膜下滴灌結合暗管排水技術改良新疆鹽堿地效果綜述

關鍵詞：膜下滴灌；暗管排水；鹽堿地；新疆灌區

0引言

據統計，全國鹽堿地總面積為9900萬hm2，新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）鹽堿地面積高達2200萬hm2，是我國西北地區鹽堿地面積最大、最集中的區域，也是我國受鹽堿化威脅最嚴重的地區之一[1]。傳統鹽堿地治理注重大水洗鹽，強烈的地表蒸發又不斷驅使底層鹽分隨水向上運移，常年引水灌溉不當導致地下水上升加劇，土壤次生鹽漬化危害反復發生[2]。自1996年膜下滴灌技術在新疆生產建設兵團研究與應用以來，經過多年發展，已成為我國干旱半干旱地區重要的節水灌溉新模式[3]。在改良鹽堿地中，眾多研究者認為膜下滴灌只能調節作物根區鹽分分布，并不能將鹽分排出土體，短期內，高頻率、低定額的滴灌可能使表層土壤脫鹽，但隨著滴灌年限的增加，其微弱的淋溶作用仍使作物耕層土壤總鹽量不斷積累，容易引起爆發式積鹽的風險[4-5]。要從根本上控制土壤鹽堿化，實現耕作層土壤脫鹽，必須進行排水，將地下水埋深控制在一定深度范圍內[6-7]。因此形成了膜下滴灌和暗管排水結合的鹽堿地改良新型灌排技術，在作物生育期內，覆膜能有效抑制表土蒸發，滴灌根據作物需水規律供水的同時有效淡化作物根區土壤鹽分，而暗管排水很大程度上緩解長期以來“有灌無排”造成的地下水位上升、次生鹽漬化加劇等農業生態環境問題，在鹽堿地開發利用中產生了新的水鹽平衡關系，已經成為新疆重要的節水抑鹽、高效排鹽的灌排技術措施。

1膜下滴灌結合暗管排水系統

我國最早采用暗管排水技術應用在濱海鹽堿地改良中，后來包括新疆等西北大部分省區借鑒布置，但西北大部分地區干旱少雨且地下水位較深，暗管排水須結合地面灌溉才能達到對土壤鹽分協同調控的目的。新疆膜下滴灌結合暗管排水系統一般布置為滴灌帶與吸水暗管沿田面坡度布置，滴灌帶供水將土壤鹽分淋洗下移至吸水暗管處，淋洗水進入吸水暗管后再集中流人排水暗管或集水井中。該系統的設計強調在灌溉制度、暗管間距和埋深等方面合理優化布局，提高灌溉水利用率的同時能保持良好的排鹽效果。

1.1膜下滴灌灌溉制度

李明思等[9]認為，確立鹽堿地作物的灌溉制度時，既要滿足作物需水，還要創造作物適宜正常生長的水鹽環境，因此需額外考慮土壤鹽分淋洗水量。在滿足上述兩個條件的同時，發現新疆現有灌溉制度普遍存在超灌現象，以棉花為例，眾多研究者得出膜下滴灌灌溉定額345～390mm，最多不超過525mm、灌水頻率12次左右的灌溉制度在新疆生產建設兵團各團場具有普遍的代表性[10-11]。邢小寧等[12]研究表明，塔里木灌區常規冬、春灌水洗鹽定額達到450～840mm，占總用水量的55%～65%。王振華等[13]分析北疆滴灌平均灌水定額為847.71mm，超灌比例達57.59%；在棉花苗期和生長末期，超灌比例更是達到304.44%和208.57%。超灌的水量客觀上能起到良好的洗鹽作用，根據聯合國糧農組織建議淋洗鹽定額為灌溉定額的10%～15%的比例計算，仍需進一步挖掘節水潛力。

1.2暗管埋深

暗管埋深主要依據土壤水鹽運移情況確定[14]。鄭飛敏等提出了地下水“臨界深度”概念，即毛管水上升運動微弱到不足以使土壤表層產生積鹽的地下水深度，認為布設暗管的目的是將地下水控制在“臨界深度”以下。石培君等[15]研究表明，地下水位在暗管處上下波動時，更有利于暗管周圍鹽分的淋洗。在新疆南疆地區高地下水位（0.6～1.0m）鹽堿區，楊玉輝等[16]建議采用埋深0.8m、間距為10m的暗管布置參數具有較好的排鹽效果。但在新疆北疆大部分地區因氣候干旱、過度開采等因素導致地下水埋深較深，為有效排出膜下滴灌在作物根系層積累的鹽分。衡通等[17]研究表明，暗管埋深在0.6m處的排鹽效果優于埋深1.0和1.4m處。李顯溦等[18-19]研究表明，盡管暗管能使0～60cm土層含鹽量明顯降低，但排鹽率僅為11.7%，大部分鹽分被淋洗至60cm以下土壤；為促進暗管排鹽，減少深層滲漏，在暗管下鋪設寬度為0.2～1.0m的防滲膜，暗管排鹽效率可提高至20%以上。

1.3暗管間距

計算暗管間距普遍以阿維里揚諾夫一翟興業公式和Hooghoudt公式為基礎，再根據經驗數據、田間試驗的方式進行校核[20]。20世紀90年代，學者們在銀川市北部重度鹽堿區開創出雙層暗管布置，發現暗管間距30m可起到較好的排鹽效果[21]。在新疆，王振華等[22]研究表明，暗管間距為15m的小區分別比間距為20和25 m小區提前4和6h排水，鹽分淋洗效率也最高；錢穎志等[23]研究發現，設置暗管間距為6、10和20m，深度0.8m以上土壤脫鹽率與暗管間距呈負相關關系，并擬合得出焉耆盆地布置暗管間距8m、埋深1.4m布置參數，可滿足36%的目標脫鹽率。可見結合膜下滴灌，小間距的暗管布置更有利于土壤脫鹽，而不同區域間距參數，目前研究甚少，仍需進一步試驗確定。

1.4影響暗管排鹽效果因素

為提高暗管的吸水能力，在暗管周圍布設合理級配的砂礫料或其他強透水材料，充分利用反濾材料的滲透性大于田間土壤滲透性的特點，可大大增強暗管排水性能。陳名媛等[24]研究表明，無論土壤處于非飽和狀態還是田間持水量狀態，地下水需要完全淹沒暗管后才能發生排水；而張亦冰等[25]發現，暗管排水的整個過程中，地下水位并未淹沒暗管。分析二者研究發現，前者用土工布包裹暗管，而后者在暗管周圍布設砂礫石濾料；對比兩種材料的防護機理，砂礫石濾料能有效增加集水面積，淋洗水填滿砂礫層后即可進入暗管[26]。這一點秦文豹等[27]研究也得到證實，暗管周圍填充物若為均質料，土壤水分難以進入暗管，只能待暗管周圍土壤水分達到飽和時，依靠重力作用和壓力勢才使排水進入暗管。陶園等[28]研究還表明，反濾層滲透性與土體滲透性差異越大，對增大暗管排水量的作用越明顯。此外，衡通等[17]發現，管徑為90mm累計降低平均含鹽量為50mm管徑的1.31倍，說明大管徑排鹽優勢更加明顯。

2對土壤水鹽運移的影響

2.1膜下滴灌土壤水鹽運移規律

膜下滴灌條件下，水分首先在滴頭下方形成飽和區，隨后不斷向四周滲透，土壤鹽分隨水分不斷發生遷移，最終在水分濕潤邊緣積累[29]。明廣輝等[30]研究表明，膜下0～0.4m范圍內土壤鹽分被淋洗至0.5～0.6m濕潤鋒處，鹽分分布呈典型的“酒杯”形。彭遙等[31]發現膜間鹽分的表聚現象明顯高于膜下，鹽分在滴灌點源附近出現側移現象。此外，研究者認為，滴頭流量、灌水周期、灌水量、土壤質地和土壤初始含鹽量等因素均能對土壤水鹽運移產生影響[32-33]。長期膜下滴灌對土壤水鹽狀況的影響，目前論述不一。李文昊等[34]研究表明，棉花耕層土壤鹽分在膜下滴灌1年后表現出整體脫鹽，脫鹽速率在前6年較為迅速，6～8年進入平穩脫鹽階段，8年以上土壤鹽分趨于穩定，根區土壤平均含鹽量低于3g/kg。孟超然等[35]發現膜下滴灌3年耕層鹽分呈下降趨勢，隨著年限的增長，至12年耕層土壤鹽分發生明顯積累的現象。膜下滴灌多年的“有灌無排”并不能使鹽分排出土體，隨著土壤蒸發、深松翻耕等形式依然能重新回到表層土壤。

2.2暗管排水土壤水鹽運移規律

石元春[36]提出，土壤鹽漬化嚴重的原因有兩個：一是強烈的蒸發作用驅使鹽分在土壤表層積累；二是潛水位的頂托作用增強了水鹽交換。布設暗管能阻斷毛管水的上升路徑，抑制高礦化度地下水上移，使土壤理化性質得到改善；暗管排水增大了控制區的水力梯度，土壤水鹽運動會發生明顯空間變化[37]。TALSMA T[38]認為，暗管上方區域的土壤脫鹽效果明顯高于暗管相鄰區域。BAHCECII等[39]研究還發現，經過3年的淋洗改良，暗管排水使耕層土壤平均脫鹽率可達到80%。劉玉國等[40]認為，經過3年暗管排水措施，土層0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8m的脫鹽率分別為69.24%、55.80%、58.60%和53.83%。王振華等[22]經過2次滴灌淋洗，土層1m范圍內各點脫鹽率為51.82%～60.43%，土層0.7m范圍內含鹽量整體在10g/kg以下。

2.3膜下滴灌結合暗管排水土壤水鹽運移規律

近年來，隨著膜下滴灌和暗管排水技術的有機結合，在鹽堿地改良中產生了豐富成果。王東旺等[41]研究表明，膜下滴灌結合暗管排水模式下0.2、0.4和0.6m土層土壤含鹽量分別顯著下降了63.06%、60.62%和48.42%（Plt;0.05），呈隨土壤深度的增加，脫鹽率減小的趨勢。溫越等[42]研究表明，滴灌淋洗后0～0.8m土層土壤含鹽量顯著降低，1.2～2.0m深層土壤含鹽量增加，第2次淋洗后，0.6m暗管埋深處的土壤含量從重度變為輕度。祝臻等[43]研究表明，暗管結合滴灌使Im耕層內土壤含鹽量降低7.88～8.13g/kg，0.4～0.6m土層脫鹽率超過50%o膜下滴灌結合暗管排水將表層鹽分帶入耕層以下，隨著排水次數和年限的增加，控制排水條件下鹽分分布也會發生明顯改變。

3對鹽堿地土壤理化性質的影響

3.1土壤電導率變化

土壤電導率（EC）是衡量鹽分脅迫程度的重要指標，通常土壤鹽分含量越高，土壤中水溶性鹽離子含量越大，其導電能力越強，土壤pH值也越大。許璇等[44]研究表明，膜下滴灌結合暗管淋洗排水期間，0～2m土層土壤鹽分下移，1.4～2.0m土壤電導率整體降幅達70.89%～79.02%。石磊等[45]研究表明，暗管排水2年后，土壤電導率較排水前降低31.83%～50.35%，排水前后pH值變化不大。劉玉國等[40]認為，土壤電導率與pH值的變化主要與灌水淋洗量有關，暗管排水土壤電導率變化范圍為7.53～11.16dS/m，呈增加一降低一增加趨勢；pH值波動范圍為7.08～8.20。通過“上灌下排”模式，土壤電導率降低明顯，表明膜下滴灌結合暗管排水對土壤中水溶性鹽離子具有良好的淋洗作用。

3.2土壤鹽分離子變化

《新疆墾區鹽堿地改良》中界定：土層0～0.2m鹽分含量不高于8.7g/kg，且CI-、S042-含量分別低于0.12和5.05g/kg時棉花能夠正常生長[46]。王振華等[47]認為，CI-遷移隨滴灌年限的增加，前4年內降低顯著，滴灌5年后趨于穩定，基本不超過0.12g/kg；S042-均低于5.05g/kg。徐友信等[48]認為，除HC03-外，土壤鹽分離子經過淋洗后均呈降低趨勢，脫鹽率依次為C1-gt;Na++K+gt;S042gt;Mg2+gt;Ca2+。竇旭等[49]研究表明，暗管排水有效地減少土壤中鹽分離子，各鹽分離子脫鹽率大小為C1-gt;K++Na+gt;S 042-gt;Mg2+gt;Ca2+gt;HC03-。上述研究均表明，長期膜下滴灌具有較顯著的洗鹽作用，結合暗管排水，土壤鹽分離子逐年降低，并能夠達到作物正常生長的土壤含鹽水平。

3.3土壤酶活性變化

土壤酶是衡量土壤微生物活性和土壤生產力的重要指標，由于土壤酶活性對pH值具有高度的敏感性，膜下滴灌結合暗管排水技術調控土壤鹽度和堿度的變化必然對土壤酶活性造成一定的促進作用[50]。陳寧等[51]認為，膜下滴灌比畦灌土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶分別提高40.66%～58.18%、49.33%～64.38%和16.6g%～30.08%，均達到顯著水平（Plt;0.05）。竇超銀等[52]認為，在重度鹽堿荒地施行膜下滴灌種植2年后，土壤中堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性分別是撂荒土壤的6.1、2.5和8.8倍。李文等[53]認為，膜下滴灌使地溫保持在適宜的水平，土壤脲酶、轉化酶和脫氫酶高于溝灌與滲灌。膜下滴灌調節土壤水、肥、氣和熱狀況，并通過調控耕層土壤電導率及pH值，改善土壤內部環境，因此對土壤酶活性具有一定影響，但針對暗管排水條件下鹽堿地土壤酶活性的變化研究，目前還鮮有報道。

4作物增產效應

通過上述分析，膜下滴灌結合暗管排水系統能有效降低土壤含鹽量，土壤鹽堿化性質得到有效改良，并且膜下滴灌具有提高地溫、促進種子早發的特性，利于作物高產。石佳等[54]研究表明，在灌水技術、定額相同的情況下，暗管排水區的油葵可增產8.10%。溫越等[42]研究表明，不同暗管埋深處理油葵結實率均大于無暗管排水處理，0.6m暗管埋深處理下油葵千粒質量、單盤粒質量和標準產量分別比無暗管處理高37.16%、66.96%和35.41%。劉玉國等[40]研究表明，暗管鋪設后，鹽斑面積明顯減少，棉花出苗率達70%～80%，死苗現象也減少；輕度和中度鹽漬化棉田布設排水暗管后產量分別比未鋪暗管小區提高25.3%和55%。

5結束語

近年來，膜下滴灌結合暗管排水技術已在新疆灌區得到長足發展，降低了農田長期“有灌無排”易發生次生鹽漬化的風險，改善了作物根區水鹽環境，為作物的高產提供技術保障。而應對新疆緊缺的淡水資源和嚴酷的水土環境，在暗管布置參數合理規劃的同時，仍需對不同地區不同作物灌溉制度進行優化，并建立作物類型、氣候條件和水文地質等模型數據庫，針對不同地區、不同作物的膜下滴灌結合暗管排水系統布置方案，對干旱半干旱地區改良鹽堿地具有較好的指導意義。