盐碱池塘生态工程化种养系统构建与运行效果评价

朱 浩， 成水平， 王 健， 刘兴国， 来琦芳

(1同济大学环境科学与工程学院，上海 200092 ；2中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；3中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090)

盐碱地生态治理涉及多学科，具有长期复杂性。以盐碱地改良利用为目标的退化生态系统研究为世界性重大科学问题[1-4]。据统计，全世界盐碱地面积约 10 亿hm2[5]。中国盐碱地面积约 3 460 万hm2，另外近1/5 耕地正在发生盐碱化，其中原生盐化型、次生盐化型和各种碱化型分布分别占总面积的 52%、40%和 8%[6]。目前盐碱地治理方法可归纳为利用水利工程、化学、农艺和生物等处理措施[7-8]。水利工程处理措施已在美国加州等灌溉农业区和中国黄河三角洲等盐碱地区推广应用[9-11]。在中国西北地区，如采取引水洗盐治理土壤盐碱，该方法不仅浪费宝贵的水资源、流失土壤肥力，而且还有可能使下游耕地的地下水位升高，加重其盐碱危害[12]。近年来，中国科学家开始关注洗盐洗碱水体的回收利用，并提出“以渔制碱”的理念[13]。

本研究针对盐碱水的特点，设计了一种内陆池塘—抬田生态工程化种养系统。该系统利用抬田和预埋暗管结构实现洗盐压碱，利用排水渠、蓄水池收集盐碱水，利用池塘回用盐碱水，实现抬田盐碱水的综合利用，达到“节水、减排、生态”的渔农复合的目的，为盐碱池塘复合种养系统模式构建提供参考。

1 系统设计

1.1 设计原则

盐碱池塘生态工程化种养系统由抬田、排水渠、蓄水池和养殖池塘等组成。抬田下预埋穿孔暗管，暗管收集的渗透盐碱水汇总至蓄水池。抬田的水源为外河水，抬田泡田的水体排至排水渠，通过泡田洗盐和渗透洗盐两种方式对抬田进行盐碱化改良，渗透洗盐的水体流进蓄水池，同时通过池塘养殖回收利用盐碱水，形成复合种养系统，养殖池塘排放水排到系统外部湿地(图1)。

1.2 设计依据

1.2.1 抬田

利用挖蓄水池的土方堆砌抬田和田埂，田埂高0.5 m，埂宽0.5 m，抬田高出地面0.3～0.5 m，可容纳0.3 m泡田水深。抬田种植耐盐碱枸杞，枸杞株高1 m，种植间距2 m，种植密度0.6棵/m2。参照《高标准基本农田建设规范》[14]，抬田宽度选择25～35 m之间为宜，长度不超过100 m。

图1 盐碱池塘生态工程化种养系统工艺图

1.2.2 蓄水池

蓄水池池深低于抬田预埋暗管，以收集洗盐压碱渗出液。根据洗盐、浸泡次数估算抬田农业用水排放量。参考当地历年的蒸发水量，估算一个洗盐洗碱周期的农业用水排放总量。合理布置蓄水池，以蓄水池满足10%池塘供水为依据，估算养殖池塘面积，计算公式如下[15]：

Qa=Sa×(P/50%-E)+Sa×(Qc×k) ×2

(1)

Qb=Sb×h×10%×M×N

(2)

式中：Qa—种植区水量,m3；Qb—养殖区水量,m3；Qc—种植区灌溉量,m3；Sa—种植区面积,m；Sb—养殖区面积,m；P—降水量,mm；E—蒸发量,mm；k—渗透系数；h—池塘水深,m；M—换水量,m3/d；N—换水天数，d。

根据洗盐、浸泡次数，估算种植区水量Qa=3 000 m3/hm2。蓄水池为Qa的10%，池塘水深h=4 m，坡比L=1∶1.5，根据坡比和池深估算，蓄水量实际面积为0.26 hm2(4亩)。

1.2.3 养殖池塘

利用抬田周边鱼塘构建，总面积0.53 hm2(8亩)，长宽比1∶2，坡比1∶3，池深1.5 m，主养南美白对虾。养殖期内的养殖负荷量100 kg/667 m2。

1.2.4 暗管

依据《土地开发整理项目规划设计规范》[16]，暗管预埋在抬田下0.8 m处，地下暗管是带孔的聚氯乙烯(PVC)波纹管，管孔是由激光打孔机按一定规格打在波纹管的纹沟内，管径80～110 mm。暗管按设计深度和间距在激光制导下由埋管机按设计比降埋入地下，暗管四周裹有滤料用来防止粉末性土壤颗粒进入管内堵塞暗管。暗管埋深按地下水的埋深和改碱需要确定，一般为0.8～2.5 m。暗管不仅渗入和排出进入上部土壤且溶解了盐分的地表水，而且也截住了地下盐碱水和矿化度高的水不再上升到上层土壤造成返盐。暗管不仅有排碱功能，还具有排涝作用。

1.3 系统结构

生态工程化种养系统(图2)由4块抬田(共10 000 m2)、排水渠(共1 000 m2)、蓄水池(共2 000 m2)、养殖池塘(共4 000 m2)组成，面积比为10∶1∶2∶4。抬田、池塘、蓄水池呈排列布局，进排水渠道在池塘两侧，系统中的抬田底部铺设打孔暗管，暗管与蓄水池相通，蓄水池水体经水泵提升至进水渠，然后流进养殖池塘，提供养殖补充水体。工程施工完成后对土地进行平整，每个抬田按预先测定的高程确定平整基点，大功率平整机械在全球定位系统(GPS)和激光制导之下将抬田整平，高程差约为0.02 m。

1.4 生态沟

生态沟利用养殖池塘的排水渠构建(图3)，总长200 m，八字砖护坡，倒梯形结构，上口宽2.5 m，下口宽1.5 m，深2.0 m。渠壁两侧种植挺水植物芦苇，渠中放置生物网箱，网箱中放置漂浮植物如水浮莲、水葫芦，水体内还放养了贝类、滤食性和杂食性鱼类等。

2 材料与方法

在宁夏石嘴山泰嘉渔业有限公司养殖场进行试验，试验时间2017年8月10日—2018年2月10日。试验期间分别在抬田(4#、5#)、排水渠(1#、2#、3#)、蓄水池(6#)、养殖池塘(7#)选择了7个取样点(图2、表2)。

图2 盐碱池塘生态工程化种养系统平面布置图

图3 盐碱池塘生态工程化种养系统剖面图

项目采样点1#2#3#4#5#6#7#采样点位置排水渠排水渠排水渠抬田抬田蓄水池养殖池塘采样指标水质水质、土壤水质土壤土壤水质、土壤水质、土壤

试验期间，抬田枸杞种植不施肥不用药。池塘养殖南美白对虾，养殖负荷变动范围为50～100 kg/667m2。灌水量3 000 m3/hm2。

水样采集和处理方法采用《水质和废水监测分析方法》[17]，水温、pH、溶氧、氧化还原电位(ORP )指标等均用YSI556多功能水质分析仪测定。测量精度：水温±0.15 ℃、pH ±0.2、溶氧±0.2 mg/L、ORP±0.5%、盐度±0.003‰。

总氮、总磷、高锰酸盐指数、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等用HACH DR-2800 水质分析仪测定。

试验数据用SPSS13.0 软件统计，用单因子方差分析和差异显著性检验。

3 结果与分析

3.1 系统盐碱特征分析

3.1.1 盐度和氯化物变化情况

试验期间，蓄水池水体中盐度均值(38.67±2.29)‰，养殖池塘盐度均值为(2.26±0.06)‰，排水渠1#、2#、3#点盐度均值分别为(1.38±0.21)‰、(1.35±0.22)‰、(1.39±0.21)‰(图4)。

图4 盐碱池塘生态系统水体中盐度、氯化物变化规律

蓄水池水体中氯化物质量浓度均值为(4 200.69±1 653.55)mg/L，养殖池塘氯化物质量浓度均值为(905.71±500.71)mg/L，排水渠1#、2#、3#点氯化物质量浓度均值分别为(102.6±29.69)mg/L、(225.13±119.84)mg/L、(215.93±72.75)mg/L。

试验期间，各采样点水体中的盐度、氯化物呈规律性波动，随着时间的延长，各采样点水体中盐度、氯化物浓度不断上升，整个试验期内蓄水池和养殖池塘均高于排水渠。

3.1.2 pH和电导率变化情况

图5可知，不同采样点之间pH差异较大，其中6#、7#显著高于1#、2#和3#。这表明通过土壤渗透方式后的盐碱水pH高于土壤浸洗方式后的盐碱水。不同月份之间pH差异较小，总体上呈下降趋势。

图5 盐碱池塘生态系统水体中pH、电导率变化规律

这表明通过土壤渗透方式后，盐碱水中的pH随着渗透次数增多而下降；通过土壤浸洗方式后，盐碱水中的pH随着浸洗时间的延长而下降。不同采样点之间电导率差异较大，6#水体中电导率显著高于1#、2#、3#和7#。通过土壤渗透方式后盐碱水中电导率较高，这可能与盐碱水的离子浓度有关。不同月份之间盐碱水电导率差异较大，其中6#盐碱水中电导率先升高后降低，这可能是盐碱水中离子浓度先富集再逐步降低。1#、2#、3#和7#点盐碱水中电导率总体上呈下降趋势，表明通过土壤渗透方式后盐碱水中的电导率随着渗透次数增多而下降，通过土壤浸洗方式后盐碱水中的电导率随着浸洗时间的延长而下降。

3.1.3 土壤降碱效果分析

试验运行期间，2#排水渠土壤pH随时间延长先下降后略有上升；4#、5#抬田pH相对平稳，6#蓄水池pH随时间延长逐渐上升；7#养殖池塘pH随时间延长波动较大(表3)。

表3 盐碱池塘生态系统土壤pH和盐度的变化规律

由此可见，抬田土壤pH随着洗盐时间的延长相对平稳，但蓄水池土壤pH随着洗盐时间的延长上升较快，这反映了蓄水池收集浸出液使得水体中离子浓度较高。与pH表现一致，2#排水渠土壤盐度随时间延长逐渐下降；4#、5#抬田盐度相对平稳，土壤盐度在0.018‰以下，6#蓄水池盐度随时间延长先上升后下降；7#养殖池塘盐度随时间延长相对平稳。由此可见，抬田土壤盐度随着洗盐时间的延长相对平稳，但蓄水池土壤盐度随着洗盐时间的延长波动较大，这与蓄水池收集浸出水体中离子浓度较高有关。

3.2 系统水质特征

3.2.1 总氮和总磷变化情况

由图6可知，不同月份之间水体中的总氮、总磷有所波动，各采样点盐碱水体中总氮、总磷随时间的延长而上升，这表明通过土壤渗透、浸洗两种方式使得水体中的总氮、总磷得到积累。养殖试验期间，池塘养殖水体中的总氮<4 mg/L、总磷<1.3 mg/L，符合养殖需求。不同采样点水体中总氮值比较，6#总氮上升较快，这可能与水体中盐度较高、降解氮营养盐的细菌以及藻类不能生长有关。

3.2.2 高锰酸盐指数

由图7可知，不同月份之间水体中高锰酸盐指数有所波动，随着系统的运行，各采样点盐碱水体中高锰酸盐指数逐渐下降，这表明通过土壤渗透、浸洗两种方式使得水体中的高锰酸盐指数得到降解。不同采样点水体中总高锰酸盐指数比较，6#的指数先上升后下降，这可能是由于水力停留时间的延长，使得高锰酸盐下降。

图6 盐碱池塘生态系统水体中总氮、总磷的变化规律

图7 盐碱池塘生态系统高锰酸盐指数的变化规律

3.3 节水与减排分析

据调查，在宁夏地区盐碱地改良过程中春灌模式应用多年，其目的是通过水分淋洗作用把土壤中盐分压到作物根系层以下或排水渠中以改良土壤保证作物正常生长，在一定程度上达到了洗盐、节水、增产、增收的效果。根据文献[18-20]，洗盐压碱灌水量一般在3 000 m3/hm2，其脱盐效果在垂直方向上较为稳定。土壤盐度下降3.13%～13.33%[21-22]，pH在8～9[13-24]，洗盐压碱过程中灌溉回归水，水体中总氮质量浓度7.69 mg/L，总磷质量浓度1.38 mg/L[25-28](表4)。

盐碱池塘生态工程化种养系统洗盐用水量与传统洗盐种植地一致，土壤中盐度下降百分比高于传统洗盐工艺，土壤pH与传统洗盐种植地持平，灌溉回归水中总氮、总磷显著低于传统洗盐种植地，灌溉水利用率比传统洗盐种植提高了2.2～3倍。

表4 不同洗盐工艺用水与污染排放比较

4 讨论

盐碱池塘生态工程化种养系统具有“节水、减排、生态”的特点，是传统盐碱地改良、提高盐碱水综合利用的有效途径。在中国西北地区，春灌和冬灌是改良盐碱土的常用方式，利用灌溉压碱的方式淋洗土壤，将土壤中盐分压到作物根系层以下或排入排水沟中，可有效改良土壤[29]。本研究中，由抬田、蓄水池、池塘、排水渠组成的盐碱池塘生态工程化种养系统在改良土壤的同时能够有效收集洗盐压碱过程中的盐碱水，在改良盐碱的同时实现渔农复合。同时，西北地区在冬季由于蒸发、土壤水份减少导致返盐返碱[29-31]，而在本研究中，抬田土壤中pH和盐度变化平稳。

盐碱水分为不同类型，但大部分盐碱水均可被水产养殖二次利用[13]。养殖过程中，残饲和粪便酸化可以对池塘底质盐碱改良有一定的促进效果，同时，水生生物的活动对盐碱水有一定的改碱效果[5]。本系统将种植、养殖两种方式有机结合，充分考虑种植品种、养殖品种的耗水量和排水量以及土壤的特点等因素，发挥不同组分的功能，做到结构简单、效率最高，合理设计面积比例。在洗盐洗碱的过程中实现盐碱水的二次利用，洗盐和渗透的盐碱水水体中总氮、总磷能够满足养殖需求。与其他几种灌溉回归水利用方式相比较[25]，本系统盐碱水的二次利用率明显提高。

盐碱池塘生态工程化种养系统在国内研究的时间不长，目前缺乏相应的维护管理技术。盐碱土的改良以及盐碱水综合利用率不仅涉及系统的设计，同时与洗盐洗碱次数、种养工艺流程有关。盐碱复合种养系统的推广应用还需针对工艺流程做进一步的优化，研究建立包括设施构建、动植物选择与搭配、养殖技术等方面的管理技术体系，以及相应的增氧技术、藻类调控技术、底质改良技术等，这对于完善盐碱池塘生态工程化种养系统、实现技术推广是必要的。

5 结论

通过抬田—排水渠—蓄水池—池塘构建生态工程化种养系统可有效收集利用洗盐洗碱过程中的盐碱水，降低土壤中pH和盐度；盐碱水中的总氮、总磷和高锰酸盐指数等指标符合养殖需要。抬田—排水渠—蓄水池—池塘应有合理的比例，蓄水池比例一般不超过抬田20%。养殖池塘一般不超过蓄水池面积的3倍。种养系统的运行以浸洗和浸出渗透两种方式，主要根据土壤粘性选择洗盐洗碱方式，两种方式对盐碱地改良都有改善效果，一般以浸洗为主。

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