**部分 环渤海低平原区非盐渍土咸水地面灌技术
第1章 研究背景
1.1 研究目的与意义
《2020年中国水资源公报》数据显示，2020年全国水资源总量为3.16052×1012 m3，比多年平均值高14%，人均水资源量仅为2257.5 m3，略高于世界公认的中度缺水线（2000 m3）。全年总用水量为5.8129×1011 m3，其中生活用水占14.9%，工业用水占17.7%，农业用水占62.1%，人工生态环境补水占5.3%。水是经济的命脉，更是生命的源泉。为保证经济、社会的可持续发展，全社会都在倡导保护水体和提高用水效率等“节流”措施，并取得重大成就。其中，在总用水量中占比*大的农业用水取得的节水成就尤为突出，全国农田灌溉水有效利用系数已经由1995年的0.4提升到2020年的0.565。
为了保证农业生产获得较高水平的灌溉水保障率，在“节流”的同时还应该寻求水资源的替代资源实现“开源”。幸运的是，我国有着丰富的地下微咸水和咸水资源，主要分布在黄淮海平原区、西北内陆干旱地区和滨海地区，据不完全统计，我国北方地区地下咸水面积达1.38×106 km2（康金虎，2005；阮明艳等，2007；姜凌等，2009）。
环渤海低平原区作为中国重要的粮棉、果蔬产区，对环渤海经济圈的发展起着支撑作用，然而该区处于海河流域，是我国水资源短缺*严重的地区之一，淡水资源不足是制约环渤海地区社会经济发展的突出问题（陈志恺，2002；水利部，2010）。环渤海地区分布着矿化度大于2 g/L的微咸水面积达3.69×104 km2，矿化度2～5 g/L的咸水年补给资源量2.35×109 m3，有很大的开采潜力（孙晓明，2007）；与环渤海低平原区存在较大地域交叉的河北平原（主要分布在沧州、衡水、邢台、唐山、邯郸和廊坊地区）地下咸水面积占全区面积的32.3%，年补给量达到3.81×109 m3，存在较大的开发潜力（张亚哲等，2009）。此外，环渤海低平原区的土壤整体处于非盐渍化或轻盐渍化水平，为浅层地下咸水利用提供了良好的条件（周在明等，2010）。因此，要缓解环渤海低平原区内水资源紧缺局面，应积极开发利用咸水资源。
国内外关于微咸水和咸水（以下统称为咸水）灌溉方面的实践有着悠久的历史，实践证明咸水用于田间灌溉，可以缓解干旱，提供作物生长所需要的水分，同时咸水灌溉给土壤带入盐分，造成作物生长受抑，土壤存在潜在盐渍化的危险。咸水灌溉的两重性决定利用咸水灌溉的特殊性和复杂性（Beltrán，1999；Hamdy，2002；逢焕成等，2004）。尤其是在土地资源紧张的现状下，在开发利用咸水以保证作物产量的同时，防止盐分在作物主根区的积累及防止土壤盐渍化发展趋势，实现咸水安全灌溉是地区农业发展的核心问题。
棉花具有耐盐、经济价值较高的特点，在环渤海低平原区（沧州、德州、衡水一带）种植广泛。近十几年来由于受到深层地下水限采、农村劳动力输出现象严重、棉花市场价格波动较大及保障不断增长的粮食需求等因素的影响，棉花种植区域正在缩减，并呈现出向低产田（如盐碱地、旱地）转移的趋势。棉花生产关系国计民生，是国家重要的战略物资，保证棉花供应至关重要，故在该区探讨棉花的耐盐机理，研究安全的咸水利用模式、咸水灌溉指标及土壤安全性评价，对确保棉花生产安全，改善农田生态环境，实现农业可持续发展具有重大的战略意义。
1.2 国内外研究进展
灌溉包括灌溉水的利用方式和灌溉技术，两者共同决定怎样将水源引入农田土壤中。咸水灌溉的效应涉及土壤和作物两方面，其中土壤包含的因素众多，如水分、盐分、水力特性、养分状况和理化性状等，作物在物种和品种选定的条件下包含的因素主要是生长、生理、产量和品质指标。
1.2.1 咸水灌溉技术研究进展
1. 咸水利用方式
目前对咸水利用主要有以下几种方式：咸水直灌、咸淡交替灌溉（轮灌）和混合灌溉。咸水直灌就是在不引入其他措施的情况下直接利用咸水灌溉，这方面的实践*多，且取得了丰富的经济效益和丰硕的研究成果。轮灌是根据水资源分布、作物种类及其耐盐性和作物生育阶段等交替使用咸淡水进行灌溉的一种方法。混合灌溉是将两种不同的灌溉水混合使用，包括咸淡水混灌、咸碱水（低矿化碱性水）混灌和两种不同盐渍度的咸水混灌，目的是降低灌溉水的盐度或改变其盐分组成。混合灌溉在提高灌溉水水质的同时，也增加了可灌水的总量（严晔端和李悦，2000），使以前不能使用的碱水或高盐渍度水得以利用。方生和陈秀玲（1999）利用4～6 g/L的咸水与深层碱性淡水（＜1 g/L）混合灌溉进行研究得出的结果显示，小麦、玉米连作10年的平均产量比不灌溉增产16.3%，比4～6 g/L咸水直灌增产20%。Qadir等（2009）报道了乌兹别克斯坦锡尔河流域农民使用咸淡水混灌的情况，之后Bezborodov等（2010）在该流域研究咸淡水混灌结合覆盖措施对棉花产量的影响。在同样盐分水平下，合理的咸淡水交替灌溉的作物产量高于咸淡水混灌的产量（Minhas，1996）。柴春岭（2005）的研究结果显示，由于棉花苗期耐盐性较差，先淡后咸的轮灌方法比先咸后淡的轮灌方法增产。可见，相同矿化度的咸水采用不同的利用方式，其效果不同。
2. 咸水灌溉技术
以往研究表明，咸水适用于各种灌水方式。Rhoades等（1997）在美国进行咸水喷灌的结果表明，在干旱炎热的条件下，白天喷灌容易引起作物叶面的灼伤，夜间、黄昏进行喷灌的效果较好。咸水滴灌比喷灌效果更好，且有助于促进一些作物根的发育（吕宁和候振安，2007）。滴灌可在滴头附近形成脱盐区，有利于作物的生长（Elfving，1982；Batchelor et al.，1996；Ayars et al.，1999；王全九和徐益敏，2002）。到目前为止，国内外学者就滴灌条件土壤水盐运移、离子分布、耗水规律及作物品质、作物耐盐阈值、产量等方面做了大量研究工作，这些实践的成功为我国干旱半干旱地区有效利用咸水资源提供了有效手段。沟灌技术的发展历史久远，咸水沟灌时可以发挥沟顶积盐、沟底淋盐的优势（Wang et al.，2004；Rajak et al.，2006；Malash et al.，2008），还可以通过减少地面湿润面积，达到节水的效应（肖娟和孙西欢，2006；Wang et al.，2004；雷霆武等，2004），而且其盐分淋洗效率高于喷灌（Moreno et al.，1995）。尽管与漫灌、沟灌和喷灌相比，滴灌具有节水高产的优势（Cetin and Bilgel，2002；Malash et al.，2005），但因其投入较高，国内大田滴灌实践与研究工作主要在降雨极少的新疆和宁夏等西北内陆地区开展，而处于半干旱半湿润的地区仍以畦灌和沟灌为主。因此，深入开展咸水沟、畦灌研究，对解决半干旱半湿润地区的农业生产实际问题有着重大的意义。
1.2.2 咸水灌溉条件下土壤水盐动态分布规律及盐分平衡研究
土壤中盐随水走，水分被根系吸收后便会在根区聚集，水分通过土面蒸发后就会在土面聚集（返盐），这是水盐运移的一般规律。然而，在降雨和耗水交互作用下，土壤中水盐运移就会变得更加复杂。国内外针对土壤水盐运移及分布动态进行了广泛而深入的研究（Samani et al.，1985；Evans et al.，1990；Moreno et al.，1995；de Clercq et al.，2005；Chen et al.，2010；Wang et al.，2011）。就国内而言，石元春等（1983）和辛景峰等（1986）应用分区水盐均衡方法，对黄淮海平原水盐运动规律进行了研究，阐述了区域性水盐运动规律，得出黄淮海平原4种水盐运动调控模式，并创立了区域水盐运动监测预报体系。在田间尺度上，肖振华等（1995）探讨了冬小麦节水灌溉及其对土壤水盐动态的影响。自2000年以来，咸水灌溉利用研究仍非常活跃，乔冬梅等（2007）对不同潜水埋深条件下微咸水灌溉的水盐运移规律进行了研究，发现土壤中盐分含量随地下水埋深的增加而减小，随灌溉水盐分水平的增加而增大。在不考虑地下水埋深的条件下，王全九教授研究团队（吴忠东和王全九，2007，2009；雪静等，2009；毕远杰等，2009）针对西北地区微咸水利用，从室内、田间试验和模型模拟等角度探讨了微咸水灌溉对土壤水盐分布和作物产量的影响。陈丽娟等（2012）采用冬小麦大田试验研究了含黏土夹层的土壤在微咸水灌溉时水盐运移规律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，结果表明黏土夹层有显著的滞盐作用，在连续咸水灌溉5年后，灌溉水矿化度宜控制在3 g/L以下。
研究土壤中的盐分平衡是定量分析土壤盐分变化的基础。在环渤海低平原区，Wan等（2007）通过3年灌溉试验表明4.9 dS/m以下微咸水滴灌没有造成0.9 m内土层盐分累积；陈素英等（2011）研究表明冬小麦微咸水灌溉后存在增产效应，但会增加土壤盐度，降低夏玉米的产量，经过降雨淋洗后土壤不积盐；但是乔玉辉和宇振荣（2003）通过数值模拟，认为咸水长期灌溉可能会出现盐分累积的情况，对土壤和作物均存在潜在的威胁；吴忠东和王全九（2010）也报道称，连续3年微咸水（3g/L）灌溉小麦田后表层土壤积盐，但认为只要降水和淡水淋洗充分，仍会将土壤盐分控制在很低的水平，并且产量与雨养农业相比增加。在以往的研究中盐分平衡方程被普遍应用于农田盐分累积和淋洗方面的研究。在不考虑排水的情况下，Beltrán（1999）介绍了1个由水分平衡方程推导出的简化的盐分平衡方程，该方程认为土壤矿物质溶解、降雨、施肥带入的盐分正好可以被作物吸收，并且这些盐分与灌溉水带入的盐分相比很少，因此可以忽略。Saysel和Barlas（2001）报道了1个系统的盐分累积动态模型，考虑根区盐渍化的4个子过程：灌溉、排水、地下水补给和地下水入侵。盐分平衡方程一般被用于灌区计算，也可以用于田间尺度计算。然而，以往关于连续多年采用不同矿化度咸水灌溉条件下土壤水盐运移规律和盐分平衡分析方面的研究鲜见。
1.2.3 咸水灌溉对棉花生长发育、产量及纤维品质的影响
盐分过量会对作物造成渗透胁迫、离子毒害和氧化危害，阻碍其正常的水分与离子吸收，改变其营养及光合产物分配，破坏其内环境动态平衡，所以势必将影响到作物的正常生长、产量，甚至会影响作物的品质。
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