我国暗管排水技术发展历史、现状与展望*

谭 攀, 王士超, 付同刚, 刘金铜, 韩立朴**

我国暗管排水技术发展历史、现状与展望*

谭 攀1,2, 王士超1, 付同刚1, 刘金铜1,2, 韩立朴1,2**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

暗管排水技术是我国盐碱地改良、涝渍区排水、南方稻田养分管理的重要技术之一。21世纪前20年暗管排水技术蓬勃发展, 综述其发展历史和现状有助于读者全面、系统地了解该项技术, 掌握其未来的发展方向。基于CNKI、万方、维普、百度学术和Elsevier数据库及国家自然科学基金委网站、百度搜索等平台, 采用数据统计分析方法对暗管排水技术发展动态、用途变化、应用的空间分布、应用面积和服务对象等进行分析。研究发现, 近50年来我国暗管排水发展主要分为初步探索期(1976—1998年)、渐进发展期(1999—2008年)与蓬勃发展期(2009—2020年); 江苏和山东为暗管排水技术研究的热门研究省份; 水稻、小麦、玉米、棉花是我国暗管排水技术主要的服务对象; 暗管排水技术正在盐碱地改良领域快速发展, 主要以淋洗土壤盐分为主。水盐调控技术一体化以及暗管生态修复将是未来暗管排水发展的重要方向。随着暗管、滤料等材料的更新和暗管施工机械智能化铺设效率的提高, 暗管排水技术的应用领域将更加广泛。

暗管排水; 发展历史; 研究现状; 水盐调控

暗管排水技术是将具有渗水功能的管道埋置于地下适当位置, 用于控制地下水位、调节土壤水分、改善土壤理化性状, 从而达到促进农业生产和生态保护的一项技术措施[1]。田间排涝是暗管排水技术最主要的用途, 也是解决低洼地区涝害的主要手段之一[2]。暗管排水技术也可以用于排水排盐, 根据“盐随水来, 盐随水去”的原理, 当土壤中水分达到田间最大持水量时, 土壤水从管壁渗水微孔渗入暗管中, 溶解在水中的盐分随水排出土体, 从而降低土壤盐含量, 达到治理盐碱地的目的[3]。暗管在使用的过程中, 也存在淋失土壤养分尤其是氮素的情况[4], 并且受到土壤质地的限制[5]。目前我国暗管排水技术研究的总体情况是什么？研究集中在哪些地区、针对哪些作物？理清上述问题, 对系统性了解我国暗管排水技术研究现状以及未来发展趋势具有重要意义。

本文从中国知网文献数据库、万方数据库、维普数据库、百度学术以及Elsevier数据库等相关平台, 下载整理了相关文献523篇。从国家自然科学基金委、中国科学网、百度搜索等相关网站挖掘整理出我国截至2020年3月立项的相关项目180项, 并对上述资料进行了整理。

1 我国暗管排水技术研究重点及服务对象的演变分析

1.1 我国暗管排水技术研究重点演变分析

我国是一个农业大国, 农业发展历史悠久[6], 为了避免农作物受到旱、涝、盐碱等危害, 灌溉排水事业随之发展起来[7]。早期在河南省济源县用3片瓦拼合而成的合瓦管进行排水[8]。随后河南省堰师县将陶土管埋置地下, 用来代替地面沟渠排水, 并取得了较好的效果[7]。1961年, 江苏省昆山县农田水利试验站科技人员利用瓦管和灰土管开展了暗管排水治渍害的研究, 拉开了我国近代暗管科技研究的序幕[9]。1966年, 河南省温县将混凝土管道试铺在地下代替明渠且获得成功[7]。20世纪70年代到21世纪20年代是我国暗管排水技术发展的重要时期, 也是技术更迭最快, 发展最迅猛的时期。通过对文献的分析, 可将近50年(1976—2020年)我国暗管排水技术发展分为3个阶段: 第1个阶段初步探索期(1976—1998年), 在1989年左右呈现第1阶段的高峰时期。第2阶段渐进发展期(1999—2008年), 研究的活跃期在2000年前后。第3阶段蓬勃发展期(2009—2020年), 这一阶段暗管的研究呈现出爆发增长的态势。

第1阶段主要以暗管材料、滤料的研究示范为主。早期多使用泥土管、瓦管进行排水[10], 也有用楠竹[11]、芦苇[12]、沙子[13]作为排水通道使用。周安增等[14]在黑龙江三江平原分别利用稻壳、草把和沙子建成地下水通道代替水泥管进行试验, 研究发现稻壳暗管排水效果最好, 其次是草把暗管, 最差的是沙子暗管。但这些材料在使用期间容易松动淤堵,费时费力成本偏高, 应用面积小。1978年初, 中国科学院率先利用塑料暗管进行排水, 并在上海各县开展试验, 取得较好效果[15]。20世纪80年代, PVC材质波纹暗管开始批量上市, 暗管排水技术的应用面积大幅提高[16]。林起[17]研究了塑料波纹暗管排水的优点与相关工程技术, 研究发现利用波纹管排水能稳定控制地下水位, 从而防止土壤次生盐渍化, 增加产量, 还能减少对耕地的占用, 免除人工挖沟清淤的繁重劳动, 大大减少农田基建投资, 有利于田间农事的机械化耕作。

第2阶段暗管的管材和埋设技术趋于成熟, 暗管排水技术的研究重点转入应用研究, 并在全国各地多处开展应用试验。邵孝侯等[18]在长江中下游低洼圩区研究了如何优化排水暗管的埋深和间距, 以低成本为目标建立相关的数学模型, 通过试验得出暗管埋深在0.9~1.1 m的范围内较佳, 最优间距由土质决定, 其中黏土为10 m, 壤土为18 m。张瑜芳等[19]在淹灌稻田研究了暗管排水中氮素流失情况, 发现氮素流失与施肥量、肥料类型以及排水条件有关, 施肥量大会导致氮素流失量增加, 碳铵易挥发也会造成大量损失, 较大的排水量也会增加氮素的流失, 为了减少水稻田暗管中氮素的流失, 提出应该科学施肥, 合理排水。

第3阶段国产化大型铺管机械的研制和暗管材料的低成本推广促进了我国暗管排水技术的迅猛发展。“十二五”期间, 国家科技支撑计划项目加快了我国暗管铺设设备的研发和关键部件国产化, 大大提高了暗管铺设效率, 降低了暗管技术的应用成本。我国高密度聚乙烯等材料的波纹渗水管开始大范围应用, 促使暗管由单纯排水向排水排盐和水盐调控研究转变。于淑会等[8,20-25]在河北滨海平原进行了试验, 研究了暗管排水排盐改良盐碱地的机理以及作物品质和产量对暗管排水的响应, 指出淡水淋盐是暗管排水改良盐碱地的关键点, 合理的灌溉制度配合暗管埋设可以有效降低地下水位, 增强淋洗盐分, 使玉米()、小麦()、棉花(spp.)增产, 并能提高使用区域生态系统服务功能。张展羽等[26]利用DRAINMOD-S模型对滨海盐碱地暗管排水脱盐进行了模拟, 在盐碱地改良过程中, 可作为有效工具应用于暗管排水工程设计和管理。在天津滨海新区进行的暗管试验[27-36], 研究了暗管排水改良绿化技术, 发现暗管排水能够有效地排除土壤盐分, 通过40 d的改良, 在乔木栽植带间, 0~60 cm和0~100 cm土层土壤脱盐率分别为88.5%和72.9%, 土壤盐分达到了一般乔木可承受范围。

1.2 近50年我国暗管排水技术服务对象的演变分析

近50年来利用暗管排水(排盐)辅助作(植)物生长的研究中, 有具体名目的作(植)物共计出现51种。在20世纪70年代, 水稻()、小麦等作物为主要的暗管排水技术服务对象。而80—90年代, 水稻、小麦、棉花和玉米成为了暗管排水技术的服务对象。进入21世纪以来, 水稻田的暗管排水研究热度有所下降, 而棉花和玉米的暗管排水研究呈上升趋势。随着我国对粮食需求的不断增加, 耕地面积的不断减少以及对盐碱地资源高效利用的不断深入, 通过暗管排水排盐技术改良盐碱地生产粮食的需求不断加大, 未来暗管排水技术的服务对象可能会以小麦、玉米、谷子()等粮食作物为主。

2 我国暗管排水技术主要研究应用区域

通过数据统计与ArcGIS制图分析发现, 开展暗管排水技术研究的区域主要集中在我国北方, 分别是山东、江苏、宁夏、山西、新疆和黑龙江省, 从文献中有明确数据的应用面积来看, 山东是应用面积最大的省份, 为2.8万hm2, 其次山西2.0万hm2, 黑龙江1.8万hm2, 宁夏1.7万hm2。

在我国中东部的山东省, 暗管多用于排盐, 这与山东省的地理位置有着密切的联系, 山东地处黄渤海沿岸, 滨海区域地下水含盐量高, 黄河从山东入海, 形成了黄河三角洲。山东省的主要研究地点是在滨州市和东营市。于昌江等[37]探究了山东咸水资源开发利用措施, 分别对咸水淡化、上粮下渔、暗管排盐等技术做出分析, 其中指出了暗管排盐技术的核心是以当地水文地质条件为基础确定合理的暗管网络, 在最大限度上将浅层咸水排除, 再经过灌溉水和降水对盐土层的冲洗, 达到盐碱地改良的效果。李建来等[38]研究了巧用暗管排碱技术改善黄河三角洲盐碱土地的方法, 在合理铺设好暗管的同时, 用黄河水来灌溉田地, 地表多余水分通过暗管排走的同时带走了土壤中多余的盐分, 从而改善黄河三角洲土壤盐碱化的状况。

在我国中部省份江苏省, 水稻、小麦等农作物被广泛种植, 可以利用暗管排水系统及时降低地下水位, 减少频繁大量降水对农作物收获的影响, 有助于机械收割的顺利进行[39]。周明耀等[40]在江苏响水县将暗管排水应用于滨海沙性盐土地区水稻田, 研究认为土壤水溶解氧含量有管区要比无管区高1~2倍, 提出当地稻田渗漏量的上限控制指标为14 mm∙d−1, 为当地暗管排水的运行提供重要参考指标。邵孝侯等[41]在江苏省灌云县利用暗管排水和渗灌的保墒、增温、节水和降渍的作用, 保障了小麦的生产过程中灌溉与排水需求, 从而达到增产的效果。江苏由于地处沿海, 还存在大面积的盐渍土, 为了给作物生长提供适宜的土壤环境, 张展羽等[42]开展了滩涂洗盐种稻暗管工程技术参数的研究, 提出了不同脱盐标准条件下暗管埋深、管距及管径的确定方法。叶洪峰等[43]对江苏滨海盐碱地暗管改碱示范区进行了总结, 通过对示范区数据的分析, 认为江苏沿海地区暗管埋深0.9 m、间距15 m的组合效果最好, 平均总含盐量由7.03 g∙kg−1降低到2.47 g∙kg−1, pH由8.63降低到8.04, 土壤容重由1.67 g∙cm−3降低到1.53 g∙cm−3。丁中兵等[44]以棉花为对象, 在江苏射阳县盐渍土地区进行暗管排水试验, 取得了土壤脱盐率达61.9%~63.2%, 棉花增产14.9%~28.9%的良好结果。

在我国西部的新疆维吾尔族自治区, 姚中英等[45]在喀什的塔里木盆地开展暗管应用研究, 应用暗管后排水量是明沟的1.4~2.7倍, 水位下降速率是明沟的1.8倍, 土壤脱盐率是明沟的1.5倍, 棉花增产27.1%, 小麦增产32.7%。在中西部的宁夏回族自治区, 特别是在银北地区, 土壤盐渍化面积较大, 刘刚[46]对银北地区百万亩盐碱地加强暗管排水工程实施提出了建议, 认为实施暗管排水时还要建立配套的太阳能排水泵站, 才能有效降低成本, 取得较好的效果。赵彦龙[47]研究了排水暗管间距对宁夏银北地区盐土淋洗脱盐效果的影响, 分别设置了暗管间距20 m、14 m、10 m和5 m (CK)的对照试验, 试验发现暗管间距越小越能控制好地下水埋深。

在我国北部的黑龙江省, 韩红琴等[48]在三江平原涝渍地开展综合治理涝害的试验, 研究表明实施明沟与暗管排水, 配合耕层土体“耕、松、洞”三层立体交叉的“土壤贮水库”可以达到24 h降水206.5 mm, 2 d内排除地表水, 达到治理涝渍地的目的。

从暗管技术应用地区的分布来看, 我国暗管排水(排盐)技术主要应用在北方干旱半干旱地区以及沿海地区, 这与地理位置以及气候条件密切相关。北方干旱半干旱地区充足的光照加剧地下水的蒸发, 盐随水来, 地下水中的盐分随毛管水上升而聚集在土壤表层, 形成一种返盐现象, 长时间积累会形成盐碱土。沿海地区的土壤因为受到海水的浸渍, 形成滨海盐碱土。上述地区土壤中的盐分可以通过排水暗管随降水排出土体, 从而使土壤脱盐, 因此该区域对暗管排水排盐的需求较为迫切, 区域暗管技术的应用也相对较多。

3 我国暗管排水技术发展的趋势与展望

3.1 暗管排水排盐的比重逐渐增加

在2000年以前, 暗管技术研究重心是暗管排水, 占80%, 其次是排水排盐, 对排水排氮研究比较少。从2000到2009年, 研究暗管排水热度依旧很高, 对暗管排盐的研究慢慢增多, 对排水排氮研究比例依然较少。而从2010到2020年暗管排水的研究比例明显降低, 从76%减少到50%, 同时对排水排盐的研究比例迅速增加, 从15%增加到34% (图1), 研究重心正在慢慢从暗管排水防涝为主转向暗管排水排盐。随着暗管排水排盐技术模型的研发和应用, 暗管布局参数规划可以通过Drainmod-S、Vedernikov入渗公式HYDRUS-2D模型等进行模型模拟得出暗管埋深、间距与脱盐率、排淋比的关系, 从而对盐碱地进行合理暗管布局与治理[49], 从而推进暗管排水技术一体化应用模式的进程。另一方面, 与暗管排水排盐相配套的技术不断研发应用, 也推进了这一技术的发展。例如在干旱半干旱地区采用膜下滴灌与暗管排水结合进行盐碱地改良, 可以节约灌溉水, 水向下流入暗管的同时带动了盐分向下运动, 持续性地排出盐分[50]。与之相似, 通过上层渗灌管进行渗灌补水, 将盐分淋向下层排水暗管, 再由下层暗管持续排出的双层暗管灌排水技术将是未来排水排盐技术发展的重要方向。

从国家科技项目立项来看, 国家自然科学基金自1992年开始资助暗管排水技术相关项目, 截止到2007年, 13年共资助了7个项目, 资助金额共324万元。自2009年开始, 国家自然基金委开始加大了对暗管相关项目的支持力度, 立项数量不断增加资助金额呈现波动上升的趋势。2009—2019年之间共计资助46项, 累积资助金额达4802万元, 发生爆发式增长。其中2017年专门设立了“西北旱区农业节水抑盐机理与灌排协同调控”重大项目和“区域排盐工程模式优化与灌排协同调控” “农田高效排盐材料改性与结构优化”两个重点项目, 单年立项经费2190万元, 项目中均涉及暗管排水排盐相关机理与技术研究。国家自然科学基金在科学研究领域具有风向标的作用, 这再次印证了暗管排水技术的发展方向和趋势。

3.2 暗管生态修复技术有望成为暗管排水技术的新领域

暗管生态修复技术通常是指在土壤受到有机或无机污染的地域, 采用溶解剂将污染物溶解, 通过暗管排出土体, 从而达到修复土壤的效果技术。围绕这一技术领域, 姚荣江等[51]发明了一种重金属污染土壤的工程-农艺原位修复方法和装置, 在重金属污染土壤土层深度处铺设水平地下暗管和垂直集渗管, 对重金属污染的土层进行深松粉垄, 疏松土壤并打破粘板层, 采用Na2-EDTA和柠檬酸的复配溶液进行土壤淋洗, 结果显示 0~40 cm土壤重金属Pb的生物有效性系数(DTPA-TEA有效态含量/全量含量)由5.13%降为2.86%, Cd的生物有效性系数由55.4降为33.80, 起到了土壤重金属污染修复的效果。随着近几年国家对土壤环境健康的持续关注, 未来通过暗管淋排技术开展场地和农田土壤污染修复将是一个重要的发展方向。

3.3 暗管材料和铺设技术发展趋势

暗管排水调控土壤水分从而达到生产、生态目的的理论非常成熟, 形成的时间也较早。但是长期以来暗管排水技术应用推广却发展缓慢, 主要是受制于暗管材料、外包滤料等材料的影响。发展初期材料笨重、制作成本高、运输困难等, 都限制了暗管排水技术的发展。另外一个影响暗管排水技术推广应用的是铺设暗管的设备, 最初在埋设暗管时采用人工挖沟的方式, 效率低下, 成本高。随着挖沟机辅助挖沟的广泛应用, 部分解决了人力的问题, 但暗管埋设质量相对较差。近年来国内出现了成熟的激光辅助开沟、铺管、回填一体机等暗管铺设辅助设备, 大大提高了暗管的铺设效率和质量。随着强度高、轻便、柔性好的暗管材料和成本低、易运输、轻便高效的外包滤料的发展, 以及智能化无沟暗管铺设设备的研发, 暗管排水技术将会在更广阔的领域得到应用的推广。

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Development history, present situation, and the prospect of subsurface drainage technology in China*

TAN Pan1,2, WANG Shichao1, FU Tonggang1, LIU Jintong1,2, HAN Lipu1,2**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Subsurface drainage technology is important for the improvement of saline-alkali land, the drainage of waterlogged areas, and the nutrient management in rice fields. In the first 20 years of this century, subsurface drainage technology developed rapidly; thus, a review of its development history and the present situation will provide a comprehensive understanding of this technology and highlight its future development. Data were obtained from the China National Knowledge Infrastructure (CNKI)Wanfang, Weipu, Baidu Academic, and Elsevier and the National Natural Science Foundation of China and Baidu Search. Statistical analysis was used to analyze the development trends, use changes, spatial distribution of application, application area, and service objects of subsurface drainage technology. The results showed that for the past 50 years, the development of China’s subsurface drainage technology was divided into a preliminary exploration period (1976–1998), a gradual development period (1999–2008), and a vigorous development period (2009–2020). Jiangsu and Shandong Provinces were areas of intense research on subsurface drainage technology, and rice, wheat, corn, and cotton were the main service objects of subsurface drainage engineering in China. For saline-alkali land improvement, subsurface drainage techniques had developed rapidly, mainly for leaching soil salt. The integration of water and salt control technology and the ecological restoration of subsurface drainage represented an important direction for future development of subsurface drainage technology. With the renewal of subsurface drainage, new filter materials, and improvements to the intelligent laying efficiency of subsurface drainage construction machinery, the application of subsurface drainage technology will be more extensive.

Subsurface drainage; Development history; Research status; Salt and water regulation

10.13930/j.cnki.cjea.200754

谭攀, 王士超, 付同刚, 刘金铜, 韩立朴. 我国暗管排水技术发展历史、现状与展望[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(4): 633-639

TAN P, WANG S C, FU T G, LIU J T, HAN L P. Development history, present situation, and the prospect of subsurface drainage technology in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(4): 633-639

S276.7

* 国家重点研发计划课题(2016YFC0501308)、河北省优秀青年基金项目(C2018503015)和河北省重点研发计划项目(19226417D)资助

韩立朴, 主要从事边际土地生态过程及资源化利用研究。E-mail: lphan@sjziam.ac.cn

谭攀, 主要从事边际土地生态过程及资源化利用研究。E-mail: 18874825889@163.com

2020-09-16

2021-01-23

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0501308), the Foundation for Distinguished Young Scholars of Hebei Province (C2018503015), and Hebei Key Research and Development Project (19226417D).

, E-mail: lphan@sjziam.ac.cn

Sep. 16, 2020;

Jan. 23, 2021