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  地理资源所构建咸水/微咸水滴灌新理论新技术

  地球表面71%左右是海洋,97.5%水资源是咸水,淡水只有2.5%。随着全球人口数量增加和社会经济发展,淡水资源紧缺的形势日益严峻。我国人均水资源量只有世界平均水平的1/4,水资源时空分布极其不均,缺水问题更为严重。农业是用水大户,但全球农业灌溉用水仍以淡水为主,大量咸水/微咸水资源尚未得到很好利用。据测算,我国最缺水的华北地区,每年2-5g/L的微咸水资源量高达60亿m?(矿化度高于5g/L的咸水不计算在内)。

  人类在咸水灌溉方面的探索和实践已有数百年,咸淡混灌/轮灌的地面灌溉技术与耐盐作物和盐生作物(林木)相结合,已将3g/L以下的微咸水用于棉花、小麦、玉米等农业生产。以色列于20世纪70年代开始研究咸水/微咸水的滴灌技术,在淡水资源缺乏的地区利用微咸水栽培番茄和黄瓜,利用咸水栽培椰枣,发现农产品品质明显优于淡水灌溉的农产品,且市场售价要高于淡水灌溉的农产品。然而,如何有效淋洗随咸水/微咸水灌溉进入土壤中的盐分以维持土壤的盐分平衡、如何补偿因咸水/微咸水灌溉降低的土壤渗透势为作物根系吸水创造良好条件,仍是尚未解决的科学技术问题。

  从2002年开始,中国科学院地理科学与资源研究所国家杰出青年科学基金获得者、中科院“百人计划”、中科院特聘核心骨干研究员康跃虎带领的研究团队历时16年,先后在北京通州、天津静海、宁夏平罗、河北唐山曹妃甸建立试验基地,系统研究滴灌条件下盐分运移规律、水盐耦合过程、灌溉水矿化度对番茄、黄瓜、糯玉米、油葵、棉花、豆角、枸杞、红枣、冬枣、月季、白蜡等20多种植物(作物、林果和绿化植物)的出苗(成活率)、生长、耗水、产量和品质等的影响机制,很好地解决了上述科学技术问题,构建起自成体系的咸水/微咸水滴灌新理论新技术。

  (1)按照该研究团队提出的方法确定合理的灌水器流量和间距,采用垄作和地表覆盖(地膜覆盖、秸秆覆盖、黑色塑料网覆盖),当特征点(滴头正下方20cm深度处)土壤基质势下降到-20kPa时灌溉,每次灌水量7-10mm左右,就能有效淋洗随灌溉水进入土壤中的盐分。原北京通州试验基地和天津静海试验基地的试验结果表明,当灌溉水的电导率不超过4.9dS/m(约3g/L)时,土壤盐分随灌溉年限增加不会明显增加。当灌溉水电导率为5-11dS/m(约3-7.0g/L)时,虽然土层内的土壤盐分在第一年会有所增加,但随后基本维持平衡,不再随灌溉年限增加而增加。尽管油葵、糯玉米、黄瓜的出苗率会随着灌溉水矿化度的增大而降低,但如果每穴播种3粒种子,即使灌溉水电导率高达10.9dS/m(矿化度约7g/L),按穴计算的出苗率能达到80%以上,能满足生产需要。

  (2)按照特征点土壤基质势下限为-20kPa灌溉时,土壤基质势可有效补偿因灌溉水含盐量高而降低的土壤渗透势,盐分对产量的影响明显减小。原天津静海试验基地的试验表明,当电导率每升高1dS/m,番茄、黄瓜、油葵、糯玉米的产量分别降低6.7%、7.5%、1.7%、1.4%,产量降低比率大大低于国际同行的研究结果。作物的耗水量随着灌溉水矿化度的增加而明显减少,灌溉水电导率每增加1dS/m,番茄、黄瓜、油葵、糯玉米的灌水量分别减少约4.5%、5.6%、9.7%、4.5%,虽然增加了盐分淋洗水量但并未明显增加总灌水量,而且总体上有减少。(注:试验是在灌溉水电导率不超过10.9dS/m,即灌溉水矿化度约小于7.0g/L的情况下完成的)

  (3)按照技术要求在宁夏平罗(西北干旱区)高矿化度地下水浅埋区的重度盐碱地上,当土壤含盐量高达1.3-1.5g/L(盐土)、地下水为咸水且埋深不超过50cm甚至经常溢出地表、灌溉水矿化度高达7.5g/L时,采用“大高垄+垄面覆盖”枸杞等林果栽培模式,枸杞栽植后第1-2年(苗期)每天上午和下午各滴灌2mm咸水,2年后按照特征点土壤基质势下限为-10kPa确定灌水时间、每次灌水量5-7mm,不需要前期进行土壤改良、不需要修建大型灌排系统,土壤含盐量便迅速减少并从第一年开始基本稳定,根区土壤细菌、真菌和放线菌种群数量从很少(甚至接近于“零”)开始快速增加并到第四年基本达到正常农田水平,枸杞生长旺盛、产量高、口感好,多项指标达到或远超特优等级。

  (4)采用提出的包括“强化盐分淋洗阶段”、“正常盐分淋洗调控阶段”、“精准水盐调控灌溉阶段”的微咸水精准灌溉原土水盐调控“三阶段”理论、滨海盐碱地微咸水滴灌快速脱盐方法、多年生植物栽植土壤水势补偿与抑盐水盐调控方法、抗堵塞管道和灌水器清洗方法等,在曹妃甸(华北半湿润滨海地区)试验基地的沙质和泥质重度滨海盐碱地上,即使考虑大规格乔木栽植的情况下,3(沙质盐碱地)-12个月(粘质盐碱地)0-0.9m土层的盐土便很快成为中轻度盐渍土,24个月(2年)内0-1.6m深度(砾石隔离层以上)的盐土便全部成为轻度盐渍土。景天、金娃娃萱草、鸢尾、荷兰菊、石竹、白蜡、野山楂、木槿、构树等植物在泥质盐碱地上灌溉水矿化度高达3g/L时、沙质盐碱地上灌溉水矿化度高达3g/L-5g/L时,成活率能达到90%以上。(注:因滨海地区地下水埋深很浅且排水困难,加上考虑充分利用雨水和乔木根系发展对土层厚度的需要,试验时在1.6m深度处设置了砾石隔离层,以起到切断毛管抑制盐分上升的作用)

  (5)建立了番茄、黄瓜、糯玉米、油葵、棉花、枸杞等作物的咸水/微咸水滴灌技术体系,以及景天、金娃娃萱草、鸢尾、荷兰菊、石竹、月季、紫花醉鱼木、白蜡、野山楂、木槿、竹柳、构树等植物的重度滨海盐碱地原土园林绿化技术体系。

  康跃虎研究团队构建的咸水/微咸水滴灌新理论新技术,实现了真正意义上的精准水盐调控,只要控制特征点土壤基质势,不但可以有效淋洗随着灌溉水进入土壤中的盐分,而且能够有效补偿因灌溉水矿化度高而减小的土壤渗透势,在有效地维持土壤盐分平衡的同时,作物的产量明显高于已有技术。鉴于所形成的技术简便、可操作性强、成本低、效果好,并已形成了成套的技术产品,有15年以上的试验基础和验证,加上农作物品质(例如蔬菜作物的口感明显好于淡水灌溉的蔬菜作物)明显优于淡水灌溉的农作物品质,具有很好的推广应用前景。


天津静海咸水滴灌试验基地


5.5gL咸水滴灌试验油葵生长状况(天津静海试验基地,2008年7月23日)


7.5gL咸水滴灌试验枸杞生长状况(宁夏平罗灵沙试验基地,2011年7月19日)


  微咸水(矿化度1、2、3、4、5gL)滴灌试验金娃娃萱草等绿化草本花卉生长状况(河北曹妃甸试验基地,2017年5月17日)