黃河三角洲鹽堿地改良綜合技術(shù)研究

劉建強(qiáng)，畢華軍，鄭 強(qiáng)

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

黃河三角洲地區(qū)，是以黃河歷史沖積平原和魯北沿海地區(qū)為基礎(chǔ)，向周邊延伸擴(kuò)展形成的經(jīng)濟(jì)區(qū)域。地域范圍包括山東省東營(yíng)和濱州2市全部，以及與其相毗鄰自然環(huán)境條件相似的濰坊市的北部寒亭區(qū)、壽光市、昌邑市，德州市的樂(lè)陵市、慶云縣，淄博市的高青縣和煙臺(tái)市的萊州市，共涉及6個(gè)設(shè)區(qū)市的19個(gè)縣（市、區(qū)），總面積2.65萬(wàn) km2，占全省的 1/6。

黃河三角洲區(qū)位條件優(yōu)越，自然資源豐富，開(kāi)發(fā)前景廣闊。在土地資源優(yōu)勢(shì)方面，擁有未利用地54.07萬(wàn)hm2。主要制約因素是淡水資源短缺，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，土地鹽堿化程度較高。因此，系統(tǒng)地研究鹽堿地綜合改良技術(shù)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程技術(shù)措施

在充分考慮黃河三角洲粉砂壤土鹽堿地整治特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及觀測(cè)的基礎(chǔ)上，以波紋塑料管為排水材料，進(jìn)行暗管埋深和間距系統(tǒng)優(yōu)化研究，分析不同暗管埋深和間距條件下排水降漬效果，進(jìn)而確定可綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、治堿效果以及技術(shù)操作性的塑料暗管最優(yōu)埋深和間距，為黃河三角洲鹽堿地綜合治理適宜工程布置形式提供理論依據(jù)及支持。

本研究示范區(qū)選擇在濱州市陽(yáng)信縣水落坡鄉(xiāng)境內(nèi)，項(xiàng)目區(qū)西起濱州市小開(kāi)河干渠，東止雙保三，南起支七渠,北止溫水線?？偯娣e986.67 hm2，其中耕地面積800 hm2，示范區(qū)面積68 hm2。

1.1 排水暗管埋深分析

1.1.1 潛水臨界水深和暗管的埋深

在實(shí)際工作中，排水暗管布設(shè)一般先確立塑料暗管埋深（見(jiàn)圖1），其常用下式計(jì)算。

式中：hq為暗管埋設(shè)深度；ht為作物要求的地下水埋深，一般為耐漬深度或地下水位臨界深度；Ht為兩吸水管間排水地塊中部地下水位與暗管水位之差，常稱剩余水頭或滯留水頭；h＇為暗管水深，一般取吸水暗管管徑1/2。

圖1 暗管排水地段示意圖

由式（1）可知，暗管的埋深主要決定于保證作物正常生育所需要的地下水埋深，同時(shí)考慮必要的剩余水頭。根據(jù)圖1剩余水頭還可按下列公式計(jì)算：

式中：B為暗管間距；tanθ為與土壤質(zhì)地有關(guān)的參數(shù)。

分析得知，暗管的埋深可以以潛水臨界水深ht作為確定的主要依據(jù)。一般取作物敏感生育期根系密集層土壤水氣比8∶2時(shí)的地下水位埋深，即要依據(jù)作物的根系分布、根系活力和不同土壤的飽和區(qū)高度來(lái)確定。

1.1.2 排水暗管埋深分析確定

根據(jù)分析計(jì)算及實(shí)地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)?shù)刂饕魑锔祷顒?dòng)層為0.3 m；砂壤、黏壤土毛管水強(qiáng)烈上升高度為1.3 m，因此，臨界暗管的潛水臨界水深ht定為1.6 m。暗管排水水頭差Ht取0.2 m。根據(jù)設(shè)計(jì)管徑，管內(nèi)水深h＇取0.1 m，則暗管的埋深為1.9 m，在進(jìn)一步提高耕作技術(shù)水平的前提下，潛水臨界水深可相應(yīng)降低，埋管深度也可適當(dāng)放淺0.1 m。因此本項(xiàng)目區(qū)暗管埋深hq≥1.8 m為宜。

1.2 排水暗管間距的確定

塑料排水暗管埋深和間距的確定關(guān)系到排水效率和投入成本，并與土壤類型、排水體材料等有關(guān)。目前確定排水暗管的埋深和間距有多種方法，計(jì)算結(jié)果也有差別。暗管排水系統(tǒng)布局優(yōu)化就是在一定的排水標(biāo)準(zhǔn)下，尋求單位面積投資最小的暗管埋深和間距的最優(yōu)組合。

1.2.1 優(yōu)化模型

1）目標(biāo)函數(shù)。設(shè)暗管長(zhǎng)度為L(zhǎng)，埋深為h，間距為B，以單位面積投資Z最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，則目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中：C為暗管及濾料的單價(jià)，元/m；D為土方單價(jià)，元；b為埋管時(shí)開(kāi)挖溝寬，m；Z為單位面積上的投資，元/畝。

2）暗管埋深約束。暗管埋設(shè)深度應(yīng)使暗管能防漬防澇，使土壤水分達(dá)到適宜深度，滿足作物的需要，同時(shí)還能控制土壤鹽分達(dá)到水鹽均衡和逐年脫鹽淡化的要求，故暗管埋深應(yīng)滿足下式：

式中：hmin為暗管最小埋深，m，由作物灌期適宜的地下水埋深確定；hmax為暗管最大埋深，m，由控制土壤返鹽的地下水埋深確定。

滿足自流排水要求，農(nóng)田暗管埋深受到排水溝溝深的限制，若明溝水面離地面距離為H明溝水面，考慮到暗管比降和出流，則暗管埋深應(yīng)滿足下式：

3）暗管間距約束。暗管的間距為滿足排鹽要求，理論上應(yīng)不超過(guò)按排蒸比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的間距 S，即：

式中：S為理論公式確定的排水溝間距。

4）非負(fù)約束。暗管埋深和間距應(yīng)滿足非負(fù)要求，即：

1.2.2 優(yōu)化計(jì)算模型與結(jié)果

針對(duì)濱州市小開(kāi)河引黃灌區(qū)采用暗管排水的實(shí)際，并參考相關(guān)研究及山東省濱州市打漁張灌區(qū)的相關(guān)資料，暗管及濾料的單價(jià)C為20.0元/m；土方單價(jià)D為6.0元/m3；暗管開(kāi)溝寬b為0.5 m；明溝水深離地面距離H明溝水面初步定為2.5m；水面蒸發(fā)強(qiáng)度ε0春季為8.48～10.0 mm/d，秋季為5.0～6.0 mm/d；滲透系數(shù) k 取 0.82 m/d。

參考山東水利科學(xué)研究所《山東濱海粉砂壤土鹽堿地區(qū)暗管排水技術(shù)研究總結(jié)報(bào)告》等相似區(qū)域的研究，粉砂壤土的毛細(xì)管水強(qiáng)烈上升高度為1.3 m左右，耕作層一般為0.2～0.3 m計(jì)算，則潛水的臨界水深為1.5～1.6 m，排水過(guò)程后期，考慮排水順利及管徑自身的尺寸，暗管底部埋深應(yīng)在1.9 m左右，在合理的灌水及良好的耕作條件下，暗管的埋深以不小于1.8 m為宜，即hmin定為1.8 m。

根據(jù)地下暗管埋深2.5～2.7 m時(shí)，略超過(guò)7～8 d排水的標(biāo)準(zhǔn)，但加強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合措施也能夠滿足要求，因此這里hmax初步定為2.7 m。

根據(jù)上述參數(shù)，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上確定出了黃河三角洲鹽堿地綜合治理暗管排水系統(tǒng)優(yōu)化模型為：

目標(biāo)函數(shù)：minZ=667（20+3h）/B

約束條件為：

求解上述模型得到最后計(jì)算結(jié)果為：h=2.4 m，B=136.84 m。

根據(jù)以上分析，考慮盡可能的滿足7～8 d排水的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于小開(kāi)河灌區(qū)鹽堿地綜合治理暗管排水暗管埋深建議取1.9 m，推薦間距為70 m。另外為了對(duì)比試驗(yàn)，可以采用對(duì)比方案為暗管埋深取2.0 m，推薦間距為80 m；暗管埋深取1.8 m，推薦間距為60 m。

2 農(nóng)藝技術(shù)措施

農(nóng)藝措施對(duì)鹽堿地的改良更加簡(jiǎn)便、快捷、經(jīng)濟(jì)有效。在輕度或部分中度鹽堿耕地上，采用各種農(nóng)業(yè)措施，可以減少土壤蒸發(fā)、防止返鹽、降低土地鹽堿化程度，還可使土壤中現(xiàn)有鹽分重新分配，使表層含鹽量降到作物耐鹽極限以下，保證作物出苗生長(zhǎng)，達(dá)到合理利用鹽堿化耕地的目的。

2.1 試驗(yàn)布置

本次田間試驗(yàn)選擇了秸稈翻耕、土壤有機(jī)改良劑骨料、對(duì)照試驗(yàn)3種不同的處理方式，每種處理3個(gè)水平，2次重復(fù)，共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。為了減少田間試驗(yàn)的誤差，消除田間自然土壤變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加大了每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積，試驗(yàn)小區(qū)面積設(shè)計(jì)成3 m×15 m，種植作物為棉花。為了便于和當(dāng)?shù)馗鞣N鹽堿土改良方法的效果比較，3種處理的播種量、耕作施肥方式、施肥量等與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民采用的方式完全一致。

各處理直接按照土壤有機(jī)改良劑骨料和作物秸稈的添加量命名，其中：對(duì)照3個(gè)處理，分別是CK1、CK2、CK3。秸稈耕翻3個(gè)處理，分別是P1、P2、P3。土壤改良劑骨料3個(gè)處理，分別是GL1、GL2、GL3。上述每種處理重復(fù)2次。本次田間試驗(yàn)不同處理的名稱與用量見(jiàn)表1。

表1 典型地塊田間試驗(yàn)不同處理的名稱與用量 kg/hm2

土壤有機(jī)改良劑骨料和秸稈在田間試驗(yàn)中的使用方法基本一致，都是在耕地前將土壤有機(jī)改良劑骨料和作物秸稈灑在地表，然后用旋耕犁隨播種前耕地將土壤有機(jī)改良劑骨料、秸稈翻入地下約30 cm，使其與各試驗(yàn)小區(qū)中0～30 cm的土壤充分混合均勻。土壤有機(jī)改良劑骨料粉碎后過(guò)2 mm篩，作物碎秸稈的長(zhǎng)度小于1 cm。

2.2 土壤采樣與分析測(cè)定

2012-04棉花播種前，在田間均勻的取了12個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)分0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)土層測(cè)定土壤容重，然后求平均值，作為改良前土壤的容重，以便于和棉花收獲后的土壤結(jié)果進(jìn)行比較。并同時(shí)取原狀土進(jìn)行孔隙度測(cè)定，分別測(cè)定土壤總孔隙度和毛管孔隙度。

在2012-11棉花收獲后，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照S形狀各選3個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行土壤樣品的采集與田間測(cè)試分析。土壤容重的測(cè)定是每點(diǎn)取樣深度為40 cm，分為 0～20 cm、20～40 cm 兩個(gè)土層，每個(gè)土層用標(biāo)準(zhǔn)容重環(huán)（100 cm3）取原狀土，計(jì)算土壤容重。土壤總孔隙度用田間實(shí)測(cè)的土壤容重與土壤顆粒密度進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算得出。

土壤鹽分按照 0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm八個(gè)層次取樣，取樣深度根據(jù)實(shí)際情況，以取到地下飽和土層。水溶性鹽總量的測(cè)定用陰陽(yáng)離子重量之和法（5∶1水土浸提）。

土壤顆粒分析采用篩分與沉降相結(jié)合的方法進(jìn)行，每個(gè)土壤樣品中﹥0.1 mm的土壤顆粒用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩進(jìn)行篩分，將剩余的﹤0.1 mm水土混合液轉(zhuǎn)入1 000 mL量筒用沉降法進(jìn)行測(cè)定。

2.3 結(jié)果分析

1）土壤有機(jī)改良劑和作物秸稈翻耕等農(nóng)藝措施，可以明顯改善鹽堿土壤的理化性狀，提高鹽堿土壤中有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分含量，對(duì)于黃河三角洲低產(chǎn)鹽堿土壤改良，提高其土地質(zhì)量是成本低廉且行之有效的措施。

2）作物秸稈屬于黃河三角洲地區(qū)的農(nóng)業(yè)廢棄物，易于獲得。采用作物秸稈粉碎后耕翻入田的措施，可以有效改良鹽堿土壤的物理性狀，增加土壤導(dǎo)水性能，快速降低土壤鹽分、提高作物產(chǎn)量。

3）根據(jù)對(duì)土壤理化性狀的綜合分析，結(jié)合試驗(yàn)小區(qū)收獲的棉花產(chǎn)量，在黃河三角洲地區(qū)，改良黏質(zhì)氯化物鹽化潮土?xí)r，作物秸稈粉碎后施入農(nóng)田的適宜用量為3 000 kg/hm2。

4）有機(jī)肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，改善土壤物理性狀，但是由于含有高濃度的氯離子、鈉、鉀和氨等成分，對(duì)土壤鹽分含量的降低沒(méi)有明顯的效果，另外還對(duì)地下水有一定污染。

3 生物措施改堿技術(shù)研究

3.1 試驗(yàn)區(qū)植物的選擇

本次研究共布置了兩類試驗(yàn)。耐鹽植物改良效果對(duì)比試驗(yàn)地，用于對(duì)照、篩選不同耐鹽植物的生物改良效果；暗管區(qū)生物改良實(shí)驗(yàn)主要觀察暗管排水對(duì)鹽堿地改良的作用。試驗(yàn)區(qū)選擇的生物主要有菊苣，紫花苜蓿，甜高粱，棉花，玉米，穇子，田青，籽粒莧。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）各種耐鹽植物的生長(zhǎng)情況對(duì)比。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，從產(chǎn)量和生物量的表現(xiàn)看，甜高粱、菊苣、田箐、棉花排名比較靠前，穇子最低。在鹽分比較高的試驗(yàn)小區(qū)，0～10 cm含鹽量為0.882%，菊苣能夠開(kāi)始正常生長(zhǎng)；在鹽分比較高的試驗(yàn)小區(qū)，0～10 cm含鹽量為0.598%，田菁生長(zhǎng)良好。

2）各種耐鹽植物的土壤化學(xué)指標(biāo)變化。研究表明，試驗(yàn)區(qū)鹽分變化呈明顯的脫鹽趨勢(shì)，個(gè)別含鹽量太高的小區(qū)，除穇子以外難以正常出苗生長(zhǎng)，但穇子在鹽堿嚴(yán)重的土壤生長(zhǎng)也很差，改良效果不佳。養(yǎng)分變化并沒(méi)有明顯的規(guī)律，原因是小區(qū)內(nèi)施入了氮肥、磷肥、復(fù)混肥、有機(jī)肥，生長(zhǎng)旺盛的處理對(duì)養(yǎng)分的吸收多，但長(zhǎng)勢(shì)差的小區(qū)土壤環(huán)境差，養(yǎng)分也會(huì)流失。田箐與菊苣生物量比較接近，在同樣的施肥量條件下，從種植到收獲速效氮分別從51.57 mg/kg和61.45 mg/kg減少至27.45 mg/kg和38.70 mg/kg，顯示田菁的根瘤有固氮作用。

菊苣的耐鹽性能突出，生長(zhǎng)也比較旺盛，苗期后肥水供應(yīng)充足能獲得較大的生物量，生物改良效果比較典型，圖2是菊苣處理的土壤剖面鹽分變化過(guò)程，0～10 cm土層平均含鹽量已經(jīng)從開(kāi)始的0.446%減少到0.183%，整個(gè)剖面呈脫鹽的趨勢(shì)。

3.3 研究結(jié)論

1）生物改良鹽堿地的機(jī)理。不在于“吸鹽”，而是緣于對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)的改變和水分過(guò)程的影響。發(fā)達(dá)的根系和茂密的植物，使土壤入滲和通氣性得以改善，有利于淡水的淋洗下滲，根系活動(dòng)更是促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化，這會(huì)改善土壤的代換性，使土壤保肥能力增強(qiáng)、淡水帶走鹽分離子的可能性增加；水分過(guò)程的影響體現(xiàn)在根系吸水改變了水分全部由地表蒸發(fā)的局面，使表層土壤積鹽現(xiàn)象降低，另外就是植被覆蓋大大減少了土壤的裸地蒸發(fā)。

圖2 生物改堿試驗(yàn)典型土壤剖面含鹽量變化（菊苣）

2）配套技術(shù)。在播種時(shí)同時(shí)施入磷肥（過(guò)磷酸鈣），能大大提高重鹽堿地各種耐鹽植物的出苗，含鹽量高于0.4%的土壤pH一般達(dá)到8.5～9，過(guò)磷酸鈣的使用除增加土壤有效磷以外，有利于降低土壤的簡(jiǎn)化度，鈣的增加有利于鈉離子的代換；播種前的淡水淋洗與地膜覆蓋也是必要的，淋洗后的鹽分能保證出苗和苗期的生長(zhǎng)，覆蓋能大大抑制裸地的土壤蒸發(fā)，降低返鹽強(qiáng)度。

3）耐鹽植物的遴選原則。應(yīng)該綜合考慮耐鹽植物的根系、生物量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、培肥效果（比如固氮菌）、耐鹽性能、耐澇性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)地調(diào)查，提出了耐鹽植物的綜合排序?yàn)榘紫灻?、田箐、甜高粱、菊苣、棉花、苜蓿、籽粒莧、玉米、穇子。值得一提的是白蠟苗，他耐鹽、耐澇、生長(zhǎng)旺盛、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)研究基于“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去”，預(yù)防鹽堿災(zāi)害，應(yīng)從控制區(qū)域地下水位埋深和排水暢通的觀點(diǎn)，結(jié)合黃河三角洲鹽堿地的類型和改良要求，在以往單項(xiàng)措施研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出了鹽堿地水鹽調(diào)控技術(shù)模式，主要包括地埋暗管排水、覆蓋抑鹽、生物調(diào)鹽的綜合治理模式。為鹽堿地的改良提供了有效的途徑，具有技術(shù)指導(dǎo)意義。