新疆干旱區鹽堿地生態治理關鍵技術研究

田長彥,買文選,趙振勇

中國科學院新疆生態與地理研究所,國家綠洲生態與荒漠環境重點實驗室, 烏魯木齊 830011

新疆干旱區鹽堿地生態治理關鍵技術研究

田長彥*,買文選,趙振勇

中國科學院新疆生態與地理研究所,國家綠洲生態與荒漠環境重點實驗室, 烏魯木齊 830011

現階段新疆干旱區高強度水土資源開發,致使傳統灌排水鹽平衡模式難于維繼；高效節水灌溉技術應用改變農田土壤水鹽運移規律,需要創新調控理論與技術體系；傳統鹽堿地農業開發利用模式資源效率低、維持成本高,需要以生物修復技術為核心構建鹽堿地高效率資源化利用模式。針對上述問題,在國家重點研發計劃(2016YFC0501400)的資助下,通過機理研究、關鍵技術研發、產品研制、縣域集成示范實現：(1)建立新疆干旱區現代水鹽平衡調控理論,(2)創新干旱區鹽堿地生態治理模式,(3)建成鹽堿地產業化集成示范區,形成全產業鏈的鹽堿地生態治理技術服務體系,(4)穩定一支以新疆相關單位為主體,國內優勢單位參與的根植新疆的鹽堿地生態治理隊伍。

干旱區；鹽堿地；水鹽平衡；生態治理

新疆被國際上喻為世界鹽堿地博物館,據中國科學院新疆生態與地理研究所2014年調查,新疆灌區鹽漬化耕地占灌區耕地的37.72%,比2006年提高了6個百分點。南疆鹽漬化耕地占耕地的49.6%,嚴重制約南疆四地州 910萬農牧民脫貧,致使農牧民人均收入不足新疆農牧民人均的60%,僅為全國農牧民的40%(內部資料，尚未發表)。新疆鹽堿地生態治理與利用事關農民脫貧致富、新疆生態建設、邊疆穩定的國家戰略。

鹽堿地生態治理涉及多學科,具有長期復雜性。以鹽堿地改良利用為目標的退化生態系統研究為世界性重大科學問題,國內外眾多學者和機構從事相關研究。美國重點研究鹽堿地耕層鹽分組成與評價、水鹽運動預測理論與鹽堿地改良利用與管理等[1]。澳大利亞主要研究鹽堿化影響及其土地利用與管理[2]；巴基斯坦實施防治土壤次生鹽堿化為內容的大型治理計劃[3]。縱觀國外情況,鹽堿地治理多采用水利工程改良、化學改良、農業技術改良、生物改良等方法[4-7]。但鹽堿地治理的思路和手段隨時間不斷發展,20世紀初,對鹽堿土的地理分布、形成過程、類型及其發生學特性等進行研究[8]；30年代,重點開展水利土壤改良為中心的灌溉、水質、防滲及鹽堿地改良基本原理研究與應用[9]；40年代,開始加強化學改良、農業措施、土壤理化性質和水鹽運動規律研[10]究；從60年代起,鹽堿地治理由田塊發展到灌區和流域性的整體治理,如美國加州中央河谷、匈牙利蒂薩河大灌區等[11]；進入80年代,重點轉移到大面積耕作土壤上,進行大型灌區次生鹽漬化的預測預報和治理、水鹽運動與水鹽平衡[2,12-13]。提出土壤次生鹽漬化發生、預測、控制理論,經濟科學用水并采取物理化學措施以加強土壤脫鹽效果,廣泛利用改良劑,應用高礦化水,選育耐鹽品種提高作物抗鹽力、開發利用鹽生植物發展鹽土農業,研究數學分析和物理化學的模擬試驗等[14]。我國在20世紀80年代以來,在黃淮海平原的鹽漬土利用改良采取“因地制宜、綜合治理”的原則,提出排、灌綜合運用的治理措施[15-17]；90年代,通過對土壤性質空間變異問題的揭示,電磁感應地面電導儀(EM)的出現,在美國、加拿大、澳大利亞等發達國家,充分利用3S技術和EM鹽分勘查系統,形成了精確鹽堿土改良的高新技術[18-19]。同期新疆也引進荷蘭暗管排水技術[20],該技術是治理鹽堿地有效方法之一,但需大水沖洗土體中鹽分,又要控制地下水位上升,必須具備充足水源和良好排水出路,投資成本和維護成本高,再加農業水資源緊缺而難于推廣。由上看出,鹽堿地生態治理,是對鹽堿化問題認識轉變主導的,由消極被動到積極主動,由徹底根治鹽害轉變為調控鹽分,由單一措施到綜合治理。總之,理論創新帶動改良利用技術突破,鹽堿地治理更關注區域水鹽平衡與管理。

新疆50多年的鹽堿地治理技術也在不斷發展變化。由傳統“明灌明排”進入到“滴灌微排”、“滴灌精控”的現代工程技術階段。總體看,新疆鹽堿地治理應由灌水洗鹽排鹽治理模式向區域水鹽平衡調控模式、高效節水灌溉的控鹽促生去鹽模式和重度鹽堿地植物種植資源化利用模式轉變。

1 研究內容

(1)多尺度多鹽分水鹽運移耦合與生態效應及調控模式

針對新疆不同類型鹽堿地,在3個典型縣域(流域),分別在流域、灌區和農田三個不同尺度內開展研究,分析不同尺度土壤水鹽分布規律與動態變化過程及其對生態環境的影響,揭示區域現代水鹽運動時空分布格局,提出水鹽平衡調控理論體系,建立科學合理的水鹽調控模式,形成相應排鹽效率評價方法。主要開展以下研究：①典型縣域(流域)、灌區土壤水鹽分布與演變規律及其均衡模擬分析；②農田尺度水肥鹽耦合運移機制及作物生長模擬；③區域性干排鹽調控技術及排鹽效率評估；④節水灌溉農田干排鹽調控技術及排鹽效率評估。

(2)節水灌溉農田鹽分管控技術與模式

干旱區農業用水供需矛盾加劇,大水漫灌壓鹽受水資源緊缺影響,節水控鹽模式節水效果顯著,但鹽堿化問題突顯生態風險加大[21-22]。開展水資源高效利用條件下水鹽運動規律和水鹽平衡調控機制研究,揭示節水灌溉農田水鹽時空分布與生態效應,研發節水農田的抑鹽去鹽水分管理、水肥劑一體化抑鹽促生、深翻抑鹽去鹽、低成本高分子材料地表集鹽除鹽等關鍵技術,研制節水農田專用肥料,形成節水灌溉農田的鹽分高效管控技術與模式。為干旱區防治高效節水農田次生鹽堿地提供技術支撐。主要開展以下研究：①節水灌溉農田水鹽時空動態與生態效應；②節水灌溉農田去鹽水分高效利用與管理技術；③節水灌溉農田抑鹽促生專用肥料研制；④節水灌溉農田水肥劑一體化抑鹽促生技術；⑤節水灌溉農田深翻抑鹽去鹽與高分子材料地表集鹽除鹽技術。

(3)鹽堿地資源化利用技術與模式

鹽堿地改良利用在向種植耐鹽植物方向發展[23-25],以鹽堿地植物種植利用修復為目標,揭示鹽堿地類型與耐鹽植物關系,發展干旱區重度鹽堿地鹽土農業理論體系；建立植物耐鹽性評價方法與指標體系,引進篩選與培育適于鹽堿地不同組分和強度的作物(玉米、小麥等)、經濟植物(棉花、耐鹽蔬菜、果木等)、飼草飼料植物、生態建設等植物品種；形成配套繁育與栽培技術體系與模式；研發相應的活性物質提取技術和植物源功能型產品生產工藝、生物質原料植物利用模式等新技術與新方法,為干旱區鹽堿地資源化利用提供技術支撐。主要開展以下研究：①鹽堿地組分程度與耐鹽植物關系研究；②鹽堿地適生資源型植物種質資源收集、選育與評價；③高效耐鹽植物的高產栽培技術與模式；④重度鹽堿地鹽生牧草-種植-加工-養殖產業模式。

(4)優良抗鹽微生物鹽堿地修復技術及產品

鹽堿地微生物多樣性是鹽堿地生物修復的重要資源[26]。調查新疆鹽堿地、鹽生植物根際和葉際微生物多樣性,篩選抗鹽堿優良微生物菌株,研制增強植物抗鹽堿性微生物制劑,研發微生物膜土壤表面降蒸散抑鹽技術和微生物誘導土壤鹽結晶鈍化技術,開發出微生物單體或復合調理劑,進行鹽堿地修復應用示范,為干旱區鹽堿地生態修復提供技術支撐。主要開展以下研究：①鹽堿地及鹽生植物根際和葉際微生物多樣性；②優良抗鹽堿功能性微生物菌株的篩選及菌劑研制；③根際和葉際微生物增強植物耐鹽堿能力作用機制；④干旱區鹽堿地微生物高分子地膜降蒸散技術；⑤微生物誘導土壤鹽結晶鈍化鹽離子技術；⑥復合微生物土壤調理劑中試生產與微生物修復技術示范。

(5)鹽堿地治理的材料選擇與裝備、調節劑等研發

針對新疆干旱區水資源高度開發利用,以明溝洗鹽排鹽為主的傳統治理模式運行維護成本高,耐久性差[27]；綠洲農田分布于沖洪積扇中下部土體有不透水障礙層[28]；高效節水技術大面積應用帶來的土壤積鹽等問題[29]。以提高土壤鹽分淋洗與去除效率、改善土壤結構、減阻鹽分致害為目標,結合現代高分子和納米新材料技術、磁化技術、智能型農業機械技術等。研發環境友好型和低成本、多功能鹽堿地治理工程裝備、新材料及生化調理劑,提高鹽堿地治理效率和土壤質地恢復的可持續性。主要開展以下研究：①鹽堿地土壤修復生化調理劑研發；②鹽堿地障礙層破除與深松一體機研制；③農田暗管排水抗壓高柔性新型管材研發；④鹽堿地滴灌磁化水利用技術與裝備研制。

(6)鹽堿地產業技術研發與集成示范

以瑪納斯、阿瓦提和岳普湖縣為核心示范基地,治理模式為重點、圍繞產業,集成水鹽調控技術、治理材料與裝備、品種,鹽堿地修復技術及產品等。形成新疆鹽堿地生態治理模式和產業示范基地。

①瑪納斯節水農田治理模式及棉花林果產業示范

瑪納斯灌區是全國最早實施規模化農田滴灌技術灌區,以瑪納斯縣及周邊團場為示范基地,總體規劃布局瑪納斯河流域及灌區鹽堿地治理模式與產業化建設方案,以區域水鹽平衡調控模式、節水灌溉農田鹽分管控與技術模式和重度鹽堿地資源化利用技術與模式為重點,棉花林果產業提升為目標,集成鹽堿地治理共性技術,建立棉花林果產業核心示范。

②阿瓦提水鹽平衡調控治理模式及棉花林果產業示范

阿瓦提縣地處葉爾羌河下游、阿克蘇河下游、塔里木河上游的水鹽交匯區,近年來水土資源的大規模開發改變了區域水鹽循環過程。總體規劃布局流域及灌區鹽堿地治理模式與產業化建設方案,重點圍繞棉花、林果產業的提質增效,優化膜下滴灌棉田水鹽平衡調控技術體系、農(草)-林(果)間作節水控鹽促生增產技術、鹽堿荒漠林-草-藥復合生態產業技術等,建立以縣域為核心的水鹽平衡治理模式及棉花林果產業核心示范區。

③岳普湖鹽堿地資源化利用模式及飼料林果產業示范

塔里木盆地西南緣是新疆鹽堿地集中嚴重區,制約農村經濟發展和民生改善,生態建設。以岳普湖縣為典型鹽堿地生態治理與產業發展示范區,總體規劃布局流域及灌區鹽堿地治理模式與產業化建設方案,重點圍繞林果、飼草、經濟作物、耐鹽植物和生態經濟產業目標,開展鹽堿地林果及林草提質增效、耐鹽高效飼草生產、棉田鹽分調控、耐鹽植物資源利用及飼草生產、生態經濟林修復與開發的集成示范,形成縣域鹽堿地資源綜合利用與產業化發展模式,推進農牧業發展,提高農民收入。

圖1 技術路線圖
Fig.1 The schematic diagram of the idea

2 總體目標

新疆鹽堿地治理與利用事關國家戰略,是脫貧致富、生態治理、邊疆穩定的難點和重點。新疆干旱區高強度水土資源開發,加劇農業用水供需矛盾,致使傳統灌排水鹽平衡模式難于維繼；大面積高效節水灌溉技術應用改變農田土壤水鹽運移規律,滴灌使根區驅鹽非根區積鹽,需要創新調控理論與技術體系；傳統鹽堿地農業開發利用模式資源效率低、維持成本高,需要以生物修復技術為核心構建鹽堿地高效率資源化利用模式。本項目在探明干旱區不同尺度水鹽運動規律的基礎上,揭示現代水土資源利用方式下鹽堿地形成與演變規律,建立相適應的水鹽調控與利用模式。以研發關鍵技術與產品、研制工程機械與設備為支撐,以南北疆典型縣域為基地,以產業為導向,開展鹽堿地綜合治理技術體系集成及產業模式應用示范,實現4大目標：(1)建立現代水土資源利用方式下的水鹽平衡調控理論；(2)創新干旱區鹽堿地生態治理模式,實現干旱區鹽堿地治理技術和產品系統性突破,達到國際先進水平,引領干旱區鹽堿地生態治理進入現代技術發展階段；(3)集成鹽堿地綜合治理技術體系和產業發展模式,建立南北疆3個縣域鹽堿地產業化集成示范區,創新企業與新型農業合作組織參與的示范機制,形成全產業鏈的鹽堿地生態治理技術服務體系；(4)穩定一支以新疆相關單位為主體,國內重要單位參加的根植新疆的鹽堿地生態治理隊伍。

3 結語

本項目研究新疆干旱區鹽堿地生態治理這一共同關注的難題,力求在水鹽運動規律、干旱區水土資源高強度開發下鹽堿地生態治理理論與模式創新方面邁出新的步伐。揭示流域內不同尺度(流域、灌區、農田)的土壤水鹽運動過程,構建不同尺度、考慮多種組分(水分、養分和鹽分)的水鹽均衡模擬模型,探明不同生態治理模式條件下的土壤水鹽動態,闡明提高水分利用效率、防止土壤次生鹽漬化保障農業可持續發展的水鹽調控機制,建立科學的水鹽調控模式及排鹽效率評價方法,為干旱區鹽堿地綜合治理、利用或修復技術的開發與集成提供可靠的科學依據和技術支撐。

在充分認識植物耐鹽機制與鹽堿地關系基礎上,評價耐鹽植物的耐鹽性及適宜條件,建立科學種植技術和根據特色耐鹽植物的成分開發相關產品,形成鹽堿地資源化利用模式具有科學的基礎。其他共性關鍵技術和產品是根據鹽堿地成因、致害機制而研發的。鹽堿地生態治理產業示范區是依據不同鹽堿地形成過程、資源稟賦、障礙程度、鹽堿類型、作物布局等,總體規劃布局鹽堿地治理模式與產業化建設方案。

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Study on key technologies of ecological management of saline alkali land in arid area of Xinjiang

TIAN Changyan*, Mai Wenxuan, ZHAO Zhenyong

KeyLaboratoryofOasisEcologyandDesertEnvironment,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China

The traditional irrigation water salt balance model is difficult to maintain under the high strength development and utilization of soil and water resources in arid area of Xinjiang at the present stage. The soil water and salt migration of farmland is changed under the application of efficient water-saving irrigation technology, so need theory and technology system innovation. Improvement mode of saline alkali land saline with low efficiency, high cost of maintenance resources and development of traditional agricultural regulation, need to biology repair technology as the core of the utilization of saline land resource efficiency model. Aiming at the above problems, and under the support of the state key development program (2016YFC0501400), through the mechanism research, key technology research and development, product development, the integrated model: (1) the establishment of water salt equilibrium regulation theory of Xinjiang arid region, (2) innovative arid saline land ecological management model, (3) built in saline estate industry integration demonstration area, the service system of the formation of the whole industry chain of saline alkali soil ecological control technology, (4) stability of a salt and alkali land in Xinjiang ecological management team.

arid area; saline alkali land; water and salt balance; ecological management

國家重點研發計劃項目(2016YFC0501400)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172098

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tianchy@ms.xjb.ac.cn

田長彥,買文選,趙振勇.新疆干旱區鹽堿地生態治理關鍵技術研究.生態學報,2016,36(22):7064- 7068.

Tian C Y, Mai W X, Zhao Z Y.Study on key technologies of ecological management of saline alkali land in arid area of Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7064- 7068.