微咸水灌溉与土壤水盐调控研究进展

随着淡水资源短缺的日益加剧,合理开发利用微咸水已成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。由于微咸水中含有大量盐分,用其灌溉必然增加土壤盐分,影响作物生长和土地质量。因此,采取有效措施调控土壤水盐状况成为微咸水安全利用的基础。本文较详细地回顾了微咸水灌溉条件下土壤水盐运移特征、微咸水入渗模型和水盐运移模型、微咸水灌溉方法、微咸水灌溉对作物生长的影响、土壤水盐调控方法等方面的研究进展,并结合目前研究中关注的核心问题,提出了微咸水安全利用方面需要重点研究的科学和技术问题,为进一步研究微咸水灌溉对土壤和作物生长的影响和其内在机制,以及构建合理利用微咸水灌溉模式提供参考。     

微咸水灌溉条件下的土壤水盐动态变化研究

河北衡水地区干旱缺水,淡水资源严重不足。水资源日益缺乏与粮食需求日益增多之间的矛盾尖锐。利用微咸水资源将成为缓解水资源危机的重要举措。本文在国土资源部地下水科学与工程试验基地小麦微咸水灌溉试验为基础,对试验区作物种植整个生长过程中土壤含盐量和水分状况随时间的变化研究,探讨了微咸水灌溉对小麦产量的影响。结果表明：土壤水盐动态呈受灌溉和降雨影响的短期波动和受季节更替影响的长期波动;作物产量与灌水矿化度、灌水量、土壤初始含盐量和含水量等因素相关。在缺乏淡水的情况下,可以考虑使用3g/l左右的微咸水灌溉,而且不会引起小麦产量的显著下降。     

暗管排水条件下微咸水灌溉对土壤水盐运移特征的影响

为探索高效节水控盐灌排技术,通过田间试验,以玉米为试材,研究了不同微咸水矿化度及暗管埋深对土壤水盐运移的影响。结果表明,微咸水矿化度和暗管埋深对土壤含水率和盐分均有影响,高矿化度处理灌后土壤含水率比低矿化度高,1.3m暗管埋深灌后土壤含水率要高于0.8m暗管埋深;微咸水灌后1d作物主要根系层(0~40cm)脱盐率受矿化度影响较大,矿化度越高,脱盐效果越差;灌后25d,淡水灌溉及暗管埋深0.8m、3g/L微咸水的处理土壤无积盐,其余各处理均发生积盐现象,灌溉水矿化度越大,0~80cm土层积盐越强烈,1.3m暗管埋深较0.8m埋深土壤积盐更加明显。建议同类型区种植玉米时暗管埋深为0.8m,灌溉使用微咸水矿化度不超过3g/L为宜。     

微咸水灌溉下土壤水盐动态及对作物产量的影响

华北平原农业灌溉用水非常紧缺,水资源日益缺乏与粮食需求日益增多之间的矛盾尖锐。充分利用微咸水资源是缓解这一矛盾的重要途径之一。该文以中国农业大学曲周试验站1997－2005年冬小麦和夏玉米微咸水灌溉田间长期定位试验为基础,研究了充分淡水、充分淡咸水、关键期淡水、关键期淡咸水和不灌溉等5个处理下土壤饱和电导率和含盐量的动态变化,探讨了微咸水灌溉对冬小麦和夏玉米产量的影响。结果表明：土壤水盐动态呈受灌溉和降雨影响的短期波动和受季节更替影响的长期波动;在正常降雨年份,使用微咸水进行灌溉是可行的,不会导致土壤的次生盐渍化;微咸水灌溉虽然导致冬小麦和夏玉米产量降低10%～15%,但节约淡水资源60%～75%。如果降雨量达到多年平均水平以及微咸水灌溉制度制订合理,微咸水用于冬小麦/玉米田间灌溉前景广阔。     

咸淡水交替灌溉下土壤水盐分布与玉米吸水规律研究

为探明不同矿化度微咸水和地下水在不同交替灌溉方式下对土壤水盐分布和玉米吸水规律的影响,采用3种矿化度(2. 0、3. 5、5. 0 g/L)微咸水和地下水(1. 1 g/L)在2种交替灌溉方式("地下水-微咸水"、"地下水-微咸水-微咸水")下进行了大田试验。结果表明,在同一土壤深度下,土壤含水率和电导率随着微咸水矿化度升高而升高,"地下水-微咸水-微咸水"交替灌溉方式下的含水率和电导率较高;在不同时期各处理的土壤纵向含水率均表现出先下降、后上升的规律,在拔节期和抽穗期各处理的土壤纵向电导率表现出先下降、后上升的规律,在灌浆期表现出上升、下降、再上升的规律。通过氢氧稳定同位素分析得出,不同矿化度微咸水和不同交替灌溉方式组合下,玉米在拔节期、抽穗期和灌浆期的主要吸水深度分别为:0～20 cm、20～40 cm和0～20 cm,不同时期主要吸水深度的平均贡献率随着微咸水矿化度的升高而减小,"地下水-微咸水-微咸水"交替灌溉方式的平均贡献率较低。矿化度2. 0 g/L微咸水与地下水在"地下水-微咸水"的交替灌溉方式下得到的产量最高,达到1. 54 kg/m~2。     

土壤酶活性对微咸水与再生水混合滴灌的响应与评估

为了探讨淡水资源不足地区微咸水与再生水的合理利用方式,通过盆栽试验,以当地地下水灌溉为对照(CK),研究了3种不同比例微咸水与再生水混合灌溉(再生水灌溉T1,5 g/L微咸水与再生水等量混合灌溉T2,5 g/L微咸水灌溉T3)对土壤水盐、水溶性离子离子以及土壤酶活性的影响,并利用第2代生物综合响应(IBRv2)指数法评估土壤酶活性对微咸水与再生水混合灌溉效应的响应.结果表明,(1)随着微咸水与再生水混合液中微咸水占比提升,土壤含水率和含盐量越高.(2)微咸水-再生水混合灌溉处理对土壤酶活性的影响不同,土壤碱性磷酸酶和脲酶活性较微咸水和再生水灌溉处理均有所提升,土壤蔗糖酶活性较再生水灌溉略低,但却高于微咸水灌溉.(3)基于IBRv2指数法,与CK相比较,处理T1引起的酶活性偏差最低,IBRv2值为2.12;处理T2次之,值为2.42;处理T3最高,值为2.92.处理T3中S-AKP/ALP,S-SC,S-UE活性均受到抑制;处理T2对S-AKP/ALP,S-UE活性具有诱导作用,但对S-SC略有抑制;处理T1对S-AKP/ALP,S-SC活性具有诱导作用,但对S-UE活性具有一定的抑制.因此,基于IBRv2,并综合考虑土壤酶活性指标以及再生水资源量量大、日排放量小等自身局限性,在干旱缺水地区,可以考虑用再生水与微咸水配合使用.     

灌溉水质对土壤饱和导水率和入渗特性的影响

为研究淡水与微咸水降水头入渗的差异,采用矿化度为1.0 g/L的微咸水与去离子淡水,对滨海围垦区粉砂土与南京黄棕壤土进行了一维降水头积水入渗试验。试验结果表明,采用微咸水入渗可以增大2种土壤的入渗能力,且对黄棕壤土的影响更为明显。利用Philip入渗模型对试验数据进行拟合,结果表明,模型可以较为精确地描述2种土壤的微咸水降水头入渗过程,且模型对黄棕壤土入渗过程的拟合精度更高。土壤水分与盐分再分布过程中,在粉砂土上层,微咸水灌溉对盐分的淋洗效果与淡水灌溉相近,但在土壤深层微咸水灌溉使土壤的积盐量显著高于淡水。采用淡水灌溉的黄棕壤土,土壤表层脱盐、深层积盐;采用微咸水灌溉的土柱剖面均明显积盐,且因表层土壤孔隙结构被破坏,持水能力增强,使表层土壤与深层土壤均积累了较高含量盐分。     

阿拉尔灌区微咸水滴灌对土壤水盐分布影响的试验研究

利用不同矿化度微咸水对试验地进行灌溉,同时采用滴灌的灌水方式,分析了灌溉前后土壤水盐运移及盐分离子的分布状况。研究结果表明:微咸水灌溉对含盐土壤具有淋洗作用,这一作用随着灌溉水矿化度的提高而上升,这为干旱区节水农业技术提供了依据。     

基于SWAP模型的春玉米咸水非充分灌溉模拟

为了探究石羊河流域适宜春玉米生长的咸水非充分灌溉模式,应用SWAP模型模拟不同灌溉模式下的土壤水盐平衡、春玉米相对产量和相对水分利用效率,并预测了较长时期土壤水盐动态变化规律.研究结果表明:灌溉水矿化度为0.71 g/L和3.00 g/L的春玉米最优灌溉模式为生育期内灌4次水,灌溉定额均为408 mm,2种灌溉模式均能达到节约灌溉用水、提高作物产量和水分利用效率以及减少土体盐分累积量的目的.较长时期土壤水盐动态变化规律模拟结果表明:在冬灌条件下,春玉米最优灌溉模式下的土壤水分和盐分能够在模拟期内保持相对平稳的状态;在不同年份,相同土层土壤含水率随着土层深度的增加而增大,0.71 g/L的淡水灌溉土壤盐分主要累积在40~80 cm土层,3.00 g/L的微咸水灌溉土壤盐分主要累积在10~40 cm土层;5 a的模拟结果表明0.71 g/L和3.00 g/L的水持续灌溉5 a,不会引起土壤次生盐渍化.     

微咸水灌溉对盐碱地土壤水盐分布与冬小麦产量的影响

为探求冬小麦科学合理的微咸水灌溉模式,2015-2017年在山东省沾化区开展了冬小麦微咸水灌溉试验。基于大田试验,采用淡水和矿化度为3.0 g/L的微咸水,设计了四种不同的灌溉方案(T1:80 mm淡水+80 mm淡水+80mm淡水; T2:80 mm淡水+80 mm淡水; T3:80 mm淡水+80 mm微咸水+80 mm微咸水; T4:80 mm淡水+80 mm微咸水),研究了微咸水灌溉对盐碱地土壤水盐分布与冬小麦产量的影响。结果表明:①灌三水方案的土壤含水率可达到12.5%～19.9%,而灌两水方案仅达到10.8%～13.6%,在相同水量灌溉下,T3处理可以确保生育后期适宜的土壤水分;土壤盐分最终盈亏情况为T1T3T2T4,表明除淡水灌溉外,T3处理在补充土壤水分的同时,盐分积累较少。②灌三水比灌两水增产10%～25%,T3比T1处理减产0.03%～7.82%,表明三水灌溉要优于两水灌溉,微咸水灌溉下冬小麦略有减产。③综合节水及产量两方面,冬小麦采用T3处理方式进行灌溉为该区域的较优选择。     

咸淡水交替灌溉对土壤盐分分布及夏玉米生长的影响

为了研究不同咸淡交替灌溉制度对各层土壤盐分含量、夏玉米生长的影响,采用3种矿化度(1、3、5 g/L)微咸水和3种不同生育期(壮苗期、拔节期、灌浆期)咸淡交替灌溉方式("咸淡淡"、"淡咸淡"、"淡淡咸")开展避雨盆栽试验研究。结果表明,全生育期灌溉淡水处理(CK)各层土壤盐分含量最低,随着灌溉微咸水矿化度增加,各层土壤盐分含量增大,相同矿化度下,同一深度土壤盐分含量由大到小依次为"淡淡咸"、"淡咸淡"、"咸淡淡"。3 g/L和5 g/L"淡淡咸"处理的土壤含盐量由大到小依次为下层、上层、中层,其他处理由大到小依次为下层、中层、上层。不同生育期灌溉微咸水对夏玉米的株高、叶面积及产量的抑制程度由大到小依次为拔节期、壮苗期、灌浆期,即"淡咸淡"、"咸淡淡"、"淡淡咸",抑制作用随灌溉微咸水矿化度增加而增大,5 g/L"淡咸淡"处理与CK相比减产最多,减产率为34.85%。在滨海地区进行夏玉米种植,应考虑在生育后期灌溉微咸水,同时利用非生育期淡水灌溉降低土壤次生盐碱化的风险。     

咸淡轮灌和生物炭对滨海盐渍土水盐运移特征的影响

为利用滨海地区微咸水改良盐渍土,进行了不同咸淡水轮灌(淡淡、淡咸、咸淡、咸咸)和施用生物炭(0、15、30 t/hm^2)的室内入渗试验,探讨了咸淡轮灌和生物炭施用下滨海盐渍土水盐运移过程。结果表明:滨海盐渍土水分运动主要受初始入渗水质的影响,先咸后淡的轮灌方式更有利于土壤水分入渗,入渗速率增加了8.2%~46.9%,并小幅提高了土壤含水率;生物炭可促进咸淡轮灌下的水分运移,增加了相同时间内的湿润锋距离、累计入渗量、入渗速率及入渗后的土壤含水率,添加量为15 t/hm^2时入渗增益最佳,入渗速率提高了3.5%~22.0%;淡咸和咸淡处理的土壤含盐量均低于咸咸处理,脱盐率和脱盐区深度系数更高,咸淡处理可增加脱盐率,而淡咸处理可提高脱盐区深度系数;生物炭有利于咸淡轮灌下的土壤盐分淋洗,脱盐率和脱盐区深度系数分别提高了9.1%~15.0%和1.1%~7.5%,并增加了Ca^2+和Mg^2+含量,促进Na+淋洗,进而降低了微咸水利用风险,但在30 t/hm^2时盐分淋洗效果有所减弱。研究表明,添加15 t/hm^2生物炭配合微咸水-淡水轮灌能够改善滨海盐渍土的入渗特性、持水能力和盐分分布,可为该区盐渍土和微咸水开发利用提供参考。     

灌溉水盐分和灌水量对温室气体排放与玉米生长的影响

为揭示地下水与微咸水灌溉条件下灌水量对土壤CO2、N2O排放和春玉米生长的影响,设置2种灌溉水含盐量（1.1、5.0g/L）和3种灌水量（210、255、300mm）,于2019年4—9月在内蒙古自治区河套灌区进行了春玉米田间试验。结果表明,不同灌水量下,微咸水（含盐量5.0g/L）灌溉比地下水（含盐量1.1g/L）灌溉土壤N2O累积排放量提高了19.86%~44.21%,但利用微咸水灌溉并不会影响土壤CO2累积排放量与全球增温潜势。在相同的灌溉水盐分条件下,灌水量为300mm时土壤CO2、N2O累积排放量和全球增温潜势均最大,灌水量为210mm和255mm时并不会对土壤CO2、N2O的累积排放量和全球增温潜势产生显著影响。相关性分析表明,土壤含水率和无机氮含量是影响土壤CO2、N2O排放的重要因素,灌溉水盐分通过促进土壤的硝化作用促进土壤N2O排放。在微咸水灌溉条件下,春玉米产量较地下水灌溉减少了30.88%~37.32%。随着灌水量的增大,春玉米产量呈增加趋势,但255mm和300mm灌水量条件下的春玉米产量差异不显著。在地下水与微咸水灌溉条件下,灌水量为255mm时,土壤盐分累积较小,春玉米产量较高,土壤CO2、N2O累积排放量和全球增温潜势相对较小,是灌区适宜采用的灌溉定额。     

微咸水灌溉对土壤EC值及冬小麦产量的影响

通过测坑试验,在"咸淡淡"、"淡咸淡"、"淡淡咸"3种微咸水-淡水交替灌溉方式和1、3、5 g/L三种微咸水矿化度水平条件下,监测并分析了各生育期灌水前后及生育期结束后土壤0~20、20~40、40~60 cm土层EC值,测定并分析了冬小麦产量及其构成因子。结果表明,整个生育期内,各层土壤EC值呈波动周期性变化趋势;微咸水-淡水交替灌溉方式主要影响土壤盐分的垂直分布,盐灌越靠前,盐分聚集层越深;灌水矿化度主要影响土壤总体EC值,随灌水矿化度增加,土壤总EC值变大。冬小麦产量和产量构成因子随灌水矿化度升高而呈减小的趋势,冬小麦的产量构成因子及产量在"咸淡淡"与"淡淡咸"2种轮灌方式下差异性显著,表现为"咸淡淡""淡淡咸"。     

Effect of brackish water irrigation and straw mulching on soil salinity and crop yields under monsoonal climatic conditions

Fresh water shortages are severally restricting sustainable agriculture development in the North China Plain. The scarcity of fresh water has forced farmers to use brackish water from shallow underground sources, which helps to overcome drought and increase crop yields but also increases the risk of soil salinization. To identify safe and effective ways of using brackish water in this region, field experiments were conducted to evaluate the effect of brackish water irrigation and straw mulching on soil salinity and crop yield in a winter wheat-summer maize double cropping system. The experiment was in a split-plot design. Six rates of straw mulching (0, 4.5, 6.0, 7.5, 15.0 and 30.0 Mg/ha) were assigned to the main plots and two irrigation water qualities (i.e. brackish water with salt content of 3.0-5.0 g/L and fresh water with only 1.27 g salt/L) were applied to subplots. The brackish water irrigation significantly increased the salt content at different soil depths in the upper 1 m soil layer during the two growing seasons. Straw mulching affected the vertical distribution of salt in the brackish water irrigation plots and the average salt content of straw mulch treatments (4.5, 6.0, 7.5, 15.0 and 30.0 Mg/ha) within the 0-20, 20-40 and 0-100 cm soil depths was 10.2, 14.0 and 1.8% lower than that without straw mulch (A₀). No salt accumulation occurred to a depth of 1 m in the brackish water irrigation plots and there was no correlation between the value of SAS (salt accumulated in 1 m of soil) and straw mulch rate. In 2000 and 2001, the salt content within the 0-40 cm soil layer in brackish water irrigation plots increased due to high evaporation rates during April-June, and then decreased up to September as salts were leached by rain. For the fresh water irrigation plots, the salt content remained relatively stable. Straw mulching affected the salt content in the 0-40 cm soil layer in brackish water irrigation plots in different periods of 2000 and 2001, but no correlation between salt content and straw mulch rates was observed except in September of 2000. Unlike for wheat, the yield of maize increased as the straw mulch rate increased according to the equation, y = 0.1589x + 5.3432 (R² = 0.6506). Our results would be helpful in adopting brackish water irrigation and straw mulching in ways that enhance crop yields and reduce the risk of soil salinization. However, long-term effects of brackish water irrigation and straw mulching on soil salinity and crop yield need to be further evaluated for sustainability of the system.     

微咸水灌溉改良盐碱地的可行性研究

针对水资源短缺和盐碱地不断恶化等问题，微咸水灌溉农作物在理论上受到大量关注，在实践上也有良好效果，但鲜有微咸水投入改良盐碱地的理论实践，缺少一定的理论指导。对目前国内外微咸水灌溉开发和利用研究进展进行综述，总结微咸水灌溉技术的实践情况，阐明微咸水灌溉对作物、环境和土壤水盐运动的影响，详细论述微咸水灌溉提升作物产量和改良盐碱地的成果，分析其灌溉改良盐碱地的可行性，并提出微咸水灌溉改良盐碱地的研究方向和实践操作。      

新疆干旱区膜下滴灌土壤水平衡模拟

膜下滴灌技术是干旱农业区高效节水灌溉的重要手段,以玛纳斯河流域石河子试验站实测数据为基础,运用HYDRUS-2D模型对1膜4行方式下新疆棉田的土壤水运动进行了二维模拟,探讨膜下滴灌在1膜4行覆膜方式下土壤水平衡状况。结果表明,1膜4行覆膜方式下的膜下滴灌技术使新疆棉田无效水分蒸发量以及深层渗漏量大大减少,数值模拟方法可较好地模拟新疆棉田的土壤水平衡状态。上述研究可为宏观尺度上的膜下滴灌模拟与研究提供借鉴,同时对保障干旱区农业生产也有积极作用。     

微咸水造墒对棉花生长发育及产量的影响研究

采用小区对比试验方法,研究了河北低平原区旱地等雨播种（HD）、播前淡水造墒（S1）以及矿化度为2.2g/L（S2.2）和5g/L（S5）微咸水造墒等不同处理对棉花生长发育和产量的影响。结果表明,棉花生育期内HD处理0～100cm土壤含水率明显低于3种造墒处理;S5处理0～40cm土壤盐分含量最高,但降雨淋洗效果较为显著...