易盐渍地区的农业水管理精要

导   读

在全球气候变化、水土资源约束趋紧、粮食安全问题凸显今天，科学治理因盐渍障碍而导致的中低产田和以经济技术可持续地改造一部分盐碱地为耕地是保障我国粮食安全的不可或缺的手段。国家发改委等10部门的《关于加强盐碱地治理的指导意见》曾明确提出“盐碱地治理要充分考虑区域水资源条件和承载能力，保障生态 环境用水需求，在此基础上合理确定治理目标和规模”。上述这些论断均说明了水资源在利用和改良盐渍土的核心地位。

“易盐渍地区的灌溉农业中的水资源的科学管理原理和技术”一文以大量经典案例回顾了灌溉农业开发中的经验和教训，梳理了以水为核心的多尺度的水盐调控调控的原理和技术，对我国当前如火如荼的盐渍土的改良和利用具有不可或缺的指导价值，有助于推动从“水—土壤—作物（植物）”角度对盐渍化农业土壤进行系统性和可持续治理，保障盐渍化农田的产能提升与区域生态保护的协同发展。

编译者: 中国科学院烟台海岸带研究所海岸带 土壤和沉积物环境风险与生态修复研究组 陈小兵、曹丹、冯红宇、咸敬甜、石礼斌、李远 等；山东汇邦渤海农业开发有限公司 孙海栓。

原题为：易盐渍地区的灌溉农业中的水资源的科学管理原理和技术，文章编译过程中，对原文做了删节和结构调整，还补充了一些黄河三角洲的信息。

联系人:  [e-mail]

原文出处：Crop Ecology：Productivity and Management in Agricultural Systems一书第14章Water management in irrigated agriculture

延伸阅读：https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-05699-9

摘   要

灌溉避免了供水不足对世界大部分地区作物生产的限制。最引人注目的灌溉计划是那些在中纬度干旱地区的灌溉项目，由于这些地区的高光照，充分灌溉的作物可以通过获得高产。但是灌溉实践涉及地点、环境、用水方法和生产目标范围广泛。随着对水资源竞争的加剧，非充分灌溉的措施越来越多地被采用，这种做法旨在通过消除缺水对作物生长的最严重限制阶段来提高有限供水的利用效率。与此同时，很明显，一些地区的过度灌溉不仅浪费了水资源，而且降低了生产力，并造成了环境破坏，尤其是土壤盐渍化引起的危害。这一章讨论了作物生态学和自然资源管理中的一个关键问题—如何在灌溉中减少环境危害并获得高产的基本原则。

关键概念回顾

灌溉中的供水和用水

•从河流引流或从地下含水层抽取的水的大部分(69%)用于灌溉，并与其他用途的竞争日益加剧，推动了高效率用水的社会需求。

•全球灌溉面积约为 280 Mhm2，仅占耕地面积的 18%，却贡献了世界粮食供应的 40%。虽然有些地区可能进一步扩大灌溉面积的可能（非洲、拉丁美洲），但在地下水超采和水库系统因淤积而失效的地区，其灌溉土地的面积也在减少。灌溉面积大幅净扩张的前景并不乐观。如果灌溉农业要到 2050 年保持其对世界粮食供应的相对贡献，水分利用效率必须提高 至75%。

水和盐—不可避免的结合

•水质反映了它的来源和是否适合灌溉。与流经土壤和岩石的地下水相比，主要由地表径流补给的河流中的可溶盐含量较低。但是所有的灌溉水都含有盐分，这些盐分会随着水分蒸发而流失，积聚在表层土壤中。用0.5 dS m-1的相对干净的水灌溉500 mm会带入相当于1.2t NaCl hm-2盐。

•灌溉实践要求最低的淋洗量，即淋洗分数(LF ),以将灌溉本身带来的盐分淋洗到到根区以下。淋洗分数随着灌溉水的盐浓度而增加，必须在尾水中处理。

•大多数作物品种对低盐度敏感。然而如果忽视盐分管理，改变作物或培育更耐盐的品种只能是权宜之计。仅重视耐盐性而忽视排水的后果是，土壤盐分含量将继续上升，进一步了降低土壤生产潜力。

灌溉方法

•    有一系列方法可用于向作物供水，从漫灌(漫流、退水种植)，到漫灌的淹灌和畦灌，到固定(固定喷头)和移动系统(中心支轴式、线性移动式)的喷灌，以及通过微喷或滴灌进行微灌。

•与其他灌溉方法相比，微灌可以最大程度地控制用水量和灌溉时间。微灌越来越多地应用于园艺作物，应用“非充分灌溉”(RDI和PRD)是减少灌溉农业用水量的主要方法。

水分利用效率

•在输水、田间灌溉、田间耗水及单位作物蒸散形成产量的所有阶段，都存在提高灌溉水分利用效率的极大的机会。

•产量和ET之间的关系，以及发育过程中关键生长阶段胁迫的后果，都已广为人知。其挑战在于应用这些原理来考虑蒸发需求、灌溉技术、土壤持水能力、作物对胁迫的响应和预期降雨量。作物模型和专家系统越来越容易获得并用于商业生产。

•因为降雨会扰乱灌溉计划，并可能通过积水和径流破坏刚灌溉的土地，灌溉管理不可能是完美的。在干旱和半干旱地区最容易实施灌溉计划最佳管理，在这些地区，不经常下雨对灌溉实践的干扰最小，但往往是因蒸发量大造成，实现最佳管理是以低水分利用效率为代价的。

重要术语: 钠质土和盐质土；毛管上升；决策支持系统（DDS）；亏缺灌溉、调亏缺(RDI)和部分根区干燥(PRD)；电导率(EC)；灌溉调度；灌溉系统，淹灌，畦灌，沟灌，微灌，喷灌(中心支轴和线性移动)，地下滴灌和地表滴灌；淋洗需水量；黏闭土壤；钠吸附比；地下灌溉；总溶解盐(TDS)；漫流和大水漫灌；涝渍。

14.1灌溉和世界粮食供应

据估计，灌溉农业以占280 Mhm2(仅占总种植面积的18 %)的面积生产了世界作物总产量的40%。( FAO STAT)。为此，它使用了69%的从河水和地下水抽取的水，相比之下，工业用水占21%，家庭用水占10%。随着人口的增加，灌溉农业面临着来自其他用途的水的日益激烈的竞争，而此时扩大而不是限制灌溉面积显然是增加粮食产量的一种方式(Wallace， 2000)。

地球上水很丰富，主要分布于海洋和极地冰中，但淡水所占比例不到1%。目前，各地区从现有淡水中提取的水量差异很大，从近东和北非的53%到南亚的36%，再到撒哈拉以南非洲和拉丁美洲的2%和1%。淡水不足，无法灌溉所有合适的土地，但将灌溉范围扩大到总耕地中82%的旱作农田中的一部分，显然是在现有耕地上更好地养活不断增长的世界人口的一种方式。在其他用水压力日益增大的情况下，灌溉耕地面积扩大进展缓慢。同时，由于城镇化的扩张和灌溉土地的退化所导致的灌溉耕地面积的减少。因此，在当前条件下，大规模灌溉耕地净扩张的前景并不乐观。只有利用更廉价的能源来扩大海水淡化，使得海水淡化能越来越多地用于工业、家庭和农业供水时，可能才能显著改变这种状况。

在不久的将来，一个重大的实际挑战是改进灌溉方法，以提高单位用水量的生产率，并在粮食需求大而目前取水量小的发展中国家扩大灌溉面积。没有更高的生产率，灌溉将无法保持目前灌溉农业对粮食供应的相对贡献。灌溉农业更高的生产率将为波动较大旱作农业生产率提供宝贵的缓冲。为此，需要改进灌溉技术，使之与当地可用的水资源、粮食需求、经济回报，以及河流和河岸生境、地下水和湿地保护的需求相适应。有一系列的技术可以用来提高灌溉农业目前的水分利用效率，但首先要考虑一些一般性的问题。

14.2水和盐—不可避免的结合

降雨携带大量盐分，这些盐分是在海洋风暴期间由灰尘和喷雾所致。灌溉水有可能增加更多。所有地表水和地下水都含有溶解盐。在干旱地区，Na+ 和 Cl- 与 Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、CO32-、NO3-、SO42- 和 BO3-3 共存。水的化学成分反映了其来源，并决定了它的灌溉质量。来自植被集水区的直接地表径流通常比来自河流的水“更清洁”，河流中的水包括渗入土壤和其下层母质的水。地下水通过深层渗滤积聚，因此通常具有较高浓度的溶解盐。径流、径流和地下水的质量因地表特征、地质、淋洗历史与当前的水文平衡而因地而异。

因此，灌溉需要对水和盐平衡进行管理。全球水文平衡已经将大部分盐分集中在海洋中，该过程还在继续。悉如从主要通向海洋的自然排水系统引水的大规模灌溉改变了整个地区的水文和盐分平衡。灌溉系统的设计必须考虑到将因蒸发留在土壤中的大量聚积的盐分排走。但并非总能将盐分排入入海洋。

灌溉中的水和盐分管理通常需要在区域一级和在各个农场共同采取行动。在区域一级，一般有两个考虑因素：

·灌溉项目的区域选择； 

供水和相应排水的一体化管理。

在农场，良好的灌溉实践有四个要素：

·各个作物的灌溉计划；

·各种作物生产活动之间可利用水资源分配的最优策略；

·准确、及时地向作物施用和均匀分配水； 

·排水设施的配套和管理。

当水来自地表径流时，管理包括水的汇集、储存和分配到各个农场。当单个灌溉者从地下含水层抽水时，可能需要进行区域管理来维持抽水和补给的平衡。在这两种情况下，对地下水的管理是至关重要的，因为过多的水排入地下，会导致地下水位上升而会对作物生产造成危害，再则地下水污染后会给以地下水作为水源的牲畜和人类造成为危害。

14.3盐度和碱度

具有高含量中性盐（例如，Na+ 与 Cl- 或 SO42-）的土壤被认为是盐质化的。钠通常是一种重要的成分，在土壤描述中使用了诸如碱化（sodic）和钠化(natric)等术语。钠离子 (Na+) 加上弱阴离子（HCO3−、CO32−）会产生 pH > 8.5 的碱性土壤。碱度（alkaline）加上高盐含量导致了盐渍化条件。

14.3.1盐分积累

在半干旱和干旱条件下形成的土壤中，，当母质风化释放的盐分和降雨增加的盐分未通过剖面淋洗时，可溶性和不溶性盐类会在土壤剖面的某个层次聚积起来。由于表分淋洗，盐分往往会在B层积累。因此，在淋洗能到达的深度处，结核、含CaCO3“硬盘”层和胶结黏土很常见。氯化钠等可溶性盐的移动性更强。在硬土层和低降雨量阻碍深层淋溶的地段，这种可溶性盐可能被内排水和侧向排水，以及地表径流携带到海洋或地势较低的地区，在这些地段，可溶盐通过蒸发而浓缩。在低洼地区，钠饱和的黏粒离散，有效地密封了低洼地区土壤，妨碍了进一步排水。在第16章中，结合雨养农业研究了这种类型的盐水渗漏问题。

14.3.2水质

灌溉用水的质量主要由总含盐量决定，总含盐量以溶解性总固体(TDS)表示，单位为mg L-1，但更好的描述方式是其特定的化学成分。电导率作为间接测量的盐浓度(EC)，其单位为分西门子(dS)m-1中，也能说明溶解性离子的范围和比例。在土壤中，Na+:Ca2+的比例在2:1到5:1之间(海水为40:1)。给定在干旱地区发现的盐的平均离子组成，有可能产生以下实际对应:：C=1ds m-1；TDS=640mgL-1；摩尔浓度为11 mmol。相比之下，海水的EC值范围为50至60 dS m-1。

来源:摘自Ayers and Westcot (1985)。

水的含盐量和钠吸附比(SAR第7.4.2节)决定了灌溉水的适用性。SAR在黏土的灌溉中特别重要，因为当用高SAR的水灌溉时，黏土具有高交换能力并形成易受分散破坏(称为熟化)的结构。表14.1给出了灌溉水的盐分和钠含量安全使用指南。

灌溉所带来的盐分数量除取决于其盐分含量外，还与灌溉量有关。即使水的质量很好，灌溉带来的盐分很也很可观。例如，在一个生长季，用优质水（EC = 0.5 dS m-1；TDS = 320 mg L-1）灌溉500 mm， (5 ML hm-2)将增加 1.6 t hm-2。如果没有淋洗，这些盐分可能会积聚在地表和近地表，最终达到对作物生产力有害的水平。

表14.2 汇集了来自世界各地灌溉水水样的电导率。该列表将河水和井水分开，因为虑及它们在灌溉适用性具有明显的差异。然而，因为样点很少，加之单个测定没有获取到每个样点可能发生的较大的时空变异性，因此两者之间比较可能太精确。然而，数据表明，河水的含盐量一般低于地下水，而且这两组数据部分是重叠的。总的来说，水质变幅很大，表明一些地方的水有可能导致中等至严重的盐度问题。Ayers and Westcot (1985)对灌溉水的盐度和化学成分进行了深入的分析。

资料来源Ayers and Westcot (1985)。

图14.1      几种农作物对土壤盐分的敏感性。EC是饱和浸提液的电导率。与14.1 公式的关系，b是响应曲线的斜率，t是相对产量100%时的截距。(After Maas & Hoffman 1977)

图中文字：Relative yield: 相对产量；Sensitive:敏感；Modernatively sensitive :中等敏感；Moderately tolerant:中等耐盐；Tolerant:耐盐；Bean:菜豆；Wheat:小麦；Barley:大麦

14.3.3耐盐性

作物对盐度的敏感性可通过相对(%)产量(Y/Y0)和土壤饱和浸提液EC之间的线性关系(图14.1)进行总结，如下所示：

注：a 见Eq.14.1.

资料来源：Maas (1984)。

t 是阈值 EC (dS m-1)，低于该阈值盐度对生产力没有影响（即 Y = Y0），b 是盐敏感性，表示为盐度的相对产量降低（%/dS m-1）对于 EC > t。表 14.3 记录了盐度对各种作物品种的影响。敏感作物受 EC < 2 dS m-1 的影响。一些大麦、棉花和甜菜等大麦、棉花和甜菜在高达 8 到 10 dS m-1 的情况下表现良好，但任何作物在超过 15 到 20 dS m-1 的情况下几乎绝收，Na+ 的毒性和土壤水的有效性降低是主要原因。作为一个群体，草的耐受性明显高于豆类。

图14.2    长期使用EC 1.0 dS·m-1的水后，在淋洗分数(LF)为0.1、0.2和0.4时，预计的根区盐分剖面图 (根据Ayers and Westcot 1985)。

图中文字：Root zone：根区；Assumed pattern of water-use：假定的水利用模式

14.3.4淋洗需水量

面对不断增加的盐分，连续耕作取决于通过排水系统去除过多的盐分。因此，种植系统的年度水文平衡（式9.1）必须考虑排水（D）。由于水的储量和径流相对其他项较小，当（P+I）>ET时，就会发生排水。这是通过减少ET（例如缩短作物生育期）或增加I来实现。所需增加的灌溉量称为淋洗需水量（leaching requirement），可以通过假设一稳态盐分平衡状态（输入盐分=输出盐分）来计算。大部分盐分输入来自电导率为ECi的灌溉水，因此必要的盐分平衡为：

排水的ECd设置为作物的耐受性，I设置为ET− P+D，，经整理可得： 

在式14.3中，ECi和P是已知的。ET也是已知的，或者可以根据表9.1中的关系进行估计；ECd根据作物的敏感度设置。因此，如果ECi=0.5 dS m−1和ET− P=500 mm，则ECd=2 dS m−1，D=167 mm。如果ECd可以放宽到4 dS m−1，然后D减至71mm。 

土壤中形成的盐度剖面取决于淋洗分数和根系吸水模式。图14.2显示了长期使用1.0 dS m-1的水在三个淋洗分数（0.1、0.2和0.4）条件下下，预计会形成的根区盐度剖面。在此情况下，40%的蒸腾需求是从根区上层土壤吸收的，在根区的四层中最低层，满足蒸腾需求下降到10%。

在实践中，当农民受到灌溉水盐度的限制时，ECd通常被设置为对应于作物产量减少50%的值。如果EC的增加从土壤表面到排水深度呈线性（参见图14.2中的LF=0.4），在这种策略下，根区的平均盐度将使许多作物的产量降低5%到10%（Reeve & Fireman，1967）。 

排水也要有去处。在灌溉项目的早期，通常只是将盐分淋洗到根区以下。这带来了可能灌溉水源地下水盐分增加或土壤剖面盐分增加的风险。土壤中不透水层造成的上层滞水是另一个问题。当地下水位接近地表时，毛管上升易于于将盐分带回到根区，并可能在地表形成结晶。永久性的解决方案需要安装地下排水管，现在通常是铺设1至1.5米深的多孔塑料管，并排至排水口。在灌区，寻找合适的排水出路是一个日益令人担忧的问题。第14.8节进一步讨论了排水处理和再利用方法。

使用耐盐植物（如大麦）似乎可以解决在盐度增加的条件下继续农业生产的问题。虽然这种作物为农民提供了经济上可行的选择，但其收益可能是暂时的，因为如果没有充分的排水系统，随着系统平衡到新的更高水平，土壤盐分将继续增加，超过EC=t（等式14.1）。除非灌溉系统中有足够的排水系统，否则大多数作物最终都会因盐分的积累而绝收。

14.4灌溉用水效率

随后的章节主要涉及作物用水效率(WUEB或WUEY)、作物生产率(生物量B或产量Y)和作物耗水量(ETa)之间的关系。然而，siao等 （2007）、Jason （2007）和Mateos（2008)承认使用更广泛的效率来评估灌溉系统的性能是有价值的。方框14.1中的总结了向农场供水、作物、灌溉作物过程中，及其生产响应和控制盐渍化过程中水的损失和回收。

重要的信息是：首先，是灌溉系统而非农场可以避免损失并提高效率；第二，超过耗水量 (ETa)的供水量水可能是控制盐分所必需的，或者如果这些水回河流或地下水以后再作他用，对整个灌溉系统而言并非浪费。

14.5用水和生产率

当土壤蒸发的直接损失最小、作物生长季处于ET*zz最低阶段，并且温度和光照满足作物需要时时，干物质生产（WUEB）的生产将实现最大的用水效率。这一原理已在9.7节做了详细阐述。当水分有效性模式对作物发育、生长和产量表现的限制最小时，作物繁殖器官的产量将最大化。

这些供水季节分布对作物产量的影响的概念可简洁的表示为下式：（Jones 1983）： 

在作物几个相连续的物候阶段中，每个阶段生长量实际上与相对蒸腾Ep/ET*成正比, 但出于这些目的，可通过ETa/ET*来近似估算。生长限制对最终产量（Y）相对于可达到产量（Y0）的影响取决于受限制的时期。变量λi（i=1到n）描述了最终产量对发生每个物候期胁迫的敏感性。在这个模型中，如符号所示Π（与Σ比较求和），连续物候期的胁迫累积效应是，。这种作用于几种作物的例子见表14.4。

方程14.4为灌溉农业的供水管理提供了一个实用的基础。当水不足以满足全生育期的需求时，供水方式应能使作物避免对其产量胁迫严重阶段，即方程14.4去最大值时，作物产量最高。这要求对供水进行管理，尽量减少作物在 临界期(表14.4中的λ值大的时期)内的缺水程度。这种方法现在正被作物模型的使用所取代(见第14.7节)，作物模型对环境的反应比供水更普遍。

14.6灌溉方法

根据对供水量和位置的控制程度，表14.5总结了一系列作物供水技术。灌溉系统的安装和维护成本通常会随着控制程度的提高而增加。灌溉方法的选择还取决于生产农作物的其他成本、潜在收益，以及地形、土壤、盐渍化程度和防霜需求。此处不包括涉及灌溉，该方法通过从地下水位处毛管上升的方式为作物供水。这项技术适用于天然湿润地区，地下水位上升可以由排水管道控制，当管道与水源相连时，排水管道还可以抵消干旱季节地下水位下降的影响，维持向作物供水。

14.6.1地面灌溉

在进行地面灌溉(surface irrigation)时，水流到经过整理能控制向土壤入渗的地表并从其上流过。土壤物理性质决定入渗率，坡度决定水滞留在地表进行入渗的持续时间。最原始的形式是大水漫灌(wild flooding)，常见于河流洪水退去时种植作物的地方，或分水（water spreading）,在河岸被用于改变洪水流向并使水面更宽的情况下  。然而，大多数地面灌溉需要渠道来控制水的输送和土地分级以控制水流到各个农田的均匀度和速度。在流域灌溉中，各个水的输送，坡度则控制了进入各个田块水流的均匀性与流速。在进行淹灌（basin irrigation）时,各个田块以围堰包围，由此水可以在其中蓄积到所需要的时间长度。这些地块一般小而平正，其面积取决于所在地点的坡度。畦灌和沟灌（border-check and furrow irrigation）要求地面更平正，高差更精细，以便水能以合适的入渗率顺坡流动畦灌常用于两个平行堤堰间的草地，而沟灌则更多地用于农作物。当两沟之间有一行以上作物时，一般使用术语—垄作（bed planting）。平坦的土地最适合地面灌溉，因为其平整土地的成本最低。然而，可以几乎任何土地都能通过不同方式改造成可灌溉的区域，正如南美洲古代民族的雄心勃勃的梯田项目和在亚洲（例如菲律宾）依旧发挥作用梯田就是证明，但需要巨大的人力建设和维护成本。

地面灌溉不适用于高渗透率的土壤(砂土和砂壤土)，因为为避免过多的渗漏损失，就是水流沿适宜的坡度快速流过，而在这种土壤上必然引起严重的水土流失。在低渗透率的土壤上，有可能使水以缓慢、空间均匀的入渗率，这种技术水稻田所使用的淹灌技术。其中已经低渗透性的土壤被“搅成泥状”以进一步减少入渗(第17.3节)。在其他土壤上，单个管理单元的大小和坡度以及供水速率要与土壤的渗透能力相匹配。很难实现每个畦或沟垄的均匀润湿，从而导致过量水，随后这些过量水作为尾水流出畦面或垄沟时的被再度利用。根据农场的灌溉布局，尾水可以循环回渠道或用于地势较低的田地(见方框14.1)。

地面灌溉使作物受到一系列供水条件的影响。在灌溉期间和之后一段时间内，作物根区上部土壤可能会受涝；随着上层排水，会有一段水分和通气最适宜的阶段。在每个灌溉间期的末期，蒸腾作用可能会吸干所有速效水（RAW，第 7.5.3 节），从而将土壤含水量降低到维持最大生长的水平以下。尽管存在这些限制，但黏重的土壤在灌溉条件下表现最佳，因为它们储存的水量最大，而且在 WP 附近土壤水势变化梯度较小（图 7.9）。耕层浅、心土入渗率低是个例外。在此种情况下，心土需要长时间的灌溉才能湿润，而表层土壤已经积水。灌溉者在中等至重质地的许多土壤上都面临这个问题。例如在澳大利亚维多利亚北部的叠置式土壤（Cockroft & Mason， 1987），，当70 毫米的 (ET*-P) 浇水时，相当于7mm/d的供水10 天，最佳供水期可能只能持续 4 到 5 天，不到生育期的50%。

在畦灌中，灌溉水是否能均匀地渗入土壤，这取决于空间的均匀性。因此，当使用咸水时，盐分沿着剖面均匀移动，由于畦背或堰坝上的蒸发造成的局部浓缩聚积除外。然而，采用沟灌时，盐分在通过作用而聚积在垄背上，特别是当作物覆盖不完全且蒸发较高时。这对幼苗尤其有害，因为幼苗通常比成株对盐更敏感，而且根系较浅，很难利用到到下层含盐量少的水。只有降雨才能将盐分淋洗到一定深度，因此，在严重的情况下，可能需要改变灌溉方法以恢复土壤的生产性能(见第14.8节)。

在地面灌溉中，精准的土地整理极大地改善了供水位置和入渗率。使用激光控制设备，现在可以设置精确的坡降，通常小至 1:1000，并且可以在大面积地块和长垄沟上进行。结果是产量增加，水分利用效率提高，减少了排水与劳动力成本。在加利福尼亚中央山谷管理良好的灌溉农场，由于修建蓄洪堤坝和改造不规则的台地而使得耕地总面积减少，的但产量提高了 7% 到 10%。激光整平对于提高灌溉效率和的作物管理尤为重要，因为淹水深度的均匀性对于幼苗的定植、最大限度地减少氮肥的流失和杂草控制至关重要。

对地面灌溉用水的测量需要注意输入和损失。堰式和轮式流量计（例如 Dethridge 自计流量计）可以测量沟渠中的流量。但在进入土壤的水中。有一部分水（20% 以内）的去向可能为不被灌溉者所掌握。对这种不确定性的通常反应是过度灌溉，特别是为了满足最小淋洗需水量时更是如此，。在 500mm的灌溉期，这可能会向的地下水或额外增加100 mm水量。如将100 mm水量用于持水能力为 400 mm 的黏土（饱和点和萎蔫点之差，第 7.5 节），则其地下水位将上升 0.25 m y−1。如果土壤最初是湿润的，它的持水能力就较低，或者如果年增加量因灌溉后不久降雨而增大，那么地下水位会上升得更快。这种情形在世界各地的灌溉系统中相对普遍（例如，图 14.3），导致内涝和作物产量下降。

14.6.2喷灌

一系列给农作物浇水高压灌溉设备已经开发了。它们特别适合轻质土壤和起伏的土地。供水速率可以调整，以适应地形和土壤的渗透特性。如果系统运行良好，可以获得均匀润湿效果。

大多数喷灌系统是移动的，农民定期移动的设备是非自动的（如，简易线性移动式、舷墙滚筒式、水枪式），而在其他灌溉系统中，移动是自动的，并且大部分是缓慢的、连续的移动（如，滚动式、拖管式、水枪式）。线性移动系统的自动化程度最高，。一个宽度400 m、由 1000 m 长的渠道供水系统可以40hm2 的面积。中心支轴式自动灌溉系统应用更广泛些，该系统围绕其给水中心旋转。一个臂长达 500 m、旋转周期在在一天左右的支轴式系统可以灌溉 80hm2的农田。在截至 1975 年的以前 20 年间，中心支轴式系统被用于美国大平原4 M hm2 的灌溉农田，并且由于提高了灌溉效率，它们正在取代其他地方的地面灌溉系统。最近发生了重大转变，从线性移动和中心支轴系统上的顶端喷头换成了悬挂在支架上向下的低压喷嘴，以更接近地面的方式供水。这项创新降低了运营成本并大幅度提高了灌溉效率。水不是被喷到高出作物冠层的空中，而是被输送到离地面更近的地方，这避免了风的扰动影响，减少了蒸发造成的直接损失。

固定式灌溉系统主要用于高价值的园艺作物。它们通常是喷灌机组，由地下管网给水，管道上有竖管通向每个喷嘴。近年来，许多固定式灌溉系统已被微灌取代。

在喷灌使用管道给水，所以水的计量简单而准确。考虑到植物和土壤表面的蒸发损失，估计进入土壤的水分可达到95%的精度。然而，与地面灌溉不同的是，这些系统需要相对清洁的水，以避免喷头被悬浮的沉积物堵塞或损坏。喷头、线性移动和中心支轴的使用也使得养分施用成为可能 (“灌溉施肥”)，可以多次少量施用以增加肥料使用效率(第12.4节)。

喷灌可以提供均匀的湿润，从而使盐分在土壤剖面上均匀地垂直移动。如果像在园艺作物中常见的那样，喷灌是为了湿润单个植物(树木)的行或根区，那么盐分将沿水平方向迁移到湿润锋的边缘。

14.6.3微灌

各种形式的微灌是新近发展的灌溉技术。这些技术于20世纪60年代由以色列首创之后，已被迅速扩散到世界各地。微灌提供了对灌溉水量和位置的精确控制，并为控制作物产量、同时减少了用水量提供了新的可能性，(见第14.7节)。微灌在低压下通过低输出的滴头供水，有时是单独输送给所有的植物。扩散器可以是微喷嘴或滴头，后者现在通常是供水管的一个整合部件，可以用来控制根区待湿润土壤的形状和体积。与地面灌溉和喷灌相比，尽管向紧邻干燥的土壤测渗会增加蒸发，但微观将土壤蒸发限制在小范围湿润果园表面，因此微观具有较高的水分利用效率。，因为湿润面积较小，而且经常被作物冠层所遮挡，这一优点在滴灌的优势最明显。

Bonachela等 (2001) 使用微蒸渗仪和土壤蒸发模型（如第 9.2 节所述）估算了西班牙科尔多瓦滴灌橄榄园的湿润土壤的蒸发量和干燥土壤的蒸发量 Es（的覆盖率45%，10%湿区）。他们确定，在无雨灌溉期内，即第 155 天至第 277 天，参考作物藤发量为ET0 = 760 mm，土壤蒸发Es 将占果园耗水量T541 mm 中的105 mm (19%) 到。作为比较，在相同环境中来自喷灌果园（10 天灌溉间隔）的 土壤蒸发将660mm 耗水量的224mm(33.9%)。通过滴灌单棵树，行间空间保持干燥、无杂草且便于果园管理。

虽然这些系统多用于高价值的多年生作物，但现在这些系统正在扩展到一年生园艺作物，因此在种植每种新作物时，就必须拆除或更换给水管和滴头，以便进行种植和播种。一应用到多年生作物的有意义的进展是地下滴灌。在这种情况下，具有内置式滴头的给水管布设于位于耕作层下方0.2至0.4 m的深度，其他操作方式没有变化。这项技术比地面滴灌具有更高的水分利用效率效率，因为它避免了作物不完全覆盖时的土壤这个法损失。在上面提到的果园研究中，改用地下滴灌可以节省58毫米灌溉水。Testi 等(2006)的模型包括用于果园蒸散量计算的土壤蒸发。

滴灌特有的复杂湿润模式造成盐分在土壤剖面中复杂性（图 14.4）。盐分向紧邻植株的扩散器有一定距离的湿润土体的外围聚积。如果不常发生的大雨将盐分重新带回幼苗的根区，这可能会带来问题。在每季作物收获后，特别是多年生作物，必须注意消除土壤中的局部袋状高盐部分，以使后续种植能够成功。

与喷灌一样，微灌中的供水由管道输送，精确测量流量是可能的。进入土壤的水量准确率可以控制在99%以内。然而，这些系统确实需要洁净的过滤水。除非采取适当的措施，否则滴头可能会被沉积物或盐堵塞。微灌系统也可用于灌溉施肥和施用杀虫剂防治虫害和疾病。

14.6.4灌溉方法的趋势

世界的趋势是向可控程度更高的灌溉方式发展，以提高水分的利用效率、降低对环境的有害影响。地面灌溉方法变化的一个主要例子是， 旱稻（aerobic rice）面积的增多、水稻(flooded rice)的面积呈递减趋势(方框14.2)。更一般地说，来自加利福尼亚的数据(Orang et al..，2008)记录了过去30年灌溉实践中发生的更广泛的变化(表14.6)。在该州，从地面灌溉到微灌的巨大转变也伴随着种植模式的变化。现在大田作物少了，高价值的园艺作物多了。许多大田作物仍然通过地面(沟灌和畦灌)方法灌溉，但越来越多地通过线性移动和支轴式喷灌系统。包括藤蔓类作物在内的园艺作物的种植面积有所增加，现在大部分都是通过微灌而不是喷灌来灌溉。其他地方也有同样的趋势。例如，在1970年至2008年期间，西班牙的微灌从总灌溉面积(3.5 Mha)的17%增加到43%。低成本滴灌(“桶”)系统的最新发展正在将微灌的应用扩展到发展中国家的小农户(Postel et al.， 2001)。

图14.5    加利福尼亚三个水文流域灌溉苜蓿(950 mm)的季节性能耗。对于每个流域，对用渠道或地下水进行地面灌溉和喷灌分别做了比较。计算假设喷灌比地面灌溉法少用水20%(依 Knutson et al.,1977)。

图中文字：Electricity：电导率；Ground water:地下水：Channel water:河道水；Surface：地表；sprinker:喷灌；

14.7灌溉计划

给每种作物灌多少水及何时灌溉取决于许多因素，这需要估算蒸散量，知道土壤持水能力和根区深度，理解水分亏缺对产量的影响，估算完成作物生育周期所需要的有效水量，以及在此期间降雨的概率。此外，还需要灌溉水的含盐量和作物对盐度的敏感性方面的信息。

14.7.1节水灌溉计划

对灌溉进行计划，通过核算作物水分收支平衡可实现以最少的水获得最高产或在供水有限的情况下最大限度地减少产量损失。作物水分平衡可通过使用框 9.2 中提供的模型和表 14.5 中提供的作物特定胁迫因素进行计算，。这种方法仍然在世界许多地方应用，但现在可以使用更先进的方法，即使用决策支持系统 (decision-supporting system，DSS)。DSS是根据作物水分平衡和生产力的模拟模型而开发的，但包括决定作物生产力和盈利能力的环境与管理等因素。

在水价和/或过度灌溉的后果对生产者来说最为昂贵的地方，节水灌溉的方式的采用最为迅速。在降雨量少的地区，计划灌溉相对容易，因为降雨的低概率简化了应增加多少即时灌溉需水量的决策。在这些地区，灌溉可以有效地制定年度灌溉计划，并且在社区方案中往往据此向各个农场输水。遗憾的是，人们太容易强调频繁灌溉以保持高土壤含水量、低土壤含盐量与取得高产。相反，灌溉实践应允许最大限度地利用降雨，从而最大限度地减少径流和控制排水。完全饱和的剖面不能在接纳额外的降雨，，降水要么形成地表径流，要么被排入地下。径流可能非常壮观，并可能导致土壤侵蚀、河流和湖泊淤积与富营养化。相比之下，过度排水是看不见的，但往往更危险。因此，减少灌溉频率，使土壤在生长季的大部分时间里具有储存意外降雨的能力，可以减少灌溉需求，减少径流和渗漏。

14.7.2提高作物产量的灌溉计划

通常，当所有生育期（方程 14.4）ETa趋近于ET* 时产量最大化，但有些作物的产量因有限（亏缺）灌溉而提高。棉花是大田作物的一个很好的例子，其中有利的条件以牺牲生殖产量为代价促进营养生长。加利福尼亚的研究（Grimes and El-Zik, 1982）研究了棉花的亏缺灌溉，因此随着Ψ1下降，棉花从营养生长进入“现蕾期”和s盛花期。虽然这种灌溉方式肯定会减少生物量，但不会降低经济产量。在加利福尼亚州的圣华金河谷，，棉花的产量灌溉总水量为 400 至 500 mm最高，而同期 ET* 接近 800 mm。

多年生园艺作物也营养生长和生殖生长的关系，可以通过灌溉来控制产量，包括果实大小、颜色和风味，并减少灌溉投入。两种方案，调节亏缺灌溉 (regulated deficit irrigation，RDI) 和局部根区干燥(partial root zone drying, PRD)（方框图 14.4）在园艺上广泛应用于一系列核果、梨果和酿酒葡萄（Kreidemann & Goodwin， 2003）。微灌实现了调亏灌溉和根区交替灌溉方法所需的在时间和空间上对灌溉水的调控。据研究报道，与全生育期微灌相比，这些方法可大量节约灌溉用水，RDI 节约 20% 至 30%，局部根区干燥节约 30% 至 50%，具体取决于降雨量、ET0、土壤类型，以及减产对提高品质作用程度而定。这些方法框图 14.4 中进一步讨论，基于确定的植物对缺水的不同生理响应为依据，但也存在类似果园寿命缩短和对盐渍化控制能力下降的等风险。

14.8给排水管理

良好的灌溉实践取决于在灌溉时有水可用。在每个灌区的各个农场，农作物生产模式以及因此对水的需求通常因农场而异，这给供水带来了极大的困难。给水情况则取决于主要储存设施大小和输水渠系的特点的规模。在实践中，当灌溉者有自己的水源时，如他们从河流、湖泊或地下含水层抽水，或者有贮水设施，效果会比较好。即使输水速度低于有效直接灌溉所需的速度，农场贮水设施在输水时也可接受水。农场贮存设施还有助于回收地面灌溉的尾水进行循环利用，并有可能将排出农场的水并入灌溉水贮存。

图中文字：Irrigation water：灌溉水；Drain water：排水；Sensitive Crop：敏感作物；Mod. Tolerant Crop：中度耐盐作物；Tolerant Crop：耐受作物；

在区域层次，是否需要保持独立的排水和供水系统取决于水质。如果已知两者的化学成分，并且在时用咸水灌溉时所需要更大的淋洗需水量得到考量的前提下，排水可以进入给水系统。图14.6是农场尾水利用的方案。人们可以选择相应的作物(表14.3)来适应灌溉水质。该方案也适用于整个灌区，因为很少有完全独立的供水和排水系统。因此，灌溉水质在流经一个地区时会逐步下降，图14.7清楚地表明了这一点，该图记录了澳大利亚南部墨累河各个河段的盐度水平。当河流穿过灌溉区时，它接纳了额外的排水，因此在流向大海过程中时，对用于农业、工业、牲畜和人类消费的水质逐渐下降。

图 14.7  展示了科罗拉多河下游流经南加州帝王谷灌区时河水的盐度的长期分析结果（1942-1973 年）。在此期间，河水盐度由1 dS m-1到 1.5 dS m-1 反映了科罗拉多州和犹他州上游其他灌溉活动的逐步发展。为了完整起见，该图还显示了该地区进入内陆索尔顿海时的排水盐度。排水盐度的增加部分反映了对初始盐度较高的土壤的改良（见下一节），以及由于排水许可较小而导致的用水的不断节约。

除了提供灌溉用水之外，水库通常还有包括发电、防洪和娱乐在内其他用途。这些目标有时会发生冲突。例如，安全灌溉要求在灌溉季节开始时最大限度地蓄水，而防洪要求水库应该足够的空库容来处理流域区的突发的径流。在水库观光时一般蓄满水时最佳，但发电和下游娱乐需要不间断放水。

14.8.1钠质土和盐质土的改良

盐质土（EC > 3 dS m-1；TDS = 2000 mg L-1）会抑制中等耐盐作物的生长，如果 EC 超过 10 dS m-1，则进行 Na+（第 7.4.2 节）将提高任何作物的生产力（图 14.1）。盐碱地的改良需要农民协调排灌。

图14.8  1944年至1973年期间美国南加州帝国谷灌溉区的灌溉水、排水和周年盐分平衡(输出/输入)的盐度(依Kaddah & Rhoades， 1976)。

图中文字：Irrigation water：灌溉水；Drainage water：排水；Salt balance：盐平衡；EC：电导率；Year：年；

在盐化（第 14.3.1 节）下，中等和轻质土壤可以通过淋洗快速得到改良。理论分析 (Gardner & Brooks， 1957) 表明需要 1.5 到 2 次孔隙体积变化才能将盐度降低到初始值的 30% 以下。在实践中，这可以通过水深相当的水淋洗剖面来实现（）。质地黏重的盐渍土很难通过灌溉来改良，因为灌溉后导致钠饱和的黏粒分散而导致孔隙淤塞，阻碍了进一步淋洗。为此，必须提供钙离子 (Ca2+) 以置换复合体中过量的 Na+。当利用常见的改良剂石膏 (CaSO4) 时，阳离子交换进行缓慢，因为石膏的溶解度低。在实践中，可以通过机械混合将 1 吨石膏溶解在 100万水中。通常需要几年的重复处理才能将土壤改良至 1 m 深度。直接施用石膏于土壤和通过翻耕可能会提高其有效性，但这需要更多的石膏。漫灌和喷灌交替进行比连续漫灌更有效，因为如此会使得更多的水流通过小孔，从而导致更有效的淋洗效果。

钠质土和盐化钠质土存在不同的问题。通常，降低 pH 值的最佳方法是加入硫。这很容易被大多数土壤中的微生物氧化成 SO42-，从水中释放出 H+ 来置换 Na+。

不时有人提议用作物改良盐质土，即通过收获带走盐分。然而，这已被证明是不切实际的主张，因为大多数植物限制其对盐分的吸收。Lyerly 和Longeneker (1957) 测量了 200 kg hm-2 的平均盐分去除量，其中 60% 是 NaCl。为了种植这些作物，灌溉 900 mm的水，盐含量为 6000 kg ha-2，因此作物实际上带走可不到 5% 的新加入土壤中盐分。即使是盐生植物，其小生物量的 50% 可能以盐的形式积累，也不太可能带走超过 200 kg ha-1，而且它们的生长也需要灌溉。

14.9灌溉灌溉项目区的选址

大多数灌溉工程位于干旱和半干旱地区。尽管有一些困难和由于低湿度(高蒸汽压差大)造成的水分利用效率低的缺点(WUE，第9.7节)，但灌溉的效用在该地区是最大的。如前所述，因为守淋溶很少，干旱和半干旱地区的土壤和心土中通常含盐量高，。盐随水来，盐随水去。。理想情况下，人们会选择非盐碱地区和最佳质量的水，以尽量减少改良困难和成本。尽管所有的灌溉区都需要排水系统，但是在盐碱地区需要更大、更好、更快的排水系统！在许多情况下，人们意识到需要充分排水系统的必要性已经为时过晚。

在澳大利亚南部维多利亚的古尔本谷地，50万公顷的半干旱地区有的土地得到灌溉。其天然的排水通道是为沿途提供灌溉、工业和人类用水水源的墨累河 (图14.7)。因此，把这条河用作排水沟通常是不可接受的。替代方案是将排水转移到内陆洼地，或者提升高度超过500米越过沿海山脉通过管道将其向南输送到海洋，。内陆排水是不可接受的，因为其后果是未知的，但通向海洋的管道的成本是令人望而却步的。值得注意的社会问题是，管理盐分平衡以保持灌溉的持续生产力的必要性何以令多人感到惊讶。

在干旱和半干旱地区，ET*高，灌溉用水效率低。在给定可比较的温度和辐射条件下，在较湿润的地区以同样数量的水可以获得更高的产量。在这类地区，降雨提供了需水量的大部分，并且蒸腾作用小，因而灌溉时能达到较高的效率。灌溉管理遇到盐度问题较少，但更多变气候变化会增加更多的病害的发生胁迫并使灌溉计划的制定复杂化。如果农作物商品价格上涨，灌溉区区域很可能向水资源支持的半湿润雨养区扩张。

14.10  黄河三角洲盐碱农田节水灌溉略图

 我国盐碱地农业综合利用普遍面临着节水条件下适应耐盐作物种植的精准化改良和提质增效关键技术缺乏突破，适宜不同类型盐碱地的主打耐盐作物品种少。因此， 如何建立与当地水资源匹配的盐渍土改良技术仍是重中之中的工作。作为我国东部沿海重要的后备耕地资源地区-东营市，面临着淡水资源紧缺和浪费的悖论。在黄河流域高质量发展和生态保护的规划下，深度节水成为黄河三角洲必有之路。但节水潜力有多大，如何科学节水，以及在海陆统筹的理念下，协调好三生用水，尤其是农业用水和湿地用水的关系仍是东营面临的重大课题。但推广节水技术、压缩农业规模与提高农业水分生产效率仍是首当其中。布设在利津县的节水示范工程是仅一个好的开端，仍有大量的工作要做。“道阻且长，行则将至”。

                                        固定式喷灌

                                        移动式喷灌

                                   大型中心支轴式喷灌机

近期文章推荐

      识别图中二维码即可购买本书

                                             

  精选土壤好书，长按识别二维码了解

由于微信修改了推送规则，请大家将土壤家加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到推文！合作、转载、入群，请加13926117407微信号（或发邮件至[e-mail]）