王洪義,王智慧,楊鳳軍,紀(jì)鵬
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院,大慶163319)
鹽堿地是指鹽分含量高,難以生長植物的土壤。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題是一個(gè)世界性難題,在世界范圍內(nèi)普遍存在,濱海地區(qū)和干旱、半干旱地區(qū),土壤鹽堿化和次生鹽漬化問題更為嚴(yán)重[1-2]。鹽堿危害造成大面積土壤資源難以被利用,農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力下降,很多地方嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)今,人口、糧食、資源、環(huán)境等壓力不斷增大,促使人們開發(fā)、改造、利用鹽堿荒地來緩解糧食危機(jī)和改善環(huán)境,提高土地資源的利用率。我國是一個(gè)鹽堿地面積大,分布范圍廣的國家,采用合理的鹽堿地改良措施,可以提高我國土地資源的利用率,改善生態(tài)環(huán)境,提高農(nóng)民生活水平[3]。
暗管排鹽技術(shù)是國際上鹽堿地改造的先進(jìn)技術(shù),其核心思路是通過埋設(shè)地下暗管,降低地下水位,排除土壤中過多的水分,并通過灌溉、淋洗等手段去除土壤中過多的鹽分,達(dá)到土壤改良的目的[4-5]。
暗管排鹽技術(shù)原理是利用灌溉水和雨水對暗管以上的含鹽土層進(jìn)行沖洗脫鹽,排除土壤中過高的鹽分,加速脫鹽過程,同時(shí)把地下水位控制在某一適宜的深度,防止土壤向上反鹽,為植物生長提供良好的土壤條件,促進(jìn)植物生長[6]。20世紀(jì)初在低洼地區(qū)采用明溝或暗管的方式排出地下多余的水分,發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn),取得了良好的豐產(chǎn)效果,在此基礎(chǔ)上,1959年荷蘭首次采用暗管排鹽技術(shù)治理鹽堿地取得成功,之后迅速在美國、丹麥、以色列等國家推廣[7]。我國從20世紀(jì)80年代開始采用塑料暗管降漬脫鹽技術(shù),在江蘇、天津、新疆等地陸續(xù)開始實(shí)施,自此,暗管排鹽改良鹽堿土技術(shù)的試驗(yàn)示范工作在我國得以廣泛開展,經(jīng)國內(nèi)20余個(gè)省市的試用,取得了顯著的效果[8-9]。目前國內(nèi)外將暗管排鹽作為防止土壤鹽漬化的一項(xiàng)重要措施廣泛推廣,對內(nèi)陸鹽漬土、沼澤土、濱海鹽堿土的暗管排鹽均有不同程度的研究。其中對濱海灘涂鹽漬土的研究較成熟,如張萬鈞等在天津?yàn)I海新區(qū)進(jìn)行的暗管排鹽技術(shù)及綠化配套技術(shù)研究,獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),該項(xiàng)目對暗管排鹽的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了不同脫鹽標(biāo)準(zhǔn)下暗管埋深、間距和管徑等技術(shù)措施,為暗管排鹽技術(shù)的推廣起到重要推動(dòng)作用[9-11]。但內(nèi)陸鹽漬土的治理由于研究相對較少,且技術(shù)落后等原因,沒有取得實(shí)質(zhì)性突破,還停留在參照濱海地區(qū)鹽堿地暗管鋪設(shè)方式和相應(yīng)技術(shù)參數(shù)。因此開展暗管排鹽技術(shù)的總結(jié)研究,特別是研究不同地域的暗管排鹽關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn),對開發(fā)內(nèi)陸地區(qū)鹽堿地具有十分重要的意義。
排鹽管的類型以前多用無砂水泥管、素砼管、軟性彈簧管,其中應(yīng)用最多的是無砂水泥管,排鹽排堿效果較好,但存在容易破碎,且造價(jià)較高等缺點(diǎn)[6]。目前國內(nèi)外常用的管材為聚氯乙烯(PVC)塑料管和聚乙烯(PE)塑料管制成的有孔管道。按管道構(gòu)造形式分為平滑管和波紋管兩種。由于平滑管必須開溝鋪設(shè),費(fèi)用較高,且接頭多,易損壞,維修保養(yǎng)較費(fèi)事,目前應(yīng)用較少;波紋管的管壁薄、重量輕、撓曲性高、表面開孔率高、抗壓強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕、排水效果良好、易于施工、造價(jià)費(fèi)用較低,因此被普遍采用。波紋管的特點(diǎn)是透水孔打在波紋的凹處,有利于水分進(jìn)入,而對泥沙等卻有一定的阻擋作用,便于排出多余水分且不至于堵塞管道。因此,波紋塑料管在我國被廣泛采用,并取得顯著的排鹽效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。
經(jīng)典農(nóng)田排水理論暗管埋深的設(shè)計(jì)以原蘇聯(lián)土壤學(xué)家B.B.波勒諾夫1931年提出防治土壤鹽漬化的地下水“臨界深度”為標(biāo)準(zhǔn)。其基本含義是:如果地下水埋深達(dá)到某個(gè)深度,使得地下水沿土壤毛管的上升運(yùn)動(dòng)弱到不足以使土壤表層產(chǎn)生積鹽,這個(gè)深度即為土壤地下水臨界深度。這個(gè)概念是從土壤發(fā)生學(xué)角度加以定義的,只注意到靜止的毛管水的上升極限,而忽視了毛管水的流速和土壤水流通量等動(dòng)態(tài)因素[12-13]。經(jīng)過更加深入的研究,我國學(xué)者在上世紀(jì)70年代提出“允許深度”這個(gè)概念,即表土輕微積鹽(一般取土壤含鹽量不高于0.6%),但不影響作物生長,周年鹽分基本穩(wěn)定的地下水埋深[14]。張萬鈞等在實(shí)踐中根據(jù)“允許深度”的概念,在天津?yàn)I海地區(qū)根據(jù)不同土壤質(zhì)地、不同植物類型,提出“淺密式”暗管排鹽方式,其公式為:
式中,H為暗管埋深深度;h為植物允許輕微積鹽的地下水“允許埋深”;Δh為兩排鹽暗管間地塊中部地下水位與排鹽暗管中水位之差,一般取0.1~0.2 m;r為暗管中水深,一般取排鹽暗管的半徑[12]。其中h值對暗管埋深的影響最大,實(shí)踐中,暗管排鹽效果和經(jīng)濟(jì)合理性主要取決于h值的合理選擇。黃明勇等2000年在天津?yàn)I海區(qū)對該種提法做了實(shí)驗(yàn)研究,研究表明:將土壤含鹽量0.3%作為植物生長含鹽臨界點(diǎn)時(shí),排鹽管“允許埋深”控制在1~1.3 m,高于理論計(jì)算的“臨界深度”,這種暗管埋深,4年平均年脫鹽40%[15-16]。排鹽管的埋深決定排鹽的效果,但當(dāng)埋入地下較深時(shí)工程費(fèi)用較高,甚至超過土壤的產(chǎn)出,因此確定一個(gè)合理的埋藏深度對暗管排鹽技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。不同地區(qū)還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥篮退臈l件,通過區(qū)域試驗(yàn),確定本地區(qū)的暗管埋深。
暗管的埋設(shè)應(yīng)綜合考慮水文地質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、植被類型、氣象條件等因素。邵孝侯等[13]認(rèn)為,除了暗管埋深外,暗管的間距、管徑、坡降等因素,也是暗管排鹽系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題,影響到排鹽效果和投資效益。因此近年來,很多學(xué)者對暗管埋設(shè)方面的研究逐漸增多。
2.3.1 鋪設(shè)方式
暗管的鋪設(shè)方式直接影響到地下水的運(yùn)動(dòng)方向,埋設(shè)暗管后將原來只沿自然坡降的長距離(農(nóng)排間距1 200 m)水平運(yùn)動(dòng)環(huán)境,改變?yōu)楸凰窆艿婪指畛啥叹嚯x(100~150m)的定向排水環(huán)境。目前比較成熟的是濱海地區(qū)的暗管鋪設(shè)系統(tǒng),該種鹽堿地區(qū)根據(jù)土壤沙質(zhì)較多的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用“淺密式”暗管排鹽工藝,其由排鹽支管、匯水管、集水井、檢查井、排水主管組成。排鹽管一般平行道路或沿自然坡降方向,采用正交網(wǎng)格型或斜交人字型與集水管相連。集水井和檢查井的設(shè)置方向與集水管的設(shè)置方向一致,便于監(jiān)測和檢修,排水主管接入市政雨水管道或自然河流中[16]。內(nèi)陸鹽堿地區(qū)的鋪設(shè)方式是借鑒濱海地區(qū)改進(jìn)的二級“淺密式”暗管排鹽技術(shù),其關(guān)鍵是排鹽管加密、在支管層設(shè)置淋滲層,匯集上層降水和地下反鹽水,達(dá)到快速排水的目的。這種改進(jìn)的方法更適合較干旱土壤,集水更充分,排鹽效果較好。
2.3.2 間距
排鹽管間距的確定有三種方法:試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法、理論計(jì)算法[17]。田間試驗(yàn)法具有一定針對性,符合試區(qū)所在條件,反映實(shí)際效應(yīng),是一種最可靠的暗管間距確定方法,但開展試驗(yàn)研究一般需要幾年時(shí)間、費(fèi)力、實(shí)施有一定的困難。經(jīng)驗(yàn)法需大量走訪調(diào)查,并研究整理其他地區(qū)的試驗(yàn)資料,歸納分析,總結(jié)各種情況產(chǎn)生的原因,分析暗管間距與其主要影響因素如暗管埋深、土壤質(zhì)地等有決定影響的指標(biāo)之間的關(guān)系,確定一個(gè)合理的暗管間距。理論計(jì)算法一般是根據(jù)水量平衡原理和滲流力學(xué)原理推導(dǎo)得出的。近年來,隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的普及,各類參數(shù)測試方法也得到了改進(jìn),很多復(fù)雜的問題可借助計(jì)算機(jī)來完成[18]。美國應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),研究確定在排鹽方式上,可以采用明暗排結(jié)合的方式,確定一個(gè)更加合理的暗管鋪設(shè)間距;在此領(lǐng)域,荷蘭建立了spreedsheef程序用于計(jì)算暗管間距的埋深,均取得了較理想的實(shí)際效果。暗管間距的計(jì)算方法在各國學(xué)者的研究下,進(jìn)一步趨于合理化、實(shí)用化[19]。我國目前在一些地區(qū)開展了暗管鋪設(shè)間距實(shí)驗(yàn)研究,如湖北省研究表明,粘土地區(qū)暗管合理埋設(shè)間距為12m、砂質(zhì)土為15m;上海市研究一般埋設(shè)間距為10~12m[3]。間距的選擇除了上述方法外,還應(yīng)該根據(jù)不同的種植植物或地勢特點(diǎn)來合理選擇,確定一個(gè)更加合理的性價(jià)比。
2.3.3 坡降
坡降一般依據(jù)不產(chǎn)生淤積的最小流速來確定,通常情況下,暗管的坡降可以和地表的坡降相一致,便于控制暗管的埋深處理。不同地區(qū)坡降可能有一定的差異,天津?yàn)I海地區(qū)由于地表較平,一般坡降采用0.1%左右;大慶地區(qū)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量,暗管坡降一般可以選擇0.1%~0.3%。
2.3.4 濾料
濾料的選擇應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,選用取材容易、價(jià)格便宜、施工方便、耐酸堿腐蝕、不易腐爛、對作物無害、不污染環(huán)境的透水性材料。目前應(yīng)用較多的有機(jī)濾料、無機(jī)濾料和合成濾料等三大類。有機(jī)濾料主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品,如稻殼、稻草、秸稈等,我國應(yīng)用秸稈的粉碎濾料較多,日本應(yīng)用稻殼較多。這類濾料初期應(yīng)用時(shí)可以有效阻止顆粒的土壤進(jìn)入管道中,2~3年腐爛后一般在管道周圍能形成穩(wěn)定的濾水層,可以保證正常的過濾功能。無機(jī)濾料包括礫石、沙粒、卵石、煤矸石、爐渣等材料,這些濾料耐久性好,但重量大、運(yùn)輸與施工不便,且投資較高[1,9]。合成濾料主要是化纖制品,如聚苯乙烯、纖維絲、無紡布等,過濾效果較好,特別是無紡布近年來應(yīng)用較廣泛。
蔡飛等[20]2009年在總結(jié)各地排鹽工藝的基礎(chǔ)上,對暗管排鹽的工藝進(jìn)行了詳細(xì)研究,包括主管、支管的管材和管徑,管的連接和鋪設(shè)等。研究表明,合理的支管管徑一般采用Ф60100PVC雙螺紋滲管,管的四周間隔10 cm,打一直徑1 cm的圓洞,兩行之間呈品字形錯(cuò)開,管外包雙層無紡布,主管采用Ф120~160PVC雙壁波紋管,接口處用無紡布纏緊,用耐鹽堿粘接劑粘牢,主支管起始端用UPVC管堵封口,防止泥沙等雜質(zhì)從管端流入管內(nèi),堵塞管道;管道彎曲半徑不小于600 mm,能有效地減輕排鹽管中泥沙淤積[21]。開完管溝后,先在底部鋪設(shè)一層粗砂、爐渣、級配鵝卵石等濾料,然后再鋪設(shè)排鹽管,保證在排鹽管周圍有10~20 cm厚的濾料層,這樣既可以防止泥沙流進(jìn)排鹽管,同時(shí)也有利于按照設(shè)定的坡降鋪設(shè)排鹽管。邵孝侯等研究,在鹽堿地園林綠化領(lǐng)域,可以在排鹽管的上方綠化土底層,鋪設(shè)20 cm的粗砂淋層,能加速土壤漬水外排和阻斷下層水鹽上行,提高排漬脫鹽的效率。另外,在應(yīng)用暗管排鹽工藝時(shí),也可以通過深翻綠化土,摻沙、粉碎秸稈和牛糞等方式,增大土壤滲透系數(shù),促使土粒團(tuán)聚,可以改善土壤結(jié)構(gòu),減少土壤容重和增加孔隙度,使土壤中的鹽漬水迅速流出。但這種方法也存在明顯缺點(diǎn),即干旱和半干旱地區(qū),由于降水較少,土壤透水性強(qiáng),容易造成土壤含水量降低,影響植物生長。
總體來說,通過改進(jìn)排鹽工藝,暗管在排漬、脫鹽方面效果更加顯著,它能迅速排出土壤中鹽漬水,降低地下水位防止土壤次生鹽堿化,改善土壤結(jié)構(gòu)和增加透氣率,創(chuàng)造良好的根系生長環(huán)境,提高土地利用率,延長綠化用地使用年限,減少工程量和建設(shè)管理費(fèi)用。
國內(nèi)外大量學(xué)者研究表明,暗管排鹽技術(shù)可有效改良鹽堿地。特別是我國近年來,在暗管排鹽領(lǐng)域研究不斷深入,并在部分地區(qū)徹底改良了鹽堿地[22]。如天津?yàn)I海新區(qū),以張萬鈞為首的科研組通過對多年監(jiān)測的鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和綠化效果對比,得出暗管排鹽工藝在鹽堿土綠化中切實(shí)可行,特別是“淺密式”排鹽技術(shù),效果更加明顯,1m土體的平均鹽分含量在不到3年的時(shí)間內(nèi)下降到0.4%以下,在5年的時(shí)間內(nèi)下降到0.2%以下,消除了鹽分對絕大多數(shù)植物的危害,徹底改良了鹽堿灘涂。倪同坤[22]的試驗(yàn)表明,沿海灘涂地利用暗管排水結(jié)合種稻淋鹽技術(shù)可快速改良重鹽土,使水稻生長茂盛,有效分蘗多,當(dāng)年就能獲得較高的產(chǎn)量。該技術(shù)在勝利油田實(shí)施后,成功地將10多萬畝寸草不生的灘海重鹽堿地改造為良田,經(jīng)過改造的土地種植棉花等作物產(chǎn)量逐年提高[23]。張亞年等利用江蘇濱海灘涂鹽堿土壤,采用暗管排水的方法,進(jìn)行了室內(nèi)滲流槽試驗(yàn),物理模擬土壤排鹽過程。研究發(fā)現(xiàn)受暗管排水影響在一定程度上增大了土壤的滲透性,水流排出較快,水位下降,土壤可溶鹽分極易排出;表層土壤鹽分運(yùn)移主要受降雨量影響,鹽分下降速率最快;深層土壤鹽分運(yùn)移受上層鹽分的累積和降雨共同影響,排鹽較滯后[5]。
暗管排鹽技術(shù)改良鹽堿地是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,在全國范圍內(nèi)推廣暗管排鹽技術(shù)對提高我國糧食產(chǎn)量能發(fā)揮重要作用。但暗管排鹽技術(shù)在我國研究的還不十分深入,研究范圍還停留在濱海鹽堿地領(lǐng)域的研究,對其他內(nèi)陸鹽堿地和次生鹽堿地研究較少,尤其是凍土條件下,暗管排鹽的實(shí)際研究開展較少。
關(guān)于暗管排鹽關(guān)鍵技術(shù)的研究還需加強(qiáng)不同質(zhì)地和綠地類型下的暗管間距和埋深最優(yōu)組合研究;建立單位面積工程費(fèi)用最少的目標(biāo)函數(shù)研究;引水脫鹽率和抗旱節(jié)水等復(fù)合關(guān)系研究。另外,針對不同土壤類型和應(yīng)用條件,還需在暗管排鹽工藝領(lǐng)域加強(qiáng)本土化研究,使各地區(qū)具有最優(yōu)的排鹽工藝,形成地區(qū)性暗管排鹽技術(shù)體系。
我國鹽漬土面積約3 460×104 hm2,近1/5耕地發(fā)生鹽堿化,治理鹽堿地對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全具有重要作用。暗管排鹽技術(shù)的研究對改善和治理鹽堿地具有實(shí)際意義,國內(nèi)外多地研究表明,該技術(shù)可以在世界各地推廣,能有效治理鹽堿地;該技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科的研究和多領(lǐng)域的集成,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,特別是在內(nèi)陸地區(qū)的推廣應(yīng)用,還需要具體的試驗(yàn)和實(shí)踐。該技術(shù)的研究者還需緊密跟蹤國內(nèi)外鹽堿土改良、鹽堿地綠化發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果,吸取先進(jìn)理論和技術(shù)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步開展暗管排鹽技術(shù)在不同質(zhì)地條件下的應(yīng)用研究。
[1]遲道才,程世國,張玉龍,等.國內(nèi)外暗管排水的發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,34(3):312-316.
[2]李彬,王志春,孫志高,等.中國鹽堿地資源與可持續(xù)利用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(2):154-158.
[3]周和平,張立新,禹鋒,等.我國鹽堿地改良技術(shù)綜述及展望[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2007(11):159-164.
[4]Timothy K Gates.Irrigation and drainage strategies in salinity-affected regions[J].J of Irri and Drain Engng,1989,115(2):255-266.
[5]張亞年,李靜.暗管排水條件下土壤水鹽運(yùn)移特征試驗(yàn)研究[J].人民長江,2011,42(22):70-72.
[6]BOLTON E F.Corn,soybean and wheat yields on Brookston clay drained by plastic tubing installed by twomethods for seven spacing,and two depths[J].Canadian Agri,Engineering,1980,22(2):145-148.
[7]Christen E,Skehan D.Design and management of subsurface horizontal drainage to reduce salt loads[J].Journal of irrigation and drainage engineering,2001(5):148-155.
[8]周明耀,陳朝如,毛春生,等.濱海鹽土地區(qū)暗管排水系統(tǒng)布置模式的研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)研究,2000,21(3):34-38.
[9]馬力.利通區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項(xiàng)目區(qū)暗管排水運(yùn)行情況的調(diào)查[J].寧夏農(nóng)林科技,2007(4):54-55.
[10]景清華,劉學(xué)軍.寧夏銀北灌區(qū)暗管排水技術(shù)應(yīng)用與工程效果監(jiān)測[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2005,24(1):43-49.
[11]李法虎,Keren R,Benhur M.暗管排水條件下土壤特性和作物產(chǎn)量的空間變異性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(6):64-69.
[12]張萬鈞,龍懷玉,郭育文,等.天津?yàn)I海園林綠化中鹽土治理的理論及工藝[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(5):40-44.
[13]邵孝侯,俞雙恩,彭世彰.圩區(qū)農(nóng)田塑料暗管埋深和間距的確定方法評述[J].灌溉排水,2000,19(1):34-36.
[14]朱庭蕓.灌區(qū)土壤鹽漬化防治[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1989.
[15]龍懷玉,張萬鈞,黃明勇,等.天津?yàn)I海園林綠化中土壤鹽分的演變規(guī)律[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(5):45-48.
[16]張萬鈞,郭育文,王斗天,等.濱海海涂地區(qū)綠化及排鹽工程技術(shù)探討與研究[J].中國工程科學(xué),2001,3(5):79-85.
[17]邵孝侯,劉才良,愈雙恩,等.暗管排水對濱海新墾區(qū)土壤鹽分動(dòng)態(tài)的影響及脫鹽效果[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1995(2):88-93.
[18]周明趣,陳朝如,毛春生,等.濱海鹽土地區(qū)稻田暗管排水效果試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000(2):54-57.
[19]成隆溪,陳啟生,逢春浩,等.土壤鹽漬化的監(jiān)測和預(yù)報(bào)研究[J].土壤學(xué)報(bào),1997,34(2):189-199.
[20]蔡飛,邵孝侯,黃明勇,等.天津?yàn)I海新區(qū)鹽堿土綠化暗管排鹽工藝技術(shù)效果探討.[C]土壤資源持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境安全學(xué)術(shù)會議論文集.234-238.
[21]倪同坤.灘涂暗管排水快速改良重鹽土效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2005,(32)2:26-29.
[22]丁中兵,倪同坤.鹽漬土地區(qū)暗管排水效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].南昌水專學(xué)報(bào),2004(1):61.
[23]翁森紅,劉玉新,張方,等.山東省東營勝利油田管轄范圍重鹽漬化土地改良利用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2003(12):50-51.