2025, Vol. 57
2. 旱区地下水与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054;
3. 水利部旱区生态水文与水安全重点实验室, 西安 710054;
4. 中国科学院海岸带环境过程与生态修复实验室, 山东烟台 264003;
5. 中国科学院南京土壤研究所, 南京 211135
江苏省滩涂面积约为65.3万hm2，约占全国滩涂的1/4，且仍以每年近1.3万hm2的速率向海自然淤长[1]。江苏省盐城市拥有农田77.3万hm2，其中近33.3万hm2由盐碱地开发而来，在滨海盐碱地的改良上具有很强的代表性。盐城市东台市滩涂资源丰富，开发利用潜力巨大[2]，是全国非常重要的后备土地资源。沿海滩涂土地由于其独特的地理特征和成土过程，存在严重的土壤盐碱化问题，极大限制了其农业发展[3]。习近平总书记在对盐碱地考察调研时指出，开展盐碱地综合利用对保障国家粮食安全、端牢中国饭碗具有重要战略意义[4]。因此，对滨海地区盐碱地的改良至关重要。
滨海盐碱地存在地势低洼、地下水埋深浅且矿化度高、排水困难等诸多障碍因素[5]。当前，盐碱地的治理方法主要分为物理调控、化学调理、灌排管理、生物改良4种[6]，其中灌排管理是治理盐碱地的主要工程措施，也是使用其他治理方法的基础。净灌溉需水量是指作物生长过程中需要依靠灌溉补充的水量，是灌排管理中的重要参数[7]，能够指导合理灌溉，减少水资源浪费，并有效控制土壤盐分积累。江苏滩涂新围垦的农田主要通过种植水稻来改良，水稻的淹水条件有助于盐分的淋洗，并能带来一定的经济收益。尽管已有许多学者对水稻的作物需水量和净灌溉需水量进行了研究，但诸多研究未考虑滨海盐渍土的特殊情况[8-10]。由于盐分对作物生长的影响，滨海盐渍土种植水稻之前需进行灌溉压盐，而在种植后则需淋洗控盐。由此，本研究基于江苏省东台市1998—2020年的日气象数据，计算了水稻在需要灌溉压盐的盐渍土和不需要灌溉压盐的非盐渍土上的净灌溉需水量，并结合水分亏缺指数进行了分析讨论，以为该地区的盐碱地改良提供合理建议和理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况与数据收集江苏省东台市(32°33′N ~ 32°57′N，120°07′E ~ 120°53′E)地处北亚热带北缘，具有明显的海洋性季风气候，年平均气温15.0 ℃，全年无霜期213 d，年平均降水量约为1 059.8 mm，年平均蒸发量为1 419 mm，大部分降水集中在5—9月，年平均风速3.3 m/s，年平均相对湿度0.81[11]。东台地区盐渍土是海相沉积物在海潮和高浓度地下水作用下形成的全剖面含盐土壤，土壤盐分组成以氯化钠为主，属于典型的淤泥质海岸滩涂盐渍土[12]。区内淡水资源紧缺，微咸水资源丰富，农田灌溉基本使用微咸水[3]。主要种植的水稻品种为淮稻5号和南梗9108，均为迟熟中粳稻品种，全生育期为153 d，本研究将水稻生育期起始日期定为5月20日。
本研究所用数据来自江苏省东台气象站(32°51′ N，120°17′ E)1998—2020年的逐日气象资料，由中国气象数据网下载，数据包括：日平均气温、降水量、日最高气温、日最低气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度等。所有气象数据的整理与分析均在Python环境下完成，包括异常值剔除、缺失值插补及数据分析等。
1.2 作物需水量计算作物需水量是指作物生长发育所需要消耗的水量，包括作物蒸腾、棵间蒸发和构成作物组织的水量[13]。由于构成作物组织的水量一般很小，在实际计算中通常忽略不计，因此以作物蒸腾量与棵间蒸发量之和，即蒸发蒸腾量作为作物需水量的主要部分。本研究采用众多学者认可的FAO推荐的单作物系数法计算水稻的逐日需水量[14-16]，计算公式如下：
| $ {\text{E}}{{\text{T}}_{{\text{ct}}}} = {{\text{K}}_{{\text{ct}}}}{\text{E}}{{\text{T}}_{0{\text{t}}}} $ | (1) |
式中：ETct为第t天水稻的作物需水量，mm/d；Kct为第t天水稻的作物系数；ET0t为第t天参考作物需水量(即在土壤水分充足、地面完全覆盖、作物生长正常且整齐的开阔地块上，高8~15 cm的矮草地的蒸发蒸腾量)，为mm/d。
1.2.1 参考作物需水量计算经国内外大量试验研究证明，Penman-Monteith公式[17]计算得到的参考作物需水量与实际蒸散量最接近，适用于估算不同地区参考作物需水量，因此参考作物需水量ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[17]进行计算，计算公式如下：
| $ {\text{E}}{{\text{T}}_0} = \frac{{0.408{{\Delta }}({{\text{R}}_{\text{n}}} - {\text{G}}) + {\text{γ }}\frac{{900}}{{{\text{T}} + 273}}{{\text{u}}_2}({{\text{e}}_{\text{s}}} - {{\text{e}}_{\text{a}}})}}{{{{\Delta }} + {\text{γ }}(1 + 0.34{{\text{u}}_2})}} $ | (2) |
式中：ET0为参考作物需水量，mm/d；Δ为水汽压曲线斜率，kPa/℃；Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度，MJ/(m2·d)；T为地面以上2 m处的平均气温，℃；u2为地面以上2 m处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；γ为湿度计常数，kPa/℃
1.2.2 作物系数的确定作物系数是某种作物的潜在蒸散量与参考蒸散量之比，它反映不同作物与参考作物的区别，是根据参考蒸散量计算实际作物需水量的重要参数，通常用Kc表示[18]。江苏滨海农田种植水稻为迟熟中粳稻品种，全生育期153 d，其生育期与FAO56推荐值基本吻合，因此，本研究采用FAO推荐的作物生育阶段划分值和作物系数推荐值[19]。FAO56推荐确定作物系数的方法为分段单值平均法，即将全生育期作物系数变化过程概化为在4个阶段的3个值，4个阶段为初始生长期、快速发育期、生育中期和生育后期，3个值为Kc ini(初始生长期Kc平均值)、Kc mid(生育中期Kc平均值)、Kc end(生育后期Kc最小值)[20]。水稻生育期划分及作物系数见表 1。
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表 1 水稻的生育阶段划分及作物系数值 Table 1 Rice growth stages and crop coefficient values |
水稻的作物系数曲线如图 1所示，初始生长期和生育中期作物系数为定值，快速发育期和生育后期逐日作物系数由下式计算：
| $ {K_{{\text{c}}t}} = {K_{{\text{cpre}}}} + \left[ {\frac{{i - \sum {L_{{\text{prev}}}}}}{{{L_{{\text{stage}}}}}}} \right]({K_{{\text{cnext}}}} - {K_{{\text{cpreve}}}}) $ | (3) |
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图 1 水稻的作物系数曲线图 Fig. 1 Crop coefficient curve of rice |
式中：t表示整个生育期内的日序数；Kct表示第t天的作物系数；Lstage表示t天所处的生育期长度(d)；Kcnext表示t天之后生育期的作物系数；Kcprev表示t天之前生育期的作物系数；ΣLprev表示t天之前所有生育期的总长度(d)。
1.3 有效降水量计算有效降水量是指降水量中实际被植物利用的部分，或对作物生长有用的降水量，它等于总降水量减去径流量、蒸发量和深层渗漏量。本研究采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算有效降水量，该方法在众多有效降水量计算方法中得到公认和广泛推广，其有效性已在许多学者的研究中得到验证[21]。计算公式如下：
| $ {P}_{\text{e}}=\frac{(P4.17-0.2P)}{4.17}\text{ }P < 8.3\text{mm/d} $ | (4) |
| $ {P_{\text{e}}} = 4.17 + 0.1P P \geqslant 8.3\;{\text{mm/d}} $ | (5) |
式中：Pe为有效降水量，mm/d；P为总降水量，mm/d。
1.4 淋洗需水量计算淋洗是指向植物根区供给超过实际需水量的灌溉水，从而将根区盐分洗出的过程。多余水量与总灌溉水量之比称为淋洗分数[22]。为有效地控制土壤盐分，需要确保淋洗分数足够大，以防止过多盐分在根区积累。淋洗分为改良淋洗和维持淋洗，改良淋洗在作物种植之前进行(即灌溉压盐过程)，目的是将土壤盐度淋洗到作物可以生长的程度。连续灌溉时淋洗需水量计算公式如下：
| $ {D_{\text{w}}} = (K \times {D_{\text{s}}} \times {\text{E}}{{\text{C}}_{{\text{ei}}}})/{\text{E}}{{\text{C}}_{{\text{ef}}}} $ | (6) |
式中：Dw为改良淋洗需水量，mm；Ds为需要改良的土壤深度，mm；K为土壤系数，有机土壤为0.45，细粒土壤为0.30，粗粒土壤为0.10；ECef为改良后土壤整体的平均盐度，dS/m；ECei为改良前土壤整体的平均盐度，dS/m。
水稻根系分布较浅，其中约80% ~ 90% 的根系分布在表层0 ~ 20 cm土壤中。考虑到土壤返盐和节约灌水，改良深度设置为0.5 m，改良后土壤含盐量由水稻的耐盐阈值确定，东台市土壤质地为粉砂土，K取值0.30。本研究计算了东台市不同盐度盐渍土种植水稻时，所需的改良淋洗需水量，如表 2所示。根据美国盐土实验室的作物耐盐性资料[23]，本研究区水稻耐盐阈值为3 dS/m，使用经验换算系数0.64[19]，换算得土壤盐分含量为1.92 g/kg。因此，本文中的盐渍土特指盐分含量高于1.92 g/kg的土壤，非盐渍土特指盐分含量低于1.92 g/kg的土壤。
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表 2 东台市不同盐度土壤改良淋洗需水量 Table 2 Leaching water requirement for soil improvement with different salinity in Dongtai |
在沿海地区和近沙漠地区，大气沉降可能是盐分的重要来源。相关研究指出，滨海田地每公顷每年高达100 ~ 200 kg的盐沉降[24]。此外，灌溉也会给土壤带来大量盐分。因此，在土壤初步改良之后，仍然要进行维持淋洗来保持土壤盐度。在相对均一盐分条件下，可利用下式估算淋洗分数[25]：
| $ {\text{LR}} = \frac{{{D_{\text{d}}}}}{{{D_{\text{i}}}}} = \frac{{{\text{E}}{{\text{C}}_{\text{i}}}}}{{{\text{E}}{{\text{C}}_{\text{d}}}}} $ | (7) |
式中：LR为淋洗分数；Dd为排出水量(用深度表示)，mm；Di为灌溉水量，mm；ECi为灌溉水的电导率，dS/m；ECd为通过作物根区底部排水的电导率，dS/m。
土壤耕层中容许的最高盐浓度由种植作物的耐盐浓度ECe值决定。在田间灌溉实践中，ECd与ECe存在式(8)所示的关系：
| $ {\text{E}}{{\text{C}}_{\text{d}}} = 5{\text{E}}{{\text{C}}_{\text{e}}} - {\text{E}}{{\text{C}}_{\text{i}}} $ | (8) |
本研究区内灌溉水的平均电导率约为3 dS/m，由此计算得通过作物根区底部排水的电导率ECd为12 dS/m，淋洗分数LR为0.25。
1.5 净灌溉需水量计算作物需水量中的一部分可由降水供给，降水供给不足的部分需由灌溉补充，作物生长过程中需要依靠灌溉补充的水量为作物的净灌溉需水量[26]。某种作物的净灌溉需水量等于生育期内作物需水量与有效降水量之差。但滨海农田作物的净灌溉需水量还应该包括维持淋洗需水量，计算如下：
| $ D = \frac{{{\text{E}}{{\text{T}}_{\text{c}}}}}{{1 - {\text{LR}}}} $ | (9) |
| $ {\text{IR}} = D - {P_{\text{e}}} $ | (10) |
式中：D为包含淋洗需水量在内的作物需水量，mm；ETc为作物需水量，mm；LR为淋洗分数；IR为作物净灌溉需水量，mm；Pe为作物生育期的有效降水量，mm。
1.6 水分盈亏指数计算作物水分盈亏指数是农业生产监测的重要指标。它是指在不考虑人工灌水的情况下某时段内农业有效降水量与同一时段作物需水量之差与作物需水量的比值，反映了作物正常发育及生产对水分的需求[27]。当有效降水量小于作物需水量时，说明农田水分供应不足，作物出现缺水。计算公式如下：
| $ I = \frac{{{P_{\text{e}}} - {\text{E}}{{\text{T}}_{\text{c}}}}}{{{\text{E}}{{\text{T}}_{\text{c}}}}} $ | (11) |
式中：I为水分亏缺指数；其他符号意义同前。I > 0表明水分有盈余，I < 0表明水分亏缺。
2 结果与分析 2.1 净灌溉需水量表 3为1998—2020年研究区不考虑灌溉压盐过程的水稻全生育期各项灌溉需水量，包括作物需水量(ETc)、有效降水量(Pe)、包含淋洗需水量在内的作物需水量(D)、盐渍土条件下的净灌溉需水量(IR)以及非盐渍土条件下的净灌溉需水量(IR非)。
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表 3 东台市1998—2020年水稻净灌溉需水量(mm) Table 3 Net irrigation water requirement for rice in Dongtai from 1998 to 2020(mm) |
由表 3可知，盐渍土条件下水稻净灌溉需水量多年平均值为660.5 mm，其中2020年最低，为478.4 mm，2013年最高，为848.3 mm；非盐渍土条件下多年平均值为446.3 mm，同样2020年最低，为301.0 mm，2013年最高，为594.7 mm。在不考虑灌溉压盐过程的情况下，盐渍土种植水稻的平均净灌溉需水量比非盐渍土高214.2 mm，增幅接近50%。非盐渍土和盐渍土水稻多年净灌溉需水量均极不稳定，极高、极低值出现频繁，例如：1999、2002、2003、2004、2012、2013和2020年，净灌溉需水量与多年平均值相差均超过100 mm；在1998—2000年、2002—2004年、2010—2012年和2013—2014年等相邻年份，年际差值甚至超过200 mm。
2.2 灌溉压盐条件下的灌溉需水量在滨海盐渍土改良初期，受春季强烈返盐影响[28]，土壤初始盐度通常较高，因此必须在种植前进行灌溉压盐，以营造适宜水稻生长的低盐环境，保障其正常生长。在计入灌溉压盐及维持性淋洗需水、但不计渠系和田间输水损失的前提下，1998—2020年东台市不同初始盐度耕地水稻灌溉需水量如表 4所示。
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表 4 灌溉压盐条件下不同盐度耕地的水稻灌溉需水量(mm) Table 4 Irrigation water requirement for rice in different salinity lands under leaching condition |
由表 4可知，在考虑改良初期的灌溉压盐过程后，不同初始盐度条件下的水稻灌溉需水量存在显著差异，且整体处于较高水平。由表 3、表 4综合可知，通过种植水稻改良滨海盐渍土，改良初期与改良完成后(即无盐渍化问题)的灌溉需水量差距巨大。在改良0.5 m深的土壤条件下，土壤含盐量每升高1 g/kg，改良耗水量增加约80 mm(表 2)。以土壤含盐量6 g/kg的盐渍土为例，改良初期灌溉需水量最大值为1 317.1 mm(表 4，2013年)，但改良完成后最小净灌溉需水量为301.0 mm(表 3，2020年)，前后差值超过1 000 mm。如果改良完成后改种其他作物，甚至无需灌溉。这导致滨海地区水利设施的规划建设与水资源管理分配十分困难。
2.3 水分盈亏分析研究区1998—2020年水稻水分盈亏曲线如图 2所示。由图 2知，非盐渍土多年平均水分亏缺指数为–0.68，盐渍土为–0.77。改良后水稻对水资源的依赖指数普遍减少约0.1，但依然很高，属于高耗水作物。从节约水资源与节省人力资源的角度来看，非盐渍土应推广种植其他低耗水、无需人工补充灌溉的粮食作物，例如大麦、小麦等，而盐渍土建议种植水稻。
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图 2 1998—2020年水稻水分亏缺指数 Fig. 2 Water deficit index of rice from 1998 to 2020 |
1) 水稻作为盐碱地改良的先锋作物，在降低土壤盐碱含量与改良土壤结构上具有显著优势。然而，在地下水位较浅的滨海盐碱地，大规模灌溉会将盐分带到地表，加重土壤盐渍化程度。因此，水稻作为高耗水作物，更需严格控制灌溉量，以避免次生盐渍化问题。
2) 从水分盈亏分析结果看，水稻对补充灌溉的依赖性较高，1998—2020年水稻净灌溉需水量的波动范围逐渐扩大，反映出滨海地区面临的旱涝灾害风险上升。这种年际变化与东台市典型的季风气候、滩涂地理环境以及近年来全球气候异常密切相关。为减轻灌区的水资源调配压力，建议将水稻与抗旱作物如大麦、小麦进行搭配种植。同时，面对水资源需求的波动性及土壤改良的长期性问题，建议推广滴灌、膜下滴灌等节水灌溉技术，并加强水资源管理和智能灌溉系统的应用，以提升灌溉效率。
3) 本研究计算得出苏北地区不同盐碱条件下水稻的净灌溉需水量，与黄河三角洲相关研究结论基本一致[29]。滨海盐碱地的改良耗水高、见效慢，需与作物种植结构优化、水资源合理调配结合起来。但东台市的灌溉水平均盐度高，净灌溉需水量大，结合东台实际来看，对新围垦的盐碱地进行分区规划、逐片改良，采取水稻、大麦、小麦、油菜等多功能型作物多样化种植模式，通过减少灌区灌水量来控制地下水水位，从而优化盐渍土改良效果，才是东台市盐渍土改良的最佳策略。此外，加强农业生产培训，帮助农民掌握科学灌溉和土壤改良技术，才能实现农业生产的可持续性。
4) 目前国内有关盐分胁迫下作物修正系数的研究较少。FAO56文件指出，在超频灌溉条件下，蒸发的增加量与蒸腾的减少量相互抵消，对作物需水量计算结果影响较小，但在常规灌溉频率下则需考虑。本文基于超频灌溉条件进行研究，未来可进一步探讨常规灌溉频率下的作物需水量。
综上，滨海盐渍土的改良是一项复杂而长期的工作，需要反复进行排盐和洗盐，以将土壤盐分控制在合理范围内。建议政府和农户应共同制定长远的土壤改良计划，确保可持续农业生产和水资源合理利用。
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