高会 ,赵亮 ,刘斌 ,付同刚 ,刘金铜**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022;2.中国科学院大学 北京 100049;3.山东省大数据局规划发展处 济南 250011)

全球水资源的70%用于农业生产,未来随着工业发展和城市化,农业可供水量逐渐减少[1]。中国农业灌溉用水需求量巨大,水资源供需矛盾日益突出[2]。环渤海低平原是我国水资源极为短缺地区之一,人均和单位耕地面积占有水资源都远低于全国平均值,粮食生产长期依靠抽取深层地下水来实现[3]。河北滨海地区由于长期超采地下水,致使地下水降落漏斗面积不断扩大,引发了一系列环境地质问题[4]。2014 年水利部《关于推进河北省地下水超采综合治理试点的意见》中建议,深层承压水除了满足人民群众基本生活需水外,应全部停止开采,沧州市是治理试点之一。河北滨海盐碱地因近10 年来采取的地下水压采限采措施而几乎无灌溉条件,冬小麦(Triticum aestivum)基本是雨养条件种植,因缺水造成严重减产甚至绝收。该地区具有丰富的可更新浅层微/咸水资源,将微/咸水资源安全利用于农业灌溉,可缓解该地区农业用水危机,有利于该地区灌溉农业持续健康地发展。

国内外利用咸水和微咸水进行农田灌溉已有研究。曹彩云等[5]研究发现,相对于淡水灌溉处理,2 g∙L−1、4 g∙L−1和6 g∙L−1咸水灌溉下小麦产量分别下降 12.1%、36.4%及64.5%。苏寒等[6]研究表明小麦产量随咸水质量浓度的增加而下降,3 g∙L−1咸水灌溉下冬小麦的减产率均在10%以下,7 g∙L−1咸水灌溉下小麦的减产率在 50%以上,3～5 g∙L−1为小麦咸水灌溉的质量浓度阈值。微/咸水灌溉不仅对冬小麦当年产量有影响,使用不当会造成土壤持续积盐,造成后续年份作物减产。吴忠东等[7]认为冬小麦灌溉3 g∙L−1咸水比旱作增产幅度非常明显,但连续利用咸水灌溉,造成土壤表层盐分的累积,尤其在降水量偏少的年度会使后续作物受到盐分胁迫,冬小麦有可能出现减产。杨莉琳等[8]通过试验证明滨海重盐碱柽柳(Tamarix chinensis)地第1 次直接灌溉矿化度为8.02～9.34 g∙L−1咸水,0～30 cm 土壤盐分显著下降,但连续 3 年灌溉咸水柽柳地0～30 cm 土层盐分平均上升 11.9%～33.6%,土壤次生盐渍化的风险明显增加,后续可能会危害柽柳的生长。相比淡水灌溉,微咸水灌溉将盐分带入土壤中,当土壤中的盐分达到一定程度后,会影响土壤环境和作物的正常生长[9-10]。因此,调控土壤水盐分布是合理利用微/咸水农业灌溉的关键,尤其是对盐碱地的微/咸水农业灌溉。水文地质学上把矿化度<1 g∙L−1的水划分为淡水,矿化度1～3 g∙L−1的水划分为微咸水,矿化度3～10 g∙L−1的水划分为咸水[11]。目前,咸水灌溉的矿化度基本<6 g∙L−1[12],本研究将3～6 g∙L−1的咸水定义为轻度咸水,6～10 g∙L−1的咸水定义为咸水。

咸水灌溉必然造成土壤盐分积累[13-14],若无及时的盐分淋洗,长期盐分积累会造成土壤盐渍化。咸水灌溉安全利用的前提必须做好土壤水盐调控,避免引起土壤盐渍化,或者造成土壤盐渍化加重。因此咸水农业灌溉利用研究在分析咸水灌溉对农作物影响的同时,咸水灌溉后如何改善土壤盐渍化也需要研究。盐碱地改良措施主要有物理改良、化学改良、水利工程措施以及生物改良[15]。暗管排水排盐(水利工程措施)在滨海高水位盐碱地治理措施中应用最广泛[16-17]。刘慧涛等[18]通过试验证明,在雨季关键时间点进行暗管排水可有效降低高水位地区的土壤盐分。于淑会等[19]研究表明基于暗管排水工程的高水位盐碱地在冬小麦拔节−抽穗期不同矿化度咸水灌溉对冬小麦都有增产效果,冬小麦收获后通过雨季暗管淋洗排盐,可以消除周年内咸水灌溉所积累的盐分带来的次生盐渍化危害。因此,暗管排水排盐工程能够使高水位盐碱地咸水灌溉给土壤带来的盐分及时排出,而不造成土壤盐渍化加重。

本文以河北滨海盐碱地为研究对象,针对地下水压采限采政策造成的灌溉水量亏缺问题,选择沧州市南大港产业园区马营村为试验基地,以保产增产和咸水灌溉不积累盐分的生态安全为目的,开展基于暗管排水排盐工程的浅层轻度咸水冬小麦生长关键期农田灌溉研究。基于此,以河北滨海沧州市为例,分析浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉的安全利用前景。研究结果可为河北滨海区轻度咸水资源安全利用、土壤健康和粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沧州市位于河北省滨海区域,东临渤海(115°42′～117°50′E、37°29′～38°57′N)。该区属于暖温带大陆性季风气候,雨热同期。年均气温12.5 ℃,雨季集中在7−9 月,年均降雨量为581 mm。沧州市主要粮食作物为小麦和玉米(Zea mays),经济作物主要有油料作物、棉花(Gossypumspp.)以及蔬菜等。该区地下浅层咸水资源丰富,地下咸水矿化度一般为1～5 g∙L−1,沿海地区>5 g∙L−1,埋深较浅,大部分区域埋深<10 m。该区域分布大量的盐碱地,土壤盐渍化程度高。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 政府统计年鉴或公报

沧州市冬小麦和玉米播种面积数据来源于沧州统计年鉴,河北省耕地有效灌溉面积数据来源于河北统计年鉴,河北省农业用水量以及河北省主要供水源数据来源于河北省水资源公报。沧州市浅层地下水埋深数据来源于河北省水资源公报。

1.2.2 研究数据处理

1)沧州市浅层地下水资源评估。由沧州市浅层地下水矿化度数据[20],结合浅层地下水埋深数据,利用ArcGIS 软件进行矢量化,得到沧州市浅层地下水不同矿化度的水资源空间分布图。

2)沧州市冬小麦灌溉缺水量估算。根据河北省2014−2020 年耕地平均有效灌溉面积和年均农田用水量,估算得到河北省每公顷农田用水量为2581 m3。假设农田用水量仅用于冬小麦灌溉,利用河北省每公顷农田用水量数据,根据沧州市冬小麦的年均种植面积(373 928 hm2),估算出冬小麦灌溉用水量为9.65×108m3。冬小麦从稳产且增效的角度看,灌溉定额为200～250 mm 限水灌溉方案表现最佳[21],那么冬小麦至少需要灌溉量为11.2×108m3,最多需要灌溉量为14.0×108m3,理论上沧州市冬小麦灌溉缺水量至少为1.7×108m3,最多为4.5×108m3。

1.3 试验设计

1.3.1 试验地基本情况

试验区在南大港产业园区马营村的试验基地,位于河北滨海沧州市东部,面积约为5000 m2。浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉,必然带来盐分积累,进而造成冬小麦生产的农业生态安全与环境问题,因此盐分积累必须消除。实践证明,暗管排水排盐技术是地下水浅埋深地区的根本措施。因此,试验区埋设有暗管排水排盐系统。暗管排水排盐工程于2016年5 月施工完成,渗水管采用直径10 cm 的带孔波纹管,外包15 cm 砂石滤料,坡降比0.2%,渗水管南北向铺设,北高南低,暗管埋深为1.4 m,间距10 m,暗管排水排盐通过坡降比自流入南边排水沟,最终通过扬水站排入渤海。

1.3.2 轻度咸水冬小麦农田灌溉试验

淡水灌溉水源取自试验区附近村庄的坑塘水,淡水资源的矿化度约1 g∙L−1。

咸水资源考虑到便于技术的推广应用,充分利用本地资源,就地取材,直接取自试验区的浅层地下咸水。经测定,本试验区浅层咸水资源矿化度约6 g∙L−1,属于轻度咸水。轻度咸水比咸水更能减少灌溉所带来的盐分积累,利于生态安全[22]。

试验于2016−2018 年间冬小麦两个生长季进行,供试冬小麦品种为‘小偃60’。考虑到多次灌溉会造成较多盐分积累的可能危害,轻度咸水冬小麦灌溉只在需水最关键的拔节−抽穗期进行1 次。试验为单因素随机区组试验设计,即不灌溉(NI)、淡水灌溉(FI)和轻度咸水灌溉(SI) 3 个处理,每个处理设3次重复,共计9 个小区,每个小区面积为4 m×4 m,随机分布在试验基地内,灌水方式为大水漫灌,每个小区灌水量为0.96 m3,相当于600 m3∙hm−2的传统农田灌溉水量。

产量测定。冬小麦收获时,各小区选取长势均匀、面积为1 m2的小区进行测产。

为了研究暗管埋设下,轻度咸水灌溉处理是否引起周年内土壤积盐,以及雨季暗管淋洗盐分的效果,暗管埋设雨季后(2016 年10 月9 日)、第1 年轻度咸水灌溉处理雨季后(2017 年10 月8 日)、第2 年轻度咸水灌溉处理雨季后(2018 年10 月9 日)利用田间网格方法对试验基地取样,取土深度为45 cm,分3 层取样,分别为0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm,所取土样带回实验室测定土壤含盐量。取3 层土样的平均值作为取样点的盐分含量,利用ArcMap 10.2软件中地统计学模块的普通克里格插值方法得到试验基地盐分空间分布。

以上数据利用IBM SPSS 25.0 软件对数据进行统计分析,利用Microsoft Excel 2016 作图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦浅层轻度咸水灌溉的作物增产效应

在埋设有暗管排水排盐系统的试验基地进行冬小麦轻度咸水灌溉试验表明:2017 年不灌溉处理的冬小麦产量显著低于灌溉处理的冬小麦产量,产量仅为淡水灌溉和轻度咸水灌溉处理的60.08%和65.33%,淡水灌溉和轻度咸水灌溉之间无显著性差异。2018 年冬小麦淡水灌溉和轻度咸水灌溉的产量分别是不灌溉处理的1.91 倍和1.65 倍(图1)。不灌溉处理的冬小麦产量显著低于灌溉处理的冬小麦产量,淡水和轻度咸水灌溉处理之间无显著性差异。

图1 2017 年和2018 年轻度咸水灌溉对冬小麦产量的影响Fig.1 Effects of mild saline water irrigation on winter wheat yield in 2017 and 2018

综上所述,河北滨海区在冬小麦拔节−抽穗期进行一次600 m3∙hm−2浅层轻度咸水灌溉可以保证冬小麦产量,2017 年轻度咸水灌溉冬小麦产量是不灌溉的1.53 倍,2018 年轻度咸水灌溉冬小麦产量是不灌溉的1.65 倍,增产效果明显。

2.2 冬小麦浅层轻度咸水灌溉的土壤安全效应

从土壤盐分空间分布来看,试验地2017 年的冬小麦轻度咸水灌溉后,经过雨季淋洗,2017 年10 月95%面积的土壤盐分含量较2016 年10 月呈明显降低的趋势,只有东北部分区域有略微增加的趋势。2018 年经过第2 年的冬小麦轻度咸水灌溉后,90%面积的土壤盐分含量降低(图2)。从土壤含盐量的平均值来看,暗管埋设后(2016 年10 月)、第1 年轻度咸水灌溉后(2017 年10 月)和第2 年轻度咸水灌溉后(2018 年10 月)试验地土壤平均含盐量分别为2.86 g∙kg−1、1.60 g∙kg−1和1.38 g∙kg−1,呈逐年降低的趋势。

图2 2016—2018 年暗管排盐下浅层轻度咸水灌溉试验区土壤盐分时空变化分布图Fig.2 Spatial and temporal distribution of soil salt content changes under mild saline groundwater irrigation of the experimental area with subsurface drainage system

根据“盐随水来,盐随水走”原理,浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉会给土壤带来盐分,造成土壤生态安全问题。要解决土壤盐分积累这个生态安全问题,盐碱地改良措施必不可少。暗管排水排盐技术是最适合河北滨海高水位盐碱地改良的措施[17]。河北滨海区缺少淡水资源进行盐分淋洗,只能依靠雨季雨水进行盐分淋洗。暗管埋设下轻度咸水灌溉的土壤盐分变化分析表明,利用浅层轻度咸水灌溉在增产的前提下,土壤不发生积盐的条件包括以下2 个方面:一是需要暗管排水排盐这项措施辅助盐分淋洗。二是降雨量要满足淋洗需求。试验区2017 年和2018 年的雨季(6−9 月)降雨量分别为451.8 mm 和468.6 mm (图3),从上述分析的两年盐分淋洗结果看,这两年的降雨量能满足盐分淋洗的要求。马凤娇等[23]分析了河北滨海盐碱区1961−2005 年多年平均降雨量,降水主要集中在6−9 月,多年总量平均值为454.1 mm,由此可见,降雨量达到多年平均降雨量就能够满足淋洗水量要求。

图3 2017 年和2018 年研究区雨季降雨量Fig.3 Rainy season rainfall in the study area in 2017 and 2018

综上所述,基于暗管排水排盐工程、雨季达到多年平均降雨量条件下,轻度咸水冬小麦农田灌溉不会造成土壤耕层盐分积累,且土壤盐渍化程度逐年减轻,从土壤方面,实现了轻度咸水资源的农田灌溉安全利用。

2.3 浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉的安全利用前景

2.3.1 河北滨海区沧州市微/咸水资源利用潜力大

河北滨海区沧州市浅层地下水资源很丰富,除沧州西部极少地区浅层地下水埋深大于10 m,其余浅层地下水埋深都小于10 m。浅层地下水基本是微咸水和咸水,仅靠近滨海的区域矿化度>5 g∙L−1(图4)。浅层水埋深小于5 m 的含水层厚度约7 m,5～10 m 的含水层厚度约3 m[20],>10 m 的浅层地下水由于灌溉利用条件限制,本研究不考虑。根据浅层地下水埋深、矿化度空间分布,结合其含水层厚度评估,沧州市浅层地下水总计623.33×108m3,其中淡水资源2.89×108m3,1～5 g∙L−1的微/轻度咸水资源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的轻度咸水90.38×108m3),>5 g∙L−1的轻度咸水/咸水164.76×108m3。

图4 沧州市浅层地下水埋深及矿化度空间分布Fig.4 Spatial distribution of shallow groundwater depth and salinity in Cangzhou City

河北省2014−2020 年的年总用水量平均为184.07×108m3,供水源主要来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仅有0.88×108m3(图5)。综上所述,河北滨海浅层微/咸水资源利用率极低,具有很大的开发利用潜力。

图5 2014−2020 年河北省微咸水资源供水量Fig.5 Quantity of brackish water resources in Hebei Province from 2014 to 2020

2.3.2 轻度咸水灌溉资源适度满足冬小麦灌溉用水亏缺

沧州市保持现有冬小麦播种面积不变的情况下,从微/咸水资源量的角度来看,微/轻度咸水能够完全弥补冬小麦灌溉的亏缺水量(保证冬小麦稳产且增效至少还亏缺1.7×108m3,最多亏缺4.5×108m3)。考虑到浅层微/咸水利用的方便以及实际可取性,咸水灌溉只能就地取用,结合浅层地下水矿化度空间分布(图4),在沧州东部有部分地区浅层地下水矿化度>6 g∙L−1,根据本研究的轻度咸水灌溉试验结果,该部分地区还不能够利用轻度咸水资源满足冬小麦灌溉用水亏缺。

2.3.3 轻度咸水安全灌溉为耕作制度带来改变

2014−2020 年沧州市冬小麦播种面积小于玉米播种面积,除2018 年外,两者差距处于逐年增加趋势(图6)。农田灌溉资源有限,再加上近年来河北省地下水漏斗区实行休耕政策,玉米生长期处于雨季,基本不需要灌溉,而冬小麦没有灌溉条件就无法种植。按照试验结果,冬小麦保产情况下,利用600 m3∙hm−2浅层地下咸水资源可使一年一熟春玉米的种植模式变成一年两熟冬小麦-夏玉米种植模式。由图6 可知,2014−2020 年沧州市冬小麦年均播种面积373 928 hm2,按一年两熟种植模式,夏玉米播种面积也是373 928 hm2,而2014−2020 年玉米年均播种面积是505 003 hm2,由此可知春玉米播种面积为131 075 hm2,因此,将春播玉米替换成夏播玉米后,一年一熟春玉米的种植模式变成一年两熟冬小麦-夏玉米种植模式,冬小麦的播种面积至少增加约131 000 hm2。

图6 2014−2020 年沧州市冬小麦和玉米的播种面积Fig.6 Sown areas of winter wheat and maize in Cangzhou City from 2014 to 2020

综上所述沧州市区域1～5 g∙L−1的浅层微/轻度咸水资源丰富,可以满足冬小麦农田因地下水压采限采造成的至少1.7×108m3灌溉水量亏缺。基于暗管排盐技术的浅层轻度咸水农田灌溉安全利用技术,可使沧州市区域部分耕地扩大一年两熟种植面积,增加冬小麦种植面积131 000 hm2。

3 讨论与结论

3.1 讨论

河北滨海盐碱地在冬小麦拔节−抽穗期进行轻度咸水灌溉能够增加冬小麦产量。陈素英等[24]在中国科学院南皮生态试验站的试验表明,除在越冬期进行一次淡水灌溉外,利用4 g∙L−1的咸水在冬小麦拔节期进行咸水灌溉1 次比不灌溉处理产量增加22.1%。这与本研究结果一致。基于暗管排水排盐工程,河北滨海盐碱地在冬小麦拔节−抽穗期进行咸水灌溉后,经过雨季淋洗,咸水灌溉不会造成土壤耕层盐分积累,连续两年的咸水灌溉后土壤盐渍化程度逐年减轻。于淑会等[19]研究也表明,在冬小麦拔节−抽穗期不同矿化度咸水灌溉后通过雨季暗管淋洗排盐,高水位盐碱地可以消除周年内咸水灌溉所积累的盐分带来的次生盐渍化危害。而王海霞等[25]在没有暗管排水排盐条件下进行3 g∙L−1的微咸水灌溉,经过雨季淋洗后仍然存在盐分增加现象。因此,暗管排水排盐工程是河北滨海浅层咸水冬小麦灌溉达到增产且土壤不积盐的生态安全利用的必要措施。

河北滨海浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉的安全利用能够提高浅层咸水资源的利用率。河北省近年来微咸水平均供水量仅有0.88×108m3,沧州市微咸水平均供水量小于0.88×108m3,沧州市1～5 g·L−1的浅层微/咸水资源有455.68×108m3,由此可知其利用率极低。目前,浅层咸水资源开发利用方式主要有直接利用和淡化处理,直接利用浅层咸水的有农业灌溉、林草地灌溉及满足生态用水等,一般利用矿化度在1.5～5 g·L−1的微咸水和咸水[26]。浅层咸水农业灌溉研究较多[5-6,27],农田用水量在总用水量中占比最大,因此,浅层咸水农业利用可极大提高浅层地下咸水的利用率。从稳产且增效的角度看,沧州市仅冬小麦灌溉需水量至少为11.2×108m3,只考虑冬小麦需水量,沧州市灌溉需水亏缺至少为1.7×108m3,实际上沧州市灌溉需水亏缺量要远远大于该数值。因为沧州市总耕地面积为784 968 hm2,冬小麦平均种植面积为373 928 hm2,占耕地面积一半,其余耕地种植的谷子(Setaria italica)、高粱(Sorghum bicolor)、大豆(Glycine max)等粮食作物以及蔬菜等也需要灌溉,在本研究中没有涉及其灌溉亏缺量。

河北滨海浅层轻度咸水冬小麦灌溉利用具有可观的利用前景。在耕地资源方面,冬小麦轻度咸水灌溉可使沧州市一年一熟春玉米的种植模式变成一年两熟冬小麦-夏玉米种植模式,冬小麦播种面积至少增加131 000 hm2。在水资源利用方面,如果将现行的冬小麦拔节−抽穗期的灌溉用水(淡水)替换成微咸水/轻度咸水,按照本试验所设需水量和冬小麦播种面积,沧州市能节约农业用水量2.24×108m3。在气候灾害方面,冬小麦轻度咸水灌溉不仅可节约淡水和增加灌溉用水量,也为浅层地下蓄水层创造了空间,为雨季创造了蓄水空间,减少涝害。

3.2 结论

基于暗管排水排盐工程,河北滨海在冬小麦拔节−抽穗期进行1 次600 m3∙hm−2的浅层轻度咸水(6 g∙L−1)灌溉,冬小麦增产效果明显。在雨季保持多年平均降雨量条件下,冬小麦农田轻度咸水灌溉不会造成土壤耕层盐分积累,且土壤盐渍化程度逐年减轻。作物增产且土壤不积盐的试验结果为实现浅层轻度咸水资源的生态安全利用提供了参考。浅层轻度咸水资源的安全利用不仅能缓解河北滨海区灌溉水资源短缺的危机,还可扩大一年两熟模式的种植面积。