中國(guó)微咸水灌溉的實(shí)踐與啟示

王 喜，譚軍利,2,3

(1．寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)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(guó)既是水資源大國(guó)，又是農(nóng)業(yè)灌溉大國(guó)，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(guó)水資源一大特征；隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shí)，淡水資源日益緊缺、水資源供不應(yīng)求，局部缺水頻頻出現(xiàn)[2]。僅靠淡水資源已不能夠滿(mǎn)足用水需求，必須開(kāi)辟新水源。微咸水資源的開(kāi)發(fā)，是實(shí)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

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

1 微咸水灌溉概況

(1)國(guó)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(guó)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(jì)，中國(guó)地下微咸水資源約為200億m3/a，其中可開(kāi)采量達(dá)1/3，絕大部分存在于地下10～100 m處，宜于開(kāi)采利用[1]。

我國(guó)利用微咸水灌溉已有50多年的歷史，這些經(jīng)驗(yàn)為微咸水灌溉的發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)。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(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，都獲得高產(chǎn)[4]。徐秉信等[5]、喬玉輝等[6]、吳東忠等[7]認(rèn)為在干旱情況下利用微咸水灌溉作物，可以達(dá)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(jī)肥、地膜覆蓋、麥秸還田、壓沙等管理措施，還能控制積鹽、進(jìn)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(wú)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(lái)降低土壤鹽分達(dá)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(guó)利用微咸水灌溉的實(shí)踐成果，為各區(qū)域微咸水合理利用提供了有力的科學(xué)支撐。

(2)國(guó)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(kāi)發(fā)微咸水資源已成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。在以色列、美國(guó)、突尼斯、埃及等國(guó)家利用微咸水已經(jīng)有較長(zhǎng)的時(shí)間。以色列是一個(gè)干旱缺水的國(guó)家，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使咸水稀釋?zhuān)ㄟ^(guò)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(guó)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(zhǎng)階段，土壤干燥容易板結(jié)和開(kāi)裂。利用井水灌溉作物，大麥、高粱、苜蓿等能夠正常生長(zhǎng)[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(guó)以及瑞典等對(duì)咸水灌溉也獲得了成功經(jīng)驗(yàn)[5]。總之,國(guó)外在微咸水利用方面歷史較長(zhǎng),也得到很多研究成果。

2 微咸水灌溉方法

選擇恰當(dāng)灌溉方式是利用微咸水灌溉的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。目前我國(guó)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)傳統(tǒng)地面灌溉仍是各個(gè)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(guò)溝灌灌水方式大田試驗(yàn)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(jìn)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(guó)最具推廣價(jià)值的改進(jìn)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(diǎn)。在畦田灌溉中采用波涌灌也是避免土壤次生鹽漬化趨勢(shì)的有效途徑之一。2004-2005年在中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行的微咸水大田波涌灌畦灌試驗(yàn)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?zhǔn)蘸蟛ㄓ抗啾冗B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(chǔ)上，改膜側(cè)水流引為膜上流，用地膜輸水，通過(guò)膜孔和膜側(cè)給作物灌溉。膜上灌對(duì)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(duì)土壤而言，膜上灌水增加了土壤的熱量、溫度和透氣性；對(duì)作物而言，創(chuàng)造了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，并且投資少、易推廣和見(jiàn)效快，特別適合在惡劣的氣候地區(qū)應(yīng)用。逄煥成等[18]、張永玲等[19]生產(chǎn)試驗(yàn)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(yùn)用到農(nóng)業(yè)[12]，能及時(shí)將作物所需生長(zhǎng)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(rèn)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(rùn)鋒靠近，使作物土壤含鹽量明顯比較小，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)。但是長(zhǎng)期滴灌很容易在土壤表層積鹽，灌溉或降雨時(shí)鹽分進(jìn)入主根區(qū)，影響作物正常代謝。因而，應(yīng)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(wàn)書(shū)勤等[21]、尹志榮等[22]在利用滴灌技術(shù)的試驗(yàn)中都取得了很好的效果。覆蓋地膜在我國(guó)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(chóng)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(jìn)行了膜下滴灌技術(shù)的實(shí)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(xì)小水滴，并均勻地降落到田間的灌水方法。但利用微咸水進(jìn)行噴灌時(shí)，一方面作物會(huì)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(zhǎng)。噴液灼傷程度由氣候、灌溉次數(shù)等因素影響。應(yīng)當(dāng)采用灌水量大、灌水時(shí)間短的方法，選擇在植物吸收能力最低的時(shí)段(夜間、黃昏)來(lái)進(jìn)行微咸水噴灌[7]。美國(guó)利用咸水噴灌達(dá)到了較好試驗(yàn)效果[25]。

3 微咸水灌溉鹽分對(duì)作物及土壤的影響

(1)鹽分對(duì)作物的影響。利用微咸水灌溉，土壤溶液中的鹽分不超過(guò)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(dāng)鹽分超過(guò)臨界濃度時(shí)，產(chǎn)量則隨著土壤中鹽分含量的增加呈線性下降趨勢(shì)進(jìn)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(dá)式反映[14]：

Yr=100-b(ECe-a)

(1)

式中：Yr為相對(duì)產(chǎn)量；a為臨界鹽度；b為超過(guò)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(dǎo)率，dS/m。

由式(1)可知，不同的作物種類(lèi)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(duì)不同作物的耐鹽性進(jìn)行了研究：一般作物在萌發(fā)時(shí)耐鹽性低，在出苗時(shí)更加敏感。張海燕等[29]分析了Nacl對(duì)幾種耐鹽作物種子萌發(fā)的影響，試驗(yàn)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(yán)重。另外還有一些因素(氣候、臭氧等)也會(huì)影響作物的耐鹽性。

微咸水灌溉會(huì)影響作物品質(zhì)。一方面土壤中鹽分含量的增多，溶質(zhì)勢(shì)的降低，導(dǎo)致作物對(duì)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(zhǎng)代謝[5]；另一方面作物為了克服土水勢(shì)降低而進(jìn)行的代謝作用。為了吸收水分和養(yǎng)分，作物將會(huì)被迫消耗能量進(jìn)行光合作用，促使干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)代謝作用降低作物的水勢(shì)，來(lái)提高作物糖分、可溶性固形物含量等。吳蘊(yùn)玉等[30]、江雪飛等[31]認(rèn)為：作物生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)指標(biāo)會(huì)受到不同程度的抑制(尤其是在果實(shí)發(fā)育以前)，但是在生長(zhǎng)后期(果實(shí)發(fā)育期以后)可以提高果實(shí)的綜合品質(zhì)。

(2)鹽分對(duì)土壤的影響。微咸水中含有鹽分，鹽分對(duì)灌溉土壤的影響，主要體現(xiàn)在土壤交換性鈉和電導(dǎo)率增加[7]。一方面，鈉離子的增加會(huì)造成土壤膠體顆粒膨大，減少土壤團(tuán)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(zhǎng)。一般情況下，交換性鈉對(duì)土壤性質(zhì)的影響是不嚴(yán)重的。當(dāng)土壤中的交換性鈉達(dá)到一定程度后，才會(huì)使土壤的ESP(堿化度)、pH值升高，導(dǎo)致土壤成為堿化土壤；另一方面，隨著灌溉微咸水的電導(dǎo)率不斷升高，導(dǎo)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(tuán)聚體[32]，造成土壤鹽堿化的趨勢(shì)就會(huì)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(shí)淡水沖洗脫鹽。

(3)水鹽運(yùn)移規(guī)律。微咸水灌溉進(jìn)入土壤中的水分、鹽分，主要有兩個(gè)變化途徑：一是在微咸水灌溉過(guò)程中，鹽分會(huì)隨著土壤中水分的下滲而發(fā)生運(yùn)移，這就是脫鹽過(guò)程。邵玉翠等[26]在冬小麥土壤安全性研究試驗(yàn)中表明：分別實(shí)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(huì)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(shí)，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(lái)看，微咸水灌溉是造成了土壤表層鹽分累積的一個(gè)重要因素，從而影響到作物的正常生長(zhǎng)[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(mǎn)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(jìn)行冬小麥灌溉試驗(yàn)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(xué)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(zhǎng)。因此，今后應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)微咸水灌溉條件下水分和鹽分離子的運(yùn)移與平衡規(guī)律研究，為微咸水灌溉提供科學(xué)技術(shù)支撐。

4 微咸水灌溉對(duì)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(dāng)，不但導(dǎo)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(wèn)題。

微咸水灌溉可能導(dǎo)致土壤次生鹽漬化。劉友兆等[3]實(shí)驗(yàn)表明：分別用2～5 g/L的咸水直接灌溉，會(huì)造成土壤耕層不同程度的鹽堿化并對(duì)土壤造成潛在影響。地下水位降低，也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。在干旱地區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用地下微咸水，還會(huì)擴(kuò)大荒漠化。微咸水在輸送、排灌過(guò)程中存在滲漏問(wèn)題。微咸水發(fā)生滲漏，土壤和地下水就會(huì)受到侵染，造成鹽漬化。因此，輸排水設(shè)施也要注意防滲問(wèn)題。

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

沿海地區(qū)過(guò)量開(kāi)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(dǎo)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(yán)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(dá)260.0 km2，年均入侵速度高達(dá)10.4 km2/a[35]。全國(guó)累計(jì)海水入侵面積達(dá)1 000 km2，最大入侵距離超過(guò)10 km，由此造成的經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)外微咸水灌溉的啟示

利用微咸水進(jìn)行灌溉：一方面可以緩解水資源短缺的問(wèn)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(jìn)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(duì)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(huì)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(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)多年微咸水利用的實(shí)踐，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)加強(qiáng)的研究方向，希望可以為我國(guó)微咸水合理利用提供一些啟示。

(1)微咸水灌溉過(guò)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(dá)到周年或多年平衡。灌溉微咸水，導(dǎo)致土壤積鹽，持續(xù)灌溉會(huì)改變土壤性狀，所以要保證灌溉的安全性就必須加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的掌控。根據(jù)各地區(qū)特點(diǎn)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(zhǎng)階段，不同灌水量也會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成顯著的影響。水分是作物進(jìn)行光合作用的重要條件，灌水量不足不僅對(duì)主根區(qū)積鹽起不到?jīng)_洗的作用還會(huì)直接影響作物正常生長(zhǎng)代謝；在作物生長(zhǎng)后期灌水量過(guò)高又不利于干物質(zhì)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)量增幅不明顯、浪費(fèi)水資源。微咸水灌溉過(guò)程中，應(yīng)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(chǔ)上，控制地下水深、保持良好排水條件、在作物生長(zhǎng)期及時(shí)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(guò)作物耐鹽度臨界值，并掌握土壤灌水前后水鹽分布及運(yùn)移規(guī)律，是微咸水灌溉的重中之重。

(2)加強(qiáng)對(duì)作物耐鹽性的研究。在利用微咸水灌溉時(shí)應(yīng)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(kāi)作物對(duì)鹽分敏感時(shí)期灌水。這種方式方便、簡(jiǎn)單、易行，灌溉成本低，對(duì)耐鹽作物生長(zhǎng)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(jì)效益。在微咸水灌溉耐鹽作物獲得較高產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，其對(duì)品質(zhì)也有促進(jìn)作用，尤其是蔬菜水果等。在微咸水處理的基礎(chǔ)上保證單產(chǎn)，在產(chǎn)量的基礎(chǔ)上保證質(zhì)量，也可以從側(cè)面提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)合理開(kāi)采微咸水。過(guò)量開(kāi)采地下微咸水，會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一系列嚴(yán)重影響。因而在干旱缺水地區(qū)或耗水量大的沿海城市，開(kāi)采地下微咸水時(shí)，應(yīng)充分考慮對(duì)環(huán)境造成的影響，合理適度開(kāi)采地下微咸水，爭(zhēng)取做到采補(bǔ)平衡。

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