國際荒漠化協(xié)會(huì)聯(lián)合主席，水土保持專家王飛先生論基于土鹽-水鹽雙分離的旱區(qū)鹽堿地水土資源管理模式

土壤鹽堿化是土壤和土地退化的主要類型之一，通常是指地下水位過高所引發(fā)的土壤易溶性鹽類在土壤表層積聚的過程[1]。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)估算，全世界鹽堿地面積約為9.32×108hm2，其中鹽化土壤和堿化土壤面積分別為3.51×108hm2和5.81×108hm2。鹽堿地主要分布在世界各地的干旱地區(qū)和濱海地區(qū)，在澳大利亞、亞洲、美洲和非洲的分布面積分別約為3.58×108,3.17×108,1.47×108和8.00×107hm2，分別約占總鹽堿化土地面積的38.4%,33.9%,15.8%和8.60%[2-3]。據(jù)分析，全球約有70%以上的鹽堿地分布在“一帶一路”沿線國家[4-5]。

中國鹽堿地面積約為9.90×107hm2，其中現(xiàn)代鹽堿土和殘余鹽堿土的面積分別約為3.70×107hm2和4.50 ×107hm2，還有約1.70×107hm2的潛在鹽堿土，主要分布在北方地區(qū)以及長江以北沿海地帶[6]，涉及到新疆、河西走廊、柴達(dá)木盆地、河套平原、銀川平原、黃淮海平原、東北平原西部以及濱海等地區(qū)[7-8]。根據(jù)鹽漬土分布地區(qū)的生物、氣候等環(huán)境因素差異，中國鹽漬土主要包括濱海鹽土與灘涂、黃淮海平原鹽漬土、東北松嫩平原鹽土和堿土、半漠境內(nèi)陸鹽土和青新極端干旱的漠境鹽土等5大片[9]。隨著氣候變化和不當(dāng)灌溉，耕地次生鹽堿化和草場(chǎng)鹽堿化面積仍有增加的趨勢(shì)[10-11]。

鹽堿化土壤中可溶性鹽類含量過高會(huì)導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)含量極低，土壤結(jié)構(gòu)不良，土表常有白色鹽分積淀，直接影響植物生長發(fā)育和作物生產(chǎn)[2,4,6-7,12]。土壤鹽堿化的誘發(fā)因素既包括氣候、地質(zhì)、地貌、水文及水文地質(zhì)等自然因素，也包括不當(dāng)灌溉和施肥等人為因素，而且常常與強(qiáng)烈的水分蒸發(fā)過程相伴。生成機(jī)理的復(fù)雜性致使鹽堿化土地治理成為世界性難題，鹽堿土治理和改良已經(jīng)是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展、環(huán)境治理的重點(diǎn)內(nèi)容之一[3-4,10-12]。

干旱地區(qū)鹽堿化土壤治理的研究和實(shí)踐雖多，但現(xiàn)有治理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)成本、水資源利用效率和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面仍存在嚴(yán)重不足。本文主要從區(qū)域資源綜合利用與水土資源高效利用角度探討干旱地區(qū)土壤鹽堿化防治措施，旨在尋求旱區(qū)鹽堿地水土資源管理新模式，以促進(jìn)旱區(qū)鹽堿地治理技術(shù)創(chuàng)新，防治土壤退化，為干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境治理提供支撐。

1 旱區(qū)鹽堿地治理現(xiàn)狀及其存在問題

鹽堿化土地的治理歷史悠久，目前常用的鹽堿地改良利用技術(shù)主要包括物理改良(平整土地、耕作松土、抬高地形、小范圍改土、刮出鹽堿)，水利改良(灌排結(jié)合、蓄淡壓鹽、膜下灌溉、灌水洗鹽、地下管道排鹽)，化學(xué)改良(施用石膏、磷石膏、過磷酸鈣、腐殖酸、泥炭等)和生物改良(種植水稻、種植耐鹽植物、種植吸收鹽分植物、使用微生物菌肥)等[1,3-4,6-8,13-15]。在實(shí)際治理中常綜合采用多種方法，從而減少鹽堿化對(duì)作物和植被生長的脅迫或危害，對(duì)促進(jìn)區(qū)域糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)恢復(fù)起到一定作用[9,16]。

筆者根據(jù)在中國西北干旱地區(qū)對(duì)鹽堿地的野外調(diào)查資料，結(jié)合有關(guān)水土資源高效利用研究成果和長期的研究經(jīng)驗(yàn)，并查閱和綜合分析了大量相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外目前的各類鹽堿地治理方法在治理效果和環(huán)境影響等方面存在以下3個(gè)問題。

1.1 經(jīng)濟(jì)成本高昂

物理改良和化學(xué)改良需要大規(guī)模擾動(dòng)地表或者搬運(yùn)其它物質(zhì)，工程量和投資均較大[4,6-9]；而且大部分鹽分并沒有從土壤和地塊中移除，鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)和危害始終存在，需要進(jìn)行持續(xù)投資。例如，在陜西省定邊縣堆子梁鎮(zhèn)鹽堿地治理中，為了改善土壤的理化性質(zhì)和增加土壤孔隙度，抑制鹽分在土壤表面聚集，采取了覆沙10 cm的措施。如以1.4 t/m3的容重計(jì)，需要沙土1 400 t/hm2，若考慮與原有的表面30 cm耕作層土壤混合，成本就會(huì)更大[17]。

1.2 水資源利用效率低下

引水洗鹽會(huì)耗費(fèi)大量水資源，加劇干旱區(qū)的水資源短缺問題。如在中國新疆南疆灌區(qū)，鹽堿地每年洗鹽(排鹽)用水量已經(jīng)達(dá)到6 000～10 000 m3/hm2[18-19]，其他灌區(qū)的洗鹽用水量也接近此數(shù)。因此當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源利用效率低下，削弱了水資源承載能力，直接威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 生態(tài)影響較大

旱區(qū)鹽堿地治理涉及的因素很多，目前存在的生態(tài)影響主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1) 在涉水生態(tài)方面。當(dāng)旱區(qū)地下水埋深小于2 m而且蒸發(fā)作用強(qiáng)烈時(shí)易發(fā)生土壤鹽漬化，通過人工排水降低水位可以減緩鹽堿化[9]，但因此產(chǎn)生的地下水位降低，可能會(huì)導(dǎo)致那些與當(dāng)?shù)厮h(huán)境已經(jīng)適應(yīng)的自然植被缺水，甚至導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)退化。例如在塔里木河沖積平原，胡楊幼林地下水適宜埋深為1～2 m，胡楊青壯林能夠吸收2.5～4.0 m深的土壤水分，大量排水會(huì)導(dǎo)致地下水位降低，從而可能直接導(dǎo)致一些部位的植被缺水和退化[20]。

(2) 化學(xué)成分的生態(tài)脅迫。在化學(xué)方法中，需要向土壤中添加其他化工肥料或其他成分等，雖然有助于土壤中陽離子成分的變化，可以改善土壤的物理和化學(xué)特性，但同時(shí)由于新加入的化學(xué)成分的長期積累作用，也存在導(dǎo)致土壤理化性狀惡化的風(fēng)險(xiǎn)。如廣泛應(yīng)用的施用磷石膏的方法，不但會(huì)引起土壤中硫酸根離子持續(xù)增加，也可能直接導(dǎo)致對(duì)土壤和食品有害的重金屬離子進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)[21]。

(3) 傳統(tǒng)洗鹽排水的生態(tài)后果。通過渠道排鹽技術(shù)，可將表層鹽堿化土壤中45%～70%的鹽分排入當(dāng)?shù)厮礫22-23]，加之灌溉、采礦和道路融鹽等活動(dòng)，會(huì)直接引發(fā)河道水體發(fā)生次生鹽堿化，并對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)從個(gè)體、種群、群落乃至生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致水生生物多樣性減少以及溪流的生態(tài)服務(wù)功能下降[11,19]。而且由于這種影響對(duì)濕地生物化學(xué)過程具有復(fù)雜的非線性作用，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的綜合效應(yīng)尚不明晰[10]。通過豎井灌排技術(shù)，盡管可以在一定時(shí)期內(nèi)降低地下水位并減少表層土壤含鹽量，但從長遠(yuǎn)來看，由于沒有水平方向的排水，鹽分只是從土壤表層下移到了中下層，但仍舊存留在灌區(qū)內(nèi)，并在包氣帶某一層位或地下水中富集[24]。在灌區(qū)的外部條件發(fā)生變化時(shí)鹽分可能上移并讓土壤再次發(fā)生鹽堿化，也可能下移導(dǎo)致地下水質(zhì)惡化，造成不良的生態(tài)破壞。

2 旱區(qū)鹽堿地治理新模式及其含義

針對(duì)中國西北干旱地區(qū)鹽堿地治理中存在的問題，近年來，筆者研究團(tuán)隊(duì)在陜西黃土高原南緣鹵陽湖和陜西省榆林市、新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州、寧夏回族自治區(qū)平羅縣和甘肅省景泰縣等地開展了系列調(diào)查(圖1)，調(diào)查內(nèi)容包括土壤鹽堿化成因與危害，鹽堿土治理技術(shù)體系與水資源成本，洗鹽排水方式、危害和治理的經(jīng)濟(jì)成效等。

圖1 中國西北地區(qū)鹽堿地及治理狀況

調(diào)查結(jié)果表明，中國西北干旱地區(qū)土壤鹽堿化問題非常嚴(yán)重，洗鹽頻繁而且用水量大，洗鹽排水沿程蒸發(fā)強(qiáng)烈，采用暗管排鹽的地塊管道堵塞嚴(yán)重，河道兩側(cè)與下游地區(qū)土壤和地下水鹽堿化已經(jīng)出現(xiàn)，亟需探索新的鹽堿地治理模式。

本文在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，參考世界其他國家旱區(qū)鹽堿化成因與對(duì)策[1-4]，經(jīng)過綜合分析，提出“通過高效用水調(diào)控促進(jìn)土鹽—水鹽分離的旱區(qū)鹽堿地水土資源高效管理新模式”(簡稱：旱區(qū)鹽堿地雙分離治理模式)的建議。該模式可以綜合概括為“減少區(qū)域水損失，低耗水充分洗鹽，集約化水鹽分離，水土資源高效利用”。其具體含義簡述如下。

(1) 減少區(qū)域水損失。在缺水地區(qū)任何形式的水資源都有其潛在的資源和生態(tài)價(jià)值，不宜通過簡單的排水措施降低地下水位，以免引起區(qū)域水資源短缺與涉水生態(tài)系統(tǒng)失衡。如確需排水，宜在鹽堿地下游選擇洼地建設(shè)湖塘與濕地，但在旱區(qū)開放的排堿渠自由水面的蒸發(fā)強(qiáng)度很大，必要時(shí)可以通過覆蓋減少蒸發(fā)損失。

(2) 低耗水充分洗鹽。在鹽堿土除鹽過程中需要節(jié)約水資源，盡可能少地消耗有限的淡水和微咸水資源。特別是在洗鹽過程中，在目前以非生育期“大水充分洗鹽”的治理基礎(chǔ)上，需要采用全膜覆蓋、精確控制流量等技術(shù)，減少土壤表面蒸發(fā)引起的水資源損失；同時(shí)盡可能移除土壤剖面各個(gè)深度的鹽分，促進(jìn)水鹽充分分離，以達(dá)到節(jié)省洗鹽時(shí)間成本，延長洗鹽間隔時(shí)間和提高土地利用周期的目標(biāo)。

(3) 集約化水鹽分離。集約化水鹽分離的核心是選擇適宜治理的地塊作為重點(diǎn)治理區(qū)，實(shí)施水鹽分離及其再利用。主要包括： ①高濃度洗鹽排水的收集，通過封閉管道或覆蓋的渠道排水，減少水面蒸發(fā)； ②通過太陽能集熱系統(tǒng)(玻璃溫室、陣列反光鏡系統(tǒng)、集熱式真空管、區(qū)域盈余電力等)集約化加熱高濃度洗鹽排水，通過冷凝系統(tǒng)收集淡水以及水汽凝結(jié)過程中釋放的熱量，收集的余熱可以繼續(xù)用于高濃度排水的加熱與蒸發(fā)； ③收集高濃度洗鹽排水水分蒸發(fā)后析出的鹽分，就地儲(chǔ)存或者作為工業(yè)原料銷售。隨著技術(shù)進(jìn)步，水鹽分離效率將會(huì)進(jìn)一步提高，治理成本也會(huì)逐步降低。

(4) 水土資源高效利用。水土資源高效利用是旱區(qū)農(nóng)業(yè)水利用的核心經(jīng)濟(jì)原則?？梢园l(fā)展膜下滴灌等節(jié)水農(nóng)業(yè)(不會(huì)在土壤中形成鹽核)，也能用于發(fā)展優(yōu)質(zhì)的種植業(yè)，如大棚蔬菜水果等，提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。而且，通過水資源高效利用，可以通過小面積土地高效利用促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而減少鹽堿地的利用面積和相應(yīng)的農(nóng)業(yè)用水量，進(jìn)而促進(jìn)旱區(qū)鹽堿化地區(qū)的精準(zhǔn)治理。

3 旱區(qū)鹽堿地雙分離治理模式的應(yīng)用前景

(1) 集約化管理水土資源，可以提高土地和水資源利用效率。在旱區(qū)鹽堿地重點(diǎn)治理區(qū)，特別是地下水埋深淺和礦化度高的鹽漬化地區(qū)，配合這種新治理模式推廣膜下滴灌節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源進(jìn)行集約化管理，有利于高效利用當(dāng)?shù)氐叵?咸)水資源，提高水分利用效率，擴(kuò)大灌溉面積。此外，利用該模式對(duì)土地資源進(jìn)行集約化管理，發(fā)展大棚果蔬等設(shè)施農(nóng)業(yè)，可以提高土地利用效率和經(jīng)濟(jì)收益。

(2) 治理效益持續(xù)時(shí)間長，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小。集約化水鹽分離過程可以把土壤中鹽分大量去除，達(dá)到“一次洗鹽，多年利用”的效果，也可以把鹽分單獨(dú)存儲(chǔ)，減少鹽分對(duì)下游土壤、濕地和水體的影響。據(jù)估算，對(duì)于重度鹽堿化(平均含鹽量5‰左右)土地30 cm耕層土壤，土壤容重按照1.35 t/m3計(jì)，總含鹽量約為20.25 t/hm2(存儲(chǔ)約需10 m3左右空間)。充分洗鹽后，如果用水鹽分離的淡水灌溉，土地就可以持續(xù)利用。如果用含鹽量為1 g/L的水灌溉，即使地塊每年蒸騰蒸發(fā)量為750 mm，或者7 500 m3/hm2的灌溉水完全就地蒸散發(fā)，表層土壤養(yǎng)分再次積累到重度水平也需要3 a，因此每次洗鹽后的土地可利用時(shí)間明顯延長。如果采用含鹽量更低的灌溉水，或者結(jié)合地膜覆蓋等技術(shù)減少土壤表面蒸發(fā)與鹽分積累，采用該模式每次洗鹽之后的耕地可利用的時(shí)間就更長。同時(shí)，土鹽分離和水鹽分離后的干燥鹽分如果儲(chǔ)存起來或用于工業(yè)生產(chǎn)，則既充分利用了水資源也不會(huì)產(chǎn)生新的鹽堿化危害。

(3) 鹽堿化地區(qū)能源特征及水資源淡化技術(shù)可以提高水鹽分離效率和數(shù)量。中國旱區(qū)鹽堿化地區(qū)的光熱資源豐富，年降水量少而蒸發(fā)量極大，有利于集約化水鹽分離[25]。同時(shí)中國每年廢棄大量的清潔能源，如2018年全國棄水、棄風(fēng)和棄光的電量分別約為6.91×1010，2.77×1010和5.50×109kWh，總計(jì)超過1.00×1011kWh，和2017年相應(yīng)電量接近。2016年僅主要集中在西北和東北地區(qū)國網(wǎng)范圍內(nèi)的棄風(fēng)棄光電量就達(dá)到了4.65×1010kWh[26]；土地鹽堿化嚴(yán)重的西北地區(qū)，2015—2017年光伏發(fā)電量為9.51×1010kWh，其中棄光電量就達(dá)到1.86×1010kWh，棄光率達(dá)19.57%，而新疆和甘肅兩省區(qū)的棄光率均超過32%[27]。如果結(jié)合現(xiàn)有的海水淡化技術(shù)，也可以用于水鹽分離，促進(jìn)鹽堿化土壤治理[25, 28]。

(4) 應(yīng)用“雙分離的旱區(qū)鹽堿地治理模式”不僅可以提高中國鹽堿地的質(zhì)量和生產(chǎn)能力，保障中國的耕地安全、水安全和糧食安全，也可以改善中國鹽堿化土地分布較為普遍的落后地區(qū)的生產(chǎn)條件，促進(jìn)中國精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興目標(biāo)的順利完成。

(5) 由于鹽堿地在“一帶一路”沿線國家和地區(qū)(如中亞的哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦等)廣泛分布，開發(fā)和治理鹽堿地，提高旱區(qū)水資源利用效率，將為中國“一帶一路”戰(zhàn)略創(chuàng)造更多具有吸引力的國際合作機(jī)遇，有利于深化與升級(jí)和相關(guān)國家與地區(qū)的鹽堿地治理方面的合作，打造有國際競(jìng)爭力的鹽堿地水土資源保護(hù)技術(shù)、鹽堿地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和水鹽分離裝備制造能力等。例如，鹽堿地灌排設(shè)備與技術(shù)、水鹽分離設(shè)施、太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能光伏技術(shù)與產(chǎn)品、溫室栽培系統(tǒng)等，可為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國2030可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)貢獻(xiàn)中國智慧和中國力量。

致謝：本文在觀點(diǎn)形成過程中吸收了西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國科學(xué)院水利部水土保持研究所李銳研究員、穆興民研究員、馮浩研究員、馬永清研究員，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所田長彥研究員、桂東偉研究員，陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)劉社堂高級(jí)工程師和程科工程師、新疆建設(shè)兵團(tuán)第二師科技局陸江立局長、新疆國土資源廳耕地保護(hù)處副調(diào)研員王蓓等專家的建議。韓劍橋博士和張?bào)w彬副研究員參與了部分野外考察，并在文章撰寫過程給予了很大幫助，謹(jǐn)此致謝！