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高效节水灌溉对生态环境影响的研究进展_王致凯

     来源:      发表时间:2021-04-09     浏览次数:     字号:    
高效节水灌溉对生态环境影响的研究进展_竞技宝体育官网

文章编号:16717244202004-035505

高效节水灌溉对生态环境影响的研究进展

王致凯1田军仓123*

1. 宁夏竞技宝 土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021

2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 750021

3.旱区现代竞技宝水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 750021

摘 要:通过查阅国内外文献,分析了高效节水灌溉条件下生态环境的响应,探讨了节水灌溉对生态环境影响的方式、特点和评价,将高效节水灌溉对生态环境影响划分为对农田小气候,地表地下水文循环及土壤盐渍化,土壤理化性质以及植被和生物多样性的影响四个方面,高效节水灌溉对生态环境既能产生积极效应又能产生消极效应。目前研究中存在的主要问题有:高效节水灌溉对大尺度生态环境影响的机理研究鲜见;高效节水灌溉对生态环境影响缺乏长系列观测和评价体系不成熟等。建立生态环境观测数据共享平台、评估高效节水灌溉技术产生的生态经济价值和建立高效节水灌溉对生态环境影响的注册评价体系是今后研究的方向和发展趋势。

关键词:节水灌溉;生态环境;综述

中图分类号TV93S27文献标志码A


高效节水灌溉技术能有效提高水资源利用率, 缓解区域水资源矛盾。黄河中上游及竞技宝[内陆河地区属于干旱区,水资源供需矛盾最突出,人均水资源量仅是全国平均的 68%,地均水资源仅为 27%[1]因此在竞技宝[地区实施高效节水灌溉技术非常重要。近年来,随着生态文明建设上升到电竞战略和保护生态环境意识逐步增强,高效节水灌溉技术所带来的影响研究也从经济和节水效益向生态效益研究转[2]。高效节水灌溉技术改变了原有的水循环规律和生产方式,从而改变了原有的生态环境,如土壤理化性质[3]、地下水埋深[4]和生物多样性[5]等。因此,研究高效节水灌溉对生态环境的影响对于竞技宝现代化、灌区生态化至山水林田湖草系统治理具有重要的意义。目前高效节水灌溉技术对生态环境的影响,主要通过观测高效节水灌溉后生态环境的响应和评生态环境质量来研究。本文对节水灌溉产生的生态环境效应研究现状进行归纳综述,以期为旱区高效节水灌溉技术发展与推广及旱区竞技宝现代生态化建设提供建议和思考。


1高效节水灌溉对生态环境的影响

高效节水灌溉是通过高效节水灌溉设备和采用节水灌溉制度对农田进行灌溉,以达到节水目标的灌溉方式。但在这种技术的干预下,改变了原有的作物需水规律、土壤含水量和地表地下水循环规律,打破了原有的生态过程,影响了自然环境。高效节水灌溉条件下产生的生态环境效应受到国内外学者的广泛关注。

高效节水灌溉通过灌水方式和工程建设措施, 改变了原有的水循环的规律[6],影响原有土壤水入渗的物理过程[7]、作物间蒸腾[8] 和地下水的补排方[4]等,对生态环境产生直接影响。高效节水灌溉也可以对生态环境产生间接影响。利用高效节水灌溉达到节水和提质增效的效果,促进了区域竞技宝的快速发展;同时高效节水灌溉的大面积推广和竞技宝快速的发展也会影响生态环境。已有研究表明,高效节水灌溉可以推动流域绿洲化进程,提高绿洲稳定[9]。但在流域尺度上,节水技术的大面积实施,带动了竞技宝的发展,也促进了工业的发展。例如:河流域节水技术实施后,流域中上游用水增加,导


收稿日期:2020-06-03

基金项目:宁夏回族自治区重点研发计划重大科技项目2018BBF02022;宁夏高等官网一流学科建设项目NXYLXK2017A03作者简介:王致凯1997,男,硕士,主要从事节水灌溉理论与技术研究498318228@qq.com

*通信联系人:田军仓1958,男,教授,博士,主要从事节水灌溉理论与技术及水资源高效利用研究slxtjc@163.com


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致下游水资源减少,影响下游植被的生态需水量,流

域下游荒漠化加,流域草地面积减少了 11%[6]

1.1高效节水灌溉对气候的影响

高效节水灌溉后农田的气温、降水、和湿度均发生改变[10],主要是因为高效节水灌溉技术对土壤温室气体排放和蒸发量产生影响而导致。由于温室气体排放导致全球气候变暖,而竞技宝是人为温室气体的主要排放源[11-12],因此竞技宝温室气体排放对环境的影响显重要。国外学者研究发现,高效节水灌溉条件下农田中CH4CO2 N2O 排放量均减少[13-15]刘杰云等[16]在旱作农田进行灌,瑞、田军[17] 对水稻实施膜下灌,结果表明,高效节水灌溉技术条件下旱田和水田温室气体排放量均减少。但 S. Zhou [18]对水稻采用干湿交替AWD的节水灌溉方式时发现,稻田 N2O 排放量是常规灌溉的 2.4 倍。刘海军等[19]通过对比喷灌和地面灌溉发现,在喷灌条件下, 距离地表 1 m 高度处的水汽压比地面灌溉水汽压1.42 hPa。因此也可以看出高效节水灌溉可以增加温室气体排放也可以减少排放,而出现这种不同情况的机理值得深究。

1.2高效节水灌溉对地表地下水文循环及土壤盐渍化的影响

高效节水灌溉通过减少灌溉回渗量和减少地下水的开采高效节水灌溉面积大范围扩张的情况下也会增加竞技宝用水来影响地下水平衡,打破了原有的地表地下水文循环规律。代锋刚[20]通过在惠渠灌区研究发现,节水措施导致地下水的开采量和补给量减少 33.4%16.9%L. N. Mi[4]对银川绿研究发现:高效节水灌溉工程实施后,绿洲在灌溉期平均地下水埋深由 2000年的 0.98m增加到 2017

年的2.01m2017年的地下水补给量比2000年下降了 36.3%,主要是由于地下水补给来源中的灌溉回渗量减少;同时也发现绿洲地下水咸水面积减少。河流域实施膜下15 年后,流域重度盐渍化面积减少 71%[6]。可以看出,当地下水水位较浅且蒸发强烈的地区,土壤发生盐渍化的风险较大,因此可以通过高效节水灌溉技术,使灌区地下水位下降[21]Q. L. Hu[22]研究发现,当灌溉回渗系数小于 0.25, 则不利于灌区的可持续发展;主要原因是当灌溉回渗系数较小时,灌溉回渗水质的盐浓度增加,下游地区水质退化。杨广等[23]采用 Visual-MODFLOW4.2 软件,模拟了普通灌溉、常规节水灌溉和高效节水灌溉三种方式对流域水循环过程的影响,研究发现:常规节水灌溉与普通灌溉相比,流域地下水补给量减1.9亿m3;高效节水灌溉和常规节水灌溉相比,地


下水补给减少 0.07亿 m3Z. H. Zhao[24]研究发现, 高效节水灌溉能有效地减少多环烃在地下水中的出量,明显降低土壤生态环境风险55%~73%因此可以看出高效节水灌溉可以通过控制和调节地表地下水文循环,减轻土壤盐渍化,降低土壤生态环境风险;但是过度节水导致灌区回渗量减少到一定值,也会影响下游水生态环境,不利于可持续发展。

1.3高效节水灌溉对土壤理化性质的影响

通过防渗、再生水、膜下灌和特殊的节水灌溉技术能够对土壤的理化性质产生影响。梁菊蓉[25]究了不同节水灌溉技术对土壤理化性质的影响,结果表明,灌条件下土壤的 pH 值和速效钾的质量比,相比于沟灌条件下高 0.33 5.74 mg/kgS. Stuerz [26]研究发现,高效节水灌溉条件会使稻田土壤温度和层分生组温度分别降低1.11.6,这些因素会对水稻产量造成负面影响。D. Zalacáin [3] 通过对马德里的两个城市公园进行中水和饮用水灌溉对比,研究发现中水灌溉会提高土壤微团聚体的稳定性,土壤抗渗透能力提高,渗透速率下降。L. G. Raeisi [27]研究发现,实施节水灌溉技术后能节水12%,但也会导致94%的盐分累积。韩洋等[28]研究发现,使用再生水灌溉后的土壤中有机质量、总氮量、总磷量和电导率明显提高,而土壤 pH 值略微减少。红波等[29]认为,使用全生物降解膜进行膜下灌可有效地抑制土壤水分蒸发,保持土壤的含水率, 也减少水分蒸发造成的潜热的损失,具有保热保的作用;同时发现土壤养分含量增加,尤其磷和钾含量,分别增加 12.4%49%。因此说明高效节水灌溉不仅会提升土壤有机质含量,还具有保热保作用,但也会产生负面影响,例如会导致土壤盐分积累,减低水稻层分生组温度导致作物产量降低。

1.4高效节水灌溉对植被和生物多样性的影响

高效节水灌溉技术主要影响流域尺度上的植被、农田尺度的杂草群落和动物群落的多样性。付浩龙等[30-31]研究发现,控制灌溉不仅能增加稻田杂草种类的多样性,而且能抑制稻田优势杂草的生长;生育期的 6 个不同阶段生物总种类数的平均值由常规灌溉的 23.3种增加到 24.2种。邱佩[5]利用生态群落法研究节水灌溉对杂草群落多样性产生的影响, 结果表明,节水灌溉使稻田区的旱生杂草的群落密度增加 277.51%, 而水生杂草的群落密度降低27.8%X. B. Li[32]研究发现,利用灌改良盐渍土后复垦,土地生产力和植被景观生态显著改善,产量和植被覆盖度均明显提高。

综合国内外高效节水灌溉对生态环境影响的研


4


王致凯等高效节水灌溉对生态环境影响的研究进展


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究现状来看,高效节水灌溉对生态环境的影响主要分为 4 个方面,对生态环境产生的影响有积极影响又有消极影响,分类结果见表 1

1.5高效节水灌溉对生态环境影响的评价

从高效节水灌溉对生态环境的影响可以看出, 高效节水灌溉的影响不仅仅针对某一生态环境因素,如水汽循环的改变带来的生态环境效应具有尺度效应。因此评高效节水灌溉前后生态环境状况极其重要,高效节水灌溉对生态环境的综合影响可以通过对生态环境评价来定量表述;对生态环境评价指标的选取应具有针对性和全面性,生态环境评价结果应真实客观。O. G. Manoliadis [33]针对灌溉工程对环境的影响,构建分析系统,评生态环境影响,将评价指标划分为自然、生物、社会和经济四个方面。目前,气候变化和灌溉条件下区域水碳氮耦合过程的定量研究是国际上的主流研究方向,同时水碳氮耦合过程决定区域竞技宝生产力的分布[34]。基于此,近年来国内 X. Z. Chen [35]通过水足迹和碳足迹两个指标定量研究了节水灌溉工程对环境的影响,其更具针对性,客观地评了高效节水灌溉条件下的生态环境。

目前国内外高效节水灌溉对生态环境影响的评价方法有主成分分析法、模糊综合评判法、灰色关联法和最近几年较的人工神经网络等方法,但这些方法存在一定的不足。阳眉剑等[36]对评价方法的基 本原理、主要优点和主要不足进行了总结,殷飞等[37]将多种评价方法进行对比后发现,模糊综合评判法和灰色关联法最适合节水灌溉条件下的生态环境评价。


2目前存在的问题

目前诸多学者对高效节水灌溉条件下生态环境响应及评价都做了深入的研究,取得了很多成果,具有一定的理论基础和指导意义,但高效节水灌溉对生态环境影响的研究工作还需加强。具体主要表现在以下几个方面:

(1)高效节水灌溉工程建设时,缺乏以水定需的发展理念,当地水资源分布情况是否适合工程建成后的竞技宝生产力的研究较少。文献[6]中,高效节 水灌溉工程大面积推广后,竞技宝过度发展,流域用水量加大,下游水资源减少,导致流域生态环境恶化。由于缺乏以水定需理念,未使竞技宝真正达到节水化,导致高效节水灌溉技术推广对生态环境产生消极的效应。

(2)关于高效节水灌溉对区域大尺度生态环境影响机理的研究较缺乏,区域大尺度定量研究方面缺乏持续观测。关于节水灌溉对生态环境的影响主要研究的都是生态环境的某一方面,缺乏对整个区域生态环境水循环、土壤、气候和生物多样性等系统性的研究。

(3)关于节水灌溉对生态环境影响的研究主要集中于一个试验周期的环境影响变化,但对于节水工程建设后多年的生态环境变化的跟踪研究较少, 有些节水设施因系统效益差而使用过一段时间就废弃了,这些情况都缺乏跟踪研究。

(4)关于节水灌溉对生态环境影响的评价研究不够完善。学者们对节水灌溉带来的节水效益和经济效益研究较多,但对节水灌溉生态环境效益研



1高效节水灌溉对生态环境影响分类

具体分积极影代表文消极影代表文


高效节水灌溉对农田小气候

的影响


减少稻田CH4 排放量;减少旱作农田CO2 的排放量。


[13][16]


增加稻田N2O 排放量;降低土壤温度和

层分生组温度,造成水稻产量减少。


[18][26]


高效节水灌溉对地表地下水

文循环及土壤盐渍化的影响


解决地下水埋深较浅的问题,

地下水咸水面积减少。


[4]


高效节水强度过大,使得灌溉回渗量低

值,造成下游水质退化的风险。


[22]



高效节水灌溉对土壤理化性

质的影响


田间尺度具有保热保的作用,提高土壤养分含量。提高土壤微团聚体的稳定性。


[3][29]


灌条件下土壤全盐量高于沟灌条件下

土壤全盐量。


[25]



高效节水灌溉对植被和生物

多样性的影响


灌可以改良盐渍土,提高土地生产力,使植被覆盖度提高。间歇交替灌溉提高稻田杂草的多样性,对优势杂草的生长起到抑制作用,有利于生态平衡。


[5][32]


流域植被面积减少,荒漠化加,生物多样性减少。


[6]



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较少,没有一个纲领性的规范,导致指标的选取存在主观性,没有一套成熟的评价体系。

3发展趋势

随着生态文明建设的推进,生态环境的健康和节水工程建设开发协同发展显重要。因此,未来的研究前景具有以下几个方面:

(1)高效节水灌溉可以产生积极的生态影响,也可以产生消极的影响。如何让高效节水灌溉技术推广与实施具有积极影响,减少或避免消极影响尚待研究。

(2)利用大数据建立数据共享平台,持续观测高效节水灌溉条件下生态环境的变化,为区域大尺度上研究高效节水灌溉对生态环境的影响整合资源, 提供数据基础。

(3)未来在对高效节水灌溉产生的效益评,应该计算高效节水灌溉前后生态系统服务价值的改变,定量地反映出高效节水灌溉带来的生态效益和提质降本增效的效果。

(4)注册地建立高效节水灌溉对生态环境评价的指标体系。评价指标体系应具有多目标性,采用综合分析方法评价高效节水灌溉对生态环境的影响, 评价指标选取时应着重注意针对性和可操作性。此外还应该考虑评价区域气候变化特点、下垫面因素、社会经济条件等,建立评价