河套平原地处内陆, 是我国西北最主要的农区与生态脆弱区, 河套灌区排水不畅, 导致原生与次生盐碱化并存, 盐碱地面积大、程度重, 严重影响该区生态、农业和经济社会发展^[1-3]。因此, 迫切需要研发与该地区自然资源与社会经济条件相配套、环境友好型的盐碱地生态治理理论与技术, 以提升河套平原生态系统稳定性、土地生产力和资源利用效率。

国内外从盐碱地治理的农业、生态、生物等多个角度开展了广泛研究并取得重要进展。在基础理论、试验及数值模型方面, 以美国盐土实验室为代表的研究者阐明了土壤水盐运移机理及驱动机制, 构建了基于水盐平衡理论和Darcy定律的土壤溶质运移模型(HYDRUS、UNSATCHEM等), 为盐渍土治理利用研究提供了理论支撑^[4-6]。在盐碱地生物/微生物治理方面, 通过种植耐盐植物和植被建植等方法控制水盐平衡、或利用微生物活性修复盐碱地也是研究热点, Rozema和Flowers2008年在Science撰文指出生物技术尤其是培育耐盐作物有助于解决全球不可逆的土壤盐渍化问题^[7], 伊朗、以色列等国家通过开发地肤或种植盐生植物海马齿、高碱蓬以保持盐碱地农业生态系统稳定^[8-10], 微生物菌剂也被认为可以显著降低土壤pH、含盐量并提高盐碱地植物成活率^[11-14]。在盐碱地工程治理与农艺调理方面, 国内外学者从工程排盐、农艺控盐和调理改土等角度开展了长期研究, 如利用暗管排水措施控制地下水位并降低土壤含盐量^[15-17], 运用滴灌、微喷灌、劣质水再利用以节水控盐, 通过地面覆盖、土壤剖面隔层创建等农艺方式调控水盐运动^[18-20], 或施用石膏、脱硫石膏等代换型改良剂以加速盐分淋洗^[21-23]。总体上, 国外学者在水盐运动基础理论和盐碱地生物修复与生态效应研究方面较为深入, 而我国在致力于机理研究的基础上, 在盐碱地节水控盐和生物-生态治理利用理论与技术方面也取得特色成果。

从已有研究看, 我国干旱半干旱区呈现出土地盐碱问题与灌溉长期并存、局部盐碱化减缓和持久性的盐碱反复与加剧并存的现状, 运用生态理念综合治理改良是实现盐碱地持续利用的长效途径。杨劲松和姚荣江2015年提出了“基础研究+前沿技术研究+应用示范+产业推进”的全链条式盐碱地综合治理理念^[24]。因此, 河套平原盐碱地治理利用必须开展多层面的生态化治理关键技术研究, 攻克盐碱地障碍消减的理论瓶颈和盐碱地生态治理利用中的技术、产品和产业难题, 构建盐碱地治理的可持续发展模式, 为规模化生态治理和利用河套平原盐碱地提供技术支撑和储备。

1 项目研究内容

项目采用“基础理论+核心技术+新型装备+产业技术+模式示范”集研发、集成、示范、推广于一体的整体思路(图 1)：从理论上揭示河套平原土地盐碱化演变规律、驱动机制与盐碱障碍生态消减原理；在技术层面, 研发盐碱地生物优选利用、高效节水控盐、灌排生态工程、精准调理改土等生态治理与修复关键技术；在装备与产品层面, 开发新型无沟排盐暗管机、滴灌控盐装备等盐碱地整治工程设备, 研制复合生态型盐碱调理改土制剂产品；在产业技术层面, 以内蒙、宁夏河套平原不同类型盐碱地以及林果、草饲、粮经等特色产业为对象, 建立资源循环、节本高效、环境友好型的生态产业关键技术, 创建河套平原盐碱地生态导向型治理修复技术体系与可持续发展产业模式, 实现河套平原盐碱地生态产业体系上、中、下游无缝衔接与技术模式集成、示范、推广的一体化推进。

本项目的研究内容如下：

(1)盐碱地形成机理与盐碱障碍生态调控机制

主要研究河套灌区盐碱土时空演变规律, 分析不同景观尺度水盐的源、汇转化和迁移时空变化特点。研究盐碱土形成及其驱动机制, 分析人为活动与地下水-土壤-植物-大气系统(G-SPAC)中盐分的迁移、转化以及季节性动态的内在关联, 揭示盐碱地形成的驱动机制。研究多尺度土壤水盐动力学过程与盐分均衡, 分析不同尺度土壤积盐和脱盐的动力学机制, 构建水盐运移多过程耦合模型与盐渍化预测预报系统, 分析灌区盐分平衡状态演变过程。研究盐碱障碍生态调控机制, 分析外源秸秆、覆盖、绿肥、有机肥等生态化措施对盐碱地土壤水盐运移过程的阻控效果, 探讨其在促进土壤脱盐、植物生长以及耕层土壤熟化等方面的作用机制, 研究不同调控措施下盐碱障碍土壤的生态反馈机理。

(2)生态导向型盐碱地长效治理与修复关键技术

研究盐碱地微生物治理与修复技术, 筛选出具有耐盐、抗逆、促生等多功能微生物菌株, 研究高效扩繁技术体系, 开发出适宜于盐碱地林果、牧草、农作物的生物专用肥, 建立配套的优化施用技术并示范。研究耐盐植物品种筛选和抗盐种植修复技术, 研发适合各选育种质特点的良种筛选与繁育技术体系, 收集和筛选生态型特色耐盐碱林果、饲草、农作种质, 并有针对性地研发耐盐植物的配套种植技术, 建立耐盐植物品种抗盐种植生态修复技术体系并示范。研究次生盐碱地节水控盐与生态工程治理技术, 研发高效节水灌溉植物适宜生境快速构建、高成活率微区生境营造等技术, 建立基于水盐信息实施反馈的灌排信息化管理系统, 构建高效干排盐生态工程治理技术、系统设计方法并示范。

(3)盐碱地控盐排盐型工程装备与制剂产品研制

研发无沟暗管机、新型滴灌装备与自走式深松破土机等控盐排盐型盐碱地整治装备, 研制基于电液控制、机电液一体化等先进手段的高效率、高精度新型无沟铺管机实用型样机并示范应用, 开发集成控制、过滤、注肥、土壤墒情监测等关键系统的低压管道式节水灌溉装备并示范, 突破深层破土系统关键零部件设计, 研制大型自走式深松破土机样机并示范应用。开发生态友好型、节本高效型复合改良调理制剂, 研制以脱硫石膏为主料、添加高价阳离子等材料的复合高效土壤调理剂并示范应用, 开发由土壤盐基离子敏感高分子材料与脱硫石膏耦合的高分子吸附型土壤调理剂并示范, 研制优化热裂解与工艺流程、生物质炭定向修饰的生物质炭基盐碱地调理剂并示范应用。

(4)盐碱地综合治理技术体系与生态产业可持续发展模式

研究宁夏河套盐碱地节水生态治理和酿酒葡萄、枸杞等特色林果产业技术与集成示范, 形成基于节水精量灌溉、暗管排盐、脱硫石膏等关键技术的盐碱林果地综合治理技术体系, 研发并耦合酿酒葡萄、枸杞废弃物资源化利用技术, 创建可持续林果生态产业发展模式并县域示范。研究内蒙古河套东部盐碱地抗盐生态治理与苜蓿、青储玉米等优质草饲产业技术与集成示范, 形成基于耐盐草饲品种、改良调理剂、快速建植生态修复等关键技术的盐碱草饲地综合治理技术体系, 研发并耦合草饲“产-加-贮”、“生态-生产-生活”等产业技术, 创建可持续草饲生态产业发展模式并县域示范。研究内蒙古河套西部盐碱地工程-生态治理与食葵、玉米等高效粮经产业技术与集成示范, 形成基于暗管洗盐、深松排盐、节灌控盐等关键技术的盐碱农作地综合治理技术体系, 研发并耦合秸秆循环利用、控盐水肥一体化等生态产业技术, 创建可持续粮经生态产业发展模式并进行县域示范。

项目采取的技术路线如图 2所示。

2 总体目标

本项目将探明河套平原盐碱地时空分布规律及其演变驱动机理, 揭示盐碱障碍的生态调控机制, 筛选盐碱地治理与生态修复适用微生物和特色耐盐碱林、草、农种质, 建立和完善生物修复、节灌控盐、工程排盐、调理改土等生态导向型治理修复技术, 研制高效率盐碱地整治无沟暗管机、节水灌溉控盐装备、自走式深松破土机的样机, 开发改良盐碱地的脱硫石膏型、高分子材料型、生物炭基型改良调理剂与专用肥产品, 建立盐碱地资源循环利用型林果、草饲、粮经生态产业技术, 集成盐碱地综合治理技术体系, 创建针对林果、草饲、粮经等生态产业的可持续发展模式, 在县域示范应用。

通过本项目的实施, 将阐明河套平原盐碱地形成演变驱动机理, 揭示盐碱障碍生态调控机制；形成河套平原盐碱地微生物、植物和工程化的生态治理关键技术10-15项, 建立河套平原盐碱地资源循环利用生态产业技术6-8项、盐碱地综合治理技术体系6-8项、可持续生态产业发展模式3-5套；制定地方标准15-20项, 并提交咨询报告3份；优选耐盐碱林、草、农种质20-30份, 申报新品种3-5个, 审定新品种3个；研制新型无沟铺管机、大型自走式深松破土机各1套、节水控盐灌溉设备3套；开发复合生态调理剂配方10-15个, 产品申报8-10项, 登记2-4项；申请发明专利20-30项、软件著作权2-4个, 发表论文100-120篇, 其中SCI论文30-40, 撰写或出版专著2-4部；在典型县域建立3个千亩以上规模核心示范区并累计示范推广4万hm²。

3 结语

随着近年来分配给河套灌区的黄河水资源逐年减少, 河套平原灌区及周边的脆弱生态系统面临着严峻挑战^[25-26]。尽管河套平原盐碱化土壤改良与植物适应性种植技术已有较好积累, 但生态系统的形成与稳定具有长期性, 河套平原盐碱地生态治理仍任重而道远, 需要长期的关注与投入；传统的灌溉洗盐方法受灌区淡水资源不足、地下水埋深浅、地形地貌的影响导致整体排水排盐困难, 增强控盐排盐对维持局部区域水盐平衡至关重要, 因此需要重视高效率、低成本、自动化控排盐工程装备的研发；同时, 当前以生态修复为目标的盐碱地林、草、农经济价值不高, 耐盐林、草、农品种的筛选应注重低成本、高品质与高附加值。低强度人为影响条件下, 节水型快速土壤改良和植被构建与生态系统稳定技术, 以及灌区尺度灌排系统优化与节水灌排制度是近期及未来盐碱地生态治理修复研究的重点^[27]。河套平原次生盐碱地土壤质地粘重, 灌溉后土壤入渗性能与淋洗效率降低, 应重点突破咸水/微咸水等多水源综合利用高效节水控盐技术；此外, 建立基于现代传感、物联网等技术的水盐实时监测系统, 制定配套的节水控盐灌溉制度, 实现灌区地表水-地下水多水源联动与精量灌溉水盐均衡调控。