暗管排水對鹽堿地的治理效果及對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響

暗管排水對鹽堿地的治理效果及對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響

0工程手段效益評價的現(xiàn)實意義河北省東部與渤海灣接壤。地下水含鹽量高，填埋深度深，土壤含鹽量嚴重。同時，該區(qū)域位于溫帶大陸性氣候區(qū)，雨季（6月至8月）降水集中。因此，雨季土壤通常存在含鹽量高和水淹沒的雙重災(zāi)害，土地利用效率很低。排水工程是行之有效的治理高水位鹽堿地的手段效果是工程手段實施后的成效與結(jié)果，效益是工程手段實施后的效果與利益，反映的是效果的價值化結(jié)果。因此，在探討工程手段的實施是否達到目標效果的基礎(chǔ)上進一步測算其價值，能較科學合理地評估工程手段。按照我國“三位一體”的生態(tài)文明發(fā)展觀，效益評價包含經(jīng)濟效益評價、生態(tài)效益評價與社會效益評價三方面內(nèi)容。因此，本文的效益分析也將從這三方面展開。暗管排水工程治理鹽堿地的效果已被諸多學者證實生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得利益的總和，MA(MillionEcosystemAssessment)給出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類體系包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)與文化服務(wù)農(nóng)田土地質(zhì)量的提升是土地效益增加的前提，因此本文立足農(nóng)田試驗尺度，首先從地下水埋深與土壤含鹽量變化2個方面闡述了雨季暗管排水工程改良高水位鹽堿地的效果，然后著重從植物多樣性、作物產(chǎn)值2方面分別論述了雨季暗管排水工程對農(nóng)田生態(tài)價值、生產(chǎn)價值的影響，最后在前面研究的基礎(chǔ)上運用當量因子法測算了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)價值，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的角度闡述了雨季暗管排水工程對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響。1材料和方法1.1港流域濕地黃鹽水濕地，具有人工濕地優(yōu)勢實驗區(qū)位于河北省滄州市渤海新區(qū)南大港管理園區(qū)(38°31′48.78″N，117°25′43.15″E)，距離渤海海岸線約為10km，屬華北沖積平原黑龍港流域的最東端，是地勢低平的濱海平原。區(qū)內(nèi)淺層地下咸水豐富且礦化度高(6～10g/L)，地下水埋深淺(0.3～1.2m)，春季多風期地下水攜鹽上移，土壤次生鹽漬化嚴重，夏季多雨期地表常出現(xiàn)積水，鹽澇災(zāi)害同現(xiàn)。該區(qū)除引黃河水用于飲用及濕地生態(tài)需水外，無其他淡水補給，雨季降水為唯一的鹽分淋洗水源。實驗期間年平均降雨量632mm，屬豐水年，其中65%～88%集中在雨季(6-9月)。實驗區(qū)土質(zhì)以粘性土為主，局部地區(qū)深層土壤出現(xiàn)砂質(zhì)土，土壤容重為1.42g/cm1.2暗管排水系統(tǒng)的規(guī)劃與運行暗管排水排鹽系統(tǒng)位于南大港管理園區(qū)內(nèi)的國土資源部/中國科學院暗管排水排鹽野外實驗基地內(nèi)，共占地6.8ha，該系統(tǒng)滲水管采用直徑11cm的帶孔單壁波紋管，外包15cm厚砂石濾料，坡降比0.7‰，滲水管呈南北向鋪設(shè)，鋪設(shè)總長為1100m，實驗區(qū)所在區(qū)域的暗管埋深為1.6m，間距50m，系統(tǒng)內(nèi)建設(shè)集水池與小型泵站排水，風力發(fā)電與柴油發(fā)電提供強排水動力，集水池連接地區(qū)排干，最終通過揚水站排入渤海灣。研究區(qū)地下水埋深淺，且位于當?shù)氐貏葑畹吞帲叵滤畟?cè)滲補給量大，通過暗管進行定水位排水實現(xiàn)難度大，因此，在實驗過程中根據(jù)地區(qū)特點進行人為控制的“暗管控制性排水”，即在雨季強降雨后及春季土壤凍融期啟動暗管排水系統(tǒng)，排水時間為6月底至8月底的雨季、11月底12月初的冬季凍結(jié)前期及3月的春季土壤凍結(jié)層融化初期。雨季暗管排水系統(tǒng)啟動是在單次強降雨發(fā)生后，調(diào)控地下水埋深在100cm以下；冬季與春季各開展一次暗管排水，同樣調(diào)控地下水埋深在100cm以下。1.3選取實驗小區(qū)暗管排水排鹽工程實施1年后開展本實驗，實驗為期2年。分別在暗管排水實驗區(qū)和東側(cè)80m無暗管埋設(shè)對照區(qū)(道路阻隔了暗管區(qū)與對照區(qū)之間的地下水流動，道路側(cè)滲系數(shù)小于0.01m/d)選取具有代表性的實驗小區(qū)。具體安排如下：1.3.1田間取樣方法分別在暗管實驗區(qū)與對照區(qū)選取具有代表性的4m×4m小區(qū)，作為暗管排水實驗小區(qū)(T)與無暗管埋設(shè)對照小區(qū)(CK)，土壤取樣設(shè)5個重復(fù)。取樣時間為單次降雨前與降雨后6天，取土深度為50cm，分別為0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～50cm，分4層取樣，測定4層土樣的土壤鹽分含量。田間取樣工具為土鉆(d=4mm)，所取土樣用自封袋獨立封存后帶回實驗室測定土壤含鹽量。滴定法測定土水比1∶5。土壤浸提液中的離子含量：Cl1.3.2地下潛水埋深測量小區(qū)內(nèi)分別埋設(shè)觀測管觀測地下水位，觀察管為直徑12cm的PVC管，長2.0m，垂直埋入地下，埋入深度1.8m，埋入部分打孔及濾布包裹，人工盒尺測量地下潛水埋深。1.3.3收獲量分別在暗管實驗區(qū)(1.6m埋深、50m間距，面積約為0.6hm1.3.4樣地設(shè)置與調(diào)查方法調(diào)查于植物生長高峰期展開，選取地下埋設(shè)暗管的荒地(T-W)、夏季休耕地(T-CL)和地下未埋設(shè)暗管的荒地(CK-W)、夏季休耕地(CK-CL)類自然或半自然生境，分別設(shè)置10m×10m樣地，采用5點取樣法，在每個樣地選取5個樣方進行調(diào)查，調(diào)查時記錄每個樣方的植物種類和個體數(shù)目。1.4計算方法1.4.1sarptionratio,sar本文堿化指標選取鈉吸附比(SodiumAdsorptionRatio，SAR)。SAR是表征土壤堿化的重要指標，其計算公式如下：式中，各離子濃度單位為g/100g土。1.4.2計算植物多樣性的方法選取Shannon-Wiener指數(shù)測度不同生境下植物群落物種多樣性特征。Shannon-Wiener指數(shù)(H)：H=-∑P式中，P1.4.3計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的方法依據(jù)謝高地(1)生產(chǎn)功能價值e式中，E(2)生態(tài)功能價值eE式中，a為修正系數(shù)，SW為暗管埋設(shè)實驗區(qū)的Shannon-Wiener指數(shù)，SW2結(jié)果與分析2.1暗區(qū)內(nèi)土壤含鹽量變化雨季暗管排水降低地下水位，可加大土壤積蓄淡水庫容的能力，減小地表徑流及澇害發(fā)生的概率。從圖1可以看出，暗管埋設(shè)區(qū)與對照區(qū)在非暗管排水期的地下水埋深沒有顯著差異，但在雨季暗管控制性排水作用下，兩者之間出現(xiàn)了顯著差異。雨季(6月—9月)期間，暗管排水區(qū)的月平均地下水埋深分別為79.82cm、54.47cm、51.32cm、49.80cm，可保持地下水埋深在40cm以上，能保證作物的正常生長發(fā)育(作物根系深度一般為30cm)，而無管對照區(qū)的月平均埋深為72.93cm、35.83cm、29.87cm、42.97cm，強降雨發(fā)生后易發(fā)生洪澇災(zāi)害，作物根系浸泡時間過長導致作物減產(chǎn)。雨季降雨發(fā)生后，暗管區(qū)0～50cm土層土壤含鹽量均有顯著下降，變化值為0.18～0.84g·kg降雨后0～50cm剖面上土壤浸提液SAR顯著增加，暗管區(qū)增加幅度6.77%～113.87%，對照區(qū)增加幅度32.80%～149.33%，隨著土壤深度的增加基本呈增加趨勢(圖2)。除20～30cm土層暗管區(qū)與對照區(qū)SAR增加值基本一致之外，其他三個深度處暗管區(qū)SAR的增加值均低于對照區(qū)，增加值隨土層深度的增加而變大(表2)。該結(jié)果表明，經(jīng)過雨季降水淋洗，土壤內(nèi)的Mg2.2暗排植物多樣性的空間分布根據(jù)野外調(diào)查，被調(diào)查的試驗區(qū)4類生境內(nèi)共有19種植物，通過植物多樣性指數(shù)Shannon-Wiener的計算方法，得到不同生境下的植物多樣性指數(shù)。圖3顯示試驗區(qū)內(nèi)4類生境的Shannon-Wiener指數(shù)由高到低依次為埋設(shè)暗管的荒地(T-W)>埋設(shè)暗管的夏季休耕地(T-CL)>未埋設(shè)暗管的荒地(CK-W)>未埋設(shè)暗管的夏季休耕地(CK-CL)。由此可見，不論是荒地還是夏季休耕地，埋設(shè)暗管區(qū)植物多樣性均高于未埋設(shè)區(qū)，暗管排水生態(tài)工程的實施可以有效維持植物多樣性。CK-W小區(qū)內(nèi)分布有12種植物類型，群落優(yōu)勢種為真鹽生植物堿蓬；CK-CL小區(qū)內(nèi)僅分布有4種植物類型，群落優(yōu)勢種為假鹽生植物蘆葦；T-W小區(qū)內(nèi)分布有15種植物類型，群落優(yōu)勢種為假鹽生植物蘆葦；T-CL小區(qū)內(nèi)分布有8種植物類型，群落優(yōu)勢種為非鹽生植物狗尾草?？梢钥闯?，人為干預(yù)的休耕地內(nèi)的植物種類均遠小于自然環(huán)境下荒地內(nèi)的植物種類，人為活動會降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植物多樣性；暗管埋設(shè)區(qū)的植物類型多于對照區(qū)，群落優(yōu)勢種也由鹽生植物變?yōu)榉躯}生植物，進一步說明暗管排水工程的實施能夠有效降低土壤含鹽量。2.3暗管排水技術(shù)增加農(nóng)田耕地資源暗管排水工程可從兩方面增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的糧食生產(chǎn)服務(wù)價值：一為通過平填毛溝增加農(nóng)田耕地面積；二為通過暗管排水降低土壤鹽分提高耕地質(zhì)量從而增加單位面積的作物產(chǎn)量。試驗區(qū)總面積約為13.3hm2.4“法律”單位面積價值分別取暗管埋設(shè)區(qū)與無暗管對照區(qū)內(nèi)2類生境Shannon-Wiener指數(shù)的平均值作為各自的Shannon-Wiener指數(shù)(SW)，計算得到SW對照區(qū)生產(chǎn)功能的單位面積價值為3277.32元·hm暗管區(qū)與對照區(qū)“三生”功能價值均表現(xiàn)為生態(tài)功能價值>生產(chǎn)功能價值>生活功能價值(表5)。暗管排水工程對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響主要體現(xiàn)在生產(chǎn)功能價值的增加，其增加值是生態(tài)功能增加值的1.8倍，是生活功能增加值的67倍，可以看出，暗管排水工程的實施可顯著提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，對于生態(tài)效益的提升也較明顯。3暗管排水工程效益分析(1)雨季暗管控制性排水改良鹽堿地效果顯著。通過暗管調(diào)控月平均地下水埋深最大能降低21.46cm，可有效減少澇害。得益于地下水位降低，暗管排水實驗區(qū)土壤含鹽量呈顯著降低態(tài)勢，雨后土壤浸提液SAR值雖有提高，但增加值低于對照區(qū)，暗管排水工程減緩表層土壤堿化進