暗管排水对高水位盐碱地的治理效果及服务价值影响分析

2021-09-09于淑会高会尚国琲齐志国韩立朴

河北地质大学学报 2021年4期

于淑会，高会，尚国琲，齐志国，韩立朴

1. 河北地质大学河北省高校生态环境地质应用技术研发中心，河北石家庄050031; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄050022

0 引言

河北省东部濒临渤海湾，地下水含盐量高且埋深浅，土壤盐渍化严重，同时此区地处温带大陆性气候区，降水集中在雨季（6-8月），因此，雨季土壤多出现盐渍害与涝害双重灾害，土地利用效率极低。排水工程是行之有效的治理高水位盐碱地的手段[1-3]。相对于明沟排水，暗管排水具有占地少、时间长、维修成本低等优点，因此，诸多学者对暗管排水排盐技术治理高水位盐碱地进行了机理与实践研究[1-9]，这些研究主要从暗管排水下的土壤水盐变化、“咸水灌溉-暗管排水”复合工程等盐碱土地综合整治工程下的水盐运移规律等方面开展，着重点在暗管排水影响土壤特性的机理研究，而对于暗管排水工程治理高水位盐碱地效益评价的研究尚不多见。

效果是工程手段实施后的成效与结果，效益是工程手段实施后的效果与利益，反映的是效果的价值化结果。因此，在探讨工程手段的实施是否达到目标效果的基础上进一步测算其价值，能较科学合理地评估工程手段。按照我国“三位一体”的生态文明发展观，效益评价包含经济效益评价、生态效益评价与社会效益评价三方面内容。因此，本文的效益分析也将从这三方面展开。暗管排水工程治理盐碱地的效果已被诸多学者证实[1-3，10-12]，多数研究重点在土壤盐分的降低与作物增产，多体现其经济效益，忽略了对生态效益与社会效益的分析。

生态系统服务是人类从生态系统获得利益的总和，MA（Million Ecosystem Assessment）给出的生态系统服务分类体系包括供给服务、调节服务、支持服务与文化服务[13-14]，供给服务主要指生态系统为人类提供的产品，侧重的是生态系统的生产功能（经济效益），调节与支持服务更多指的气候调节与净化空气等生态功能（生态效益），文化服务则侧重生活功能（社会效益），指为人类提供的美的享受。农田生态系统的服务功能是指农田生态系统与其生态过程所产生及所维持的人类赖以生存的物质产品和效用[15]，也可归纳为生产功能、生态功能与生活功能[16]。农田生态系统的生产功能主要指农作物或经济作物的经济功能，生态功能主要指作物提供的调节服务功能（调节气体、气候、水文等）与土壤的净化功能，生活功能在此指生态旅游、农业文化等为人类生活服务的功能。农田生态系统服务功能的研究主要集中在县域服务价值的测算上，通过测算结果分析研究区农田生态系统存在的问题[17-20]。主要采用的研究方法有能值法、环境经济学方法、当量因子法等。环境经济学[18]方法涉及市场价值法、机会成本法、影子价格法等多种方法，测算指标与公式、参数比较复杂，而且对每种服务价值的评价方法与参数标准也难以统一；能值法[19]将系统不同的投入产出统一折算为太阳能值，更全面客观，但需要大量的基础数据；当量因子法[21]是基于可量化的标准构建不同类型生态系统各种服务功能的价值当量，然后结合面积进行测算，测算较为简易，而且数据需求量少，适用于基础数据少的区域生态系统服务价值评估。资助本文的项目研究重点在土壤水盐规律，数据基本集中于土壤EC、pH及八大离子含量，因此，本文测算暗管排水工程下的农田生态系统服务价值主要采用当量因子法。

农田土地质量的提升是土地效益增加的前提，因此本文立足农田试验尺度，首先从地下水埋深与土壤含盐量变化2个方面阐述了雨季暗管排水工程改良高水位盐碱地的效果，然后着重从植物多样性、作物产值2方面分别论述了雨季暗管排水工程对农田生态价值、生产价值的影响，最后在前面研究的基础上运用当量因子法测算了农田生态系统综合服务价值，从生态系统服务价值的角度阐述了雨季暗管排水工程对农田生态系统的影响。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

实验区位于河北省沧州市渤海新区南大港管理园区（ 38°31′48.78″N，117°25′43.15″E），距离渤海海岸线约为10 km，属华北冲积平原黑龙港流域的最东端，是地势低平的滨海平原。区内浅层地下咸水丰富且矿化度高（6~10 g/L），地下水埋深浅（0.3~1.2 m），春季多风期地下水携盐上移，土壤次生盐渍化严重，夏季多雨期地表常出现积水，盐涝灾害同现。该区除引黄河水用于饮用及湿地生态需水外，无其他淡水补给，雨季降水为唯一的盐分淋洗水源。实验期间年平均降雨量632 mm，属丰水年，其中65%~88%集中在雨季（6-9月）。实验区土质以粘性土为主，局部地区深层土壤出现砂质土，土壤容重为1.42 g/cm3。

1.2 暗管控制性排水系统

暗管排水排盐系统位于南大港管理园区内的国土资源部/中国科学院暗管排水排盐野外实验基地内，共占地6.8 ha，该系统渗水管采用直径11 cm的带孔单壁波纹管，外包15 cm厚砂石滤料，坡降比0.7‰，渗水管呈南北向铺设，铺设总长为1 100 m，实验区所在区域的暗管埋深为1.6 m，间距50 m，系统内建设集水池与小型泵站排水，风力发电与柴油发电提供强排水动力，集水池连接地区排干，最终通过扬水站排入渤海湾。

研究区地下水埋深浅，且位于当地地势最低处，地下水侧渗补给量大，通过暗管进行定水位排水实现难度大，因此，在实验过程中根据地区特点进行人为控制的“暗管控制性排水”，即在雨季强降雨后及春季土壤冻融期启动暗管排水系统，排水时间为6月底至8月底的雨季、11月底12月初的冬季冻结前期及3月的春季土壤冻结层融化初期。雨季暗管排水系统启动是在单次强降雨发生后，调控地下水埋深在100 cm以下；冬季与春季各开展一次暗管排水，同样调控地下水埋深在100 cm以下。

1.3 实验设计与采样

暗管排水排盐工程实施1年后开展本实验，实验为期2年。分别在暗管排水实验区和东侧80 m无暗管埋设对照区（道路阻隔了暗管区与对照区之间的地下水流动，道路侧渗系数小于0.01 m/d）选取具有代表性的实验小区。具体安排如下：

1.3.1 土壤盐碱程度监测

分别在暗管实验区与对照区选取具有代表性的4 m×4 m小区，作为暗管排水实验小区（T）与无暗管埋设对照小区（CK），土壤取样设5个重复。取样时间为单次降雨前与降雨后6天，取土深度为50 cm，分别为0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm，分4层取样，测定4层土样的土壤盐分含量。田间取样工具为土钻（d=4 mm），所取土样用自封袋独立封存后带回实验室测定土壤含盐量。滴定法测定土水比1∶5。

土壤浸提液中的离子含量：Cl-用硝酸银滴定法，SO42-、Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法，HCO3-采用双指示剂-中和滴定法，Na++k+采用阴阳离子平衡法，土壤含盐量为以上离子之和。

1.3.2 地下水埋深

小区内分别埋设观测管观测地下水位，观察管为直径12 cm的PVC管，长2.0 m，垂直埋入地下，埋入深度1.8 m，埋入部分打孔及滤布包裹，人工盒尺测量地下潜水埋深。

1.3.3 作物产量

分别在暗管实验区（1.6 m埋深、50 m间距，面积约为0.6 hm2）与无暗管对照区（面积约为0.3 hm2）种植棉花、冬小麦、夏玉米、谷子，每种作物均选取2 m×2 m小区作为取样样方，样方的初始含盐量为3‰~5‰。棉花品种为当地品种“国欣棉SGK-3”、冬小麦品种为“小偃60”、夏玉米品种为“郑单958”、谷子品种为“张杂谷8号”，收获时测定4种作物的干重，重复4次。

1.3.4 植物多样性

调查于植物生长高峰期展开，选取地下埋设暗管的荒地（T-W）、夏季休耕地（T-CL）和地下未埋设暗管的荒地（CK-W）、夏季休耕地（CK-CL）类自然或半自然生境，分别设置10 m×10 m样地，采用5点取样法，在每个样地选取5个样方进行调查，调查时记录每个样方的植物种类和个体数目。

1.4 计算方法

1.4.1土壤碱化度计算方法

本文碱化指标选取钠吸附比（Sodium Adsorption Ratio，SAR）。SAR是表征土壤碱化的重要指标，其计算公式如下：

式中，各离子浓度单位为g/100 g土。

1.4.2植物多样性计算方法

选取Shannon-Wiener指数测度不同生境下植物群落物种多样性特征。

式中，Pi代表第i种个体数占总个体数N的比例。

1.4.3生态系统服务价值计算方法

依据谢高地[21-23]提出的中国陆地生态系统服务价值类型，综合农田生态系统功能特征，本研究中生产功能只考虑农产品生产功能，生态功能包含维持植物多样性、气体调节、气候调节、水文调节、废物处理与保持土壤6个方面，生活功能设美学景观1个类型（表1）。生产功能价值用农作物实际产值表示；维持植物多样性功能与调节功能的实施主体为植物，因此，本文用植物多样性指数来进行修正，用海兴县单位面积生态系统服务价值代表无暗管对照区的单位面积ESV，暗管埋设实验区生态功能与生活功能价值用修正后的海兴县单位面积生态系统服务价值（ESV，Value of ecosystem services）计算求得。

表1 研究区生态系统服务类型与评价方法Table 1 Types and evaluation methods of ecosystem services in the study area

（1）生产功能价值Ep为实际农作物产值

式中，Ep为实验地生产功能价值，即粮食产量的经济价值（元·hm-2），i为作物种类，pi为第i种作物单价（元·kg-1）；qi为第i种作物单产（kg·hm-2）；mi为第i种作物面积（hm2）；M为作物总面积（hm2）；A为实验地面积（hm2）。

（2）生态功能价值Ee与生活功能价值El

式中，a为修正系数，SW为暗管埋设实验区的Shannon-Wiener指数，SW0为无暗管对照实验区的Shannon-Wiener指数，E0为2008年海兴县农田生态系统单位面积生态系统服务价值，A为实验地面积hm2。

2 结果与分析

2.1 暗管排水工程改良盐碱土地的效果分析

雨季暗管排水降低地下水位，可加大土壤积蓄淡水库容的能力，减小地表径流及涝害发生的概率。从图1可以看出，暗管埋设区与对照区在非暗管排水期的地下水埋深没有显著差异，但在雨季暗管控制性排水作用下，两者之间出现了显著差异。雨季（6月—9月）期间，暗管排水区的月平均地下水埋深分别为79.82 cm、54.47 cm、51.32 cm、49.80 cm，可保持地下水埋深在40 cm以上，能保证作物的正常生长发育（作物根系深度一般为30 cm），而无管对照区的月平均埋深为72.93 cm、35.83 cm、29.87 cm、42.97 cm，强降雨发生后易发生洪涝灾害，作物根系浸泡时间过长导致作物减产。

图1 暗管区（T）与对照区（CK）地下水埋深变化Fig.1 Change of groundwater depth in subsurface drainage area （T） and control area （CK）

雨季降雨发生后，暗管区0~50 cm土层土壤含盐量均有显著下降，变化值为0.18~0.84 g·kg-1，且随土层深度的加深变化值逐渐减小（表2），这是因为降雨后表层土壤盐分相对深层土壤溶解更充分，盐分能够迅速通过暗管排出土体；而对照区土壤含盐量变化不大，10~30 cm土层土壤含盐量甚至有所增加。暗管区土壤含盐量变化比率为-5.47%~-18.96%，远高于对照区的-0.31%~37.78%（图2）。

降雨后0~50 cm剖面上土壤浸提液SAR显著增加，暗管区增加幅度6.77%~113.87%，对照区增加幅度32.80%~149.33%，随着土壤深度的增加基本呈增加趋势（图2）。除20~30 cm土层暗管区与对照区SAR增加值基本一致之外，其他三个深度处暗管区SAR的增加值均低于对照区，增加值随土层深度的增加而变大（表2）。该结果表明，经过雨季降水淋洗，土壤内的Mg2+与Ca2+被Na+置换，即土壤出现钠质化趋势，暗管排水降低了土壤内的Na+含量，降低了Na+的置换强度，减缓了土壤钠质化进程。钠质化易引起土壤颗粒收缩、胶体颗粒的分散和膨胀，阻碍土壤内气体和水分的运动，不利于作物生长发育[25]。因此，雨季暗管排水不仅可以降低土壤含盐量，还可减缓土壤碱化趋势。

表2 降雨前后暗管区（T）与对照区（CK）土壤含盐量与SAR变化Table 2 Change of soil salinity and SAR before and after rainfall in subsurface drainage area （T） and control area （CK）

图2 降雨前后暗管埋设区（T）与对照区（CK）土壤含盐量（SS, Soil salinity）与SAR 的变化率Fig.2 Change rate of soil salinity and SAR in T and CK before and after rainfall

2.2 暗管排水工程对植物多样性的影响

根据野外调查，被调查的试验区4类生境内共有19种植物，通过植物多样性指数Shannon-Wiener的计算方法，得到不同生境下的植物多样性指数。图3显示试验区内4类生境的Shannon-Wiener指数由高到低依次为埋设暗管的荒地（T-W）＞埋设暗管的夏季休耕地（T-CL）＞未埋设暗管的荒地（CK-W）＞未埋设暗管的夏季休耕地（CK-CL）。由此可见，不论是荒地还是夏季休耕地，埋设暗管区植物多样性均高于未埋设区，暗管排水生态工程的实施可以有效维持植物多样性。

图3 试验区不同生境下植被多样性Fig.3 Species diversity of vegetations in different habitats in the pilot area

CK-W小区内分布有12种植物类型，群落优势种为真盐生植物碱蓬；CK-CL小区内仅分布有4种植物类型，群落优势种为假盐生植物芦苇；T-W小区内分布有15种植物类型，群落优势种为假盐生植物芦苇；T-CL小区内分布有8种植物类型，群落优势种为非盐生植物狗尾草。可以看出，人为干预的休耕地内的植物种类均远小于自然环境下荒地内的植物种类，人为活动会降低农田生态系统的植物多样性；暗管埋设区的植物类型多于对照区，群落优势种也由盐生植物变为非盐生植物，进一步说明暗管排水工程的实施能够有效降低土壤含盐量。

2.3 暗管排水工程对作物产量与产值的影响

暗管排水工程可从两方面增加农田生态系统的粮食生产服务价值：一为通过平填毛沟增加农田耕地面积；二为通过暗管排水降低土壤盐分提高耕地质量从而增加单位面积的作物产量。试验区总面积约为13.3 hm2，暗管埋设前按照前苏联排水模式，即50 m宽度的田块需建设宽度为8 m的毛沟，毛沟占耕地面积比例为16%，暗管排水工程平填毛沟后，可增加2.1 hm2的耕地面积。同时，暗管排水工程的实施改变了自然状态下土壤不同层次和不同季节盐分和水分的分布，使作物在易遭受胁迫的敏感期规避了危害，从而增加了适宜种植作物的种类。作物种类由工程实施前单一的棉花种植变为棉花、玉米、小麦、谷子等多种作物种植的方式。表2可以看出，暗管排水区的棉花产量与产值是对照区的3倍有余，而对照区种植的冬小麦、夏玉米与谷子因盐害与旱涝双重影响没有收成。

表3 暗管区与对照区的主要作物种类、产量与产值Table 3 Main crops types , yields and output value in subsurface drainage area and control area

2.4 暗管排水工程下农田生态系统服务功能价值变化

分别取暗管埋设区与无暗管对照区内2类生境Shannon-Wiener指数的平均值作为各自的Shannon-Wiener指数（SW），计算得到SW0与SW分别为0.935、1.295 ，即修正系数a为1.38，从而求得暗管区与对照区单位面积生态系统服务价值（ESV）及总服务价值（表4）。暗管区与对照区维持植物多样性服务功能的单位面积ESV分别为4 106.72与2 965.08 元·hm-2·a-1，这与《森林生态系统服务功能评估规范》（YL/T1721-2008）中的生物多样性指标的规定较为一致。规范规定，根据Shannon-Wiener指数计算生物多样性，当指数＜1时，价值为3 000 元·hm-2·a-1，当1≤指数＜2时，价值为5 000 元·hm-2·a-1。农田生态系统以生产功能为主，受人为活动影响，一般来讲，植物多样性是低于森林生态系统的，因此，计算得到的4 106.72 元·hm-2·a-1（暗管区，SW=1.295）与2 965.08 元·hm-2·a-1（对照区，SW=0.935）分别低于森林生态系统的5 000 元·hm-2·a-1与3 000 元·hm-2·a-1，是合理的。故此本研究认为用Shannon-Wiener指数进行ESV修正是科学合理的。

表4 暗管区与对照区单位面积生态系统服务价值（ESV）与总服务价值Table 4 ESV per unit and the total ESV of subsurface drainage area （T） and control area （CK）

对照区生产功能的单位面积价值为3 277.32元·hm-2·a-1，与海兴县单位面积价值2 906.94元·hm-2·a-1（表1）基本一致，说明海兴县代表无暗管对照区ESV具有一定的科学性。但应用市场价值法计算后的暗管区生产功能价值（16 075.54元·hm-2·a-1）远大于用修正系数a修正后的计算值（4 026.19 元·hm-2·a-1），这与农田生态系统生产功能为主的特征有关，用市场价值法计算更符合实际。

暗管区与对照区“三生”功能价值均表现为生态功能价值＞生产功能价值＞生活功能价值（表5）。暗管排水工程对农田生态系统服务价值的影响主要体现在生产功能价值的增加，其增加值是生态功能增加值的1.8倍，是生活功能增加值的67倍，可以看出，暗管排水工程的实施可显著提高农田生态系统的经济效益，对于生态效益的提升也较明显。