暗管排水對高水位鹽堿地的治理效果及服務價值影響分析

于淑會，高會，尚國琲，齊志國，韓立樸

1. 河北地質大學河北省高校生態環境地質應用技術研發中心，河北石家莊050031; 2. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，河北石家莊050022

0 引 言

河北省東部瀕臨渤海灣，地下水含鹽量高且埋深淺，土壤鹽漬化嚴重，同時此區地處溫帶大陸性氣候區，降水集中在雨季（6-8月），因此，雨季土壤多出現鹽漬害與澇害雙重災害，土地利用效率極低。排水工程是行之有效的治理高水位鹽堿地的手段[1-3]。相對于明溝排水，暗管排水具有占地少、時間長、維修成本低等優點，因此，諸多學者對暗管排水排鹽技術治理高水位鹽堿地進行了機理與實踐研究[1-9]，這些研究主要從暗管排水下的土壤水鹽變化、“咸水灌溉-暗管排水”復合工程等鹽堿土地綜合整治工程下的水鹽運移規律等方面開展，著重點在暗管排水影響土壤特性的機理研究，而對于暗管排水工程治理高水位鹽堿地效益評價的研究尚不多見。

效果是工程手段實施后的成效與結果，效益是工程手段實施后的效果與利益，反映的是效果的價值化結果。因此，在探討工程手段的實施是否達到目標效果的基礎上進一步測算其價值，能較科學合理地評估工程手段。按照我國“三位一體”的生態文明發展觀，效益評價包含經濟效益評價、生態效益評價與社會效益評價三方面內容。因此，本文的效益分析也將從這三方面展開。暗管排水工程治理鹽堿地的效果已被諸多學者證實[1-3，10-12]，多數研究重點在土壤鹽分的降低與作物增產，多體現其經濟效益，忽略了對生態效益與社會效益的分析。

生態系統服務是人類從生態系統獲得利益的總和，MA（Million Ecosystem Assessment）給出的生態系統服務分類體系包括供給服務、調節服務、支持服務與文化服務[13-14]，供給服務主要指生態系統為人類提供的產品，側重的是生態系統的生產功能（經濟效益），調節與支持服務更多指的氣候調節與凈化空氣等生態功能（生態效益），文化服務則側重生活功能（社會效益），指為人類提供的美的享受。農田生態系統的服務功能是指農田生態系統與其生態過程所產生及所維持的人類賴以生存的物質產品和效用[15]，也可歸納為生產功能、生態功能與生活功能[16]。農田生態系統的生產功能主要指農作物或經濟作物的經濟功能，生態功能主要指作物提供的調節服務功能（調節氣體、氣候、水文等）與土壤的凈化功能，生活功能在此指生態旅游、農業文化等為人類生活服務的功能。農田生態系統服務功能的研究主要集中在縣域服務價值的測算上，通過測算結果分析研究區農田生態系統存在的問題[17-20]。主要采用的研究方法有能值法、環境經濟學方法、當量因子法等。環境經濟學[18]方法涉及市場價值法、機會成本法、影子價格法等多種方法，測算指標與公式、參數比較復雜，而且對每種服務價值的評價方法與參數標準也難以統一；能值法[19]將系統不同的投入產出統一折算為太陽能值，更全面客觀，但需要大量的基礎數據；當量因子法[21]是基于可量化的標準構建不同類型生態系統各種服務功能的價值當量，然后結合面積進行測算，測算較為簡易，而且數據需求量少，適用于基礎數據少的區域生態系統服務價值評估。資助本文的項目研究重點在土壤水鹽規律，數據基本集中于土壤EC、pH及八大離子含量，因此，本文測算暗管排水工程下的農田生態系統服務價值主要采用當量因子法。

農田土地質量的提升是土地效益增加的前提，因此本文立足農田試驗尺度，首先從地下水埋深與土壤含鹽量變化2個方面闡述了雨季暗管排水工程改良高水位鹽堿地的效果，然后著重從植物多樣性、作物產值2方面分別論述了雨季暗管排水工程對農田生態價值、生產價值的影響，最后在前面研究的基礎上運用當量因子法測算了農田生態系統綜合服務價值，從生態系統服務價值的角度闡述了雨季暗管排水工程對農田生態系統的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗區概況

實驗區位于河北省滄州市渤海新區南大港管理園區（ 38°31′48.78″N，117°25′43.15″E），距離渤海海岸線約為10 km，屬華北沖積平原黑龍港流域的最東端，是地勢低平的濱海平原。區內淺層地下咸水豐富且礦化度高（6~10 g/L），地下水埋深淺（0.3~1.2 m），春季多風期地下水攜鹽上移，土壤次生鹽漬化嚴重，夏季多雨期地表常出現積水，鹽澇災害同現。該區除引黃河水用于飲用及濕地生態需水外，無其他淡水補給，雨季降水為唯一的鹽分淋洗水源。實驗期間年平均降雨量632 mm，屬豐水年，其中65%~88%集中在雨季（6-9月）。實驗區土質以粘性土為主，局部地區深層土壤出現砂質土，土壤容重為1.42 g/cm3。

1.2 暗管控制性排水系統

暗管排水排鹽系統位于南大港管理園區內的國土資源部/中國科學院暗管排水排鹽野外實驗基地內，共占地6.8 ha，該系統滲水管采用直徑11 cm的帶孔單壁波紋管，外包15 cm厚砂石濾料，坡降比0.7‰，滲水管呈南北向鋪設，鋪設總長為1 100 m，實驗區所在區域的暗管埋深為1.6 m，間距50 m，系統內建設集水池與小型泵站排水，風力發電與柴油發電提供強排水動力，集水池連接地區排干，最終通過揚水站排入渤海灣。

研究區地下水埋深淺，且位于當地地勢最低處，地下水側滲補給量大，通過暗管進行定水位排水實現難度大，因此，在實驗過程中根據地區特點進行人為控制的“暗管控制性排水”，即在雨季強降雨后及春季土壤凍融期啟動暗管排水系統，排水時間為6月底至8月底的雨季、11月底12月初的冬季凍結前期及3月的春季土壤凍結層融化初期。雨季暗管排水系統啟動是在單次強降雨發生后，調控地下水埋深在100 cm以下；冬季與春季各開展一次暗管排水，同樣調控地下水埋深在100 cm以下。

1.3 實驗設計與采樣

暗管排水排鹽工程實施1年后開展本實驗，實驗為期2年。分別在暗管排水實驗區和東側80 m無暗管埋設對照區（道路阻隔了暗管區與對照區之間的地下水流動，道路側滲系數小于0.01 m/d）選取具有代表性的實驗小區。具體安排如下：

1.3.1 土壤鹽堿程度監測

分別在暗管實驗區與對照區選取具有代表性的4 m×4 m小區，作為暗管排水實驗小區（T）與無暗管埋設對照小區（CK），土壤取樣設5個重復。取樣時間為單次降雨前與降雨后6天，取土深度為50 cm，分別為0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm，分4層取樣，測定4層土樣的土壤鹽分含量。田間取樣工具為土鉆（d=4 mm），所取土樣用自封袋獨立封存后帶回實驗室測定土壤含鹽量。滴定法測定土水比1∶5。

土壤浸提液中的離子含量：Cl-用硝酸銀滴定法，SO42-、Ca2+、Mg2+采用EDTA滴定法，HCO3-采用雙指示劑-中和滴定法，Na++k+采用陰陽離子平衡法，土壤含鹽量為以上離子之和。

1.3.2 地下水埋深

小區內分別埋設觀測管觀測地下水位，觀察管為直徑12 cm的PVC管，長2.0 m，垂直埋入地下，埋入深度1.8 m，埋入部分打孔及濾布包裹，人工盒尺測量地下潛水埋深。

1.3.3 作物產量

分別在暗管實驗區（1.6 m埋深、50 m間距，面積約為0.6 hm2）與無暗管對照區（面積約為0.3 hm2）種植棉花、冬小麥、夏玉米、谷子，每種作物均選取2 m×2 m小區作為取樣樣方，樣方的初始含鹽量為3‰~5‰。棉花品種為當地品種“國欣棉SGK-3”、冬小麥品種為“小偃60”、夏玉米品種為“鄭單958”、谷子品種為“張雜谷8號”，收獲時測定4種作物的干重，重復4次。

1.3.4 植物多樣性

調查于植物生長高峰期展開，選取地下埋設暗管的荒地（T-W）、夏季休耕地（T-CL）和地下未埋設暗管的荒地（CK-W）、夏季休耕地（CK-CL）類自然或半自然生境，分別設置10 m×10 m樣地，采用5點取樣法，在每個樣地選取5個樣方進行調查，調查時記錄每個樣方的植物種類和個體數目。

1.4 計算方法

1.4.1土壤堿化度計算方法

本文堿化指標選取鈉吸附比（Sodium Adsorption Ratio，SAR）。SAR是表征土壤堿化的重要指標，其計算公式如下：

式中，各離子濃度單位為g/100 g土。

1.4.2植物多樣性計算方法

選取Shannon-Wiener指數測度不同生境下植物群落物種多樣性特征。

式中，Pi代表第i種個體數占總個體數N的比例。

1.4.3生態系統服務價值計算方法

依據謝高地[21-23]提出的中國陸地生態系統服務價值類型，綜合農田生態系統功能特征，本研究中生產功能只考慮農產品生產功能，生態功能包含維持植物多樣性、氣體調節、氣候調節、水文調節、廢物處理與保持土壤6個方面，生活功能設美學景觀1個類型（表1）。生產功能價值用農作物實際產值表示；維持植物多樣性功能與調節功能的實施主體為植物，因此，本文用植物多樣性指數來進行修正，用海興縣單位面積生態系統服務價值代表無暗管對照區的單位面積ESV，暗管埋設實驗區生態功能與生活功能價值用修正后的海興縣單位面積生態系統服務價值（ESV，Value of ecosystem services）計算求得。

表1 研究區生態系統服務類型與評價方法Table 1 Types and evaluation methods of ecosystem services in the study area

（1）生產功能價值Ep為實際農作物產值

式中，Ep為實驗地生產功能價值，即糧食產量的經濟價值（元·hm-2），i為作物種類，pi為第i種作物單價（元·kg-1）；qi為第i種作物單產（kg·hm-2）；mi為第i種作物面積（hm2）；M為作物總面積（hm2）；A為實驗地面積（hm2）。

（2）生態功能價值Ee與生活功能價值El

式中，a為修正系數，SW為暗管埋設實驗區的Shannon-Wiener指數，SW0為無暗管對照實驗區的Shannon-Wiener指數，E0為2008年海興縣農田生態系統單位面積生態系統服務價值，A為實驗地面積hm2。

2 結果與分析

2.1 暗管排水工程改良鹽堿土地的效果分析

雨季暗管排水降低地下水位，可加大土壤積蓄淡水庫容的能力，減小地表徑流及澇害發生的概率。從圖1可以看出，暗管埋設區與對照區在非暗管排水期的地下水埋深沒有顯著差異，但在雨季暗管控制性排水作用下，兩者之間出現了顯著差異。雨季（6月—9月）期間，暗管排水區的月平均地下水埋深分別為79.82 cm、54.47 cm、51.32 cm、49.80 cm，可保持地下水埋深在40 cm以上，能保證作物的正常生長發育（作物根系深度一般為30 cm），而無管對照區的月平均埋深為72.93 cm、35.83 cm、29.87 cm、42.97 cm，強降雨發生后易發生洪澇災害，作物根系浸泡時間過長導致作物減產。

圖1 暗管區（T）與對照區（CK）地下水埋深變化Fig.1 Change of groundwater depth in subsurface drainage area （T） and control area （CK）

雨季降雨發生后，暗管區0~50 cm土層土壤含鹽量均有顯著下降，變化值為0.18~0.84 g·kg-1，且隨土層深度的加深變化值逐漸減小（表2），這是因為降雨后表層土壤鹽分相對深層土壤溶解更充分，鹽分能夠迅速通過暗管排出土體；而對照區土壤含鹽量變化不大，10~30 cm土層土壤含鹽量甚至有所增加。暗管區土壤含鹽量變化比率為-5.47%~-18.96%，遠高于對照區的-0.31%~37.78%（圖2）。

降雨后0~50 cm剖面上土壤浸提液SAR顯著增加，暗管區增加幅度6.77%~113.87%，對照區增加幅度32.80%~149.33%，隨著土壤深度的增加基本呈增加趨勢（圖2）。除20~30 cm土層暗管區與對照區SAR增加值基本一致之外，其他三個深度處暗管區SAR的增加值均低于對照區，增加值隨土層深度的增加而變大（表2）。該結果表明，經過雨季降水淋洗，土壤內的Mg2+與Ca2+被Na+置換，即土壤出現鈉質化趨勢，暗管排水降低了土壤內的Na+含量，降低了Na+的置換強度，減緩了土壤鈉質化進程。鈉質化易引起土壤顆粒收縮、膠體顆粒的分散和膨脹，阻礙土壤內氣體和水分的運動，不利于作物生長發育[25]。因此，雨季暗管排水不僅可以降低土壤含鹽量，還可減緩土壤堿化趨勢。

表2 降雨前后暗管區（T）與對照區（CK）土壤含鹽量與SAR變化Table 2 Change of soil salinity and SAR before and after rainfall in subsurface drainage area （T） and control area （CK）

圖2 降雨前后暗管埋設區（T）與對照區（CK）土壤含鹽量（SS, Soil salinity）與SAR 的變化率Fig.2 Change rate of soil salinity and SAR in T and CK before and after rainfall

2.2 暗管排水工程對植物多樣性的影響

根據野外調查，被調查的試驗區4類生境內共有19種植物，通過植物多樣性指數Shannon-Wiener的計算方法，得到不同生境下的植物多樣性指數。圖3顯示試驗區內4類生境的Shannon-Wiener指數由高到低依次為埋設暗管的荒地（T-W）＞埋設暗管的夏季休耕地（T-CL）＞未埋設暗管的荒地（CK-W）＞未埋設暗管的夏季休耕地（CK-CL）。由此可見，不論是荒地還是夏季休耕地，埋設暗管區植物多樣性均高于未埋設區，暗管排水生態工程的實施可以有效維持植物多樣性。

圖3 試驗區不同生境下植被多樣性Fig.3 Species diversity of vegetations in different habitats in the pilot area

CK-W小區內分布有12種植物類型，群落優勢種為真鹽生植物堿蓬；CK-CL小區內僅分布有4種植物類型，群落優勢種為假鹽生植物蘆葦；T-W小區內分布有15種植物類型，群落優勢種為假鹽生植物蘆葦；T-CL小區內分布有8種植物類型，群落優勢種為非鹽生植物狗尾草。可以看出，人為干預的休耕地內的植物種類均遠小于自然環境下荒地內的植物種類，人為活動會降低農田生態系統的植物多樣性；暗管埋設區的植物類型多于對照區，群落優勢種也由鹽生植物變為非鹽生植物，進一步說明暗管排水工程的實施能夠有效降低土壤含鹽量。

2.3 暗管排水工程對作物產量與產值的影響

暗管排水工程可從兩方面增加農田生態系統的糧食生產服務價值：一為通過平填毛溝增加農田耕地面積；二為通過暗管排水降低土壤鹽分提高耕地質量從而增加單位面積的作物產量。試驗區總面積約為13.3 hm2，暗管埋設前按照前蘇聯排水模式，即50 m寬度的田塊需建設寬度為8 m的毛溝，毛溝占耕地面積比例為16%，暗管排水工程平填毛溝后，可增加2.1 hm2的耕地面積。同時，暗管排水工程的實施改變了自然狀態下土壤不同層次和不同季節鹽分和水分的分布，使作物在易遭受脅迫的敏感期規避了危害，從而增加了適宜種植作物的種類。作物種類由工程實施前單一的棉花種植變為棉花、玉米、小麥、谷子等多種作物種植的方式。表2可以看出，暗管排水區的棉花產量與產值是對照區的3倍有余，而對照區種植的冬小麥、夏玉米與谷子因鹽害與旱澇雙重影響沒有收成。

表3 暗管區與對照區的主要作物種類、產量與產值Table 3 Main crops types , yields and output value in subsurface drainage area and control area

2.4 暗管排水工程下農田生態系統服務功能價值變化

分別取暗管埋設區與無暗管對照區內2類生境Shannon-Wiener指數的平均值作為各自的Shannon-Wiener指數（SW），計算得到SW0與SW分別為0.935、1.295 ，即修正系數a為1.38，從而求得暗管區與對照區單位面積生態系統服務價值（ESV）及總服務價值（表4）。暗管區與對照區維持植物多樣性服務功能的單位面積ESV分別為4 106.72與2 965.08 元·hm-2·a-1，這與《森林生態系統服務功能評估規范》（YL/T1721-2008）中的生物多樣性指標的規定較為一致。規范規定，根據Shannon-Wiener指數計算生物多樣性，當指數＜1時，價值為3 000 元·hm-2·a-1，當1≤指數＜2時，價值為5 000 元·hm-2·a-1。農田生態系統以生產功能為主，受人為活動影響，一般來講，植物多樣性是低于森林生態系統的，因此，計算得到的4 106.72 元·hm-2·a-1（暗管區，SW=1.295）與2 965.08 元·hm-2·a-1（對照區，SW=0.935）分別低于森林生態系統的5 000 元·hm-2·a-1與3 000 元·hm-2·a-1，是合理的。故此本研究認為用Shannon-Wiener指數進行ESV修正是科學合理的。

表4 暗管區與對照區單位面積生態系統服務價值（ESV）與總服務價值Table 4 ESV per unit and the total ESV of subsurface drainage area （T） and control area （CK）

對照區生產功能的單位面積價值為3 277.32元·hm-2·a-1，與海興縣單位面積價值2 906.94元·hm-2·a-1（表1）基本一致，說明海興縣代表無暗管對照區ESV具有一定的科學性。但應用市場價值法計算后的暗管區生產功能價值（16 075.54元·hm-2·a-1）遠大于用修正系數a修正后的計算值（4 026.19 元·hm-2·a-1），這與農田生態系統生產功能為主的特征有關，用市場價值法計算更符合實際。

暗管區與對照區“三生”功能價值均表現為生態功能價值＞生產功能價值＞生活功能價值（表5）。暗管排水工程對農田生態系統服務價值的影響主要體現在生產功能價值的增加，其增加值是生態功能增加值的1.8倍，是生活功能增加值的67倍，可以看出，暗管排水工程的實施可顯著提高農田生態系統的經濟效益，對于生態效益的提升也較明顯。

表5 暗管區與對照區“三生”功能價值與權重Table 5ESV and weight of"production, ecology and life" function in subsurface drainage area and control area

3 結論

（1）雨季暗管控制性排水改良鹽堿地效果顯著。通過暗管調控月平均地下水埋深最大能降低21.46 cm，可有效減少澇害。得益于地下水位降低，暗管排水實驗區土壤含鹽量呈顯著降低態勢，雨后土壤浸提液SAR值雖有提高，但增加值低于對照區，暗管排水工程減緩表層土壤堿化進程效果尤其顯著。

（2）暗管排水工程的實施可以有效維持植物多樣性。不管是休耕地還是荒地，暗管埋設區的Shannon-Wiener指數均高于無管對照區。

（3）暗管排水工程通過面積增加與耕地質量提升可有效增加農田生態系統的糧食生產價值。

（4）暗管區與對照區“三生”功能價值均表現為生態功能價值＞生產功能價值＞生活功能價值，生活功能價值較少，占2%。暗管排水工程對農田生態系統服務價值的影響主要體現在生產功能價值的增加。

注釋：

① 海興縣距離實驗地較近，且農田生態系統具有較大相似性，同時有中科院的觀測站，數據相對齊全，故在海興縣單位面積ESV基礎上進行修正。