咸水灌溉影响耕地质量和作物生产的研究进展

摘    要：水资源是基础性自然资源和重要战略资源。盐碱地多分布于干旱半干旱地区, 淡水资源短缺是盐碱区农业可持续发展的主要限制因素。同时盐碱区较为丰富的咸水微咸水资源、土地资源和光热资源等为盐碱区农业可持续发展提供了可能。本文针对咸水灌溉影响耕地质量、作物生长、产量和品质等问题, 综述了基于水质的咸水分类、咸水灌溉制度与灌溉方式和地下水埋深等影响咸水在农业生产中安全利用的因素, 阐述了不同矿化度咸水灌溉, 土壤水力特性、理化性质、温室气体排放等土壤质量变化情况和对作物生长发育、产量和品质的影响, 明确了有机物料、咸水灌溉制度、覆盖和耕作等农艺措施、水肥盐多因素调控和耐盐作物适盐种植等农业措施的作用。咸水灌溉下土壤质量呈下降趋势, 有机物料的施用、秸秆还田和合理的耕作等调控措施通过影响土壤质量保证咸水的安全利用。与旱作相比, 咸水灌溉可以起到明显的增产作用, 在合理的咸水范围内还能提升品质。在新形势下, 未来将面向国家粮食安全重大需求, 以协同提升土壤质量、作物产量和品质为多目标, 系统开展咸水非充分灌溉、水肥盐综合调控、咸水灌溉对土壤质量和作物咸水精准灌溉机理过程研究、技术研发和模式示范工作, 为缺水盐渍区农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。

关键词:咸水灌溉;耕地质量;作物生产;调控措施;

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;

水安全与食物安全是人类社会可持续发展的最基本支撑点, 水资源短缺已成为我国食物安全和农业可持续发展的刚性约束[1]。据估计, 全球灌溉面积约为348.5×106hm2, 仅占耕地面积的22.32%, 却贡献了世界粮食供应的40%[2]。灌溉对我国粮食增产的直接贡献率约为36.27%[1]。但是, 我国的粮食生产与区域水资源承载力之间存在不协调问题,尤其是我国北方从20世纪70年代开始为了追求粮食高产高强度的持续抽取地下水灌溉产生了系列的生态环境问题, 迫切需要降低灌溉用水量和开发利用新水源。咸水资源是可利用的新水源之一, 对其开发利用对保障农业可持续发展具有非常重要意义。

据调查, 我国地下微咸水资源约200.0亿m3·a-1, 可开采量为130.0亿m3·a-1, 其中黄淮海平原地区2~5g·L-1的微咸水资源量达54亿m3·a-1[3]。河北省是微咸水分布最多的省份, 2~5g·L-1的微咸水总储藏量达990.55亿m3[3], 但利用率仅为40%, 其中近60%微咸水资源未被农业所利用[3]。同时, 许多学者研究结果表明在干旱情况下利用咸水进行灌溉在一定程度上可缓解农业干旱, 实现作物增产[4,5,6,7]。因此, 适度开发和安全利用非常规水源对提高农业用水保障能力具有非常重要的意义。

伴随着咸水进入农田, 可溶性盐离子也被带入到土壤中, 而可溶性盐离子将会对土壤理化性质和作物生长发育产生不同程度的影响。因此, 咸水灌溉下如何既能够既保持土壤质量健康又能减少盐分离子对作物胁迫副作用是安全充分利用咸水资源的重要挑战。针对这些问题, 本文综述了影响咸水灌溉的灌溉水水质、灌溉方式及灌溉方法等因素及其对土壤质量、作物生长、产量和品质及生态环境的影响, 以期为咸水安全高效利用提供理论依据和技术支撑。

1影响咸水安全灌溉的主要因素

1.1灌溉咸水水质

矿化度和电导率是评价和衡量水质状况的两项重要指标。矿化度是水中所含无机矿物质成分的总量, 是农田灌溉用水适用性评价的主要指标之一, 用于评价水中总含盐量, 其基本单位为g·L-1。电导率(EC)反映的是水中离子含量的多少, 其与所含无机酸、碱、盐的量有一定关系, 其基本单位为dS·m-1。由于矿化度和电导率均是由水溶液中离子的组成和离子的含量决定, 它们之间存在一定的关系, 其在某一特定区域关系相对较为稳定。因此, 许多学者利用两者之间较好的相关关系选择利用现场容易测定的水电导率估算矿化度。不同地区和不同咸水浓度下水的矿化度和电导率存在一定差异, 表1为鲁北平原区浅层地下水矿化度与电导率数据的相关关系, 该区浅层地下水在矿化度≤3 g·L-1的情况下, 矿化度和电导率之间的关系随水中不同阴离子化学类型稍有差异, 但电导率与矿化度呈较强的线性相关性[8]。天然水按照水质指标矿化度(离子总量)来划分可主要分为不同类型(表2), 由于矿化度含量的差异对土壤和作物产生不同的影响, 其不能全部被作为灌溉水使用。按照《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021), 农田灌溉水质基本控制项目中全盐量标准值为: 非盐碱区全盐含量≤1000 mg·L-1, 盐碱土地区全盐含量≤2000 mg·L-1, 具有一定的水利灌排设施, 能保证一定的排水和地下水径流条件的地区, 或有一定淡水资源能满足冲洗土体中盐分的地区, 农田灌溉水质全盐量指标可以适当放宽。结合盐碱区淡水极度缺乏的情况和前人的研究[4,9,10,11,12], 按照可灌溉水的总矿化度和电导率的大小划分可以用于灌溉的咸水等级。郭凯等[13]研究了利用12 g·L-1的咸水在滨海重盐碱区进行结冰灌溉, 灌溉水量为180mm时可以使0~40cm根层土壤含盐量降低到4 g·kg-1以下, 适于种植棉花、油葵等耐盐植物。因此, 随着科学技术的不断进步, 新材料、新方法和新技术的不断创新可用于灌溉的咸水矿化度将逐渐增加, 越来越可以被资源化利用。

表1不同阴离子水化学类型矿化度与电导率关系[8]

1.2咸水灌溉制度与灌溉方式

土壤盐分含量除取决于灌溉水质外, 还与灌溉水量和灌溉时间有关, 而灌溉水量与灌溉方法和灌溉方式有关。控制土壤中的盐分是确定合理灌溉制度选择适宜灌溉方式的关键。从咸水灌溉方式来划分, 主要包括: 咸水直灌、轮灌和混灌等[14]。Saggu等[15]研究表明使用沟灌方式可调控土壤水分分布、提高灌溉水利用率、缓解地下水水位上升速度, 有利于土壤盐分随沟内水分淋失。国内一些学者发现土壤盐分含量对沟灌方法和灌溉量较为敏感, 灌溉量增加洗盐效果越好, 垄膜沟灌模式能降低土壤表层含盐量, 保留土壤水分, 在相同灌水量情况下, 沟灌的抑盐效果显著高于畦灌[16,17], 垄膜沟灌下350mm是河套灌区春玉米田节水抑盐、增产提质的合理模式[18]。李国安等[19]在石羊河流域研究结果表明利用3.0g∙L-1微咸水在拔节到灌浆期灌溉, 灌水量在205~355mm可以保证土壤水盐平衡和春小麦产量。陈素英等[20]发现畦灌方式下上季冬小麦微咸水灌溉后夏玉米播种前利用67.5~75mm的淡水可满足耕层淋盐, 达到夏玉米生长的安全阈值, 夏季降雨量大于300mm时周年土体盐分可达平衡。郭凯等[13]发现利用矿化度为10 g·L-1和水量分别为90 mm、135 mm和180 mm的咸水冰融水入渗滨海盐土后, 0~20 cm土壤的脱盐率分别为29.7%、56.7%和96.2%。因此, 咸水安全利用不仅与灌溉水量和水质相关,还与灌溉制度和灌溉方式等管理方式相关。

1.3地下水埋深

地下水埋深和矿化度不同会通过影响土壤中盐分的迁移和累积, 进而影响咸水灌溉的安全利用。地下水临界深度与土壤质地、大气蒸发力、地表植被和排水等均有一定的关系。刘昌明[21]提出了基于土壤水量平衡、土壤盐分平衡和潜水平衡的地下水埋深临界深度不一致。许多学者[22,23,24]对地下水埋深的阈值进行了研究, 发现定水位情况下当地下水埋深为1.5 m时冬小麦产量、水分利用效率较高。当地下水埋深小于1.5m时, 受上层土壤含水量高和通气性差的影响, 盐分积累量增加, 盐害明显。当地下水埋深大于1.5m时,由于上层土壤含水量低, 冬小麦根系较难利用浅层地下水,其生长也受到抑制。

2咸水灌溉对土壤质量的影响

2.1对土壤水力特性的影响

微咸水在土壤入渗过程中, 由于盐分离子与土壤胶体颗粒发生作用, 改变了土壤孔隙结构, 影响入渗过程。张盼盼等[25]利用室内土柱试验研究了微咸水灌溉对土壤水盐运移的影响, 发现土壤入渗能力与灌溉水矿化度成正比, 土壤累积入渗量与湿润锋推进距离呈线性关系; 土壤脱盐深度为15~18 cm(脱Na+深度为15~16 cm, 脱Cl-深度为22~23 cm)与矿化度水平成反比; 随着灌溉水矿化度的增加, 积盐区各土层含水率、含盐量及其Na+、Cl-浓度总体上逐渐增大, 但脱盐区差异不明显。唐胜强等[26]研究了灌溉水质对土壤饱和导水率和入渗特性的影响, 发现粉砂土和黄棕壤土采用微咸水入渗时, 饱和导水率比淡水入渗分别增大3.5%与28.6%, 土壤吸渗率分别增加2.7%与7.6%。在0~3.2 g∙L-1矿化度范围内, 入渗水矿化度的增加增大了盐碱土的入渗率及湿润锋推进速度; >3.0 g∙L-1矿化度时, 入渗水矿化度和Na+总量共同影响土壤结构, 土壤入渗能力随灌水矿化度增加而增加的幅度减小。刘淙琮等[27]研究了不同矿化度咸水(0、5、10 g∙L-1)在滨海盐碱区典型植被白茅、盐地碱蓬和裸地的水分入渗特征, 发现同一地块初始入渗率、稳定入渗率和累积入渗量均随咸水矿化度的升高逐渐增大, 相同矿化度咸水入渗下, 稳定入渗率和累积入渗量由大到小依次为白茅地、盐地碱蓬地和裸地; 植被类型对滨海盐碱地水分入渗特性的影响大于入渗水的矿化度。目前, 较多试验研究表明随灌溉水矿化度增加入渗能力先增大后减小, 引起入渗能力突变的微咸水矿化度阈值[14,26], 一部分研究结果认为是3 g∙L-1, 还有一部分研究结果认为是2 g∙L-1。

2.2对土壤理化性质的影响

由于土壤对不同离子的交换吸附作用不同, 随着微咸水灌溉带来不同的离子进而影响土壤理化性质。Na+含量的增加, 使土壤钠质化, 引起土壤颗粒收缩、胶体颗粒的分散和膨胀, 破坏土壤水稳性团聚体, 影响土壤通透性。张余良等[28]在天津通过连续多年的微咸水灌溉模拟试验发现, 长期灌溉微咸水有恶化土壤理化性状的趋势, 土壤表层聚盐、氯钠离子比例提高、土壤初始入渗率逐年降低, 短期灌溉则会破坏土壤水稳性团聚体。冯棣等[29]研究了咸水灌溉对棉田土壤理化性质及酶活性的影响, 随灌溉水矿化度增加, 0~20 cm土层的盐分、容重和pH值呈增加趋势, 土壤酶活性和有机质含量降低。研究表明, 当灌溉水矿化度>3.0 g∙L-1时, 土壤中Na+总量增加, 导致土壤入渗能力增加幅度变缓, 累积入渗量和稳渗率随矿化度的继续升高而减小, 同时由于土壤含盐量增加, 使土壤通透性降低, 造成土壤板结, 进而抑制土壤酶活性, 降低土壤微生物数量, 最终影响土壤肥力和作物产量[30,31]。Dong等[32]发现经过14年的咸水长期灌溉, 4 g∙L-1咸水灌溉对土壤有机碳和无机碳没有明显影响, 而利用8 g∙L-1咸水灌溉对土壤有机碳和无机碳均有显著影响。高聪帅[33]研究表明, 随咸水矿化度的升高, 土壤大团聚体(>0.25 mm)所占比例和团聚体稳定性呈下降趋势, 下季作物表层土壤中微生物数量减少, 与灌溉1次微咸水相比, 灌溉2次微咸水抑制了土壤中微生物的数量。同时, 盐分也是影响氮素迁移转化和吸收利用的重要因素, 影响氮素矿化、硝化等过程。研究表明, 盐分会抑制以脲酶为主驱动的氮素矿化, 在中轻度盐碱土中脲酶活性随着盐碱化程度加重而降低, 进而造成矿化速率降低[34]; 土壤硝化速率也与盐分呈显著负相关, 在中度盐碱土中, 盐分对亚硝酸盐氧化作用的抑制程度强于氨氧化作用, 会造成NO2--N的累积[35]。总之, 咸水灌溉下耕地质量是下降趋势, 所以咸水灌溉下如何提升耕地质量仍是当前研究的一个热点问题。

2.3对土壤温室气体排放的影响

国内外许多学者研究了土壤环境因素(湿度、温度、PH、质地等)、水肥管理及栽培耕作措施对农田温室气体(CO2、CH4、N2O)排放的影响。灌溉水矿化度的差异将会影响土壤微生物、土壤动物和各种真菌的数量与活性, 导致土壤环境因素发生变化, 进而影响土壤温室气体排放。王帅杰等[36]研究了微咸水灌溉下春玉米田温室气体排放规律, 发现3.5g∙L-1和5 g∙L-1微咸水灌溉处理CO2气体日均排放通量比2 g∙L-1微咸水灌溉处理分别低27.82%和31.16%, N2O气体日平均排放通量分别低4.46%和8.23%。邹其会[37]发现不同矿化度咸水和淡水灌溉对CO2和N2O排放通量存在显著差异, 随着矿化度增加CO2和N2O排放通量降低。李双男等[38]研究了咸水滴灌对棉田土壤N2O排放的影响, 发现微咸水与咸水灌溉处理土壤累积N2O排放量比淡水处理分别增加22.2%和6.8%。Kontopoulou等[39]发现咸水灌溉大豆时, 灌溉水矿化度不会影响土壤CO2、N2O排放。在盐分影响温室气体排放方面, 研究相对较少, 且研究结论尚未达成一致, 这可能是不同区域的外界环境差异及土壤环境差异造成。

3咸水灌溉对作物的影响

3.1咸水灌溉对作物生长的影响

盐分胁迫对作物的危害途径主要包括: 渗透胁迫、离子毒害和营养失衡等, 作物通过提前生育进程、减缓植物组织和器官的生长和分化来响应[40]。Munns等[41]的盐害学说包括: 1)植物新叶生长速度减慢是对盐胁迫最敏感的生理表现; 2)叶片含盐量过高导致老叶死亡; 3)碳水化合物消耗殆尽, 导致植株生长速度下降, 甚至死亡。根系由于最早感受逆境胁迫信号并传导信号, 对盐胁迫的敏感度高于地上部分[42,43]。油葵和水稻的生育进程随土壤含盐量的增加呈现延长趋势[44,45], 而冬小麦生育期受盐分胁迫影响缩短, 盐分胁迫对不同作物种类生育期长短的影响表现不一, 这仍需进一步深入研究[46]。利用3 g∙L-1、5 g∙L-1和7 g∙L-1咸水灌溉冬小麦, 其株高比1 g∙L-1处理分别降低5.97%、14.08%和21.89%, 相应的根系生物量降低25.81%、45.16%和53.23%, 这说明盐分胁迫对根系生长的抑制大于对地上部分的抑制[47]。由于盐胁迫后光合作用减弱, 使地上部碳水化合物合成减少, 进而向地下部分运输减少, 最后导致地下生物量减少。于潇等[48]发现盐分胁迫会改变作物对有效光辐射的利用方式, 采用3 g∙L-1微咸水灌溉会促进冬小麦对低有效光辐射的利用效率, 而5 g∙L-1灌溉影响冬小麦的叶片结构, 降低叶片对高有效光辐射的响应, 导致光合作用下降。盐分胁迫会增加作物的初始荧光, 使叶片的最大荧光产量降低, 内禀光能转换效率降低。从作物不同生育时期对盐分的敏感程度来看, 一般作物萌芽期和幼苗期对盐分较为敏感, 成熟期对盐分敏感性较差[49,50]。

3.2咸水灌溉对作物产量的影响

大量研究表明, 利用咸水或微咸水灌溉可使作物产量接近淡水灌溉水平, 较旱作处理有明显的增产作用[4,41,49,50]。尚伟等[51]对103组微咸水灌溉冬小麦的试验结果进行统计分析, 发现充分灌溉下小麦相对产量与灌溉水矿化度呈负相关关系, 当灌溉水矿化度为2~3 g∙L-1时, 小麦相对产量为0.87~0.93, 比淡水灌溉减产7%~13%。陈素英等[4]研究了不同矿化度微咸水灌溉对冬小麦-夏玉米周年轮作的综合影响, 发现与淡水灌溉相比, 利用小于5 g∙L-1微咸水灌溉, 灌溉1次微咸水比雨养旱作处理增产10%~30%, 下茬玉米季利用45~50 mm淡水灌溉可实现土壤耕层盐分淋洗, 降低对玉米产量的影响。王辉[52]综合分析了冬小麦、棉花和玉米3种作物可利用灌溉水的矿化度阈值, 其耐盐阈值范围分别为3~4 g∙L-1、1~5 g∙L-1和3~4 g∙L-1。李佳等[7]通过9年的田间试验发现, 冬小麦咸水矿化度阈值为2.14~3.95 g∙L-1。Zhang等[53]研究结果表明, 长期咸水灌溉棉田存在土壤积盐风险, 提出了0.45 S·m-1的灌溉水盐分阈值, 建立了微咸水灌溉棉花的水分生产函数, 适宜微咸水灌溉棉花的产量为3.1 t∙hm-2, 水分生产力为0.76 g∙m-3。毛振强等[54]研究结果表明, 当20~60 cm土壤溶液电导率小于8 mS∙cm-1时, 对夏玉米产量无显著影响。作物种类、土壤类型、地下水埋深和气象等因素综合影响咸水灌溉下作物的产量, 需要建立基于多因素的水盐生产函数, 进而明确不同区域和不同作物的咸水灌溉阈值。

3.3咸水灌溉对作物品质的影响

咸水灌溉带来的盐分参与作物代谢, 进而影响品质。微咸水灌溉对作物品质的研究多集中在果蔬方面, 许多研究表明咸水灌溉可以增加果蔬的可溶性固形物、有机酸和糖含量, 从而有利于改善风味品质、营养品质和储藏品质等。由于盐胁迫下植物体内会产生胁迫蛋白(盐胁迫蛋白、渗透蛋白、抗冻蛋白和热激蛋白等), 这些微量蛋白直接影响作物的营养价值和口感[55,56]。有研究表明利用<10 dS∙m-1的咸水灌溉6种牧草, 其产量随盐水浓度增加而提高, 纤维素含量无明显增加, 干草消化率随灌溉水矿化度增加而增加, 这主要是由于部分盐离子沉积在牧草体内, 提高了牧草的味感, 增强了喜食性[57]。马玉诏等[58]研究结果表明, 与淡水灌溉相比, 利用矿化度>2g∙L-1微咸水灌溉时可显著增加冬小麦籽粒含水量、面团形成时间、沉降值、湿面筋和粗蛋白含量, 显著降低出粉率、面团稳定时间和面筋指数。肖丹丹[59]对不同矿化度咸水灌溉下的水稻产量和品质进行了研究, 发现在1.0~1.5 g∙L-1浓度下, 稻米直链淀粉含量显著降低, 糙米率、精米率和整精米率增加, 稻米淀粉黏滞特性的峰值黏度、热浆黏度和最终黏度增加, 其品质总体有一定的改善, 而到2.0~3.5 g∙L-1时, 稻米的加工品质、蒸煮食味品质和稻米淀粉黏滞特性明显降低。翟彩娇等[60]研究了盐胁迫和品种对稻米品质的影响, 在盐胁迫对食味值和相关参数的影响方面, 盐胁迫及盐胁迫与品种互作均达显著或极显著水平, 而品种的影响未达显著水平。但是, 目前这些研究多集中在加工品质方面, 且对大田主要作物小麦玉米的研究较少, 尤其是微咸水灌溉对小麦玉米营养品质、风味品质等方面的研究。

4农业措施对咸水灌溉下土壤盐分的调控作用

4.1有机物料对土壤盐分的调控作用

在盐碱土壤施用有机物料, 可增加土壤有机质, 促进团聚体形成, 改善土壤结构, 降低pH值, 降低土壤中水溶性钠和交换性钠的比例, 使交换性钠饱和度(ESP)和钠吸附比(SAR)值减小。有机物料经微生物分解、转化形成腐殖质。腐殖质通过促进土壤团粒结构形成, 增加孔隙度, 有利于淋盐, 提高土壤的缓冲能力, 还可以与碳酸钠作用形成腐殖酸钠, 降低土壤碱性[61]。同时, 有机质在分解过程中会产生有机酸, 有机酸可以中和碱性土壤并活化磷, 提升养分转化利用效率。Su等[5]研究结果表明, 与施用化肥相比, 施用有机肥能够降低0~160 cm土壤EC值18.3%, 使冬小麦增产21.7%。在山东省滨海盐碱地的研究结果表明[61], 有机肥替代低量、中量和高量化肥, 显著降低土壤水溶性盐总量、pH、水溶性钠和交换性钠的比例, ESP和SAR值减小, 与施用化肥相比冬小麦分别增产7.5%、18.8%和26.4%。

4.2农艺措施对土壤盐分的调控作用

对盐分调控的农艺措施主要包括覆盖、耕作、灌溉制度和优化施肥等技术[62]。覆盖通过改变土壤水分运动进而影响盐分的时空分布, 利于作物生长, 其主要包括秸秆覆盖、地膜覆盖等。耕作措施是通过深耕、深松和轮作等不同措施改善土壤结构, 提高土壤透气透水性和土壤温度, 加速土壤脱盐。灌溉制度是根据作物的需耗水规律和土壤水盐运移情况, 调控灌溉方式、灌溉量和灌溉时期, 降低水盐环境对作物正常生长的危害。绿肥与作物的轮间套作可以减少盐分对作物的危害, 种植绿肥可增加土壤覆盖度, 减少水分蒸发, 改善土壤理化性状, 培肥土壤, 减轻对下一季作物的盐害。余世鹏等[63]通过多因子和不同因子水平下的微区玉麦轮作试验发现, 单一的高N投入措施利于轻度盐碱耕地增产但对中度盐碱耕地产量提升和盐渍害防控效果不显著。秸秆覆盖能显著提升土壤保水能力、抑制表土盐碱害, 但其对作物根层盐碱抑制效果不明显, 需结合优化灌溉来加速根层盐分淋洗; 有机肥施用可有效培肥土壤、促进土壤排盐抑碱、提升生产力; 水肥盐优化调控措施可提升盐碱土壤供N能力、减少化肥用量, 利于降低成本并改善土壤生态环境。因此, 农艺措施的综合应用对调控土壤盐分具有非常重要作用也是未来的发展趋势。

4.3耐盐作物对盐分的适应

不同作物种类对盐分的敏感程度不同, 其途径主要是通过加强水分吸收与减少水分蒸腾散失减轻渗透胁迫, 通过排出叶内的Na+以及将Na+分隔到液泡中减轻Na+的胁迫[64]。作物对盐度的敏感性可通过相对产量(Y/Y0)和土壤饱和浸提液EC(%)之间的线性关系(式(1))进行划分。表3为根据式(1)对主要大田农作物的耐盐能力进行分类。

5研究展望

党的二十大指出, 推动绿色发展, 促进人与自然和谐共生。随着全球性水危机的不断加剧, 在水资源严重短缺情况下保障国家食物安全和生态安全, 通过科技创新利用咸水替代淡水是主要途径之一。因此, 下一步要在人与自然和谐共生的理念下, 开展基于不同水源特点的咸水灌溉制度及水盐综合调控机理研究、技术研发和产品装置研制, 提高咸水灌溉水利用率和生产效率[67,68], 以实现土壤质量、作物产量和品质多重目标协同, 服务于乡村振兴。

5.1咸水非充分灌溉研究

非充分灌溉技术越来越多地被采用, 该技术旨在通过消除缺水对作物生长的最严重限制阶段来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对农田水盐环境及作物的影响, 明确土壤导水率和作物根系吸水对盐分的协同响应关系, 定量描述灌溉定额及盐分对农田水盐运动及作物生长的影响机理, 建立适应水资源特点的咸水非充分灌溉制度, 可为我国淡水匮乏咸水资源丰富地区的咸水非充分灌溉提供科学依据和技术支撑。

5.2水肥盐综合调控提升生产力研究

针对缺水盐渍区水肥利用率低、土壤盐渍化和农业面源污染日益严重等问题, 以节水、减排、控盐、提质、增效和绿色发展为目标, 开展农田水分、养分和盐分的响应规律及其互馈机制研究, 研究不同矿化度咸水灌溉下对GSPAC系统中水汽热运移和耗水规律, 研究不同矿化度咸水灌溉对土壤水分、盐分和养分及作物生长的影响, 研究不同矿化度咸水灌溉和不同肥料种类协同对土壤环境和作物生长的调控规律, 研发盐渍化农田主要作物适宜的咸水高效利用的产品和装备。

5.3 咸水灌溉下盐碱耕地质量变化研究

针对咸水灌溉下土壤结构差、盐碱胁迫重的问题, 以耕地质量与产能协同提升为目标, 开展咸水灌溉下土壤水分、养分和盐分与作物生长关系研究, 研发有机质快速提升、肥沃耕层构建、生物强化、水肥运筹控盐与离子均衡调控、盐碱地绿色低碳改良、耐盐粮食作物适应性种植、水盐智能监测调控等关键技术、产品和装置, 构建不同盐碱胁迫程度的耕地质量快速提升和作物提质增效协同的综合技术模式, 为咸水灌溉区提供范式样板。

5.4咸水精准高效灌溉研究

针对咸水灌溉中需要精准调控水盐对作物和土壤环境影响的问题, 以精准高效为目标, 开展作物生命需水信息实时预报研究, 研究作物需水感知现代技术, 建设基于不同作物的咸水灌溉专家决策系统, 研究咸水水网智慧管控和精准计量设备, 研制系统高端节水装备, 为咸水精准利用提供科技支撑。

参考文献

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