咸水结冰灌溉改良盐碱地的研究进展及展望

冬季咸水结冰灌溉技术是滨海区高矿化度咸水利用和盐碱地改良的有效手段,该项技术依据咸水结冰融化过程中咸淡水分离的基本原理,基于区域气候特点、土壤水盐运移规律以及作物生长发育规律,在冬季抽提当地高矿化度地下咸水对盐碱地进行灌溉,并在冬季低温作用下迅速冻结成咸水冰,春季咸水冰层融化过程中,咸淡水分离入渗,其中先融化的高矿度咸水先入渗,而后融化出的低矿化度微咸水和淡水的入渗对土壤盐分具有较好的淋洗作用,以上过程实现了春季土壤返盐期的土壤脱盐,结合春季地表覆盖抑盐措施和夏季降雨淋盐,土壤的低盐条件得到保持,保证了作物和植物整个生长期的正常生长。该项技术改变了滨海盐碱区土壤水盐运移特征,使春季土壤积盐期变为脱盐期,咸水结冰灌溉后,春季耕层土壤盐分由最初的12g×kg~(-1)迅速降低至4 g×kg~(-1)以下,脱盐率达到66%以上,实现了棉花、油葵、甜菜等作物在滨海重盐碱地中的种植,提高了柽柳、枸杞、白蜡等盐生植物和耐盐植物的扦插移栽成活率,咸水结冰灌溉当年便获得了籽棉产量3 t×hm~(-2)、油葵1.5 t×hm~(-2)、甜菜60 t×hm~(-2),以及90%以上的盐生植物和耐盐植物的扦插成活率,促进了滨海盐碱区盐碱地的开发、农业发展和生态环境建设。近年来,通过系统的研究,我们探明了咸水结冰灌溉过程中咸水冻融咸淡水分离规律,明确了咸水结冰灌溉对土壤盐分的淋洗效果,构建了冬季咸水结冰灌溉改良盐碱地技术体系,确立了冬季咸水结冰灌溉的灌溉时间、灌溉水量和水质等指标体系。本文在以上研究基础上,对盐碱地咸水利用的研究进展进行了总结,并对咸水结冰灌溉基本原理、影响因素以及土壤盐分淋洗效果等方面进行了概述,系统分析了冬季咸水结冰灌溉在盐碱地区农业生产、植被恢复以及咸水利用等方面的作用,并就其未来发展趋势进行了展望。     

不同矿化度咸水结冰灌溉对重度盐碱地土壤水分入渗和盐分运移的影响

为探究不同矿化度咸水结冰灌溉对重度盐碱地土壤水分入渗和盐分运移的影响。采用室内有机玻璃土柱模拟试验,设置3个梯度灌水水质(蒸馏水、3 g/L微咸水、10 g/L咸水)和2种灌溉方式(结冰灌溉、直接灌溉)的6种不同处理,对土壤的水分入渗特性及脱盐效果进行对比分析研究。结果表明:(1)3个梯度灌水水质下,结冰灌溉方式的土壤初始入渗速率分别是直接灌溉方式的8.2,4.6,5.8倍。结冰灌溉方式下,灌溉水矿化度越高,土壤入渗速率越快;(2)Kostiakov模型适合拟合不同矿化度咸水结冰灌溉方式下的土壤水分入渗过程,Horton模型适合拟合不同矿化度咸水直接灌溉方式下的土壤水分入渗过程;(3)3个梯度灌水水质下,直接灌溉方式0—60 cm土层土壤含水率较结冰灌溉方式分别提高1.4%～6.3%,1.6%～3.6%,0.9%～7.6%;(4)各处理下0—30 cm土层土壤脱盐效果较为显著,盐分不断向土层60 cm处迁移,各处理土壤脱盐率逐渐降低。0—30 cm土层处,淡水直接灌溉方式下土壤脱盐率最大(93%～97%),3 g/L微咸水结冰灌溉的脱盐率次之(87%～91%)。50—60 cm土层处,淡水结冰灌溉方式下土壤脱盐率最高(13.3%),其次为3 g/L微咸水结冰灌溉方式(9.1%)。综合考虑,3 g/L微咸水结冰灌溉能够提高土壤水分入渗速率,有效降低0—60 cm土层的土壤盐分含量。     

咸水结冰融水入渗对土壤水盐运移和玉米苗期生长的影响

依据咸水冰盐水融离原理,利用土柱模拟试验,设置4个灌溉方式,分别为对照处理(淡水)、咸水灌溉、咸水结冰灌溉和咸水结冰灌溉+秸秆覆盖,研究咸水结冰灌溉条件下土壤水盐的独特运移机制。结果表明,与淡水灌溉相比,咸水灌溉处理表层0~40 cm土壤水分含量偏低,而深层土含水量则较高;咸水结冰灌溉下这一规律更为明显。但配合秸秆覆盖措施能在一定程度提高咸水结冰灌溉后各土层土壤含水量。咸水直接浇灌使各土层土壤盐度EC1:5偏高,盐分累积量增大,且盐分具有明显表层聚集特性,表层0~40 cm盐分累积量占0~80 cm土体的62.2%;而咸水结冰后灌溉则显著降低表层0~40 cm土层的盐分累积,仅占18.6%;咸水结冰后灌溉配合秸秆覆盖则进一步促进表层的脱盐率提高,特别在0~10 cm土层,土壤盐度仅为0.15 dS·m -1,盐分累积67.8 g·m-2,与淡水处理间差异未达显著水平(P>0.05)。咸水结冰灌溉配合秸秆覆盖可促进表层土壤的脱盐,使土壤根系分布密集层保持较低盐分水平,缓解或消除盐分对作物生长的危害,使玉米的生长状况达到淡水灌溉处理的效果。     

冬季咸水结冰灌溉下滨海重盐碱地土壤水盐动态及对棉花出苗和产量的影响

在河北省滨海区,连续3年对当地的盐碱地进行了冬季咸水结冰灌溉,并对土壤的耕层水盐动态、棉花出苗和产量以及植株的盐离子状况进行了观测。结果表明:利用矿化度为8.15~14.27 g.L 1、灌水量为180mm的地下咸水,对滨海盐碱地进行冬季结冰灌溉,后期结合地膜覆盖可显著降低土壤盐分含量和提高土壤含水量。咸水结冰灌溉处理2009—2011年棉花播种期土壤盐分含量分别为0.32%、0.29%和0.17%,土壤含水量分别为26.2%、25.0%和24.2%,保证了棉花正常出苗,3年的棉花出苗率均达到85%以上。结冰灌溉年限越长越有利于土壤盐分的淋洗。苗期棉花根、茎和叶片Na+含量比对照降低57.6%~64.5%,而相应的K+和Ca2+含量显著高于对照(不灌溉不覆膜处理)棉苗,避免了对苗期棉花的单盐伤害。随着当地雨季的来临,棉田耕层土壤可实现周年脱盐,保证了棉花的正常生长,籽棉产量达到2 643.8~3 607.7 kg.hm 2,并且3年的产量呈逐年上升趋势,实现了滨海重盐碱区水土资源的高效利用和棉花丰产。     

咸水结冰灌溉结合改良剂对滨海盐土的改良作用

冬季咸水结冰灌溉是将冬季自然冷资源与滨海盐碱地区丰富的咸水资源相结合, 通过自然结冰使咸淡分离, 再利用结冰融化时咸水先流出淡水后流出会对土壤起到一定的洗盐作用的原理, 对盐碱地进行改良。本文通过大田试验, 研究了冬季咸水结冰灌溉及改良剂对天津滨海盐碱地水盐运移的影响。结果表明, 通过咸水结冰灌溉能降低根层土壤含盐量, 且灌溉水量与土壤含水量呈正相关。冬季咸水结冰灌溉初期可能会引起土壤碱化, 但随着冰层融化及时间的推移, 各处理的碱化趋势会逐渐消弱。在滨海盐土施用磷石膏能够降低HCO₃^-含量, 增加SO₄^2-、Ca²⁺含量, 有效降低Cl^-、Na⁺在总盐分中的比例, 且磷石膏施用量越大, 根层土壤的pH 越低、保水能力越强(7 500 kg·hm^-2 磷石膏>4 500 kg·hm^-2 磷石膏); 施用磷石膏和大水量的咸水结冰灌溉都能很好地促进柽柳生长,且咸水冬季结冰灌溉和施用磷石膏配合(1 350 m³·hm^-2 结冰灌溉+7 500 kg·hm^-2 磷石膏)效果最好。因此, 咸水结冰灌溉配合改良剂应用可有效改良滨海盐土, 改善因咸水结冰灌溉而带来的土壤碱化问题, 为早期植物萌发生长提供有利条件。     

咸水结冰灌溉与覆膜对滨海盐土水盐动态的影响

通过大田试验,研究了冬季咸水结冰灌溉及覆膜对天津滨海盐碱地水盐运移的影响,以期揭示从结冰融化到雨季之前植物萌发生长关键时期的水盐变化。结果表明,咸水结冰灌溉能降低根层土壤含盐量,增加土壤含水量,且灌溉水量越大效果越明显,但春季大风干燥天气,使土壤水分快速蒸发,土壤表层迅速积盐,5月份之后不同处理间差异已经不显著;覆膜能够有效抑制水分蒸发和表层盐分的累积,T4和T5含水量分别比CK和T2高出10.04%和16.51%,表层电导率分别低38.63%和36.82%(4月7日);同时,结冰灌溉和覆膜也提高了土壤pH值,且与对照之间差异达到显著水平。因此,结冰灌溉配合覆膜可以有效降低水分损失,维持土壤低盐水平,为早期植物萌发生长提供有利条件,但同时也应注意因此而带来的土壤碱化问题。     

灌溉水盐分及灌水量对土壤水盐分布与春玉米生长的影响

在大田试验的基础上探明灌溉水盐分以及灌水量对土壤水盐分布的影响规律以及对春玉米生长的影响。以河套灌区春玉米为研究对象,设置2种灌溉水含盐量（1.1,5.0 g/L）与3种灌水量（210,255,300 mm）进行大田试验。结果表明,至成熟期,5.0 g/L微咸水灌溉处理0—100 cm土层土壤平均含水量及电导率相比1.1 g/L地下水灌溉处理显著增加;地下水灌溉处理中,随着灌水量的增加,生育期内土壤平均含水量下降趋势减小,土壤盐分淋洗作用更加明显;微咸水灌溉处理中,剖面土壤在灌水量少时出现盐分表聚现象,随着灌水量的增加,表层土壤盐分呈下降趋势,深层土壤由于盐分的积累呈增加趋势;在灌水后表层的土壤含水量变化明显且出现返盐现象,微咸水灌溉处理中土壤水分水平运移及深层土壤盐分累积更明显;在地下水和微咸水灌溉处理中,灌水量的增加能够显著提高玉米产量,但255,300 mm灌水量处理间差异不显著,微咸水灌溉条件下春玉米的产量较地下水灌溉条件下显著降低。综上所述,在地下水和微咸水灌溉条件下,255 mm灌水量既能适合春玉米生长,又能保证产量,可作为较好的灌溉定额选择,能够同时满足保障灌区作物生产和节约淡水资源的要求。     

微咸水灌溉条件下含黏土夹层土壤的水盐运移规律

黏土夹层影响着土壤水盐运移及分布,为了研究在含黏土夹层的土壤中进行微咸水灌溉时土壤的水盐运移规律,进行了春小麦微咸水灌溉大田试验,并在此基础上运用数值模型对土壤盐分累积趋势进行了模拟预测。结果表明,黏土夹层对土壤水盐运移具有显著的阻碍作用,黏土夹层以上土壤平均含水量、含盐量呈随灌溉水矿化度增大而增加的趋势,黏土夹层以下各处理土壤水盐分布几乎不受微咸水灌溉的影响;大定额冬溉洗盐后,各处理0～70 cm土层最大积盐率仍高达65.7%,部分盐分滞留在黏土夹层以上;土壤盐分分布预测结果表明,微咸水连续灌溉5 a后,灌溉水矿化度为4和5 g/L的处理土壤盐渍化倾向明显,不宜在含黏土夹层地区长期使用矿化度>3 g/L的微咸水进行灌溉,否则将对土壤环境产生严重危害。     

微咸水膜下滴灌不同灌水量对水盐运移和棉花生长的影响

在新疆巴州水管处重点灌溉试验站进行了不同微咸水灌水量(分别为300mm,337mm,375mm和412.5mm)的棉田膜下滴灌试验,研究了不同微咸水灌水量对棉田不同水平位置和垂直深度处的土壤水盐运移影响,分析了在不同灌水量下棉花生长及产量的变化,以寻求适宜棉花生长的膜下滴灌灌溉制度。结果表明:在棉花生育期内,土壤0—40cm深度宽行土壤含水量随灌水量变化波动较小,窄行及膜间土壤含水量随灌水量变化波动较大,膜间土壤含水量较宽行窄行要小;棉花生育期内滴头下方0—20cm的土壤含盐量均有减小,20—40cm土层的土壤含盐量随灌水的波动较大,灌水量较小的土壤含盐量较大,375mm灌水量对棉花根区土壤盐分淋洗的效果最好;随着灌水量的增加,宽行0—40cm土壤盐分均有一定程度的累积,窄行土壤均表现为脱盐,而膜间土壤由脱盐转变为积盐;种植区总的脱盐率分别为-12.8%,-33.3%,89.0%和94.4%;微咸水灌水量较大的棉花株高和茎粗变化较快,叶片数越多,叶面积越大;在棉花生育期末不同灌水量处理对铃重影响较大,且灌水量越大棉花产量越大,籽棉产量分别为4 681.35,5 052.45,5 006.85,5 817.90kg/hm2。     

地膜覆盖对春季咸水灌溉条件下滨海盐渍土水盐动态的影响

在河北省沧州市海兴县选取耕层土壤初始含水量有较大差异的两个地块,于春季利用当地高矿化度咸水(10~15 g·L~(-1))进行灌溉和地膜覆盖,以探究地膜覆盖对春季咸水灌溉条件下滨海盐渍土水盐动态的影响。设不灌咸水不覆膜(对照,CK)、不灌咸水覆膜(PM)及3月29日和4月13日灌咸水不覆膜(SE、SL)、灌咸水后覆膜(SE+PM、SL+PM)6个处理探讨不同咸水灌溉和覆膜对土壤水盐动态的影响;另在耕层土壤含水量≥20%(海兴县小山乡)和20%(海兴县农场)两个地点分别设灌咸水后覆膜(SE+PM)和不灌咸水不覆膜(CK)处理,探讨初始土壤含水量对咸水灌溉下土壤水盐动态的影响。灌水量均为180 mm,灌溉咸水来自排水渠,矿化度分别为12.12 g·L~(-1)和11.53 g·L~(-1),咸水入渗后,播种油葵。结果表明:春季咸水灌溉后覆膜能有效降低耕层土壤盐分,并且该项措施实施的时间越早越好,脱盐深度和脱盐率均较深和较高,本研究中,脱盐效果最优的为SE+PM处理,该处理在油葵收获后0~5 cm脱盐率为58.93%,土壤含盐量由1.15%降至0.51%。此外,脱盐效果也受到土壤初始含水量的影响,耕层土壤含水量20%时,春季咸水灌溉覆膜处理对土壤盐分的淋洗效果较好,平均脱盐深度大于40 cm,保证了油葵正常生长,油葵出苗率和产量分别为73.9%和920 kg·hm~(-2),至油葵收获时,0~20 cm土层土壤含盐量由灌溉前的1.93%降低至0.32%,脱盐率达84.07%;而当耕层土壤含水量≥20%时,脱盐速度慢、深度浅,至油葵播种时,土壤盐分依然较高,导致油葵出苗率低,最终绝收。本研究通过利用春季高矿化度咸水灌溉和地膜覆盖措施,在春季干旱和土壤严重积盐条件下有效降低了耕层土壤盐分,为作物播种出苗提供适宜的土壤水分条件和低盐环境。     

节水灌溉预报、管理与决策专家系统研究

从节水灌溉的基本原理入手,分析了灌溉预报中的各个参量,提出了节水灌溉管理、决策的依据与方法,并介绍了灌溉预报、管理与决策专家系统的理论基础,系统结构,即以框架库、规则组库和黑板3部分组成的综合知识体结构的知识表示技术。节水灌溉预报、管理与决策专家系统的研制、开发与推广、应用,将会促进我国传统农业向现代化农业的转变,为把高新农业技术送到亿万农民手中开辟了一条崭新的途径。     

水稻灌溉制度的计算机模拟

自动化灌溉或称智能灌溉是当前农业灌水技术发展的方向,该文研究了自动化灌溉中的关键,即灌水量预报中的有关问题,提出了解决的方案。所建立的广西青狮潭灌区水稻灌溉制度的计算机模拟系统,能比较准确地进行灌水量的预报,并能根据高产节水的“薄、浅、湿、晒”的灌水经验,制定出符合当地实际的灌溉制度。     

渠灌区节水灌溉技术的筛选组装和集成

渠灌类型区是我国灌区的主要组成部分,地面灌溉是渠灌区的主要灌水方式,发展渠灌区节水型地面灌溉对我国的农业节水有着重要作用。以陕西关中西部的宝鸡峡引渭灌区为例,对现行的节水型地面灌水技术进行了分析和筛选,结合灌区的现状和灌溉特点,提出了适宜于本灌区目前应用和推广的节水型地面灌水技术主要是畦田“三改”,并结合增大入畦单宽流量等技术措施进行组装和集成,实现提高灌水效率和灌水均匀度,减小灌溉用水量,节约用水的目的。     

滴灌灌水频率对土壤水热分布和夏玉米产量的影响

通过大田试验研究了北京地区夏玉米滴灌灌水频率对田间土壤水、热分布及夏玉米生长的影响。结果表明,整个生育期内,高频滴灌下土壤水分变化波动较小,土壤水分保持在一个比较稳定的范围;土壤温度受土壤含水率、气温及作物生育阶段的影响较为明显,表层土壤温度(10 cm以上)的变化受气温的影响比较显著,50 cm土层深度及以下的土壤温度基本趋于稳定,但会随气温上升而缓慢升高;高频滴灌下作物产量最高,但其水分利用效率较低。研究表明:华北地区夏玉米宜采用中频滴灌模式。     

灌溉渠系优化配水研究

介绍了灌溉渠系优化配水模型的研究进展,并从模型参数、输配水技术和管理体制等方面分析了优化配水难以在灌区实施的原因,指出实行优化配水还必需加强田间试验,完善渠道量水设施,提高量水技术,建立适应现行管理体制的配水模型,同时继续推进灌溉管理体制改革。     

微咸水膜下滴灌不同灌水下限对盐碱地土壤水盐运移及玉米产量的影响

为了研究盐碱地上微咸水膜下滴灌不同灌水下限对土壤水盐运移和玉米产量的影响,在长胜试验站开展了微咸水膜下滴灌玉米的大田试验。试验采用负压计指导灌溉,控制滴头下20cm深处的土壤基质势下限分别为-10,-20,-30,-40kPa,每个处理重复3次,按随机区组布置。结果表明:膜下滴灌湿润体形状在垂直于滴灌带的滴头所在竖直剖面上近似为半椭圆形,随着灌水下限的增大,湿润层土体含水率增大;玉米根部附近均出现盐分低值区,膜外表层均出现盐分高值区;-20kPa和-30kPa灌水下限适中,既能较充分淋洗膜内表层土壤盐分,又不会造成微咸水中的盐分滞留累积;在玉米生育期内,膜内、膜外地下100cm土体均积盐;-10kPa和-20kPa下限处理对应的湿润体垂直深度约为60cm;玉米收获后,地下100cm土体均积盐,需要进行秋浇或春汇,大量淋洗土壤盐分,保证耕地盐分不逐年累积;试验条件下,玉米产量随着灌水下限的降低而减少。     

黄淮海平原夏玉米需水量和缺水量时空分布特征

为提高黄淮海平原夏玉米的灌溉效率,优化农业资源配置,依据黄淮海平原27个站点70年的试验统计资料,在作物需水量模型、降雨频率分析、作物系数相关理论的基础上,分析不同水文年型夏玉米的需水量和缺水量(即需要补充灌溉的水量)的时空分布。首先,根据各代表点的多年降雨资料,利用皮尔逊—Ⅲ型曲线确定降雨频率分别为25%,50%,75%,95%的4种水文年型及其相应的有效降雨量;其次,利用Penman-Monteith模型计算参考作物需水量,并结合作物系数法估算作物需水量,进而求得在4种水文年型下夏玉米的需水量、缺水量和灌溉需求指数;最后,基于ArcMap 10.7软件对所得到的夏玉米各需水要素进行插值分析,直观地描述黄淮海平原地区夏玉米需水量、缺水量和灌溉需求指数的时空分布特征。结果表明,1951—2020年间,黄淮海平原夏玉米需水量的高值区分布受水文年型变化的影响不大,主要分布在平原中部呈带状分布的区域;缺水量与灌溉需求指数分布特征相似,高值区的范围随干旱程度的升高(水文年型由湿润到干旱)而扩大,且主要分布于平原中部偏北的区域;有效降雨量高值区主要集中在平原东南部,整体分布呈由南至北逐渐递减的趋...     

有限性灌溉对设施草莓产量及水分利用效率的影响

在日光温室环境及盆栽条件下,通过与全灌(FI)比较,研究了亏缺灌溉(DI)及分根交替灌溉(PRD)对草莓产量和灌水利用效率(IWUE)的影响.试验从开花期开始到果实成熟期结束.共分5个处理,全灌(FI);分根灌溉PRD分2个处理水平,即PRD1和PRD2;限制灌溉DI也分两个处理水平,即D11和D12.与F1处理相比,DI1和DI2处理的叶水势和气孔导度明显偏低,单株叶面积、鲜果重、平均单果重也显著低于FI处理.但水分利用效率却比FI处理的高(分别高15.8%和29.3%);PRD1处理的叶水势与FI处理的相当.且高于其它处理,而气孔导度比FI,DI1和D12处理的明显降低,与PRD2处理的相近.PRD1处理的鲜果重、平均单果重与FI处理的相当,比DI1,DI2和PRD2处理的显著提高;与FI处理相比,DI1,DI2,PRD1和PRD2处理分别节水31.5%,50.0%,31.5%和50.0%,水分利用效率分别提高了15.8%,29.3%,44.4%和84.4%,从草莓产量和水分利用效率各指标可以看出,PRD1处理比DI1,DI2和PRD2处理表现出明显的优势,其综合效益最佳.     

浅埋滴灌水氮钾互作对春玉米水分利用效率的影响

为揭示浅埋滴灌水肥互作对春玉米水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影响，采用二次回归正交设计，以灌水量（W）、施氮量（N）、施钾量（K）为自变量，WUE为因变量，于2017—2020年开展了不同水肥用量组合对浅埋滴灌春玉米WUE影响的田间试验。结果表明：单因子作用下，WUE随水肥用量的提高均呈先升高后降低的变化趋势，影响大小为W>N>K；2个因子互作时，WN、WK、NK对WUE的影响均呈1个凸面趋势变化，且存在最大值，影响大小为WN>NK>WK；W、N、K 3个因子共同作用时，WUE随W、N、K 3个因子编码水平的共同提高呈先升高后降低的趋势变化，中水中肥较低水低肥和高水高肥用量组合可获得较高WUE。通过模型寻优，得出在灌溉量为43.25~58.87 mm、施氮量为229.93~382.97 kg/hm²、施钾量为104.94~148.49 kg/hm²条件下，可获得较高WUE （≥25.00 kg/（hm²·mm））。研究结果可为试验区春玉米浅埋滴灌水肥优化管理、水分高效利用提供科学依据。     

Water management and water uptake efficiency by potatoes: A review

Lack of adequate availability of water can adversely impact the total as well as marketable quality of potato tuber production. Tuber initiation stage is the most critical growth stage for water stress. In this paper, effects of different water regimes on tuber yield and quality under different production systems are discussed. Deficit irrigation in general showed negative impact on the tuber yield as well as quality. Soil water management influences the fate and transport of nitrogen in soils, therefore, best management practice of both water and nitrogen are critical to optimize uptake efficiencies and minimize leaching losses.