微咸水利用现状和研究进展

微咸水的利用现状和研究进展 徐秉信1,李如意2,武东波3,张燕4,曹云娥4* (1、银川市西夏区农技推广中心,宁夏银川750011;2、贺兰县农业综合开发办公室,宁夏银川750100 ;3、宁夏农业综合开发办,宁夏银川,750100;4、 宁夏大学农学院,宁夏银川750021) 摘要:概述了国内外微咸水开发利用的研究现状、利用途径,并提出今后微咸水利用主要研究方向。首先要重视土壤盐分调控研究,防止土壤次生盐渍化,平衡土壤-水-作物系统;其次重视土壤水分和盐分运移特征以及平衡规律;然后是微咸水灌溉后,对土壤环境的影响,和盐分离子对作物生长发育的影响等,为今后微咸水开发利用理论的研究和发展奠定基础。关键词:微咸水;途径;水盐运移 Utilization status and Reasch Progress of Brackish Water XU Bingxin1, Li Ruyi2,WU Dongbo3,ZHANG Yan4, CAO Yun-e4* (1. Farm Machinery Promotion Centre, Xixia district, Yinchuan, Ningxia750011; 2. Farm Machinery Promotion Centre of Helan,Yinchuan, Ningxia750011; 3. Comprehensive Agricultural Development Office of Ningxia, Yinchuan, Ningxia750100; 4. School of Agriculture of Ningxia University, Yinchuan, Ningxia, 750021) Abstract:This thesis has summarized the research status and utilization ways of brackish water development and utilization domestic and overseas, and has proposed the main direction of brackish water utilization in the future. Firstly, the regulating research of soil salinity should be attached importance to prevent soil from secondary salinization and to balance the system of soil, water and crops. Secondly, migration characteristic and balance rule of soil moisture and salinity should be paid importance. Thirdly the brackish water irrigation’s influence to soil environment , and the salinity ion pair’s influence to the crops development should lay emphasis on to lay the foundation for the study and development of brackish water development and utilization. Key words:brackish water; way; water and salt transport 水资源的不足已成为世界性的问题,而中国水资源严重短缺,区域性缺水和季节性缺水也是中国水资源的一大特征。随着经济、社会的不断快速发展,需水量的急剧增加,淡水资源的短缺已成为我国工农业发展的一个重要限制因素,特别对于我国干旱半干旱地区农业可 徐秉信,男,1968年11月出生,农艺师,宁夏固原人,主要从事农业技术推广工作。E-mail: xubingxin1968@163.com. 通讯作者:曹云娥,女,1977年生,讲师,在读博士生,常年致力于设施蔬菜栽培与生理研究,E-mail:caohua3221@163.com. 本研究受宁夏农业综合开发项目NTKJ-2012-09资助。 持续发展显得尤为重要,并且一些地区由于生态的破坏,水土流失加重、土地沙漠化加剧、沙尘暴等自然危害频繁,而水环境恶化问题尚未解决,比如水污染,使得淡水资源的供需矛盾日益突出。淡水资源缺乏威胁着国家和地区的生存与发展,甚至影响到国家和地区稳定[1]。因此,寻找替代水资源是解决我国水资源危机问题的重要途径。近年来,各国为了缓解淡水资源供需矛盾,开始开发利用非常规水,例如雨水、中水、再生水、矿坑水和海水等。而微咸水分布广、储量大,因此成为主要的开发利用水源[2]。 所谓的微咸水,即矿化度在2.0 g/L~5.0 g/L的水[3]。据统计,中国地下微咸水资源约200亿m3/a,其中可开采量为130亿m3,绝大部分存在于地下10~100cm处,宜于开采利用。因此开发利用微咸水资源,可以提高水资源利用率,确保水资源的可持续发展,并可以有效地缓解我国水资源的缺乏。本文主要通过对微咸水的研究意义,微咸水的利用现状以及安全利用技术等方面阐述微咸水开发利用的价值。 1开发利用微咸水资源的目的和意义 水是维系人类生存与发展不可缺少的资源,是实现人类社会可持续发展的重要物质基础。目前,水资源短缺与人口、环境、能源问题一样,己成为很多国家和地区面临的四大危机之一,建立节水型社会,提高水资源利用效率,保障水资源的可持续发展刻不容缓[6]。根据最近的估计,世界上总储水量为1.4×109km3,其中淡水3.5×107km3,仅占总储量的2.5%, [5],我国淡水资源占世界总量的8%。我国水资源总量相对比较丰富,总量为2.8×l012m3,其中地表水为2.7×l012m3,地下水为0.83×l012m3 [7],但是我国人均占有量显著低于世界水平,我国人均水资源占有量为2400m3,约为世界人均的1/4,排在世界第121位,被列为世界上最缺水的13个国家之一[4-7]。从当前中国经济社会发展来看,水资源己经迅速接近承载力的上限,水资源短缺问题,将越来越成为我国农业和经济社会发展的制约因素[8]。并且近年来由于水资源的不合理开发利用,降水量小而蒸发量大,土壤盐渍化加重,致使西部部分地区土地荒漠化面积不断扩大,农业灌溉用水的增加提高了地下水水位[9]。水资源的本身短缺再加上不合理的开发利用,致使我国水资源危机愈演愈重。 解决微咸水危机的主要办法是开源与节流。节流:必须要节约用水,经济合理地开发利用水资源;开源:对地下微咸水资源的开发利用成为可行的主要措施之一。虽然微咸水属于劣质水资源,但是由于土壤的缓冲能力和植物的耐盐能力,采取适当措施,恰当的管理利用微咸水灌溉,可以实现“高产、优质、高效”可持续农业的发展目的。开发利用微咸水,不但可以减轻黄河水资源的供水压力,还能降低地下水位,有利于防止或减轻土壤盐渍化。 2我国微咸水资源的分布与储量 通常凡是地表土壤存在盐渍化现象的地区的地下水,以及流径该地区地表汇集而成的水,比如坑塘、洼淀积水大多数都是咸水或者微咸水微咸水。微咸水广泛分布于我国各地,其储蓄量大。据有关部门统计,我国地下微咸水储备量约为200亿m3/a,其中可开采利用资源为130亿m3,且大多数存在于地表下10~100m处。从形成与分布的地理位置得知,我国微咸水主要分布于易发生干旱的华北、西北以及沿海地带[37]。其中,黄河片2~5g/L微咸水资源量为30亿m3,海河片为22亿m3,黄淮海平原地区的微咸水利用量多达54亿m3/a [8]。从地区来看,微咸水分布最广为河北省,其中2~5g/L的微咸水990.55亿m3[8]。 3 微咸水的利用途径 淡水资源的短缺使得对微咸水的利用依赖性日益增加,也使得微咸水的利用途径更为广泛。现如今我国缺水的地区除了充分利用微咸水进行农田灌溉和发展养殖业以外,还可以通过淡化技术处理,用于人畜饮用,以减少对深层地下淡水的开采。 3.1 农田灌溉 中国是一个农业灌溉大国,灌溉用水量约占总供水量的62%[11]。但是,中国水资源严重短缺,利用微咸水灌溉是解决灌溉水资源短缺的有效措施之一。微咸水灌溉以抗旱作物为主,不宜进行全生长期灌溉,并要控制好灌溉量和灌溉次数[2-4]。国内外在微咸水灌溉方面已经积累了很多成功的经验。例如,在意大利,微咸水(2~5 g/L)灌溉已有20多年的历史;一些中亚和阿拉伯国家利用微咸水(3~8 g/L)进行农田灌溉也获得了成功[12]。微咸水灌溉带入大量盐分离子,与土壤中一些化学元素发生一些列反应,使得土壤的物理性质和化学特征发生改变,改变了土壤中水盐运移特征,影响土壤中水分有效性已经作物的生长发育[13]。目前,微咸水的灌溉方式主要有直接灌溉、咸淡水混灌和咸淡水轮灌。 3.11 微咸水直接灌溉对于淡水资源十分紧缺的地区,可直接利用微微咸水进行灌溉,来保障作物的产量,但必须要防止灌溉后土壤中的盐分积累达到限制作物生长的水平[14]。国内外研究表明,一定矿化度的微咸水可以用于农业灌溉,并不会对作物产量和土壤性质造成太大的影响。馆陶县试验证明,在干旱时用微咸水给作物浇关键水,较不灌的增产1.2~1.6 倍[15]。 3.12 咸淡水混灌 咸淡水混灌方式是在有碱性淡水的地区将其与咸水混合,克服原咸水的盐危害及碱性淡水的碱危害[11]。混灌将低矿化度的淡水和高矿化度的微咸水合理配比后,改善水质,适于作物生长;还增加灌水总量,高效利用碱水或高盐度的咸水;经济效益显著,郭永辰用4~6g/L 咸水和小于1g/L的深层碱性淡水灌溉,小麦、玉米平均产量为8355kg/hm2,比用4~6g/L的咸水灌溉的增产20%,比不灌的增产163%[16]。 3.13 咸淡水轮灌 咸淡水轮灌是根据水资源分布、作物种类及其耐盐特性和作物生育阶段等交替使用咸水灌溉的一种方法[17]。是一种较好的微咸水利用方式,Minhas和Gupa试验证明,在同样盐分的水平下[18],咸淡水轮灌的作物产量高于咸淡水混灌的产量。在不同作物轮作或套种时,强耐盐作物用微咸水,弱耐盐作物用淡水;播前和苗期用淡水,而在作物生长的中、后期用微咸水[19],小麦初期用淡水灌溉,拔节以后用咸水灌溉,小麦单产达4549.5kg/hm2,仅比全用淡水的减产4.4%[20]。 3.2 人畜饮用 对于淡水资源严重缺乏的地区,如地处河北省东北部的沧州市,由于特殊的地理位置和水文条件,造成土地盐碱,淡水资源严重缺乏,浅层水苦咸,深层水含氟量高,等问题,沧州一直为缺水、苦咸水、高氟水所困扰。在解决农民群众的吃水的困难中,成功引进了黄骅市中排村咸水淡化技术,并探索出一条在咸水区域寻求淡水资源的有效途径。咸水淡化工艺 技术可将含盐量3~5g/L的咸水,通过脱盐、降氟、净化、变成小于1g/L的淡水,达到国家规定的饮用水[15]。将沧州市丰富的微咸水资源,通过咸水淡化技术,解决了人畜饮水问题。咸水淡化是解决人畜饮水一条投资少、见效快、成本低的途径,减少了深层水源开采,节省了淡水资源,咸水淡化设备排出的浓盐水又可用于水产养殖[15],做到了循环生产,产生了较好的生态效益、经济效益和社会效益。 3.3 水产养殖 地下微咸水水体理化性质稳定,无污染,比海水养殖安全。实践表明,利用咸水、微咸水养殖是一种投资大,但收益高、周期短、见效快的开发模式[30]。尤其发展利用植物、动物、微生物之间相互利用、相互依存、相互促进、共同生长的高效生态模式,实现微咸水的最佳经济效益、社会效益和生态效益。在排水不畅,不宜种植作物的盐碱洼地上,微咸水微咸水养殖效益更加明显。河北省黄骅市有8户人家承包了3.33hm2渔场,利用微咸水养鱼,当年生产鱼苗500万尾,成鱼5000kg,获利2.8万元,第二年获利4.16万元[30-32]。天津市滨海区进行地下咸水、微咸水养殖试验,也取得成功[30]。 4国内外微咸水利用现状 国内外大量学者重心都在研究微咸水灌溉和土壤、盐分、水分和作物之间的关系。对于微咸水灌溉研究大致分为两类:一类主要集中于微咸水灌溉和土壤之间的相互作用,旨在研究微咸水灌溉下土壤中的水盐运移规律;另一类则集中于作物耐盐生理,主要研究作物对盐分的抵抗、吸收及其在作物体内的转移[21]。 4.1 国外利用现状 以色列、美国、法国、日本、意大利、中亚、阿拉伯、奥地利等国家利用微咸水,已有较长的时间,栽培作物范围涉及也比较广,其利用技术也日臻完善,而其利用微咸水灌溉的关键是选择合适的灌溉方式。以色列地处中东,是一个严重缺水的国家,微咸水得到了广泛应用。利用矿化度为1.2~5.6g/L地下微咸水,采用先进的计算机系统,使之和淡水混合,用于农林业灌溉及生活饮用水,灌溉方式主要是喷灌和滴灌。突尼斯没有矿化度小于1g/L 的淡水,并且大多数地区为渗透性的重粘土土壤,在作物生长期,土壤严重板结和开裂,冬季雨水仅能少量压盐,在这种不利条件下,微咸水利用获得成功[22];在排水设施良好的盐碱地上,用矿化度为2~5g/L的微咸水灌溉海枣、高粱、大麦、苜蓿、黑麦草等,均能正常生长。埃及是一个极端干旱的国家,农田灌溉是利用回收改良盐碱土壤的排水,已经在30年前开始利用微咸水进行土壤灌溉,其土壤为砂土和粘土质地,种植农作物有小麦、水稻、甜菜和棉花[23]。意大利利用2~5g/L咸水灌溉己有20余年的历史[24]。美国西南部利用矿化度在2.5g/L~4.8g/L,钠吸附比在4.6~10.6范围,pH值约7.8左右的微咸水灌溉棉花、甜菜、首猎和小麦等作物,其中棉花产量高于淡水灌溉[25]。印度利用稀释的海水进行农田灌溉。而日本在一些农业灌溉用水比较紧缺的地区利用含盐量为0.7~2.0%的微咸水对农田进行灌溉,取得了成功[38]。在西澳大利亚矿化度大于3.5g/L的微咸水用于灌溉苹果树及短期灌溉葡萄均获得满意效果,在Ahuchr垦区当灌溉水的电导率从4ds/m提高到15ds/m时,甜菜产量降低了22%[39]。西班牙将微咸水灌溉技术广泛地应用在干旱半干旱农业地区,为了研究和推广微咸水灌溉技术,在大部分地区设有微咸水灌溉驿站,专门试验和研究微咸水 灌溉的技术。中亚、阿拉伯等国家利用3~8g/L 水进行农田灌溉。阿尔及利亚、摩洛哥、巴基斯坦、德国以及瑞典等也都有咸水灌溉成功的经验[40]。 4.2 国内利用现状 我国宁夏、河北、内蒙古、甘肃、河南、山东、辽宁、新疆等省区都有利用不同程度微咸水或咸水进行农田灌溉并获得高产的经验[26],但是我国目前对微咸水的利用还处于探索研究阶段,有一些研究成果并没有普遍的推广利用。通过对宁南、甘肃民勒、河北省曲周县、天津市南郊等地区的微咸水灌溉研究,中科院水土保持研究所认为,由于土壤盐渍化程度的不同,用不同水质的微咸水对农田进行灌溉时,生产实践中可以根据灌溉所用微咸水矿化度的不同来决定微咸水利用的方式[41]。 宁夏利用微咸水灌溉已有40多年的历史,试验结果表明:用咸水灌溉的大麦、小麦比旱地增产3~4倍;用矿化度3.0~6.0g/L的咸水灌溉枸杞树生长良好;用矿化度3.0~7.0g/L 的咸水灌溉韭菜、芹菜、甘蓝等。河北省淡水资源匮乏,早在60年代就开始研究微咸水的利用,现如今浅层微咸水和深层淡水混合灌溉技术成为黑龙港地区一项主要的节水措施;天津市采用采取适当的技术模式,利用微咸水灌溉弥补淡水灌溉农业的不足,以取得显著效果。并且经过3年多的研究已提出了符合干旱地区耕地质量安全的矿化度3~5岁L微咸水灌溉技术模式[28];新疆利用微咸水和咸水灌溉碱茅草;内蒙古河套灌区红卫节水示范园用矿化度小于2.5g/L 的微咸水灌溉后土壤盐分有一定的积累,但经过秋浇后,实现年内土壤不积盐,水盐供给平衡,说明微咸水灌溉在当地是可行的[29]。山西省汾河灌区利用浅层地下微咸水灌溉春玉米、冬小麦、棉花等,该地区为沙壤土,结果发现利用微咸水灌溉与不灌溉相比,作物的产量增加了,但与淡水灌溉相比,作物减产了。辽宁省营口市进行了微咸水灌溉水稻的试验,试验结果表明:微咸水中氯离子含量会影响水稻的产量[42]。 5微咸水利用的研究方向 微咸水的成功利用是解决淡水资源短缺的一条有效途径。国内外学者研究主要集中在微咸水利用方式、土壤盐分分布、微咸水灌溉对土壤物理和化学性质的影响、微咸水灌溉、微咸水灌溉对作物产量和品质的影响等方面。在利用微咸水灌溉中,土壤发生次生盐碱化、盐碱化一直是研究的重点,同时在此基础上提出了土壤有害盐类的淡化[18]、土壤盐分的排除[12]、盐碱土改良[31]等综合调控技术与措施。对于微咸水灌溉研究大致分为两类:一类集中于微咸水灌溉和土壤之间的相互作用,旨在研究微咸水灌溉下土壤中的水盐运动规律;另一类则集中于作物耐盐生理,主要研究作物对盐分的抵抗、吸收及其在作物体内的转移时[20-25]。 5.1 微咸水灌溉下土壤中的水盐运动规律 土壤中水分和盐分的运移规律,主要包括两个的过程:一是微咸水灌溉过程中,随着水的下渗,携带着盐分的进行三维运移,即表层土的淋洗脱盐;另一种是微咸水灌溉后,由于土壤水势梯度、植物蒸腾、土壤表面蒸发综合作用,盐分随土壤水分的再分布而发生的盐分运移[33]。在微咸水灌溉条件下,灌水带来的盐分将成为表层积盐的一个重要因素[33],这些盐分与土壤本身化学元素或土壤颗粒发生相互作用,从而改变土壤物理化学性质,导致水分和盐分运移特征发生变化,影响土壤水分有效性和作物生长[32]。因此,今后应该对不同形 式微咸水灌溉条件下水分和盐分离子的运移与平衡规律进行系统研究,从而为微咸水合理的灌溉技术提供确定的科学依据。 5.2 微咸水灌溉后土壤盐分离子对作物生理的影响 微咸水灌溉后,过量盐分存在于作物根区会影响到作物的生理发育和生长代谢。作物受盐分的影响主要表现在两个方面:一是土壤溶质势,二是个别离子的影响(有毒性、矿物营养等)。土壤中盐分含量的增多,溶质势的降低[34],导致作物对水分和养分吸收能力减弱;钠离子的增多抑制钾离子和钙离子的数量及功能[35];具有一定的毒性的氯离子和硼元素会影响作物的正常生长[36]。因此,今后研究目标是运用不同矿化度的微咸水灌溉后,土壤的一系列物理或化学变化以及对作物的影响。比如土壤盐分离子对栽培作物出苗率、干物质积累量、光合速率、蒸腾速率、气孔阻力、根系活力、叶绿素含量及产量的影响,将更有助于微咸水灌溉技术体系的形成。 参考文献 [1] 张伟.咸水灌溉研究进展[J].山西水利科技,2012,01(2):12~14 [2] 吴忠东. 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