▲研究人員進行地下水野外調查。
在我國北方引黃灌溉區，尤其是盆地地形和一些排水不利的地區，大水漫灌不僅浪費大量的水資源，還會帶來次生鹽漬化問題。在國家自然科學基金的支持下，中國海洋大學環境科學與工程學院教授劉貫群課題組剛剛完成的基金項目「引黃灌溉對乾旱區深埋潛水的補給及環境效應」研究，不僅對內蒙古孿井盆地的灌溉滲漏進行了系統研究，還利用數值模擬技術，模擬了主要作物在現有灌溉條件下的最優灌溉量，提出了春小麥和夏玉米的節水灌溉模式，節約灌溉水量30%以上。
漫灌會引起次生鹽漬化
「只要是從別的地方引水（非抽取地下水）灌溉，都會發生次生鹽漬化的問題。」劉貫群說，「只不過，不同的灌溉量、不同的土壤結構和土質、種植不同的作物等條件不同，會導致灌溉後向地下水的滲漏量不同，發生次生鹽漬化的程度也不一樣。」
農田灌溉水量過大，就會向下滲漏，淺層土壤中的水分就和深層水分連在一起。北方灌區氣候較乾旱，蒸發量大、很快，深層土壤中的鹽分又會隨著水分蒸發而上升到表層土壤，形成次生鹽漬化。「尤其是一些盆地或排水不利的地方，情況更為突出。比如我們的研究區——孿井盆地，就容易出現這種情況。」劉貫群說。
孿井盆地位於內蒙古阿拉善盟南部，西部緊連騰格里沙漠，地形為四面隆起中心偏東的閉流盆地。該地區為內陸水系，降水稀少，蒸發強烈。為提高騰格里沙漠及其他邊緣貧困地區的遊牧民生活水平，1994年底，當地政府設立孿井灌區，正式引黃河水灌溉，灌區規劃面積14567.3公頃。
灌區建成後，灌溉入滲補給成了地下水的主要補給來源。根據以往經驗，引黃灌溉會引起地下水位上升，有可能使灌區下遊土壤發生次生鹽鹼化。以往的灌區如內蒙古的河套灌區、寧夏同心揚黃灌區等就深受水鹽之害。孿井灌區的地理和灌溉特點引起了劉貫群的注意。
「孿井灌區主要以漫灌方式種植小麥、玉米、穀物、經濟作物等。該地區土壤包氣帶地層滲透性強，灌溉滲漏嚴重，極易引起下遊土壤次生鹽漬化。」劉貫群說，「但該地區地下水位埋深較大，地下水補給過程及其時空變化十分複雜，地下水補給量的確定存在很大的不定因素，所以選擇可信度高的評價方法，評價天然狀態下和灌溉條件下地下水補給量，弄清按現在的灌溉方式，會滲漏到下遊多少，多長時間會滲漏到下遊，以及產生問題怎麼解決等就非常重要。」
劉貫群說：「該項目的研究目的，就是弄清引黃灌溉對乾旱區深埋潛水的補給機制和對地下水環境的影響及對盆地中心帶來的環境和生態問題，為該類區域的水資源可持續利用和土壤鹽漬化防治提供科學依據。」
為防止次生鹽漬化出謀劃策
為系統掌握孿井灌區的水文地質條件和土壤包氣帶水文地質特徵，劉貫群課題組在孿井灌區設置了4個典型地點作為土壤水鹽均衡的試驗觀測點，其中包括9個地下水監測點，2個大氣降水和1個渠道水觀測點。
經過多年的觀測和數據積累，以及對不同作物進行的大量野外灌溉入滲試驗，課題組確定了灌溉滲漏量和入滲率，同時，利用氯剖面法估算了灌溉對地下水的補給。在利用地下水的數值模擬模型分析了現狀、規劃和下遊排水3種條件下地下水的變化趨勢後，研究人員發現，隨著灌溉面積的擴大，地下水位上升迅速，灌區下遊將隨之發生土壤次生鹽漬化。
「因此，灌區必須採取治理措施。但這裡面還存在一個問題。」劉貫群說，「對灌區農民來說，最簡單直接的灌溉方式就是漫灌。澆得少了不頂事，澆一次也挺麻煩，所以農民要澆就澆個透。」
劉貫群認為，以灌區現在的灌溉方式預測，灌區中地勢低的地方，很快就會出現其他引黃灌溉區曾出現過的次生鹽漬化問題。
「我們也研究了一些應對辦法，比如在地勢低的地方種樹，因為樹的根較深，可以用來降低地下水水位。或者挖溝排水，只要將水排出就會減輕鹽漬化。不過最好的方法是從源頭上採取措施，適量灌溉，讓水分不滲漏或少滲漏到地下水中。這樣不但不會發生次生鹽漬化，還避免了農田中的化肥等進入地下水系統，同時，也節省了灌溉費用。但澆多少合適，農民只好憑經驗把握了。」劉貫群說。
為此，課題組用了3年時間，進行了土壤水鹽的均衡試驗，觀測了玉米、西瓜、油葵和花葵4種主要作物在不同地層結構下的土壤水分、土壤水的化學組分；通過研究該地區土壤滲漏量的影響因素，以及不同作物在不同地層結構下的滲漏率，他們計算了參考作物潛在蒸發量和作物係數的關係，對幾種主要作物的用水量進行了分析。「作物需要多少水就灌溉多少，既能滿足作物需要又不產生或少產生滲漏。」
提出節水灌溉新模式
「我們的研究就是想通過一些觀測和試驗，積累些基礎數據，用數值模擬的方式，建立預測模型，一是預測以現在的灌溉方式，研究多久會產生鹽漬化的問題，提前作好應對措施；二是在減少灌溉滲漏上下功夫，弄清灌區主要作物的需水量，計算出最優灌溉量。同時對種植結構進行優化，在不同土質結構的土壤中，種植不同的作物，以減少滲漏。」劉貫群說。
20世紀90年代以後，由於水汙染和水危機的加劇，傳統的以供水量和經濟效益最大化為目標的水資源優化配置模式已不能滿足需要，國外開始在水資源優化配置中注重水質約束、水資源環境效益以及水資源可持續利用的研究，對不同水質的水量使用問題進行優化。在國內，由於灌區水源和用水結構相對簡單，影響和制約因素相對較少，如何實現灌區的有限水資源量的最大效益，成為學者較早關注的問題之一。
根據研究，課題組提出了在現狀灌溉條件下，滿足作物生長時春小麥和夏玉米的節水灌溉模式。即：春小麥冬灌水量以150毫米為宜，在分櫱時灌溉97. 5毫米，拔節、挑穗、灌漿、黃熟階段灌水間隔相對較短，灌水量以75毫米為宜。夏玉米生長期間的需水量高於春小麥的需水量，第一次灌水量約150毫米，拔節水是關鍵，以127. 5毫米為宜，以後幾次的灌水量不宜過多，應在70～90毫米之間。以上模式和傳統的漫灌相比，節約水量30%以上。
同時，在農民收入不減的前提下，課題組以灌溉入滲補給量最小為目標，對灌區種植結構及分布進行了優化，棄種了種植複雜且收益不大的籽瓜，建議灌溉滲漏量較大的小麥、玉米、苜蓿主要種植在多層結構地層上，而西瓜、油葵等滲漏量小且收益較大作物擴大種植面積。
「儘管採取一系列措施後，灌區下遊地下水水位上升幅度明顯降低，減緩了土壤次生鹽漬化的發展進度，但該地區仍然存在土壤次生鹽漬化趨勢，因此，必須改變現行灌水方式，或者採取適宜工程措施加以防治。」劉貫群說，「另外，由於該區地下水位埋藏深度大、同位素測試的周期長等原因，還需要繼續收集該區降水量、灌溉水量、土壤和作物種植等資料，進行實驗室間的校核，這方面還有很多工作需要進一步搞清。」
《科學時報》 (2009-2-16 A4 科學基金)