盐碱地水盐调控研究*

孙宏勇, 刘小京, 张喜英



盐碱地水盐调控研究*

孙宏勇, 刘小京, 张喜英

(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)

高效安全利用咸水资源是提高环渤海低平原区农业生产可持续发展的重要保障。本文针对该区淡水缺乏、咸水充沛和土壤盐碱贫瘠等因素制约农业生产的问题, 回顾了20世纪80年代以来在以中国科学院南皮生态农业试验站为典型代表站点的黄淮海缺水盐渍区开展的以盐碱地治理和农田生产力提升为目标的农田水盐运移过程及调控研究成果。20世纪50—60年代, 该区域的工作主要是通过建立排水系统减少区域洪涝灾害发生。20世纪80年代, 通过研究提出了控制盐碱的合理浅层地下水水位阈值, 形成了以浅层地下水优化治理盐碱地提高农业生产的技术体系; 20世纪90年代以来形成了微咸水资源安全灌溉理论及技术体系, 冬小麦咸水灌溉阈值从3 g∙L-1提升到5 g∙L-1, 并阐述了微咸水灌溉阈值提升的理论基础; 近10年来研究并阐明了农田生态系统水盐运移过程及主要限制因子调控机理, 研发了以集蓄雨水、咸水利用、合理引水和节约淡水为核心的农田多水源综合利用技术, 集成了农田多水源综合利用模式。根据多年的研究积累, 以突破水土资源限制农业生产的问题为导向, 实施了国家区域战略性增粮工程渤海粮仓科技示范工程, 取得了明显的社会、经济和生态效益。在农田水盐研究方面, 未来将以提高综合效益和资源利用效率为核心, 开展基于生态平衡的作物产量、质量和资源利用效率的协同提升研究, 适应区域水土资源的农业绿色发展研究, 微咸水高效安全利用的机理过程、技术研发及示范工作, 为该区农业可持续健康发展提供理论依据和技术支撑。

环渤海低平原区; 水盐运移; 农田生态系统; 农业生产; 咸水灌溉; 水盐调控; 南皮生态农业试验站

黄淮海缺水盐渍区是黄淮海平原的重要组成部分, 该区农业生产是黄淮海中低产农田典型代表。本区年降水量450~600 mm, 降水年际变率大、季节分配不均, 不能满足作物生产的需要, 粮食的高产稳产必须依赖灌溉。同时, 本区的地表水资源和浅层地下水资源多为咸水和微咸水, 因此农业灌溉水的主要来源为深层地下水, 但连年的超采导致深层地下水急剧下降, 已经形成了深层水地下漏斗区, 承压地下水位降落漏斗区中心水位每年以2~3 m速度下降[1], 对本区农业生产持续发展构成了严重威胁。中国科学院南皮生态农业试验站(简称“南皮试验站”)是黄淮海缺水盐渍区的典型代表, 针对缺水盐渍区淡水资源短缺、土壤盐碱贫瘠等农业生产发展的主要限制因素问题, 南皮试验站以盐碱地治理提升农田生产力作为主要目标, 以咸水资源高效利用作为研究重点, 把农田水盐运移和调控研究作为主要研究方向。通过几代科研人员的努力, 该研究方向不断得到发展和加强。本文就黄淮海盐渍区盐碱地治理与农田水盐运移过程及调控方面的主要研究进展和未来发展方向进行探讨。

1 缺水盐渍区典型代表类型区

黄淮海低平原缺水盐渍区耕地面积占全国耕地面积的1/6, 总面积达300 000 km2, 其中, 中低产田面积却占黄淮海平原农田面积的2/3, 但这是我国重要的粮食生产基地, 在保障国家粮食安全和国民经济发展中发挥着不可替代的作用[2]。

该区域为低平原与山前平原的过渡地带, 海拔5~20 m。地表平缓, 西南高, 东北低, 坡降为1/800~ 1/2 000。该区土壤为冲积或洪积母质, 沙、壤、黏垂直相间、水平交替分布。土壤属潮土、盐土两类, 分褐化潮土、普通潮土、盐化潮土、草甸盐土4个亚类。普通潮土占耕地面积的60%, 有机质含量6.22~ 9.25 g∙kg-1、全氮0.43~0.58 g∙kg-1、全磷0.96~1.21 g∙kg-1; 褐化潮土占耕地面积的11.3%, 有机质含量7.88~9.19 g∙kg-1、全氮0.49~0.59 g∙kg-1、全磷0.80~ 0.89 g∙kg-1; 盐化潮土占耕地面积的21.2%, 有机质含量7.55~8.84 g∙kg-1、全氮0.42~0.59 g∙kg-1、全磷0.91~ 1.21 g∙kg-1;沼泽型草甸土占耕地面积的7.5%, 低洼积水, 心土黏重, 剖面见锈斑、底层灰斑, 不易农用。土壤pH为8.2~8.8, 普遍偏碱[3]。

该区域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。年平均气温12.3℃。年日照总时数2 938.6 h, 年总辐射量559.24 kJ∙cm-2。该区降水多年平均450~ 580 mm, 60%~70%的降水集中在7—8月份。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, 多年平均径流系数为0.09~0.11, 基本没有出境径流。地下水资源匮乏。深层为碱性淡水, 开采深度250~350 m, 浅层地下水埋深2~10 m。淡水、微咸水和咸水相间分布, 分别占水资源调查中定位监测总面积(50 km2)的30.2%、59.2%和10.6%。微咸水和咸水资源相对丰富。根据开采量、地下水动态变化, 模拟出常庄试区浅层地下淡水(矿化度≤2 g∙L-1)多年平均可供水量为1.383´106m3∙a-1, 微咸水(矿化度≤3 g∙L-1)为2.493´106m3∙a-1; 深层淡水为1.500´106m3∙a-1[3]。按现有农业布局和种植业结构现状, 需水量是供水量的2倍以上。

本区河流属海河水系, 主要包括子牙河系、黑龙港运东系和漳卫南运系。流经区域内的有滹沱河、滏阳新河、子牙河、子牙新河、黑龙港河、卫运河、南运河、宣惠河、漳卫新河等。黑龙港地区地表水资源量只有6.560×108m3。地下水资源包括浅层淡水、浅层微咸水和深层碱性淡水, 总量2.854×108m3, 其中浅层微咸水(2~3 g∙L-1)和咸水(3~5 g∙L-1)分别为5.250×109m3和2.890×109m3。浅层地下水多为第一、二含水组, 深层地下水多为第三、四含水组。第一、第二含水层混合开采, 之间基本无连续隔水层。第三含水层组与第二和第四含水层组之间均有稳定的隔水层, 具有承压性, 为深层承压地下水[3]。该区由于连年的超采深层地下水, 已经成为了著名的漏斗区域, 是地下水严重超采区的典型代表。

从上述农业资源来看, 该区域主要面临缺少淡水、拥有充沛咸水微咸水, 土壤盐碱、贫瘠等问题, 这些是制约区域农业可持续高效发展的主要障碍因子。历史上曾长期面临旱、涝、盐碱、风沙等系列阻碍区域农业发展问题。因此, 从“六五”计划开始, 国家将黄淮海平原区域治理列入国家科技攻关计划, 原中国科学院石家庄农业现代化研究所承担该项目, 依托南皮试验站开展工作。

2 浅层地下水优化与农业节水技术(20世纪80年代)

20世纪50、60年代以来, 本区主要开展以排为主的大规模的水利工程建设, 使洪涝灾害基本得以控制, 但同时地表水源也大幅减少; 70年代中期, 开始大力开采深层淡水发展农业生产; 到80年代以后, 逐步转为以开采浅层地下水为主。由于连年的超量开采深层地下淡水, 使该区域水位逐年下降, 由原承压自流或埋深10余米, 到90年代下降到30~50 m, 形成了著名的沧州漏斗。

20世纪80年代初, 国家科技攻关的首要目标是通过旱涝盐碱地治理, 解决粮食和农产品短缺问题, 南皮试验站主要开展浅层地下水优化利用调控和农业节水技术及模式两方面的研究[4]。浅层地下水优化利用与调控研究是以雨水滞蓄利用为核心, 以浅层地下水灌溉为途径的浅层地下水优化利用与调控模式, 主要包括浅层地下水控制开采量, 最佳控制水位, 适水种植, 优化配水方案, 高产节水技术等。田魁祥等[3]以土壤不产生次生盐渍化, 利于作物生长、降雨入渗补给量多、潜水蒸发量小, 又能发挥提水工具能力的最佳水位埋深概念确定了浅层地下水位的控制上限为3~3.5 m, 控制下限为6~8 m。浅层地下水位阈值的确定,形成了防止发生次生盐渍化的可能, 为区域治理盐碱地提供了理论支撑。依据浅层地下水可开采量建立适水种植模型[5], 提出了农业用水优化模式—— “一一五二”模式, 即一人1亩粮食作物, 以小麦()、玉米()为主, 保灌, 一年两熟; 一人1亩枣()经间作, 以种植棉花( spp.)为主, 实行抗旱灌溉; 每人半亩牧草, 依靠雨养; 每人2分瓜果菜地。

农业节水技术与模式研究方面, 主要推广管道输水、软硬管、深浅井结合, 咸淡水混用, 小畦灌溉[6-8]。提出了合理机井密度为13~15眼∙km-2, 主要布置在浅层淡水和浅层微咸水分布区。提出了适于灌溉的软塑管规格、管径等参考参数。界面埋深≤9 m的区域, 适用小管径(5 cm)真空井; 界面埋深9~18 m的区域, 适用管径80 cm灰管井; 界面埋深≥20 m的区域, 适用管径40 cm钢(铁)管井。每公顷地以600畦为宜的畦田规格。通过单项成熟技术的研发, 集成构建了包括节水型农业种植结构调整、深浅井结合咸淡水混用节水工程、高效栽培和耕作农艺高产技术配套的节水型农业模式。

3 咸水资源高效安全利用(20世纪90年代)

环渤海区域拥有较丰富的地下咸水资源, 总储量为2 500亿m3(其中小于5 g∙L-1的微咸水年可开采资源量占全国的1/2), 河北低平原主要区域小于5 g∙L-1的微咸水资源量有10.99亿m3(表1), 目前利用率在40%[3], 有60%微咸水资源可为农业所利用。因此, 进入20世纪90年代, 南皮试验站开始开展咸水资源安全高效利用的理论与技术研究。

3.1 水盐监测

自然耕作条件下脱盐潮土3年定位监测表明[3], 表层0.3 m耕层土体平均含盐量由1.8 g∙kg-1下降到1.4 g∙kg-1, 土壤盐分由表积型向底积型转变。随季节土壤盐分运移呈周期性变化。10月至次年6月, 0~20 cm土层八大盐离子含量增加4.16 g∙kg-1, 100~120 cm增加0.38 g∙kg-1; 6月至翌年10月0~20 cm土层八大盐离子含量减少4.30 g∙kg-1, 100~120 cm增加1.18 g∙kg-1, 其中, Cl-、Ca2+和Mg2+减少明显。

表1 河北低平原主要行政区多年平均不同矿化度微咸水的资源量

在大田管理条件下, 丰水年型土壤含盐量平均为1.5~2.5 g∙kg-1, 0~120 cm土体平均脱盐率为0.01%; 枯水年型土壤含盐量平均为2.0~2.5 g∙kg-1, 0~120 cm土体平均脱盐率为0.01%。盐分含量均在作物耐盐力范围, 对作物产量影响不大。

在南皮县范围内对700眼浅井水位定期调查观测[3], 利用南皮县农业区划本底值, 深入实地考察, 结合采集土样分析, 绘制出盐碱地分布图、地下水埋深等值线图、地下水化学类型图等。结果表明, 在实施水土改良技术后, 地下水稳中有降, 土壤盐渍化程度趋于减轻。但在东部低洼地带, 雨季积水造成的水位回升, 防止土壤次生盐渍化的任务还很艰巨。

采用3S技术结合人工作业, 连续5年对新建的大浪淀水库进行水盐的动态监测。结果显示[9]: 自运河至大浪淀库区的引水渠年过水时间60 d左右, 对周边区域地下水补给量, 多年平均为2.87万m3, 地下水回升0.2~0.5 m; 距库区越近, 地下水回升幅度越大。1 000~1 500 m监测点多年平均水位抬升1 m, 5 km监测点水位抬升0.3~0.5 m, 其余水位抬升不显著; 地下水质随时间和空间发生变化, 区域分异明显。库区南4~10 km区域是高矿化度带, 含盐量>3 g∙L-1, 库区北500~1 500 m区域是微咸水带, 含盐量2~3 g∙L-1, 其他区域为淡水区域, 含盐量<2 g∙L-1; 定位监测点土体含盐量在0.6~1.0 g∙kg-1。表聚型盐渍化土壤多见于近库区的涝洼地, 底积型盐分存在于土体埋深1~1.5 m, 多见于库区1 000 m以外区域, 春季返盐期易发生轻度次生盐渍化现象。

3.2 咸水安全利用的灌溉制度研究

依据该区主要种植作物冬小麦和夏玉米一年两熟的种植制度下作物耐盐与需耗水规律, 在作物生长一定阶段, 利用微咸水进行补充灌溉, 可实现替代淡水资源或增加作物供水实现作物增产目标[10]。咸水安全利用研究在咸水利用基础上, 进一步扩展到作物产量与水分、灌溉水质等的关系方面, 在此基础上进行咸水安全利用的灌溉制度优化。环渤海低平原处于季风气候区, 夏季降水集中, 可利用夏季降水淋洗盐分, 使土壤含盐控制在安全范围内。

王新元等[11]在南皮试验站的研究结果表明: 冬小麦产量以灌溉3次最高, 优化的灌溉制度为1水在返青期, 2水为返青和孕穗, 3水为起身、孕穗和灌浆(每次灌水量52.5~60.0 mm), 并且提出在足墒播种情况下, 冬水作用不明显。吴忠东等[12]在南皮试验站2003—2005年的微咸水非充分灌溉田间试验结果表明: 微咸水非充分灌溉的优先顺序为拔节水、抽穗水和灌浆水。同时利用水分胁迫敏感因子(CSi): CSi=(对照产量-处理产量)/对照产量, 对不同生育时期的水分敏感情况进行了分析(表2)。冬小麦拔节期是对咸水敏感性稍微差的时期, 可以在这个时期进行咸水微咸水灌溉。Liu等[13]与陈素英等[14]研究了咸水灌溉对冬小麦、夏玉米一年两季作物产量和土壤积盐的影响, 结果表明: 冬小麦拔节期灌溉小于5 g∙L-1的咸水对产量影响不大, 而从周年两季作物来看, 需要在夏玉米播种期灌溉60~90 mm的水分进行盐分淋洗, 保障土壤周年盐分不会对作物产生危害。He等[15]利用HYDRUS模型对冬小麦-夏玉米一年两作种植制度下利用微咸水在冬小麦的越冬前、拔节期和夏玉米播种前长期灌溉(15年)进行了研究, 结果表明: 15年后75%的盐分累积到了土壤的2~4 m之间, 只要有大于100 mm的降水或灌溉水就能保持根区的盐分平衡。

表2 不同生育期水分胁迫对冬小麦产量及构成要素影响的敏感因子

南皮试验站的研究人员不仅对大田作物进行了研究, 还对该区域主要果树[梨树(spp.)和枣树]的需耗水规律等进行了研究。Sun等[16]研究了枣树的需耗水规律, 明确了成年枣树从发芽至落叶需520~620 mm的水量, 其中40%~45%是土壤蒸发损失掉; 同时分析了不同覆盖措施的节水潜力。Cheng等[17]研究了梨树的主要调亏灌溉制度, 发现在开花前和收获前1个月进行水分亏缺不仅对产量影响不大, 还会提高水分利用效率和部分品质。孙宏勇等根据多年的试验结果[18], 制定了河北省地方标准《微咸水灌溉金丝小枣技术规程》(DB13/T1522—2012), 制定灌溉制度、灌溉方式、土壤管理和风险控制的技术措施。

3.3 咸水灌溉阈值研究

灌溉水质的阈值是实现咸水微咸水资源高效安全利用的基础。不同作物具有不同适宜灌溉水水质的阈值, 同一种作物在不同时期也拥有适应不同灌溉水水质的阈值。张喜英等[19]在南皮试验站3年微咸水灌溉冬小麦的试验表明, 冬小麦在旱作基础上, 增加1次小于5 g∙L-1的微咸水灌溉, 冬小麦增产幅度达20%~50%, 微咸水与淡水增产效果相似; 用微咸水替代淡水灌溉后, 对冬小麦产量没有产生明显影响。但无论是增加1次微咸水灌溉还是用微咸水替代1次淡水灌溉的最佳时期是冬小麦拔节前后。同时, 结合多年的变化, 灌溉冬小麦水质的阈值已经由原来的3 g∙L-1提升到现在的5 g∙L-1, 主要是由于基于长期秸秆还田下土壤有机质的提升为微咸水灌溉提供了土壤保育基础。但由于夏玉米对盐分敏感, 冬小麦收获时微咸水灌溉后增加的盐分保留在土壤中, 特别是0~20 cm玉米苗期根系集中层的土壤盐分含量增加明显。根据测定, 0~20 cm土壤盐分含量平均增加10%~30%, 在雨季来临前的夏玉米出苗和苗期, 如何消除盐分对玉米的影响是冬小麦夏玉米一年两作微咸水灌溉技术成功应用必须解决的问题。

3.4 咸水结冰灌溉改良盐碱地

在淡水资源短缺的情况下, 如何利用现有的咸水资源改良盐碱地是盐碱地改良治理的一项新技术。土壤盐分在土体中的运移具有“盐随水来、盐随水去”的特征, 其具有显著的季节性, 也是改良盐碱地的基础理论。Guo等[20]基于咸水结冰冻融咸淡水分离原理, 提出了冬季咸水结冰灌溉改良盐碱地的技术。在冬季对盐碱地进行咸水灌溉, 使盐碱土表面结一层冰, 在咸水冰融化过程中, 后融化的微咸水对土壤盐分具有较好的淋洗效果。田间试验研究表明[21]: 利用15 g∙L-1的咸水冰在室温下融化, 可产生50%以上矿化度小于3 g∙L-1的微咸水; 同时钠吸附比也逐渐降低, 0~20 cm土壤盐分由21.2 g∙L-1降低到2.5 g∙L-1, 脱盐率达95%。对咸水结冰灌溉的水量和时间的研究结果表明, 灌溉水量180 mm和灌溉时温度在-5 ℃以下是比较有效的咸水结冰灌溉改良盐碱地的技术。

总之, 20世纪80年代以来, 以南皮试验站为代表站点开展的咸水安全高效利用的研究重点是通过田间试验, 说明作物在不同时期对灌溉水量和水质的需求差异, 进而制定以咸水安全高效利用为核心的灌溉制度, 明确作物不同生育时期对水分和盐分的响应差异, 确定作物咸水灌溉的主要生育时期和灌溉水水质的安全阈值。利用咸水结冰灌溉改良盐碱地的研究, 揭示了咸水冰融化过程中咸淡分离特点, 明确了主要的灌溉水量和时间。这些研究结果对指导农业生产具有现实的意义, 但这些研究还缺乏机理和理论方面的支撑, 未从品种、水盐运移过程等方面进行耐盐机理的阐述。

4 推进水盐运移过程基础研究, 集成多水源综合利用模式(20世纪末至今)

经过“十五”期间的调整和定位, 面向国家粮食安全和生态安全重大需求, 针对缺水和盐碱两大问题, 该区域开展了从机理、技术到产品模式等方面的研究。

4.1 耐盐抗逆品种提升咸水利用

农田的水盐调控主要是为了适应作物生长, 而农作物种类和品种对盐分的抗性差异较为显著。品种间产量和水分利用效率差异显著, 达20%左右。南皮试验站的研究结果表明: 冬小麦品种间最高和最低产量差异可达28%[19]。抗盐性较好的品种具有分蘖力强, 成穗率高, 植株偏高, 节间长, 叶片窄, 夜色浅绿, 根系发达, 抗盐抗逆性强的特点。相同冬小麦品种在不同盐浓度胁迫下产量和品质存在显著差异, 不同小麦品种在同一盐分浓度胁迫下产量和品质差异也较大, 说明盐胁迫下产量和品质与小麦品种耐盐性强弱关系密切。郑延海[22]发现, 在冬小麦能正常生长的盐分范围内, 随着盐分浓度的升高, 籽粒蛋白质含量升高, 淀粉含量下降, 当超过正常范围, 蛋白质和淀粉含量均下降。

从不同作物品种对盐分的响应来看, 其机理主要是因为改变了其生存的环境进而作物本身发生了内在和外在的变化。小麦在盐生环境下有机物合成增加, 使细胞渗透势等于或低于环境渗透势, 保障其从环境中吸收足够的水分维持正常生长。盐胁迫下, 冬小麦体内的游离脯氨酸、可溶性糖、蛋白质等物质含量提高, 其中脯氨酸起到举足轻重的作用, 因为其不仅可以作为植物渗透调节物质, 还由于其亲水性可以防止盐胁迫导致组织细胞的脱水。盐胁迫下, 小麦原生质中的绝大多数Na+集中在液泡中, 在相同条件下, 抗盐品种比不抗盐品种液泡中盐含量高20%左右[23]。不同的农艺性状对盐胁迫的反应也不相同, 受胁迫的程度依次为产量>单位面积穗数>株高>千粒重>穗粒数>穗长[24]。同时, 盐胁迫加速了小麦个体发育的进程, 使小麦的主茎发育期缩短18 d, 提早了生殖结构的产生, 加速小麦的成熟。

4.2 微咸水入渗水盐运移特征

咸水灌溉对土壤的影响主要表现为对土壤交换性钠和土壤溶液电导率的影响。土壤结构与水力传导度紧密相连, 团聚体的碎散可能引起水力传导度的降低, 黏粒的分散或膨胀任何一方面都会降低水力传导度, 膨胀减小土壤孔隙的孔径。Na+是引起土壤退化的主要盐分, 由于离子电荷少, 半径相对较大, 水化能较小, Na+的存在会引起土壤颗粒的膨胀和分散, 在干湿交替作用下改变土壤物理性质。

在南皮试验站研究了咸水灌溉对水盐运移的影响[25-28]。结果表明脱盐深度随入渗水量的增加呈幂函数增加, 随入渗水矿化度和土壤初始含水量的增加而减少。通过不同咸淡水轮灌模拟试验分析了累积入渗量、湿润锋、土壤含水量、土壤含盐量和钠吸附比(SAR)的变化特征, 结果表明咸水-淡水-咸水轮灌方式下, 土壤入渗能力较大, 且脱盐区内脱盐率比淡水-咸水-咸水轮灌方式高; 而淡水-咸水-咸水轮灌方式下同一土层土壤含水量高。此外, 灌2次咸水与灌1次咸水相比土壤盐分浓度增加不大。而低SAR的微咸水对碱化土的改良有一定作用。

杨艳等[29]研究了碱土、盐土在微咸水入渗条件下土壤水盐运移特性, 结果表明: 当矿化度在一定范围, 相同入渗时间内两种土壤的累积入渗量、湿润锋随入渗水矿化度的增加而增加; 不同SAR的微咸水入渗对盐土、碱土入渗能力影响不大, 特别是盐土。碱土的水分和盐分运移与入渗水矿化度均呈正相关关系, 盐土则不然。

4.3 水盐肥耦合关系及调控机制

近年来, 水、盐、肥关系的研究亦成为植物耐盐性研究的重要方向。通过对土壤水分、盐度和肥力之间关系的研究, 可以改进施肥方案, 减轻盐分和旱害对作物生长的抑制作用。当土壤中水溶性钙、钾离子等含量高时, 作物的抗盐性增强, 因而增施含钙的肥料, 可提高盐环境中植物的生存能力及抗病能力。调查结果表明: 1981—2015年, 南皮县土壤有机质从8.62~8.90 g∙kg-1增加到14.0~15.6 g∙kg-1, 增幅为62.4%~75.3%[19,30]。土壤有机质的增加有利于改善土壤结构, 消减微咸水灌溉对土壤理化性质的不利影响。水稳性团聚体所占比例与土壤有机质含量呈显著直线关系, >0.25 mm土壤团聚体对维持土壤结构、增加盐分淋洗有非常大的作用。同时, 许多研究结果表明土壤有机质的提升可增加土壤有益微生物群落、提高植物的K+/Na+比、增加植物渗透调节物质吸收、加快土壤养分循环、增加植物抗氧化酶合成能力。增施有机肥后冬小麦叶片K+/Na+比显著提升, 其对维持较高矿化度微咸水灌溉下作物产量具有非常重要意义。但是, 有机肥种类的不同也会产生不同的效果, 施用全盐含量高的有机肥会增加土壤盐分, 如猪粪盐分含量为12 g∙kg-1, 显著高于其他有机肥。牛君仿等[31]调查结果表明: 土壤中施入有机物质和无机土壤改良剂、施用根际促生菌肥、种植盐生植物和耐盐作物品种等均可有效降低咸水微咸水灌溉带来的土壤盐害。因此, 有机肥虽然对缓解盐分胁迫具有一定作用, 但也需要看有机肥盐分含量状况, 而通过长期秸秆还田增加土壤有机质以减缓土壤对有害离子的缓冲能力是比较有效的措施。

4.4 外来调水对水盐平衡的影响

因为沧州区域淡水资源的极度匮乏, 为保障人民生活用水从20世纪90年代开始引黄河水, 建造了大浪淀水库保障人民生活用水, 在2017年实现了南水北调配套工程在沧州的运行, 开始利用长江水。随着调水的发展, 必然会对引水区域的地下水水位水质等产生影响。毛任钊等[9]研究结果表明: 南皮县域浅层地下水位变动较大, 周年最大变量达4.1 m, 季节恢复量为1.9~3.8 m, 只靠降水无法维持区域的采补平衡。孙宏勇等[32]研究了坑塘的成因, 并利用遥感估算了坑塘、沟渠水的水量, 渤海粮仓区域内约有坑塘2万多个, 总面积约1.7万hm2, 蓄水能力约10亿m2, 可灌溉66.7万hm2耕地。Kong等[33]的研究结果表明, 在引水过程中约2.9%的蒸发损失掉, 在干旱季约2.7%~17.4%的水蒸发损失掉。同时距离沟渠越远引水对地下水的影响越小。2014年11月, 沟渠水和坑塘水的电导率(EC)分别为1 842 μS∙cm-1和4 125 μS∙cm-1, 沟渠和坑塘的水质均在11月到翌年5月随着时间推移变差, 而从6月到9月变好。

通过水源水量、水质的分析, 明确区域可支撑农业发展的水量, 通过作物品种抗盐机理、咸水灌溉下土壤水盐运移变化特征和耕作栽培措施调控水盐时空特征进而适应作物生长环境的研究, 形成了降水、浅层地下水和部分地表水联合利用为核心, 以农作物生产和生态安全为终极目标的理论体系和技术模式, 其在渤海粮仓科技示范工程中得到了大面积的推广应用, 成为渤海粮仓科技示范工程的标志性成果。

4.5 建立重度盐碱地适生种植技术体系

针对重度盐碱地区盐碱重不适宜大多数作物生长的情况, 发展适宜区域特点的农业是实现人与自然和谐共生的途径。通过多年的田间试验[21], 建立了以咸水结冰灌溉为主体技术的“两创一综合”技术体系, 即创新淋排盐方式, 变传统的淡水灌溉淋盐为咸水结冰灌溉淋盐; 创新临界水位, 即保证土壤耕层季节性脱盐; 综合利用盐碱地改良的灌排等技术措施, 集成多种围绕耐盐性较强的作物如棉花、油葵()、甜菜()、甜高粱()、菊芋()等的适生种植技术模式。采用这些技术模式后, 土壤表层的含盐量控制在4.0 g∙kg-1以下, 棉花出苗率85%以上, 其他耐盐植物的出苗存活率90%以上。最终实现区域棉花、能源植物、牧草、植被建造和生态绿化产业发展, 实现没有淡水资源的盐碱荒地的高效利用, 投入产出比达1∶3, 促进了盐碱地区社会、经济和生态效益的发展, 为生态文明建设提供了样板。

5 未来农田水盐过程及调控研究

党的十九大指出, 建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。必须坚持节约资源和保护环境的基本国策, 实行最严格的生态环境保护制度, 形成绿色发展方式和生活方式, 坚定走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。因此, 下一步在缺水盐渍区应该树立绿色发展的理念, 强调大力推进农业现代化, 开展粮食产量、质量和资源环境协同发展的研究, 走产出高效、产品安全、资源节约和环境友好的农业现代化道路。

5.1 作物产量、质量和资源高效利用的协调机制

基于水肥盐在土壤-作物-大气-水体系统中的迁移、转化和损失过程, 进一步阐明不同程度咸水灌溉对水量平衡、水盐平衡和作物产量和质量等的影响, 研发提升作物质量和资源利用效率的关键技术, 评价区域农田生态系统咸水安全利用的阈值和时空分布特征及主要影响因素。同时, 基于作物产量和质量受品种、气候和土壤等因素的影响, 开展高产优质作物的形成过程、机理和技术研究, 明确农产品产量、质量和水土资源高效利用的协同提升机制, 为缺水盐渍区农业提质增效工程提供理论依据。

5.2 基于不同理念的最佳地下水位埋深研究

地下水位与农业生产和生态环境密切相关。研究基于潜水蒸发、降雨入渗、作物利用和次生盐渍化安全的综合最佳地下水埋深是缺水盐渍区下一步的研究重点[34]。研究浅层地下水位在不同季节动态变化过程及规律, 降水、客水、灌溉水和作物用水等对浅层地下水水位和水质的影响和转换规律, 可明确缺水盐渍区基于不同目标优化的最佳地下水水位。

5.3 适水种植制度优化研究

结合农业供给侧结构性改革需求, 2016年农业部出台《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》, 许多研究[35-36]结果表明: 在该区域采用棉花-小麦-夏玉米、春玉米-冬小麦-夏玉米的两年3作种植模式是实现区域水资源可持续利用的合理模式。但是, 这些研究主要是针对主要作物进行的, 仍需要用“大粮食”的概念来综合考虑这个问题。因此未来该区域将以水资源承载力为核心, 研究如何调整优化缺水盐渍区农业生产布局, 加强农田多水源高效利用技术、中低产田绿色培肥技术的标准化和工程化研发, 树立“大粮食”概念, 调整优化农业种植结构, 研发适宜的农田休耕轮作技术, 加强农牧结合循环农业模式的构建, 与种业、畜牧养殖业相结合, 推进农业绿色化、优质化、特色化和品牌化发展。

5.4 滨海盐碱地农业绿色发展研究

针对缺水盐渍区淡水少、土壤盐碱贫瘠的问题, 研究方向需要从强调治理改造到人与自然和谐统一的研究方面, 研究适应该区水土资源和气候资源的农田生态系统构成及功能, 研发盐碱地节水改良、咸水利用、耕层淡化等技术, 研发盐碱地改良的农机装备和绿色制剂, 统筹植物生产、动物生产和生态环境建设, 构建盐碱地农业绿色发展的高效农业模式。

未来缺水盐渍区在盐碱地治理与农田生态系统水盐研究工作将围绕盐渍资源高效利用, 在作物高效安全利用咸水生理调控、农田水肥盐调控利用等方面进行机理过程研究、技术研发和应用示范, 促进缺水盐渍区以水安全为主体的农业生产理论和技术发展。

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Regulations of salt and water of saline-alkali soil: A review*

SUN Hongyong, LIU Xiaojing, ZHANG Xiying

(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)

The safety utilization of saline water resources guarantees sustainable development of agricultural production in the Low Plain near the Bohai Sea. Focusing on water shortage and soil salinity, a series studies were conducted on reclamation of saline soils and regulation of water and salt transportation in the farmlands at Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station of Chinese Academy of Sciences, where is a typical site of saline and water deficit regions in the North China Plain. This paper reviewed the study results of the development process for reclamation of saline soil and regulation of water and salt transfer in the farmland. Before the 1980s, most works in the region focused on reduction of flood risk through building of irrigation and drainage canals. In the 1980s, researches focused on optimal shallow groundwater regulation, saline soil utilization and water-saving technologies in the farmland with the aim of resolving actual agricultural production problems in saline soil areas. The researchers proposed threshold values for shallow groundwater table with no secondary salinization and developed irrigation scheme for winter wheat. In the 1990s, researches on the mechanisms and technologies of saline water irrigation were carried out to improve winter wheat grain yield and reduce fresh water utilization in the region. The threshold salinity for saline water irrigation was improved from 3 g∙L-1to 5 g∙L-1. Meanwhile, researchers explained the reasons for the threshold value increase. In recent 10 years, the mechanisms and technological modes of multiple water resources utilization (precipitation collection, safe shallow saline water utilization, reasonable water transfer and water saving) in the farmland was analyzed. The modes included salt tolerant cultivars planting, soil salt transformation technologies, optimal irrigation schedule and organic manure reduction of salt accumulation. According to water quantity and quality, the optimal irrigation schedule was developed based on the available water resources. This included sufficient irrigation before winter, drought resistant irrigation in spring and emergency irrigation after maize sowing. On the basis of previous studies, an integrated technological mode for multiple water resources was developed. Meanwhile, the “Bohai Granary Demonstration Project of Science and Technology” was implemented, which had significant social, economic and ecological benefits. In future, research work will mainly focus on synergetic promotion of crop quality, quantity, resource use efficiency and green agriculture development based on available water and soil resources and the requirements of the local people. These works provided theoretical and technological basis for sustainable development of localized agriculture in the region.

Low Plain near the Bohai Sea; Water and salt transportation; Farmland ecosystem; Agricultural production; Salt water irrigation; Water and salt regulation; Nanpi Eco-Agricultural Experimental Station

Supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300305, 2018YFD0301004), the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFZD-SW-112) and the Special Fund of Science and Technology of Hebei Province, China (18827412d)

, SUN Hongyong, E-mail: hysun@sjziam.ac.cn

Jun. 29, 2018;

Jul. 5, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180607

S274.4

A

1671-3990(2018)10-1528-09

2018-06-29

2018-07-05

*国家重点研发计划课题(2016YFD0300305, 2018YFD0301004)、中国科学院科技服务网络(STS)计划项目(KFZD-SW-112)和河北省科技专项资金(18827412d)资助

孙宏勇, 主要从事农田水盐运移过程及调控研究。E-mail: hysun@sjziam.ac.cn

孙宏勇, 刘小京, 张喜英. 盐碱地水盐调控研究[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(10): 1528-1536

SUN H Y, LIU X J, ZHANG X Y. Regulations of salt and water of saline-alkali soil: A review[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(10): 1528-1536