化及分子机制进行系统研究发现，干旱胁迫下增加脯氨酸和甜菜碱含量可提高甜菜抗旱性。为了提高应对干旱灾害的能力，减少干旱对农业生产带来的损失，学者们进行了大量研究，提出了一系列因地制宜的防旱抗旱措施。玉米栽培实践中，采取秸秆覆盖、深耕深翻、推广应用节水灌溉技术等抗旱措施。对茶园茶树通过浅耕除草，盖遮阳网、盖膜，培土铺草覆盖的方式抗旱。豫北麦区抗旱措施有对干旱灾害预测预警、培育耐高温抗热害高光效的新品种、深耕打破犁底层、采用农家肥与化肥结合、科学灌溉等抗旱措施。苹果果园抗旱管理措施主要有覆膜、覆草、覆沙等覆盖措施，全园生草，穴贮肥水，节水灌溉等。我国南方干旱应对策略主要有在旱灾高危地区实施人工天气和开发空气水资源，在脆弱地区实施生态环境改造，保障粮食安全与实施策略降低农业风险，合理利用水资源等。涝渍的应对策略研究进展 涝渍条件下，植物积极适应和抵抗涝渍的环境。植物在淹水条件下形成不定根，降低氧扩散阻力，增加吸氧面积。大豆淹茎基部逐渐增厚产生不定根，不定根和主根的皮层均形成通气组织。一些水稻植株在淹水过程中通过节间伸长、叶片伸长和叶鞘伸长获得氧气。在涝渍胁迫下，植物体内诱导合成了一些新的蛋白质和酶。花生根部在涝渍胁迫下表现出一定的增粗现象，这与发育良好的通气组织的形成有关。水涝胁迫下，菊花谷胱甘肽含量随胁迫程度的加深而升高。耐涝性高的大麦品种不定根切片中存在大量通气组织，促进了氧气向根系的运动，提高了作物的耐涝性。通过基因工程技术将甘露醇、脯氨酸、果聚糖等渗透保护物质生物合成的关键酶基因引入植物中，使其过表达，可在一定程度上提高植物的抗涝性。黄瓜淹水后，游离脯氨酸在植物体内迅速积累，清除羟基自由基，降低细胞渗透势，减轻淹水对植物的伤害。通过基因改造将一些耐涝基因引入植物中，可获得抗涝材料。涝渍地管理的原则是及时排出田间多余的水分，控制地下水位，为作物提供适宜生长的水土环境。涝渍地的管理方式包括明渠排水、暗管排水、联合排水和控制排水。其中，明渠排水加快了农田水分的运动。暗管排水可降低地下水位和土壤含水量，提高土壤温度，降低土壤容重，提高总空隙度，提高渗透系数，改善土壤理化性质。农田控制排水具有节水、提高农业水肥利用效率、提高雨水利用率、减少农业污染物排放的综合作用。涝渍地治理的最终目标是提高涝渍地的综合利用效益。涝渍地具有巨大的生产潜力，可用于农业种植和水上种植及多种经营的开发。采用棉花秸秆还田技术改良涝地，对提高土壤有机质含量、土壤肥力、土地自然生产力，增加土壤速效养分含量，减少化肥消耗及降低农业生产成本具有积极作用。研究中存在的问题近年来，国内外在应对 种土壤障碍因子方面进行了很多有益探索，提供了大量可靠的数据和理论支持，但也存在一定的局限。（）对盐碱条件下的植物生理层面的研究存在着模糊盐化条件和碱化条件的现象，虽然盐化与碱化经常同时发生，相互影响，但是在研究中需明确主导影响因子，才能确保研究的科学性。此外，植物生理层面的研究缺少对植物生命全过程的关注，仅仅集中在种子萌发、幼苗生长等方面，缺少对植物不同生长时期不同部位的研究及分子机制方面更深层次的研究。在盐碱地的改良措施中，工程措施投资高且易带来次生盐渍化现象，农艺措施作用时间短，化学措施容易带来二次污染，生物措施周期相对较长。目前各地对盐碱地进行统筹规划的重视程