暗管排水对盐碱地的治理效果及对农田生态系统的影响

暗管排水对盐碱地的治理效果及对农田生态系统的影响

0工程手段效益评价的现实意义河北省东部与渤海湾接壤。地下水含盐量高，填埋深度深，土壤含盐量严重。同时，该区域位于温带大陆性气候区，雨季（6月至8月）降水集中。因此，雨季土壤通常存在含盐量高和水淹没的双重灾害，土地利用效率很低。排水工程是行之有效的治理高水位盐碱地的手段效果是工程手段实施后的成效与结果，效益是工程手段实施后的效果与利益，反映的是效果的价值化结果。因此，在探讨工程手段的实施是否达到目标效果的基础上进一步测算其价值，能较科学合理地评估工程手段。按照我国“三位一体”的生态文明发展观，效益评价包含经济效益评价、生态效益评价与社会效益评价三方面内容。因此，本文的效益分析也将从这三方面展开。暗管排水工程治理盐碱地的效果已被诸多学者证实生态系统服务是人类从生态系统获得利益的总和，MA(MillionEcosystemAssessment)给出的生态系统服务分类体系包括供给服务、调节服务、支持服务与文化服务农田土地质量的提升是土地效益增加的前提，因此本文立足农田试验尺度，首先从地下水埋深与土壤含盐量变化2个方面阐述了雨季暗管排水工程改良高水位盐碱地的效果，然后着重从植物多样性、作物产值2方面分别论述了雨季暗管排水工程对农田生态价值、生产价值的影响，最后在前面研究的基础上运用当量因子法测算了农田生态系统综合服务价值，从生态系统服务价值的角度阐述了雨季暗管排水工程对农田生态系统的影响。1材料和方法1.1港流域湿地黄盐水湿地，具有人工湿地优势实验区位于河北省沧州市渤海新区南大港管理园区(38°31′48.78″N，117°25′43.15″E)，距离渤海海岸线约为10km，属华北冲积平原黑龙港流域的最东端，是地势低平的滨海平原。区内浅层地下咸水丰富且矿化度高(6～10g/L)，地下水埋深浅(0.3～1.2m)，春季多风期地下水携盐上移，土壤次生盐渍化严重，夏季多雨期地表常出现积水，盐涝灾害同现。该区除引黄河水用于饮用及湿地生态需水外，无其他淡水补给，雨季降水为唯一的盐分淋洗水源。实验期间年平均降雨量632mm，属丰水年，其中65%～88%集中在雨季(6-9月)。实验区土质以粘性土为主，局部地区深层土壤出现砂质土，土壤容重为1.42g/cm1.2暗管排水系统的规划与运行暗管排水排盐系统位于南大港管理园区内的国土资源部/中国科学院暗管排水排盐野外实验基地内，共占地6.8ha，该系统渗水管采用直径11cm的带孔单壁波纹管，外包15cm厚砂石滤料，坡降比0.7‰，渗水管呈南北向铺设，铺设总长为1100m，实验区所在区域的暗管埋深为1.6m，间距50m，系统内建设集水池与小型泵站排水，风力发电与柴油发电提供强排水动力，集水池连接地区排干，最终通过扬水站排入渤海湾。研究区地下水埋深浅，且位于当地地势最低处，地下水侧渗补给量大，通过暗管进行定水位排水实现难度大，因此，在实验过程中根据地区特点进行人为控制的“暗管控制性排水”，即在雨季强降雨后及春季土壤冻融期启动暗管排水系统，排水时间为6月底至8月底的雨季、11月底12月初的冬季冻结前期及3月的春季土壤冻结层融化初期。雨季暗管排水系统启动是在单次强降雨发生后，调控地下水埋深在100cm以下；冬季与春季各开展一次暗管排水，同样调控地下水埋深在100cm以下。1.3选取实验小区暗管排水排盐工程实施1年后开展本实验，实验为期2年。分别在暗管排水实验区和东侧80m无暗管埋设对照区(道路阻隔了暗管区与对照区之间的地下水流动，道路侧渗系数小于0.01m/d)选取具有代表性的实验小区。具体安排如下：1.3.1田间取样方法分别在暗管实验区与对照区选取具有代表性的4m×4m小区，作为暗管排水实验小区(T)与无暗管埋设对照小区(CK)，土壤取样设5个重复。取样时间为单次降雨前与降雨后6天，取土深度为50cm，分别为0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～50cm，分4层取样，测定4层土样的土壤盐分含量。田间取样工具为土钻(d=4mm)，所取土样用自封袋独立封存后带回实验室测定土壤含盐量。滴定法测定土水比1∶5。土壤浸提液中的离子含量：Cl1.3.2地下潜水埋深测量小区内分别埋设观测管观测地下水位，观察管为直径12cm的PVC管，长2.0m，垂直埋入地下，埋入深度1.8m，埋入部分打孔及滤布包裹，人工盒尺测量地下潜水埋深。1.3.3收获量分别在暗管实验区(1.6m埋深、50m间距，面积约为0.6hm1.3.4样地设置与调查方法调查于植物生长高峰期展开，选取地下埋设暗管的荒地(T-W)、夏季休耕地(T-CL)和地下未埋设暗管的荒地(CK-W)、夏季休耕地(CK-CL)类自然或半自然生境，分别设置10m×10m样地，采用5点取样法，在每个样地选取5个样方进行调查，调查时记录每个样方的植物种类和个体数目。1.4计算方法1.4.1sarptionratio,sar本文碱化指标选取钠吸附比(SodiumAdsorptionRatio，SAR)。SAR是表征土壤碱化的重要指标，其计算公式如下：式中，各离子浓度单位为g/100g土。1.4.2计算植物多样性的方法选取Shannon-Wiener指数测度不同生境下植物群落物种多样性特征。Shannon-Wiener指数(H)：H=-∑P式中，P1.4.3计算生态系统服务价值的方法依据谢高地(1)生产功能价值e式中，E(2)生态功能价值eE式中，a为修正系数，SW为暗管埋设实验区的Shannon-Wiener指数，SW2结果与分析2.1暗区内土壤含盐量变化雨季暗管排水降低地下水位，可加大土壤积蓄淡水库容的能力，减小地表径流及涝害发生的概率。从图1可以看出，暗管埋设区与对照区在非暗管排水期的地下水埋深没有显著差异，但在雨季暗管控制性排水作用下，两者之间出现了显著差异。雨季(6月—9月)期间，暗管排水区的月平均地下水埋深分别为79.82cm、54.47cm、51.32cm、49.80cm，可保持地下水埋深在40cm以上，能保证作物的正常生长发育(作物根系深度一般为30cm)，而无管对照区的月平均埋深为72.93cm、35.83cm、29.87cm、42.97cm，强降雨发生后易发生洪涝灾害，作物根系浸泡时间过长导致作物减产。雨季降雨发生后，暗管区0～50cm土层土壤含盐量均有显著下降，变化值为0.18～0.84g·kg降雨后0～50cm剖面上土壤浸提液SAR显著增加，暗管区增加幅度6.77%～113.87%，对照区增加幅度32.80%～149.33%，随着土壤深度的增加基本呈增加趋势(图2)。除20～30cm土层暗管区与对照区SAR增加值基本一致之外，其他三个深度处暗管区SAR的增加值均低于对照区，增加值随土层深度的增加而变大(表2)。该结果表明，经过雨季降水淋洗，土壤内的Mg2.2暗排植物多样性的空间分布根据野外调查，被调查的试验区4类生境内共有19种植物，通过植物多样性指数Shannon-Wiener的计算方法，得到不同生境下的植物多样性指数。图3显示试验区内4类生境的Shannon-Wiener指数由高到低依次为埋设暗管的荒地(T-W)>埋设暗管的夏季休耕地(T-CL)>未埋设暗管的荒地(CK-W)>未埋设暗管的夏季休耕地(CK-CL)。由此可见，不论是荒地还是夏季休耕地，埋设暗管区植物多样性均高于未埋设区，暗管排水生态工程的实施可以有效维持植物多样性。CK-W小区内分布有12种植物类型，群落优势种为真盐生植物碱蓬；CK-CL小区内仅分布有4种植物类型，群落优势种为假盐生植物芦苇；T-W小区内分布有15种植物类型，群落优势种为假盐生植物芦苇；T-CL小区内分布有8种植物类型，群落优势种为非盐生植物狗尾草。可以看出，人为干预的休耕地内的植物种类均远小于自然环境下荒地内的植物种类，人为活动会降低农田生态系统的植物多样性；暗管埋设区的植物类型多于对照区，群落优势种也由盐生植物变为非盐生植物，进一步说明暗管排水工程的实施能够有效降低土壤含盐量。2.3暗管排水技术增加农田耕地资源暗管排水工程可从两方面增加农田生态系统的粮食生产服务价值：一为通过平填毛沟增加农田耕地面积；二为通过暗管排水降低土壤盐分提高耕地质量从而增加单位面积的作物产量。试验区总面积约为13.3hm2.4“法律”单位面积价值分别取暗管埋设区与无暗管对照区内2类生境Shannon-Wiener指数的平均值作为各自的Shannon-Wiener指数(SW)，计算得到SW对照区生产功能的单位面积价值为3277.32元·hm暗管区与对照区“三生”功能价值均表现为生态功能价值>生产功能价值>生活功能价值(表5)。暗管排水工程对农田生态系统服务价值的影响主要体现在生产功能价值的增加，其增加值是生态功能增加值的1.8倍，是生活功能增加值的67倍，可以看出，暗管排水工程的实施可显著提高农田生态系统的经济效益，对于生态效益的提升也较明显。3暗管排水工程效益分析(1)雨季暗管控制性排水改良盐碱地效果显著。通过暗管调控月平均地下水埋深最大能降低21.46cm，可有效减少涝害。得益于地下水位降低，暗管排水实验区土壤含盐量呈显著降低态势，雨后土壤浸提液SAR值虽有提高，但增加值低于对照区，暗管排水工程减缓表层土壤碱化进