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康跃虎研究团队构建咸水/微咸水滴灌新理论新技术
2018-03-21 | 【  【关闭】

地球表面71%左右是海洋,97.5%水资源是咸水,淡水只有2.5%。随着全球人口数量增加和社会经济发展,淡水资源紧缺的形势日益严峻。我国人均水资源量只有世界平均水平的1/4,水资源时空分布极其不均,缺水问题更为严重。农业是用水大户,但全球农业灌溉用水仍然以淡水为主,大量咸水/微咸水资源尚未得到很好利用。据测算我国最缺水的华北地区,每年2-5g/L的微咸水资源量高达60亿矿化度高于5g/L的咸水不计算在内

人类在咸水灌溉方面的探索和实践也已有数百年,咸淡混灌/轮灌的地面灌溉技术与耐盐作物和盐生作物(林木)相结合,已经将3g/L以下的微咸水用于棉花、小麦、玉米等农业生产。以色列于20世纪70年代开始研究咸水/微咸水的滴灌技术,在淡水资源缺乏的地区利用微咸水栽培番茄和黄瓜,利用咸水栽培椰枣,发现农产品品质明显优于淡水灌溉的农产品,且市场售价要高于淡水灌溉的农产品。然而,如何有效淋洗随咸水/微咸水灌溉进入土壤中的盐分以维持土壤的盐分平衡、如何补偿因咸水/微咸水灌溉降低的土壤渗透势为作物根系吸水创造良好条件,仍然是尚未解决的科学技术问题。

2002年开始,中国科学院地理科学与资源研究所国家杰出青年科学基金获得者、中科院百人计划、中科院特聘核心骨干研究员康跃虎的研究团队历时16年,先后在北京通州、天津静海、宁夏平罗、河北唐山曹妃甸建立了试验基地,系统研究了滴灌条件下盐分运移规律、水盐耦合过程、灌溉水矿化度对番茄、黄瓜、糯玉米、油葵、棉花、豆角、枸杞、红枣、冬枣、月季、白蜡等20多种植物(作物、林果和绿化植物)的出苗(成活率)、生长、耗水、产量和品质等的影响机制,很好解决了上述科学技术问题,构建起了自成体系的咸水/微咸水滴灌新理论新技术。

1)按照该研究团队提出的方法确定合理的灌水器流量和间距,采用垄作和地表覆盖(地膜覆盖、秸秆覆盖、黑色塑料网覆盖),当特征点(滴头正下方20cm深度处)土壤基质势下降到-20kPa时灌溉,每次灌水量7-10mm左右,就能有效淋洗随灌溉水进入土壤中的盐分。原北京通州试验基地和天津静海试验基地的试验结果表明,当灌溉水的电导率不超过4.9dS/m(约3g/L)时,土壤盐分随灌溉年限增加不会明显增加。当灌溉水电导率为5-11dS/m(约3-7.0g/L)时,虽然土层内的土壤盐分在第一年会有所增加,但随后基本维持平衡,不再随灌溉年限增加而增加。尽管油葵、糯玉米、黄瓜的出苗率会随着灌溉水矿化度的增大而降低,但如果每穴播种3粒种子,即使灌溉水电导率高达10.9dS/m(矿化度约7g/L),按穴计算的出苗率能达到80%以上,能满足生产需要。

2)按照特征点土壤基质势下限为-20kPa灌溉时,土壤基质势可有效补偿因灌溉水含盐量高而降低的土壤渗透势,盐分对产量的影响明显减小。原天津静海试验基地的试验表明,当电导率每升高1dS/m,番茄、黄瓜、油葵、糯玉米的产量分别降低6.7%7.5%1.7%1.4%,产量降低比率大大低于国际同行的研究结果。作物的耗水量随着灌溉水矿化度的增加而明显减少,灌溉水电导率每增加1dS/m,番茄、黄瓜、油葵、糯玉米的灌水量分别减少约4.5%5.6%9.7%4.5%,即虽然增加了盐分淋洗水量但并未明显增加总灌水量,而且总体上有减少。(注:试验是在灌溉水电导率不超过10.9dS/m,即灌溉水矿化度约小于7.0g/L的情况下完成的)

3)按照技术要求在宁夏平罗(西北干旱区)高矿化度地下水浅埋区的重度盐碱地上,当土壤含盐量高达1.3-1.5%(盐土)、地下水为咸水且埋深不超过50cm甚至经常溢出地表、灌溉水矿化度高达7.5g/L时,采用大高垄+垄面覆盖枸杞等林果栽培模式,枸杞栽植后第1-2年(苗期)每天上午和下午各滴灌2mm咸水,2年后按照特征点土壤基质势下限为-10kPa确定灌水时间、每次灌水量5-7mm,不需要前期进行土壤改良、不需要修建大型灌排系统,土壤含盐量便迅速减少并且从第一年开始就基本稳定,根区土壤细菌、真菌和放线菌种群数量从很少(甚至接近于)开始快速增加并到第四年基本达到正常农田水平,枸杞生长旺盛、产量高、口感好,多项指标达到或远超特优等级。

4)采用提出的包括强化盐分淋洗阶段正常盐分淋洗调控阶段精准水盐调控灌溉阶段的微咸水精准灌溉原土水盐调控三阶段理论、滨海盐碱地微咸水滴灌快速脱盐方法、多年生植物栽植土壤水势补偿与抑盐水盐调控方法、抗堵塞管道和灌水器清洗方法等,在曹妃甸(华北半湿润滨海地区)试验基地的沙质和泥质重度滨海盐碱地上,即使考虑大规格乔木栽植的情况下,3(沙质盐碱地)-12个月(粘质盐碱地)0-0.9m土层的盐土便很快成为中轻度盐渍土,24个月(2年)内0-1.6m深度(砾石隔离层以上)的盐土便全部成为轻度盐渍土。景天、金娃娃萱草、鸢尾、荷兰菊、石竹、白蜡、野山楂、木槿、构树等植物在泥质盐碱地上灌溉水矿化度高达3g/L时、沙质盐碱地上灌溉水矿化度高达3g/L-5g/L时,成活率能达到90%以上。(注:因滨海地区地下水埋深很浅且排水困难,加上考虑充分利用雨水和乔木根系发展对土层厚度的需要,试验时在1.6m深度处设置了砾石隔离层,以起到切断毛管抑制盐分上升的作用)

5)建立了番茄、黄瓜、糯玉米、油葵、棉花、枸杞等作物的咸水/微咸水滴灌技术体系,以及景天、金娃娃萱草、鸢尾、荷兰菊、石竹、月季、紫花醉鱼木、白蜡、野山楂、木槿、竹柳、构树等植物的重度滨海盐碱地原土园林绿化技术体系。

康跃虎研究团队构建的咸水/微咸水滴灌新理论新技术,实现了真正意义上的精准水盐调控,只要控制特征点土壤基质势,不但可以有效淋洗随着灌溉水进入土壤中的盐分,而且能够有效补偿因灌溉水矿化度高而减小的土壤渗透势,在有效地维持土壤盐分平衡的同时,作物的产量明显高于已有技术。鉴于所形成的技术简便、可操作性强、成本低、效果好,并且已经形成了成套的技术产品,有15年以上的试验基础和验证,加上农作物品质(例如,蔬菜作物的口感明显好于淡水灌溉的蔬菜作物)明显优于淡水灌溉的农作物品质,具有很好的推广应用前景。

    国际学术期刊论文(SCI收录)

1.       Li X.B, Kang Y.*, Wan S.Q., Chen X.L., Liu S.P., Xu J.C. 2016. Response of a salt-sensitive plant to processes of soil reclamation in two saline-sodic, coastal soils using drip irrigation with saline water. Agricultural Water Management, 164: 223-234.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377415301517

2.       Li X.B, Kang Y.*, Wan S.Q., Chen X.L., Liu S.P. 2016. A vegetation reconstruction method to plant Sedum spectabile Boreau using drip-irrigation with saline water on a coastal saline soil in region around Bohai Gulf. Paddy and Water Environment, 14:491–498.

https://link.springer.com/article/10.1007/s10333-015-0518-7

3.       Li, X.B., Kang Y.*, Wan, S.Q., Chen X.L., Xu J.C. 2016. Response of Symphyotrichum novi-belgii and Dianthus chinensis L. to saline water irrigation in a coastal saline soil. Scientia Horticulturae, 203, 32-37.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304423816301182

4.       Li, X.B., Kang Y.*, Wan, S.Q., Xu J.C., Li N. 2016. Response of Daylily (Hemerocallis hybridus cv. 'Stella de oro') to saline water irrigation in two coastal saline soils. Scientia Horticulturae, 205, 39-44.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030442381630190X

5.         Li X.B., Kang Y.*, Wan S.Q., Chen X.L., Liu S.P., Xu J.C. 2017. Effect of ridge planting method on reclamation of coastal saline soil using drip-irrigation with saline water. Catena, 150: 24-31.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S034181621630443X

6.         Feng D., Kang Y.*, Wan S.Q., Liu S.P. 2017. Lateral flushing regime for managing emitter clogging under drip irrigation with saline groundwater. Irrigation Science, 35 (3): 217–225.

https://link.springer.com/article/10.1007/s00271-017-0536-x

 

 

 

    

天津静海咸水滴灌试验基地

 

5.5gL咸水滴灌试验油葵生长状况(天津静海试验基地,2008723日)

 

7.5gL咸水滴灌试验枸杞生长状况(宁夏平罗灵沙试验基地,2011719日)

 

微咸水(矿化度12345gL)滴灌试验金娃娃萱草等绿化草本花卉生长状况(河北曹妃甸试验基地,2017517日)


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