黄河三角洲盐碱地改良综合技术研究

刘建强，毕华军，郑 强

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

黄河三角洲地区，是以黄河历史冲积平原和鲁北沿海地区为基础，向周边延伸扩展形成的经济区域。地域范围包括山东省东营和滨州2市全部，以及与其相毗邻自然环境条件相似的潍坊市的北部寒亭区、寿光市、昌邑市，德州市的乐陵市、庆云县，淄博市的高青县和烟台市的莱州市，共涉及6个设区市的19个县（市、区），总面积2.65万 km2，占全省的 1/6。

黄河三角洲区位条件优越，自然资源丰富，开发前景广阔。在土地资源优势方面，拥有未利用地54.07万hm2。主要制约因素是淡水资源短缺，生态环境相对脆弱，土地盐碱化程度较高。因此，系统地研究盐碱地综合改良技术，具有重要的指导意义。

1 工程技术措施

在充分考虑黄河三角洲粉砂壤土盐碱地整治特点、现场试验及观测的基础上，以波纹塑料管为排水材料，进行暗管埋深和间距系统优化研究，分析不同暗管埋深和间距条件下排水降渍效果，进而确定可综合考虑经济性、治碱效果以及技术操作性的塑料暗管最优埋深和间距，为黄河三角洲盐碱地综合治理适宜工程布置形式提供理论依据及支持。

本研究示范区选择在滨州市阳信县水落坡乡境内，项目区西起滨州市小开河干渠，东止双保三，南起支七渠,北止温水线。总面积986.67 hm2，其中耕地面积800 hm2，示范区面积68 hm2。

1.1 排水暗管埋深分析

1.1.1 潜水临界水深和暗管的埋深

在实际工作中，排水暗管布设一般先确立塑料暗管埋深（见图1），其常用下式计算。

式中：hq为暗管埋设深度；ht为作物要求的地下水埋深，一般为耐渍深度或地下水位临界深度；Ht为两吸水管间排水地块中部地下水位与暗管水位之差，常称剩余水头或滞留水头；h＇为暗管水深，一般取吸水暗管管径1/2。

图1 暗管排水地段示意图

由式（1）可知，暗管的埋深主要决定于保证作物正常生育所需要的地下水埋深，同时考虑必要的剩余水头。根据图1剩余水头还可按下列公式计算：

式中：B为暗管间距；tanθ为与土壤质地有关的参数。

分析得知，暗管的埋深可以以潜水临界水深ht作为确定的主要依据。一般取作物敏感生育期根系密集层土壤水气比8∶2时的地下水位埋深，即要依据作物的根系分布、根系活力和不同土壤的饱和区高度来确定。

1.1.2 排水暗管埋深分析确定

根据分析计算及实地实验验证，当地主要作物根系活动层为0.3 m；砂壤、黏壤土毛管水强烈上升高度为1.3 m，因此，临界暗管的潜水临界水深ht定为1.6 m。暗管排水水头差Ht取0.2 m。根据设计管径，管内水深h＇取0.1 m，则暗管的埋深为1.9 m，在进一步提高耕作技术水平的前提下，潜水临界水深可相应降低，埋管深度也可适当放浅0.1 m。因此本项目区暗管埋深hq≥1.8 m为宜。

1.2 排水暗管间距的确定

塑料排水暗管埋深和间距的确定关系到排水效率和投入成本，并与土壤类型、排水体材料等有关。目前确定排水暗管的埋深和间距有多种方法，计算结果也有差别。暗管排水系统布局优化就是在一定的排水标准下，寻求单位面积投资最小的暗管埋深和间距的最优组合。

1.2.1 优化模型

1）目标函数。设暗管长度为L，埋深为h，间距为B，以单位面积投资Z最小为优化准则，则目标函数可以表示为：

式中：C为暗管及滤料的单价，元/m；D为土方单价，元；b为埋管时开挖沟宽，m；Z为单位面积上的投资，元/亩。

2）暗管埋深约束。暗管埋设深度应使暗管能防渍防涝，使土壤水分达到适宜深度，满足作物的需要，同时还能控制土壤盐分达到水盐均衡和逐年脱盐淡化的要求，故暗管埋深应满足下式：

式中：hmin为暗管最小埋深，m，由作物灌期适宜的地下水埋深确定；hmax为暗管最大埋深，m，由控制土壤返盐的地下水埋深确定。

满足自流排水要求，农田暗管埋深受到排水沟沟深的限制，若明沟水面离地面距离为H明沟水面，考虑到暗管比降和出流，则暗管埋深应满足下式：

3）暗管间距约束。暗管的间距为满足排盐要求，理论上应不超过按排蒸比标准计算的间距 S，即：

式中：S为理论公式确定的排水沟间距。

4）非负约束。暗管埋深和间距应满足非负要求，即：

1.2.2 优化计算模型与结果

针对滨州市小开河引黄灌区采用暗管排水的实际，并参考相关研究及山东省滨州市打渔张灌区的相关资料，暗管及滤料的单价C为20.0元/m；土方单价D为6.0元/m3；暗管开沟宽b为0.5 m；明沟水深离地面距离H明沟水面初步定为2.5m；水面蒸发强度ε0春季为8.48～10.0 mm/d，秋季为5.0～6.0 mm/d；渗透系数 k 取 0.82 m/d。

参考山东水利科学研究所《山东滨海粉砂壤土盐碱地区暗管排水技术研究总结报告》等相似区域的研究，粉砂壤土的毛细管水强烈上升高度为1.3 m左右，耕作层一般为0.2～0.3 m计算，则潜水的临界水深为1.5～1.6 m，排水过程后期，考虑排水顺利及管径自身的尺寸，暗管底部埋深应在1.9 m左右，在合理的灌水及良好的耕作条件下，暗管的埋深以不小于1.8 m为宜，即hmin定为1.8 m。

根据地下暗管埋深2.5～2.7 m时，略超过7～8 d排水的标准，但加强农业综合措施也能够满足要求，因此这里hmax初步定为2.7 m。

根据上述参数，在理论计算的基础上确定出了黄河三角洲盐碱地综合治理暗管排水系统优化模型为：

目标函数：minZ=667（20+3h）/B

约束条件为：

求解上述模型得到最后计算结果为：h=2.4 m，B=136.84 m。

根据以上分析，考虑尽可能的满足7～8 d排水的标准要求，对于小开河灌区盐碱地综合治理暗管排水暗管埋深建议取1.9 m，推荐间距为70 m。另外为了对比试验，可以采用对比方案为暗管埋深取2.0 m，推荐间距为80 m；暗管埋深取1.8 m，推荐间距为60 m。

2 农艺技术措施

农艺措施对盐碱地的改良更加简便、快捷、经济有效。在轻度或部分中度盐碱耕地上，采用各种农业措施，可以减少土壤蒸发、防止返盐、降低土地盐碱化程度，还可使土壤中现有盐分重新分配，使表层含盐量降到作物耐盐极限以下，保证作物出苗生长，达到合理利用盐碱化耕地的目的。

2.1 试验布置

本次田间试验选择了秸秆翻耕、土壤有机改良剂骨料、对照试验3种不同的处理方式，每种处理3个水平，2次重复，共18个试验小区。为了减少田间试验的误差，消除田间自然土壤变异对试验结果的影响，加大了每个试验小区的面积，试验小区面积设计成3 m×15 m，种植作物为棉花。为了便于和当地各种盐碱土改良方法的效果比较，3种处理的播种量、耕作施肥方式、施肥量等与当地农民采用的方式完全一致。

各处理直接按照土壤有机改良剂骨料和作物秸秆的添加量命名，其中：对照3个处理，分别是CK1、CK2、CK3。秸秆耕翻3个处理，分别是P1、P2、P3。土壤改良剂骨料3个处理，分别是GL1、GL2、GL3。上述每种处理重复2次。本次田间试验不同处理的名称与用量见表1。

表1 典型地块田间试验不同处理的名称与用量 kg/hm2

土壤有机改良剂骨料和秸秆在田间试验中的使用方法基本一致，都是在耕地前将土壤有机改良剂骨料和作物秸秆洒在地表，然后用旋耕犁随播种前耕地将土壤有机改良剂骨料、秸秆翻入地下约30 cm，使其与各试验小区中0～30 cm的土壤充分混合均匀。土壤有机改良剂骨料粉碎后过2 mm筛，作物碎秸秆的长度小于1 cm。

2.2 土壤采样与分析测定

2012-04棉花播种前，在田间均匀的取了12个测点，每点分0～20 cm和20～40 cm两个土层测定土壤容重，然后求平均值，作为改良前土壤的容重，以便于和棉花收获后的土壤结果进行比较。并同时取原状土进行孔隙度测定，分别测定土壤总孔隙度和毛管孔隙度。

在2012-11棉花收获后，在每个小区内按照S形状各选3个点，进行土壤样品的采集与田间测试分析。土壤容重的测定是每点取样深度为40 cm，分为 0～20 cm、20～40 cm 两个土层，每个土层用标准容重环（100 cm3）取原状土，计算土壤容重。土壤总孔隙度用田间实测的土壤容重与土壤颗粒密度进行简单计算得出。

土壤盐分按照 0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm八个层次取样，取样深度根据实际情况，以取到地下饱和土层。水溶性盐总量的测定用阴阳离子重量之和法（5∶1水土浸提）。

土壤颗粒分析采用筛分与沉降相结合的方法进行，每个土壤样品中﹥0.1 mm的土壤颗粒用标准土壤筛进行筛分，将剩余的﹤0.1 mm水土混合液转入1 000 mL量筒用沉降法进行测定。

2.3 结果分析

1）土壤有机改良剂和作物秸秆翻耕等农艺措施，可以明显改善盐碱土壤的理化性状，提高盐碱土壤中有机质及其他养分含量，对于黄河三角洲低产盐碱土壤改良，提高其土地质量是成本低廉且行之有效的措施。

2）作物秸秆属于黄河三角洲地区的农业废弃物，易于获得。采用作物秸秆粉碎后耕翻入田的措施，可以有效改良盐碱土壤的物理性状，增加土壤导水性能，快速降低土壤盐分、提高作物产量。

3）根据对土壤理化性状的综合分析，结合试验小区收获的棉花产量，在黄河三角洲地区，改良黏质氯化物盐化潮土时，作物秸秆粉碎后施入农田的适宜用量为3 000 kg/hm2。

4）有机肥可以提高土壤有机质的含量，改善土壤物理性状，但是由于含有高浓度的氯离子、钠、钾和氨等成分，对土壤盐分含量的降低没有明显的效果，另外还对地下水有一定污染。

3 生物措施改碱技术研究

3.1 试验区植物的选择

本次研究共布置了两类试验。耐盐植物改良效果对比试验地，用于对照、筛选不同耐盐植物的生物改良效果；暗管区生物改良实验主要观察暗管排水对盐碱地改良的作用。试验区选择的生物主要有菊苣，紫花苜蓿，甜高粱，棉花，玉米，穇子，田青，籽粒苋。

3.2 试验结果分析

1）各种耐盐植物的生长情况对比。根据试验结果分析，从产量和生物量的表现看，甜高粱、菊苣、田箐、棉花排名比较靠前，穇子最低。在盐分比较高的试验小区，0～10 cm含盐量为0.882%，菊苣能够开始正常生长；在盐分比较高的试验小区，0～10 cm含盐量为0.598%，田菁生长良好。

2）各种耐盐植物的土壤化学指标变化。研究表明，试验区盐分变化呈明显的脱盐趋势，个别含盐量太高的小区，除穇子以外难以正常出苗生长，但穇子在盐碱严重的土壤生长也很差，改良效果不佳。养分变化并没有明显的规律，原因是小区内施入了氮肥、磷肥、复混肥、有机肥，生长旺盛的处理对养分的吸收多，但长势差的小区土壤环境差，养分也会流失。田箐与菊苣生物量比较接近，在同样的施肥量条件下，从种植到收获速效氮分别从51.57 mg/kg和61.45 mg/kg减少至27.45 mg/kg和38.70 mg/kg，显示田菁的根瘤有固氮作用。

菊苣的耐盐性能突出，生长也比较旺盛，苗期后肥水供应充足能获得较大的生物量，生物改良效果比较典型，图2是菊苣处理的土壤剖面盐分变化过程，0～10 cm土层平均含盐量已经从开始的0.446%减少到0.183%，整个剖面呈脱盐的趋势。

3.3 研究结论

1）生物改良盐碱地的机理。不在于“吸盐”，而是缘于对土壤物理化学性质的改变和水分过程的影响。发达的根系和茂密的植物，使土壤入渗和通气性得以改善，有利于淡水的淋洗下渗，根系活动更是促进了有机质向腐殖质的转化，这会改善土壤的代换性，使土壤保肥能力增强、淡水带走盐分离子的可能性增加；水分过程的影响体现在根系吸水改变了水分全部由地表蒸发的局面，使表层土壤积盐现象降低，另外就是植被覆盖大大减少了土壤的裸地蒸发。

图2 生物改碱试验典型土壤剖面含盐量变化（菊苣）

2）配套技术。在播种时同时施入磷肥（过磷酸钙），能大大提高重盐碱地各种耐盐植物的出苗，含盐量高于0.4%的土壤pH一般达到8.5～9，过磷酸钙的使用除增加土壤有效磷以外，有利于降低土壤的简化度，钙的增加有利于钠离子的代换；播种前的淡水淋洗与地膜覆盖也是必要的，淋洗后的盐分能保证出苗和苗期的生长，覆盖能大大抑制裸地的土壤蒸发，降低返盐强度。

3）耐盐植物的遴选原则。应该综合考虑耐盐植物的根系、生物量、经济价值、培肥效果（比如固氮菌）、耐盐性能、耐涝性能。根据试验结果和实地调查，提出了耐盐植物的综合排序为白蜡苗、田箐、甜高粱、菊苣、棉花、苜蓿、籽粒苋、玉米、穇子。值得一提的是白蜡苗，他耐盐、耐涝、生长旺盛、经济价值高。

4 结语

本项研究基于“盐随水来，盐随水去”，预防盐碱灾害，应从控制区域地下水位埋深和排水畅通的观点，结合黄河三角洲盐碱地的类型和改良要求，在以往单项措施研究成果的基础上，系统地提出了盐碱地水盐调控技术模式，主要包括地埋暗管排水、覆盖抑盐、生物调盐的综合治理模式。为盐碱地的改良提供了有效的途径，具有技术指导意义。