土壤盐渍化的区域特点：土壤盐渍化指标

导 读 土壤盐度是影响农业生产和环境质量的重要土壤性质之一。盐度指标是指土壤盐渍化的标志或特征。土壤盐度的常规化学指标包括电导率（EC）、总可溶性固体（TDS）和钠吸附比（SAR），而表层土壤中的盐晶体和着色是土壤盐度的物理指标。特征类植物常用于结合物理化学指标来确定土壤盐度。环境条件的变化可能影响生物指标的情况。因此，当以植物的耐盐范围作为土壤盐度的指标时，确定植物在相似环境条件下的耐盐性具有重要意义。本章讨论了土壤盐度的测量、土壤盐分对植物生长的潜在影响、可用的土壤盐度指标以及农业盐分管理。

盐在土壤中自然存在，许多盐元素是植物必需的营养素。土壤中最常见的可溶盐包括主要的阳离子：钠（Na ）、镁（Mg2 ）、钙（Ca2 ）、钾（K ）和阴离子：氯化物（Cl-）、硫酸盐（SO42-）、碳酸氢盐（HCO3-）和碳酸盐（CO32-）。当土壤中的可溶性盐离子含量上升到较高水平时，土壤被认为是盐渍土。土壤盐度的测量表明了土壤中的含盐量。

盐渍土主要分布在干旱或半干旱地区，全球约有7%的土地受到高盐度的影响。大部分土地盐渍化是由水和（或）土壤中的Na 、K 、Ca2 、Mg2 和Cl-含量较高引起的。盐渍化可由自然过程（即原生盐渍化）或人类活动（即次生盐渍化）引起。自然产生的盐分来自于矿物（如石灰和石膏）的风化和含盐地下水的长期连续排放（Miller and Donahue，1995）。除了矿物风化作用外，盐分还可以通过空气中的盐分沉积作用进入到土壤中。人类活动，比如灌溉，经常改变当地的水流模式。由于地下水含盐量的变化，以前非盐化土壤会逐渐变成盐渍化土壤。灌溉会向农业土壤中增加可溶盐，尤其在干旱和半干旱环境中，因为蒸发量高，同时水分不足，无法从表层土壤和根区中淋洗出可溶盐。灌溉水质差、可溶盐含量升高以及土壤排水或渗透性差也可能导致盐分在表层土壤积累。当地下水含盐时，通过高蒸散后土壤中的毛管水运输以及盐沉淀作用，种植浅根作物的旱地地下水位也会上升，并将溶解的盐分带到根区或土壤表面。

土壤盐度可由土壤溶液的总可溶性固体（TDS）或电导率（EC）来测定。TDS可根据水蒸发后的残渣重量（mg/L）采用常规方法测定。也可以使用电磁感应仪（EM）或金属电极简便地测量EC；EC的测量单位通常用dS/m（十分之一西门子每米）表示。田间和实验室均可用于测量土壤盐度或EC（Hardie and Doyle，2012）。在田间，土壤盐度可以通过使用不同设备进行地理空间测量（ECa）来确定。ECa的田间测量通常需要通过进行实验室分析来校准实际含盐量。在实验室中，通常通过测定土壤浸提液蒸发后的总可溶性盐（TSS）来评估土壤盐度，或者通过土水比（W/V）为1:5或饱和泥浆的土壤饱和浸提液（ECe）来确定EC。用水浸提是模拟田间环境的常用方法。需要将EC值和所用的具体提取方法指出，并精确到0.01dS/m。土壤浸提量随土壤质地的变化而变化，在大多数田间条件下与土壤含水量有关。当使用电导率仪时，必须使用特定的校准方案来校准计量系统。例如，0.1 mol KCl的EC值在25℃时为12.9 dS/m。Corwin和Lesch (2013)指出，虽然测量土壤盐度的方法看起来相对简单，但是方法的差异对测量值和试验结果有很大的影响。当浸提液未立即进行土壤EC测定时，可使用0.1%六偏磷酸钠[(NaPO3)6]溶液防止CaCO3沉淀。TDS和EC值在土壤溶液中密切相关。利用传导系数(k)，可以使TDS转化为EC:

k值依据溶质的成分在550到900之间变化，富含氯化物的溶液中k值较高，而富含硫酸盐的溶液中k值较低。

旱地土壤盐分趋于局部化或形成“盐聚地区”。因此，不应采用混合土样进行田间土壤盐度的测定。在大多数土壤中盐分通常随深度增加而增加。因此，为了评估研究区域的土壤盐分，需要将受影响区域和控制区的土壤样本取至>0.5 m的深度。为了确定盐分的来源，需要用稀盐酸溶液检查土壤剖面中是否含有盐粒和碳酸盐。由于可溶性盐类比碳酸盐类的流动性更强，观测土壤剖面可以确定土壤水移动的最终方向。例如，排水不良和地下水排放区的水的最终上升运动可以由土壤表面或附近的最高浓度的盐和碳酸盐来表示。

土壤盐度根据EC值可分为以下几类:

不含盐：0~2 dS/m

微含盐：2~4 dS/m

轻含盐：4~8 dS/m

中等盐：8~15 dS/m

重度盐：>15 dS/m

土壤盐分可以用土壤钠化度表示，土壤钠化度一般用基于土壤阳离子交换量（CEC）的钠饱和度的交换性钠含量来表示。相对少量的钠盐就能对土壤结构产生负面影响，并形成钠质土，但不一定具有较高的EC。土壤钠化度通常用钠吸附比（SAR）来表示。SAR可根据土壤溶液或浸提液中的K 、Na 、Ca2 和Mg2 浓度计算得出，如下所示：

式中：Na 、Ca2 和Mg2 是土壤浸提液中钠、钙和镁离子的浓度（meq/L）。

土壤浸提液的SAR考虑到了钠的不利影响被钙和镁离子的存在所缓和(Zhang et al.，2005)。钠吸附比（SAR）和土壤pH值可以用来表征盐渍土。例如，当pH>8.6，EC>4或者SAR>13时，表示钠质土环境。如果钙钠比小于10，钠可能会引起土壤盐渍化问题。当SAR>15时，土壤物理结构和功能将受到负面影响，植物将难以从土壤中吸收水分和养分。土壤颗粒物中的钠将主要积累在土壤表层（van de Graaff and Patterson，2001）。

盐度（EC）与钠化度（SAR）的比值是测定盐（尤其是钠）对土壤影响的决定因素。它可以用来更好地预测处于不同盐和钠水平下对特定土壤的影响。例如，在EC相对较低但SAR较高的土壤中，渗透可能会严重减少。一般来说，土壤溶液中高浓度的钠对土壤理化性质的影响与土壤溶液中其他盐类的积累不同。此外，由于土壤中钙和某些碳酸盐含量较高，灌溉土壤环境中植物所测得的SAR将比灌溉水本身高10~25%，主要是由于钙的沉淀。考虑到沉淀造成的钙镁损失，通常参考灌溉水中的碳酸氢盐（HCO3-）水平来调整SAR值。高浓度的阴离子也可以通过影响交换性钠钙比来增加土壤盐分。当土壤水分降低时，水溶性碳酸氢钙Ca(HCO3)2还原成碳酸钙沉积物。因此，在以钙为主的土壤中，特别是在美国西部干旱和半干旱地区，增加钠与钙的比例可能会产生以钠为主的盐分。

在钠质土中，高Na 含量会显著改变土壤的一些重要理化性质，如土壤颗粒的分散性和土壤的透水性。土壤分散是与高钠浓度相关的主要物理过程（van de Graaff and Patterson，2001），因为使黏土颗粒结合在一起的吸引力可被高含量的钠离子破坏（Falstad，2000）。黏土颗粒的分散导致土壤孔隙堵塞。经过反复的干湿交替以及相关的分散，土壤转化并凝固成水泥状，很少或没有团聚体形成（Hansonet et al.，1999），这将显著降低土壤的渗透性、水力传导度，并导致表面结皮。所有这些结果都会对土壤质量和植物生长产生不利影响。例如，水泥状的土壤结构会阻碍土壤中水的流动和渗透。因此，植物能利用的水分将会变少，特别是在较深的深度，这将导致更多的地表径流和土壤侵蚀（Miller and Donahue，1995）。具有良好团聚体结构的土壤，特别是在干旱和半干旱地区，含有大量的土壤孔隙和许多裂隙。这些大孔隙允许相对快速的水流通过土壤（Miller and Donahue，1995）。当高浓度的钠影响土壤时，随后而来的团聚体结构损失会降低水力传导度（Levy et al.，1999）。随后的土壤膨胀和渍水常常导致厌氧条件。这也会降低有机质的分解速率，从而导致富有机质土壤的形成。

土壤表面结皮是干旱和半干旱地区公认的钠质化或钠质土壤的判别方法之一（Bauder and Brock，1992）。表面结皮的主要原因包括雨滴和灌溉水的影响造成的物理分散，以及与土壤ESP和灌溉水EC有关的化学分散（Hardy et al.，1983）。McIntyre（1958）发现，土壤结皮的组成物包括大约0.1毫米的上表皮和一层被冲刷的黏土颗粒。实际上，黏土颗粒在土壤中的分散和运动进一步增强了结皮。进入植物根区的土壤结皮会对幼苗的出苗和水分渗透产生负面影响（Barbour et al.，1998）。

高土壤盐度会通过降低植物的水分利用率，或高盐土壤条件下根区专性离子（如氯、钠或硼）毒害作用，而对作物生长造成不利影响。土壤中高水平可溶盐的存在限制了植物对周围土壤中水分的吸收（Bauder and Brock，2001）。盐渍化土壤颗粒具有较强的持水性，使植物根系无法利用土壤毛管水。由于高渗透力，植物需要额外的或更多的能量从盐渍土中提取水分（Bauder and Brock，2001）。因此，即使土壤含水量仍然较高，非耐盐植物也会表现出干旱症状（如萎蔫或落叶）。Ayers和Westcot（1976）指出，当土壤含水量为27%，土壤水分EC为30 dS/m时，植物将处于萎蔫点（渗透势约为-15巴）。随着灌溉后植物对水的吸收越来越困难，土壤溶液的盐分将增加。这一过程在具有高蒸散量（ET）的环境中变得尤为重要。当盐分在土壤中积累到一定程度时，植物的生理过程将受到不利影响，并造成相当大的破坏（Barbour et al.，1998）。如，Hadas（1965）报道，土壤中盐分的积累导致农业作物从小麦和大麦转变为只能种植大麦，直到土地被撂荒。因此，农业作物对高盐土壤需要有很好的耐受性。普通的传统一年生作物（如小麦和油菜）的盐度阈值一般是EC为4。

土壤盐分对植物生长或作物产量的影响也取决于土壤类型、气候、用水和灌溉因素。与砂土相比，黏土中会积累更多包括钠在内的盐，这是因为黏土固有的较低淋失率和较大裸露土壤表面。随着灌溉水盐分的增加，可利用水量随之减少。Ayers和Westcot（1976）报道，饲料玉米的产量在土壤水的EC从3增加到10dS/m时下降了50%，在土壤水的EC增加到16dS/m时绝产。先前的研究表明，不同的作物或品种在耐盐性方面存在显著差异（Barbour et al.，1998）。当钠取代钙时，植物组织中钠的高积累可能导致细胞膜损伤、蛋白质合成减少和激素活性改变，从而对水分和养分的吸收产生不利影响。叶片组织中高浓度的氯也可能导致叶片脱水。

盐基植物（或盐生植物）是生长在高盐度环境中的植物物种（Shabala，2013）。相对较少的植物种类是耐盐的盐生植物，但藜科植物占有优势（Flowers and Colmer ，2008）。盐生植物是天生的“爱盐”植物。最常见的盐生植物包括盐沼灯心草（Spartina alterniflora, S. gracilis）、盐草（Distichlis spicata）、盐碱灌木（Atriplex lentiformis）和泡菜（Salicornia bigelovii）（Lin et al.，2002；Bañuelos and Lin，2007）。可以使用原始海水灌溉来培育毕世草（S. bigelovii）（Ayars et al.，1993；Ayala and O'Leary ，1995）。耐盐物种具有适应高盐环境的特殊生理机制，如盐分排斥、植物体内盐分转运（如从敏感芽到老叶或根）、细胞渗透调节（如通过增加水分吸收而稀释）、细胞内盐分隔（例如，在细胞间的空间中积累）或盐排泄（例如，通过盐腺），使这些盐生植物能够应对土壤和水中的高盐浓度。以前的研究主要针对盐囊中的外部固存、液泡内部Na 固存、气孔孔径和密度以及木质部离子负荷过程。Shabala（2013）指出，盐生植物没有什么在其他作物物种中没有发现的独特性。相反，盐生植物所做的一切只是“稍微好一点”，并有一套高度互补和精心安排的机制来应对盐度胁迫。

土壤盐度指标是表明土壤正在受到盐分影响的一种迹象或征兆。土壤盐度的物理指标包括表层土壤中的盐晶体和着色（如浅灰色或白色）。光秃秃的一小块土地可能表明土壤中含有高浓度的盐，即会抑制植物生长，使土壤需要更长的时间才能干燥。由于这些迹象并不总是与土壤盐分有关，因此，指示类植物的使用通常结合物理和化学指标（即实验室/田间测量）来确定土壤盐分水平。理想情况下，盐分指示类植物应仅生长在盐渍化土壤中（Bui and Henderson，2003；McGhie and Ryan，2005），如海大麦草（Hordedeum Marinum）和带刺灯心草（Juncus Acutus）。然而，由于环境条件的变化，指示植物的选择也可能受到结果的影响。当利用耐受范围作为田间盐度条件的指示时，建议在类似环境条件下确定耐盐性。

不同的植物种类因耐盐性的不同而差异很大。随着土壤盐分的增加，盐敏感物种从该地区消失，更占主导地位的植被是耐盐物种（Onkware，2000）。大多数耐盐植物并不依赖于盐来生存，但通常只在含盐的环境中发现。例如，盐角菊和紫菀在20 mS/cm的盐渍土中生长良好（Piernik，2003）。这有部分原因是，在非盐或低盐环境中，盐敏感物种在水分和营养方面通常比耐盐物种更具竞争力。根据土壤ECe测量，可将作物分为以下耐盐类别之一：

盐敏感类：1.0~1.8 dS/m

中度敏感类：1.5~2.8 dS/m

中度耐盐类：4.0~6.3 dS/m

耐盐类：6.8~10 dS/m

在加州中部的圣华金河谷，排水EC超过6.5dS/m的灌溉将超过大多数耐盐农作物的限制（Jacobsen and Basinal，2004）。

在植物整株、组织或细胞水平上对盐分有不同反应的植物物种可以作为土壤盐分的有效生物指标（Ewinget et al.，1995）。随着土壤盐分的增加，鹿角车前草（Plantago coronopus）的叶子会变红。然而，目前还没有开发出有效的土壤盐分生物指标或生物标志物（Ashraf and Harris，2004）。尽管发表了大量关于植物耐盐性的研究，但人们对盐胁迫损伤植物的代谢位点和植物在盐环境下生存的适应机制尚没有很好的理解。Tejera等（2006）研究了几种营养和生理指标（如氮固定和幼苗钾钠比）在耐盐鹰嘴豆植株（Cicer arietinum L.）的选择中的效果。此外，由于NaCl是大多数盐渍土中的主要盐分形式，植物体内高钠积累会限制其他矿物养分的吸收（Greenway and Munns，1980），包括Ca和K，从而导致Na/K拮抗作用（Benlloch et al.，1994）。

不同土壤盐分水平的田间指标如表20.1所示。Metternicht和Zinck（2003）指出，由于各种传感器（如航空照片、卫星和机载多光谱传感器）的应用，遥感技术已应用于盐渍化土地的遥感表征、监测和制图。（Fernández-Buces et al.，2006；Leone et al.，2007）。遥感应用的主要限制因素可能与盐类的光谱表现、盐分的时间变化和植被的干扰有关(Dehaan and Taylor，2002)。

未来的研究需要侧重于开发土壤盐分指数，该指数包含土壤的物理、化学和生物特性，并且由于它们对管理引起的变化敏感、易于测量、跨地点或随时间变化的相关性、成本低，以及与所需值的测量密切相关等优势而最容易被采用。

此表改自马尼托巴省农业、粮食和农村发展的土壤盐度变化表。

盐渍化是一个重要的土地退化问题。通过过量的灌溉水从土壤中淋洗出可溶性盐可以降低土壤盐分。土壤盐分控制包括地下水位控制和地面冲洗以及暗沟排水。从一个季节到下一个季节，土壤盐分可能难以被注意到。在湿润的年份，盐分有充分的淋洗和溶解，土壤盐分对作物生长没有显著影响；但在干旱的年份，增加的蒸发可能会将盐分吸引到土壤表面，显示出白色的盐壳。足够强烈或持久的降水可能会冲洗掉土壤最上层的盐分。适当的灌溉管理可以通过提供足够的排水从土壤中淋洗掉多余的盐来防止盐的积累。在加利福尼亚中部的圣华金河谷，使用农田排水一体化管理（IFDM）的概念来管理盐渍化农业排水（Lin et al.，2002；Bañuelos and Lin，2007）。例如，IFDM系统包括：（1）195公顷盐敏感作物，如莴苣（Lactuca sativa）和番茄（Lycopersicon esculentum）；（2）52公顷耐盐作物，包括棉花（Gossypium hirsutum）、苜蓿（Medicago sativa）、油菜（Brassica napus）、向日葵（Helianthus anuus）和红花（Carthamus tinctorius）；（3）5公顷耐盐桉树（eucalyptusspp）以及（4）2公顷盐生植物，包括酸菜（Salicornia bigelovii Torr）、盐草（Distichlis spicata L）、盐碱灌木（Atriplex lentiformis L）；（5）0.73公顷的衬砌太阳能蒸发池。（3）到（5）的组成部分面积很小，用于接收农田耐盐作物（即第（2）部分）灌溉产生的污水。在排水回用过程中，由于蒸散作用，排水量减少，但通过IFDM系统，水体盐度（EC）由0.7增加到15.1dS/m。

在田间条件下，不同植物种类的植物组织吸收和积累盐分能力不同(表20.2)。盐生植物可用于盐渍化土地的植物管理，因为一些盐生植物能从盐水和土壤中积累大量的盐和Na （Bañuelos and Lin，2007）。例如，生长在盐渍化土壤中的滨藜属植物每公斤叶灰可以积累390克盐（Malcolm et al.，1988）。Qadir等（2007）报告说，生长在石灰性盐化-钠质土（约20dS/m）上的卡拉草（Leptochloa fusca）中含盐量为40~80g/kg。考虑到每年的牧草产量为25000 kg/ha，估计种植牧草所需的灌溉水量为104 m3/ha。如果灌溉水的含盐量为1.5dS/m（灌溉水中的标准盐浓度），则灌溉水中的盐量相当于9600 kg/ha，而在地上部去除的盐量为1000~2000 kg/ha。在盐化-钠质土地植物管理中，不同植物种类的利用效率差异很大，盐化-钠质土地植物管理主要发生在根区，而根深因植物种类不同而异。那些具有直根系统的物种，例如在土壤中根系深度为1.2 m的苜蓿，通常具有优势（Ilyas et al.，1993）。Bañuelos等（2010）对杂交杨树的不同克隆种的耐盐性和耐硼性进行了评价。在被测杨树克隆种中，亲本trichocarpa x nigra和deltoides x nigra克隆种表现出最大的耐盐性和耐硼性、盐累积和生物量生产力。在另一项田间研究中，Smesrudet等（2012）指出杨树也可用于实际盐渍化土地的管理。在含盐量适中的土壤上进行盐分植物管理是非常有效的。植物可以从盐渍化土壤中直接提取盐，并在植物组织中积累盐分。植物根系还具有提高根际方解石溶解速率的能力，从而提高土壤溶液中Ca2 的含量，有效地取代阳离子交换复合体上的Na 。

结论

电导率（EC）是从土壤浸提液中测定可溶盐的一种方法，一般来说，当EC高于2~3dS/m时，土壤盐分会根据土壤类型和植物种类在不同的水平上降低或阻止植物生长。在处理灌溉水对土壤盐度和钠化度的适宜性时，需要考虑许多其他环境因素。EC和SAR之间的基本关系将作为一个重要的基线，通过改变土壤质地、黏土类型、淋洗分数和降雨量等，以便更好地了解植物将如何受到盐（特别是钠）的影响。盐分对土壤质量的环境影响有可能对农业生产和当地社会都是毁灭性的。因此，理解盐分和钠对土壤生态系统的影响，规避盐分对环境的潜在危害，将成为未来研究的重要环境挑战之一。