鹽堿池塘生態工程化種養系統構建與運行效果評價

朱 浩， 成水平， 王 健， 劉興國， 來琦芳

(1同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092 ；2中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；3中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090)

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[1-4]。據統計，全世界鹽堿地面積約 10 億hm2[5]。中國鹽堿地面積約 3 460 萬hm2，另外近1/5 耕地正在發生鹽堿化，其中原生鹽化型、次生鹽化型和各種堿化型分布分別占總面積的 52%、40%和 8%[6]。目前鹽堿地治理方法可歸納為利用水利工程、化學、農藝和生物等處理措施[7-8]。水利工程處理措施已在美國加州等灌溉農業區和中國黃河三角洲等鹽堿地區推廣應用[9-11]。在中國西北地區，如采取引水洗鹽治理土壤鹽堿，該方法不僅浪費寶貴的水資源、流失土壤肥力，而且還有可能使下游耕地的地下水位升高，加重其鹽堿危害[12]。近年來，中國科學家開始關注洗鹽洗堿水體的回收利用，并提出“以漁制堿”的理念[13]。

本研究針對鹽堿水的特點，設計了一種內陸池塘—抬田生態工程化種養系統。該系統利用抬田和預埋暗管結構實現洗鹽壓堿，利用排水渠、蓄水池收集鹽堿水，利用池塘回用鹽堿水，實現抬田鹽堿水的綜合利用，達到“節水、減排、生態”的漁農復合的目的，為鹽堿池塘復合種養系統模式構建提供參考。

1 系統設計

1.1 設計原則

鹽堿池塘生態工程化種養系統由抬田、排水渠、蓄水池和養殖池塘等組成。抬田下預埋穿孔暗管，暗管收集的滲透鹽堿水匯總至蓄水池。抬田的水源為外河水，抬田泡田的水體排至排水渠，通過泡田洗鹽和滲透洗鹽兩種方式對抬田進行鹽堿化改良，滲透洗鹽的水體流進蓄水池，同時通過池塘養殖回收利用鹽堿水，形成復合種養系統，養殖池塘排放水排到系統外部濕地(圖1)。

1.2 設計依據

1.2.1 抬田

利用挖蓄水池的土方堆砌抬田和田埂，田埂高0.5 m，埂寬0.5 m，抬田高出地面0.3～0.5 m，可容納0.3 m泡田水深。抬田種植耐鹽堿枸杞，枸杞株高1 m，種植間距2 m，種植密度0.6棵/m2。參照《高標準基本農田建設規范》[14]，抬田寬度選擇25～35 m之間為宜，長度不超過100 m。

圖1 鹽堿池塘生態工程化種養系統工藝圖

1.2.2 蓄水池

蓄水池池深低于抬田預埋暗管，以收集洗鹽壓堿滲出液。根據洗鹽、浸泡次數估算抬田農業用水排放量。參考當地歷年的蒸發水量，估算一個洗鹽洗堿周期的農業用水排放總量。合理布置蓄水池，以蓄水池滿足10%池塘供水為依據，估算養殖池塘面積，計算公式如下[15]：

Qa=Sa×(P/50%-E)+Sa×(Qc×k) ×2

(1)

Qb=Sb×h×10%×M×N

(2)

式中：Qa—種植區水量,m3；Qb—養殖區水量,m3；Qc—種植區灌溉量,m3；Sa—種植區面積,m；Sb—養殖區面積,m；P—降水量,mm；E—蒸發量,mm；k—滲透系數；h—池塘水深,m；M—換水量,m3/d；N—換水天數，d。

根據洗鹽、浸泡次數，估算種植區水量Qa=3 000 m3/hm2。蓄水池為Qa的10%，池塘水深h=4 m，坡比L=1∶1.5，根據坡比和池深估算，蓄水量實際面積為0.26 hm2(4畝)。

1.2.3 養殖池塘

利用抬田周邊魚塘構建，總面積0.53 hm2(8畝)，長寬比1∶2，坡比1∶3，池深1.5 m，主養南美白對蝦。養殖期內的養殖負荷量100 kg/667 m2。

1.2.4 暗管

依據《土地開發整理項目規劃設計規范》[16]，暗管預埋在抬田下0.8 m處，地下暗管是帶孔的聚氯乙烯(PVC)波紋管，管孔是由激光打孔機按一定規格打在波紋管的紋溝內，管徑80～110 mm。暗管按設計深度和間距在激光制導下由埋管機按設計比降埋入地下，暗管四周裹有濾料用來防止粉末性土壤顆粒進入管內堵塞暗管。暗管埋深按地下水的埋深和改堿需要確定，一般為0.8～2.5 m。暗管不僅滲入和排出進入上部土壤且溶解了鹽分的地表水，而且也截住了地下鹽堿水和礦化度高的水不再上升到上層土壤造成返鹽。暗管不僅有排堿功能，還具有排澇作用。

1.3 系統結構

生態工程化種養系統(圖2)由4塊抬田(共10 000 m2)、排水渠(共1 000 m2)、蓄水池(共2 000 m2)、養殖池塘(共4 000 m2)組成，面積比為10∶1∶2∶4。抬田、池塘、蓄水池呈排列布局，進排水渠道在池塘兩側，系統中的抬田底部鋪設打孔暗管，暗管與蓄水池相通，蓄水池水體經水泵提升至進水渠，然后流進養殖池塘，提供養殖補充水體。工程施工完成后對土地進行平整，每個抬田按預先測定的高程確定平整基點，大功率平整機械在全球定位系統(GPS)和激光制導之下將抬田整平，高程差約為0.02 m。

1.4 生態溝

生態溝利用養殖池塘的排水渠構建(圖3)，總長200 m，八字磚護坡，倒梯形結構，上口寬2.5 m，下口寬1.5 m，深2.0 m。渠壁兩側種植挺水植物蘆葦，渠中放置生物網箱，網箱中放置漂浮植物如水浮蓮、水葫蘆，水體內還放養了貝類、濾食性和雜食性魚類等。

2 材料與方法

在寧夏石嘴山泰嘉漁業有限公司養殖場進行試驗，試驗時間2017年8月10日—2018年2月10日。試驗期間分別在抬田(4#、5#)、排水渠(1#、2#、3#)、蓄水池(6#)、養殖池塘(7#)選擇了7個取樣點(圖2、表2)。

圖2 鹽堿池塘生態工程化種養系統平面布置圖

圖3 鹽堿池塘生態工程化種養系統剖面圖

項目采樣點1#2#3#4#5#6#7#采樣點位置排水渠排水渠排水渠抬田抬田蓄水池養殖池塘采樣指標水質水質、土壤水質土壤土壤水質、土壤水質、土壤

試驗期間，抬田枸杞種植不施肥不用藥。池塘養殖南美白對蝦，養殖負荷變動范圍為50～100 kg/667m2。灌水量3 000 m3/hm2。

水樣采集和處理方法采用《水質和廢水監測分析方法》[17]，水溫、pH、溶氧、氧化還原電位(ORP )指標等均用YSI556多功能水質分析儀測定。測量精度：水溫±0.15 ℃、pH ±0.2、溶氧±0.2 mg/L、ORP±0.5%、鹽度±0.003‰。

總氮、總磷、高錳酸鹽指數、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等用HACH DR-2800 水質分析儀測定。

試驗數據用SPSS13.0 軟件統計，用單因子方差分析和差異顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 系統鹽堿特征分析

3.1.1 鹽度和氯化物變化情況

試驗期間，蓄水池水體中鹽度均值(38.67±2.29)‰，養殖池塘鹽度均值為(2.26±0.06)‰，排水渠1#、2#、3#點鹽度均值分別為(1.38±0.21)‰、(1.35±0.22)‰、(1.39±0.21)‰(圖4)。

圖4 鹽堿池塘生態系統水體中鹽度、氯化物變化規律

蓄水池水體中氯化物質量濃度均值為(4 200.69±1 653.55)mg/L，養殖池塘氯化物質量濃度均值為(905.71±500.71)mg/L，排水渠1#、2#、3#點氯化物質量濃度均值分別為(102.6±29.69)mg/L、(225.13±119.84)mg/L、(215.93±72.75)mg/L。

試驗期間，各采樣點水體中的鹽度、氯化物呈規律性波動，隨著時間的延長，各采樣點水體中鹽度、氯化物濃度不斷上升，整個試驗期內蓄水池和養殖池塘均高于排水渠。

3.1.2 pH和電導率變化情況

圖5可知，不同采樣點之間pH差異較大，其中6#、7#顯著高于1#、2#和3#。這表明通過土壤滲透方式后的鹽堿水pH高于土壤浸洗方式后的鹽堿水。不同月份之間pH差異較小，總體上呈下降趨勢。

圖5 鹽堿池塘生態系統水體中pH、電導率變化規律

這表明通過土壤滲透方式后，鹽堿水中的pH隨著滲透次數增多而下降；通過土壤浸洗方式后，鹽堿水中的pH隨著浸洗時間的延長而下降。不同采樣點之間電導率差異較大，6#水體中電導率顯著高于1#、2#、3#和7#。通過土壤滲透方式后鹽堿水中電導率較高，這可能與鹽堿水的離子濃度有關。不同月份之間鹽堿水電導率差異較大，其中6#鹽堿水中電導率先升高后降低，這可能是鹽堿水中離子濃度先富集再逐步降低。1#、2#、3#和7#點鹽堿水中電導率總體上呈下降趨勢，表明通過土壤滲透方式后鹽堿水中的電導率隨著滲透次數增多而下降，通過土壤浸洗方式后鹽堿水中的電導率隨著浸洗時間的延長而下降。

3.1.3 土壤降堿效果分析

試驗運行期間，2#排水渠土壤pH隨時間延長先下降后略有上升；4#、5#抬田pH相對平穩，6#蓄水池pH隨時間延長逐漸上升；7#養殖池塘pH隨時間延長波動較大(表3)。

表3 鹽堿池塘生態系統土壤pH和鹽度的變化規律

由此可見，抬田土壤pH隨著洗鹽時間的延長相對平穩，但蓄水池土壤pH隨著洗鹽時間的延長上升較快，這反映了蓄水池收集浸出液使得水體中離子濃度較高。與pH表現一致，2#排水渠土壤鹽度隨時間延長逐漸下降；4#、5#抬田鹽度相對平穩，土壤鹽度在0.018‰以下，6#蓄水池鹽度隨時間延長先上升后下降；7#養殖池塘鹽度隨時間延長相對平穩。由此可見，抬田土壤鹽度隨著洗鹽時間的延長相對平穩，但蓄水池土壤鹽度隨著洗鹽時間的延長波動較大，這與蓄水池收集浸出水體中離子濃度較高有關。

3.2 系統水質特征

3.2.1 總氮和總磷變化情況

由圖6可知，不同月份之間水體中的總氮、總磷有所波動，各采樣點鹽堿水體中總氮、總磷隨時間的延長而上升，這表明通過土壤滲透、浸洗兩種方式使得水體中的總氮、總磷得到積累。養殖試驗期間，池塘養殖水體中的總氮<4 mg/L、總磷<1.3 mg/L，符合養殖需求。不同采樣點水體中總氮值比較，6#總氮上升較快，這可能與水體中鹽度較高、降解氮營養鹽的細菌以及藻類不能生長有關。

3.2.2 高錳酸鹽指數

由圖7可知，不同月份之間水體中高錳酸鹽指數有所波動，隨著系統的運行，各采樣點鹽堿水體中高錳酸鹽指數逐漸下降，這表明通過土壤滲透、浸洗兩種方式使得水體中的高錳酸鹽指數得到降解。不同采樣點水體中總高錳酸鹽指數比較，6#的指數先上升后下降，這可能是由于水力停留時間的延長，使得高錳酸鹽下降。

圖6 鹽堿池塘生態系統水體中總氮、總磷的變化規律

圖7 鹽堿池塘生態系統高錳酸鹽指數的變化規律

3.3 節水與減排分析

據調查，在寧夏地區鹽堿地改良過程中春灌模式應用多年，其目的是通過水分淋洗作用把土壤中鹽分壓到作物根系層以下或排水渠中以改良土壤保證作物正常生長，在一定程度上達到了洗鹽、節水、增產、增收的效果。根據文獻[18-20]，洗鹽壓堿灌水量一般在3 000 m3/hm2，其脫鹽效果在垂直方向上較為穩定。土壤鹽度下降3.13%～13.33%[21-22]，pH在8～9[13-24]，洗鹽壓堿過程中灌溉回歸水，水體中總氮質量濃度7.69 mg/L，總磷質量濃度1.38 mg/L[25-28](表4)。

鹽堿池塘生態工程化種養系統洗鹽用水量與傳統洗鹽種植地一致，土壤中鹽度下降百分比高于傳統洗鹽工藝，土壤pH與傳統洗鹽種植地持平，灌溉回歸水中總氮、總磷顯著低于傳統洗鹽種植地，灌溉水利用率比傳統洗鹽種植提高了2.2～3倍。

表4 不同洗鹽工藝用水與污染排放比較

4 討論

鹽堿池塘生態工程化種養系統具有“節水、減排、生態”的特點，是傳統鹽堿地改良、提高鹽堿水綜合利用的有效途徑。在中國西北地區，春灌和冬灌是改良鹽堿土的常用方式，利用灌溉壓堿的方式淋洗土壤，將土壤中鹽分壓到作物根系層以下或排入排水溝中，可有效改良土壤[29]。本研究中，由抬田、蓄水池、池塘、排水渠組成的鹽堿池塘生態工程化種養系統在改良土壤的同時能夠有效收集洗鹽壓堿過程中的鹽堿水，在改良鹽堿的同時實現漁農復合。同時，西北地區在冬季由于蒸發、土壤水份減少導致返鹽返堿[29-31]，而在本研究中，抬田土壤中pH和鹽度變化平穩。

鹽堿水分為不同類型，但大部分鹽堿水均可被水產養殖二次利用[13]。養殖過程中，殘飼和糞便酸化可以對池塘底質鹽堿改良有一定的促進效果，同時，水生生物的活動對鹽堿水有一定的改堿效果[5]。本系統將種植、養殖兩種方式有機結合，充分考慮種植品種、養殖品種的耗水量和排水量以及土壤的特點等因素，發揮不同組分的功能，做到結構簡單、效率最高，合理設計面積比例。在洗鹽洗堿的過程中實現鹽堿水的二次利用，洗鹽和滲透的鹽堿水水體中總氮、總磷能夠滿足養殖需求。與其他幾種灌溉回歸水利用方式相比較[25]，本系統鹽堿水的二次利用率明顯提高。

鹽堿池塘生態工程化種養系統在國內研究的時間不長，目前缺乏相應的維護管理技術。鹽堿土的改良以及鹽堿水綜合利用率不僅涉及系統的設計，同時與洗鹽洗堿次數、種養工藝流程有關。鹽堿復合種養系統的推廣應用還需針對工藝流程做進一步的優化，研究建立包括設施構建、動植物選擇與搭配、養殖技術等方面的管理技術體系，以及相應的增氧技術、藻類調控技術、底質改良技術等，這對于完善鹽堿池塘生態工程化種養系統、實現技術推廣是必要的。

5 結論

通過抬田—排水渠—蓄水池—池塘構建生態工程化種養系統可有效收集利用洗鹽洗堿過程中的鹽堿水，降低土壤中pH和鹽度；鹽堿水中的總氮、總磷和高錳酸鹽指數等指標符合養殖需要。抬田—排水渠—蓄水池—池塘應有合理的比例，蓄水池比例一般不超過抬田20%。養殖池塘一般不超過蓄水池面積的3倍。種養系統的運行以浸洗和浸出滲透兩種方式，主要根據土壤粘性選擇洗鹽洗堿方式，兩種方式對鹽堿地改良都有改善效果，一般以浸洗為主。

□