干旱高扬黄灌区盐碱地恢复治理

干旱高扬黄灌区盐碱地恢复治理

李朝刚　杨虎德　胡关银　王淑荣

（甘肃省农业科学院土壤肥料研究所　甘肃兰州　730070）

摘要：提高土地生产力为主的土地资源利用是农业高效持续发展的基础。研究立足于干旱区盐碱地恢复治理,揭示了景泰川高扬黄灌区盐碱地形成的原因及相关的影响因素。依据水盐均衡和物质循环理论,运用系统科学提出建立调控浅层地下水为中心的“上控”、“中提”与“下排”相结合,坎儿井与明沟暗管相结合的水利工程系统和土壤培肥发展农林牧（草）综合性农业及建立复合农田生态系统。使盐碱弃耕地重新得到利用,获得明显的经济和社会效益,农田生态环境也得到初步改善。

关键词：干旱高扬黄灌区；景泰川；盐碱地；恢复治理

灌溉是农业生产应用最古老的方法之一。甘肃史前已经开始,河西走廊内陆灌区约有2000多年的历史,中部沿黄地区从70年代得到迅速发展,至1995年新增加水浇地14万hm²,灌溉促进了农业生产的发展和带来了经济上的繁荣。但是同时也给土壤和生态带来了新问题,而盐碱化首当其冲,严重制约着农业的持续发展。因此,研究盐碱地恢复治理,对于合理利用水土等自然资源,改善自然生态环境,发展持续农业,具有重大的科学理论和生产实际意义。

景泰川灌区位于甘肃省北部的景泰县境内。1974年灌区建成,泵站13座,总扬程472m,年提水量1.23×10⁸m³,有效灌溉面积20 000hm²。随着土壤灌溉,次生盐碱化暴发性发展,现已达到2000hm²,占总耕地面积的10%,而且至今仍然在蔓延发展。本项研究立足于干旱区盐碱地恢复治理,对灌区次生盐碱化发生的原因、相关影响因素及水盐运动和调控措施等进行了研究。

1　盐碱地形成的原因

灌区北靠腾格里沙漠，大地形为山前冲洪积半封闭盆地，属于暖温带荒漠气候区，大陆性气候特征极为显著，年平均降水量189.6mm，蒸发量3603.3mm，蒸降比19.0。因受新构造运动的影响,水文地质条件颇为复杂。上水前除黄河（深切）之外,没有长年流水的河流,地下水位普遍较深,且补给条件差,水质属SO₄²--Cl-Mg²⁺-Na⁺型水。1974年上水后,年平均引入灌区的黄河水1.23×10⁸m³,按64%的渠系有效利用率进行估算,约有4.43×10⁷m³,渗漏补给潜水,成为地下水新来源。本区的土壤为荒漠灰钙土,发生发展具有成层性和含盐性两个明显特征,且石膏累积层较为普遍,甘肃第三纪红层在局部地区露头。根据分析,现代沉积物第四系黄色亚黏土可溶性盐类含量为26.8g/kg,第三纪红色泥岩风化物的盐量高达93.29g/kg。流经灌区的黄河水水质,矿化度平均为0.349g/kg,SAR1.16,灌溉系数33.7,阴离子为HCO₃^-占5%,C1^-占27.38%，SO₄²-占23.6%；阳离子为Ca²⁺占41.87%，Mg²⁺占30.12%，Na⁺+K⁺占28.02%,无残余碳酸钠,属低钠优质灌溉水。

注：本文发表于《干旱区研究》，1999,16（1）：57～62

根据对引水量、引水携盐量、地下水埋深及潜水蒸发等八个因素的相关分析,潜水蒸发的关联度为0.8683,位次排第1,地下水埋深为0.8093,位次排列第2,证明灌区盐碱地主要是由上水后水文条件的改变,水盐处于不平衡状态和进行重新再分配的结果,主要影响因素为地下水蒸发量和上游矿质化来水量。根据数值分类结果,灌区盐碱土类型主要为硫酸盐盐土、氯化物硫酸盐盐土、硫酸盐氯化物盐土,没有苏打、苏打化盐土。经判别分析确定盐土与盐化土分界值为11.0g/kg,土属划分Cl^-/ SO₄²-＜0.3（0.28）归属硫酸盐盐土=0.30～0.7（0.68）为氯化物硫酸盐盐土=0.70～1.60（1.57）为硫酸盐氯化物盐土＞1.60为氯化物盐土。

各组的判别函数:

第一组　Y=-1678540.6-48477.0X₂-2668.2X₃+11276960.0X₄+205447.4X₅

第二组　Y=-8423518.6-108597.5X₂-5980.2X₃+25262330.0X₄+460267.2X₅

第三组　Y=-33945528.0-218003.1X₂-12002.7X₃+50712860.0X₄+923930.7X₅

第四组　Y=-36892398.0-718684.8X₂-39562.4X₃+167184300.0X₄+3045816.0X₅

2　水盐运动

表1　灌区盐碱地含量分析

注：分子表示离子的毫克当量数（mol100g^-1）；分母表示离子的百分浓度(%)。

随着土壤灌溉,灌区的土壤水盐运移,大凡表现为洪冲积扇上部正朝着脱盐的方向发展,平原区水平运动不明显,主要表现为内部由高处向低洼地转移,在靠近盆地的下部,地下水呈明显上升趋势。寺滩—芦阳盆地的排泄水,1972年矿化度为2.66g/kg，属ClIIINa型水,1985年矿化度上升为6.24g/kg,变成为SIINa型水。

根据水盐运动观察,一年之中,灌区的地下水位出现在作物灌水期和冬灌两个高峰期,属典型的正向补给型。水盐运动主要表现为田间土壤与潜水之间的垂直运移和再分配过程。第一个作物生育灌溉高峰期,土壤水分以作物蒸腾为主,盐分随着淋洗下移到潜水层,表土积盐威胁小；第二个冬灌高峰期,潜水位再度升高,土壤水分充足,整个土层保持在毛管水的控制范围内,虽然由于灌溉的淋滤作用使表层淡化,但是随着土体下层的高矿化水上升蒸发,成为翌年春天盐分向表层积聚的隐患。

裸地条件下的潜水蒸发试验表明,潜水蒸发速率Eh（mm/d）与埋深H（cm）之间为指数函数关系,均质土Eh=3.083e0.720H（r=0.8353）,夹红土层Eh=4.286e-0.8802H（r=0.8670）。蒸发速率的年际变化,4～6月份随气温升高而增大,7～8月份达到最大值,9月份以后气温开始下降,蒸发速率随着降低。根据对土壤水分吸力的测定,2.5m粉砂土和夹红土土柱自潜水面往上200cm处骤然增大,吸力值分别为0.4×10⁵Pa和0.37×10⁵Pa,也即在此范围内,属于毛管水上升区。当潜水位小于200cm时,土壤的积盐速度即加快,因此确定为返盐的临界深度。试验同时证明,在本区干旱条件下,虽然降水很少,但遇到连阴雨天气,降水仍然能够渗入到较深的土层,如一次降雨量12.98mm,对于土壤水分的影响深度可以达到40cm,使得2.5m潜水上层的土壤与地下水毛管接触而形成表土积盐。根据对经过蒸发后土柱的水分和盐分含量的测定,含水量从表层到底部逐渐升高,夹红土层与均质土比较,夹红土层对其上部的土壤影响大,含水量高。在蒸发的情况下,潜水位以上的土体水分含量和吸力的变化,随着与潜水位距离增加,土壤水的饱和状态不断降低,潜水面与土壤交界处吸力值为零,由此往上越接近地表,吸力值越大,水分含量越低。当潜水位较浅时,吸力梯度的转折点接近地表,表土湿润,导水率高,地下水直接并持续的为地表蒸发损失。盐分的分布特点,当潜水的矿化度为5.0g·kg^-1,即使土壤的含盐量小于0.3%,也容易形成积盐。潜水埋深0.5m和1.0m整段土壤剖面的含盐高,1.5m和2.0m整段土壤剖面的含盐量不高,但表积特征突出2.0m和3.0m的土壤剖面分别在1.5m和2.0m之间,1.5m和2.7m之间形成一个盐分蒸发累积层。试验同时表明,在有夹红土层时,具有促进土壤积盐的作用,这与灌区下伏甘肃第三纪红土层地段盐碱化普遍的现象相吻合。因此与半湿润季风区不同,干旱高扬程灌区,潜水位一旦升高,由于气候干旱,蒸发强烈,加之降水量很少,所以土壤次生盐碱化很容易发生。

3　盐碱地恢复治理

针对灌区盐碱地形成原因及相关影响因素,依据对水盐均衡的研究和物质循环理论,运用系统科学,提出建立以调控浅层地下水为中心的“上控”、“中提”与“下排”相结合,坎儿井与暗管排水相结合的水利工程体系和土壤培肥发展农林牧（草）相结合的综合性农业及建立复合农业生态系统。

表2　喷、滴灌土壤水分测定（%）

表3　土壤盐分析

注：分子表示离子毫克当量（mol100g^-1）；分母表示离子的百分浓度（%）。

3.1　洪冲积扇的上部改传统大畦漫灌为喷、滴节水灌溉。

严格控制灌水定额,防止渗漏造成平原富水使地下水位升高，也即“上控”。根据喷、滴试验,春小麦生育期每公顷喷、滴灌定额2700m³,较传统的大畦漫灌,节水1800m³,增产11%,而且没有渗漏水产生,土壤水盐基本上保持了平衡状态（表2、表3）。

3.2　在洪冲积扇缘散失带发展井灌,启用地下咸水,采用井河水混灌轮灌,也即“中提”

根据勘探灌区散失带的浅层地下水分布面积较大,随着灌溉水渗漏补给,水量逐年增加。据水质分析,矿化度一般为4～5g/ kg,Cl^-含量1000～1400mg/kg,盐度40～70mg/ kg,SAR12～18,属于S2～S3型水,而且含有硝酸根,最高达108mg/kg。采用井河水混灌、轮灌,不但改善了水质,扩大了咸水的使用范围和起到淋盐作用,而且充分利用咸水中含的氮素营养肥田,使作物获得增产。井河水混灌和轮灌与咸水灌溉相比,0～40cm土层脱盐70.5%～72.5%,春小麦增产91.5%～184.8%。每立方米水小麦的产量河灌为0.56kg，混灌与轮灌分别为0.85kg和0.57kg,因此,利用咸水灌溉本身又是一项降低高扬程灌区生产成本,提高灌溉增产效益的有效途径。

3.3　洪冲积扇平原地形低洼区,开挖坎儿井,建立暗道暗管排水工程系统,也即“下排”

3.3.1　暗管排水

针对半封闭地形特点,采用坎儿井与暗管相结合进行地下排水。试验结果表明,暗管采用直径100mm聚氯乙烯波纹管,反滤层首选直径小于2cm砂砾粒,坡降大于0.0025对排水不造成阻流。暗管的埋深和间距与有效作用水头关系密切,在排水模数一定的情况下,Q与h、d成正比,h与d成反比,也即在适当加大埋深的情况下,可以放宽间距,反之亦然。根据对5hm²监测区5年的观测,暗管累计排水模数为6298mm,相当于62970m³/hm²,排盐10 125t/ hm²。水质与埋暗管前相比,RSC逐年增大, Cl^-/SO₄²-和SAR由大变小,pH值变化微弱。666.7hm²暗管排水示范区水盐平衡计算结果:

降水量72×10⁴m³

灌溉水量215×10⁴m³　灌溉水携入盐量1204t

上游径流量11×105m³　上游径流携入盐量15 950t

合计397×10⁴m³　17 154t

田间蒸发量157.3×10⁴m³

排出水量250×10⁴m³

排走盐量22500t

合计407.3×10⁴m³

从水盐平衡计算结果看,随着坎儿井、暗管排水网络的建成,示范区地下水位基本得到控制,并开始朝着良性循环的方向发展。

暗管排水结合灌水压盐,1m土体的脱盐率为39.8%,0～20cm为77.83%,脱氯率为90.22%。效益分析结果,埋管的成本为1996.95元/hm²,运行期的管理费用100m较明沟降低30.30元。提高土地利用率18.9%。同时促进了林网建设,改善了农田生态环境,实践证明,在灌区采用坎儿井和暗管排水技术更加合理。

3.3.2　冲洗改良

试验结果表明,渗透速率与洗盐水头呈正相关。当土体中夹有红土层时,起初快后来变慢,通过计算,均质土与夹红土层的田间持水量模数,均质土0～50cm为10.29cm，50～100cm为14.67cm，100～150cm为38.28cm,夹红土层14.67cm、22.48cm、35.9cm。洗盐过程中的盐分变化规律,砂质土盐分均匀分布时,电导率与排水量、时间呈双曲线一支分布；盐分呈“T”分布时,电导率与排水量、时间呈正态分布。同时随着深度增加,盐峰相对滞后,峰值变小。当洗盐排出水的电导率为3.0ms/cm时,洗出同样的盐分,需要同样的水量,而与洗盐的深度无关,只是时间相对延长。当洗盐排出水的电导率为1.0ms/cm时,继续洗盐已无必要。为使0～100cm土体的平均含盐量由0.612%洗至规定的0.3%的指标,灌溉洗盐定额为6433.5m³/hm²。洗盐过程中水溶性盐类分异规律:碳酸盐以CaCO₃、Ca（HCO₃）₂二种盐类出现,硫酸盐以CaSO₄、MgSO₄和Na₂SO₄三种形式出现,氯化物以NaCl、Ca－Cl₂和MgCl₂三种形式出现。各种盐类的运动速率依次为NaCl、MgCl₂、CaCl₂、Na₂SO₄、MgSO₄、CaSO₄。根据对洗盐后0～20cm土层CEC与代换性钠以及残余碳酸钠的测定表明,对于灌区富钙土壤,洗盐不会引起碱化现象。

3.3.3　生物改良

星星草（Puccinellic）具耐盐性,在以氯化物硫酸盐为主的盐土上,水分保持23.0%，耐盐度从0.5开始,随着盐分含量增加而降低（r=0.70）。根据Y=96.88-55.29x方程,计算确定出苗期的耐盐指标分别为:适宜值＜0.50%,临界值0.85%,极限值＞1.0%。随着生长发育耐盐度相应的提高,拔节期为0.73%,抽穗期1.92%。种植星星草的改盐效果,以5年期最好,0～ 100cm土体的脱盐率为38.0%,有害盐类NaCl、MgCl₂和MgSO₄等减少。Cl^-/SO₄²-当量比由原来的1.26下降为0.45。星星草的脱盐过程,主要是在土壤水下行中产生和进行的,加上繁茂的枝叶对地面的郁闭，进一步促进了土壤的脱盐速度。又据测定，5年生星星草地上部鲜草产量平均每公顷32 769kg,干重7717.5kg,地下部0～20cm根系密集层干重1006.5kg,相当于每年进入土壤中的腐殖质达3489kg。并可促使酶活性增强,有益微生物增加,形成良好的土壤生态。采用以种植星星草为主,配植绿肥草木栖和小麦实行轮作,小麦产量最高达4650kg/hm²。

3.3.4　农业生物工程措施

以改土培肥为中心,采用施用有机肥和化肥相结合,实行粮草轮作、套种绿肥、起槽种植等措施,发展农林草（牧）相结合的综合性农业及建立复合农田生态环境。建成的万亩示范试验区的实践证明,采取水利建设和农业生物工程措施相结合的综合治理途径非常正确有效,使盐碱弃耕地重新得到利用,并获得显著的经济和社会效益,农田生态环境也得到明显的改善。