环渤海缺水区盐碱地改良利用技术研究*
2018-01-19刘小京
刘小京
环渤海缺水区盐碱地改良利用技术研究*
刘小京
(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022)
针对淡水资源匮乏制约盐碱地改良利用难题, 自1982年以来, 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心在环渤海低平原和滨海平原开展了缺水盐渍区盐碱地改良利用研究与示范工作, 取得了以下研究成果: 1)研究明确了低平原缺水盐渍区盐碱地改良的浅层地下水埋深调控深度, 建立了井灌代排、蓄雨淋盐的盐碱地改良技术模式; 2)揭示了咸水结冰融水咸淡水分离在滨海盐土的入渗规律, 发明了冬季咸水结冰灌溉改良滨海重盐碱地技术; 3)提出了耦合盐碱区土壤水盐运移-气候条件-植物生长发育规律的盐碱地改良思路, 建立了微域降盐、秸秆隔盐的盐碱地农艺改良技术模式; 4)探讨了盐生植物适应盐渍环境的机理, 建立了滨海盐碱地盐渍资源高效利用技术模式。形成了以咸水、雨水、耐盐植物高效利用为核心的工程措施、农艺措施与生物措施相结合的盐碱地改良利用技术体系, 为环渤海缺水盐渍区农业发展和生态环境建设提供了科技支撑。
环渤海; 缺水; 盐碱地; 井灌代排; 微域降盐; 咸水灌溉; 盐生植物
盐碱土是一系列受盐碱作用的土壤, 是各种盐土、碱土以及其他不同程度盐化和碱化的各种类型土壤的统称。全世界盐碱土面积约为9.5亿hm2, 我国盐碱土面积约为9 913万hm2(其中现代盐碱土约3 693万hm2), 主要分布于干旱、半干旱地带和滨海地区[1]。盐碱土由于含有过量的盐分离子, 影响植物的生长, 甚至不能成活, 导致盐碱区生物生产力低下, 生态环境较差。随着人口增加、耕地减少, 作为重要的土地资源, 盐碱土的改良利用越来越为重要, 对保障粮食安全和满足人们对美好生活的需求具有重要的意义。
为改良利用盐碱地, 1982年在河北省政府和中国科学院支持下, 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心(原中国科学院石家庄农业现代化研究所, 以下简称“农业资源研究中心”)的科研人员在河北省沧州市南皮县建立了盐碱地综合治理试验区, 开展农业综合发展研究和中低产田治理工作, 之后承担了国家、中国科学院和河北省“七五”—“九五”的黄淮海平原综合治理南皮近滨海缺水盐渍区综合治理科技攻关任务, 中日合作“提高黄淮海平原盐碱地生物生产力技术开发”(1991—1999年), 形成了井灌条件下以浅层地下水调控为核心、农艺技术和生物技术相结合的盐碱地治理模式, 相关治理成果“南皮近滨海缺水盐渍区综合治理配套技术研究”获得河北省科技进步一等奖(1990年度), 作为重要成果内容获得国家科技进步特等奖(1993年度)和二等奖(2003年度)。“十五”期间, 在河北省科技攻关计划支持下开辟海兴县滨海盐碱地改良利用试点, 承担了国家高技术研究发展计划(863计划)任务“海冰水资源化利用技术研究”、“十一五”公益性行业(农业)研究课题“黄淮海平原盐碱障碍耕地农业高效利用技术研究与模式”、“十一五”国家科技支撑计划课题“耐盐植物咸水安全直灌技术集成研究与示范”、国家自然科学基金课题“咸水结冰融水入渗条件下滨海盐土的水盐运移规律”等一批国家、中国科学院和河北省的研究任务, 形成了以盐碱土、咸水和耐盐植物高效利用为核心的“以盐治盐、适盐用盐”滨海盐碱地水土资源高效利用新模式, 相关成果“河北省滨海盐碱地适生种植技术集成研究与示范”获得河北省科技进步一等奖(2015年度)。以此为基础, 承担了“十二五”国家科技支撑计划项目“渤海粮仓科技示范工程”、“十三五”国家重点研发计划课题“内蒙河套盐碱地抗盐生态治理和优质草饲生态产业技术研究与集成示范”等科研任务。
在国家、中国科学院和河北省以及地方政府长期支持下, 历经3代人30余年不懈努力, 农业资源研究中心在缺水区盐碱地改良利用方面取得一系列的研究成果, 为保障国家粮食安全、水安全和生态安全, 促进农业可持续发展发挥了重要作用。
1 研究区概况
环渤海缺水盐渍区盐碱地主要分布于河北省的低平原和滨海平原。该区处于暖温带半湿润大陆季风气候区, 冬季寒冷少雪, 春季干燥多风, 夏季炎热多雨, 秋季晴朗干燥。该区光照充足, 年日照时数2 400~3 000 h, 比山麓平原区多200 h左右; 年平均气温10.8~13.3 ℃, 无霜期180~200 d; 低平原区年降水量450~550 mm, 滨海平原区年降水量600~700 mm, 80%的降水主要集中在7—9月。低平原区为古黄河、海河水系冲积而成, 滨海平原区为海积地貌, 地势低平而坡降小, 地下水径流滞缓。该区淡水资源短缺, 20世纪60年代的山区水库修建和海河流域的排涝工程, 解决了区域的洪涝灾害问题, 也使区域的水循环发生根本变化, 区域内河流常年断流, 基本没有出境径流。本区浅层地下水埋深较浅, 由低平原区的3~5 m, 过渡到滨海平原区的1~2 m。地下水的垂直分布大部分地区为浅层淡水—咸水—深层淡水, 在大约90%以上的面积范围内分布巨大的咸水体, 自西向东由低平原向滨海平原, 咸水体逐渐加厚, 厚度10~200 m, 矿化度逐渐增加。低平原区在咸水体之上, 分布着少量的条带状与古河流有密切关系的浅层淡水, 滨海平原浅层地下水为全咸水, 含盐量一般达10~30 g∙L-1, 近海滩可达30~50 g∙L-1。深层淡水的开采深度在250~800 m, 随着工农业用水增加, 水位不断下降, 超采形成大面积漏斗。受土壤质地、地下水、海水浸渍和气候条件等的影响, 区域土壤盐渍化严重[2]。按照中国土壤盐渍区分区划分[1], 环渤海缺水区盐碱地分属于黄淮海半湿润-半干旱耕作草甸盐渍区(低平原区)和滨海湿润-半湿润海水浸渍盐渍区(滨海平原区)。低平原区盐渍土类型主要为盐化潮土, 局部地方有盐土, 以SO4-Cl或Cl-SO4盐为主, 土壤含盐量一般在3~5 g∙kg-1, 局部高达8 g∙kg-1以上; 滨海平原区盐渍土类型主要为盐化潮土、盐化草甸土和滨海盐土, 盐渍过程先于成土过程, 盐分以NaCl为主, 土壤含盐量在6~23 g∙kg-1之间, 沿海高达35 g∙kg-1以上。在地下水和气候条件的双重作用下, 区域土壤盐分存在着明显的季节性积盐和脱盐, 一般为春季干旱少雨, 蒸发量大, 土壤盐分表聚严重; 夏季降雨量大, 土壤表现为脱盐; 秋季降雨减少, 蒸发增加, 表现为缓慢积盐; 冬季气温降低, 土壤盐分处于相对稳定期, 在地下水埋深浅的地区存在冻融积盐。
2 研究方法
针对淡水资源匮乏制约盐碱地改良问题, 依据区域土壤水盐运移规律, 结合气候条件和作物生长发育规律, 以浅层地下水调控和利用为中心, 结合雨水利用, 按照“用中求治、适盐用盐、以盐治盐”的总体思路, 采用田间试验与室内试验相结合的方法, 在低平原缺水盐渍区的南皮县和滨海平原盐渍区的海兴县建立了盐碱地改良利用试验区, 开展了井灌条件下浅层地下水调控改良盐碱地、咸水灌溉耕层水盐调控、覆盖抑盐隔盐、生物改土与适应性种植等水利工程措施、农艺与生物措施相结合的盐碱地改良利用技术研究, 与地方政府紧密结合, 规模化推广应用盐碱地改良利用成果。
3 主要成果
3.1 明确了低平原缺水盐渍区盐碱地改良的浅层地下水埋深调控深度, 建立了井灌代排、蓄雨淋盐的盐碱地改良技术模式
低平原区春旱、夏涝, 地下水位浅且水质咸, 当地下水位埋深在土壤返盐临界水位附近变化时, 土壤盐分呈春季蒸发积盐-雨季淋溶脱盐的周期性变化。根据多年试验研究和调查结果, 制定了不同季节防治旱涝碱咸的地下水临界埋深动态指标[3]: 旱季控制在防治盐碱化的地下水临界深度(2~3 m)以下, 雨季前控制在防涝蓄雨深度(4~6 m), 雨季控制水位不小于作物的抗湿深度(0.5~1.0 m), 以此达到旱季减蒸控盐、雨季淋盐改咸目的。根据地下水临界埋深动态调控指标, 采用井灌方式, 以井抗旱、以灌代排, 夏蓄春用周年调节方式, 达到抗旱除涝治碱改咸一体化的目的。研究结果表明[3], 春季大量提取浅层地下水抗旱灌溉, 增加重力水下渗, 可改变土壤自然蒸发积盐趋势, 加速土壤淋盐。在根层土壤含盐量2 g∙kg-1的轻度盐碱地上, 一次灌水750~825 m3∙hm-2, 0~30 cm土层脱盐达33%~56%, 30~100 cm土层脱盐达23%~32%。井灌降低地下水位以后, 降雨可使大面积盐碱地脱盐。据实际观测结果[3], 汛前(地下水埋深4~5 m)一次降雨量为25 mm、76 mm和159 mm时, 0~40 cm土层脱盐率分别为30%、35%和45%。由于春季井灌降低了地下水位, 可增大降雨入渗, 减少地表径流, 除补给土壤水以外, 大部分转化为地下水, 且促使浅层地下水的淡化。据研究[4], 在平水年雨季降水434 mm情况下, 降雨入渗补给地下水量最大值相应的雨季前埋深在4.5 m左右;在雨季前地下水埋深2.5~4.5 m范围内, 地下水每降深1 m, 降雨入渗补给地下水的数量增加6~22 mm。雨季前地下水埋深大于4.5 m时, 降雨入渗将随埋深增大而减少。
采用上述技术, 在南皮县建立的常庄试区, 1983—1988年5年间, 土壤耕层的含盐量由3.86 g∙kg-1降低到1.36 g∙kg-1, 盐化潮土的面积由占耕地的21%减少到5%, 浅层淡水面积扩大了43.5%, 微咸水面积缩小了42.8%[5]。
3.2 揭示了咸水结冰融水咸淡水分离与在滨海盐土的入渗规律, 发明了冬季咸水结冰灌溉改良滨海重盐碱地技术
环渤海滨海盐碱地受海积地貌影响, 海拔低, 地下水埋深浅, 矿化度高, 土壤盐渍化严重, 淡水资源匮乏, 难于采用地下水临界水位调控的水利工程措施进行改造。“盐随水来, 盐随水去”, 国内外的研究已经表明, 盐碱地改良利用的核心是“水”。对于淡水资源匮乏的滨海盐碱区, 其丰富的咸水资源和降雨资源的利用是区域盐碱地改良利用的核心。针对滨海盐碱区春季蒸发量大、降水少, 土壤返盐严重, 影响作物播种出苗和生长问题, 依据咸水结冰冻融咸淡水分离原理, 我们发明了冬季咸水结冰灌溉改良滨海重盐碱地技术。
咸水结冰融水试验结果表明[6-7], 由于不同矿化度咸水的冰点不同, 咸水冰融化时, 融水矿化度逐渐下降, 脱盐效果显著, 且与融冰温度有关。在-3 ℃时, 10 g∙L-1的咸水冰最初融化的水矿化度高达130 g∙L-1, 而融水体积仅占总体积的0.75%, 到融水占总融水量的39%时, 脱盐率已达99.6%, 剩余冰含盐量已降至0.063 g∙L-1。其他温度条件, 当50%的冰融化时, 脱盐率均达95%以上。咸水冰融化过程中, 融水的钠吸附比也逐渐下降。由于咸水结冰融水矿化度的变化, 影响融水在盐渍土的入渗。土柱试验表明[7-8], 相对于淡水冰融水入渗, 咸水冰融水入渗速度快、深度深, 且随咸水冰矿化度和水量升高, 以180 mm灌水量最好。在土壤含盐量达10~20 g∙kg-1, 180 mm的5~15 g∙L-1的咸水冰融水入渗完成后0~20 cm土壤脱盐率达95%以上, 高于淡水冰的84%。咸水冰的钠吸附比影响融水入渗但对脱盐效果没有显著影响。田间试验结果表明[9], 冬季当气温小于-5 ℃, 对滨海盐土灌溉180 mm小于15 g∙L-1的咸水, 地表能形成稳定冰层, 春季咸水冰融化后, 土壤含盐量降至4 g∙kg-1以下, 而没灌溉的土壤含盐量高达27 g∙kg-1。由于春季蒸发量大, 咸水冰融水入渗完成需结合抑盐措施防止土壤返盐。春季结合地膜覆盖可显著降低土壤盐分含量和提高土壤含水量[10-14]。2009—2011年咸水结冰灌溉覆膜处理棉花(spp.)播种期0~20 cm土壤盐分含量分别为3.2 g∙kg-1、2.9 g∙kg-1和1.7 g∙kg-1, 土壤含水量分别为26.2%、25.0%和24.2%, 棉花出苗率均达到85%。之后结合雨季淋盐, 整个生育期土壤含盐量维持3 g∙kg-1以下, 保证了棉花等作物的正常生长, 使不能生长农作物的滨海重盐碱地当年棉花产量达3 000 kg∙hm-2以上。咸水结冰灌溉同时促进了大颗粒土壤团聚体的形成[15], 增加土壤微生物的数量[16], 有利于土壤盐分的淋洗和土壤肥力的提高。
依据上述研究结果, 形成了以冬季咸水结冰灌溉为主体, 结合覆盖抑盐、雨水淋盐的滨海重盐碱地改良利用技术体系, 为淡水资源匮乏的滨海重盐碱地的开发利用提供了支撑。
3.3 提出了耦合盐碱区土壤水盐运移-气候条件-植物生长发育规律的盐碱地改良思路, 建立了微域降盐、秸秆隔盐的盐碱地农艺改良技术模式
在季风气候区, 作物生长、气候条件和土壤的水盐运移, 既有矛盾, 又有统一[17]。植物的生长发育具有阶段性耐盐特征[18], 种子发芽和苗期生长阶段是盐敏感时期, 之后耐盐能力逐步提高。在季风气候区, 春季蒸发量大、降水少, 为强烈的蒸发积盐阶段, 这一时期又是一般植物的发芽和苗期生长阶段, 如果土壤含盐量高则影响植物的正常生长; 夏季降雨量大, 是土壤脱盐期, 且雨热同季, 能够保证作物快速生长发育; 秋季虽然处于土壤缓慢积盐时期, 但植物处于生长后期, 耐盐能力较强。因此, 春季创造适宜的植物出苗生长的微域低盐环境, 是实现季风气候区植物生长的关键。
研发的开沟起垄、微域降盐“三微两覆”重盐碱地快速改良技术[3], 采用开沟起垄(沟宽0.5~1.0 m, 沟深0.2 m, 垄背宽0.5~1.5 m)的微工程, 微量深井水(225 m3∙hm-2)进行沟灌洗盐保苗, 垄背覆地膜集雨防盐, 沟内覆秸秆保墒, 改善了水盐微循环过程, 在沟底及其两侧形成了一个土壤脱盐淡化区, 土壤含盐量全年稳定在2.0 g∙kg-1以下, 通过种植高经济价值的瓜菜, 实现盐碱地的快速治理和高效生产。研发的基于秸秆深埋隔盐的“滨海盐碱地两相耕作法小麦()快速增产技术”[19-20], 采用雨季淋盐期种植高秆作物, 如玉米(), 收获时采用深耕犁整株翻埋于耕层以下20 cm, 形成秸秆隔盐层, 然后播种冬小麦。由于秸秆层阻止了春季返盐期土壤盐分随水分上移, 维持了耕层低盐环境, 保证了冬小麦正常生长。采用该项技术, 在春季返盐期, 土壤耕层盐分保持在3 g∙kg-1以下, 而无秸秆隔层的达6 g∙kg-1以上, 冬小麦产量可提高15%~100%以上。
据此, 提出了耦合盐碱区土壤水盐运移-气候条件-植物生长发育规律的盐碱地改良思路[17], 并形成了以微域降盐和秸秆隔盐为主的盐碱地农艺改良技术模式。上述技术模式也应用到了宁夏[21-22]、江苏[23]等地的盐碱地治理当中。
3.4 探讨了盐生植物适应盐渍环境的机理, 建立了滨海盐碱地盐渍资源高效利用技术体系
耐盐植物种植是盐碱地改良利用的主要生物措施。农业资源中心“七五”期间在低平原中轻度盐渍区通过种植苜蓿(), 取得了较好的效果。研究结果表明[3], 通过种植苜蓿增加了植被覆盖, 改善了土壤结构, 土壤盐分有下降的趋势。但由于苜蓿收获带走的盐分有限, 仅靠生物排盐不足以消除盐渍化的威胁。这就为我们提出了个问题, 就是直接种植耐盐植物把盐碱地高效利用起来。1991年在中日合作“提高黄淮海平原盐碱地生物生产力”项目的支持下, 开始规模化引进筛选耐盐植物品种。2001年组织召开了首届“国际盐生植物利用与区域农业可持续发展学术研讨会”, 推动了我国盐生植物的研究利用。
在盐生植物适应盐渍环境机理方面, 我们研究明确了盐生植物的发芽需要一定的低盐环境[24-27]、盐生植物种子二型性的耐盐差异及调控机制[28-31]、干旱条件下适当的盐分胁迫促进盐生植物的生长[32]、盐胁迫下增加氮可提高盐生植物的耐盐能力[33]、不同盐生植被类型土壤盐分和养分存在着差异[34]、土壤水盐差异影响不同类型盐生植物的分布[35]、盐生植物根系在差异化土壤盐分下具有补偿效应[36]等, 同时研究了盐生植物的开发利用价值[37]以及盐生植物种植的改土[38]与碳汇效应[39-40]。在开展机理研究的同时, 开展了乡土盐生植物品种的筛选与驯化工作, 审定了具有耐盐、优质、高产的枸杞()品种‘盐杞’和‘海杞’, 具有耐盐、生长迅速、树形美观的柽柳()品种‘海柽1号’, 同时收集保存了一批耐盐的种质资源。
根据盐生植物的耐盐特征, 结合咸水利用和微域降盐措施, 采用覆盖、咸水灌溉、耕翻、耧划、补施氮磷、育苗穴植等措施, 在滨海重盐碱地建立起了以耐盐(盐生)植物、盐碱地和咸水利用相结合的盐渍资源高效利用技术体系, 形成了盐碱地耐盐作物种植、经济盐生植物种植、盐碱地原土绿化模式, 在河北省海兴、黄骅、曹妃甸以及天津滨海地区进行了示范应用, 为滨海盐碱地适应性开发利用和生态环境改善提供了科技支撑。
4 展望
我们的实践表明, 盐碱地的改良利用“水”是核心, 通过合理利用水资源, 特别是在环渤海缺水盐渍区科学利用降雨和浅层地下咸水资源, 创造适宜植物生长的低盐根层环境, 结合农艺和生物措施, 走与自然和谐共生的盐碱地改良利用之路, 可实现盐碱地的高效开发。随着社会经济发展, 人们对盐碱地的开发利用提出了多样化需求。下一步, 在保障粮食安全基础上, 牢记绿水青山就是金山银山, 坚持人与自然和谐共生方略, 在盐碱地改良利用理论与技术方面重点需要从以下几个方面突破:
一是盐碱地植物根土界面水盐调控理论与技术。盐碱地改良的目的是创造适宜植物生长的根层环境, 植物的生长离不开水和养分。低盐植物根层环境的创建, 需要揭示植物根土界面的水分、盐分、养分的互作关系以及形成根土界面适宜的水分、养分和盐分的技术, 如大颗粒土壤团聚体的构建技术等。二是加强盐碱地节水改良技术的研发。研究盐碱地改良利用的咸水灌溉、雨水集蓄、节水改土等技术, 建立多水源利用改土的技术体系。三是加强耐盐作物和经济盐生植物的筛选培育。利用传统和现代生物学技术, 筛选培育耐盐作物, 特别是加强经济盐生植物的筛选、评价以及适宜的栽培技术研究。四是加强盐碱地植被建设技术的研究。变传统的改造为适应性种植, 特别要注重盐碱地原土草场建植及绿化技术的研发。五是加强盐碱地开发利用的生态效应评价。特别是盐碱地改良利用的水土资源效应、固碳增汇效应等, 为盐碱地的可持续开发提供支撑。
[1] 王遵亲, 祝寿泉, 俞仁培. 等. 中国盐渍土[M]. 北京: 科学出版社, 1993 WANG Z Q, ZHU S Q, YU R P, et al. Salt-Affected Soils in China[M]. Beijing: Science Press, 1993
[2] 河北省农业区划委员综合农业区划编写组. 河北省综合农业区划[M]. 石家庄: 河北人民出版社, 1985 Editing Group of Comprehensive Regionalization of Agriculture, Hebei Provincial Committee for Zoning of Agriculture Areas. Comprehensive Regionalization of Agriculture in Hebei Province[M]. Shijiazhuang: Hebei People’s Publication House, 1985
[3] 田魁祥. 近滨海缺水盐渍区综合治理技术研究[M]. 北京: 科学出版社, 1992: 1-23 TIAN K X. Integrate Management of Salt-Affected Land in Low Land Plain[M]. Beijing: Science Press, 1992: 1-23
[4] 方生, 代文元. 华北平原有咸水区雨洪控制利用[J]. 南水北调与水利科技, 2003, 1(1): 38-43 FANG S, DAI W Y. Control of utilization of rainwater in saline groundwater region of North China Plain[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2003, 1(1): 38-43
[5] 王新元, 田魁祥, 邢新海, 等. 近滨海缺水盐渍区浅层地下水优化利用与调控模式的研究[J]. 农业现代化研究, 1990, 11(2): 47-50 WANG X Y, TIAN K X, XING X H, et al. Studies on optimizing utilization and adjusting model of shallow groundwater in salt-affected with water scarcity low land plain[J]. Research of Agricultural Modernization, 1990, 11(2): 47-50
[6] 郭凯, 刘小京. 咸水结冰融化过程中水质与水量的变化规律初步研究[J]. 灌溉排水学报, 2013, 32(1): 56-60 GUO K, LIU X J. The primary research on the variation of melted water quality and quantity during saline ice melting[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(1): 56-60
[7] GUO K, LIU X J. Dynamics of meltwater quality and quantity during saline ice melting and its effects on the infiltration and desalinization of coastal saline soils[J]. Agricultural Water Management, 2014, 139(4): 1–6
[8] LI Z G, LIU X J, ZHANG X M, et al. Infiltration of melting saline ice water in soil columns: Consequences on soil moisture and salt content[J]. Agricultural Water Management, 2008, 95(4): 498-502
[9] 李志刚, 刘小京, 张秀梅, 等. 冬季咸水结冰灌溉后土壤水盐运移规律的初步研究[J]. 华北农学报, 2008, 23(增刊): 187-192 LI Z G, LIU X J, ZHANG X M, et al. A primary study on the reclamation of coastal saline soil with freezing irrigation of saline water in winter[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2008, 23(Sup.): 187-192
[10] 郭凯, 张秀梅, 李向军, 等. 冬季咸水结冰灌溉对滨海盐碱地的改良效果研究[J]. 资源科学, 2010, 32(3): 431-435 GUO K, ZHANG X M, LI X J, et al. Effect of freezing saline water irrigation in winter on the reclamation of coastal saline soil[J]. Resources Science, 2010, 32(3): 431-435
[11] 张秀梅, 郭凯, 谢志霞, 等. 冬季咸水结冰灌溉下滨海重盐碱地土壤水盐动态及对棉花出苗和产量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(10): 1310-1314 ZHANG X M, GUO K, XIE Z X, et al. Effect of frozen saline water irrigation in winter on soil salt and water dynamics, germination and yield of cotton in coastal soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(10): 1310-1314
[12] 郭凯, 张秀梅, 刘小京. 咸水结冰灌溉下覆膜时间对滨海盐土水盐运移的影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(6): 1202-1212 GUO K, ZHANG X M, LIU X J. Effect of timing of plastic film mulching on water and salt movement in coastal saline soil under freezing saline water irrigation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(6): 1202-1212
[13] 封晓辉, 张秀梅, 郭凯, 等. 覆盖措施对咸水结冰灌溉后土壤水盐动态和棉花生产的影响[J]. 棉花学报, 2015, 27(2): 135-142 FENG X H, ZHANG X M, GUO K, et al. Effect of different salt control measures after saline water freezing irrigation to soil water, salt dynamics, cotton emergence and yield[J]. Cotton Science, 2015, 27(2): 135-142
[14] GUO K, LIU X J. Infiltration of meltwater from frozen saline water located on the soil can result in reclamation of a coastal saline soil[J]. Irrigation Science, 2015, 33( 6): 441-452
[15] JU Z Q, DU Z L, GUO K, et al. Irrigation with freezing saline water for 6 years alters salt ion distribution within soil aggregates[J]. Journal of Soils and Sediments, 2018, doi: 10.1007/s11368-018-2017-0
[16] 魏新燕, 刘小京. 咸水结冰灌溉对滨海盐碱地不同植被根区土壤微生物的影响[J]. 河北农业大学学报, 2014, 37(1): 22-26 WEI X Y, LIU X J. Microbial ecological characteristics of planted saline-alkali soil in coastal saline area by freezing saline water irrigation[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2014, 37(1): 22-26
[17] 刘小京, 李向军, 陈丽娜, 等. 盐碱区适应性农作制度与技术探讨——以河北省滨海平原盐碱区为例[J]. 中国生态农业学报, 2010, 18(4): 911-913 LIU X J, LI X J, CHEN L N, et al. Study on the adaptive farming system in saline soils —A case study in saline area of strand plain in Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(4): 911-913
[18] UNGAR I A. Ecophysiology of Vascular Halophytes[M]. Boca Raton, Florida: CRC Press, 1991: 9−48
[19] LI W Q, LIU X J, QIAO H L, et al. Two phase tillage: Quick method for crop production in saline soils[C]//Proceedings SUSDEV-CHINA Symposium: Sustainable Agroecosystem Management and Development of Rural-urban Interaction in Region and Cities of China. MTT Agrifood Research, Finland: Agrifood Research Reports 68, 2005: 66−72
[20] 乔海龙, 刘小京, 李伟强, 等. 秸秆深层覆盖对土壤水盐运移及小麦生长的影响[J]. 土壤通报, 2006, 37(5): 885−889QIAO H L, LIU X J, LI W Q, et al. Effect of deep straw mulching on soil water and salt movement and wheat growth[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(5): 885−889
[21] 王婧, 逄焕成, 任天志, 等. 地膜覆盖与秸秆深埋对河套灌区盐渍土水盐运动的影响[J]. 农业工程学报, 2012, 28(15): 52-59 WANG J, PANG H C, REN T Z, et al. Effect of plastic film mulching and straw buried on soil water-salt dynamic in Hetao plain[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(15): 52-59
[22] 赵永敢, 逄焕成, 李玉义, 等.秸秆隔层对盐碱土水盐运移及食葵光合特性的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(17): 5153-5161 ZHAO Y G, PANG H C, LI Y Y, et al.Effects of straw interlayer on soil water and salt movement and sunflower photosynthetic characteristics in saline-alkali soils[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(17): 5153-5161
[23] 郭相平, 杨泊, 王振昌, 等. 秸秆隔层对滨海盐渍土水盐运移影响[J]. 灌溉排水学报, 2016, 35(5): 22-27 GUO X P, YANG B, WANG Z C, et al. Influence of straw interlayer on the water and salt movement of coastal saline soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(5): 22-27
[24] 段德玉, 刘小京, 冯凤莲, 等. 不同盐分胁迫对盐地碱蓬种子萌发的效应[J]. 中国农学通报, 2003, 19(6): 168-172 DUAN D Y, LIU X J, FENG F L, et al. Effect of salinities on seed germination of halophyte[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2003, 19(6): 168-172
[25] DUAN D Y, LIU X J, KHAN M A, et al. Effects of salt and water stress on seed germination ofL.[J]. Pakistan Journal of Botany, 2004, 36(4): 793-800
[26] 李存桢, 刘小京, 黄玮, 等. 不同盐分胁迫对中亚滨藜种子萌发及其恢复的影响[J]. 河北农业大学学报, 2005, 28(6): 1-4, 14LI C Z, LIU X J, HUANG W, et al. Effect of salt stress on seed germination and its recovery of[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2005, 28(6): 1-4, 14
[27] DUAN D Y, LI W Q, LIU X J, et al. Seed germination and seedling growth ofunder salt stress[J]. Annles Botanici Fennci, 2007, 44(3): 161-169
[28] LI W Q, LIU X J, KHAN M A, et al. The effect of plant growth regulators, nitric oxide, nitrate, nitrite and light on the germination of dimorphic seeds ofunder saline conditions[J]. Journal of Plant Research, 2005, 118(3): 207-214
[29] LI W Q, AN P, LIU X J, et al. The effect of light, temperature and bracteoles on germination of polymorphic seeds ofunder saline conditions[J]. Seed Science & Technology, 2008, 36: 325-338
[30] LI W Q, LIU X J, HANADA A, et al. Effect of cold stratification, scarification and hormones on germination of dimorphic seeds ofunder saline conditions[J]. Seed Science & Technology, 2011, 39: 82-92
[31] XU J, YIN H X, YANG L L, et al. Differential salt tolerance in seedlings derived from dimorphic seeds of: From physiology to molecular analysis[J].Planta, 2011, 233(5): 859-871
[32] LIU X J, HUANG W, NIU Z, et al. Interactive effect of moisture levels and salinity levels of soil on the growth and ion relations of halophyte[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2008, 39(5/6): 741-752
[33] LIU X J, YANG Y M, LI W Q, et al. Interactive effects of sodium chloride and nitrogen on growth and ion accumulation of a halophyte[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2004, 35(15/16): 2111-2123
[34] 刘小京, 李伟强, 杨艳敏, 等. 河北省滨海盐碱地土壤与盐生植物养分特征的研究[J]. 中国生态农业学报, 2003, 11(2): 76-77 LIU X J, LI W Q, YANG Y M, et al. Studied on the nutrient characteristics of soil and halophytes in coastal saline soil of Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2003, 11(2): 76-77
[35] 李劲松, 郭凯, 李晓光, 等. 模拟干旱和盐碱胁迫对碱蓬、盐地碱蓬种子萌发的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(7): 1011-1018 LI J S, GUO K, LI X G, et al. Effects of PEG, NaCl and Na2CO3stresses onandseed germination[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(7): 1011-1018
[36] FENG X H, AN P, GUO K, et al. Growth, root compensation and ion distribution inunder heterogeneous salinity stress[J]. Scientia Horticulturae, 2017, 226: 24–32
[37] BAI Y J, LIU X J, LI W Q. Primary analysis of four salt tolerant plants growing in Hai-He Plain, China[M]//LIETH H. Cash Crop Halophytes: Recent Studies. Kluwer, Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2003: 135-138
[38] FENG X H, AN P, LI X G, et al. Spatiotemporal heterogeneity of soil water and salinity after establishment of dense-foliageon coastal saline land[J]. Ecological Engineering, 2017, doi: 10.1016/j.ecoleng.2017.06.031
[39] 李晓光, 郭凯, 封晓辉, 等. 滨海盐渍区不同土地利用方式土壤-植被系统碳储量研究[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(11): 1580-1590 LI X G, GUO K, FENG X H, et al. Carbon storage of soil-vegetation system under different land use patterns in saline coastal regions[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1580-1590
[40] LI X G, GUO K, FENG X H, et al. Soil respiration response to long-term freezing saline water irrigation with plastic mulching in coastal saline plain[J]. Sustainability, 2017, 9(4): 621
Reclamation and utilization of saline soils in water-scarce regions of Bohai Sea*
LIU Xiaojing
(Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China)
Freshwater scarcity is one of the main constraints to the reclamation of saline soils. Research and demonstration studies on the reclamation and utilization of saline soils in water-scarce regions of Bohai Sea started since 1982 in Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences. The experiments had included regulation of shallow groundwater table via well-water irrigation and rainwater recharge, soil salt leaching via saline water irrigation, root-zone soil desalination via agronomic methods and utilization of halophytes. The major achievements were as follows: 1) the regulating levels of shallow groundwater table were determined and the patterns of management by well-water irrigation and rainwater leaching to control soil salinization in lowland plains established. Through well-water irrigation, the critical level of shallow groundwater table was kept at >2-3 m during the dry season to reduce soil evaporation and control soil salinization. This was further reduced to 4-6 m before the rains to enhance rainwater recharge and in turn leaching of soil salts and dilution of saline groundwater. Next the groundwater table was kept at >0.5-1.0 m during the rains again to assure healthy crop growth. After the implementation of this method in Changzhuang Town (Nanpi County in Hebei Province) for the period 1983–1988, soil salt content decreased from 3.86 g∙kg-1to 1.36 g∙kg-1, and the area of saline Chao soil and saline groundwater dropped by 76.2% and 42.8%, respectively. 2) The separation process of saline water and freshwater by melting saline ice and its infiltration into saline soil were revealed and the method of reclamation of coastal saline soils by freezing saline water in winter invented. Lab experiments showed that saline ice was desalinized efficiently by melting, which produced about 60% low salinity (< 4 g∙L-1) water from melting saline ice (< 15 g∙L-1). Also the infiltration of saline ice melt-water reduced surface soil salt content. Field experiments indicated that by freezing saline water (< 15 g∙L-1) irrigation in winter (<-5 ℃) combined with plastic film or straw mulching and rainwater leaching improved coastal saline soil. The soil salt content in 0-20 cm was less than 3.0 g∙kg-1during the growing season under freezing saline water irrigation, while it exceeded 10 g∙kg-1under control (no irrigation) treatment. 3) Trough coupling of the dynamics of soil salt and water, climate and plant growth, the agronomic patterns of soil salinization control in the root zone was established via ridging, mulching and straw incorporation into the deep soil layer. In monsoon climate regions, there was soil salinization in spring due to low rainfall and high evaporation, and then soil desalinized in summer due to high rainfall. Seed germination and seedling growth were the salt-sensitive stages, which usually occurred in spring. Therefore, it was important to create low salinity in the root zone for health growth of plant in spring. In order to desalinize the root zone soil, field ridging in spring and straw incorporation in autumn were studied. The results showed that field ridging, combined with plastic film and straw mulching, reduced soil salinity to 2.0 g∙kg-1and straw incorporation into deep soil layer controlled the soil salinity in spring at < 3 g∙kg-1. 4) The adaptive mechanisms of halophytes to saline soils were explored and the pattern of efficient utilization of saline resources established. For the utilization of saline soils and saline water, salt tolerant plants and halophytes were collected and screened. The effects of salt stress, combined with those of water and nutrient application, on seed germination and plant growth were studied. The results showed that seed germination required low salinity, moderate salinity alleviated drought stress on seed germination and seedling growth, NO played a very important role in the regulation of salt tolerance of seedlings derived from dimorphic seeds of, and N application increased the growth of halophytes under salt stress, etc. Based on the characteristics of salt tolerance of different plants, the method of growing plants in saline soils was established. This included land plowing, holing cultivation, fertilizer application, frozen saline water irrigation, mulching, etc. The application of the above results has supported crop production and ecological rehabilitation of saline soils in water-scarce regions of Bohai Sea.
Bohai Sea; Water scarcity; Saline soil; Well-water irrigation; Root-zone soil desalinization; Saline water irrigation; Halophyte
, LIU Xiaojing, E-mail: xjliu@sjziam.ac.cn
Jul. 25, 2018;
Aug. 5, 2018
10.13930/j.cnki.cjea.180725
S287; S343.4
A
1671-3990(2018)10-1521-07
2018-07-25
2018-08-05
*The study was supported by the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFZD-SW-112-4).
*中国科学院科技服务网络(STS)计划项目(KFZD-SW-112-4)资助
刘小京, 主要从事盐碱地水土资源高效利用研究。E-mail: xjliu@sjziam.ac.cn
刘小京. 环渤海缺水区盐碱地改良利用技术研究[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(10): 1521-1527
LIU X J. Reclamation and utilization of saline soils in water-scarce regions of Bohai Sea[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1521-1527