白春艷，周金龍，2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074)

近幾十年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，使各地用水量和需水量不斷增加，導(dǎo)致地表水、地下淡水資源供求矛盾日益突出，合理開發(fā)中鹽度地下水資源作為替代水資源越來(lái)越受到各國(guó)關(guān)注。

《中華人民共和國(guó)水法》第二十四條規(guī)定:在水資源短缺的地區(qū)，國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)雨水和中鹽度地下水的收集、開發(fā)、利用。中鹽度地下水是指礦化度為2～7 g/L，能直接或間接用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水［1］。利用中鹽度地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉緩解作物干旱，為植物生長(zhǎng)提供所需要的水分，特別是在淡水資源缺乏而微咸水、咸水資源相對(duì)豐富的地區(qū)，不僅可以緩解淡水資源匱乏的問(wèn)題，而且有利于調(diào)節(jié)地表水、地下水和土壤水，在不斷循環(huán)利用咸水和補(bǔ)充淡水的過(guò)程中，咸水水質(zhì)本身也可以得到改造。但與此同時(shí)利用中鹽度地下水灌溉也給土壤帶入了鹽分，造成潛在鹽漬化的危險(xiǎn)。不恰當(dāng)?shù)闹宣}度地下水灌溉會(huì)引起作物減產(chǎn)，土壤積鹽抑制作物根系吸收水分，可能會(huì)給作物根系造成鹽脅迫環(huán)境［2］，導(dǎo)致土壤鹽漬化甚至土地荒蕪。此外，大面積進(jìn)行咸水灌溉，會(huì)引起水資源時(shí)空分布改變，使區(qū)域性水資源均衡要素受到影響。因此，綜述中鹽度地下水資源灌溉試驗(yàn)的增產(chǎn)效益及土壤、生態(tài)環(huán)境效益，對(duì)解決水資源危機(jī)，優(yōu)化灌溉模式，推動(dòng)安全高效的發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 中鹽度地下水的形成原因

1.1 華北地區(qū)中鹽度地下水形成的原因

華北平原中鹽度地下水分布面積占總面積一半以上，對(duì)其改善利用與規(guī)模開發(fā)，是緩解水資源短缺矛盾的有效途徑。該地區(qū)中鹽度地下水形成的自然原因歸結(jié)為兩點(diǎn):(1)海相原生咸水成因類型。受古地理、古氣候、第四紀(jì)冰期-間冰期、海侵-海退、蒸發(fā)-溶解等綜合地質(zhì)作用過(guò)程影響，海水被封存于地下而形成原生類型的高礦化咸水。(2)內(nèi)陸干旱次生成因類型咸水。此種類型咸水是淡水在地下水循環(huán)過(guò)程中，在氣候及古地理環(huán)境等因素的影響下1礦化為咸水的次生類型［3-4］。

當(dāng)然，人類活動(dòng)也是導(dǎo)致中鹽度地下水形成的主要原因。過(guò)量開采深層地下水造成上部咸水含水層水位和深層淡水含水層水位數(shù)十米的水頭差，給上部咸水的越流補(bǔ)給提供了水動(dòng)力條件，另外降雨入滲占據(jù)原成水的淺部空間，最終導(dǎo)致淺層咸水淡化，深層淡水咸化，咸淡水界面向下移動(dòng)［4］。在濱海地區(qū)，過(guò)量開采地下淡水導(dǎo)致地下水位下降，咸淡水界面之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破而出現(xiàn)海水向陸地含水層入侵的現(xiàn)象［5］，引起地下淡水水質(zhì)咸化，造成海水入侵。總之，華北地區(qū)中鹽度地下水是由越流補(bǔ)給和海水入侵雙重作用引起的。

1.2 西北地區(qū)中鹽度地下水形成的原因

西北內(nèi)陸平原區(qū)降雨稀少，氣候干燥，地面蒸發(fā)強(qiáng)烈，大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給極其微弱，水資源緊缺，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極度脆弱，日益突出的人-水-土地與生態(tài)環(huán)境之間矛盾加劇了生態(tài)環(huán)境退化情勢(shì)，影響著西北社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展［6］。

李文鵬等［7］將內(nèi)陸干旱盆地平原區(qū)從山前至盆地中心大致劃為三個(gè)鹽分遷移特征帶，分別為鹽分溶濾帶、鹽分遷移帶和鹽分聚集帶，以此來(lái)揭示中國(guó)西北內(nèi)陸干旱盆地地下水形成演化模式。由于地下水的積極循環(huán)交替使溢出帶上游含水層骨架始終處于淋濾狀態(tài)，可溶鹽含量極低，形成了難溶而穩(wěn)定的地球化學(xué)背景，地下水咸化程度很低。溢出帶附近，因地下水位埋藏變淺甚至出露成泉，經(jīng)長(zhǎng)期蒸發(fā)濃縮作用成為地下水咸化形成的主要影響因素，因此僅在淺表地層中積鹽，形成中鹽度地下水，下部仍為TDS較低的淡水含水層。從地質(zhì)歷史過(guò)程看，溢出帶淺表地層中的鹽分最終還要被地表水或地下水帶至下游區(qū)。在地下水流系統(tǒng)的作用下，鹽分總是從下部帶至地質(zhì)歷史時(shí)期的地表面，經(jīng)蒸發(fā)作用而遺留于沉積物表層，從而形成上咸下淡的鹽分分布格局。最終，鹽分被水流攜帶入鹽分聚集帶，經(jīng)過(guò)豐水期的湖水補(bǔ)給地下水，及枯水期的反補(bǔ)給，再加上強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，使鹽分析出，形成新的鹽層。

另外，中鹽度地下水由人類活動(dòng)引起咸水入侵而產(chǎn)生:(1)咸水入侵灌區(qū)。大規(guī)模開采地下水，使灌區(qū)中部形成降落漏斗，改變了地下水的補(bǔ)給徑流條件，造成地下水倒流，使高礦化咸水大量入侵，灌區(qū)地下水水質(zhì)咸化。(2)咸水入侵井水。在西北內(nèi)陸部分區(qū)域，第三系含水層中夾有石膏砂巖含水層，水質(zhì)苦咸，當(dāng)水井穿過(guò)此層時(shí)，不但受到這層苦咸水的橫向入侵，而且，由于其具有承壓性，往往越流垂直侵入上層和下層淡水體，使整個(gè)井水水質(zhì)變咸［8］。(3)咸水入侵城市。大量開采城區(qū)地下水，引起地面沉降，使咸水入侵水源地，導(dǎo)致水源地水質(zhì)急劇惡化，造成水源地報(bào)廢，使得飲水困難。

2 中鹽度地下水灌溉的必要性與可行性

2.1 地表水、地下淡水緊缺，區(qū)域缺水嚴(yán)重

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家，淡水資源總量為2.81萬(wàn)億 m3，居世界第六位，人均水資源占有量不足2 200 m3，比世界人均占有量的1/4還低，是全球公認(rèn)的13個(gè)水資源貧乏國(guó)家之一［9］。

因此，在淡水資源缺乏而中鹽度地下水資源相對(duì)豐富的地區(qū)，特別是在北方干旱地區(qū)或遇干旱年份，開發(fā)利用中鹽度地下水資源不失為解決當(dāng)?shù)氐Y源短缺的良策。

2.2 中鹽度地下水開采潛力大

我國(guó)地下咸水資源量豐富，據(jù)國(guó)土資源部2003年調(diào)查數(shù)據(jù)，全國(guó)礦化度1～3 g/L的地下微咸水天然資源為277億m3，其中可利用的微咸水資源為200億 m3/a，微咸水實(shí)際開采資源為130億 m3/a;礦化度3～5 g/L的地下半咸水天然資源為121億 m3［10-11］。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，華北、河北平原水礦化度2～5 g/L的地下水分布面積占43%～48%，咸水資源達(dá)56億 m3，整個(gè)華北平原淺層咸水資源達(dá)75億 m3;西北地區(qū)(新疆、甘肅、寧夏、陜西、青海、內(nèi)蒙的部分地區(qū))礦化度2～ 5 g/L 的地下咸水資源達(dá) 88.6 億 m3［12］。

雖然中鹽度地下水開采潛力較大，但不能無(wú)限制開發(fā)，超采會(huì)引起地面沉降、咸水入侵等問(wèn)題。因此，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、氣候以及土壤植被等生態(tài)條件來(lái)合理開發(fā)利用中鹽度地下水，以緩解灌區(qū)水資源緊張的局面。

2.3 國(guó)內(nèi)外中鹽度地下水灌溉實(shí)踐

國(guó)外利用中鹽度地下水灌溉在以色列、美國(guó)、突尼斯、印度等國(guó)家都有成功經(jīng)驗(yàn)。以色列科學(xué)家Boyko［13］(1996年)研究首次證實(shí)，許多植物能夠利用礦化水灌溉，對(duì)于砂土地甚至可利用海水灌溉;美國(guó)西南部利用礦化度為2.5～4.8 g/L灌溉水進(jìn)行了大量微咸水灌溉棉花實(shí)踐;突尼斯沒有礦化度小于1 g/L的淡水，在排水良好的鹽堿地上，用礦化度2～5 g/L的咸水進(jìn)行灌溉［14］;印度在一些地區(qū)也利用微咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，季候雨的淋洗使微咸水灌溉后土壤未發(fā)生長(zhǎng)期積鹽現(xiàn)象。其它中亞、阿拉伯等國(guó)家已成功利用3～8 g/L的咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉。對(duì)于國(guó)外比較先進(jìn)的現(xiàn)代灌溉技術(shù)，我們要消化吸收，但要因地制宜，循序漸進(jìn)，改造研制出適合我國(guó)國(guó)情的節(jié)水技術(shù)并將其推廣應(yīng)用，這將為水資源的科學(xué)、合理、高效利用奠定基礎(chǔ)。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始，進(jìn)行中鹽度地下水灌溉試驗(yàn)研究。在河北、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、寧夏、山東、新疆等地不同程度的利用中鹽度地下水進(jìn)行農(nóng)田灌溉并獲得高產(chǎn)［15］。河北省水科院利用4～6 g/L和2～4 g/L的咸水灌溉小麥、玉米，試驗(yàn)達(dá)到了比旱地增產(chǎn)2.1～2.6倍的效果。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)利用0.67 g/L的堿性淡水與5～7 g/L的咸水，按3:1～5:1混合灌溉糧食和棉花，結(jié)果糧食、棉花產(chǎn)量均提高了10倍。山東萊州灣利用2.4～3.2 g/L和3.2～5.0 g/L咸水在冬小麥返青后期的關(guān)鍵生育期進(jìn)行灌溉，其產(chǎn)量比雨養(yǎng)種植的小麥增產(chǎn) 35.87%～38.43%［16］。李紅等［17］于2007年利用2～5 g/L的中鹽度地下水和淡水對(duì)山東西部鹽漬化地區(qū)小麥、玉米進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，結(jié)果表明，如措施得當(dāng)，可確保冬小麥、玉米等農(nóng)作物產(chǎn)量，土壤表層不積鹽。魏紅國(guó)等［18］在新疆庫(kù)爾勒國(guó)家灌溉試驗(yàn)站利用3 g/L的微咸水和淡水交替灌溉，可以提高棉花產(chǎn)量，且棉纖維品質(zhì)優(yōu)良，由灌溉帶入土體的鹽分通過(guò)淡水輪灌和冬灌，土體總鹽分保持平衡。綜上所述，國(guó)內(nèi)已有的研究多以中鹽度地下水地面灌為主，中鹽度地下水滴灌方面的試驗(yàn)研究較少。

3 中鹽度地下水灌溉綜合技術(shù)研究

3.1 中鹽度地下水灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量有關(guān)中鹽度地下水灌溉試驗(yàn)研究，中鹽度地下水為劣質(zhì)水資源，灌溉后容易引起土壤積鹽，使耕層的土壤含鹽量或土壤溶液濃度超過(guò)作物的耐鹽度，從而影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量［19］。因此，進(jìn)行中鹽度地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)，有利于改善灌區(qū)灌溉狀況，為保護(hù)地下水、調(diào)節(jié)區(qū)域水資源提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)地下水資源可持續(xù)開發(fā)和綜合管理起指導(dǎo)作用。

目前，關(guān)于中鹽度地下水資源的評(píng)價(jià)有多種方法，國(guó)內(nèi)外最常用的灌溉水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有以下幾種:單指標(biāo)評(píng)價(jià)法，包括鹽度(S)、鎂系數(shù)(KMg)、殘余碳酸鈉(RSC)、鈉吸附比(SAR);綜合危害系數(shù)(K);灌溉系數(shù)法(Ka)［20］。

3.2 中鹽度地下水的利用模式

目前不同水質(zhì)水源的利用主要有三種方式:直接利用咸水灌溉、咸淡混合灌溉(混灌)、咸淡交替灌溉(輪灌)。在沒有淡水資源或淡水資源十分緊缺的情況下，可直接利用咸水灌溉。將高礦化度的咸水與淡水或低礦化度的咸水合理配比后，不但提高了灌溉水水質(zhì)，增加可灌水的總量，而且使以前不能使用的堿水或高鹽漬度咸水得以利用。在有一定量淡水資源的條件下，采用咸淡水交替輪灌耐鹽作物或作物耐鹽生長(zhǎng)階段，不但有利于增大土壤的導(dǎo)水能力且有利于土壤鹽分淋洗，可更充分、有效地發(fā)揮咸淡水各自的作用和效益［21-22］。咸水是否適用于灌溉，不但取決于咸水鹽分的含量及成分，而且與氣候、土壤特性、作物品種、灌水方式、灌水定額等有關(guān)。

咸水與微咸水灌溉方式主要有:漫灌、溝灌、噴灌和滴灌。漫灌是一種比較粗放的灌水方法，灌水的均勻性差，耗水量大。溝灌作為一種傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)，水分利用效率低，大量灌溉水分無(wú)效蒸發(fā)，在超量灌溉的同時(shí)引起地下水位上升、土壤次生鹽堿化等問(wèn)題［23］。從節(jié)水的角度來(lái)說(shuō)，噴灌的效果應(yīng)該最好，但利用微咸水進(jìn)行噴灌的過(guò)程中作物會(huì)受到土壤鹽分脅迫，葉片吸收鹽分受到損傷，甚至出現(xiàn)葉面燒死的現(xiàn)象，從而影響作物產(chǎn)量［24］。因此滴灌被認(rèn)為是最適合用于中鹽度地下水開發(fā)利用的灌溉技術(shù)，主要有以下優(yōu)點(diǎn):一是滴灌灌水頻率高，每次的灌水流量小，能夠在作物根區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持較高的土壤總水勢(shì)，減少由于灌溉而加劇的潛水蒸發(fā)和土壤返鹽。二是利用微咸水滴灌能形成一個(gè)含水率較高且含鹽量較低的區(qū)域，為作物提供一個(gè)良好的水鹽環(huán)境［25］，能有效防止耕作層土壤次生鹽漬化。三是滴灌節(jié)約了傳統(tǒng)灌溉溝渠占地問(wèn)題，使單位面積產(chǎn)量成倍增長(zhǎng)。總之，滴灌能按時(shí)按量的把水及營(yíng)養(yǎng)直接輸送到植物的根部，避免了水的流失，這樣可以使少量的水達(dá)到最佳效果，水、肥利用率高達(dá)80%～90%，節(jié)水50%～70%，節(jié)約肥料30%～50%［26］。同時(shí)，滴灌能改良鹽堿地，把不毛之地變成生機(jī)勃勃的綠洲。

3.3 利用中鹽度地下水灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響

國(guó)內(nèi)外大多研究礦化度為2～5 g/L的微咸水，但隨著水資源匱乏的日益嚴(yán)峻，使開發(fā)礦化度大于5 g/L的咸水面臨挑戰(zhàn)與機(jī)遇，尤其是在中鹽度地下水分布較為廣泛的地區(qū)。

有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明:利用3 g/L左右的微咸水連續(xù)灌溉冬小麥可行，慎用3～5 g/L的半咸水灌溉冬小麥;正常定額下玉米的耐鹽能力為3 g/L，淋洗定額下玉米的耐鹽能力為3.5 g/L;利用3 g/L左右的微咸水灌溉棉花可行，在秸稈覆蓋條件下采用5～7 g/L咸淡水交替灌溉對(duì)棉花產(chǎn)量沒有明顯影響;正常定額下葵花的耐鹽能力為5 g/L，淋洗定額下葵花的耐鹽能力為7 g/L;利用3.0～5.1 g/L的咸水灌溉高粱，比不灌的增產(chǎn)30%以上［27］。另外，利用不同礦化度微咸水，結(jié)合適宜的灌溉方式、灌溉次數(shù)及灌溉定額，為瓜果蔬菜不同的生長(zhǎng)期輸送作物生長(zhǎng)所需水分，會(huì)產(chǎn)生不同程度增產(chǎn)效果。

4 中鹽度地下水利用的若干問(wèn)題及建議

開發(fā)利用中鹽度地下水有利于緩解我國(guó)干旱半干旱地區(qū)水資源危機(jī)，但如何合理運(yùn)用而又不產(chǎn)生土壤次生鹽漬化以及澇漬等土壤退化、咸水入侵、水源污染等問(wèn)題，卻有待進(jìn)一步解決。為此，建議以后加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作:

1)選擇恰當(dāng)?shù)睦媚Ｊ?。滴灌作為最適合中鹽度地下水開發(fā)利用的灌溉技術(shù)，應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，加強(qiáng)綜合技術(shù)研究，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供依據(jù)。

2)加強(qiáng)區(qū)域水鹽平衡研究。大面積進(jìn)行中鹽度地下水灌溉，會(huì)引起水資源時(shí)空分布變化，使區(qū)域性水資源均衡要素受到影響，加強(qiáng)區(qū)域水鹽平衡的評(píng)價(jià)工作，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

3)中鹽度地下水灌溉安全性研究。不恰當(dāng)?shù)闹宣}度地下水灌溉會(huì)引起作物品質(zhì)和產(chǎn)量的下降，土壤積鹽抑制作物根系吸收水分，可能會(huì)給作物根系造成鹽脅迫環(huán)境，導(dǎo)致土壤鹽漬化甚至土地荒蕪。因此，研究中鹽度地下水灌溉的安全性，有利于確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

4)加強(qiáng)耐鹽作物的培育。根據(jù)土壤鹽堿化程度，種植適宜的耐鹽作物，不但達(dá)到增產(chǎn)增收，而且有利于鹽堿地開發(fā)利用。

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