环渤海缺水盐碱区既是我国重要的粮食生产基地，也是我国缺水最严重的区域。长期以来，该区农业生产一直受淡水资源短缺和土壤盐碱贫瘠等障碍因素的影响，从20世纪70年代以来，农业生产和土壤的盐碱治理主要依靠高强度的深层地下水抽取维持，长期的灌溉致使该区域形成了深层地下水漏斗区，威胁了该地区的生态安全。随着人口增长和气候变化的不断加剧，在缺水盐碱区进行淡水、非常规水资源等农田多水源高效协同利用，对解决区域粮食安全、水安全和生态安全协调发展的问题具有非常重要的战略意义，可为乡村振兴和生态文明建设提供理论依据和技术支撑。
针对环渤海缺水盐碱区淡水资源短缺限制农业生产的问题，以雨洪水、微咸水和养殖粪水等非常规水资源高效安全利用为核心，研究了以沧州为例坑塘蓄集雨水的水量水质及灌溉能力分析、微咸水灌溉下有机肥调控水盐机理与技术和养殖粪水对土壤理化性质和生态安全的评价。
针对缺水盐碱区雨洪资源利用率低问题，利用典型坑塘定位监测、地面调查取样和遥感技术相结合的方法分析沧州市1990、2000、2010和2019年等4个年份中在5月和10月的坑塘水水体面积和坑塘水水质周年的变化与空间分布特征，综合坑塘水水量水质时空变化特征和主要作物需水特征评估了典型年份研究区坑塘水的灌溉保障能力。结果表明：沧州市坑塘水体的空间分布呈东多西少的格局，坑塘水体的含盐量亦呈现东高西低的趋势；从时间分布来看，近30年来坑塘蓄水量总体呈增长趋势；降水与蒸发是影响研究区坑塘水体增长的主要驱动因子，距离渤海的远近与地形地势是影响坑塘水含盐量分布格局的主要因素；沧州市坑塘多年平均蓄水量可达6.02亿m3，典型年份坑塘水分别能保障6 807 km2的冬小麦拔节期灌溉与7 104 km2的冬灌面积。坑塘水作为潜在的农业灌溉水源对于缓解缺水盐碱区水资源短缺保障农业生产意义重大。上述研究以“河北低平原区坑塘水水量水质变化特征及影响因素”为题发表在南水北调与水利科技期刊上，硕士研究生赵长龙为第一作者，孙宏勇研究员为通讯作者。
图1 研究期间5月沧州市坑塘水体分布
针对微咸水灌溉带来盐分影响土壤和作物生长的问题，3年的水肥盐耦合田间定位试验结果表明：干旱年灌水量增加可通关增加籽粒重使产量增加15.1%；在2017-2018、2018-2019和2019-2020小麦季，有机肥处理比化肥处理分布增产15.3%、37.5%和12.3%，主要是通过增加小麦亩穗数；施用有机肥处理0-20cm土壤有机质提高20.5%，0-160cm土壤水分消耗增加68.6%，而EC和硝态氮分别降低18.3%和62.2%；利用6dS/m和8.8dS/m咸水灌溉比2dS/m水灌溉0-20cm土壤有机质降低19.4%和13.1%；通过热图分析和熵权-TOPSIS分析，最优的高产节水组合为施用有机肥条件下拔节期灌溉8.8dS/m咸水80mm。上述研究以“Did manure improve saline water irrigation threshold of winter wheat? A3-year field investigation”为题发表在Agricultural Water Management期刊上，硕士研究生苏寒为第一作者，王金涛博士为通讯作者。
图2 2017-2020年不同施肥、咸水灌溉量和咸水浓度下冬小麦产量，不同字母表示在P<0.05水平上差异显著
针对南猪北移政策下生猪养殖带来的养殖粪水对农田生态系统潜在负面影响问题，调查分析了缺水盐碱区养猪粪水灌溉不同年限对土壤理化性质、重金属和抗生素的垂直效应。结果表明：在0～20cm土层，污水灌溉小区土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量均高于地下水灌溉小区，分别增加34.9%～64.9%、40.7%～57.2%、67.6%～390.0%和35.4%～240.9%；土壤中重金属（Cr、Cd、Pb、Zn、Cu）的积累量高于对照，增加幅度为0.75%～222.6%；土壤重金属累积指数和抗生素风险商结果表明，猪场污水灌区污染程度较低；重金属在土壤中的积累与pH呈显著负相关，与土壤养分（有机质、全氮、速效磷）呈显著正相关；金霉素和土霉素与土壤养分呈正相关，而金霉素与锌呈正相关，存在复合污染现象；与对照相比，深层土壤的盐分有所增加，这可能对土壤盐渍化造成高风险；污水灌溉可以提高土壤肥力，但也可能引入重金属和抗生素。然而，短期废水再利用可用于缓解极端干旱地区的缺水问题。上述研究以“Effects of swine wastewater irrigation on soil properties and accumulation of heavy metals and antibiotics”发表在Journal of Soils and Sediments期刊上，博士研究生田柳为第一作者，孙宏勇研究员为通讯作者。
图3 重金属、四环素类抗生素（TCs）与土壤性质之间的相关性（红色表示正相关，蓝色表示负相关，椭圆面积越小，相关系数越大），*表示在p<0.05水平上统计显著性
同时研究组围绕农田多水源高效利用，在盐碱地排水沟雨水蓄集和咸水淡化利用方面申报专利2项（ZL202022778203.7；202110953042.7），并应用到环渤海缺水盐碱区农业生产之中。
针对缺水盐碱区淡水资源短缺和土壤盐碱持续限制农业生产等问题，在中科院先导专项生态草牧业、国家重点研发计划项目和河北省重点研发项目的共同支持下，研究组继续在山东东营、河北沧州等地开展坑塘雨水蓄集适水灌溉、微咸水灌溉作物提质增效、养殖粪水灌溉牧草减肥高效利用机理、技术和产品研发等方面的工作。
以上研究得到了国家重点研发计划项目（2018YFD0300504）、国家自然科学基金项目（52009130, 41907017）、中国科学院工程实验室项目（KFJ-PTXM-017）、中国科学院战略性先导项目（XDA26040102）、河北省自然科学基金项目（D2019503071）和河北省重点研发技术项目（19227309D, 21326408D, 21326411D）的资助与支持。
成果信息：
1. 赵长龙,邢英梅,董心亮,王金涛,孙宏勇.河北低平原区坑塘水水量水质变化特征及影响因素[J].南水北调与水利科技(中英文),2021,19(05):900-909. DOI:10.13476/j.cnki.nsbdqk.2021.0094.
2. Su, H., Sun, H., Dong, X., Chen, P., Zhang, X., Tian, L., Liu, X., Wang, J., 2021. Did manure improve saline water irrigation threshold of winter wheat? A 3-year field investigation. Agricultural Water Management 258, 107203. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2021.107203
3. Tian, L., Sun, H., Dong, X., Wang, J., Huang, Y., Sun, S., 2021. Effects of swine wastewater irrigation on soil properties and accumulation of heavy metals and antibiotics. Journal of Soils and Sediments. https://doi.org/10.1007/s11368-021-03106-7
4. 王金涛，董心亮，孙宏勇，一种盐碱地排水沟内集雨装置，ZL202022778203.7
5. 王金涛，董心亮，孙宏勇，一种咸水快速淡化冷凝冬季温室滴灌保温设备，202110953042.7
（撰稿人：王金涛、田柳、孙宏勇）
