农田水盐调控现实与面临问题

王全九,邓铭江,宁松瑞,孙 燕

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西西安 710048)

土壤盐碱化是全球农业生产和粮食安全面临的主要挑战[1]。中国作为受土壤盐碱化危害最为严重的国家之一,现有盐碱土地约2 700万hm2,占全国中低产田面积的13.7%[2]。中国干旱半干旱地区的土壤盐碱化问题尤为突出,如西北旱区盐碱化耕地面积约占耕地面积的15%,新疆更是被喻为世界盐碱地博物馆,其盐碱化耕地约233万hm2,占耕地面积的37.7%[3]。中国受盐碱胁迫影响的农田面积大、类型多、分布广和危害重,并伴随着淡水资源短缺、水环境污染和生态环境脆弱等问题,直接影响着重要粮食、棉花、瓜果等农产品生产基地的可持续发展,威胁粮食安全、土地安全和生态安全,影响脱贫攻坚计划与乡村振兴计划的实施[3-4]。

目前,农田水盐调控研究主要集中在根据地域(如新疆、河套平原等)特点分类治理[3,5]与农业开发利用[4]等方面,相关领域已取得了许多成就,但在盐碱地水盐调控的可持续性方面仍存在不足[4]。近年来,随着全社会生态环保意识的增强,农业生产不仅要满足人类对农产品数量及质量的需求,还要求提高农业生产资料循环利用率和改善生态环境,从而构建绿色、高效、可持续的农业发展模式。对盐碱化地区而言,农业生产与水土资源高效、可持续利用是相互促进、相互制约的有机整体,只有协调农业生产与土地盐碱化防治之间关系才能提升水土资源利用效率,实现农业生态系统良性循环。因此,明晰土壤盐分累积动态特征以及各种调控措施的特点,阐明各种改良措施作用功效,将高效节水灌溉、灌溉水质调控、土壤改良、科学施肥和光能利用效率提升等技术有机结合,并与农业水土肥高效利用模式相融合,才能科学治理盐碱化土地和提高水土资源利用效率,实现土地资源可持续利用及其生态环境协调发展[6]。

1 农田土壤盐分累积及其对土壤-作物系统功能的影响

中国盐碱土主要分布在华北、东北、西北及滨海地区[4]。近年来,随着设施农业和高附加值农产品种植业的快速发展,西南和华南地区的农田盐碱化问题已逐渐显露。在自然因素和人类活动等影响下,中国部分地区(如新疆)的盐碱化、次生盐碱化耕地面积呈现增加趋势[3]。

1.1 农田盐分累积特征

农田盐分主要来源于含盐的土壤母质以及潜水蒸发、农田灌溉和施肥、地表水体渗漏带入的盐分。北方地区已开发利用的农田盐分主要来源于土壤中残余的盐分以及固有或临时的地下水；滨海地区的土壤盐分主要来源于海水入侵引起的地下水；设施农业和高附加值农产品生产区的土壤盐分主要来源于灌溉、施肥带入的可溶性盐分。

由于盐分来源不同,土壤盐分的累积特征及化学组成存在差异。潜水蒸发是引发土壤盐碱化的主要原因,盐分累积强度取决于大气蒸发能力、土壤导水能力、地下水埋深和矿化度等[2]。对地下水埋深较浅的农田,随着土壤质地由轻变重，土壤盐分累积量逐渐降低。若土壤剖面存在(黏土或沙土)夹层,可减缓可溶性盐随毛管上升水向表土的迁移、累积过程；随着夹层厚度增加和夹层埋深降低,其控制盐分累积的效果愈明显[7]。设施农业土壤盐碱化类型和程度与其施加的化肥类型和灌溉水水质及数量有关。此外,土壤盐分累积过程可利用具有物理意义的动力模型和经验公式进行评估[2]。

1.2 农田盐分对土壤-作物系统功能的影响

为评估农田盐分对土壤-作物系统的影响,可将其危害概括为影响土壤供养能力和作物生产能力2个方面。

1.2.1 盐分对土壤供养能力的影响

1.2.2 盐分对作物生产能力的影响

生物量形成过程实质上是通过光合作用将太阳能转化为化学能的过程。因此,作物生产能力主要取决于气孔行为及光合作用器官数量等。盐胁迫引起植物叶片的气孔关闭,造成气孔导度减小、蒸腾速率及细胞间CO2浓度下降、PSⅡ反应中心活性减弱,导致植物受到光抑制、净光合速率降低[12-13]。另一方面,光合作用的主要载体是叶绿素,叶绿素在酶的催化作用下将CO2与H2O合成为碳水化合物,光合作用的强度和效率取决于叶绿素数量、光合作用所需要的原料、能量和酶活性。Fe2+是叶绿素形成的主要元素之一,盐碱土壤中铁离子以Fe3+存在,叶绿素形成数量和速度受到影响。盐胁迫也使叶绿体重类囊膜成分与微结构发生变化,破坏了膜的光合特性。同时,光合作用所需要的水分来源于土壤,由于盐碱胁迫下的土壤溶质势和基质势改变,降低了根系吸收和传导水分、养分的速率。光合作用所需要的能量来源于作物呼吸,而盐碱胁迫土壤的气态氧和溶解氧浓度下降,影响了光合作用所需的能量供给,导致光合效率下降。此外,根区盐分离子破坏植物细胞内生物大分子的结构和活性,造成植物生理代谢紊乱；土壤中盐分离子的存在增大了土壤溶液渗透压,导致根系表面的细胞膜透性增加,抑制了植物根系吸取土壤水分、养分的能力。最后,盐碱胁迫抑制植物组织和器官的生长、加速了植物发育进程,使其营养生长期和开花期缩短,影响了作物产量和品质[14-15]。特定土壤水盐环境下,不同气候条件和作物类型对盐碱胁迫的反应程度不同,可利用盐分胁迫系数[16]来综合定量表征盐分对作物根系吸收及生长过程的影响。

2 农田水盐调控措施作用特点

2.1 农田水盐调控发展历程

农田水盐调控是随着人类对粮食等农产品需求量增加、并伴随着灌溉农业发展而产生的[17-20],纵观农田盐分调控发展历程及其特征,依据土壤水盐调控理念,大体可分为4个阶段。

第1个阶段称为大水压盐阶段。1940年以前,以淡化土壤盐分浓度为理念,采取大水灌溉驱赶根区盐分方式,在满足作物对水分需求的同时,淋洗和稀释土壤盐分。但由于灌水量大,导致地下水位上升,加剧了土壤盐碱化发生速度和程度,提示人们需要采取灌排结合方法,才能实现农作物稳产高产。在此阶段,一些盐碱土壤种植水稻等农作物,出现了生物改良技术。

第2个阶段为灌排除盐阶段。1940—2000年期间,随着胡可定理为代表的排水理论的诞生与发展,以排除根区盐分和控制盐分来源为盐碱调控理念,开启了排水技术大面积应用时代。以灌排措施为主,并逐步与生物、化学、农艺措施有机结合,在排除土壤盐分的同时改善了土壤质量,取得了显著成效,大面积盐碱化土壤得到有效改良[21-22]。

第3个阶段为节水抑盐阶段。2000年至今,随着淡水资源短缺和农业水资源供需矛盾日益突出,迫切需要发展节水型农业生产方式,这就需要革新治盐理念,发展新型农田水盐调控模式。以土壤盐分与作物生长和谐共处为理念,将抑制土壤盐碱胁迫与作物水分高效利用有机融合,发展了以膜下滴灌开发利用盐碱地和土壤次生盐碱化防治技术为代表的节水抑盐型水盐调控方法[19-20],并与生物、农艺、化学等改良措施结合,取得了显著经济效益,推动了节水型农业现代化进程。

第4个阶段为控害增效阶段。近年来,随着人口增长和对粮食需求的增加、全社会对生态环境保护及可持续发展的日益重视,农田水盐调控逐渐进入控害增效阶段。农业生产不仅要满足人类对农产品数量和质量的需求,而且要提高农业生产资料循环利用率和改善生态环境,构建绿色、高效、可持续的农业发展模式,实现农业生产提质增效和盐碱胁迫土地可持续利用。

图1 水盐调控措施作用机理示意Fig.1 Schematic diagram of action mechanism of water and salt control measures

2.2 农田水盐调控措施作用特点

通过前人大量研究、实践,目前已形成、发展了不同类型和功能的盐碱胁迫农田水盐调控方法,包括水利措施、化学措施、生物措施和农艺措施,各种措施的调控途径和作用机理不同(图1)。

(1) 水利措施。水利措施的核心是控制土壤盐分来源和排除土壤已有盐分,促进作物生长,进而增加土壤有机质,改善土壤结构。对地下水位较浅的地区和重度盐碱化农田,应采用排水措施[23-25],田间较合理的明沟间距通常为100～200 m,沟深为2.5～3.0 m,控制地下水位在2 m以下。但随着淡水资源短缺和生态环境保护等问题出现,需要改良水利措施,将农田排水与弃水处理技术有机结合,发展绿色水利改良措施。

(2) 化学措施。化学改良措施的本质是通过施加化学物质(见表1)降低土壤中有毒害作用的盐离子(如Na+)、调节土壤pH及养分、促进土壤团粒结构的形成。主要通过施加富含Ca2+、Mg2+元素的石膏等,置换土壤胶体吸附的交换性Na+；施加含有酸碱缓冲作用的化学物质(硫酸亚铁、磷矿石等),调节土壤pH；施加具有巨大表面积、复杂分子结构的化学物质(有机炭、PAM等),既具有吸附和固定Na+功效,又有利于促进团粒结构的形成,降低土壤容重[26-28]。近年来,具有改良土壤结构、增进土壤养分功效、提高作物抗逆性以及改善作物品质、环境污染小等优点的腐植酸类肥料被广泛应用。但施加各类可溶性化学物质可能存在降低土壤溶质势和引发土壤污染的风险。对轻度、中度盐碱化农田,化学措施与灌溉技术结合会取得显著效果；对重度盐碱化农田,化学措施需配合水利措施。

表1 常见化学改良剂的田间施用模式

(3) 生物措施。生物措施的实质是种植耐盐碱植物以减少土面蒸发及返盐,通过植物根系吸收部分土壤盐分并在收获后移走地上部,以降低土壤盐碱程度。如在新疆膜下滴灌棉田间作碱蓬和盐角草,显著提高了土壤脱盐率(26%和13%)、有效增加了K+/Na+并降低了Cl-含量,促进了土壤容重下降及孔隙度增加,有助于棉花增产[29]。一些地区(如内蒙古)采用耐盐性牧草和作物轮作方式,培育土壤肥力和改善土壤结构,实现盐碱化土壤改良的目的。此外,生物技术可与微生物技术结合,将改善土壤结构与提升微生物活性有机融合,为作物生长创造良好土壤环境[30]。该措施适用范围广,但需要根据土壤盐碱化程度和植物耐盐性与其他改良措施结合应用。

(4)农艺措施。农艺措施包括地面覆盖[20]、农田中耕、重构土壤层次构型[7]、秸秆还田[31]、掺沙[32]、作物轮作与混作、休耕、配施有机肥和无机肥[30]等。这些措施具有控制盐分向根区累积、增加土壤有机质、改善土壤质地与结构、提高土壤肥力、促进作物生长的作用。该措施通常与水利、化学和生物措施结合应用。

不同措施的适用条件和作用功效存在差异,需要多措施综合应用[33]。对重度盐碱化农田,建议将排水措施与灌溉洗盐、化学改良、地面覆盖和生物技术结合应用；对中度盐碱化农田,可将灌溉洗盐、化学改良、地面覆盖和生物技术结合应用；对轻度盐碱化农田,建议将灌溉控盐、地面覆盖和耕作结合应用。

3 农田水盐控害增效调控关键技术

农田水盐控害增效调控是指有利于土地质量改善和作物健康生长、对农产品质量和生态环境不构成威胁、促进农业水土资源可持续利用的水盐调控方法。

3.1 调控理念

盐分主要从土壤供养能力与作物生产能力2个方面影响土壤-作物系统功能,需从土壤盐分累积特征、危害途径与程度及其治理措施的作用效能入手,创新盐碱化土地治理模式。综合考虑土壤盐分累积特征、危害途径和调控措施效能,以“提升土地生产能力,促进作物健康生长,协同生态环境效应”作为盐分控害增效调控理念。通过调控根际水盐传输动力特征、重构农田水盐分布空间格局、提升农业改土促生措施功效等方式,创建盐碱胁迫农业生态系统水盐调控技术体系,具体如图2所示。

图2 水盐调控理念与技术体系Fig.2Concepts and technical systems of water and salt control

3.2 调控关键技术

以“绿色、高效、可持续”调控为出发点,创新与优化调控措施的功能,构建根际—农田—区域(灌区)不同尺度控制盐分危害、改善土地质量和促进作物生长的调控模式,需重点解决如下关键技术问题。

3.2.1 根际尺度控害促生技术

以改善作物根区土壤环境为主要任务,发展提高土壤供肥能力和根系吸收养分能力,促进作物生长的改良技术。

(1) 改土控盐促生的化学与生物和微生物技术。研究和开发促进土壤盐分淋洗和有害离子形成络合物和螯合物、养分存储和供给能力的化学和微生物技术,如研发腐殖酸类生物刺激素、生物炭纳米化改性、盐碱地耐盐促生菌等生物技术,降低盐分对土壤和作物的危害,提升有益微生物和酶的活性,提高养分转化与利用效率,改善土壤结构和供水供肥供能能力。同时,强化耐盐植物培育,通过种植耐盐性高的植物,合理配施微生物有机肥和绿色有机肥及秸秆还田(50%生物量),发展有效控制盐分危害与提升地力的作物栽培模式,提高土壤有机质含量和改善土壤结构,降低盐分对土壤结构和作物生长的危害。

(2) 水肥电磁气一体促生抑盐控污技术。采用活化灌溉水(磁化、去电子、增氧等)技术、节水灌溉(滴灌和微喷灌等)技术与施肥技术有机结合,在调控根区盐分的同时为作物生长提供适宜的土壤水分、养分环境,通过水肥耦合效应缓解盐胁迫对作物生长的不利影响。采取科学的水肥盐调控措施(如间歇施肥驱盐技术),将土壤盐分控制在主根区以外,将养分施加在主根区中部,以减少养分挥发和深层渗漏损失,减少土壤温室气体排放和N、P等对地下水污染。同时,强化氨基酸等绿色肥料研发与应用,将有机肥与无机肥、大量营养元素(N、P、K)与中、微量元素(Fe、Mg、Zn、Mn等)合理配施,促进土壤供水、供肥和供能能力提升,提高作物光合效率和水肥生产效率。

3.2.2 田间尺度控害增效技术

以抑制田间盐分累积及危害为出发点,创造适宜作物生长的农田水土环境,促进农田水、气更新效率,提高水肥利用效率。

(1) 控蒸抑盐绿色地面覆盖技术。地面覆盖是干旱半干旱地区控制土面蒸发和改善根区土壤水盐热环境的重要手段,强化秸秆熟化与覆盖技术研究与应用,接种生物菌剂进行秸秆好氧堆肥快速还田。在控制根区盐分累积的同时,提高土壤有机质含量,实现根区土壤质量提升与控制盐分累积双重目标。研发可降解薄膜,改进现有薄膜回收利用技术,大力提升薄膜控蒸抑盐提温等功效,提出干旱半干旱地区农田适宜的耕作与覆盖模式,为作物生长创造良好的农田水、肥、气、热、盐环境。

(2) 降盐补氧排水技术和排水再利用技术。在农业绿色发展背景下,农田排水系统不仅需要满足控制地下水与排除土壤盐分的要求,而且可在作物生育期为根区提供氧气,促进盐渍地区作物根区的气体更新。在明晰暗管排水补气系统水气耦合传输特征的基础上,开发排水-补气一体化暗管系统。同时加强农田排水再利用技术的研发,发展绿色能源驱动的咸水处理技术(如膜技术、纳米材料吸附技术等),控制农田排水对下游水体污染。在滨海或排水不畅区域,发展井排井灌与增氧结合技术,促进根区土壤气体更新和提升微生物活力及根系吸收能力。在干旱荒漠地区,可将农田排水作为生态用水,用于改善荒漠区的生态环境。

3.2.3 区域或灌区尺度

通过综合调控区域或灌区水盐传输与转化过程,优化区域“四水”转化动力与阈值,降低盐分累积风险和实现水资源高效利用,发展区域水、土、盐、作物精准管理与农业资源高效利用方法,促进农业生产与生态环境协调发展。

(1) 区域或灌区大气水-地表水-土壤水-地下水联控技术。在区域尺度上,根据土壤盐分淋洗与累积动力机制和主控因子以及水资源状况,明确区域地下水对盐分输送功能和区域内“四水”转化特征,建立“四水”互作的作物生育期和非生育期土壤盐分调控方式。在生育期内,对降雨量较小地区,利用物理、化学方法创造根区下部水分零通量面,控制地下水向土壤输送盐分,并通过适量灌溉将根区盐分淋洗至根系层以下,避免过量灌溉引发地下水位的上升问题；对降雨量较多地区,将降雨与灌溉淋盐及排水技术有机结合,降低区域地下水提升风险。在非生育期,将地表水灌溉淋盐和地下水位调控有机结合,在确保地下水控制在安全深度的基础上,将盐分输送到潜水中,避免大水压盐与地下水位提升之间恶性循环。为有效控制区域排水对水环境污染,建设区域降盐性湿地或农业生态保护区,发挥河流、湖泊、草地、林地、荒地或沙漠区的储盐功能,发展绿色能源驱动的农田排水降盐技术、旱区植被生态用水调控技术,实现区域排水资源高效、安全利用。

(2) 区域或灌区物质与能量精准监测与智能管理技术。为实现区域水盐绿色、高效、精准调控,构建区域大气-土壤-地下水-作物系统的特征指标智能监测系统,研发农业生态系统水、肥、气、热、盐、光等要素的精确而快速测定设备,以及适应不同情形下大气-土壤-地下水-作物系统物质和能量传输与转化预测分析系统。明确典型气候、土壤、地下水、盐分类型、种植模式和灌排方式下,相关生态单元的水分、盐分、养分、氧气和温度的适宜范围和临界阈值,发展综合评价区域内及区域间调水工程对区域或灌区水盐传输与分布作用效应评价方法,创建高效、精准的区域物质传输与能量转化的智能化管理模式,实现经济效益和生态环境效益最大化。

4 结论与展望

经过前人不懈创新和实践,目前已发展了不同类型和功能的盐碱胁迫农田水盐调控方法,为盐碱胁迫农田水盐控害增效奠定了坚实理论基础和提供了有效方法。为发展绿色、精准、高效的盐碱胁迫农田土壤环境调控模式,仍需要强化如下基础科学问题的研究。

(1) 根际尺度。系统解析土壤盐碱胁迫对作物生产能力和土壤供养能力限制的关键过程和主导因子,构建综合考虑土壤水、肥、气、热、盐胁迫的根系吸水吸肥模型,为发展适宜的作物生境绿色调控方法指明方向；深入研究盐碱环境下微生物生存条件与活性,发展有益生物菌生存的适宜土壤环境构建方法；研究土壤中气态氧和溶解氧相互转化机制及其消减过程,创建土壤氧快速更新的理论,阐明生物刺激素控盐促生机制,提出考虑微生物作用和土壤供养能力为一体的土壤质量综合评价方法；系统研究不同类型盐碱化土壤中矿质营养元素供应能力与作物需求间关系,阐明土壤-作物系统电子转移的作用机制,明确控制电子转移的主导因子,提出强化土壤-作物系统电子转移及提升土壤供养能力和作物生产能力的方法。

(2) 田间尺度。系统研究活化水灌溉提升土地生产力和促进作物生长的内在机制,发展活化水灌溉与化学措施和农艺措施耦合营造作物适应生境的方法；创新接种生物菌剂进行农业废弃物好氧堆肥理论与方法,发展适宜田间大规模应用的秸秆堆肥与快速还田技术,明确土壤供肥能力与人工调控作用效能；阐明不同气候和土壤条件下的灌排方式、施肥模式、种植及耕作模式、地下水及作物病虫害防治等调控方法的控盐促生作用功效,提出农田水、土、光、热资源高效利用与绿色控制方法。

(3) 区域或灌区尺度。系统研究水利措施、化学措施、生物措施和农艺措施耦合作用效果与适用性,发展定量优化水利措施、化学措施、生物措施和农艺措施耦合作用的区域水盐绿色调控方法；创建综合考虑土壤环境要素(水、肥、氧、热、盐等)和气象要素作用效能的区域通用作物生长模型,为区域盐碱胁迫作物生境的精准调控与数字农业发展提供有效方法；系统研究区域或灌区内河湖、湿地、草地、林地、荒地与农田间的水盐交换机制,提出基于区域水体和土地安全的灌区排水排盐控制标准与评估方法,构建区域或灌区水盐调控与水体质量及生态用水的实时预报与预警系统。