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【中国自然资源报】奋进新征程 建功新时代·非凡十年
科技赋能松嫩平原盐碱地综合治理

文章来源:东北地理与农业生态研究所    |    发布时间:2022-08-04    |    【放大】 【缩小】  |  【打印】 【关闭

  第三次全国国土调查显示,我国耕地总面积19.18亿亩,耕地保护的形势依然严峻,绝不能掉以轻心,必须采取有针对性的措施加以改进。我国现有可利用盐碱地(现代盐渍土)5.54亿亩,作为重要的耕地后备资源,盐碱地合理开发利用对于我国乃至全球的粮食安全都具有重要意义。

  2021年10月,习近平总书记在山东东营考察调研时强调,18亿亩耕地红线要守住,5亿亩盐碱地也要充分开发利用。我国的盐碱地空间分布,主要包括东部滨海盐碱地、西北内陆盐碱地和东北苏打盐碱地三大区域。松嫩平原是我国盐碱地主要分布区域之一,水土资源匹配较好,盐碱地面积大且集中连片。科学开发利用好松嫩平原盐碱地,可有效激发东北地区粮食增产潜能,支撑我国粮食安全和区域生态安全。

  7月21日至23日,第二届黑土地保护利用国际论坛暨梨树黑土地论坛在吉林省举行。在盐碱地改良利用分论坛上,多位专家围绕松嫩平原盐碱地综合治理技术、自然生态重塑、智慧生态良田开发等实践经验和成功模式进行交流。如何通过科技赋能,探索求证东北盐碱地综合治理的最优解,专家们结合理论探究和实践经验给出了对症良方。

  多维统筹,推进盐碱地生态系统治理

  □ 鞠正山

  东北是我国典型的苏打盐碱地分布区,也是全球三大苏打盐碱地之一,其针对盐碱地的研究治理具有特殊重要的意义。

  吉林西部苏打盐碱地主要分布在松嫩平原,由于大、小兴安岭和长白山包围的地堑式低洼盆地和冷、湿气候等特殊的地理环境条件,形成了特殊的盐碱地类型。松嫩平原随着海拔由高到低,形成了棕色森林土—黑土—草甸土(草甸碱土)—盐碱土—沼泽土(湿地)生态链结构,盐碱地是该生态结构重要的组成部分,发挥着区域盐分地球化学循环过程中汇聚地的作用,是黑土—草甸植被到沼泽湿地的重要过渡生态类型,具有特殊重要的生态位。另一方面,土地盐碱化也是吉林西部土地退化的重要表现形式之一,苏打盐碱地土壤呈现pH高、质地黏重、土壤颗粒分散无结构的土壤特性,改良难度相对较大。

  吉林西部苏打盐碱地的开发利用,集土、水、生态问题于一身,随着开发规模不同,具有不同的尺度效应。盐碱地小规模的开发利用,是技术问题;区域规模的开发利用,更多是资源保障问题;进一步扩大到流域规模的开发利用,则涉及更高层次的生态协调问题。东北苏打盐碱地的开发利用从可持续性角度分析面临三大挑战:技术支撑方面,苏打盐碱地土壤碱化度高、治理难,对技术支撑依赖度高;资源保障方面,盐碱地治理全靠流域调水,水资源的保障与综合利用是关键;生态协调方面,盐碱地的开发利用对湿地等区域生态的影响不容忽视。

  基于此,吉林西部盐碱地治理应从单纯的水盐调控与改良利用发展方向,转向生态系统治理。在技术层面,推行“以地适种”和“以种适地”两个技术途径相结合的技术路径。“以地适种”,是以降盐控盐排盐为核心的工程治理技术途径;“以种适地”,是以生物治理技术为核心包括耐盐品种选育技术在内的生态治理途径。从资源保障层面,作为半湿润半干旱的农牧交错带,松嫩平原大规模区域调水仅用于盐碱地改良和粮食生产,效率太低,应充分考虑稻田灌溉回水在退化草地和沙化土地防治方面的综合利用,润泽整个生态系统。水的问题是核心,用好了是一笔宝贵的生态资产,用不好就会形成生态风险。生态融合方面,松嫩平原湿地广布,是国际和国内重要的湿地保护区,大规模的盐碱地开发利用对湿地的影响风险不容忽视。

  综上,吉林西部盐碱地开发利用,应遵循习近平生态文明思想指导下的盐碱地开发治理科学逻辑,多维度统筹考虑。强化对水资源的开发利用,尤其要解决好大规模稻田回水的管理与综合利用问题,考虑灌溉回水支持沙化和草地退化治理的技术路径及可行性。遵循山水林田湖草沙生命共同体理念,尊重自然规律,科学提出区域综合治理、系统修复方案,明确盐碱地开发利用的规模、空间、方式、时序、生态负面影响的防治措施。

  要注意的是,盐碱地开发利用是一个可逆过程。开发治理后应持续加强后续维护管理和必要的资金保障,坚持不懈加大科技支撑力度,开展对盐碱地改良利用和生态影响效应的持续跟踪监测。

  (作者单位:自然资源部国土整治中心) 解密盐碱地自然生态重塑关键技术

  □ 康跃虎

  盐分离子由地球化学过程尤其岩石风化等过程产生,盐分离子迁移和土壤盐碱化过程,是地球表层的一个物质循环过程。盐碱地是地球表层的重要土地类型,盐碱地生态系统是地球表层的生态系统类型之一。

  “盐随水来,盐随水去。”通过传统方法治理开发盐碱地,遇到不少挑战。如用水量大,导致水资源损耗;建设传统的排水系统难度大,往往需要强排,投资高;相当一部分重度盐碱地质地黏重、土壤钠吸附比高,水分饱和后土壤颗粒膨胀或分散,孔隙结构破坏甚至关闭,入渗系数变得很小甚至接近或为“零”,无法采用传统方法进行盐分淋洗;排出大量的盐分,需要协调解决盐与周边生态环境的关系。

  我们在研究实践中发现,应用微灌技术,小流量、长时间、高频率微灌,能维持良好的土壤水分状况。其优点是土壤水分非饱和运动,不影响土壤结构,不需要平地,实现盐分淋洗;维持高的土壤总水势,有利于根系吸水,且不影响通气状况;土壤基质势控制,调控水盐运动,抑制盐分上移;水肥一体化,解决营养元素不足问题。

  在微灌水盐调控盐碱地农业与植被建设理论与技术基础上,我们开展了松嫩平原盐碱地自然生态重塑关键技术实践。

  ——苏打盐碱化草原顶级群落(羊草群落)恢复技术。苏打盐渍土土壤钠吸附比很高,水分饱和后土壤颗粒膨胀,不透水不透气,自然条件下羊草等植物的种子不能萌发出苗,采用通常生态学的方法改良需要数十年,即便客土造林,成活率也很低,树木长不大。2008年至2011年,团队在中科院大安碱地试验站,发现以保证土壤湿润范围重叠且地表不产生明显积水为条件,确定滴灌灌水器间距和滴头流量,平作、低垄、高垄三种情况均可形成一个以滴头为中心的低盐区,直播羊草种子萌发出苗,从而破解了难题。直播羊草的高度、密度、盖度均增加迅速,只滴灌水盐调控2年,第3年不用灌水,第4年羊草的高度、密度进一步增加,盖度可达到80%,接近天然群落水平。

  ——松嫩平原重度苏打盐碱地农业技术。2021年团队与北京中向利丰科技有限公司共同在大安全域整治区,开展了重度苏打盐碱地“滴灌﹢垄作﹢覆盖”碱土农业技术试验示范。设计安装精准水盐调控水肥一体化滴灌系统,科学设置灌水器流量和间距、灌水均匀度、高峰期耗水量、过滤系统、控制系统等装置。铺设滴灌带,“旋耕﹢起垄﹢铺设滴灌带﹢覆膜﹢播种”一体化作业,垄高10公分,垄肩宽40公分,垄间距80公分。在特征点埋设负压计监测土壤基质势,设定每个阶段的土壤基质势阈值;进行土壤盐分监测,为水盐调控提供科学依据。水肥一体化技术及时补充植物生长所需的营养元素,配合除草、病虫害防治等田间管理,在重度盐碱地玉米实测产量为932.4公斤每亩。

  (作者单位:中国科学院地理科学与资源研究所) 智能生态良田建设的大安实践

  □ 张超

  大安市地处松嫩平原腹地,地势低洼平坦,水库、泡子、河流、渠系密集。海坨乡位于大安市东南部地区,盐碱地面积占土地总面积27%,开发潜力大。依托自然资源部吉林大安盐碱地整治野外科学观测站,这里在盐碱土改良、适宜性水稻品种选育、生态良田大安模式等方面开展了探索和示范,打造出了智能生态良田,生产出了优质地理标识大米产品。

  地表基质调查剖面对比分析表明,海坨乡耕地和盐碱地1.2米土壤剖面略有差异,二者地质构造相近,盐碱地通过表层土改良,可以达到与耕地类似的土体构型等土壤特性。盐碱地资源开发思路,首先是以水定地,科学规划。水资源条件好、集中连片的地块,优先整治;水资源较差、零星分布的地块,规划中远期再整治。其次,因地制宜,精准施策。工程上,有效解决盐碱地化冻后和雨季到来时无法施工的难题;技术上,综合盐碱地治理技术,提高项目建设标准;加强后期管护,破解整治后跟踪监测难题。经过多年的积累,形成了研发、设计、施工和运营四位一体的盐碱地改良大安模式,建立了基地、科技、企业、品牌的生态产业化碱性稻米产业模式,2017年测产结果为亩产701.69公斤。

  我们针对盐碱荒地,从工程施工、脱盐碱材料研制和应用、配套农业技术和绿色管理方面进行了探索。综合改良方法,快速创建“淡化表层”,进而熟化土壤耕层;形成一套重塑土壤结构、垦造生态改良的技术,实现作物生长条件、土壤微生物群落和农田生态环境构建。其中,有四个关键技术维度:

  一是研发了物理方法、化学方法、农艺方法相结合的综合盐碱土改良技术。物理上客沙治盐碱,提高土壤通透性,起到阻隔蒸腾,切断盐分上升通道。化学方法上,研制应用了脱硫石膏、酸性磷石膏、高分子化学材料等改良剂。农艺方法主要包括耐盐碱品种,科学洗田、泡田、深松、精平等。针对重度苏打盐碱地,研究沙土和磷石膏物理化学同步法,减少洗盐次数,减少了用水量,缩短盐碱土改良年限,水稻产量稳步提高。

  二是科学选育适合大安的水稻新品种,如20H008号、中科佰澳系列品种,水稻产量超1000斤/亩,大米卖到20~40元/斤。

  三是针对盐碱地水稻种植,自主研发了农田管理系统。将计算机、物联网及大数据技术等引入盐碱地水稻全生育期管理。传统人工方法检测农田参量,劳动强度大,实时性、准确度不高,采用智能化传感器网络,可实时监测农田参量变化,实现智能水肥调控。随着地表温度的升高,蒸发量增大,盐碱从地下随毛管上升到耕作层,人工开关水闸很难精准控水,通过传感器自动监测、平台数据分析,远程调控灌排水肥。通过无人拖拉机,利用激光平地技术,实现了水稻田精平。探索了无人驾驶自动水稻插秧、无人机巡田、无人驾驶水稻收割机等作业方式。

  四是区域生态环境构建。实现了从注重项目区新增耕地面积的单一 开发整理模式,到整体保护、系统修复、综合治理模式转变。在盐碱地开发治理过程中,留足生态空间。农田周围设计护路林,地表腐殖层剥离再利用,增强了项目区的生态功能。坑塘水面周边种植芦苇等水生植物,形成生态沟(池)初级净化和自然泡沼再次净化,防止稻田排水对下游的污染。

  大安市通过生态良田建设,将昔日白茫茫的盐碱地,变成了今日绿油油的米粮川;从黑土独领风骚,到黑土、白土齐发领跑。开展吉林西部极其稀缺珍贵的盐碱地资源科学开发利用,有力支撑了吉林西部增产百亿斤粮食工程和吉林“千亿斤粮食”工程。

  (作者单位:中国农业大学土地科学与技术学院) “三良一体化”推进盐碱地高效整治

  □ 梁正伟

  中国科学院大安碱地生态试验站(以下简称“大安站”)位于东北松嫩平原西南部吉林省大安市红岗子乡境内,建于2003年,占地面积1500亩,试验研究东北盐碱地765万公顷。

  2019- 2020年,大安站先后进入农业农村部“国家农业科学观测实验站”序列和科技部“国家野外科学观测研究站”序列,2021年被正式命名为“吉林大安农田生态系统国家野外科学观测研究站”。目前,大安站是国内首家专门从事苏打盐碱化农田生态系统长期监测、研究、示范与服务的国家级野外台站。

  建站近20年来,大安站面向国家粮食安全与生态安全重大需求,系统开展了苏打盐碱地土壤、植被和地下水、气候等长期监测,盐碱地生态恢复与改良以及盐碱地农业高效综合利用研究。先后主持了国家973计划项目、国家重点研发项目和科技部基础调查专项等国家和省部级重要科研项目40余项。目前正在参与中科院“黑土粮仓”科技会战大安示范区项目。经近多年不懈努力,大安站创建了“良田﹢良种﹢良法”三良一体化盐碱地高效治理模式,包括3大技术模块,针对新垦重度盐碱地,采用酸性磷石膏等低本高效土壤调理剂,建立了以改土培肥为核心的良田技术模块;培育出“东稻”系列耐盐碱水稻品种,构建了以耐盐碱品种为核心的良种技术模块和以密植高产栽培技术为核心的良法技术模块。“三良”中,良田是基础、良种是关键、良法是手段,良法包括农机、农艺、农技等生产工具与种植技术,“三良一体化”系统施策、标本兼治,任一要件缺一不可。

  大安站科研团队20年如一日,以盐碱地治理与综合利用科技创新为己任,破解了重度苏打盐碱地高效利用的难题。在“以草治碱”和“以稻治碱”关键技术创新方面取得重大突破,先后于2010年和2015年荣获国家科学技术进步二等奖2项,获全国首届创新争先奖1项;获国家授权专利40余项;审定水稻新品种9个。先后被评为吉林省生态省建设先进集体、中国科学院先进集体、黄大年式科研团队以及全国工人先锋号,为我国东北盐碱地高效治理与综合利用科技创新作出了突出贡献。

  下一步,大安站将继续推进实施“黑土粮仓”科技会战,在松嫩平原西部大力推广“三良一体化”盐碱地高效治理与综合利用大安模式,加速实现盐碱地由低产变中产、中产变高产、高产再高产的治理目标,为吉林省“千亿斤粮食”工程提供强有力的科技支撑。

  (作者单位:中国科学院东北地理与农业生态研究所)


  清华团队“让领跑技术体系成功落地”

  □ 王淑娟

  清华大学盐碱地综合治理技术的研发源于1995年,经过15年左右的实验室研究、田间实验和示范,形成了成熟的技术体系。2010年,由清华大学牵头成立了华清农业开发有限公司,专门进行专利技术推广,以科研成果服务国家重大需求。截至目前,该项技术应用推广面积达136万亩。

  该技术以烟气脱硫石膏为主要改良材料。烟气脱硫石膏是一种工业副产物,目前年产量超过8000万吨。由于其粒径小、有毒有害成分少等优点,特别适合于改良盐碱土壤。改良机理主要是通过离子置换、盐类转化等过程,将盐碱土壤中有害的交换性钠代换出来,改善土壤的理化性质,提高土壤的通透性,使其适合于作物生长。

  烟气脱硫石膏对于盐碱土壤的改良是一种化学改良方法,在实际盐碱地改良实践中,与工程措施、物理措施、生物措施相结合,实现盐碱地区的生态修复。为了适应技术的产业化应用,我们建立了相应的各项土壤指标检测方法和盐碱地改良验收标准,形成了盐碱地综合治理的关键技术体系。实践表明,该技术改良效果稳定,而且具有长效性。一块旱地在改良17年后,改良土壤深度超过了60公分,土壤各项指标依然是当地良田的水平,明显优于未进行改良的对照区。大安示范基地的改良田各项土壤指标持续向好,改良深度在7年后就超过了40公分。

  目前,华清农业建立了基础配套、盐碱改良、地力提升、种植示范的四位一体的盐碱地治理全流程解决方案,打造了高效的产业化推广模式,已经应用于内蒙古、宁夏、新疆、山西、天津、吉林等13个省份。

  大安市四棵树乡建设村是清华大学在吉林开展盐碱地规模化改良的第一个地方,从2012年起,至今已有11个年头,总计改良面积155公顷。去年,我们在这里建立了野外观测站,这里也成为清华大学盐碱地治理技术综合展示的一个窗口。

  2017年,清华团队在叉干镇民乐村开展了盐碱地改良技术服务项目。用时66天完成1265公顷的改良,实现了当年改良当年种植,当年每公顷产量就超过9000公斤,村民、集体都获得了可观的经济收入,新增耕地1000多公顷,为脱贫攻坚作出了重要贡献。

  2018年,中央农村工作领导小组组织了针对叉干项目的专题调研并形成报告,报告指出:清华大学自主研发“利用脱硫石膏改良盐碱地技术”在吉林大安的治理实践,是让领跑技术体系成功落地、合理开发利用盐碱地资源,实现国家级贫困县项目区农民精准脱贫的成功案例。

  2019年,华清农业中标乾安县盐碱地改良社会资本项目,2020年10月被省自然资源厅推荐纳入国家全域土地综合整治试点。该项目分三期,一期108公顷已经完成,二期910公顷正在建设中,三期1000公顷也已经完成了设计工作,共将新增耕地指标2000公顷。

  清华团队探索搭建的“基地﹢科技﹢企业﹢品牌”的盐碱地碱性稻米产工销生态产业模式,为盐碱地区产业发展、农民致富提供了一条有效途径。未来还将继续通过省校合作、政企合作,积极参与吉林省百万亩盐碱地改良示范项目,为保障国家粮食安全、推动盐碱地区乡村振兴贡献力量。

  (作者单位:清华大学盐碱地区生态修复与固碳研究中心)