微咸水农田安全灌溉研究进展

蔡达伟，孔淑琼，刘瑞琪

(中国地质大学(武汉)环境学院，武汉 430078)

0 引 言

随着人口增长、工农业发展和城市化建设，我国目前对淡水资源的需求量不断增加，使得淡水资源的供需矛盾逐渐加剧。合理开发利用微咸水资源，发展微咸水农田安全灌溉技术已经成为解决我国微咸水分布地区水资源紧缺问题的重要途径。

用于灌溉的微咸水一般是指矿化度在2～5 g/L的含盐水，它们多数以浅层地下水的形式广泛分布在我国华北、西北及沿海地带[1]。我国微咸水资源储量丰富，宜于开采，与传统的淡水灌溉相比，短期利用微咸水灌溉不会造成作物减产[2-4]；然而，长期利用微咸水灌溉可能使土壤中的盐分积聚，导致土壤盐渍化，从而影响作物的生长发育[5]。也有调查研究表明，大多数消费者对微咸水灌溉食品的安全性和健康程度均表现出恐惧和担忧[6]。

在此背景下，众多学者对微咸水安全利用进行了大量的研究与实践。近些年，在微咸水灌溉造成的土壤盐渍化、农作物质量和产量等方面已经形成了初步的理论。但由于研究内容重复性较多，研究理论只适用于特定的地区，安全性标准、灌溉模式等研究还明显不足，微咸水农业灌溉存在的安全问题仍然难以得到有效解决，研究成果还未能普遍应用。

因此，需要加强微咸水农田安全灌溉的理论研究，发展微咸水灌溉技术，制定微咸水灌溉水质标准，改进微咸水灌溉条件下的农田调控措施，确保微咸水可以安全高效地应用于农业灌溉，促进微咸水资源利用的大面积推广。本文对微咸水农田安全灌溉的研究现状、影响因素、灌溉模式、阈值标准、农田调控措施等方面进行了综述，并对未来的研究重点进行了展望，以期为微咸水资源安全高效利用和农田安全灌溉提供参考。

1 微咸水资源安全开发利用现状与潜力

中国是世界上最大的农业国之一，农业灌溉用水需求量巨大，水资源供需矛盾日益突出。从20世纪70年代开始，我国已经有不少地区将微咸水利用到农业灌溉中，以缓解淡水资源危机。但由于我国各地区气候和可利用水资源等存在差异，各地区对微咸水的利用方式也不尽相同[7]。宁夏回族自治区灌溉水资源极度匮乏且土地蒸发强烈，实践表明，利用微咸水进行灌水处理与不进行灌水相比，农作物的性状、产量、品质都有明显的提高[8]。华北平原地区雨季通常为暴雨，降雨强度是土体脱盐与否的关键因素，利用雨季集中降雨并在干旱季节利用微咸水合理灌溉，可以对土体有效脱盐起到重要作用，从而保证作物正常生长[9]。

目前，我国已经在微咸水灌溉方面取得了一定的实践成果，为各个地区微咸水资源安全高效利用提供了可靠的科学依据。但是与总用水量相比，微咸水的利用量仍然较小。据统计，我国每年微咸水可利用量在200.0 亿m3左右，其中可开采量为130.0 亿m3左右[10]。根据水利部《中国水资源公报》[11]和中国水利水电科学研究院水利研究所[12]发布的数据，2015年我国农业用水量为3 851.1 亿m3，占总用水量的61.4%，其中微咸水农田灌溉量仅为14.8 亿m3。另一方面，我国的农业耕地大约有一半以上都集中在干旱缺水的华北和西北地区，这些地区都分布着丰富的微咸水资源，但各地区微咸水资源的分布量和利用量有着明显的落差(如图1)。

图1 2015年我国各区划微咸水资源量及利用量[12]Fig.1 Brackish water resources in China in 2015

由此看来，我国微咸水资源不仅分布广泛，而且数量丰富，具有巨大的开发和利用潜力。有研究预测，到2030年，我国农业微咸水灌溉量将达到25 亿m3左右，较目前灌溉量将增长10 亿m3左右。因此，需要促进淡水资源匮乏的地区将微咸水资源安全利用于农业灌溉，进一步缓解我国农业用水危机，保障水资源安全，使得我国灌溉农业持续健康地发展。

2 影响微咸水灌溉安全性的因素

影响微咸水灌溉安全性的主要因素包括咸水水质和土壤质地等。不同的咸水水质对土壤理化性质有着不同程度的影响，不同的土壤质地对微咸水灌溉的适应性也不同。了解和研究微咸水安全灌溉的影响因素是微咸水资源安全高效利用的前提。

2.1 咸水水质

微咸水矿化度和钠吸附比是咸水水质的两项重要指标。通常利用矿化度综合反映微咸水中盐分离子的总含量，利用钠吸附比来描述微咸水中主要离子的组成特征[13]。

微咸水矿化度决定了微咸水灌溉后土壤盐分含量的大小。当入渗水的矿化度低于3 g/L时，微咸水对土壤上层的盐分具有一定的淋洗作用；但当矿化度进一步升高，入渗水对土壤中所含的盐分将丧失淋洗作用[14-16]。钠离子含量的增加通常会破坏土壤的团粒结构，而钙、镁离子有利于土壤团粒结构的形成[13]。因此，当微咸水的钠吸附比过高，土壤的理化性质将会遭到破坏，导致土壤颗粒分散，土壤的通透性降低[17]。

Wei等的研究结果表明，利用3.5～5.0 g/L的微咸水灌溉会促进土壤盐分的积累，增加土壤N2O的排放量，显著降低春玉米的产量；若利用2.0 g/L的微咸水灌溉可以缓解土壤盐渍化的程度，减少土壤N2O排放，增加玉米产量[18]。张刘东等的研究成果表明，微咸水灌溉和淡水灌溉都可能造成积盐现象，但土壤盐分的积累量和积累深度会随着灌溉水矿化度的增大而增大[19]。刘小媛等分析了4种不同矿化度的微咸水对重度盐碱土壤入渗特征的影响情况，结果表明，随着微咸水矿化度不断升高，累计入渗量、湿润锋运移深度、土壤含水率均呈现增大趋势[20]。武敏等的研究表明，钠吸附比对渗透系数有显著的影响，渗透系数会随着钠吸附比的升高而降低[21]。

这些试验表明，咸水水质会改变土壤的结构，微咸水矿化度和钠吸附比均是影响土壤渗透系数大小的重要指标。因此，在利用微咸水进行灌溉时，可以通过改变咸水水质来调节土壤水盐分布特征。要采取合理的措施，控制灌溉水的含盐量，防止土壤盐分的积累[22]。

2.2 土壤质地

土壤通常按土壤质地可分为砂土、砂壤土、壤土、壤黏土和黏土[23]。土壤质地在很大程度上决定了土壤毛细管的输水能力，从而影响土壤对微咸水灌溉的适应性。在以细砂为主的砂土中，灌溉水容易渗入，土壤内部排水较快，盐分容易被淋洗；在黏质土中，土壤中形成多孔狭窄的孔隙，不利于灌溉水的下渗和排出，更容易引起盐分的积累[24]。

陈丽娟等通过试验分析了黏土夹层对微咸水灌溉时土壤水盐运移的规律的影响，研究发现，黏土夹层对土壤水盐运移具有显著的阻碍作用[25]。Liu等的研究发现，土壤质地及其垂直非均质性使层状土壤剖面中水分和盐分的时空分布与均质土壤相比有很大差异：均质的土壤有利于水的渗透、盐分的浸出和地下水的补给；在非均质土壤中，水分流动被阻断且盐分积累明显；但与黏土相比，黏土对水盐运移的阻碍作用更为显著[26]。

因此，相对均匀的土壤比非均匀的土壤更适合采用微咸水灌溉，砂质的土壤一般比黏质土壤更适合采用微咸水灌溉。

3 微咸水安全灌溉模式

根据联合国粮食及农业组织(FAO)和联合国教科文组织 (UNESCO)统计，世界上50%耕地的土壤盐碱化现象，基本上都是由比较落后及不配套的灌溉模式引起的[23]。安全合理的微咸水灌溉模式可以有效降低微咸水中的盐分对作物的影响，有利于提高作物产量、作物品质和水分利用率。微咸水灌溉模式主要包括：灌水方式和灌水方法，是影响微咸水资源安全高效利用的人工技术因素。

3.1 灌水方式

灌水方式是根据水资源分布、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[23]。目前微咸水的灌水方式主要分为三种：微咸水直接灌溉、咸淡水混灌、咸淡水交替灌溉。其中，咸淡水混灌和咸淡水交替灌溉是目前运用比较广泛的灌水方式。

朱瑾瑾等分析了3种矿化度水平和两种交替次序(咸淡交替灌溉、淡咸交替灌溉)条件下黄河三角区滨海盐碱土水盐变化规律，得出用3 g/L的咸淡交替灌溉有利于降低土壤盐分[27]。杨培岭等探究了微咸水和地下水在不同交替灌溉方式下的土壤水盐分布规律，结果表明，在相同土壤深度，“地下水-微咸水-微咸水”交替灌溉方式下土壤含水率和电导率最高[28]。此外，一些学者研究了间歇供水时微咸水对土壤水盐运移的影响，刘小媛等设置了四种间歇时间和三种咸淡水组合比例，进行了咸淡水间歇组合灌溉，结果表明，间歇组合灌溉土壤脱盐率显著高于微咸水直接灌溉，且不同间歇时间、组合比例对土壤脱盐的影响均达到显著水平[29]。

综上所述，不同的灌水方式对土壤水盐分布和运移过程的影响十分显著，为了更安全高效地利用微咸水灌溉，应该因地制宜，采用更加适合当地作物生长发育的灌溉方式，使土壤耕地资源可持续利用。

3.2 灌水方法

灌水方法是指把灌溉水分配到田间，对作物实施灌溉的技术措施，也称灌水技术。目前常见的灌水方法可分为两类：全面灌溉(沟灌、波涌灌、喷灌)和局部灌溉(渗灌、滴灌)，其中沟灌、喷灌、滴灌是微咸水灌溉的主要方法，主要集中在对灌溉水质、作物生长和灌溉模式等研究上。

郭安安等分析了不同水质和滴头流量的微咸水，滴灌入渗后土壤水盐运移的变化，发现灌溉水矿化度越大，盐分积累量越大；滴头流量越小，土壤表层脱盐效果越好[30]。王天宇等对比了微咸水滴灌和喷灌两种灌溉方法对冬枣效益的影响，研究表明，微咸水滴灌在更少灌溉定额的条件下，能更好地保持表层土壤的含水率，减轻土壤盐渍化，利于冬枣的生长[31]。另外，刘精凯等提出了将滴灌和微喷灌两种模式相结合的方法：滴灌可采用水肥一体化模式进行灌溉，将微喷灌应用于高茎作物的打药，进一步完善微咸水农业灌溉模式[32]。

近些年，将这些灌水技术与不同的灌水方式相结合，形成更加安全高效且适合当地生产实际的方法是目前研究的重要课题。郭力琼等采用了四种交替滴灌模式研究土壤水盐分布规律情况，结果表明，交替模式在2～6m的深度层含水率大于咸淡水的含水率，咸淡水交替滴灌可以有效调整土壤中水盐的分布[33]。解学敏等研究发现，在全生育期相同咸淡水灌溉量的情况下，选择咸淡水交替隔沟灌溉方式的土壤盐分积累量最小，较全淡水灌溉可以节约50%的淡水量[34]。

4 基于微咸水水质标准的精准安全灌溉

4.1 灌溉水质标准

微咸水安全灌溉的水质标准可以用咸水矿化度阈值来表示，是指与淡水灌溉或非盐渍土相比产量不造成显著减产的灌溉水或土壤盐分含量的最高值，是微咸水资源安全高效利用的关键指标[35]。

宋有玺等通过农田控制试验研究了微咸水膜下滴灌对棉花生长发育和产量的影响，结果表明民勤绿洲区种植的棉花灌溉水矿化度阈值为3.51 g/L，高于此阈值则会造成作物的减产[36]。王辉分析了华北平原地区3种作物可用水源的矿化度阈值，得出华北平原地区冬小麦、棉花和玉米的耐盐度阈值的范围分别为3～4、1～5和3～4 g/L[1]。李佳等在河北省旱农节水实验站9年的试验表明，冬小麦多年咸水矿化度阈值为2.14～3.95 g/L，通过综合考虑产量和土壤盐分累积的风险确定了河北低平原冬小麦长期灌溉咸水矿化度阈值为2.14 g/L[35]。

4.2 精准安全灌溉

目前在我国，基于阈值管理思想的微咸水精准安全灌溉的研究还处于起步的阶段。不同于一般意义上的节水灌溉，其最终目的是在节水的同时，根据土壤含盐量和季节变化规律，实时改变灌溉水的水质，从而合理影响土壤盐渍化进程和作物的生长发育，达到防止土壤盐渍化、提高作物产量和质量的目的。

利用信息技术监测水盐动态变化信息，结合数值模拟分析数据，可以更科学高效地探究微咸水灌溉下土壤水盐动态和作物的产量，为微咸水安全精准灌溉提供指导。

J.Valdes等将环境扫描电子显微镜(ESEM)在静态和动态两种模式下，应用于调查干旱半干旱地区微咸水灌溉条件下土壤响应，发现在微咸水灌溉后土壤的亲水性变化是可以预见的[37]。张素铭等采用野外实测土壤盐分数据与遥感影响相结合的方法，通过土壤盐分敏感波段和光谱参量的筛选，构建了土壤盐分估测模型，较好摸清了研究区土壤盐渍化动态特征及规律变化[38]。Soothar等研究结果表明，SALTMED模型可以很好的预测不同灌溉水质和不同灌溉模式下作物的产量[39]。栗现文等建立并校准了微咸水灌溉条件下的三维模型，应用该模型预测了灌溉前后土壤水盐运移的时空变化[40]。

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准确分析微咸水矿化度阈值，对当地农业灌溉模式和微咸水安全利用有着重大的意义。水盐监测和数值模拟技术可以实现长时期的监控预测，能更加全面准确的得出该地区作物的微咸水灌溉的安全阈值，实现微咸水精准安全灌溉。

5 微咸水安全灌溉农田改良技术

前人的研究普遍认为，微咸水灌溉虽然增加的土壤盐分有限，但增加了土壤盐渍化的风险[41]。土壤健康对于农业和环境的可持续发展至关重要，是作物生产的前提条件，如果不采取任何的改良措施，长期微咸水灌溉将会导致农作物的产量显著下降[42]。通过调整耕作方式、改变灌排方式、种植耐盐作物、增施土壤调理剂及活化微咸水等改良措施都可以改良土壤，降低土壤盐碱化程度[43]，是解决微咸水灌溉造成的安全问题的有效措施。主要的改良措施包括：水利农业改良措施、生物化学改良措施、活化微咸水改良措施等。

5.1 传统的水土改良措施

传统的土壤改良措施包括农业措施和水利措施。农业改良措施是农业生产过程中普遍应用的技术措施，水利改良措施是土壤水盐调控过程中必不可少的先决条件。

最初的土壤改良措施来自于农业生产管理，如平整土地、深耕晒伐、种植水稻、及时松土、抬高地形、微区改土等[44]。“盐随水来，盐随水去”，根据长期的土壤治理经验，人们逐渐开始采用水利措施控制和排除土壤中的盐分，主要采用的是灌溉淋洗(以水控盐)和排水携盐(带走盐分)，其中灌溉淋洗的应用较为普遍[45]。

陈文娟等探究了水平翻耕措施土壤水盐分布的调控效果，结果表明，与免耕处理相比，水平翻耕作用可以提高土壤的蓄水能力，降低土壤水平渗吸能力及垂直扩散能力[46]。李伟研究了灌区地下水埋深和矿化度时空分布，建议对于土壤返盐较严重的区域采取完善排水工程和灌溉渠道衬砌、井渠结合、竖井代排、改进田间灌水技术以及提高灌溉区管理水平等方面的水利工程措施[46]。

5.2 生物化学改良措施

20世纪70年代，人们发现可以通过添加化学物质改变土壤的离子构成，同时把钠离子淋出到土壤剖面以外；通过施用生物肥料和种植盐土植物来达到增产和盐碱地脱盐的目的[47]。

近些年，有不少学者利用生物炭作为土壤改良剂，为我国土壤改良提供了一个新的方向。Huang等的研究结果表明，生物炭的改良有利于缓解微咸水灌溉对小麦植株的不利影响，提高小麦生育期叶面积指数和光合作用[50]。许健研究了生物炭对土壤水盐运移的影响，结果表明，生物炭对土壤的持水能力、地下水补给量、土壤蒸发、土壤盐分表聚现象和土壤可溶性盐离子的运移速率均有显著的影响[51]。

由此看来，利用生物化学改良技术可以在一定程度上改善土壤的理化性质，缓解土壤盐渍化的进程，但是这种改良治理措施并不是一劳永逸的，化学改良剂的施加可能在土壤中产生新的有害物质，破坏耕地和作物生长的环境。

5.3 活化微咸水改良措施

活化灌溉水是利用磁化、去电子和增氧等方法对灌溉水进行处理，改善灌溉水的表面张力、溶解氧等理化性质，从而提高灌溉水的活性，增强灌溉水的生理功效[52]。

阎腾飞等研究了两种磁化处理灌溉方式对滨海盐碱地土壤盐分时空分布特征及变化规律，结果表明，磁化水灌溉可以降低土壤盐分表聚，有效促进盐碱地土壤脱盐[53]。王全九等通过一系列磁化或电离化微咸水理化特性试验，发现表面张力的相对减少量与溶氧量的相对增加量之间存在显著的指数函数关系，提出可以用表面张力相对减少量作为定量评价指标，对活化微咸水的理化特性进行综合性定量评价，以判断不同活化方式的活化效果[54]。可以看出，活化微咸水灌溉改良技术不仅设备要求简单，而且对环境不造成污染，在农业生产上已经展现出巨大的应用前景。

目前的水盐调控措施已经从传统的水土改良措施转移到多学科综合性的改良研究上来[45]。因此，根据灌溉区的特点，有机地结合各种改良措施，可以有效减缓土壤次生盐渍化的进程，实现微咸水农田安全灌溉的目标，达到灌溉区水盐综合调控的目的。

6 未来微咸水农田安全灌溉的研究重点

(1)加强微咸水资源安全灌溉理论研究。开展不同气候条件、不同土壤质地、不同供水条件、不同作物的安全灌溉研究。从微咸水资源、土壤、农作物、地下水作为整体开展系统综合研究，揭示长期微咸水灌溉条件下土壤盐分、土壤结构、作物生长等的变化规律。

(2)完善微咸水资源安全利用标准。目前我国尚未制定统一的微咸水安全灌溉水质标准，仅部分地区制定了微咸水灌溉的地方标准，标准体系并不完善，从客观上制约了微咸水资源的开发利用。需要在农田实践研究的基础上，发展因地制宜、因时制宜的监测模拟技术，制定适用于不同作物、不同地区、不同生长发育时期的微咸水精准灌溉的安全标准。

(3)开发微咸水资源综合利用模式。将微咸水灌溉方式、灌溉方法、农田调控措施等相结合，形成微咸水安全灌溉的综合技术模式，指导缺水地区微咸水安全高效利用。