中国微咸水灌溉的实践与启示

时间：2024-05-24

王喜，谭军利,2,3

(1．宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021； 2．宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3．旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

中国既是水资源大国，又是农业灌溉大国，灌水量约占全部供水量的62%[1]；区域性缺水和季节性缺水也是我国水资源一大特征；随着国民经济及工业、农业生产的迅猛发展，用水量和需水量增加的同时，淡水资源日益紧缺、水资源供不应求，局部缺水频频出现[2]。仅靠淡水资源已不能够满足用水需求，必须开辟新水源。微咸水资源的开发，是实现农业可持续发展的希望所在，具有十分重要的利用价值和现实意义[3]。

本文就国内外微咸水灌溉现状、方法等进行综述，并从微咸水利用的经验和教训中得到了一些启示，为我国微咸水可持续利用提供指导。

1 微咸水灌溉概况

(1)国内微咸水灌溉现状。微咸水即矿化度为2～5 g/L 的含盐水。中国微咸水资源分布广泛，东起淮河、秦岭、巴颜喀拉山，西至喜马拉雅山沿线以北的干旱、半干旱地区，北起辽东半岛，南至两广沿海，尤其分布在易发生干旱的华北、西北以及沿海地带[3]。据统计，中国地下微咸水资源约为200亿m3/a，其中可开采量达1/3，绝大部分存在于地下10～100 m处，宜于开采利用[1]。

我国利用微咸水灌溉已有50多年的历史，这些经验为微咸水灌溉的发展提供了可靠的基础。宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、河南、河北、山东、新疆、辽宁等省区根据微咸水灌溉的试验和生产实践，都获得高产[4]。徐秉信等[5]、乔玉辉等[6]、吴东忠等[7]认为在干旱情况下利用微咸水灌溉作物，可以达到增产效果；邵玉翠等[8]在天津还得出了作物增产与矿化度、灌溉量及灌溉次数的关系。如果利用微咸水灌溉搭配施有机肥、地膜覆盖、麦秸还田、压沙等管理措施，还能控制积盐、进一步增产[9]；逄焕成等[10]在山东利用微咸水灌溉配合麦秸覆盖技术，降低了主根区盐分含量，使年产量与淡水灌溉无显著差异。内蒙古河套地区采用引黄压盐、生物排盐、干排水技术来降低土壤盐分达到周年平衡[11]。甘肃河西走廊的农民常用“清洪轮灌”法(咸水和淡水交替灌溉)灌溉作物。我国利用微咸水灌溉的实践成果，为各区域微咸水合理利用提供了有力的科学支撑。

(2)国外微咸水灌溉现状。随着淡水资源供需矛盾不断上升，合理开发微咸水资源已成为各国关注的焦点。在以色列、美国、突尼斯、埃及等国家利用微咸水已经有较长的时间。以色列是一个干旱缺水的国家，采用先进的计算机控制系统，使咸水稀释，通过多为滴灌、喷灌方式，控制最佳灌水量给作物提供水、肥[12]；美国西南部利用矿化度在2.4～4.8 g/L微咸水灌溉棉花、甜菜、小麦等作物，棉花产量竟高于淡水灌溉[13]；突尼斯大多数土壤为重质黏土，在作物生长阶段，土壤干燥容易板结和开裂。利用井水灌溉作物，大麦、高粱、苜蓿等能够正常生长[14]；埃及利用改良土壤的排水直接、混合尼罗河淡水、交替灌溉作物(大麦、甜菜、野豌豆等)[14]；阿尔及利亚、摩洛哥、巴基斯坦、德国以及瑞典等对咸水灌溉也获得了成功经验[5]。总之,国外在微咸水利用方面历史较长,也得到很多研究成果。

2 微咸水灌溉方法

选择恰当灌溉方式是利用微咸水灌溉的重点环节之一。目前我国微咸水灌溉方式主要有地面灌溉、滴灌、喷灌等。

(1)地面灌溉技术。传统地面灌溉方式,包括畦灌、沟灌等。传统地面灌溉方法虽然耗水量大，但在很长一段时间内，我国传统地面灌溉仍是各个灌区主要的灌溉方法。冯棣等[15]在环渤海地区利用咸水畦灌种植棉花；雷廷武等[16]在内蒙古河套地区通过沟灌灌水方式大田试验表明：利用不同水质沟灌比传统地面漫灌种植玉米平均产量可提高15.1%。先进的地面灌溉技术，主要包括波涌灌、膜上灌等。目前，波涌灌和膜上灌是我国最具推广价值的改进地面灌水技术[17]。波涌灌具有灌水均匀、省水节能、和田间水利用率高等特点。在畦田灌溉中采用波涌灌也是避免土壤次生盐渍化趋势的有效途径之一。2004-2005年在中国科学院南皮生态农业试验站进行的微咸水大田波涌灌畦灌试验表明：波涌灌灌水在畦田上分布较为均匀，局部(畦首)积盐现象有效降低，麦收后波涌灌比连续灌土壤含盐量低16.2%[17]。膜上灌是一种新灌水技术，是在地面覆膜的基础上，改膜侧水流引为膜上流，用地膜输水，通过膜孔和膜侧给作物灌溉。膜上灌对水分而言，使下渗减少、灌水均匀度提高，水主要集中于作物主根区，提高了水分利用率；对土壤而言，膜上灌水增加了土壤的热量、温度和透气性；对作物而言，创造了良好的生长环境，并且投资少、易推广和见效快，特别适合在恶劣的气候地区应用。逄焕成等[18]、张永玲等[19]生产试验表明：膜上灌技术较传统地面灌溉既节水又增产。

(2)滴灌技术。滴灌技术最早是由以色列人发明的，并在40多年前运用到农业[12]，能及时将作物所需生长的水分、养分适量地输送到作物的根部土壤，以起到节水、节肥效果，被认为是微咸水灌溉的较好方式[7]。滴头下面土壤在滴灌淋洗作用下盐分向湿润锋靠近，使作物土壤含盐量明显比较小，促进了作物生长。但是长期滴灌很容易在土壤表层积盐，灌溉或降雨时盐分进入主根区，影响作物正常代谢。因而，应用少量、高频率的滴灌方式或采用地下滴灌方式可以减少这种积盐现象。雷廷武等[20]、万书勤等[21]、尹志荣等[22]在利用滴灌技术的试验中都取得了很好的效果。覆盖地膜在我国西北等干旱地区已得到广泛推广，可保墒、抑盐、增温和减少病虫害，是一种很具发展前景的微咸水利用技术。如果使覆膜栽培与滴灌相结合，可大大减少水资源的消耗，降低盐害，获得更高的产量。李昭楠等[23]、邢文刚等[24]分别在甘肃、德州成功进行了膜下滴灌技术的实践。

(3)喷灌技术。喷灌属于一种节水型灌溉方式，是将压力水喷洒到空中形成细小水滴，并均匀地降落到田间的灌水方法。但利用微咸水进行喷灌时，一方面作物会受到土壤盐分的胁迫；另一方面易引起植物叶片表面积盐，造成叶片脱水灼伤，共同制约作物生长。喷液灼伤程度由气候、灌溉次数等因素影响。应当采用灌水量大、灌水时间短的方法，选择在植物吸收能力最低的时段(夜间、黄昏)来进行微咸水喷灌[7]。美国利用咸水喷灌达到了较好试验效果[25]。

3 微咸水灌溉盐分对作物及土壤的影响

(1)盐分对作物的影响。利用微咸水灌溉，土壤溶液中的盐分不超过作物的临界浓度，便可获得在相同灌溉条件下的淡水灌溉作物产量。当盐分超过临界浓度时，产量则随着土壤中盐分含量的增加呈线性下降趋势进而被抑制[26]，作物产量与盐分含量的关系可用如下表达式反映[14]：

Yr=100-b(ECe-a)

(1)

式中：Yr为相对产量；a为临界盐度；b为超过临界盐度后随土壤盐度的增加而产量降低的比例；ECe为土壤饱和电导率，dS/m。

由式(1)可知，不同的作物种类具有不同的耐盐性。刘春卿[27]、张葆兰[28]分别在江苏、内蒙古对不同作物的耐盐性进行了研究：一般作物在萌发时耐盐性低，在出苗时更加敏感。张海燕等[29]分析了Nacl对几种耐盐作物种子萌发的影响，试验结果表明：甜瓜>番茄>胡萝卜>油菜，并且种子萌发受到土壤盐分的影响较为严重。另外还有一些因素(气候、臭氧等)也会影响作物的耐盐性。

微咸水灌溉会影响作物品质。一方面土壤中盐分含量的增多，溶质势的降低，导致作物对水分和养分吸收能力减弱，影响作物的生理发育和生长代谢[5]；另一方面作物为了克服土水势降低而进行的代谢作用。为了吸收水分和养分，作物将会被迫消耗能量进行光合作用，促使干物质的转换。这种转换是通过代谢作用降低作物的水势，来提高作物糖分、可溶性固形物含量等。吴蕴玉等[30]、江雪飞等[31]认为：作物生长过程中，虽然在高温、高盐的环境胁迫下，叶面积指数、株高等生长指标会受到不同程度的抑制(尤其是在果实发育以前)，但是在生长后期(果实发育期以后)可以提高果实的综合品质。

(2)盐分对土壤的影响。微咸水中含有盐分，盐分对灌溉土壤的影响，主要体现在土壤交换性钠和电导率增加[7]。一方面，钠离子的增加会造成土壤胶体颗粒膨大，减少土壤团粒间的空隙，降低土壤渗透性及可耕性，影响作物根系的生长。一般情况下，交换性钠对土壤性质的影响是不严重的。当土壤中的交换性钠达到一定程度后，才会使土壤的ESP(碱化度)、pH值升高，导致土壤成为碱化土壤；另一方面，随着灌溉微咸水的电导率不断升高，导致土壤表层聚盐、氯钠离子比例提高、土壤初始入渗率逐年降低、短期灌溉破坏土壤水稳性团聚体[32]，造成土壤盐碱化的趋势就会逐步加剧[8]。因此，微咸水灌溉一定要保持良好的排水条件、及时淡水冲洗脱盐。

(3)水盐运移规律。微咸水灌溉进入土壤中的水分、盐分，主要有两个变化途径：一是在微咸水灌溉过程中，盐分会随着土壤中水分的下渗而发生运移，这就是脱盐过程。邵玉翠等[26]在冬小麦土壤安全性研究试验中表明：分别实施小于2.5和4 g/L微咸水灌溉后，表层土壤呈脱盐状态，分别比初始值降低59.2%和9%；二是在微咸水灌溉后，由于田间土面蒸发和植物蒸腾作用，盐分就会随着土壤水分的变化而重新在上层土壤积聚，这就是返盐现象。土壤的含盐量主要取决于灌溉水的矿化度，受钠吸附比的影响很小。在中壤质浅位中层加黏土壤灌溉矿化度小于或等于3 g/L时，可以使土壤周年持续平衡[26]。在盐分保持平衡的状态下，从土壤盐分剖面来看，微咸水灌溉是造成了土壤表层盐分累积的一个重要因素，从而影响到作物的正常生长[25]。所以，利用微咸水灌溉，只要将土壤表层盐分控制在作物可耐盐的范围内，既可满足作物水分的需求，又可避免盐害。张余良等[8]利用2.5～6.0 g/L微咸水进行冬小麦灌溉试验表明：土壤积盐量与入渗水矿化度呈正相关关系。这些盐分与土壤自身携带的化学元素和土壤颗粒、结构发生作用，共同影响土壤水分有效利用和作物的生长。因此，今后应该加强对微咸水灌溉条件下水分和盐分离子的运移与平衡规律研究，为微咸水灌溉提供科学技术支撑。

4 微咸水灌溉对生态环境的影响

大规模采用地下微咸水灌溉，如果管理或防治措施不当，不但导致土壤次生盐碱化和作物减产，还可能引起地面沉降、沿海地区海水入侵的生态问题。

微咸水灌溉可能导致土壤次生盐渍化。刘友兆等[3]实验表明：分别用2～5 g/L的咸水直接灌溉，会造成土壤耕层不同程度的盐碱化并对土壤造成潜在影响。地下水位降低，也会影响植物的生长。在干旱地区大规模开发利用地下微咸水，还会扩大荒漠化。微咸水在输送、排灌过程中存在渗漏问题。微咸水发生渗漏，土壤和地下水就会受到侵染，造成盐渍化。因此，输排水设施也要注意防渗问题。

大量地开采地下微咸水还可能造成地面沉降。殷跃平等[33]以长江三角洲、华北平原及汾渭地堑地区为重点，提出开展全国地面沉降防治的建议。地面沉降是一种严重的地质灾害，大多数是由地下水开采引起的。1949年以来，我国地面沉降和地裂缝造成的经济损失累计高达4 500～5 000亿元[33,34]。

沿海地区过量开采地下微咸水还可能引发海水入侵，其危害和损失也是巨大的。海水入侵使水质恶化、土壤盐渍化，导致水田面积减少、旱田面积增加、有效灌溉面积减少、荒地面积增加，在农业生产方面受到严重影响。莱州市是发生海水入侵面积最大的城市，入侵面积达260.0 km2，年均入侵速度高达10.4 km2/a[35]。全国累计海水入侵面积达1 000 km2，最大入侵距离超过10 km，由此造成的经济损失每年约8亿元[36]。因此，沿海地区大规模利用微咸水要防止海水入侵，采取必要的有效措施。

5 结合国内外微咸水灌溉的启示

利用微咸水进行灌溉：一方面可以缓解水资源短缺的问题，并提高作物产量及品质，结合不同的灌溉方法及相关技术，可以进一步提高单产、降低土壤盐分；另一方面易造成土壤盐碱化，对作物引发盐害，甚至影响生态系统，若灌水量不足的话，还会使作物受到水盐联合胁迫。因此，如何可持续利用微咸水已成为微咸水利用的关键问题，结合国内多年微咸水利用的实践，总结了一些经验和应加强的研究方向，希望可以为我国微咸水合理利用提供一些启示。

(1)微咸水灌溉过程中的关键技术。微咸水灌溉的关键技术是保持土壤盐分达到周年或多年平衡。灌溉微咸水，导致土壤积盐，持续灌溉会改变土壤性状，所以要保证灌溉的安全性就必须加强对关键技术的掌控。根据各地区特点利用不同的微咸水灌溉制度、方式(直接灌溉、轮灌技术、混灌技术)、方法(地面灌溉、滴灌、喷灌)搭配其他覆膜、覆麦秸等综合技术，不仅可以保温、保墒、节水、节肥，更重要的是还可以抑制土壤盐分累积。作物生长阶段，不同灌水量也会对作物生长造成显著的影响。水分是作物进行光合作用的重要条件，灌水量不足不仅对主根区积盐起不到冲洗的作用还会直接影响作物正常生长代谢；在作物生长后期灌水量过高又不利于干物质转化、产量增幅不明显、浪费水资源。微咸水灌溉过程中，应采用大定额、少次数方式，并掌握最佳灌水定额，可得到最大的边际效益。在此基础上，控制地下水深、保持良好排水条件、在作物生长期及时淡水压盐、降雨淋洗、施用改良剂等措施控制根层土壤盐分不超过作物耐盐度临界值，并掌握土壤灌水前后水盐分布及运移规律，是微咸水灌溉的重中之重。

(2)加强对作物耐盐性的研究。在利用微咸水灌溉时应充分考虑不同作物的耐盐性、不同生育阶段的耐盐性等因素，避开作物对盐分敏感时期灌水。这种方式方便、简单、易行，灌溉成本低，对耐盐作物生长代谢、产量的影响较小，所以种植耐盐作物可以直接有效地提高经济效益。在微咸水灌溉耐盐作物获得较高产量的基础上，其对品质也有促进作用，尤其是蔬菜水果等。在微咸水处理的基础上保证单产，在产量的基础上保证质量，也可以从侧面提高经济效益。

(3)合理开采微咸水。过量开采地下微咸水，会对农业环境及生态系统带来一系列严重影响。因而在干旱缺水地区或耗水量大的沿海城市，开采地下微咸水时，应充分考虑对环境造成的影响，合理适度开采地下微咸水，争取做到采补平衡。

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