孙广友^1,, 王海霞²
1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130021
2. 东北师范大学城市与环境科学学院,长春 130021

Large scale development to saline-alkali soil and risk control for the Songnen Plain

SUNGuangyou^1,, WANGHaixia²
1. Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130021,China
2. Urber and Environment College of Northeast Normal University,Changchun 130021,China
收稿日期:2015-09-10
修回日期:2016-01-5
网络出版日期:2016-03-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:中国科学院农业重大项目:"东北地区农业综合开发试验示范研究"(KN95-02-01)
作者简介:
-->作者简介:孙广友,男,黑龙江哈尔滨市人,研究员,教授,博士生导师,主要研究领域为自然地理学,地貌与第四纪学,湿地科学,盐碱土资源.E-mail:sun_guangyou@163.com



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摘要
半个多世纪的研究查明,松嫩平原苏打盐渍土是环境要素综合作用的结果,而蒸发使地表水析盐和地下水上升地表积盐的耦合机制是主导成因.盐类以苏打为主,类型包括盐土,碱土及衍生的盐-碱化土.面积393.70万hm²,盐渍化过程还在持续.种稻排盐是改良苏打盐渍土的主要途径.古河道发现和试验示范为其大规模开发提供了可行性.大安等多个灌区建设具有强化粮食基地,优化环境和发展经济的综合效益,并成为东北地区第四大水稻区,使区域盐碱地开发形成完整格局.但是,这种盐碱地大规模开发存在使松花江和嫩江以及查干湖水体污染和土壤次生盐渍化的风险.在分析这些风险成因基础上,提出不向河湖直接排放稻田含盐碱尾水,并在查干湖外围建设湿地水处理系统的控制措施,防止对查干湖构成污染,采取将水田布置在古河道带等措施,控制旱田次生盐渍化.

关键词：苏打盐碱地;研究与开发;分布和面积;类型与成因;生态风险;松嫩平原
Abstract
Based on study for more than half a century,the formation of Songnen Plain Soda Saline-Alkline Soil is a result of the synthesis effect of environmental action: the mine cause is salt sedimentation from land surface water and underwater when the water is evaporated. Our study considered salt soil,alkaline soil and other saline-alkaline soils over an area of 393.70\begin{array}{c}\times \end{array}10⁴hm². This area is stable today,but the saline-alkaline process continues. Planting rice is one known way to improve saline-alkaline soil. To test the feasibility of large-scale rice planting,the Daan Irrigation Area and Songyuan Irrigation Area were established. These projects increase the food base,improve the environment and facilitate economic development. Establishing a similar project on the Songnen Plain means it will become the fourth major rice cultivation area in northern China. However,any development on the Plain poses risks such as pollution of the Songhuajiang River and Chagan Lake,and secondary salinization. Based on assessments of these ecological risks,several measures are proposed,including embargoing end water such as saline-alkaline water from the rice-growing areas in the Songhua and Nen Rivers,and building a wetland to hold end water and avoid pollution from entering Chagan Lake. The construction of a wetland for water disposal will be a first globally.

Keywords：salaine-alkaline soil;research and development;distribution and area;types and causes;ecological risks;Songnen Plain

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孙广友, 王海霞. 松嫩平原盐碱地大规模开发的前期研究,灌区格局与风险控制[J]. , 2016, 38(3): 407-413 https://doi.org/10.18402/resci.2016.03.04
SUN Guangyou, WANG Haixia. Large scale development to saline-alkali soil and risk control for the Songnen Plain[J]. 资源科学, 2016, 38(3): 407-413 https://doi.org/10.18402/resci.2016.03.04

1 前期研究述评

松嫩平原西部是世界上主要的苏打盐碱地区之一,独特的生态景观蕴藏丰富土地资源.然而全球变化叠加人为因素,使区域环境恶化,大片草原退化为盐碱地,导致区域农牧业经济滞后,成为可持续发展的限制因素.目前该区正进入整体开发时期,若干个大型灌区正在建设,将成为中国历史上规模最大的农田水利工程,也是21世纪世界规模最大的盐碱地生态恢复试验.将具有增产粮食,优化环境和发展经济的综合效益.这片巨大的苏打盐碱地的核心部分也将基本消失.但开发也存在使水体污染和次生盐渍化的风险.在此背景下,全面概述其科技支撑,阐述开发工程空间格局,分析开发可能的生态风险及控制措施,显然是十分必要的.

1.1 盐渍土的形成机制

1950s,****们提出了松嫩平原现代积盐理论,认为盐渍土形成是半干旱气候下强烈蒸发使地表水析盐和地下水上升地表积盐^[1,2].后来****们又从不同要素进行成因分析.程伯容,李昌华等指出:地质地貌以及内流区发育有利于盐渍土的形成.盐分源于山地岩石风化,被流水带入区内^[3,4] .王遵亲等提出冻融过程促进盐渍土的形成^[5].高金方等,林丰年等分析新生代沉降运动聚盐效应^[6,7].孙广友等提出古河道封闭导致强烈积盐^[8].罗金明等探讨了微地貌的积盐机制^[9].李建东等认为过牧使草地退化为盐碱地^[10].这样,盐渍土综合成因论受到重视,建立了盐渍化模型^[11,12],并得到较为一致的认识:松嫩平原盐渍土是环境综合因素作用的结果,蒸发使地表水析盐和地下水上升地表积盐的耦合机制是主导成因.

1.2 盐渍土面积和演变

1950s,区域盐渍土面积为240.0万hm²,多轻度盐化芦苇沼泽,碱土较少,而1990s达到了320万hm^{2 [13]}.然而近期面积数据殊异, 据最新遥感测算结果,面积为393.70万hm².这是由于全球变化下,数十年来气温升高而降水减少,又加过牧和筑堤切断水循环网络等人为活动,促进了盐碱土以1.5%的年增加速率扩张^[14].近年,封育等措施虽然使其面积趋于稳定,但出现轻度盐,碱化向中-重度盐,碱化转化的趋势,并在霍林河下游形成碱质荒漠^[15].说明盐碱化过程还在持续.

1.3 盐渍土类型划分

早期,程伯容将该区盐渍土划分为盐土,碱土和盐化土类^[3],即体现广义盐渍土概念^[16].熊毅等认为盐渍土只包括盐土,是狭义盐渍土概念代表^[17].王遵亲等,王春裕虽然依同熊毅的分类,却拟定了盐,碱化土壤的分类指标.轻,中,重盐化土含盐量分别为0.1%~0.2%, 0.2%~0.4%及0.4%~0.6%;轻,中,重土碱化度(ESP)分别为5%~10%,10%~15(20)%和15(20)%~25(30)%^[18,19],成为广义盐渍土分类的基础.近年,广义盐渍土概念得到更加广泛的认同.如杨国荣等拟定了盐渍土较精细的盐类指标,并进行了分类^[20].这样,如何处理盐,碱土与盐化,碱化土类的关系,就是一个新问题,常见将草甸土与盐,碱土并列的欠妥现象^[21].鉴此,本文建议将盐土,碱土及盐化-碱化土三者并列,以期构建一个合理而简明的分类体系(表1).
实际上,盐,碱土总是与盐化及碱化土壤呈复域分布,故广义盐渍土概念在灌区规划中得到广泛应用.
Table 1
表 1
表 1松嫩平原盐渍土分类(示例)
Table 1The types of saline-alklin soil of Songnen Plain (for example)

土纲	土类	土属(举例)	土种(举例)
盐渍土	盐土	草甸盐土,碱化盐土	苏打盐化草甸盐土
	碱土	草甸碱土, 荒漠碱土	结皮草甸碱土,浅位草甸碱土
	盐-碱 化土	草甸盐化土,沼泽盐化土	苏打草甸盐化土
		草甸碱化土,沼泽碱化土	苏打沼泽碱化土

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1.4 盐渍土结构与主要性质

据孙广友等研究,本区盐渍土母质由冲-洪积-湖积及风沙物质组成,主要由沼泽土及草甸土演变而来,故颗粒较细,近地表黏粒含量高达30%~50%,透水性弱或极弱^[8].据王春裕研究,草甸盐土在地表形成0.5cm的SiO₂粉末层,为柱状结构;微结构则颗粒密集镶嵌,团粒结构差,水稳度低;胶膜包被,分散性高;高容重使有效持水量偏低;苏打草甸盐土有盐结皮,心土呈碎块结构,有SiO₂粉末斑点;碱化盐土剖面的中上部有碱化层.0.001~0.002mm粒级的矿物以伊利石为主,通体>40%;而<0.001mm者以伊利石-蒙脱石混合为主,通体>70%.土壤有机质含量差别较大:沼泽盐化类(2%~7%)>草甸盐化类(1%~5%)>荒漠盐化类(一般<1%).

2 盐渍土种稻改良试验与示范

2.1 前郭灌区盐渍土种稻改良试验

1950s,陈恩凤等在前郭灌区开展了輕-中度盐化草甸土种稻改良试验.其中排灌-厩肥模式的试验结果是:表土盐量由0.27%降为0.14%,灌水由 34 094m³/hm²降为17 392m³/hm²,产量由463.5kg/hm²提高到3 750kg/hm²,得出种稻是改良苏打盐渍土主要途径的重要结论^[22,23].与当时国际流行的深沟排盐相比,是一项创新.宋达泉等指出,只要有正常灌排,无需深沟排水先行降低盐碱^[24].但石膏加厩肥模式效果不明显,且如果石膏远途输入,则由于成本高而经济上不划算.近年研究指出,限于低温等因素,施用石膏作用有限^[25] .
受砂源及黑土源限制,压砂,换土作为局部措施可适当采用,但因成本过高而难以大面积实施.

2.2 大安古河道盐碱地开发试验示范

自1989年起,孙广友等长期进行的松嫩古河道调查及开发试验研究,是陈恩凤等试验的自然延续.并利用遥感技术在平原西部发现16条古河道,首次提出了引嫩开发方案,为盐碱地大规模开发提供了水土资源基础^[26].大安古河道综合开发规划列入国家21世纪优先计划.1994年在同期进行的大安古河道万亩试验区,取得轻,中,重度苏打盐化土及盐,碱土复区种稻排盐试验示范的成功^[27],突破了苏打盐渍土种稻开发的最后禁区^[28].毕淑霞等还拟定了苏打盐碱地生态灌区规划原则,构建了尾水零排放节水模型^[29],以及水旱复合开发及稻鱼复合开发模式^[30],促进了大安,松原等灌区工程上马.近年又创建了水稻大面积1 050kg/hm²超高产记录,及高效节水的"浅-深-浅-湿"优化灌溉模式,定额降为7 978.05m³/hm^2[31].丰富了苏打盐渍土开发技术体系.证明该区苏打盐碱地具有大规模开发的可行性.

2.3 专项研究与规划设计

区域面源污染研究^[32],水稻节水模式与品系培育等成果显著^[33-35].这些也为大规模开发提供了条件.但施石膏,羊草移栽等受成本制约,难以大面积推广.
中国科学院地理科学与资源研究所主持完成了松嫩低平原盐碱地调查及合理开发利用研究报告^[36];水利部松辽水利委员会主持完成盐碱地开发综合技术报告(2013年);吉林省水利水电勘测设计研究院与中国科学院东北地理与农业生态研究所合作完成了大安灌区等规划设计(2006-2012年);孙广友编写的《关于建设东北西部水稻基地带动区域综合开发的建议》得到温家宝总理的批示.上述成果使盐碱地大规模开发进入实施阶段.

3 盐碱地大规模开发的格局

3.1 盐碱地开发布局

1990s前,该区仅有面积2.67万hm²的前郭灌区.近年来,大安等灌区工程陆续布置,对该区盐碱地展开整体性开发,是中国近代最大的盐碱地治理工程.遵循生态灌区综合开发的原则,合理配置各类用地,构成可持续的多异质共生体^[37](表2).
Table 2
表2
表2松嫩平原盐碱地灌区工程及效益
Table 2The irrigation and its foundation of Songnen Plain

灌区名称	面积 /万hm2	各类灌溉面积/万hm2							增产粮食/亿kg	引水量 /亿m3
		水田			旱田	草原	养殖	造林	湿地	城建等
大安灌区1)	8.51	3.66	1.06	0.81	0.25	0.17	1.19	1.38	4.33	4.55
引嫩入白2)	11.33	4.17	-	-	0.66	-	3.53	-	4.40	7.90
松原灌区3)	19.01	8.78	18.22	2.00	0.22	-	0.87	-	10.06	10.30
引嫩改造工程4)	14.88	5.33	8.04	1.52	2.12	-	3.67	-	-	32.10
合计	53.73	21.94	27.32	4.33	3.25	0.17	9.26	1.38	18.79	54.85

注:1)据吉林省水利勘测设计研究院等《吉林省大 安 灌 区 工 程 设 计 初 步 报 告》,2007年 ,4-18; 2)据水利部松辽水利委员会《引 嫩入 白 项 目 建 议 书》,2004年,1-13 ;3)据吉林省水利勘测设计研究院等,2012年;4)据黑龙江省水利水电勘测设计研究院《黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程水资源论证报告》,2011年.
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3.2 大规模开发的综合效益

3.2.1 建设粮食基地,提升国家粮食安全
该区建设大安等四大灌区,是中国近代最大的水利工程,可增加水田21.93万hm²,旱田灌溉17.32万hm²,成为良好农田.年增产粮食18.79万t.这样,该区成为新的重大商品粮基地,对提升国家粮食安全具有重要作用^[38].
3.2.2 遏制荒漠化趋势,优化生态环境
灌区建设将使查干湖,莫莫格等天然湿地获得9.25万m³/a的稳定补水;使21.94万hm²盐碱地变为人工湿地水田;4.33万hm²灌溉草原成为草甸湿地;新建尼尔基水库面积为49 833hm²,哈达山水库面积为7 550hm²,成为大型湖泊湿地.湿地总增加面积将达到32.54万hm²,成为中国乃至世界半干旱区最大的湿地建设工程,并将发挥增湿降温效应,遏制荒漠化趋势,增加生物多样性的重大生态功能,这片世界上整体面积最大的苏打盐碱地的核心地带,将从地球上基本消失.
3.2.3 减少贫困和推动农村发展
盐碱地变良田,草场得到恢复,将带动区域农牧业经济快速发展.以古河道盐碱地试验区叉古敖村为例.这里的农民经过20年种稻治碱,已经脱贫致富,人均年收入由试验前的395元,增加到现在的4 672 元.住房实现了砖瓦化,生活水平明显提高.全村农业机械化水平由零提高到70%,成为盐碱地区农村发展的样板.松嫩平原西部灌区建设全部实现后,将带动500万农村人口像叉古敖村一样脱贫,走上小康道路.

4 大规模开发生态风险防控

4.1 防止对河湖水体造成污染

第二松花江和嫩江是该区盐渍土开发的主要水源.由于无尾水直接排入,不会受到污染.开发区影响的湖泊虽多,但作为承泄区的大湖却主要是查干湖,本文予以重点论述^[39].
查干湖属于国家自然保护区,碱性水质,因缺水约1.5亿m³/a,水位下降.大安,松原灌区将对其外围的苏打盐碱地进行大面积围垦,据作者古河道试验区数据,平均排盐量是2 179.8kg/hm².松原灌区预算内盐碱地水田开发面积5.63万hm²排盐总量达122 722.74t,湖的容积(海拔130.0m)按5.15亿m³计算,则这些可溶盐类进入湖中,可使湖的含盐量增加2.4%,达到3.4%,变成一个中度碱湖,生态系统严重退化.为了避免这一风险的发生,灌区设计中在湖外围的盐沼构建6个芦苇湿地处理系统.尾水进入处理系统后,在系统综合功能作用下,得到沉淀,降解和净化.据前郭和大安古河道试验结果,两年后尾水含盐量降低至2%以下,可适量入湖,第3年后尾水平均含盐量会在1.5%左右,可大量入湖,发挥补水效应.这样,既可以防止湖水污染,促进生态恢复,又使灌区开发可行.

4.2 防止土地次生盐渍化

4.2.1 地下水临界系数概念及选取
人们普遍担心开发会引起次生盐渍化.而对该区地下水临界值,研究者分歧较大.这首先涉及地下水临界系数概念问题.据作者调查,该平原主要为中-重壤土,地下水位埋深<1.0m时,地表强度积盐,大量生成盐土和碱土;1.0~2.0m时中强度积盐,大量生成中-重度盐化,碱化土,2.0~3.0m时中度积盐,大量生成中-轻度盐,碱化土;3.0~4.0m时弱度积盐,地表生成轻度盐,碱化土;>4.0m地表基本无盐碱.考虑轻度盐碱化在生态景观上已不明显,在生物生理上对植被无明显抑制.故本文将引起弱度积盐的地下水位中值3.5m作为盐渍化临界值,而不把4.0m作为临界值,这是较为合理的.
4.2.2 次生盐渍化的防控
依据水盐运移规律,在几个灌区的规划设计上,都将灌区水田布置在区域的最低一级地貌面古河道中.流畅的排水系统,使其成为排盐场.只要正常运转,盐分会不断降低,水田自身不存在次生盐渍化问题.这在前郭灌区和大安古河道万亩试验区,都已得到验证.
次生盐渍化风险主要来自水田开发对周围旱田的侵润和使地下水位抬升.为此,采取如下防控措施:
(1)设计上,在坚持古河道区布置水田原则下,加大毛沟深度,如大安灌区达到田面以下0.9m,确保排水流畅,地下水位不被雍高.
(2)建设截流沟.对高于水田面<3.5m的旱田,开挖深度>1.0m的截流沟(如松原灌区西侧主截流沟,上宽1.5m,深2.0m),与排水渠道连接,切断来自水田的含盐渗流向旱田侵渗,并排出区外,保护旱田不被盐渍化.
(3)外围旱田在灌区布局中一并进行排灌规划,改漫灌,沟灌为喷灌或滴灌,抑制自身盐渍化过程.水体与陆地两方面防控,就可有效地控制因水田开发而引起大面积次生盐渍化.

5 结语

历经半个多世纪的研究查明,松嫩平原苏打盐渍土是环境要素综合作用的结果,而蒸发使地表水析盐和地下水上升地表积盐是主导成因.盐类以苏打为主,类型包括盐土,碱土及相关的盐-碱化土.面积393.70万hm,现虽趋于稳定,但盐渍化过程还在持续.种稻排盐是改良苏打盐渍土的主要途径.古河道发现和试验示范为其大规模开发提供了可行性.
进入2000s,大安,引嫩江入松原等多个灌区建设,具有强化粮食基地,优化环境和发展经济的综合效益,并成为东北地区第四大水稻区,使区域盐碱地开发形成完整格局.然而,这种苏打盐碱地大规模开发存在使松花江,嫩江以及查干湖水体受到污染,以及土壤发生次生盐渍化的风险.在风险评估基础上,提出不向河湖直接排放稻田含盐碱尾水,并在查干湖外围建设湿地水处理系统的控制措施,保证查干湖的生态安全,待水质达到安全指标,再发挥向湖中补水的功能.这种湿地水处理模式的构建,在国内外尚属首次.将水田布置在古河道带等措施,可控制旱田次生盐渍化过程.
致谢:石玉林,孙鸿烈,郑度和李玉院士及王丹予先生等对课题都给予指导,原课题组王国石,易富科,张晓平等研究员,松原灌区环境评价课题组田卫,马广庆等高级工程师,松嫩低平原盐碱地调查及合理开发利用研究组王立新,张红旗,姜文来等研究员都给予大力支持,一并深致谢意.
The authors have declared that no competing interests exist.

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