干旱区农田灌溉的环境效应研究

王迎国1,2,3,4,5,王健1,2,3,4,5,张海欧1,2,3,4,5

2. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；

3. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021；

4. 陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；

5. 自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075）

摘要：本文综述了干旱地区农田灌溉农业对土壤和水环境质量影响的研究进展。灌溉措施对水和土壤质量的环境影响至关重要，主要集中于研究内涝和土壤盐渍化及对土壤质量的影响。另外当废水未经任何处理被用于灌溉时，药物化合物就会成为污染物。在干旱和半干旱地区，废水是一种宝贵的资源，显然需要深入研究有关废水使用、处理和再利用的适当技术的知识。进一步提高灌溉农业用水效率，通过节水和有效利用降雨促进旱地农业发展，维持粮食安全。

关键词：干旱区 灌溉 土壤质量 环境效应

1.前言

人口的高速增长和经济活动的快速发展导致了农业集约化过程，以增加粮食生产。虽然世界上只有20%的农田得到灌溉，但其产量却占全球的40%，因此灌溉能使土地生产能力提高一倍以上。在干旱和半干旱地区，灌溉提高了经济回报，可使产量提高400%。另一方面，灌溉会产生有害的环境后果。世界上三分之一的灌溉地由于灌溉管理不善，导致了内涝和盐碱化，生产力下降。

为了支持不断增长的人口，粮食生产必须以提高用水效率和进一步扩大灌溉为基础。利用常规资源的用水效率技术得到了提高。然而，部分地区自然降雨无法满足作物对水分的需求，补充灌溉被用来增加产量，满足国家的粮食需求。因此部分地区将不得不更多地依靠利用非常规水资源来部分缓解缺水问题。非常规水资源要么是诸如海水淡化等专门过程的产物，要么需要适当的使用前处理和/或在用于灌溉时需要适当的土壤-水-作物管理战略。在缺水的环境中，这种水资源是通过海水淡化和高含盐地下水、收集雨水和利用边缘质量的水资源进行灌溉来获得的。边际质量灌溉用水包括废水、农业排水和含有不同盐类的地下水。在许多发展中国家，由家庭、商业和工业部门产生的废水的主要部分以未经处理或部分处理的形式用于作物生产[1]。保护公众健康和环境是与不受控制的废水灌溉有关的主要问题。盐渍/钠化排水和地下水用于农业的使用预计将会增加。另外，过度使用改道河水和地下水已经造成了严重的环境问题。在灌溉系统中，低效用水的问题尤为突出。在到达农田的水中，漫灌占主导地位，水的损失很大，更有效的灌溉系统，如喷灌和滴灌很少使用。这就需要修改现有的土壤、灌溉和作物管理做法，以应对即将发生的缺水和盐碱化问题的增加。

在干旱的环境中引入灌溉，不可避免地会导致地下水位的变化，并常常导致内涝和盐渍化问题。农业中使用的氮肥产生的硝酸盐是一种广泛的地下水污染物，对人类、动物和生态系统造成不利影响。硝酸盐并不是灌溉造成的唯一污染物，一般的植物养分、杀虫剂和重金属也是如此。当废水未经任何事先处理而用于灌溉时，药物化合物就会成为污染物[2]。本文综述了干旱地区农田灌溉农业对水和土壤质量的环境影响的研究进展，以及模型和案例研究，以期为干旱地区农田灌溉技术研究发展提供相关新思路。

2、干旱区农田灌溉的环境效应

灌溉农业技术一直存在争议。世界40%的粮食是由世界20%的灌溉耕地生产的，灌溉应该被视为一种人为的生态系统，通过改变土地和水来增加农业生产，因此由灌溉引发的环境和生态方面的担忧包括自然景观的退化，泛滥平原和湿地的消失，以及对野生动物栖息地的深远影响[3]。

基于野外研究，中国半干旱的黄土高原上有限的农田灌溉的策略在干旱时期正常降水的年，和检查对用水和籽粒产量的影响与干旱时期春小麦灌溉和施肥播种。结果表明，旱季灌溉处理比非灌溉处理根系更大、更深，叶面积指数更大。灌溉处理的根冠比显著高于非灌溉处理，旱季灌溉加化肥处理的产量和水分利用效率最高[4]。

不适当的农业技术和干旱导致位于西班牙西南部塞维利亚省的含水层硝酸盐浓度高[5]，研究显示与其他作物相比，棉花和马铃薯对硝酸盐污染和盐渍化的贡献最大，作物和种植制度对地下水质量的影响是较为突出的。推荐使用监测分级施肥和控制灌溉作为这些作物的替代耕作技术。

Guo等研究了地下水位和施肥管理对地下水氮负荷的影响。在昆明滇池集水区强灌农业区，对2个不同地下水位（2.0 m和0.5 m）的芹菜进行了田间试验[6]。两个地点都以两种不同的速率施用肥料，第一个是该地区农民传统使用的较高速率，另一个是这个数量的三分之一。结果表明，施肥措施对植物-土壤-通气带-饱和带系统的水分平衡和动态影响不大。地下水位控制着垂向入渗补给和蒸发蒸腾速率。高施肥条件下地下水位附近土壤硝酸盐浓度大于低施肥条件下土壤硝酸盐浓度。高施肥量导致从曝气区到地下水的氮素（包括硝酸盐、亚硝酸盐和铵）负荷增加。硝酸盐是进入地下水的主要氮组分。地下水中铵和亚硝酸盐的运移量较小。由于地下水位较浅，硝态氮更容易进入地下水，从而决定了NO

3从渗流带的负荷。

另外不同排水沟水质的时空变化特征明显。通过调查美国佛罗里达州蔬菜农场和柑橘园排水沟水质的时空变化，蔬菜农场的施肥量高于柑橘园，蔬菜农场沟渠中的氮、磷和钾浓度普遍高于柑橘园。从季节上看，N、P、K、Cu和Zn的浓度在雨季高于旱季，这可能是由于邻近农田的养分投入较高。沟渠水N、P、Zn、Cu平均浓度与邻近农田土壤N、P、Zn、Cu水平及氮、磷年施用量显著相关。而Cd、Co、Cr、Ni、Pb、Mo和As的浓度普遍较低，季节变化较小，可能是由于邻近农田土壤中Cd、Co、Cr、Ni、Pb、Mo和As的水溶性有限。结果表明，土壤养分和重金属的积累以及施肥措施对邻近排水沟的水质有显著影响，排水沟水质具有季节性变化[7][8]。

集约化灌溉会造成地下水位高，并导致盐碱化问题。在同一块土地上安装了若干排水系统设计，以处理造成盐度危害的主要原因。浅水排水系统的设计是为了防止对冬季作物的损害，特别是使夏季作物能够提前播种。深排水系统的设计是为了保持相对较低的地下水位，从而避免根区盐分的浓度。针对浅层半承压含水层上行压力，设计了减压井联合排水系统。Benyamini等研究了这些排水系统。发现最有效的排水方法是在有半承压浅层含水层的地方，将浅排水、深排水与减压井结合起来。在排水系统安装2-3年后，土壤盐度显著改善。研究发现，春季地下水位应在土壤表层以下1 m以上，以防止土壤盐渍化。与深排水系统相比，浅排水系统的排水含盐量要低得多[9]。与单一排水系统相比，在多级排水系统中，将深、浅排水系统相结合，在排水处理管理方面具有显著的优势。

干旱区的灌溉发展几乎总是不仅要处理次生盐分，而且还要处理原生盐分和化石盐分。在许多情况下，灌溉的发展导致当地地质水文制度的大规模变化，这往往导致储存在下面的底层的盐的调动[10]。这种原生盐和化石盐的迁移是干旱区灌溉区河流盐渍化的主要原因之一。可以利用基于地理信息系统（GIS）的决策支持框架开发和应用评估水和肥料使用的替代战略，以确保大型灌溉项目中生产性农业的长期可持续性。以印度某大型运河灌溉系统为例，说明了该框架的开发与应用。

在过去的几十年中，人们开发了各种分析和数值模型来预测土壤表面和地下水位之间的水和溶质转移过程。最受欢迎的模型之一是HYDRUS。Gonçalves等使用HYDRUS-1D分析了夏季灌溉的水流和溶质运输，用于评估盐渍化和碱化危害[11]。Yang等使用氮模拟模型DRAINMOD-N预测了加拿大安大略省南部地下排水农田地表径流和排水沟流出的硝酸盐氮浓度，对地表径流和排水沟流出的硝态氮浓度的观测和模拟进行了比较[12]。结果表明，DRAINMOD-N模型能够较好地模拟不同地下水位管理措施下的土壤水文和地表径流硝态氮损失。然而，精确计算地下水位深度是模型准确预测硝态氮运移的必要前提[13]。

3. 总结与展望

现今对研究灌溉措施对水和土壤质量的环境效应的重要性的关注已经明确确立。在不同的地区分析灌溉农业的环境影响需要考虑流域内所有相互作用的动态过程，并认识到驱动力（人口增长、气候变化、土地利用、城市化和市场影响）对环境效应的影响。因此进行土壤和水监测是必要的，需构建完善的监测框架，建立一种跨学科的方法来理解流域的过程，进而考虑到流域尺度上的水的可用性、水的需求和水质，以此建立一个适当的基线，提高灌溉农业用水效率，通过节水和有效利用降雨促进旱地农业发展，这将在维持粮食安全方面发挥重要作用。

基金项目

陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY2022-17）

参考文献

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