钠质土和盐化-钠质土植物修复原理、技术与现代盐生农业（中）
导 读
钠质土和盐化-钠质土是两种重要的盐渍土类型，在75个国家的均有分布，是一种重要的土地资源。本章在深入分析钠质土、盐化-钠质土的退化过程的基础上，系统探究了在土壤-根系界面下区PCO2对钠离子替代过程，强调了钠质土、盐化-钠质土的改良一定要与根区的适度排水相结合才可能达到改良的持久效果，且单依靠盐生植物的地上部分的收获不足以对完成对盐碱地改良。在展望部分重点指出：参与性方法办法将确保当地居民的意见和想法得到考虑，并可能在农业社区成员中产生主人翁意识；使用钠质土应被视为一个从自给自足的农业向稳定发展的和创收性农业的转变机会；以社区为基础的钠质土管理将有助于加强研究人员、农业顾问和农民之间的联系，进而推动植物修复在改良钠质土以促进可持续农业和保护环境质量。限于篇幅，编译者对图表进行了删节，仅保留了重要图表。
编译者: 中国科学院烟台海岸带研究所海岸带 土壤和沉积物环境风险与生态修复研究组：陈小兵、曹丹、咸敬甜、冯红宇、李连祯、李远 等；山东农业大学：陈为峰；中国科学技术大学苏州研究院功能农业重点实验室：尹雪斌；鲁东大学现代农业高质量发展产教融合东营基地：潘英华、赵英。
联系人: xbchen@yic.ac.cn
原文及出处：Phytoremediation of Sodic and Saline-Sodic Soils，https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S006521130796006X
延伸阅读：《土壤学与生活》第10章干旱区土壤：碱度、盐度和钠化度；soil chemistry , Wiley-Blackwell; 5th edition (January 28, 2020)
4钠质土和盐化-钠质土的植物修复
通过提供随时可用的Ca2+源来替代阳离子交换复合体上过量的Na+，可以改良钠质土和盐化-钠质土。被置换出的Na+通过过量的灌溉水从根区淋洗出来，因此需要足够的水和通过土壤剖面的畅通水流，以及提供自然或人工排水系统（Gupta and Abrol，1990；Oster et al.，1999；Rhoades and Loveday，1990），排水系统在以可持续的方式管理排水方面起着重要作用。
考虑到钠质土改良是通过提供钙源来实现的，大多数钠质土和盐化-钠质土在土壤剖面的不同深度都含有钙源，即方解石（CaCO3）。方解石可能是母质的一种成分，或通过沉淀在土壤颗粒和孔隙中原位形成，从而导致颗粒胶结。然而，由于方解石的溶解度可忽略不计（0.14 mmol l-1），在大气中通常存在的二氧化碳分压（PCO2）下，方解石的自然溶解不能提供足够数量的Ca2+来影响土壤改良。钠质土和盐化-钠质土中另一种常见的含钙矿物是白云石。白云石的溶解度比方解石小几倍。更易溶解的CaCO3矿物，如球霰石、文石或CaCO3水合物，在土壤中不常见，也不易在成土过程中形成（Suarez and Rhoades，1982）。因此，这些土壤的改良主要是通过施用化学改良剂来实现的（Gupta and Abrol，1990；Oster et al.，1999；Rhoades and Loveday，1990）。在这方面，石膏（CaSO4•2H2O）等改良剂向土壤溶液提供可溶的Ca2+，然后取代交换复合体上多余的Na+。其他改良剂如硫酸（H2SO4）有助于提高方解石的溶解率，以释放土壤溶液中足量的Ca2+（表2）。一个世纪以来的钠质土管理实践表明，化学改良剂（特别是石膏）在世界不同地区的有着广泛应用。
在一些发展中国家，由于（1）含有大量杂质的改良剂质量低；（2）农民实际需要改良剂时，改良剂的可得性受到限制，因此化学改良钠质土受到一些限制；和/或（3）由于工业部门对改良剂的竞争性需求以及政府对改良剂农业用途补贴的大幅削减或终止，成本增加。由于最后一个因素具有压倒一切的重要性，自20世纪80年代初以来，化学改良对于自给自足的农民来说已经变得昂贵得令人望而却步。与此同时，科学研究和农民的反馈表明，可以通过植物辅助的方法来改良钠质土和盐化-钠质土，植物修复（Kumar and Abrol，1984；Mishra et al.，2002；Qadir et al.，2002；Robbins，1986a）。
典型的基于植物的污染土壤改良策略，例如对于含有高水平金属和类金属的土壤，通过培育能够在其地上部中超积累目标离子形态的特定植物，从而将其从土壤中移除（Baker et al.，1994；McGrath et al.，2002；Salt et al.，1998)。相比之下，植物修复钠质土和盐化-钠质土是通过植物根系增加方解石溶解率的能力从而提高土壤溶液中Ca2+的水平，以有效地取代阳离子交换复合体上的Na+来实现的。植物修复过程中土壤溶液中的盐分含量的降低维持了土壤结构和团聚体稳定性，促进了水分通过土壤剖面的运动，并加强了改良过程（Oster et al.，1999）。植物修复的同义术语包括植物生物修复、植物改良和生物再生。
4.1历史视角
20世纪20年代和30年代，Kelley与其同事（Kelley，1937；Kelley and Brown，1934）在加利福尼亚进行了一系列开创性的田间试验，这是最早的钠质土植物修复研究之一（Qadir and Oster，2002）。这些研究中使用的土壤是位于弗雷斯诺附近的卡尼牧场上的细砂壤碱土（钠质土）。在表层0.3 m土壤具有以下化学性质：pH=9.2-9.7；CEC=43-44 mmolc kg-1；ESP=57-70。根据报告的阳离子组成，盐度水平（EC1:5）为6.1-7.2 dS m-1。土壤深度为0.6-0.9 m的质地大致均匀，其下伏有一层0.05-0.15 m厚的富含方解石致密层。
表3 化学（石膏）和植物修复（种植）处理对弗雷斯诺土壤可交换钠百分比(ESP)的影响，根据Kelley和Brown（1934）与Kelley（1937）报告的数据整理。（略）
在实地研究的第一阶段，Kelley和Brown（1934）分两次施用了总计37 Mg ha-1的石膏，1920年施用了22 Mg，1921年施用了15 Mg。每年施用石膏后，通过反复灌溉井水（EC=0.3 dS m-1，SAR=0.7），对田地进行大水漫灌，并使其在3周内保持浸泡。植物修复处理采用相同水量，即种植和灌溉，不施用石膏。大麦（Hordeum vulgare L.）是最早用于植物修复处理的作物，种植两年。随后，以印度草木樨（Melilotus indicus L.）和白三叶草（M.albus Medik.）作为绿肥各种植1年，此后，苜蓿（Medicago sativa L.）连作5年。最后一次苜蓿收获后，这些地块休耕1年，然后种植改良后的第一个作物陆地棉（Gossypium hirsutum L.）。石膏处理的棉花产量为1.82 Mg ha-1，植物修复处理的棉花产量为2.10 Mg ha-1。在石膏处理的土壤中，表层0.3m土壤深度的ESP从70下降到5，在经过植物修复的地块中，ESP从65下降到6（表3）。
在加利福尼亚实地研究的下一阶段，Kelley（1937）于1930年开始了一项植物修复试验，狗牙根[Cynodon dactylon（L.）Pers.]是该序列中使用的第一种植物修复作物。种草2年，然后种植大麦1年，苜蓿4年，燕麦1年，总共有8年。在改良后的土壤中，表层0.3m土壤深度的ESP从57降至1（表3），平均剖面（0-1.2m）ESP从73降至6。植物修复处理下ESP的总体下降幅度甚至大于早期试验中石膏处理的下降幅度，这可能是由于在种植顺序开始时引入狗牙根所致。此外，就土壤深度方面而言，改良区域更均匀、也更大。
Kelley及其同事在加利福尼亚使用的植物修复方法（Kelley，1937；Kelley and Brown，1934）基于相同的原理，并涉及匈牙利Bekessaba灌溉草甸试验中使用的一些技术（deSigmond，1924）。匈牙利在重质（低渗透）黑碱（钠质）土壤上进行了几种不同牧草和豆类的混播试验，使土壤逐渐改善。类似的作物种植方法，使得钠质土壤的管理已在、内华达州的法伦（Knight，1935）和俄勒冈州的瓦利（Wursten and Power，1934）取得成功。
最后一项关于改善加州易盐化土壤的主要工作是在圣华金河谷西侧的新生土地上，这些土地在20世纪50年代和60年代受到灌溉。这些土壤是石灰质的，在盐度、钠化度、石膏和硼（B）水平方面有很大的变异性。改良期间种植是新生土地地区的普遍措施。化学改良剂被选择性地使用，在许多土壤上不用化学改良剂也可以进行改良（Kelley，1951；Overstreet et al.，1955）。当需要提高改良率时，使用石膏、硫磺和硫酸。大麦是一种冬季作物，通常是作为改良过程的一部分在新生土地上种植的第一批作物。除年降雨量外，灌溉和盐分淋洗所需水量由畦灌补充。在一种或多种大麦作物之后，棉花经常被引入轮作。棉花田在种植前被划开，如果需要的话，施用石膏改良，开沟，并进行灌溉。大量的水（0.25-0.35 m）在预灌溉阶段入渗，有助于大量的淋洗和随后的土壤改良。
在20世纪，世界其他地方的农民采用了各种耕作制度来管理易盐化土壤（salt-prone soils）。印度次大陆的农业历史表明，种植某些抗盐草类和树木是管理盐渍化土壤的一个重要步骤。用于土壤改良的主要牧草和饲料种类有：狗牙草（百慕大草）(当地称为dub草)、双稃草或Karnal草（通常称为narri）、饲料甘蔗（当地称为kans草）与田菁[sesbania bispinosa（Jacq.）W.Wight]（Singh，1998）。20世纪早期的田间试验结果得到了土壤分析的支持，发现田菁是可用作饲料、绿肥和改良盐渍化土壤的重要干预措施（Dhawan et al.，1958；Uppal，1955）。
印度次大陆的大多数农民通常在7月至9月的强降雨（0.6-0.9 m）期间开始改良（Gupta and Abrol，1990；Oster et al.，1999）。农民的财政来源在使用不同的改良方案方面起着关键作用，其中包括：（1）施用石膏的量约为10-15 Mg hm-2，有时根据个人经验，而不测试土壤对石膏的实际需求量；（2）在移栽水稻幼苗之前，通过过量灌溉进行大约15-20天的淋洗；（3）在地下水位高的地区安装地下水井抽水，有时政府补贴，并将抽水用于灌溉和改良目的；（4）在不施用化学改良剂的情况下种植某些耐盐作物；（5）长期淋洗和施用农家肥；以及（6）在水稻种植之前，通常种植田菁等绿肥。田菁作为绿肥广泛应用于盐渍化土壤，以提高养分的有效性，降低盐度和钠化度水平（Gupta and Abrol，1990；Qadir et al.，2001）。
Kelley及其同事（Kelley，1937；Kelley and Brown，1934）和其他人（deSigmond，1924；Knight，1935；Wursten and Powers，1934）的开创性工作清楚地表明，通过选择适当的植物种类及其种植顺序，石灰性钠质土得到了成功的改良。然而，这些研究是长期的，因为达10年来才证明了作物辅助方法的改善效果。在另一个试验（Kelley，1951）中，使用不同的种植组合，7年后观察到相似的土壤改良水平。在研究植物修复处理中土壤钠化度水平的降低时，有人认为，甚至早于7年的时间已经实现了充分的改善。如果在这些研究开始后每年进行土壤取样和相应的分析，这很可能已经得到证实。然而，当时的普遍观点反映了以基于植物的方法是一种可能需要数年时间才能改善石灰性钠质土和盐化-钠质土的干预措施。当时，对植物修复过程在时间和技术效率方面增强的驱动力的理解还很初级。石膏等化学改良剂是可用的，农民负担得起改性费用主要是因为许多国家提供了政府补贴。尽管植物修复的初始投资水平更低，但其土壤改良的速度在当时看来并没有在很大程度上吸引许多科学家、农场顾问、农业推广工作者和盐渍化土壤的农民。
直到20世纪80年代初，由于工业使用量的增加和政府对农民购买石膏的补贴的减少，世界上一些地区普遍使用的化学改良剂石膏的成本增加，这种情况才发生很大变化。这为进一步研究低成本改良钠质土的替代和有效方法提供了动力。Robbins（1986a，b）在在不使用石膏的种植和灌溉改良石灰性钠质土方面取得的有前景的结果促进了植物修复的研究。同时在印度次大陆进行的实地研究（Ahmad et al.，1990；Kumar and Abrol，1984；Singh and Singh，1989）表明，通过植物修复进行改良的时间比最初预期的要短得多。这些发现是基于使用适当的植物种类以及灌溉和土壤管理措施，这些措施有助于提高土壤改良率（Qadir and Oster，2002）。
4.2植物修复的机制与过程
石灰性钠质土和盐化-钠质土的植物修复有助于通过土壤-根界面的过程提高方解石的溶解率，从而增加土壤溶液中的钙离子水平。它是以下因素的函数：
略（5）
式中，RPCO2是指根区内二氧化碳分压的增加；RH+是指某些作物（包括豆类作物）在根区释放的质子（H+）增加；RPhy是指根在改善土壤团聚体和根区水力特性方面的物理效应；SNa+代表地上部的Na+含量，通过收割地上植物部分移除。这些因素的共同作用最终导致土壤改良，前提是存在排水，并进行充分的淋洗（图2）。
图2 石灰性钠质土壤和盐化-钠质土壤植物修复的动力示意图：根系内二氧化碳分压增加；种植某些作物时，根系增强质子（H+）释放；根系对改善土壤团聚体和水力性质的物理影响；地上部的盐和钠（Na+）含量，通过收获地上植物部分去除。
4.2.1根区CO2分压
方解石的溶解和沉淀动力学由体系的化学性质决定。方解石溶解的典型反应可表示为根区CO2的函数：
略 （6）
式（6）中的反应总结了同时发生的三个过程（Dreybrodt，1992）：（1）水基质（如土壤溶液）中的CO2转化为H2CO3，并与式（7）中的CaCO3反应；（2）H2CO3分解为H+和HCO3-以及H+与式（8）中的CaCO3反应；以及（3）CaCO3的溶解导致Ca2+和CO32-如式（9）所示：
略 （7）
略 （8）
略 （9）
CaCO3通过上述反应溶解，导致Ca2+、HCO3-和CO32-释放到土壤溶液中。由于方解石在水中的溶解度较低，式（9）中的反应通过矿物水解过程产生少量Ca2+。式（7）和（8）中表示的反应同时发生对方解石增强溶解起主要作用。
在好氧土壤条件下，PCO2可能会增加到1 kPa的最大水平，相当于土壤空气体积的1%（Nelson and Oades，1998），并且在渍水土壤的厌氧条件下（Narteh and Sahrawat，1999；Ponnamperuma，1972），饱和条件抑制了CO2向大气的逸出。这种CO2的滞留增加了土壤中的PCO2。类似地，在种植条件下，根区的PCO2通过根系呼吸而增强（Robbins，1986a）。在非钙质土壤中，CO2的增加导致H+的产生和相应的土壤pH值的降低。然而，石灰性土壤中的pH值通常不会大幅度降低（Nelson and Oades，1998），因为pH值的变化通过方解石的增强溶解得到缓冲（Van den Berg and Loch，2000）。因此，石灰性钠质土和盐化-钠质土中PCO2含量的增加导致方解石的溶解增强，从而为土壤改良提供足够的Ca2+。
根系呼吸不是影响根区PCO2的唯一机制。它还受到以下机制的影响，这些机制可以单独或共同发挥作用：（1）植物根系分泌物有助于土壤生物氧化多糖、蛋白质和肽，从而产生二氧化碳；（2）土壤生物产生有机酸，有助于溶解方解石。无论土壤中二氧化碳的产生来源是什么，无论是根系呼吸、分解有机物和根系分泌物，还是方解石的有机酸溶解，其最终结果是相同的：Ca2+取代可交换Na+的速率远远高于方解石在大气中PCO2水平的溶解速率。
一些关于石灰性钠质土植物修复的研究已经量化了不同作物产生的PCO2水平。Robbins（1986a）在改良石灰性钠质土（pHs=8.6，ECe=2.4 dS m-1，ESP=33）的过程中测量了几种作物根区的PCO2。对根区PCO2水平进行量化评估的作物有大麦、苜蓿、棉花、.长穗偃麦草[Agropyron elongatum (Host) Beauv.]，以及一种名为Sordan的高粱-苏丹草杂交种[Sorghum×drummondii (Steud.) Millsp. & Chase]。还有一组由对照组成的非种植处理，在5kg m-2土壤（50mg ha-1）上施用新鲜肥料和在5kg m-2土壤（50mg ha-1）上添加石膏。在不同时间间隔从根区采集的土壤-大气样品表明，在作物处理中，棉花的PCO2值最低（<3.6 kPa）。Sordan产生的PCO2水平最高，达到14 kPa（表4）。从种植处理收集的沥滤液中测得的钠去除效率与土壤中相应的PCO2水平成正比（Robbins，1986b）。对改良后土壤样品的分析表明，种植处理对整个根区均有改良效果。这一点在种植Sordan的情况下尤其适用。在施用石膏处理未种植的蒸渗仪中，最大的改良发生在土壤表层0.2m处，该层中加入了改良剂以改良土壤。通过一个孔隙体积的排水量后，石膏处理土壤的导水率下降到接近零。与此相反，在整个研究期间，使用Sordan种植的蒸渗仪的导水率保持在适当水平。
表4 蒸渗仪实验中各种种植和非种植处理中CO2分压（PCO2）的平均值（±标准误差）（修改自Robbins，1986a）。（略）
另一项在蒸渗仪中进行的植物修复研究中，Qadir等（1996a）对种植有双稃草双稃草的石灰性盐化-钠质土（pHs=9.1，ECe=9.8 dS m-1，SAR=103）的淋洗柱进行了研究。淋洗周期在草的生长早期、高峰期和缓慢生长期进行。类似的淋洗计划在三个非种植处理中进行，包括一个对照（不含石膏）和两个接受50%和100%石膏需要量（GR）的石膏来改良土壤。在生长初期（3.3 mmol d-1），植草处理的Na+去除率低于对照（4.7 mmol d-1）。然而，在草的生长高峰期，Na+的淋洗速率显著增加，最大值为16.2 mmol d-1，这与100%GR（19.3 mmol d-1）下用石膏处理的土柱的淋洗速率相当。当在随后的缓慢生长期间进行淋洗时，植草蒸渗仪中的Na+去除率再次降低（4.6 mmol d-1）。这表明，植物修复过程中从土壤中淋洗Na+的关键时间应在植物生长旺盛的时期进行，以便利用增加的方解石溶解度以及增大的根区PCO2。由于土壤在淋洗过程中保持饱和或接近饱和，土壤表面的二氧化碳扩散大大减少。因此，当PCO2处于其最高水平时，淋洗将导致截留最大量的CO2，从而导致方解石溶解速率的显著增加。
Bauder和Brock（1992）评估了紫花苜蓿、大麦和高丹草单独使用，以及与表层应用化学改良剂结合使用，以减轻低盐和高盐以及钠化度水平不同组合对细壤土、石灰性土壤长期灌溉的影响。他们基本上得出结论，C3（草型）作物产生了相对大量的土壤气相CO2，促进了Na+的淋洗，这是土壤溶液轻微酸化的结果。
在一项模拟研究中，Simunek和Suarez（1997）预测用方解石改良钠质土是可行的，但将PCO2增加到2 kPa以增加方解石溶解所需的时间和水量大约是用石膏改良所需的时间和水量的两倍。在最近的一次评估中，Suarez（2001）模拟了在5 kPa的PCO2下方解石溶解的相似时间和水量。正如Robbins（1986b）所确定的那样，在这个范围内（3.0–3.6 kPa）的棉花等作物产生根区PCO2可能需要比化学改良土壤所需的更多时间和水量。然而，利用作物进行植物修复，在根区产生高达14 kPa的PCO2，如在高丹草的情况下，对水和时间的需求将大大减少。因此，对石灰性钠质土和盐化-钠质土采取淋洗策略，在根区种植高PCO2作物，可显著节省所需水量，从而减少排水量。
尽管从蒸渗仪实验得到的土壤-大气数据可能不代表田间条件，但这些信息提供了受控条件下PCO2数据的见解。PCO2数据表明，不同作物生长阶段的CO2产量存在显著差异，并且需要大量灌溉水来淋洗Na+。如果已知不同作物和作物管理产生的二氧化碳的差异，很可能选择比以前更有效地提高阳离子交换复合体中钠离子去除效率的作物和管理方法。
4.2.2植物根系的质子释放
植物根系释放H+被认为是根际pH值降低的过程。一些研究表明，提供铵（NH4+）营养的各种植物物种使其根际酸化，而当硝酸盐（NO3-）作为氮（N）源供应时，这些物种使其根际碱化（Marschner and Römheld，1983；Schubert and Yan，1997）。此外，豆科植物依靠共生固氮已被证明酸化其根际（Schubert et al.，1990b）。尽管在各种固氮植物的根际中记录到大量的H+释出（Hinsinger，1998；Marschner and Römheld，1983；Nye，1981；Schubert et al.，1990a），这种生物酸化机制主要在酸性土壤中进行研究，而对其钠质土和盐化-钠质土修复中可能发挥的作用鲜有研究。固氮植物在钠质土根区释放的质子有助于方解石的溶解，导致Ca2+和HCO3-的产生。这种化学反应与根区PCO2增加的情况相同，如式（8）所示。
植物在土壤-根系界面释放的H+产生电化学梯度。阳离子吸收通过膜电位的部分去极化增加净H+释放，这有助于活跃的H+泵送（Schubert and Yan，1997）。由于H+的释放，胞浆pH值升高，从而触发有机阴离子的合成。因此，作物的有机阴离子补体或树木的凋落物成分是根-土壤界面净H+释放量的量度，被称为灰分碱度（ash alkalinity）（Jungk，1968）。对几种作物、牧草和树种的灰分碱度进行了常规测定，以评估其酸化潜力（Moody and Aitken，1997；Noble and Randall，1999；Noble et al.，1996）。
在对澳大利亚北部半干旱热带地区106种植物的灰分碱度进行综合评价时，Noble和Nelson（2000）分别观察到了阿拉伯黄背草（ Themeda triandra）和鸳鸯茉莉（Brunoniella acaulis）的25至347 cmolc kg-1的范围。虽然灰分碱度的范围在物种间有很大的差异，但在一个物种内似乎变化不大。例如，在评估适应湿润和半干旱热带的一系列豆科植物的灰分碱度时，同一物种的之间的灰分碱度变化相对较小，而物种之间的变化程度较大。对特定农业生态类型的适应与灰分碱度之间似乎存在联系。例如，危地马拉朱缨花（Calliandra calothyrsus），一种很好地适应湿润热带强风化土壤的物种，其灰分碱度最低（44 cmolc kg-1），而粗糙笔花豆（Stylosanthes seabrana），一种很好地适应半干旱热带重质地富碱土壤的物种，其灰分碱度值为125 cmolc kg-1，三倍于危地马拉朱缨花（C. calothyrsus）。直观地说，人们可以假设，在高碱度土壤上进化的植物物种可能具有较高的灰分碱度，因此更倾向于在根-土壤界面生成H+。因此，测定适应钠质土条件的物种的灰分碱度可用于选择最合适的物种，以通过根区的H+释放提高方解石溶解速率。在测定多种植物的灰分碱度而进行的几项研究中，观察到植物体中Ca2+浓度与灰分碱度之间存在非常显著的关系，这表明该属性的测量是一种简单实用的替代（图3，略）。
为了通过种植具有高灰分碱度的物种在钠质土和盐化-钠质土中最大限度地增加净酸，一个关键的步骤是尽可能多地去除地上生物量（Yan and Schubert，2000）。在一项量化澳大利亚北部半干旱热带以柱花草为基础的豆科植物系统的净酸添加率（NAAR）的研究中，发现广泛的基于草/豆科植物的牧场系统的NAAR为0.2 kmol H+ hm-2 year-1（Noble et al.，1997）。与此形成对比的是，在笔花豆属（Stylosanthes）种子生产系统中，整个地上生物量从田间移除进行处理，NAAR（10.6 kmol H+ ha-1 year-1）大幅增加，当量值为530 kg CaCO3 hm-2 year-1。这一证据清楚地表明，较高的酸添加速率与高度开发的生产系统有关。在钠质土、盐化-钠质土和碱土的根系释放H+和植物修复的背景下，这一方面尚未得到充分的理解和重视。
关于豆科植物根系释放H+对石灰性钠质土和碱土植物修复过程的贡献，现有资料有限。Qadir等（2003a）在石灰性钠质土（pHs=7.4，ECe=3.1 dS m-1，ESP=27.6）的蒸渗仪研究中，评估了不补充氮（依靠N2固定）和施用硝酸铵（NH4NO3）苜蓿。尽管这两种处理产生的根和地上部生物量在统计学上相似，但从使用固氮苜蓿生长的土柱收集的渗滤液中，Na+的去除率高出8%（表5）。这一证据表明，在固氮处理中，方解石的溶解量增加，表明通过作物管理有利于根区释放更多的CO2和H+，可以提高石灰性钠质土的改良率。此外，使用合适的固氮作物作为植物修复工具，有利于提高土壤中氮的有效性。
表5 蒸渗仪实验中石灰性钠质土壤的地上部和根区干物质产量和累积Na+去除（±标准误差）（修改自Qadir et al.，2003a）（略）
4.2.3根系物理效应
植物根系对维持正常的土壤结构至关重要，土壤剖面较低深度的根系的存在驱动了大孔隙的形成过程。植物根系通过产生生物孔隙或结构裂缝来提高土壤孔隙度（Czarnes et al.，2000；Oades，1993；Pillai and McGarry，1999；Yunusa and Newton，2003）。此外，根系通过从较大的传导孔中去除截留的空气和干湿交替来刺激根区的变化。由于多糖和真菌菌丝的原位生产以及根-土壤界面的差异性脱水，提高了团聚体的稳定性（Boyle et al.，1989；Tisdall，1991）。此外，一些作物的根系就像一种潜在的耕作工具，因为它们可以在压实的土壤层中生长，并改善犁底层的土壤（Elkins et al.，1977）。
植物根系在促进Na+从阳离子交换复合体向深层淋洗的过程中起着重要作用。在植物修复过程中，能够耐受周围盐度和钠化度水平的深根植被可以触发这一过程。这与深根多年生禾本科植物和豆科植物可以改善耕作层结构（Tisdall，1991）的观察结果一致，同时改善了钠质土的水力特性（Akhter et al.，2004；Ilyas et al.，1993）。
表6 植物修复和石膏对盐化-钠质土壤田间饱和水力传导度 (Ks)的效应（修改自Ilyas et al.，1993）（略）
田间研究结果表明，植物修复对钠质土根系生长有明显的促进作用。Ilyas等（1993）测试了深根苜蓿和田菁小麦（Triticum aestivum L.）-田菁轮作等不同的植物修复处理¬，并结合施用石膏改良巴基斯坦印度平原的低渗透硬质盐化-钠质土的（pHs=8.8，ECe=5.6 dS m-1，SAR=49）。紫花苜蓿种植1年后，其饱和导水率（Ks）增加了两倍。表层0.8 m土壤的初始Ks值范围为0.8至1.5×10-7 m s-1。在石膏处理的地块上，苜蓿根系的穿透深度为1.2m，而在未施用石膏的地块上，苜蓿根系的穿透深度为0.8m。其他植物修复处理，如田菁-小麦-田菁轮作，在0.4 m深处引起了类似的Ks增加（表6）。田菁根系健康、粗壮、分枝良好，但仅生长到0.3 m的深度。尝试的其他方法是对同一土壤进行物理处理，但它们并没有在相当程度上改善土壤的渗透性。这些方案包括深松（采用弯曲凿子，深度0.45 m，间隔0.5 m）和明沟排水（1 m深）。Cresswell和Kirkegaard（1995）在另一项关于澳大利亚（质地）倍差土壤（duplex soil）的实地研究中发现，在谷物轮作中加入油菜（Brassica napus L.）等作物并不能改善致密B层的孔隙度。他们提议将苜蓿等深根作物纳入混合种植体系，作为一种潜在的生物钻探策略，以改善心土渗透性。
Akhter等（2004）评估了种植不同年限（1-5年）的红豆草对如盐化-钠质土地的有效含水量、容重、孔隙度和Ks（pHs=10.4，ECe=22.0 dS m-1，SAR=184）不同土壤性质的影响。在表层0.2m的土壤中，改良前Ks值为0.035mm day-1（0.4×10-9 m s-1）。Ks在5年内显著增加，最终值为55.6 mm day-1（6.4×10-7 m s-1）；这种增加与孔隙度和保水性的增加显著相关。此外，Ks的增加伴随着土壤容重的降低，在同一时期，土壤容重从平均值1.62降至1.53 Mg m-3（表7）。土壤孔隙度从38.9%增加到42.8%。这些变化可能是由于双稃草有广泛的根系，可以穿透土壤1 m深（Malik et al.，1986）。
表7 不同植物修复处理（不同时期种植红壤）对石灰性盐化-钠质土表层0.2 m有效含水量、容重、孔隙度和导水率（Ks）的影响（pHs=10.4，ECe=22.0 dS m-1，SAR=184），具有砂质黏壤土结构（基于Akhter et al.，2004报告的数据）（略）
虽然深耕已证明对改善低孔隙度的心土是有效的，但在某些情况下，其益处是短暂的（Cresswell and Kirkegaard，1995）。此外，深耕成本高，限制了其大规模采用。由于某些植物的根系可以作为潜在的耕作工具，生物钻探已显示出作为深层耕作的替代方法来改善致密心土的前景（Elkins et al.，1977）。生物钻探分为两个阶段：（1）根系在腐烂时穿透压实土层在心土中形成大孔隙，从而改善水分运动和气体扩散；（2）改善心土大孔隙后对后续作物有利（Cresswell and Kirkegaard，1995；Elkins，1985）。例如，一些作物的根系，如百喜草（Paspalum notatum Flügge）和高羊茅（Festuca arundinacea（L.）Schreb.）等，已被证明通过压实的土层生长，随后改善了犁底层的土壤。用高羊茅进行的田间试验表明，在渗透性低的土壤中，该物种的大直径根系具有优势（Elkins et al.，1977）。
除了量化植物修复过程中牧草和饲料根系系统的影响外的研究，研究者还评估了树根对钠质土物理性质的作用（Garg，1998；Mishra and Sharma，2003；Mishra et al.，2002）。Mishra和Sharma（2003）评估了两种豆科树种—牧豆树（Prosopis juliflora (Sw.) DC.）和印度黄檀（Dalbergia sissoo Roxb. ex. DC.）种植3、6和9年后，对印度钠质土物理性质变化程度的影响。与未种植树木的对照地块相比，随着种植年限的增加，土壤孔隙度增加，容重降低。与种植9年P. juliflora和D. sissoo人工林相对应的对照，表层土壤孔隙度分别为40.4%和44.5%，生长9年后分别增加到46.9%和51.0%。随着林龄的增加，表层0.1m土层的平均土壤渗透性增加。种植9年后，P. juliflora人工林的平均土壤渗透性从0.24×10-10增加到10.95×10-10cm2，D. sissoo人工林的平均土壤渗透性从0.37×10-10增加到11.69×10-10cm2。对照地土壤容重最大，造林后土壤容重降低，处理差异不显著。土壤物理性质的改善归因于有机质含量的增加，提高了土壤颗粒的团聚体，从而形成了合适的土壤结构。
4.2.4地上部对盐和Na+的吸收
植物物种地上生物量的去除，用于钠质土和盐化-钠质土的植物修复，去除植物吸收并在地上部积累的盐和Na+。盐生植物等耐盐性很强的植物可能在其地上部积累相当高水平的盐和钠离子。例如，在牧场条件下生长的滨藜物种的叶灰浓度为130-270 g kg-1（Hyder，1981），如果生长在盐渍化土壤中，则该物种的叶灰浓度可高达390 g kg-1（Malcolm et al.，1988）。尽管通过植物物种的地上部收获进行了高水平的脱盐，但这种单独的脱盐并不能在含盐量巨大的盐渍化土壤的改良过程中发挥重要作用。例如，Barrett Lennard（2002）预测在非灌溉条件下，盐生植物作物的年产量约为10t ha-1，干重基础上的地上部盐浓度为25%（250 g kg-1），需要连续20年才能去除盐渍化土壤2 m深处盐分初始含量的一半（86 Mg ha-1）。必须注意的是，在非灌溉条件下，饲料灌木（如滨藜属植物）的年产量很少超过2 Mg ha-1（Barrett-Lennard et al.，1990）。此外，在树叶中积累的大部分盐分以落叶的形式被回收回土壤。因此，在非灌溉条件下，盐生植物的生长和盐吸收对土壤盐度和钠化度降低的影响可能很小。
表8一些植物物种地上收获中的地上部干物质和盐与Na+的去除(修改自Gritsenko and Gritsenko，1999)。（略）
在灌溉条件下，通过地上部收获，典型的盐分积累对盐和Na+净去除的贡献最小，这是钠质土植物修复期间方解石溶解增强和随后从根区去除Na+的先决条件（表8）。其原因是，除了原生土壤盐度和钠化度外，在灌溉过程中，盐分和Na+也会添加到钠质土中，特别是在灌溉水已经是盐化和/或钠质化的情况下。例如，双稃草生长在石灰性钠质土和盐化-钠质土上，在世界一些地区是一种潜在的植物修复作物。其地上植被（饲料）含盐量在40–80 g kg-1范围内，生长在含盐量约为20 dS m-1的土壤中。考虑到每年牧草产量约为25 Mg hm-2，种植牧草所需的灌溉水量估计为104 m3 hm-2（107升hm-2）。如果灌溉水的盐度水平为1.5 dS m-1，这是大多数用于灌溉的水的典型情况，那么灌溉水中添加的盐量将相当于9.6 Mg hm-2，而饲料中去除的盐量为1-2 t hm-2。Gritsenko和Gritsenko（1999）的估计表明，几种植物的地上生物量对Na+的吸收占总盐吸收量的2-20%（表8）。在一项评估中，Qadir等（2003b）发现，在钠质土植物修复过程中，作物（如苜蓿）的地上部收获去除的Na+仅占去除的Na+总量的1-2%。因此，通过植物修复石灰性钠质土，导致土壤钠化度降低的主要原因是盐分和Na+从根区向土壤深层的淋洗，而不是通过收获地上植物生物量来去除的。
参考文献略
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