中盐度地下水灌溉试验研究现状及展望

2013-03-24白春艳周金龙

地下水 2013年1期

白春艳，周金龙，2

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052;2.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074)

近几十年来随着国民经济和工农业生产的迅速发展，使各地用水量和需水量不断增加，导致地表水、地下淡水资源供求矛盾日益突出，合理开发中盐度地下水资源作为替代水资源越来越受到各国关注。

《中华人民共和国水法》第二十四条规定:在水资源短缺的地区，国家鼓励对雨水和中盐度地下水的收集、开发、利用。中盐度地下水是指矿化度为2～7 g/L，能直接或间接用于农业灌溉的地下水［1］。利用中盐度地下水进行农业灌溉缓解作物干旱，为植物生长提供所需要的水分，特别是在淡水资源缺乏而微咸水、咸水资源相对丰富的地区，不仅可以缓解淡水资源匮乏的问题，而且有利于调节地表水、地下水和土壤水，在不断循环利用咸水和补充淡水的过程中，咸水水质本身也可以得到改造。但与此同时利用中盐度地下水灌溉也给土壤带入了盐分，造成潜在盐渍化的危险。不恰当的中盐度地下水灌溉会引起作物减产，土壤积盐抑制作物根系吸收水分，可能会给作物根系造成盐胁迫环境［2］，导致土壤盐渍化甚至土地荒芜。此外，大面积进行咸水灌溉，会引起水资源时空分布改变，使区域性水资源均衡要素受到影响。因此，综述中盐度地下水资源灌溉试验的增产效益及土壤、生态环境效益，对解决水资源危机，优化灌溉模式，推动安全高效的发展农业生产具有重要指导意义。

1 中盐度地下水的形成原因

1.1 华北地区中盐度地下水形成的原因

华北平原中盐度地下水分布面积占总面积一半以上，对其改善利用与规模开发，是缓解水资源短缺矛盾的有效途径。该地区中盐度地下水形成的自然原因归结为两点:(1)海相原生咸水成因类型。受古地理、古气候、第四纪冰期-间冰期、海侵-海退、蒸发-溶解等综合地质作用过程影响，海水被封存于地下而形成原生类型的高矿化咸水。(2)内陆干旱次生成因类型咸水。此种类型咸水是淡水在地下水循环过程中，在气候及古地理环境等因素的影响下1矿化为咸水的次生类型［3-4］。

当然，人类活动也是导致中盐度地下水形成的主要原因。过量开采深层地下水造成上部咸水含水层水位和深层淡水含水层水位数十米的水头差，给上部咸水的越流补给提供了水动力条件，另外降雨入渗占据原成水的浅部空间，最终导致浅层咸水淡化，深层淡水咸化，咸淡水界面向下移动［4］。在滨海地区，过量开采地下淡水导致地下水位下降，咸淡水界面之间的动态平衡被打破而出现海水向陆地含水层入侵的现象［5］，引起地下淡水水质咸化，造成海水入侵。总之，华北地区中盐度地下水是由越流补给和海水入侵双重作用引起的。

1.2 西北地区中盐度地下水形成的原因

西北内陆平原区降雨稀少，气候干燥，地面蒸发强烈，大气降水对地下水的补给极其微弱，水资源紧缺，水土流失严重，生态环境极度脆弱，日益突出的人-水-土地与生态环境之间矛盾加剧了生态环境退化情势，影响着西北社会经济可持续发展［6］。

李文鹏等［7］将内陆干旱盆地平原区从山前至盆地中心大致划为三个盐分迁移特征带，分别为盐分溶滤带、盐分迁移带和盐分聚集带，以此来揭示中国西北内陆干旱盆地地下水形成演化模式。由于地下水的积极循环交替使溢出带上游含水层骨架始终处于淋滤状态，可溶盐含量极低，形成了难溶而稳定的地球化学背景，地下水咸化程度很低。溢出带附近，因地下水位埋藏变浅甚至出露成泉，经长期蒸发浓缩作用成为地下水咸化形成的主要影响因素，因此仅在浅表地层中积盐，形成中盐度地下水，下部仍为TDS较低的淡水含水层。从地质历史过程看，溢出带浅表地层中的盐分最终还要被地表水或地下水带至下游区。在地下水流系统的作用下，盐分总是从下部带至地质历史时期的地表面，经蒸发作用而遗留于沉积物表层，从而形成上咸下淡的盐分分布格局。最终，盐分被水流携带入盐分聚集带，经过丰水期的湖水补给地下水，及枯水期的反补给，再加上强烈蒸发作用，使盐分析出，形成新的盐层。

另外，中盐度地下水由人类活动引起咸水入侵而产生:(1)咸水入侵灌区。大规模开采地下水，使灌区中部形成降落漏斗，改变了地下水的补给径流条件，造成地下水倒流，使高矿化咸水大量入侵，灌区地下水水质咸化。(2)咸水入侵井水。在西北内陆部分区域，第三系含水层中夹有石膏砂岩含水层，水质苦咸，当水井穿过此层时，不但受到这层苦咸水的横向入侵，而且，由于其具有承压性，往往越流垂直侵入上层和下层淡水体，使整个井水水质变咸［8］。(3)咸水入侵城市。大量开采城区地下水，引起地面沉降，使咸水入侵水源地，导致水源地水质急剧恶化，造成水源地报废，使得饮水困难。

2 中盐度地下水灌溉的必要性与可行性

2.1 地表水、地下淡水紧缺，区域缺水严重

我国是一个水资源严重匮乏的国家，淡水资源总量为2.81万亿 m3，居世界第六位，人均水资源占有量不足2 200 m3，比世界人均占有量的1/4还低，是全球公认的13个水资源贫乏国家之一［9］。

因此，在淡水资源缺乏而中盐度地下水资源相对丰富的地区，特别是在北方干旱地区或遇干旱年份，开发利用中盐度地下水资源不失为解决当地淡水资源短缺的良策。

2.2 中盐度地下水开采潜力大

我国地下咸水资源量丰富，据国土资源部2003年调查数据，全国矿化度1～3 g/L的地下微咸水天然资源为277亿m3，其中可利用的微咸水资源为200亿 m3/a，微咸水实际开采资源为130亿 m3/a;矿化度3～5 g/L的地下半咸水天然资源为121亿 m3［10-11］。据初步统计，华北、河北平原水矿化度2～5 g/L的地下水分布面积占43%～48%，咸水资源达56亿 m3，整个华北平原浅层咸水资源达75亿 m3;西北地区(新疆、甘肃、宁夏、陕西、青海、内蒙的部分地区)矿化度2～ 5 g/L 的地下咸水资源达 88.6 亿 m3［12］。

虽然中盐度地下水开采潜力较大，但不能无限制开发，超采会引起地面沉降、咸水入侵等问题。因此，应结合地质、气候以及土壤植被等生态条件来合理开发利用中盐度地下水，以缓解灌区水资源紧张的局面。

2.3 国内外中盐度地下水灌溉实践

国外利用中盐度地下水灌溉在以色列、美国、突尼斯、印度等国家都有成功经验。以色列科学家Boyko［13］(1996年)研究首次证实，许多植物能够利用矿化水灌溉，对于砂土地甚至可利用海水灌溉;美国西南部利用矿化度为2.5～4.8 g/L灌溉水进行了大量微咸水灌溉棉花实践;突尼斯没有矿化度小于1 g/L的淡水，在排水良好的盐碱地上，用矿化度2～5 g/L的咸水进行灌溉［14］;印度在一些地区也利用微咸水进行农田灌溉，季候雨的淋洗使微咸水灌溉后土壤未发生长期积盐现象。其它中亚、阿拉伯等国家已成功利用3～8 g/L的咸水进行农田灌溉。对于国外比较先进的现代灌溉技术，我们要消化吸收，但要因地制宜，循序渐进，改造研制出适合我国国情的节水技术并将其推广应用，这将为水资源的科学、合理、高效利用奠定基础。

我国从20世纪70年代开始，进行中盐度地下水灌溉试验研究。在河北、甘肃、内蒙古、陕西、山西、河南、宁夏、山东、新疆等地不同程度的利用中盐度地下水进行农田灌溉并获得高产［15］。河北省水科院利用4～6 g/L和2～4 g/L的咸水灌溉小麦、玉米，试验达到了比旱地增产2.1～2.6倍的效果。北京农业大学利用0.67 g/L的碱性淡水与5～7 g/L的咸水，按3:1～5:1混合灌溉粮食和棉花，结果粮食、棉花产量均提高了10倍。山东莱州湾利用2.4～3.2 g/L和3.2～5.0 g/L咸水在冬小麦返青后期的关键生育期进行灌溉，其产量比雨养种植的小麦增产 35.87%～38.43%［16］。李红等［17］于2007年利用2～5 g/L的中盐度地下水和淡水对山东西部盐渍化地区小麦、玉米进行灌溉试验，结果表明，如措施得当，可确保冬小麦、玉米等农作物产量，土壤表层不积盐。魏红国等［18］在新疆库尔勒国家灌溉试验站利用3 g/L的微咸水和淡水交替灌溉，可以提高棉花产量，且棉纤维品质优良，由灌溉带入土体的盐分通过淡水轮灌和冬灌，土体总盐分保持平衡。综上所述，国内已有的研究多以中盐度地下水地面灌为主，中盐度地下水滴灌方面的试验研究较少。

3 中盐度地下水灌溉综合技术研究

3.1 中盐度地下水灌溉水质评价

国内外已经进行了大量有关中盐度地下水灌溉试验研究，中盐度地下水为劣质水资源，灌溉后容易引起土壤积盐，使耕层的土壤含盐量或土壤溶液浓度超过作物的耐盐度，从而影响作物的生长和产量［19］。因此，进行中盐度地下水水质评价，有利于改善灌区灌溉状况，为保护地下水、调节区域水资源提供科学依据，对地下水资源可持续开发和综合管理起指导作用。

目前，关于中盐度地下水资源的评价有多种方法，国内外最常用的灌溉水质评价方法有以下几种:单指标评价法，包括盐度(S)、镁系数(KMg)、残余碳酸钠(RSC)、钠吸附比(SAR);综合危害系数(K);灌溉系数法(Ka)［20］。

3.2 中盐度地下水的利用模式

目前不同水质水源的利用主要有三种方式:直接利用咸水灌溉、咸淡混合灌溉(混灌)、咸淡交替灌溉(轮灌)。在没有淡水资源或淡水资源十分紧缺的情况下，可直接利用咸水灌溉。将高矿化度的咸水与淡水或低矿化度的咸水合理配比后，不但提高了灌溉水水质，增加可灌水的总量，而且使以前不能使用的碱水或高盐渍度咸水得以利用。在有一定量淡水资源的条件下，采用咸淡水交替轮灌耐盐作物或作物耐盐生长阶段，不但有利于增大土壤的导水能力且有利于土壤盐分淋洗，可更充分、有效地发挥咸淡水各自的作用和效益［21-22］。咸水是否适用于灌溉，不但取决于咸水盐分的含量及成分，而且与气候、土壤特性、作物品种、灌水方式、灌水定额等有关。

咸水与微咸水灌溉方式主要有:漫灌、沟灌、喷灌和滴灌。漫灌是一种比较粗放的灌水方法，灌水的均匀性差，耗水量大。沟灌作为一种传统的地面灌溉技术，水分利用效率低，大量灌溉水分无效蒸发，在超量灌溉的同时引起地下水位上升、土壤次生盐碱化等问题［23］。从节水的角度来说，喷灌的效果应该最好，但利用微咸水进行喷灌的过程中作物会受到土壤盐分胁迫，叶片吸收盐分受到损伤，甚至出现叶面烧死的现象，从而影响作物产量［24］。因此滴灌被认为是最适合用于中盐度地下水开发利用的灌溉技术，主要有以下优点:一是滴灌灌水频率高，每次的灌水流量小，能够在作物根区长时间维持较高的土壤总水势，减少由于灌溉而加剧的潜水蒸发和土壤返盐。二是利用微咸水滴灌能形成一个含水率较高且含盐量较低的区域，为作物提供一个良好的水盐环境［25］，能有效防止耕作层土壤次生盐渍化。三是滴灌节约了传统灌溉沟渠占地问题，使单位面积产量成倍增长。总之，滴灌能按时按量的把水及营养直接输送到植物的根部，避免了水的流失，这样可以使少量的水达到最佳效果，水、肥利用率高达80%～90%，节水50%～70%，节约肥料30%～50%［26］。同时，滴灌能改良盐碱地，把不毛之地变成生机勃勃的绿洲。

3.3 利用中盐度地下水灌溉对作物生长和产量影响

国内外大多研究矿化度为2～5 g/L的微咸水，但随着水资源匮乏的日益严峻，使开发矿化度大于5 g/L的咸水面临挑战与机遇，尤其是在中盐度地下水分布较为广泛的地区。

有关实验研究表明:利用3 g/L左右的微咸水连续灌溉冬小麦可行，慎用3～5 g/L的半咸水灌溉冬小麦;正常定额下玉米的耐盐能力为3 g/L，淋洗定额下玉米的耐盐能力为3.5 g/L;利用3 g/L左右的微咸水灌溉棉花可行，在秸秆覆盖条件下采用5～7 g/L咸淡水交替灌溉对棉花产量没有明显影响;正常定额下葵花的耐盐能力为5 g/L，淋洗定额下葵花的耐盐能力为7 g/L;利用3.0～5.1 g/L的咸水灌溉高粱，比不灌的增产30%以上［27］。另外，利用不同矿化度微咸水，结合适宜的灌溉方式、灌溉次数及灌溉定额，为瓜果蔬菜不同的生长期输送作物生长所需水分，会产生不同程度增产效果。

4 中盐度地下水利用的若干问题及建议

开发利用中盐度地下水有利于缓解我国干旱半干旱地区水资源危机，但如何合理运用而又不产生土壤次生盐渍化以及涝渍等土壤退化、咸水入侵、水源污染等问题，却有待进一步解决。为此，建议以后加强以下几个方面的研究工作:

1)选择恰当的利用模式。滴灌作为最适合中盐度地下水开发利用的灌溉技术，应结合区域特点，加强综合技术研究，为区域经济的发展提供依据。

2)加强区域水盐平衡研究。大面积进行中盐度地下水灌溉，会引起水资源时空分布变化，使区域性水资源均衡要素受到影响，加强区域水盐平衡的评价工作，有利于农业生态环境的良性循环。

3)中盐度地下水灌溉安全性研究。不恰当的中盐度地下水灌溉会引起作物品质和产量的下降，土壤积盐抑制作物根系吸收水分，可能会给作物根系造成盐胁迫环境，导致土壤盐渍化甚至土地荒芜。因此，研究中盐度地下水灌溉的安全性，有利于确保农业生产的可持续发展。

4)加强耐盐作物的培育。根据土壤盐碱化程度，种植适宜的耐盐作物，不但达到增产增收，而且有利于盐碱地开发利用。

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