盐碱土是指土壤含有过量可溶性盐类（一般大于0.1%），如钾、钠、镁的氯化物、硫酸盐、重碳酸盐等，对植物生长有抑制作用的土壤。1995 年出版的《中国土壤普查数据》（全国第二次土壤普查）表明，我国有盐碱土约2.55 亿亩，另外，还有盐化、碱化亚类土壤约2.71 亿亩，因此我国广义盐碱土壤共计约5.26 亿亩，包括了种植农作物的耕地，以及生长耐盐草类、树木、灌木等非耕地。2011 年原农业部在全国开展了盐碱土治理调查，结果显示我国可利用盐碱土总面积2.99 亿亩，其中盐碱耕地1.14 亿亩；盐碱荒地1.85 亿亩。在土地利用现状分类中，盐碱地是其他土地的二级土地利用类型，和沙地、裸土地等地类并列，指表层盐碱聚集，生长天然耐盐植物的土地。2020 年公布的第三次全国国土调查结果显示，全国共有盐碱地约1.15 亿亩（未利用地）。同时，我国盐碱地类型多样、成因复杂，尤其需针对不同生物气候区域的盐碱地成因、类型与程度，以及水资源条件，发展和完善适宜的主导技术和模式。

1引言

田间不同含水量下的的土壤水的成分决定了植物在生长过程中所经历的非生物胁迫，从而影响作物产量[1]。在盐渍化土壤中，土壤溶液中溶解盐的总浓度，通常用土壤溶液的电导率（EC）来表征，并被认为是影响产量的主要标准（例如[2]）。因此，大多数关于作物耐盐性的研究都集中在土壤溶液的EC上，该EC诱导渗透压（osmotic pressure），影响植物的水分吸收，并在一段时间内在植物中积累专性离子（ specific ions），导致离子毒性或离子失衡[3]。由于普遍认为氯化钠（NaCl）是盐质土中的主要盐类，钠（Na）和氯（Cl）的离子效应受到了越来越多的关注。

然而，除了总浓度外，电解质的组成还决定了多相平衡（multi-phase equilibria），包括：（1）包含黏土矿物和其他无机和有机材料的固相；（2）包含土壤水的液相；（3）主要包含氧气和二氧化碳的气相；以及（4）络合物交换相[4，5]。作物在田间生长期间，土壤水分从高到低波动，化学平衡变得更加复杂。交换反应由阳离子和阴离子的性质决定，因此土壤物理条件发生了变化，导致土壤强度（ soil strength）增加及水和空气流动减少，从而限制了作物生长。植物根系需要一个水分充足、通气良好、渗透压低、营养充足、低毒性的土壤环境。土壤pH值取决于阳离子和阴离子的组成及其与pE（与氧化还原电位相关的电子活性）的关系，并受土壤水分状况、控制溶解度（control solubility）和沉淀反应的影响。这些过程导致了大量和微量营养元素的毒性和缺乏。土壤化学的变化会影响大多数植物的需求：土壤结构、土壤溶液的渗透势、土壤通气性和有毒离子的存在。因此，“盐分胁迫（salinity stress）”因许多土壤化学过程而变得复杂。本文综述了影响作物耐盐性（crop salinity tolerance.）的包括化学反应和土壤溶液成分在内土壤化学因素。本文断言，上述因素可能是实验室和田间种植的植物对盐度响应显著差异的部分原因，尽管对这些差异的详细讨论不属于本综述的一部分。

2影响土壤溶液组成的土壤过程

土壤环境中的许多土壤过程影响土壤水中化学物种（chemical species）的活性。除了土壤成分外，与气候和土壤管理相关的因素也会影响这些过程，小结见表1。一般来说，在平衡状态下，一个参数的变化会影响所有变量的变化。

 

 

3离子交换和由此产生的土壤结构稳定性

土壤成分，包括黏土矿物、无机和有机化合物，都有其固有的电荷（+或−），但当它们聚集时，净电荷可能与总电荷不同，这取决于组分之间的成键类型[7]。组分之间的共价键导致净电荷的减少。如果负电荷通过吸附阳离子来平衡，正电荷通过吸附阴离子来平衡，则这些吸附的离子随溶液中离子的浓度和性质而变化。除热带气候外，大多数农业土壤都具有净负电荷，阳离子交换（ cation exchange）是主要过程，阳离子从盐渍化土壤溶液中以交换相吸附被吸附。水分子与土壤颗粒上的电荷发生反应，导致土壤团聚体减弱，因此团聚体崩解，黏土颗粒分散。这些电荷随土壤pH值而变化[8]。

大多数盐渍化土壤以钠盐为主[9]，因此交换相以Na为主。交换相对土壤水中Na的吸附取决于土壤溶液中二价阳离子的比例，通常由土壤溶液中测得的钠吸附比（sodium adsorption ratio，SAR）表示。交换性钠百分率（ Exchangeable sodium percentage，ESP）与SAR有关，当它超过阈值水平时，土壤黏粒的膨胀和分散会导致土壤物理性状的退化，导致水和空气流量减少、土壤强度高和土壤结皮。这些物理性状严重限制了作物的发芽、根系生长和生理功能[10]。最近的研究表明，除了钠，交换性钾和镁也会增加土壤膨胀和分散，影响土壤物理性质[11-15]。这些阳离子在引起膨胀和分散方面的作用并不相似，但取决于离子性指数（ionicity index）[14]，这是一个分子尺度的地球化学参数，用于估计阳离子与带电粒子的相对键合（离子和共价）趋势。膨胀和分散随着键的离子性的增加而增加，其顺序为Na>K>Mg>Ca。Rengasamy[16]结合阳离子价和离子性因子的影响，得出了这些阳离子相对于Ca的分散能力，由大到小依次为：Ca=1，Mg=1.7，K=25和Na=45。而在干燥土壤中，可交换阳离子与水分子反应，诱导黏土分散，土壤水中存在的可溶性阳离子由于其絮凝能力而抵抗分散反应[17]，相对于Na，它们为：Ca=45，Mg=27，K=1.8，Na=1。这些阳离子的絮凝力（flocculating powers）是根据共价系数（阳离子与黏土结合的共价程度）和阳离子价的效应得出的。

最近，Rengasamy等（2016）[18]提出了“净分散电荷(net dispersive charge)”的新概念，该概念确定了分散性土（dispersive soil）中分散的量，定义为：

净分散电荷=分散电荷−絮凝电荷

土壤的分散电荷来源于在给定土壤pH下测得的可交换阳离子浓度（cmolc·kg−1），并通过各自的分散力进行加权，定义为：

分散电荷（cmolc·kg−1）=（Ca）+1.7（Mg）+25（K）+45（Na）

类似地，絮凝电荷来源于分散的土壤-水悬浮液中阳离子的浓度（基于土壤的cmolc·kg−1），通过各自的絮凝力进行加权，并定义为：

絮凝电荷（cmolc·kg−1）=45（Ca）+27（Mg）+1.8（K）+（Na）

当分散电荷高于阈值时，黏土颗粒离解并形成扩散双层[19]。阳离子的絮凝效应（flocculating effects）只有在形成扩散双层时才起作用。在较低的分散电荷下，大团聚体分解为微团聚体，土壤团聚体发生崩解；该过程不受土壤溶液的电解质浓度（即盐度）的影响[20]。

如果盐质土中阳离子贡献的絮凝电荷等于或大于分散电荷，则盐度对土壤结构的影响将最小，作物生长主要受到渗透效应和离子毒性效应的影响。当絮凝电荷低于分散电荷时，土壤物理性状的退化将影响作物生长，混淆了作物的耐盐性（图1）。当电解质浓度较低时，阳离子在土壤溶液中不会达到有毒浓度。例如，具有高交换性钠和低EC的非盐质土壤在土壤溶液中钠不会达到有毒性水平[1]。因此，田间盐分浓度的季节性变化将决定土壤结构效应或盐度效应是否会影响作物表现（crop performance）。

 

 

图1 根据分散电荷、絮凝电荷和分散性黏土百分比区分盐质、盐化分散和分散性土（dispersive soil）的示意图。盐质土通过离子毒性和渗透效应影响植物生长。分散性土由于土壤物差而影响植物生长。这些机制的结合可能是造成盐化分散性土中作物表现不佳的原因。离子毒性或失衡取决于水成离子的浓度和组成。

由于交换性阳离子的估计存在困难，土壤溶液中估计的阳离子已被用于推导SAR，以预测ESP和相关的土壤物理条件。然而，K+不包括在SAR的推导中，并且在SAR模型中，Mg2+的作用被认为等于Ca2+。Rengasamy和Marchuk[9]提出了“土壤结构稳定性阳离子比（CROSS）”，其定义如下：

CROSS=（Na+0.56K）/（Ca+0.6Mg）0.5

式中，阳离子浓度以mmol/L表示。CROSS包括K+与Na+的分散作用，以及Mg与Ca的絮凝作用。CROSS被发现在预测黏土分散和土壤物理行为方面是有效的，特别是当K+和Mg2+在土壤中大量存在时。

4土壤pH值与测量技术的关系

溶解的阳离子和阴离子与水分子反应产生氢离子。使用电极测量pH指示的是氢离子的活性，而不是它们的浓度。阳离子和阴离子水解水分子会使土壤溶液的pH值变为酸性或碱性。此外，由离子的浓度和价态决定的离子强度影响氢离子的活性。土壤溶液的离子强度（受CaCl2或高盐土壤溶液等电解质溶液中测量的影响）会影响土壤pH）。在酸性土(acid soil)中，电解质溶液中的阳离子可以置换土壤溶液中的可交换性H+或Al3+，这会降低土壤pH值。然而，在碱性土壤（alkaline soil ）中，由于缺乏可交换性H+或Al3+，阴离子或其他阳离子的水解会导致电解质水平导致pH值的变化。测量土壤悬浮液而不是土壤水浸提液中的pH，引入了与土壤胶体相关的液接电位（liquid junction potential）或Donnan膜电位对氢离子活性的影响。产生酸的生物反应，如硝化作用，可以增加氢离子和离子强度。酸性土壤溶液中离子强度的增加可改变pH，而可滴定酸度（titratable acidity）没有任何明显变化[24]。不同土壤水比（如1:5、1:1或饱和浸提液）中pH的变化与离子强度和参与水解的单个离子浓度的变化有关。因此，在解释测得的土壤pH值时，必须考虑诸多因素。 

5阳离子和阴离子在土壤pH中的作用

阳离子、阴离子和具有不同官能团的有机物的水解在土壤pH的平衡中起着至关重要的作用。具有低碱性可交换性阳离子（如Ca2+、Mg2+、K+和Na+）的强风化土壤的酸性pH（<6）主要是由于阳离子Fe3+和Al3+的水解而产生的。相反，干旱区的土壤通常为碱性pH（>7），主要含有Ca2+、Mg2+、K+和Na+作为交换性阳离子。通常，这些阳离子被称为碱或形成碱的阳离子，并且这些阳离子的水解被认为会导致碱性pH。Brady和Weil等（2008）将它们描述为不同于酸性阳离子（如H+和Al3+）的“非酸性阳离子”[25]。

Tavakkoli等（2015）表明，当交换性Na+含量>90%的土壤在伴随阴离子为Cl−和SO42−时具有接近中性的pH值，而在伴随阴离子是HCO3−和CO32−时具有碱性pH值（>8）。Cl−和SO42−的弱水解反应导致中性pH的微小变化。然而，HCO3−和CO32−的水解产生更高浓度的OH−，从而导致更高的pH。研究还表明，通过用NaCl增加碱性土壤（pH 9.82）的离子强度，pH降低到8.32，而通过添加CaCl2增加离子强度，pH可降低到8以下；CO32-以CaCO3的形态沉淀也参与了pH的降低。Al-Busaidi和Cookson（2003）发现阿曼土壤pH值和盐度（EC）之间存在负相关关系，导致这种负相关关系的主要因素是可溶性Ca2+离子的存在。因此，与离子强度低的碱性土相比，盐碱土（saline-alkaline soils）具有更低的pH。因此，在解释土壤pH值时，有必要测定电解质浓度和离子组成。

6营养元素的毒性和缺乏与土壤pH值的关系

盐度的增加会导致离子在植物中一段时间积累，并导致离子毒性或离子失衡。然而，土壤pH决定了离子物质在土壤溶液中的溶解度、络合作用和沉淀，影响了离子吸收和根系生长。Sposito（2008）总结了与酸性或碱性土壤pH值相关的主要阳离子物。土壤溶液中溶解离子物种的分布可以从它们的总浓度、pH、配体浓度、所有可能的络合物的条件稳定性常数以及每个离子的质量平衡表达式中得出[8]。

 

 

例如，在低土壤pH（<5）下，黏土矿物中Al的溶解引入了有毒的阳离子羟基Al，主要影响根系生长[27]。当土壤pH值增加到>9时，Al形成可溶性阴离子物种（如Al(OH)4−），这也会影响根系生长[28]。相比之下，铝有机络合物对作物没有毒性，因为它们不会被根系吸收。土壤黏粒对离子物质的吸附和解吸取决于土壤pH，土壤pH影响黏土上的电荷，也取决于离子物质，这可能导致元素缺乏或毒性。土壤溶液pH值的影响困扰着对盐度-硼相互作用的解释[29]。

因此，当可能遇到缺硼时，在pH 9.2以上的钙质新成土上对硼的吸附会大大增强。当pH超过8时，硼的形态开始从硼酸B(OH)3逐渐转变为阴离子硼酸B(OH)4−。在较低的土壤pH值下，土壤溶液中的硼有效性可能很高，因此可能变得有毒。基于EC、SAR和pH的不同类别的盐渍化土壤对养分毒性和缺乏有不同的影响，这些影响小。

表基于土壤溶液的ECe（dS/m）、SARe和pH1:5的盐渍土类别以及对植物的可能影响机制。各种离子引起的毒性、缺乏或离子失衡将取决于土壤溶液的离子组成。SARe>6表示澳大利亚分类中具有分散性的钠质土。

 

 

7土壤有机质与土壤溶液化学

土壤有机质在改善土壤结构、土壤肥力和微生物活性等土壤质量方面具有重要作用。土壤有机质的功能会根据不同的组分而变化，即颗粒有机碳（particulate organic carbon， POC）、腐殖质有机碳(humus organic carbon)、惰效性碳库(Resistant organic carbon, ROC和溶解有机碳（dissolvedorganic carbon, DOC）。有机质可以通过与土壤表面电荷共价结合来降低分散电荷，从而提高团聚体的稳定性。疏水性有机组分（Hydrophobic organic fractions）可以防止水相互作用（润湿性）并防止团聚体分解。

然而，具有负电荷的简单有机分子可以增加土壤的分散性，正如在盐渍化土壤上施用含有糖醛酸（uronic acid）的农家肥料时所观察到的那样。不络合羧酸的存在可以降低土壤pH。有机物对Fe和Al的强烈吸附可以有效降低土壤溶液中的质子浓度（H+）。土壤溶液中溶解的有机碳受土壤pH值的影响很大；在含有HCO3-和CO32-离子的高pH土壤中观察到有机碳的溶解性较高。有机物的带电部分可以以类似于黏土矿物的方式对土壤的阴离子或阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）做出贡献。有机物的微生物分解可以向土壤溶液中释放大量有机化合物，其中包括特别重要的植物营养元素，如N、P和S。

8分散性土壤和涝渍

养分储量低的分散性土壤的肥力因水分供应量低和分散土层中根系的氧气供应量低而加剧。当表层土壤分散时，在土壤结构退化的环境中，由于电子和质子活性（pE和pH）的变化，这些层的涝渍或通气孔隙度的降低会导致离子毒性和养分缺乏。土壤的氧化还原状态由自由电子活性pE（−log（e−），式中，e−表示电子）和质子活性（pH）来描述。pH和pE的关系控制土壤溶液中氧化或还原的离子物种。

分散性土壤中缺氧和低氧条件下的一些平衡化学反应在pH 7下的自由电子活性（pE）。涝渍可能通过pE的变化影响土壤溶液中的微量元素浓度，也可能通过能量（ATP）供应或膜完整性的变化来影响植物根系。在涝渍条件下，Setter等（2009）发现，在印度和澳大利亚的小麦种植土壤中，Mn、Fe、Na、B和Al的地上部浓度显著增加，超过了毒性的临界浓度（critical concentrations for toxicity）。涝渍和盐渍化之间的相互作用增加了植物所经历的非生物胁迫。碱性分散性土壤的高分散性、高pH和低生物活性不利于有机质的积累或矿化。这些土壤的不良淋洗条件会导致硼等有毒元素的积累。

 

 

9土壤含水量的变化以及总水势和离子组成的变化

在田间条件下，特别是在气候变化的旱地种植中，土壤含水量随降雨量和蒸散量而波动。包括基质势和渗透势在内的总水势将与受土壤含水量影响的盐浓度成比例变化。当土壤因蒸发蒸腾而干燥时，盐浓度增加，土壤水的渗透压也会增加。Rengasamy（2010）描述了南澳大利亚州的一项实地研究，在该研究中，生长季节土壤含水量的波动导致总水势的变化，由此导致小麦产量下降的。同样，Setter等（2016）详细介绍了受降水影响的土壤水分状况变化如何影响西澳大利亚旱地盐质土上的小麦和大麦生产力。

当前，人们对含盐量和含水量同时变化引起的产量响应的研究很少。科学家们试图预测与空间和时间平均的地下溶液盐度相关的产量响应。此外，离子组成和可交换性阳离子组成随田间含水量变化的变化尚未得到详细研究。Wada和Otani（1998）以及Oster和McNeal（1971）试图随含水量变化的土壤溶液组成进行建模。Misra和Tyler（1999）指出了养分含量变化受土壤含水量变化影响。必须记住，生长在土壤中的植物是对实际土壤溶液浓度和成分做出响应，而不是对人为土壤含水量下的盐分浸提计算的值做出响应。科学家们试图预测与地下溶液盐度在时间和空间上的平均水平相关的产量响应。

10结论

作物的耐盐性（Crop salinity tolerance）受到包括土壤化学在内的一系列环境因素的影响。由盐质土溶液中阳离子和阴离子性质决定的溶解度和离子形态等化学过程会导致养分缺乏或离子毒性。阳离子和阴离子相互作用控制着土壤pH值和相关土壤对作物的限制。盐质土溶液中阳离子的吸附作用通过改变土壤强度、通气性、孔隙率、水分和养分的运动以及pH-pE关系的变化，影响着土壤结构稳定性和土壤物理条件，进而间接影响作物生长。此外，在田间条件下，土壤含水量的波动不仅会改变总盐浓度（渗透势），还会改变阳离子和阴离子的组成。

将土壤化学诱导的胁迫与盐浓度相关的胁迫相结合，可以解释植物育种家在开发具有高生长和高产的耐盐作物方面所面临的一些困难。实验室培育的耐NaCl品种在田间条件下表现不佳可能反映了钠化度（sodicity）和碱度（alkalinity）的影响。在田间，作物经常受到不同非生物胁迫的组合[48]。因此，与其研究对一种特定胁迫（如盐度）的耐受性的系统发育（phylogenetic distribution ）分布，不如考虑对一系列环境胁迫的耐受性分布。Henderson和Gilliham（2015）提出，基于植物根部不同细胞类型中发生的分子过程，识别在耐受特定胁迫中发挥关键作用的“看门人（gatekeeper）”细胞类型。未来的研究项目应侧重于对不同胁迫条件组合的耐受性，特别是田间环境中发生的耐受性。

编译者: 中科院海岸带所：陈小兵、曹丹、尹娜、高渊、冯红宇、李远等；中科院南土所：姚荣江、孙运朋、张新；中国农科院资划所：李玉义。