咸水灌溉影響耕地質量和作物生產的研究進展

摘    要：水資源是基礎性自然資源和重要戰略資源。鹽堿地多分布于干旱半干旱地區, 淡水資源短缺是鹽堿區農業可持續發展的主要限制因素。同時鹽堿區較為豐富的咸水微咸水資源、土地資源和光熱資源等為鹽堿區農業可持續發展提供了可能。本文針對咸水灌溉影響耕地質量、作物生長、產量和品質等問題, 綜述了基于水質的咸水分類、咸水灌溉制度與灌溉方式和地下水埋深等影響咸水在農業生產中安全利用的因素, 闡述了不同礦化度咸水灌溉, 土壤水力特性、理化性質、溫室氣體排放等土壤質量變化情況和對作物生長發育、產量和品質的影響, 明確了有機物料、咸水灌溉制度、覆蓋和耕作等農藝措施、水肥鹽多因素調控和耐鹽作物適鹽種植等農業措施的作用。咸水灌溉下土壤質量呈下降趨勢, 有機物料的施用、秸稈還田和合理的耕作等調控措施通過影響土壤質量保證咸水的安全利用。與旱作相比, 咸水灌溉可以起到明顯的增產作用, 在合理的咸水范圍內還能提升品質。在新形勢下, 未來將面向國家糧食安全重大需求, 以協同提升土壤質量、作物產量和品質為多目標, 系統開展咸水非充分灌溉、水肥鹽綜合調控、咸水灌溉對土壤質量和作物咸水精準灌溉機理過程研究、技術研發和模式示范工作, 為缺水鹽漬區農業可持續發展提供理論依據和技術支撐。

關鍵詞:咸水灌溉;耕地質量;作物生產;調控措施;

Effects of saline water irrigation on soil quality and crop production: a review

SUN Hongyong ZHANG Xuejia TIAN Liu LOU Boyuan LIU Tong WANG Jintao DONG

Xinliang GUO Kai LIU Xiaojing

Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology,

Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of

Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture University of Chinese Academy of

Sciences

Abstract：Fresh water resources are basic natural resources and important strategic resources. Most of the salt-affected soils are distributed in the arid and semi-arid areas, and the shortage of the fresh water resources is the most important limiting factor for the agricultural sustainable development. Meanwhile, the relatively rich saline water, land resources and solar and thermal resources in the saline alkali areas provide the possibility for the sustainable development of regional agriculture. Facing the problems of soil quality decline and crop yield reduction induced by saline water irrigation, this paper summarized the affected factors for the saline water safely utilization, the impactmechanism of saline water irrigation on soil hydraulic characteristics, soil physical chemical properties, crop growth, grain yield and quality, and so on. Firstly, the fresh water, brackish water and saline water classifications are described according to the different references. The factors affected the saline water safely utilization mainly included saline water quality, irrigation amount, irrigation methods, groundwater table and so on. Secondly, there also have the negative effects on the soil quality which increased the salinity in surface soil, destroyed soil structure, and further affected the soil hydraulic characteristics, water infiltration and the salt distribution, affected the greenhouse gas emission, and so on. Thirdly, the crops would grow slowly even die because of the lower photosynthesis rate after the saline water irrigation. However, most of the treatments irrigated using the saline water could improve the grain yield compare with the rained treatment, and improve the grain quality under the optimal salinity water. Most of the crops have own optimal saline water threshold based on the field experiments. Finally, we analyzed the regulation effects of agricultural practices such as organic fertilizer application, straw mulching, tillage, saline water irrigation schedules, cropping system, and salt tolerant crop planting. In the future, with the goal of ensuring food security and water security, we will carry out the mechanism process, technology research and development model demonstration about effects of saline water deficit irrigation, water-fertilizer-salt comprehensive regulation, on the change of soil quality after saline water irrigation, saline water precision irrigation on crop production and ecosystem, and which will provide theoretical basis and technical support for the sustainable development of agriculture in water deficient and saline areas.

Keyword：Saline water irrigation; Soil quality; Crop production; Regulation measures;

水安全與食物安全是人類社會可持續發展的最基本支撐點, 水資源短缺已成為我國食物安全和農業可持續發展的剛性約束[1]。據估計, 全球灌溉面積約為348.5×106hm2, 僅占耕地面積的22.32%, 卻貢獻了世界糧食供應的40%[2]。灌溉對我國糧食增產的直接貢獻率約為36.27%[1]。但是, 我國的糧食生產與區域水資源承載力之間存在不協調問題,尤其是我國北方從20世紀70年代開始為了追求糧食高產高強度的持續抽取地下水灌溉產生了系列的生態環境問題, 迫切需要降低灌溉用水量和開發利用新水源。咸水資源是可利用的新水源之一, 對其開發利用對保障農業可持續發展具有非常重要意義。

據調查, 我國地下微咸水資源約200.0億m3·a-1, 可開采量為130.0億m3·a-1, 其中黃淮海平原地區2~5g·L-1的微咸水資源量達54億m3·a-1[3]。河北省是微咸水分布最多的省份, 2~5g·L-1的微咸水總儲藏量達990.55億m3[3], 但利用率僅為40%, 其中近60%微咸水資源未被農業所利用[3]。同時, 許多學者研究結果表明在干旱情況下利用咸水進行灌溉在一定程度上可緩解農業干旱, 實現作物增產[4,5,6,7]。因此, 適度開發和安全利用非常規水源對提高農業用水保障能力具有非常重要的意義。

伴隨著咸水進入農田, 可溶性鹽離子也被帶入到土壤中, 而可溶性鹽離子將會對土壤理化性質和作物生長發育產生不同程度的影響。因此, 咸水灌溉下如何既能夠既保持土壤質量健康又能減少鹽分離子對作物脅迫副作用是安全充分利用咸水資源的重要挑戰。針對這些問題, 本文綜述了影響咸水灌溉的灌溉水水質、灌溉方式及灌溉方法等因素及其對土壤質量、作物生長、產量和品質及生態環境的影響, 以期為咸水安全高效利用提供理論依據和技術支撐。

1影響咸水安全灌溉的主要因素

1.1灌溉咸水水質

礦化度和電導率是評價和衡量水質狀況的兩項重要指標。礦化度是水中所含無機礦物質成分的總量, 是農田灌溉用水適用性評價的主要指標之一, 用于評價水中總含鹽量, 其基本單位為g·L-1。電導率(EC)反映的是水中離子含量的多少, 其與所含無機酸、堿、鹽的量有一定關系, 其基本單位為dS·m-1。由于礦化度和電導率均是由水溶液中離子的組成和離子的含量決定, 它們之間存在一定的關系, 其在某一特定區域關系相對較為穩定。因此, 許多學者利用兩者之間較好的相關關系選擇利用現場容易測定的水電導率估算礦化度。不同地區和不同咸水濃度下水的礦化度和電導率存在一定差異, 表1為魯北平原區淺層地下水礦化度與電導率數據的相關關系, 該區淺層地下水在礦化度≤3 g·L-1的情況下, 礦化度和電導率之間的關系隨水中不同陰離子化學類型稍有差異, 但電導率與礦化度呈較強的線性相關性[8]。天然水按照水質指標礦化度(離子總量)來劃分可主要分為不同類型(表2), 由于礦化度含量的差異對土壤和作物產生不同的影響, 其不能全部被作為灌溉水使用。按照《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021), 農田灌溉水質基本控制項目中全鹽量標準值為: 非鹽堿區全鹽含量≤1000 mg·L-1, 鹽堿土地區全鹽含量≤2000 mg·L-1, 具有一定的水利灌排設施, 能保證一定的排水和地下水徑流條件的地區, 或有一定淡水資源能滿足沖洗土體中鹽分的地區, 農田灌溉水質全鹽量指標可以適當放寬。結合鹽堿區淡水極度缺乏的情況和前人的研究[4,9,10,11,12], 按照可灌溉水的總礦化度和電導率的大小劃分可以用于灌溉的咸水等級。郭凱等[13]研究了利用12 g·L-1的咸水在濱海重鹽堿區進行結冰灌溉, 灌溉水量為180mm時可以使0~40cm根層土壤含鹽量降低到4 g·kg-1以下, 適于種植棉花、油葵等耐鹽植物。因此, 隨著科學技術的不斷進步, 新材料、新方法和新技術的不斷創新可用于灌溉的咸水礦化度將逐漸增加, 越來越可以被資源化利用。

表1不同陰離子水化學類型礦化度與電導率關系[8]

1.2咸水灌溉制度與灌溉方式

土壤鹽分含量除取決于灌溉水質外, 還與灌溉水量和灌溉時間有關, 而灌溉水量與灌溉方法和灌溉方式有關?？刂仆寥乐械柠}分是確定合理灌溉制度選擇適宜灌溉方式的關鍵。從咸水灌溉方式來劃分, 主要包括: 咸水直灌、輪灌和混灌等[14]。Saggu等[15]研究表明使用溝灌方式可調控土壤水分分布、提高灌溉水利用率、緩解地下水水位上升速度, 有利于土壤鹽分隨溝內水分淋失。國內一些學者發現土壤鹽分含量對溝灌方法和灌溉量較為敏感, 灌溉量增加洗鹽效果越好, 壟膜溝灌模式能降低土壤表層含鹽量, 保留土壤水分, 在相同灌水量情況下, 溝灌的抑鹽效果顯著高于畦灌[16,17], 壟膜溝灌下350mm是河套灌區春玉米田節水抑鹽、增產提質的合理模式[18]。李國安等[19]在石羊河流域研究結果表明利用3.0g?L-1微咸水在拔節到灌漿期灌溉, 灌水量在205~355mm可以保證土壤水鹽平衡和春小麥產量。陳素英等[20]發現畦灌方式下上季冬小麥微咸水灌溉后夏玉米播種前利用67.5~75mm的淡水可滿足耕層淋鹽, 達到夏玉米生長的安全閾值, 夏季降雨量大于300mm時周年土體鹽分可達平衡。郭凱等[13]發現利用礦化度為10 g·L-1和水量分別為90 mm、135 mm和180 mm的咸水冰融水入滲濱海鹽土后, 0~20 cm土壤的脫鹽率分別為29.7%、56.7%和96.2%。因此, 咸水安全利用不僅與灌溉水量和水質相關,還與灌溉制度和灌溉方式等管理方式相關。

1.3地下水埋深

地下水埋深和礦化度不同會通過影響土壤中鹽分的遷移和累積, 進而影響咸水灌溉的安全利用。地下水臨界深度與土壤質地、大氣蒸發力、地表植被和排水等均有一定的關系。劉昌明[21]提出了基于土壤水量平衡、土壤鹽分平衡和潛水平衡的地下水埋深臨界深度不一致。許多學者[22,23,24]對地下水埋深的閾值進行了研究, 發現定水位情況下當地下水埋深為1.5 m時冬小麥產量、水分利用效率較高。當地下水埋深小于1.5m時, 受上層土壤含水量高和通氣性差的影響, 鹽分積累量增加, 鹽害明顯。當地下水埋深大于1.5m時,由于上層土壤含水量低, 冬小麥根系較難利用淺層地下水,其生長也受到抑制。

2咸水灌溉對土壤質量的影響

2.1對土壤水力特性的影響

微咸水在土壤入滲過程中, 由于鹽分離子與土壤膠體顆粒發生作用, 改變了土壤孔隙結構, 影響入滲過程。張盼盼等[25]利用室內土柱試驗研究了微咸水灌溉對土壤水鹽運移的影響, 發現土壤入滲能力與灌溉水礦化度成正比, 土壤累積入滲量與濕潤鋒推進距離呈線性關系; 土壤脫鹽深度為15~18 cm(脫Na+深度為15~16 cm, 脫Cl-深度為22~23 cm)與礦化度水平成反比; 隨著灌溉水礦化度的增加, 積鹽區各土層含水率、含鹽量及其Na+、Cl-濃度總體上逐漸增大, 但脫鹽區差異不明顯。唐勝強等[26]研究了灌溉水質對土壤飽和導水率和入滲特性的影響, 發現粉砂土和黃棕壤土采用微咸水入滲時, 飽和導水率比淡水入滲分別增大3.5%與28.6%, 土壤吸滲率分別增加2.7%與7.6%。在0~3.2 g?L-1礦化度范圍內, 入滲水礦化度的增加增大了鹽堿土的入滲率及濕潤鋒推進速度; >3.0 g?L-1礦化度時, 入滲水礦化度和Na+總量共同影響土壤結構, 土壤入滲能力隨灌水礦化度增加而增加的幅度減小。劉淙琮等[27]研究了不同礦化度咸水(0、5、10 g?L-1)在濱海鹽堿區典型植被白茅、鹽地堿蓬和裸地的水分入滲特征, 發現同一地塊初始入滲率、穩定入滲率和累積入滲量均隨咸水礦化度的升高逐漸增大, 相同礦化度咸水入滲下, 穩定入滲率和累積入滲量由大到小依次為白茅地、鹽地堿蓬地和裸地; 植被類型對濱海鹽堿地水分入滲特性的影響大于入滲水的礦化度。目前, 較多試驗研究表明隨灌溉水礦化度增加入滲能力先增大后減小, 引起入滲能力突變的微咸水礦化度閾值[14,26], 一部分研究結果認為是3 g?L-1, 還有一部分研究結果認為是2 g?L-1。

2.2對土壤理化性質的影響

由于土壤對不同離子的交換吸附作用不同, 隨著微咸水灌溉帶來不同的離子進而影響土壤理化性質。Na+含量的增加, 使土壤鈉質化, 引起土壤顆粒收縮、膠體顆粒的分散和膨脹, 破壞土壤水穩性團聚體, 影響土壤通透性。張余良等[28]在天津通過連續多年的微咸水灌溉模擬試驗發現, 長期灌溉微咸水有惡化土壤理化性狀的趨勢, 土壤表層聚鹽、氯鈉離子比例提高、土壤初始入滲率逐年降低, 短期灌溉則會破壞土壤水穩性團聚體。馮棣等[29]研究了咸水灌溉對棉田土壤理化性質及酶活性的影響, 隨灌溉水礦化度增加, 0~20 cm土層的鹽分、容重和pH值呈增加趨勢, 土壤酶活性和有機質含量降低。研究表明, 當灌溉水礦化度>3.0 g?L-1時, 土壤中Na+總量增加, 導致土壤入滲能力增加幅度變緩, 累積入滲量和穩滲率隨礦化度的繼續升高而減小, 同時由于土壤含鹽量增加, 使土壤通透性降低, 造成土壤板結, 進而抑制土壤酶活性, 降低土壤微生物數量, 最終影響土壤肥力和作物產量[30,31]。Dong等[32]發現經過14年的咸水長期灌溉, 4 g?L-1咸水灌溉對土壤有機碳和無機碳沒有明顯影響, 而利用8 g?L-1咸水灌溉對土壤有機碳和無機碳均有顯著影響。高聰帥[33]研究表明, 隨咸水礦化度的升高, 土壤大團聚體(>0.25 mm)所占比例和團聚體穩定性呈下降趨勢, 下季作物表層土壤中微生物數量減少, 與灌溉1次微咸水相比, 灌溉2次微咸水抑制了土壤中微生物的數量。同時, 鹽分也是影響氮素遷移轉化和吸收利用的重要因素, 影響氮素礦化、硝化等過程。研究表明, 鹽分會抑制以脲酶為主驅動的氮素礦化, 在中輕度鹽堿土中脲酶活性隨著鹽堿化程度加重而降低, 進而造成礦化速率降低[34]; 土壤硝化速率也與鹽分呈顯著負相關, 在中度鹽堿土中, 鹽分對亞硝酸鹽氧化作用的抑制程度強于氨氧化作用, 會造成NO2--N的累積[35]?？傊? 咸水灌溉下耕地質量是下降趨勢, 所以咸水灌溉下如何提升耕地質量仍是當前研究的一個熱點問題。

2.3對土壤溫室氣體排放的影響

國內外許多學者研究了土壤環境因素(濕度、溫度、PH、質地等)、水肥管理及栽培耕作措施對農田溫室氣體(CO2、CH4、N2O)排放的影響。灌溉水礦化度的差異將會影響土壤微生物、土壤動物和各種真菌的數量與活性, 導致土壤環境因素發生變化, 進而影響土壤溫室氣體排放。王帥杰等[36]研究了微咸水灌溉下春玉米田溫室氣體排放規律, 發現3.5g?L-1和5 g?L-1微咸水灌溉處理CO2氣體日均排放通量比2 g?L-1微咸水灌溉處理分別低27.82%和31.16%, N2O氣體日平均排放通量分別低4.46%和8.23%。鄒其會[37]發現不同礦化度咸水和淡水灌溉對CO2和N2O排放通量存在顯著差異, 隨著礦化度增加CO2和N2O排放通量降低。李雙男等[38]研究了咸水滴灌對棉田土壤N2O排放的影響, 發現微咸水與咸水灌溉處理土壤累積N2O排放量比淡水處理分別增加22.2%和6.8%。Kontopoulou等[39]發現咸水灌溉大豆時, 灌溉水礦化度不會影響土壤CO2、N2O排放。在鹽分影響溫室氣體排放方面, 研究相對較少, 且研究結論尚未達成一致, 這可能是不同區域的外界環境差異及土壤環境差異造成。

3咸水灌溉對作物的影響

3.1咸水灌溉對作物生長的影響

鹽分脅迫對作物的危害途徑主要包括: 滲透脅迫、離子毒害和營養失衡等, 作物通過提前生育進程、減緩植物組織和器官的生長和分化來響應[40]。Munns等[41]的鹽害學說包括: 1)植物新葉生長速度減慢是對鹽脅迫最敏感的生理表現; 2)葉片含鹽量過高導致老葉死亡; 3)碳水化合物消耗殆盡, 導致植株生長速度下降, 甚至死亡。根系由于最早感受逆境脅迫信號并傳導信號, 對鹽脅迫的敏感度高于地上部分[42,43]。油葵和水稻的生育進程隨土壤含鹽量的增加呈現延長趨勢[44,45], 而冬小麥生育期受鹽分脅迫影響縮短, 鹽分脅迫對不同作物種類生育期長短的影響表現不一, 這仍需進一步深入研究[46]。利用3 g?L-1、5 g?L-1和7 g?L-1咸水灌溉冬小麥, 其株高比1 g?L-1處理分別降低5.97%、14.08%和21.89%, 相應的根系生物量降低25.81%、45.16%和53.23%, 這說明鹽分脅迫對根系生長的抑制大于對地上部分的抑制[47]。由于鹽脅迫后光合作用減弱, 使地上部碳水化合物合成減少, 進而向地下部分運輸減少, 最后導致地下生物量減少。于瀟等[48]發現鹽分脅迫會改變作物對有效光輻射的利用方式, 采用3 g?L-1微咸水灌溉會促進冬小麥對低有效光輻射的利用效率, 而5 g?L-1灌溉影響冬小麥的葉片結構, 降低葉片對高有效光輻射的響應, 導致光合作用下降。鹽分脅迫會增加作物的初始熒光, 使葉片的最大熒光產量降低, 內稟光能轉換效率降低。從作物不同生育時期對鹽分的敏感程度來看, 一般作物萌芽期和幼苗期對鹽分較為敏感, 成熟期對鹽分敏感性較差[49,50]。

3.2咸水灌溉對作物產量的影響

大量研究表明, 利用咸水或微咸水灌溉可使作物產量接近淡水灌溉水平, 較旱作處理有明顯的增產作用[4,41,49,50]。尚偉等[51]對103組微咸水灌溉冬小麥的試驗結果進行統計分析, 發現充分灌溉下小麥相對產量與灌溉水礦化度呈負相關關系, 當灌溉水礦化度為2~3 g?L-1時, 小麥相對產量為0.87~0.93, 比淡水灌溉減產7%~13%。陳素英等[4]研究了不同礦化度微咸水灌溉對冬小麥-夏玉米周年輪作的綜合影響, 發現與淡水灌溉相比, 利用小于5 g?L-1微咸水灌溉, 灌溉1次微咸水比雨養旱作處理增產10%~30%, 下茬玉米季利用45~50 mm淡水灌溉可實現土壤耕層鹽分淋洗, 降低對玉米產量的影響。王輝[52]綜合分析了冬小麥、棉花和玉米3種作物可利用灌溉水的礦化度閾值, 其耐鹽閾值范圍分別為3~4 g?L-1、1~5 g?L-1和3~4 g?L-1。李佳等[7]通過9年的田間試驗發現, 冬小麥咸水礦化度閾值為2.14~3.95 g?L-1。Zhang等[53]研究結果表明, 長期咸水灌溉棉田存在土壤積鹽風險, 提出了0.45 S·m-1的灌溉水鹽分閾值, 建立了微咸水灌溉棉花的水分生產函數, 適宜微咸水灌溉棉花的產量為3.1 t?hm-2, 水分生產力為0.76 g?m-3。毛振強等[54]研究結果表明, 當20~60 cm土壤溶液電導率小于8 mS?cm-1時, 對夏玉米產量無顯著影響。作物種類、土壤類型、地下水埋深和氣象等因素綜合影響咸水灌溉下作物的產量, 需要建立基于多因素的水鹽生產函數, 進而明確不同區域和不同作物的咸水灌溉閾值。

3.3咸水灌溉對作物品質的影響

咸水灌溉帶來的鹽分參與作物代謝, 進而影響品質。微咸水灌溉對作物品質的研究多集中在果蔬方面, 許多研究表明咸水灌溉可以增加果蔬的可溶性固形物、有機酸和糖含量, 從而有利于改善風味品質、營養品質和儲藏品質等。由于鹽脅迫下植物體內會產生脅迫蛋白(鹽脅迫蛋白、滲透蛋白、抗凍蛋白和熱激蛋白等), 這些微量蛋白直接影響作物的營養價值和口感[55,56]。有研究表明利用<10 dS?m-1的咸水灌溉6種牧草, 其產量隨鹽水濃度增加而提高, 纖維素含量無明顯增加, 干草消化率隨灌溉水礦化度增加而增加, 這主要是由于部分鹽離子沉積在牧草體內, 提高了牧草的味感, 增強了喜食性[57]。馬玉詔等[58]研究結果表明, 與淡水灌溉相比, 利用礦化度>2g?L-1微咸水灌溉時可顯著增加冬小麥籽粒含水量、面團形成時間、沉降值、濕面筋和粗蛋白含量, 顯著降低出粉率、面團穩定時間和面筋指數。肖丹丹[59]對不同礦化度咸水灌溉下的水稻產量和品質進行了研究, 發現在1.0~1.5 g?L-1濃度下, 稻米直鏈淀粉含量顯著降低, 糙米率、精米率和整精米率增加, 稻米淀粉黏滯特性的峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度增加, 其品質總體有一定的改善, 而到2.0~3.5 g?L-1時, 稻米的加工品質、蒸煮食味品質和稻米淀粉黏滯特性明顯降低。翟彩嬌等[60]研究了鹽脅迫和品種對稻米品質的影響, 在鹽脅迫對食味值和相關參數的影響方面, 鹽脅迫及鹽脅迫與品種互作均達顯著或極顯著水平, 而品種的影響未達顯著水平。但是, 目前這些研究多集中在加工品質方面, 且對大田主要作物小麥玉米的研究較少, 尤其是微咸水灌溉對小麥玉米營養品質、風味品質等方面的研究。

4農業措施對咸水灌溉下土壤鹽分的調控作用

4.1有機物料對土壤鹽分的調控作用

在鹽堿土壤施用有機物料, 可增加土壤有機質, 促進團聚體形成, 改善土壤結構, 降低pH值, 降低土壤中水溶性鈉和交換性鈉的比例, 使交換性鈉飽和度(ESP)和鈉吸附比(SAR)值減小。有機物料經微生物分解、轉化形成腐殖質。腐殖質通過促進土壤團粒結構形成, 增加孔隙度, 有利于淋鹽, 提高土壤的緩沖能力, 還可以與碳酸鈉作用形成腐殖酸鈉, 降低土壤堿性[61]。同時, 有機質在分解過程中會產生有機酸, 有機酸可以中和堿性土壤并活化磷, 提升養分轉化利用效率。Su等[5]研究結果表明, 與施用化肥相比, 施用有機肥能夠降低0~160 cm土壤EC值18.3%, 使冬小麥增產21.7%。在山東省濱海鹽堿地的研究結果表明[61], 有機肥替代低量、中量和高量化肥, 顯著降低土壤水溶性鹽總量、pH、水溶性鈉和交換性鈉的比例, ESP和SAR值減小, 與施用化肥相比冬小麥分別增產7.5%、18.8%和26.4%。

4.2農藝措施對土壤鹽分的調控作用

對鹽分調控的農藝措施主要包括覆蓋、耕作、灌溉制度和優化施肥等技術[62]。覆蓋通過改變土壤水分運動進而影響鹽分的時空分布, 利于作物生長, 其主要包括秸稈覆蓋、地膜覆蓋等。耕作措施是通過深耕、深松和輪作等不同措施改善土壤結構, 提高土壤透氣透水性和土壤溫度, 加速土壤脫鹽。灌溉制度是根據作物的需耗水規律和土壤水鹽運移情況, 調控灌溉方式、灌溉量和灌溉時期, 降低水鹽環境對作物正常生長的危害。綠肥與作物的輪間套作可以減少鹽分對作物的危害, 種植綠肥可增加土壤覆蓋度, 減少水分蒸發, 改善土壤理化性狀, 培肥土壤, 減輕對下一季作物的鹽害。余世鵬等[63]通過多因子和不同因子水平下的微區玉麥輪作試驗發現, 單一的高N投入措施利于輕度鹽堿耕地增產但對中度鹽堿耕地產量提升和鹽漬害防控效果不顯著。秸稈覆蓋能顯著提升土壤保水能力、抑制表土鹽堿害, 但其對作物根層鹽堿抑制效果不明顯, 需結合優化灌溉來加速根層鹽分淋洗; 有機肥施用可有效培肥土壤、促進土壤排鹽抑堿、提升生產力; 水肥鹽優化調控措施可提升鹽堿土壤供N能力、減少化肥用量, 利于降低成本并改善土壤生態環境。因此, 農藝措施的綜合應用對調控土壤鹽分具有非常重要作用也是未來的發展趨勢。

4.3耐鹽作物對鹽分的適應

不同作物種類對鹽分的敏感程度不同, 其途徑主要是通過加強水分吸收與減少水分蒸騰散失減輕滲透脅迫, 通過排出葉內的Na+以及將Na+分隔到液泡中減輕Na+的脅迫[64]。作物對鹽度的敏感性可通過相對產量(Y/Y0)和土壤飽和浸提液EC(%)之間的線性關系(式(1))進行劃分。表3為根據式(1)對主要大田農作物的耐鹽能力進行分類。

5研究展望

黨的二十大指出, 推動綠色發展, 促進人與自然和諧共生。隨著全球性水危機的不斷加劇, 在水資源嚴重短缺情況下保障國家食物安全和生態安全, 通過科技創新利用咸水替代淡水是主要途徑之一。因此, 下一步要在人與自然和諧共生的理念下, 開展基于不同水源特點的咸水灌溉制度及水鹽綜合調控機理研究、技術研發和產品裝置研制, 提高咸水灌溉水利用率和生產效率[67,68], 以實現土壤質量、作物產量和品質多重目標協同, 服務于鄉村振興。

5.1咸水非充分灌溉研究

非充分灌溉技術越來越多地被采用, 該技術旨在通過消除缺水對作物生長的最嚴重限制階段來提高有限供水的利用效率。因此, 下一步需要深入了解咸水非充分灌溉對農田水鹽環境及作物的影響, 明確土壤導水率和作物根系吸水對鹽分的協同響應關系, 定量描述灌溉定額及鹽分對農田水鹽運動及作物生長的影響機理, 建立適應水資源特點的咸水非充分灌溉制度, 可為我國淡水匱乏咸水資源豐富地區的咸水非充分灌溉提供科學依據和技術支撐。

5.2水肥鹽綜合調控提升生產力研究

針對缺水鹽漬區水肥利用率低、土壤鹽漬化和農業面源污染日益嚴重等問題, 以節水、減排、控鹽、提質、增效和綠色發展為目標, 開展農田水分、養分和鹽分的響應規律及其互饋機制研究, 研究不同礦化度咸水灌溉下對GSPAC系統中水汽熱運移和耗水規律, 研究不同礦化度咸水灌溉對土壤水分、鹽分和養分及作物生長的影響, 研究不同礦化度咸水灌溉和不同肥料種類協同對土壤環境和作物生長的調控規律, 研發鹽漬化農田主要作物適宜的咸水高效利用的產品和裝備。

5.3 咸水灌溉下鹽堿耕地質量變化研究

針對咸水灌溉下土壤結構差、鹽堿脅迫重的問題, 以耕地質量與產能協同提升為目標, 開展咸水灌溉下土壤水分、養分和鹽分與作物生長關系研究, 研發有機質快速提升、肥沃耕層構建、生物強化、水肥運籌控鹽與離子均衡調控、鹽堿地綠色低碳改良、耐鹽糧食作物適應性種植、水鹽智能監測調控等關鍵技術、產品和裝置, 構建不同鹽堿脅迫程度的耕地質量快速提升和作物提質增效協同的綜合技術模式, 為咸水灌溉區提供范式樣板。

5.4咸水精準高效灌溉研究

針對咸水灌溉中需要精準調控水鹽對作物和土壤環境影響的問題, 以精準高效為目標, 開展作物生命需水信息實時預報研究, 研究作物需水感知現代技術, 建設基于不同作物的咸水灌溉專家決策系統, 研究咸水水網智慧管控和精準計量設備, 研制系統高端節水裝備, 為咸水精準利用提供科技支撐。

參考文獻

[1] 康紹忠. 藏糧于水藏水于技——發展高水效農業保障國家食物安全[J]. 中國水利, 2022(13): 1–5

[2] Food and Agriculture Organization of United Nations. Emissions totals[EB/OL]. [2022-11-07] http://www.fao.org/faostat/zh/#data/GT

[3] 劉友兆, 付光輝. 中國微咸水資源化若干問題研究[J]. 地理與地理信息科學, 2004, 20(2): 57–60

[4] 陳素英, 張喜英, 邵立威, 等. 微咸水非充分灌溉對冬小麥生長發育及夏玉米產量的影響[J]. 中國生態農業學報, 2011, 19(3): 579–585

[5] 張喜英, 劉小京, 陳素英, 等. 環渤海低平原農田多水源高效利用機理和技術研究[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(8): 995–1004

[6] SU H, SUN H Y, DONG X L, et al. Did manure improve saline water irrigation threshold of winter wheat? A 3-year field investigation[J]. Agricultural Water Management, 2021, 258: 107203

[7] 李佳, 曹彩云, 鄭春蓮, 等. 河北低平原冬小麥長期咸水灌溉礦化度閾值研究[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(5): 643–651

[8] 劉中業, 徐建國, 祁曉凡, 等. 地下水電導率與礦化度相關關系分析——以魯北平原為例[J]. 山東國土資源, 2013, 29(9): 57–60, 64

[9] 高宗軍, 郭健斌, 魏久傳. 水文地質學[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 2011

[10] 中國環境科學研究院、生態環境部南京環境科學研究所、生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心、農業農村部環境保護科研監測所..GB 5084—2021. 《農田灌溉水質標準》[S].北京:中國環境出版集團, 2021

[11] AYERS, R S, WESTCOTT D W. Water quality for Agriculture[R]. Rome:FAO Irrigation &amp; Drainage, 29, 1985, Rev.1.

[12] RHOADES J, KANDIAH A, MASHALI A. The use of saline waters for crop production[R]. Rome: FAO Irrigation &amp; Drainage No 48, 1992: 5–6

[13] 郭凱, 巨兆強, 封曉輝, 等. 咸水結冰灌溉改良鹽堿地的研究進展及展望[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(8): 1016–1024

[14] 蔡達偉, 孔淑瓊, 劉瑞琪. 微咸水農田安全灌溉研究進展[J]. 節水灌溉, 2020(10): 91–95, 100

[15] SAGGU S, KAUSHAL M. Fresh and saline water irrigation through drip and furrow method[J].International Journal of Tropical Agriculture, 1991,9: 194–202

[16] 余根堅. 節水灌溉條件下水鹽運移與用水管理模式研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2014

[17] 李成, 馮浩, 羅帥, 等. 壟膜溝灌對旱區農田土壤鹽分及硝態氮運移特征的影響[J]. 水土保持學報, 2019, 33(3): 268–275

[18] 羅帥. 河套灌區壟膜溝灌模式下不同灌水量對春玉米田水鹽氮運移特征的影響[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2021

[19] 李國安, 蔣靜, 馬娟娟, 等. 咸水灌溉對土壤水鹽分布和小麥產量的影響[J]. 排灌機械工程學報, 2018, 36(6): 544–552

[20] 陳素英, 邵立威, 孫宏勇, 等. 微咸水灌溉對土壤鹽分平衡與作物產量的影響[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(8): 1049–1058

[21] LIU C M. Soil salinity control regarding subsurface water regulation in North China Plain[J]. The Journal of Chinese Geography, 1996, 6(4): 28–37

[22] SEPASKHAH A, KANOONI A, GHASEMI M. Estimating water table contributions to corn and sorghum water use[J]. Agricultural Water Management, 2003, 58(1): 67–79

[23] NARJARY B, KUMAR S, MEENA M D, et al. Effects of shallow saline groundwater table depth and evaporative flux on soil salinity dynamics using hydrus-1D[J]. Agricultural Research, 2021, 10(1): 105–115

[24] LIU T G and LUO Y. Effects of shallow water tables on the water use and yield of winter wheat (<i>Triticum</i><i> aestivum</i>L.) under rain-fed condition[J]. Australian Journal of Crop Science, 2011, 5(13), 1692–1697

[25] 張盼盼, 趙慧, 榮昊. 微咸水灌溉對鹽堿土水鹽運移的影響[J]. 人民長江, 2021, 52(5): 198–202, 208

[26] 唐勝強, 佘冬立. 灌溉水質對土壤飽和導水率和入滲特性的影響[J]. 農業機械學報, 2016, 47(10): 108–114

[27] 劉淙琮, 孫宏勇, 郭凱, 等. 不同礦化度咸水在濱海典型植被鹽堿地中的入滲特性研究[J]. 土壤, 2022, 54(1): 177–183

[28] 張余良, 陸文龍, 張偉, 等. 長期微咸水灌溉對耕地土壤理化性狀的影響[J]. 農業環境科學學報, 2006, 25(4): 969–973

[29] 馮棣, 張俊鵬, 孫池濤, 等. 長期咸水灌溉對土壤理化性質和土壤酶活性的影響[J]. 水土保持學報, 2014, 28(3): 171–176

[30] 時唯偉, 支月娥, 王景, 等. 土壤次生鹽漬化與微生物數量及土壤理化性質研究[J]. 水土保持學報, 2009, 23(6): 166–170

[31] 周玲玲, 孟亞利, 王友華, 等. 鹽脅迫對棉田土壤微生物數量與酶活性的影響[J]. 水土保持學報, 2010, 24(2): 241–246

[32] DONG X L, WANG J T, ZHANG X J, et al. Long-term saline water irrigation decreased soil organic carbon and inorganic carbon contents[J]. Agricultural Water Management, 2022, 270

[33] 高聰帥. 環渤海低平原微咸水灌溉對土壤質量和作物影響及調控研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2021

[34] AKHTAR M, HUSSAIN F, ASHRAF M Y, et al. Influence of salinity on nitrogen transformations in soil[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2012, 43(12): 1674–1683

[35] 李亞威, 徐俊增, 衛琦, 等. 不同水鹽條件下鹽漬土硝化過程特征[J]. 排灌機械工程學報, 2018, 36(9): 909–913

[36] 王帥杰, 楊培嶺, 蘇艷平, 等. 微咸水與淡水輪灌對春玉米土壤CO₂和N₂O排放的影響[J]. 中國農業大學學報, 2018, 23(10): 41–48

[37] 鄒其會. 不同水質灌溉對溫室氣體排放和氮素運移的影響[D]. 北京: 中國農業大學, 2013

[38] 李雙男, 侯振安. 咸水滴灌對棉田土壤氧化亞氮排放的影響[J]. 石河子大學學報: 自然科學版. 2016, 34(3): 301–308

[39] KONTOPOULOU C, BILALS D, PAPPA V A, et al. Effects of organic farming practices and salinity on yield and greenhouse gas emission from a common bean crop[J]. Scientia Horticulture, 2015, 183: 4 8–57

[40] MUNNS R. Comparative physiology of salt and water stress[J]. Plant, Cell &amp; Environment, 2002, 25(2): 239–250

[41] MUNNS R, TESTER M. Mechanisms of salinity tolerance[J]. Annual Review of Plant Biology, 2008, 59: 651–681

[42] CRAMER G R, LA?UCHLI A, EPSTEIN E. Effects of NaCl and CaCl₂on ion activities in complex nutrient solutions and root growth of cotton[J]. Plant Physiology, 1986, 81(3): 792–797

[43] 弋良朋, 王祖偉. 鹽脅迫下3種濱海鹽生植物的根系生長和分布[J]. 生態學報, 2011, 31(5): 1195–1202

[44] 賈秀蘋, 岳云, 陳炳東. 鹽脅迫對油葵生育時期和農藝性狀的影響分析[J]. 作物雜志, 2009(6): 45–48

[45] 李洪亮. 鹽脅迫對水稻生育時期和農藝性狀的影響[J]. 黑龍江農業科學, 2010(11): 18–20

[46] 鄭延海. 冬小麥對鹽分與臭氧脅迫的生理生態響應機理研究[D]. 北京:中國科學院研究生院, 2009

[47] 蘇寒, 王金濤, 董心亮, 等. 不同質量濃度咸水灌溉對冬小麥產量和生理生化特性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(8): 1–9

[48] 于瀟, 侯云寒, 徐征和, 等. 微咸水灌溉對冬小麥光合及熒光動力學參數的影響[J]. 節水灌溉, 2019(2): 102–106

[49] 吳忠東, 王全九. 不同微咸水組合灌溉對土壤水鹽分布和冬小麥產量影響的田間試驗研究[J]. 農業工程學報, 2007, 23(11): 71–76

[50] 孫宏勇, 劉小京, 張喜英. 鹽堿地水鹽調控研究[J]. 中國生態農業學報, 2018, 26(10): 1528–1536

[51] 尚偉, 石建初, 牛靈安, 等. 灌溉水礦化度及鹽分帶入量對小麥相對產量影響的統計分析[J]. 灌溉排水學報, 2009, 28(5): 41–44

[52] 王輝. 我國微咸水灌溉研究進展[J]. 節水灌溉, 2016(6): 59–63

[53] ZHANG J P, LI K J, GAO Y, et al. Evaluation of saline water irrigation on cotton growth and yield using the AquaCrop crop simulation model[J]. Agricultural Water Management, 2022, 261: 107355-1-11

[54] 毛振強, 宇振榮, 馬永良. 微咸水灌溉對土壤鹽分及冬小麥和夏玉米產量的影響[J]. 中國農業大學學報, 2003, 8(S1): 20–25

[55] CHEN P, WANG J T, DONG X L, et al. Review of research development associated with the application of saline water irrigation to vegetables[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2022, 30(5): 799–808

[56] 徐云嶺, 余叔文. 植物鹽脅迫蛋白[J]. 植物生理學通訊, 1989, 25(2): 12–16

[57] 周瑞蓮, PasternakDov, 趙哈林. 沙漠地區鹽水灌溉對牧草產量及品質的影響[J]. 應用生態學報, 2002, 13(8): 985–989

[58] 馬玉詔, 黨紅凱, 李科江, 等. 咸水灌溉對冬小麥籽粒品質特性和產量的影響[J]. 應用生態學報, 2022, 33(4): 1063–1068

[59] 肖丹丹. 不同濃度鹽水灌溉對水稻產量、葉片生理特征及品質的影響[D]. 揚州: 揚州大學, 2021

[60] 翟彩嬌, 鄧先亮, 張蛟, 等. 鹽分脅迫對稻米品質性狀的影響[J]. 中國稻米, 2020, 26(2): 44–48

[61] 李玉, 田憲藝, 王振林, 等. 有機肥替代部分化肥對濱海鹽堿地土壤改良和小麥產量的影響[J]. 土壤, 2019, 51(6): 1173–1182

[62] 牛君仿, 馮俊霞, 路楊, 等. 咸水安全利用農田調控技術措施研究進展[J]. 中國生態農業學報, 2016, 24(8): 1005–1015

[63] 余世鵬, 楊勁松, 劉廣明. 不同水肥鹽調控措施對鹽堿耕地綜合質量的影響[J]. 土壤通報, 2011, 42(4): 942–947

[64] DEINLEIN U, STEPHAN AB, HORIE T, et al. Plant salt-tolerance mechanisms[J]. Trends Plant Sciences, 2014, 19: 371–379

[65] MAAS E V. Crop tolerance[J]. California Agriculture, 1984, 38(10):20–21

[66] TANJI K K. Agricultural salinity assessment and management[C]//American Society of Civil Engineers. 1990, 54: 413–415

[67] 楊勁松, 姚榮江, 王相平, 等. 中國鹽漬土研究: 歷程、現狀與展望[J]. 土壤學報, 2022, 59(1): 10–27

[68] 杜學軍,胡樹文基于文獻計量分析的近30年國內外鹽堿地研究進展[J]. 2021, 49(18): 236-239, 242