高會 ,趙亮 ,劉斌 ,付同剛 ,劉金銅**

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022;2.中國科學院大學 北京 100049;3.山東省大數據局規(guī)劃發(fā)展處 濟南 250011)

全球水資源的70%用于農業(yè)生產,未來隨著工業(yè)發(fā)展和城市化,農業(yè)可供水量逐漸減少[1]。中國農業(yè)灌溉用水需求量巨大,水資源供需矛盾日益突出[2]。環(huán)渤海低平原是我國水資源極為短缺地區(qū)之一,人均和單位耕地面積占有水資源都遠低于全國平均值,糧食生產長期依靠抽取深層地下水來實現[3]。河北濱海地區(qū)由于長期超采地下水,致使地下水降落漏斗面積不斷擴大,引發(fā)了一系列環(huán)境地質問題[4]。2014 年水利部《關于推進河北省地下水超采綜合治理試點的意見》中建議,深層承壓水除了滿足人民群眾基本生活需水外,應全部停止開采,滄州市是治理試點之一。河北濱海鹽堿地因近10 年來采取的地下水壓采限采措施而幾乎無灌溉條件,冬小麥(Triticum aestivum)基本是雨養(yǎng)條件種植,因缺水造成嚴重減產甚至絕收。該地區(qū)具有豐富的可更新淺層微/咸水資源,將微/咸水資源安全利用于農業(yè)灌溉,可緩解該地區(qū)農業(yè)用水危機,有利于該地區(qū)灌溉農業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展。

國內外利用咸水和微咸水進行農田灌溉已有研究。曹彩云等[5]研究發(fā)現,相對于淡水灌溉處理,2 g?L?1、4 g?L?1和6 g?L?1咸水灌溉下小麥產量分別下降 12.1%、36.4%及64.5%。蘇寒等[6]研究表明小麥產量隨咸水質量濃度的增加而下降,3 g?L?1咸水灌溉下冬小麥的減產率均在10%以下,7 g?L?1咸水灌溉下小麥的減產率在 50%以上,3～5 g?L?1為小麥咸水灌溉的質量濃度閾值。微/咸水灌溉不僅對冬小麥當年產量有影響,使用不當會造成土壤持續(xù)積鹽,造成后續(xù)年份作物減產。吳忠東等[7]認為冬小麥灌溉3 g?L?1咸水比旱作增產幅度非常明顯,但連續(xù)利用咸水灌溉,造成土壤表層鹽分的累積,尤其在降水量偏少的年度會使后續(xù)作物受到鹽分脅迫,冬小麥有可能出現減產。楊莉琳等[8]通過試驗證明濱海重鹽堿檉柳(Tamarix chinensis)地第1 次直接灌溉礦化度為8.02～9.34 g?L?1咸水,0～30 cm 土壤鹽分顯著下降,但連續(xù) 3 年灌溉咸水檉柳地0～30 cm 土層鹽分平均上升 11.9%～33.6%,土壤次生鹽漬化的風險明顯增加,后續(xù)可能會危害檉柳的生長。相比淡水灌溉,微咸水灌溉將鹽分帶入土壤中,當土壤中的鹽分達到一定程度后,會影響土壤環(huán)境和作物的正常生長[9-10]。因此,調控土壤水鹽分布是合理利用微/咸水農業(yè)灌溉的關鍵,尤其是對鹽堿地的微/咸水農業(yè)灌溉。水文地質學上把礦化度<1 g?L?1的水劃分為淡水,礦化度1～3 g?L?1的水劃分為微咸水,礦化度3～10 g?L?1的水劃分為咸水[11]。目前,咸水灌溉的礦化度基本<6 g?L?1[12],本研究將3～6 g?L?1的咸水定義為輕度咸水,6～10 g?L?1的咸水定義為咸水。

咸水灌溉必然造成土壤鹽分積累[13-14],若無及時的鹽分淋洗,長期鹽分積累會造成土壤鹽漬化。咸水灌溉安全利用的前提必須做好土壤水鹽調控,避免引起土壤鹽漬化,或者造成土壤鹽漬化加重。因此咸水農業(yè)灌溉利用研究在分析咸水灌溉對農作物影響的同時,咸水灌溉后如何改善土壤鹽漬化也需要研究。鹽堿地改良措施主要有物理改良、化學改良、水利工程措施以及生物改良[15]。暗管排水排鹽(水利工程措施)在濱海高水位鹽堿地治理措施中應用最廣泛[16-17]。劉慧濤等[18]通過試驗證明,在雨季關鍵時間點進行暗管排水可有效降低高水位地區(qū)的土壤鹽分。于淑會等[19]研究表明基于暗管排水工程的高水位鹽堿地在冬小麥拔節(jié)?抽穗期不同礦化度咸水灌溉對冬小麥都有增產效果,冬小麥收獲后通過雨季暗管淋洗排鹽,可以消除周年內咸水灌溉所積累的鹽分帶來的次生鹽漬化危害。因此,暗管排水排鹽工程能夠使高水位鹽堿地咸水灌溉給土壤帶來的鹽分及時排出,而不造成土壤鹽漬化加重。

本文以河北濱海鹽堿地為研究對象,針對地下水壓采限采政策造成的灌溉水量虧缺問題,選擇滄州市南大港產業(yè)園區(qū)馬營村為試驗基地,以保產增產和咸水灌溉不積累鹽分的生態(tài)安全為目的,開展基于暗管排水排鹽工程的淺層輕度咸水冬小麥生長關鍵期農田灌溉研究?；诖?以河北濱海滄州市為例,分析淺層輕度咸水資源冬小麥灌溉的安全利用前景。研究結果可為河北濱海區(qū)輕度咸水資源安全利用、土壤健康和糧食安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滄州市位于河北省濱海區(qū)域,東臨渤海(115°42′～117°50′E、37°29′～38°57′N)。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候,雨熱同期。年均氣溫12.5 ℃,雨季集中在7?9 月,年均降雨量為581 mm。滄州市主要糧食作物為小麥和玉米(Zea mays),經濟作物主要有油料作物、棉花(Gossypumspp.)以及蔬菜等。該區(qū)地下淺層咸水資源豐富,地下咸水礦化度一般為1～5 g?L?1,沿海地區(qū)>5 g?L?1,埋深較淺,大部分區(qū)域埋深<10 m。該區(qū)域分布大量的鹽堿地,土壤鹽漬化程度高。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 政府統(tǒng)計年鑒或公報

滄州市冬小麥和玉米播種面積數據來源于滄州統(tǒng)計年鑒,河北省耕地有效灌溉面積數據來源于河北統(tǒng)計年鑒,河北省農業(yè)用水量以及河北省主要供水源數據來源于河北省水資源公報。滄州市淺層地下水埋深數據來源于河北省水資源公報。

1.2.2 研究數據處理

1)滄州市淺層地下水資源評估。由滄州市淺層地下水礦化度數據[20],結合淺層地下水埋深數據,利用ArcGIS 軟件進行矢量化,得到滄州市淺層地下水不同礦化度的水資源空間分布圖。

2)滄州市冬小麥灌溉缺水量估算。根據河北省2014?2020 年耕地平均有效灌溉面積和年均農田用水量,估算得到河北省每公頃農田用水量為2581 m3。假設農田用水量僅用于冬小麥灌溉,利用河北省每公頃農田用水量數據,根據滄州市冬小麥的年均種植面積(373 928 hm2),估算出冬小麥灌溉用水量為9.65×108m3。冬小麥從穩(wěn)產且增效的角度看,灌溉定額為200～250 mm 限水灌溉方案表現最佳[21],那么冬小麥至少需要灌溉量為11.2×108m3,最多需要灌溉量為14.0×108m3,理論上滄州市冬小麥灌溉缺水量至少為1.7×108m3,最多為4.5×108m3。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗地基本情況

試驗區(qū)在南大港產業(yè)園區(qū)馬營村的試驗基地,位于河北濱海滄州市東部,面積約為5000 m2。淺層輕度咸水資源冬小麥灌溉,必然帶來鹽分積累,進而造成冬小麥生產的農業(yè)生態(tài)安全與環(huán)境問題,因此鹽分積累必須消除。實踐證明,暗管排水排鹽技術是地下水淺埋深地區(qū)的根本措施。因此,試驗區(qū)埋設有暗管排水排鹽系統(tǒng)。暗管排水排鹽工程于2016年5 月施工完成,滲水管采用直徑10 cm 的帶孔波紋管,外包15 cm 砂石濾料,坡降比0.2%,滲水管南北向鋪設,北高南低,暗管埋深為1.4 m,間距10 m,暗管排水排鹽通過坡降比自流入南邊排水溝,最終通過揚水站排入渤海。

1.3.2 輕度咸水冬小麥農田灌溉試驗

淡水灌溉水源取自試驗區(qū)附近村莊的坑塘水,淡水資源的礦化度約1 g?L?1。

咸水資源考慮到便于技術的推廣應用,充分利用本地資源,就地取材,直接取自試驗區(qū)的淺層地下咸水。經測定,本試驗區(qū)淺層咸水資源礦化度約6 g?L?1,屬于輕度咸水。輕度咸水比咸水更能減少灌溉所帶來的鹽分積累,利于生態(tài)安全[22]。

試驗于2016?2018 年間冬小麥兩個生長季進行,供試冬小麥品種為‘小偃60’?？紤]到多次灌溉會造成較多鹽分積累的可能危害,輕度咸水冬小麥灌溉只在需水最關鍵的拔節(jié)?抽穗期進行1 次。試驗為單因素隨機區(qū)組試驗設計,即不灌溉(NI)、淡水灌溉(FI)和輕度咸水灌溉(SI) 3 個處理,每個處理設3次重復,共計9 個小區(qū),每個小區(qū)面積為4 m×4 m,隨機分布在試驗基地內,灌水方式為大水漫灌,每個小區(qū)灌水量為0.96 m3,相當于600 m3?hm?2的傳統(tǒng)農田灌溉水量。

產量測定。冬小麥收獲時,各小區(qū)選取長勢均勻、面積為1 m2的小區(qū)進行測產。

為了研究暗管埋設下,輕度咸水灌溉處理是否引起周年內土壤積鹽,以及雨季暗管淋洗鹽分的效果,暗管埋設雨季后(2016 年10 月9 日)、第1 年輕度咸水灌溉處理雨季后(2017 年10 月8 日)、第2 年輕度咸水灌溉處理雨季后(2018 年10 月9 日)利用田間網格方法對試驗基地取樣,取土深度為45 cm,分3 層取樣,分別為0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm,所取土樣帶回實驗室測定土壤含鹽量。取3 層土樣的平均值作為取樣點的鹽分含量,利用ArcMap 10.2軟件中地統(tǒng)計學模塊的普通克里格插值方法得到試驗基地鹽分空間分布。

以上數據利用IBM SPSS 25.0 軟件對數據進行統(tǒng)計分析,利用Microsoft Excel 2016 作圖。

2 結果與分析

2.1 冬小麥淺層輕度咸水灌溉的作物增產效應

在埋設有暗管排水排鹽系統(tǒng)的試驗基地進行冬小麥輕度咸水灌溉試驗表明:2017 年不灌溉處理的冬小麥產量顯著低于灌溉處理的冬小麥產量,產量僅為淡水灌溉和輕度咸水灌溉處理的60.08%和65.33%,淡水灌溉和輕度咸水灌溉之間無顯著性差異。2018 年冬小麥淡水灌溉和輕度咸水灌溉的產量分別是不灌溉處理的1.91 倍和1.65 倍(圖1)。不灌溉處理的冬小麥產量顯著低于灌溉處理的冬小麥產量,淡水和輕度咸水灌溉處理之間無顯著性差異。

圖1 2017 年和2018 年輕度咸水灌溉對冬小麥產量的影響Fig.1 Effects of mild saline water irrigation on winter wheat yield in 2017 and 2018

綜上所述,河北濱海區(qū)在冬小麥拔節(jié)?抽穗期進行一次600 m3?hm?2淺層輕度咸水灌溉可以保證冬小麥產量,2017 年輕度咸水灌溉冬小麥產量是不灌溉的1.53 倍,2018 年輕度咸水灌溉冬小麥產量是不灌溉的1.65 倍,增產效果明顯。

2.2 冬小麥淺層輕度咸水灌溉的土壤安全效應

從土壤鹽分空間分布來看,試驗地2017 年的冬小麥輕度咸水灌溉后,經過雨季淋洗,2017 年10 月95%面積的土壤鹽分含量較2016 年10 月呈明顯降低的趨勢,只有東北部分區(qū)域有略微增加的趨勢。2018 年經過第2 年的冬小麥輕度咸水灌溉后,90%面積的土壤鹽分含量降低(圖2)。從土壤含鹽量的平均值來看,暗管埋設后(2016 年10 月)、第1 年輕度咸水灌溉后(2017 年10 月)和第2 年輕度咸水灌溉后(2018 年10 月)試驗地土壤平均含鹽量分別為2.86 g?kg?1、1.60 g?kg?1和1.38 g?kg?1,呈逐年降低的趨勢。

圖2 2016—2018 年暗管排鹽下淺層輕度咸水灌溉試驗區(qū)土壤鹽分時空變化分布圖Fig.2 Spatial and temporal distribution of soil salt content changes under mild saline groundwater irrigation of the experimental area with subsurface drainage system

根據“鹽隨水來,鹽隨水走”原理,淺層輕度咸水資源冬小麥灌溉會給土壤帶來鹽分,造成土壤生態(tài)安全問題。要解決土壤鹽分積累這個生態(tài)安全問題,鹽堿地改良措施必不可少。暗管排水排鹽技術是最適合河北濱海高水位鹽堿地改良的措施[17]。河北濱海區(qū)缺少淡水資源進行鹽分淋洗,只能依靠雨季雨水進行鹽分淋洗。暗管埋設下輕度咸水灌溉的土壤鹽分變化分析表明,利用淺層輕度咸水灌溉在增產的前提下,土壤不發(fā)生積鹽的條件包括以下2 個方面:一是需要暗管排水排鹽這項措施輔助鹽分淋洗。二是降雨量要滿足淋洗需求。試驗區(qū)2017 年和2018 年的雨季(6?9 月)降雨量分別為451.8 mm 和468.6 mm (圖3),從上述分析的兩年鹽分淋洗結果看,這兩年的降雨量能滿足鹽分淋洗的要求。馬鳳嬌等[23]分析了河北濱海鹽堿區(qū)1961?2005 年多年平均降雨量,降水主要集中在6?9 月,多年總量平均值為454.1 mm,由此可見,降雨量達到多年平均降雨量就能夠滿足淋洗水量要求。

圖3 2017 年和2018 年研究區(qū)雨季降雨量Fig.3 Rainy season rainfall in the study area in 2017 and 2018

綜上所述,基于暗管排水排鹽工程、雨季達到多年平均降雨量條件下,輕度咸水冬小麥農田灌溉不會造成土壤耕層鹽分積累,且土壤鹽漬化程度逐年減輕,從土壤方面,實現了輕度咸水資源的農田灌溉安全利用。

2.3 淺層輕度咸水資源冬小麥灌溉的安全利用前景

2.3.1 河北濱海區(qū)滄州市微/咸水資源利用潛力大

河北濱海區(qū)滄州市淺層地下水資源很豐富,除滄州西部極少地區(qū)淺層地下水埋深大于10 m,其余淺層地下水埋深都小于10 m。淺層地下水基本是微咸水和咸水,僅靠近濱海的區(qū)域礦化度>5 g?L?1(圖4)。淺層水埋深小于5 m 的含水層厚度約7 m,5～10 m 的含水層厚度約3 m[20],>10 m 的淺層地下水由于灌溉利用條件限制,本研究不考慮。根據淺層地下水埋深、礦化度空間分布,結合其含水層厚度評估,滄州市淺層地下水總計623.33×108m3,其中淡水資源2.89×108m3,1～5 g?L?1的微/輕度咸水資源455.68×108m3(1～2 g?L?1的微咸水27.83×108m3,2～3 g?L?1的微咸水337.47×108m3,3～5 g?L?1的輕度咸水90.38×108m3),>5 g?L?1的輕度咸水/咸水164.76×108m3。

圖4 滄州市淺層地下水埋深及礦化度空間分布Fig.4 Spatial distribution of shallow groundwater depth and salinity in Cangzhou City

河北省2014?2020 年的年總用水量平均為184.07×108m3,供水源主要來源于地下水和地表水,地下水和地表水供水占比在90%以上。其他水源供水占比很少,在其他水源中微咸水平均供水量僅有0.88×108m3(圖5)。綜上所述,河北濱海淺層微/咸水資源利用率極低,具有很大的開發(fā)利用潛力。

圖5 2014?2020 年河北省微咸水資源供水量Fig.5 Quantity of brackish water resources in Hebei Province from 2014 to 2020

2.3.2 輕度咸水灌溉資源適度滿足冬小麥灌溉用水虧缺

滄州市保持現有冬小麥播種面積不變的情況下,從微/咸水資源量的角度來看,微/輕度咸水能夠完全彌補冬小麥灌溉的虧缺水量(保證冬小麥穩(wěn)產且增效至少還虧缺1.7×108m3,最多虧缺4.5×108m3)?？紤]到淺層微/咸水利用的方便以及實際可取性,咸水灌溉只能就地取用,結合淺層地下水礦化度空間分布(圖4),在滄州東部有部分地區(qū)淺層地下水礦化度>6 g?L?1,根據本研究的輕度咸水灌溉試驗結果,該部分地區(qū)還不能夠利用輕度咸水資源滿足冬小麥灌溉用水虧缺。

2.3.3 輕度咸水安全灌溉為耕作制度帶來改變

2014?2020 年滄州市冬小麥播種面積小于玉米播種面積,除2018 年外,兩者差距處于逐年增加趨勢(圖6)。農田灌溉資源有限,再加上近年來河北省地下水漏斗區(qū)實行休耕政策,玉米生長期處于雨季,基本不需要灌溉,而冬小麥沒有灌溉條件就無法種植。按照試驗結果,冬小麥保產情況下,利用600 m3?hm?2淺層地下咸水資源可使一年一熟春玉米的種植模式變成一年兩熟冬小麥-夏玉米種植模式。由圖6 可知,2014?2020 年滄州市冬小麥年均播種面積373 928 hm2,按一年兩熟種植模式,夏玉米播種面積也是373 928 hm2,而2014?2020 年玉米年均播種面積是505 003 hm2,由此可知春玉米播種面積為131 075 hm2,因此,將春播玉米替換成夏播玉米后,一年一熟春玉米的種植模式變成一年兩熟冬小麥-夏玉米種植模式,冬小麥的播種面積至少增加約131 000 hm2。

圖6 2014?2020 年滄州市冬小麥和玉米的播種面積Fig.6 Sown areas of winter wheat and maize in Cangzhou City from 2014 to 2020

綜上所述滄州市區(qū)域1～5 g?L?1的淺層微/輕度咸水資源豐富,可以滿足冬小麥農田因地下水壓采限采造成的至少1.7×108m3灌溉水量虧缺?；诎倒芘披}技術的淺層輕度咸水農田灌溉安全利用技術,可使滄州市區(qū)域部分耕地擴大一年兩熟種植面積,增加冬小麥種植面積131 000 hm2。

3 討論與結論

3.1 討論

河北濱海鹽堿地在冬小麥拔節(jié)?抽穗期進行輕度咸水灌溉能夠增加冬小麥產量。陳素英等[24]在中國科學院南皮生態(tài)試驗站的試驗表明,除在越冬期進行一次淡水灌溉外,利用4 g?L?1的咸水在冬小麥拔節(jié)期進行咸水灌溉1 次比不灌溉處理產量增加22.1%。這與本研究結果一致?；诎倒芘潘披}工程,河北濱海鹽堿地在冬小麥拔節(jié)?抽穗期進行咸水灌溉后,經過雨季淋洗,咸水灌溉不會造成土壤耕層鹽分積累,連續(xù)兩年的咸水灌溉后土壤鹽漬化程度逐年減輕。于淑會等[19]研究也表明,在冬小麥拔節(jié)?抽穗期不同礦化度咸水灌溉后通過雨季暗管淋洗排鹽,高水位鹽堿地可以消除周年內咸水灌溉所積累的鹽分帶來的次生鹽漬化危害。而王海霞等[25]在沒有暗管排水排鹽條件下進行3 g?L?1的微咸水灌溉,經過雨季淋洗后仍然存在鹽分增加現象。因此,暗管排水排鹽工程是河北濱海淺層咸水冬小麥灌溉達到增產且土壤不積鹽的生態(tài)安全利用的必要措施。

河北濱海淺層輕度咸水資源冬小麥灌溉的安全利用能夠提高淺層咸水資源的利用率。河北省近年來微咸水平均供水量僅有0.88×108m3,滄州市微咸水平均供水量小于0.88×108m3,滄州市1～5 g·L?1的淺層微/咸水資源有455.68×108m3,由此可知其利用率極低。目前,淺層咸水資源開發(fā)利用方式主要有直接利用和淡化處理,直接利用淺層咸水的有農業(yè)灌溉、林草地灌溉及滿足生態(tài)用水等,一般利用礦化度在1.5～5 g·L?1的微咸水和咸水[26]。淺層咸水農業(yè)灌溉研究較多[5-6,27],農田用水量在總用水量中占比最大,因此,淺層咸水農業(yè)利用可極大提高淺層地下咸水的利用率。從穩(wěn)產且增效的角度看,滄州市僅冬小麥灌溉需水量至少為11.2×108m3,只考慮冬小麥需水量,滄州市灌溉需水虧缺至少為1.7×108m3,實際上滄州市灌溉需水虧缺量要遠遠大于該數值。因為滄州市總耕地面積為784 968 hm2,冬小麥平均種植面積為373 928 hm2,占耕地面積一半,其余耕地種植的谷子(Setaria italica)、高粱(Sorghum bicolor)、大豆(Glycine max)等糧食作物以及蔬菜等也需要灌溉,在本研究中沒有涉及其灌溉虧缺量。

河北濱海淺層輕度咸水冬小麥灌溉利用具有可觀的利用前景。在耕地資源方面,冬小麥輕度咸水灌溉可使滄州市一年一熟春玉米的種植模式變成一年兩熟冬小麥-夏玉米種植模式,冬小麥播種面積至少增加131 000 hm2。在水資源利用方面,如果將現行的冬小麥拔節(jié)?抽穗期的灌溉用水(淡水)替換成微咸水/輕度咸水,按照本試驗所設需水量和冬小麥播種面積,滄州市能節(jié)約農業(yè)用水量2.24×108m3。在氣候災害方面,冬小麥輕度咸水灌溉不僅可節(jié)約淡水和增加灌溉用水量,也為淺層地下蓄水層創(chuàng)造了空間,為雨季創(chuàng)造了蓄水空間,減少澇害。

3.2 結論

基于暗管排水排鹽工程,河北濱海在冬小麥拔節(jié)?抽穗期進行1 次600 m3?hm?2的淺層輕度咸水(6 g?L?1)灌溉,冬小麥增產效果明顯。在雨季保持多年平均降雨量條件下,冬小麥農田輕度咸水灌溉不會造成土壤耕層鹽分積累,且土壤鹽漬化程度逐年減輕。作物增產且土壤不積鹽的試驗結果為實現淺層輕度咸水資源的生態(tài)安全利用提供了參考。淺層輕度咸水資源的安全利用不僅能緩解河北濱海區(qū)灌溉水資源短缺的危機,還可擴大一年兩熟模式的種植面積。