中國微咸水灌溉的實踐與啟示

王 喜，譚軍利,2,3

(1．寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021； 2．寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3．旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

中國既是水資源大國，又是農(nóng)業(yè)灌溉大國，灌水量約占全部供水量的62%[1]；區(qū)域性缺水和季節(jié)性缺水也是我國水資源一大特征；隨著國民經(jīng)濟及工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，用水量和需水量增加的同時，淡水資源日益緊缺、水資源供不應求，局部缺水頻頻出現(xiàn)[2]。僅靠淡水資源已不能夠滿足用水需求，必須開辟新水源。微咸水資源的開發(fā)，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的希望所在，具有十分重要的利用價值和現(xiàn)實意義[3]。

本文就國內(nèi)外微咸水灌溉現(xiàn)狀、方法等進行綜述，并從微咸水利用的經(jīng)驗和教訓中得到了一些啟示，為我國微咸水可持續(xù)利用提供指導。

1 微咸水灌溉概況

(1)國內(nèi)微咸水灌溉現(xiàn)狀。微咸水即礦化度為2～5 g/L 的含鹽水。中國微咸水資源分布廣泛，東起淮河、秦嶺、巴顏喀拉山，西至喜馬拉雅山沿線以北的干旱、半干旱地區(qū)，北起遼東半島，南至兩廣沿海，尤其分布在易發(fā)生干旱的華北、西北以及沿海地帶[3]。據(jù)統(tǒng)計，中國地下微咸水資源約為200億m3/a，其中可開采量達1/3，絕大部分存在于地下10～100 m處，宜于開采利用[1]。

我國利用微咸水灌溉已有50多年的歷史，這些經(jīng)驗為微咸水灌溉的發(fā)展提供了可靠的基礎。寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、河南、河北、山東、新疆、遼寧等省區(qū)根據(jù)微咸水灌溉的試驗和生產(chǎn)實踐，都獲得高產(chǎn)[4]。徐秉信等[5]、喬玉輝等[6]、吳東忠等[7]認為在干旱情況下利用微咸水灌溉作物，可以達到增產(chǎn)效果；邵玉翠等[8]在天津還得出了作物增產(chǎn)與礦化度、灌溉量及灌溉次數(shù)的關(guān)系。如果利用微咸水灌溉搭配施有機肥、地膜覆蓋、麥秸還田、壓沙等管理措施，還能控制積鹽、進一步增產(chǎn)[9]；逄煥成等[10]在山東利用微咸水灌溉配合麥秸覆蓋技術(shù)，降低了主根區(qū)鹽分含量，使年產(chǎn)量與淡水灌溉無顯著差異。內(nèi)蒙古河套地區(qū)采用引黃壓鹽、生物排鹽、干排水技術(shù)來降低土壤鹽分達到周年平衡[11]。甘肅河西走廊的農(nóng)民常用“清洪輪灌”法(咸水和淡水交替灌溉)灌溉作物。我國利用微咸水灌溉的實踐成果，為各區(qū)域微咸水合理利用提供了有力的科學支撐。

(2)國外微咸水灌溉現(xiàn)狀。隨著淡水資源供需矛盾不斷上升，合理開發(fā)微咸水資源已成為各國關(guān)注的焦點。在以色列、美國、突尼斯、埃及等國家利用微咸水已經(jīng)有較長的時間。以色列是一個干旱缺水的國家，采用先進的計算機控制系統(tǒng)，使咸水稀釋，通過多為滴灌、噴灌方式，控制最佳灌水量給作物提供水、肥[12]；美國西南部利用礦化度在2.4～4.8 g/L微咸水灌溉棉花、甜菜、小麥等作物，棉花產(chǎn)量竟高于淡水灌溉[13]；突尼斯大多數(shù)土壤為重質(zhì)黏土，在作物生長階段，土壤干燥容易板結(jié)和開裂。利用井水灌溉作物，大麥、高粱、苜蓿等能夠正常生長[14]；埃及利用改良土壤的排水直接、混合尼羅河淡水、交替灌溉作物(大麥、甜菜、野豌豆等)[14]；阿爾及利亞、摩洛哥、巴基斯坦、德國以及瑞典等對咸水灌溉也獲得了成功經(jīng)驗[5]?？傊?國外在微咸水利用方面歷史較長,也得到很多研究成果。

2 微咸水灌溉方法

選擇恰當灌溉方式是利用微咸水灌溉的重點環(huán)節(jié)之一。目前我國微咸水灌溉方式主要有地面灌溉、滴灌、噴灌等。

(1)地面灌溉技術(shù)。傳統(tǒng)地面灌溉方式,包括畦灌、溝灌等。傳統(tǒng)地面灌溉方法雖然耗水量大，但在很長一段時間內(nèi)，我國傳統(tǒng)地面灌溉仍是各個灌區(qū)主要的灌溉方法。馮棣等[15]在環(huán)渤海地區(qū)利用咸水畦灌種植棉花；雷廷武等[16]在內(nèi)蒙古河套地區(qū)通過溝灌灌水方式大田試驗表明：利用不同水質(zhì)溝灌比傳統(tǒng)地面漫灌種植玉米平均產(chǎn)量可提高15.1%。先進的地面灌溉技術(shù)，主要包括波涌灌、膜上灌等。目前，波涌灌和膜上灌是我國最具推廣價值的改進地面灌水技術(shù)[17]。波涌灌具有灌水均勻、省水節(jié)能、和田間水利用率高等特點。在畦田灌溉中采用波涌灌也是避免土壤次生鹽漬化趨勢的有效途徑之一。2004-2005年在中國科學院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站進行的微咸水大田波涌灌畦灌試驗表明：波涌灌灌水在畦田上分布較為均勻，局部(畦首)積鹽現(xiàn)象有效降低，麥收后波涌灌比連續(xù)灌土壤含鹽量低16.2%[17]。膜上灌是一種新灌水技術(shù)，是在地面覆膜的基礎上，改膜側(cè)水流引為膜上流，用地膜輸水，通過膜孔和膜側(cè)給作物灌溉。膜上灌對水分而言，使下滲減少、灌水均勻度提高，水主要集中于作物主根區(qū)，提高了水分利用率；對土壤而言，膜上灌水增加了土壤的熱量、溫度和透氣性；對作物而言，創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境，并且投資少、易推廣和見效快，特別適合在惡劣的氣候地區(qū)應用。逄煥成等[18]、張永玲等[19]生產(chǎn)試驗表明：膜上灌技術(shù)較傳統(tǒng)地面灌溉既節(jié)水又增產(chǎn)。

(2)滴灌技術(shù)。滴灌技術(shù)最早是由以色列人發(fā)明的，并在40多年前運用到農(nóng)業(yè)[12]，能及時將作物所需生長的水分、養(yǎng)分適量地輸送到作物的根部土壤，以起到節(jié)水、節(jié)肥效果，被認為是微咸水灌溉的較好方式[7]。滴頭下面土壤在滴灌淋洗作用下鹽分向濕潤鋒靠近，使作物土壤含鹽量明顯比較小，促進了作物生長。但是長期滴灌很容易在土壤表層積鹽，灌溉或降雨時鹽分進入主根區(qū)，影響作物正常代謝。因而，應用少量、高頻率的滴灌方式或采用地下滴灌方式可以減少這種積鹽現(xiàn)象。雷廷武等[20]、萬書勤等[21]、尹志榮等[22]在利用滴灌技術(shù)的試驗中都取得了很好的效果。覆蓋地膜在我國西北等干旱地區(qū)已得到廣泛推廣，可保墑、抑鹽、增溫和減少病蟲害，是一種很具發(fā)展前景的微咸水利用技術(shù)。如果使覆膜栽培與滴灌相結(jié)合，可大大減少水資源的消耗，降低鹽害，獲得更高的產(chǎn)量。李昭楠等[23]、邢文剛等[24]分別在甘肅、德州成功進行了膜下滴灌技術(shù)的實踐。

(3)噴灌技術(shù)。噴灌屬于一種節(jié)水型灌溉方式，是將壓力水噴灑到空中形成細小水滴，并均勻地降落到田間的灌水方法。但利用微咸水進行噴灌時，一方面作物會受到土壤鹽分的脅迫；另一方面易引起植物葉片表面積鹽，造成葉片脫水灼傷，共同制約作物生長。噴液灼傷程度由氣候、灌溉次數(shù)等因素影響。應當采用灌水量大、灌水時間短的方法，選擇在植物吸收能力最低的時段(夜間、黃昏)來進行微咸水噴灌[7]。美國利用咸水噴灌達到了較好試驗效果[25]。

3 微咸水灌溉鹽分對作物及土壤的影響

(1)鹽分對作物的影響。利用微咸水灌溉，土壤溶液中的鹽分不超過作物的臨界濃度，便可獲得在相同灌溉條件下的淡水灌溉作物產(chǎn)量。當鹽分超過臨界濃度時，產(chǎn)量則隨著土壤中鹽分含量的增加呈線性下降趨勢進而被抑制[26]，作物產(chǎn)量與鹽分含量的關(guān)系可用如下表達式反映[14]：

Yr=100-b(ECe-a)

(1)

式中：Yr為相對產(chǎn)量；a為臨界鹽度；b為超過臨界鹽度后隨土壤鹽度的增加而產(chǎn)量降低的比例；ECe為土壤飽和電導率，dS/m。

由式(1)可知，不同的作物種類具有不同的耐鹽性。劉春卿[27]、張葆蘭[28]分別在江蘇、內(nèi)蒙古對不同作物的耐鹽性進行了研究：一般作物在萌發(fā)時耐鹽性低，在出苗時更加敏感。張海燕等[29]分析了Nacl對幾種耐鹽作物種子萌發(fā)的影響，試驗結(jié)果表明：甜瓜>番茄>胡蘿卜>油菜，并且種子萌發(fā)受到土壤鹽分的影響較為嚴重。另外還有一些因素(氣候、臭氧等)也會影響作物的耐鹽性。

微咸水灌溉會影響作物品質(zhì)。一方面土壤中鹽分含量的增多，溶質(zhì)勢的降低，導致作物對水分和養(yǎng)分吸收能力減弱，影響作物的生理發(fā)育和生長代謝[5]；另一方面作物為了克服土水勢降低而進行的代謝作用。為了吸收水分和養(yǎng)分，作物將會被迫消耗能量進行光合作用，促使干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換是通過代謝作用降低作物的水勢，來提高作物糖分、可溶性固形物含量等。吳蘊玉等[30]、江雪飛等[31]認為：作物生長過程中，雖然在高溫、高鹽的環(huán)境脅迫下，葉面積指數(shù)、株高等生長指標會受到不同程度的抑制(尤其是在果實發(fā)育以前)，但是在生長后期(果實發(fā)育期以后)可以提高果實的綜合品質(zhì)。

(2)鹽分對土壤的影響。微咸水中含有鹽分，鹽分對灌溉土壤的影響，主要體現(xiàn)在土壤交換性鈉和電導率增加[7]。一方面，鈉離子的增加會造成土壤膠體顆粒膨大，減少土壤團粒間的空隙，降低土壤滲透性及可耕性，影響作物根系的生長。一般情況下，交換性鈉對土壤性質(zhì)的影響是不嚴重的。當土壤中的交換性鈉達到一定程度后，才會使土壤的ESP(堿化度)、pH值升高，導致土壤成為堿化土壤；另一方面，隨著灌溉微咸水的電導率不斷升高，導致土壤表層聚鹽、氯鈉離子比例提高、土壤初始入滲率逐年降低、短期灌溉破壞土壤水穩(wěn)性團聚體[32]，造成土壤鹽堿化的趨勢就會逐步加劇[8]。因此，微咸水灌溉一定要保持良好的排水條件、及時淡水沖洗脫鹽。

(3)水鹽運移規(guī)律。微咸水灌溉進入土壤中的水分、鹽分，主要有兩個變化途徑：一是在微咸水灌溉過程中，鹽分會隨著土壤中水分的下滲而發(fā)生運移，這就是脫鹽過程。邵玉翠等[26]在冬小麥土壤安全性研究試驗中表明：分別實施小于2.5和4 g/L微咸水灌溉后，表層土壤呈脫鹽狀態(tài)，分別比初始值降低59.2%和9%；二是在微咸水灌溉后，由于田間土面蒸發(fā)和植物蒸騰作用，鹽分就會隨著土壤水分的變化而重新在上層土壤積聚，這就是返鹽現(xiàn)象。土壤的含鹽量主要取決于灌溉水的礦化度，受鈉吸附比的影響很小。在中壤質(zhì)淺位中層加黏土壤灌溉礦化度小于或等于3 g/L時，可以使土壤周年持續(xù)平衡[26]。在鹽分保持平衡的狀態(tài)下，從土壤鹽分剖面來看，微咸水灌溉是造成了土壤表層鹽分累積的一個重要因素，從而影響到作物的正常生長[25]。所以，利用微咸水灌溉，只要將土壤表層鹽分控制在作物可耐鹽的范圍內(nèi)，既可滿足作物水分的需求，又可避免鹽害。張余良等[8]利用2.5～6.0 g/L微咸水進行冬小麥灌溉試驗表明：土壤積鹽量與入滲水礦化度呈正相關(guān)關(guān)系。這些鹽分與土壤自身攜帶的化學元素和土壤顆粒、結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，共同影響土壤水分有效利用和作物的生長。因此，今后應該加強對微咸水灌溉條件下水分和鹽分離子的運移與平衡規(guī)律研究，為微咸水灌溉提供科學技術(shù)支撐。

4 微咸水灌溉對生態(tài)環(huán)境的影響

大規(guī)模采用地下微咸水灌溉，如果管理或防治措施不當，不但導致土壤次生鹽堿化和作物減產(chǎn)，還可能引起地面沉降、沿海地區(qū)海水入侵的生態(tài)問題。

微咸水灌溉可能導致土壤次生鹽漬化。劉友兆等[3]實驗表明：分別用2～5 g/L的咸水直接灌溉，會造成土壤耕層不同程度的鹽堿化并對土壤造成潛在影響。地下水位降低，也會影響植物的生長。在干旱地區(qū)大規(guī)模開發(fā)利用地下微咸水，還會擴大荒漠化。微咸水在輸送、排灌過程中存在滲漏問題。微咸水發(fā)生滲漏，土壤和地下水就會受到侵染，造成鹽漬化。因此，輸排水設施也要注意防滲問題。

大量地開采地下微咸水還可能造成地面沉降。殷躍平等[33]以長江三角洲、華北平原及汾渭地塹地區(qū)為重點，提出開展全國地面沉降防治的建議。地面沉降是一種嚴重的地質(zhì)災害，大多數(shù)是由地下水開采引起的。1949年以來，我國地面沉降和地裂縫造成的經(jīng)濟損失累計高達4 500～5 000億元[33,34]。

沿海地區(qū)過量開采地下微咸水還可能引發(fā)海水入侵，其危害和損失也是巨大的。海水入侵使水質(zhì)惡化、土壤鹽漬化，導致水田面積減少、旱田面積增加、有效灌溉面積減少、荒地面積增加，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面受到嚴重影響。萊州市是發(fā)生海水入侵面積最大的城市，入侵面積達260.0 km2，年均入侵速度高達10.4 km2/a[35]。全國累計海水入侵面積達1 000 km2，最大入侵距離超過10 km，由此造成的經(jīng)濟損失每年約8億元[36]。因此，沿海地區(qū)大規(guī)模利用微咸水要防止海水入侵，采取必要的有效措施。

5 結(jié)合國內(nèi)外微咸水灌溉的啟示

利用微咸水進行灌溉：一方面可以緩解水資源短缺的問題，并提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)，結(jié)合不同的灌溉方法及相關(guān)技術(shù)，可以進一步提高單產(chǎn)、降低土壤鹽分；另一方面易造成土壤鹽堿化，對作物引發(fā)鹽害，甚至影響生態(tài)系統(tǒng)，若灌水量不足的話，還會使作物受到水鹽聯(lián)合脅迫。因此，如何可持續(xù)利用微咸水已成為微咸水利用的關(guān)鍵問題，結(jié)合國內(nèi)多年微咸水利用的實踐，總結(jié)了一些經(jīng)驗和應加強的研究方向，希望可以為我國微咸水合理利用提供一些啟示。

(1)微咸水灌溉過程中的關(guān)鍵技術(shù)。微咸水灌溉的關(guān)鍵技術(shù)是保持土壤鹽分達到周年或多年平衡。灌溉微咸水，導致土壤積鹽，持續(xù)灌溉會改變土壤性狀，所以要保證灌溉的安全性就必須加強對關(guān)鍵技術(shù)的掌控。根據(jù)各地區(qū)特點利用不同的微咸水灌溉制度、方式(直接灌溉、輪灌技術(shù)、混灌技術(shù))、方法(地面灌溉、滴灌、噴灌)搭配其他覆膜、覆麥秸等綜合技術(shù)，不僅可以保溫、保墑、節(jié)水、節(jié)肥，更重要的是還可以抑制土壤鹽分累積。作物生長階段，不同灌水量也會對作物生長造成顯著的影響。水分是作物進行光合作用的重要條件，灌水量不足不僅對主根區(qū)積鹽起不到?jīng)_洗的作用還會直接影響作物正常生長代謝；在作物生長后期灌水量過高又不利于干物質(zhì)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)量增幅不明顯、浪費水資源。微咸水灌溉過程中，應采用大定額、少次數(shù)方式，并掌握最佳灌水定額，可得到最大的邊際效益。在此基礎上，控制地下水深、保持良好排水條件、在作物生長期及時淡水壓鹽、降雨淋洗、施用改良劑等措施控制根層土壤鹽分不超過作物耐鹽度臨界值，并掌握土壤灌水前后水鹽分布及運移規(guī)律，是微咸水灌溉的重中之重。

(2)加強對作物耐鹽性的研究。在利用微咸水灌溉時應充分考慮不同作物的耐鹽性、不同生育階段的耐鹽性等因素，避開作物對鹽分敏感時期灌水。這種方式方便、簡單、易行，灌溉成本低，對耐鹽作物生長代謝、產(chǎn)量的影響較小，所以種植耐鹽作物可以直接有效地提高經(jīng)濟效益。在微咸水灌溉耐鹽作物獲得較高產(chǎn)量的基礎上，其對品質(zhì)也有促進作用，尤其是蔬菜水果等。在微咸水處理的基礎上保證單產(chǎn)，在產(chǎn)量的基礎上保證質(zhì)量，也可以從側(cè)面提高經(jīng)濟效益。

(3)合理開采微咸水。過量開采地下微咸水，會對農(nóng)業(yè)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列嚴重影響。因而在干旱缺水地區(qū)或耗水量大的沿海城市，開采地下微咸水時，應充分考慮對環(huán)境造成的影響，合理適度開采地下微咸水，爭取做到采補平衡。

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