长期滴灌维持干旱区作物产量稳定的机制：秋/冬季灌溉的盐分调控作用

《npj Sustainable Agriculture》：Mechanisms sustaining stable crop yields under long-term drip irrigation in arid regions

　　

滴灌（drip irrigation）在中国西北干旱区已实践三十年，但其对土壤盐渍化动态的长期影响仍存在激烈争论。滴灌虽可有效脱除作物根区盐分，但同时诱导盐分在湿润锋边缘、膜间土壤及作物行间累积，构成次生盐渍化的潜在风险。滴灌与秋/冬季灌溉（autumn/winter irrigation）的耦合实现了非生长季盐分淋洗，从而维持长期土壤健康和作物产量稳定。在水库蓄水能力有限的约束下，该集成系统使原本闲置的冬季水资源得以再利用，维持稳定的土壤水盐平衡，为全球干旱区农业可持续发展提供了有价值的启示。

干旱区农业面临水资源短缺与土壤盐渍化两大根本性制约，二者互为因果，构成棘手的“水盐悖论”，在新疆塔里木河流域尤为突出。该区域年均降水量不足100 mm，而年潜在蒸发量超过2500 mm，强烈的蒸发需求驱动土壤盐分持续向表层迁移累积，而有限的水资源又难以通过充分淋洗将盐分排出根区。滴灌技术在很大程度上缓解了这一困境。自20世纪90年代大规模引入新疆以来，截至2024年全疆滴灌面积已超过7000万亩（约467万公顷），已成为干旱区现代农业发展的标志性技术。滴灌通过地膜覆盖抑制蒸发、通过局部湿润精准供水，在作物根区建立了相对低盐的环境，为作物生长提供了有利的水盐条件。然而，长期滴灌是否引发土壤次生盐渍化仍是学术争论的焦点。质疑者认为，滴灌引入的盐分因缺乏深层淋洗而倾向于在土壤剖面中持续累积；加之滴灌入渗深度有限、蒸发集中于膜间裸露区域，盐分极易在湿润锋外围和膜间裸地逐渐累积。支持者则认为，在合理的水盐调控制度下，滴灌不会诱导次生盐渍化，甚至可实现土壤总盐量的逐年降低。争论的核心在于一个基本问题：滴灌最终是加剧盐分累积还是缓解盐渍化风险？值得注意的是，尽管西北干旱区滴灌已广泛实践数十年，农业领域并未出现因次生盐渍化导致的大面积减产。相反，新疆棉花等主要区域作物产量持续稳定并呈上升趋势。这一经验事实强烈暗示存在某种制度性或工程性调控机制，帮助维持滴灌系统固有的“盐分累积倾向”与农业生产“高产需求”之间的动态平衡。研究人员基于系统案例分析表明，秋/冬季灌溉是抑盐排盐的关键机制。这种基于秋/冬季灌溉的调控机制，在区域水资源和工程约束下将传统灌溉实践与现代滴灌技术相结合，对维持长期水盐平衡至关重要。秋/冬季灌溉不仅在非生长季实现土壤盐分的深层淋洗和有效的地下水补给，还锚定了灌区多年尺度的水盐平衡，为滴灌技术的可持续应用提供了根本保障。研究人员从滴灌条件下水盐运移的微观机制出发，剖析了长期滴灌对土壤盐渍化的双重效应，进而阐述了秋/冬季灌溉的抑盐机制，论证了其在塔里木河流域水资源工程管理约束下的必然性与有效性，最终阐明了西北干旱区长期滴灌农业能够持续保持稳产高产的深层科学逻辑。

在技术方法方面，研究人员综合运用了以下关键手段：长期田间定位监测，用于追踪连续滴灌条件下农田土壤盐分的时序动态；土壤水盐运移的原位观测与剖面采样分析，涵盖0–100 cm及60–150 cm等不同土层深度；灌区尺度的水盐平衡分析与案例系统分析；以及基于区域水文气象数据的水资源调控能力评估。研究涉及新疆塔里木河流域灌区及北疆盐渍化棉田等样本队列来源。

在研究结果方面，首先，滴灌条件下土壤水盐运移的基本格局表现为：滴灌以点源或线源形式将水直接输送至作物根区，在土壤剖面中形成以滴头为中心的椭球状湿润体，其形成过程决定了农田剖面土壤盐分的空间分布格局。新疆滴灌棉田田间观测表明，滴灌水对表层土壤产生淋盐效应，在主根区层（0–40 cm）形成明显的脱盐区，为作物早期生长创造有利的土壤微环境。然而，滴灌湿润体的空间范围固有受限，其入渗深度通常仅50–80 cm，显著浅于传统漫灌，这意味着被冲刷至湿润锋外围的盐分很少能被推入深层土壤或地下水储库，而是在湿润锋邻近区域滞留累积。同时，干旱区强烈的蒸发需求驱动土壤毛细水持续向上迁移，将溶解盐分输送至地表；在膜下滴灌系统中，尽管地膜覆盖区土壤蒸发被显著抑制，但膜间裸地和作物行间裸露空间成为水汽排放的主要通道，导致盐分在这些区域大量累积和表聚。两种过程的耦合最终形成“水盐空间交错”的高度非均质土壤盐分格局，即核心根区相对脱盐与湿润锋外围及行间裸地持续盐分富集并存。

其次，长期滴灌对盐分累积的过程与效应方面，大量长期田间监测研究表明，滴灌对土壤盐分的影响呈现显著的非线性特征，具有明显的时间阶段性和空间异质性，而非单向脱盐或盐化的简单轨迹。研究人员普遍观测到土壤盐分随滴灌年限增加呈抛物线型“先降后升”特征。在初始年份，灌溉诱导的淋洗促进表层土壤逐步脱盐；在典型田间条件下，土壤盐分在连续滴灌约前6年内总体持续下降，此后盐分累积逐渐再现且受影响面积随时间扩大。然而，这一转变的时间节点和幅度具有位点特异性，取决于初始土壤盐分水平、灌溉水质、土壤质地、地下水条件、排水能力及当地管理实践。尽管滴灌8年后0–100 cm土壤剖面的平均脱盐率可达84.89%，但在60–150 cm土壤剖面中通常可观察到相对稳定的盐分累积层。田间观测还表明，耕层土壤盐分在滴灌3年后从3.10 g kg?1降至3.00 g kg?1，但在12年后又升至4.81 g kg?1。因此，单纯依靠滴灌维持长期土壤脱盐的能力随种植年限增加而逐渐下降。驱动长期盐分累积的机制可归纳为三条路径：一是蒸发返盐，在浅埋咸水位的平原区，强烈的大气蒸发需求驱动毛细作用将盐分向上输送至行间和膜间表层土壤；二是山区河流来水在携带养分的同时淋溶山前第三系含盐地层，将外源盐分输入盆地，加之滴灌入渗深度有限，这些输入盐分 inevitably在湿润锋外围和深层亚耕层汇聚；三是有限灌溉水量分配从根本上不足以满足全剖面土壤盐分长期淋洗需求，滴灌配额按作物需水而非淋盐排盐需求设定，使多年度尺度上盐分的“净累积”几乎不可避免。

第三，长期滴灌对土壤盐分动态的双重效应方面，长期滴灌对土壤盐渍化是“福”还是“祸”不能简单一概而论。从空间角度看，作物根区内建的局部脱盐区是其主要优势（“福”），而湿润锋外围和深层的盐分汇聚是其主要弊端（“祸”），二者在滴灌盐分剖面下是同一硬币的两面。从时间角度看，初始年份的即时脱盐效果是“福”，而多年运行后的外围和深层土壤盐分累积是“祸”，暴露出盐渍化明显的滞后效应和累积效应。判断滴灌偏向有利还是有害的关键在于将技术置于特定水资源管理框架和排盐对策中考量。在具备周期性秋/冬季淋洗制度的灌区，滴灌的盐分累积效应被有效抑制；反之，在缺乏健全排水措施或水资源治理能力不足的条件下，长期滴灌极易诱导次生盐渍化。滴灌本身不能作为长期土壤盐分管理的独立解决方案，最终解决依赖于在滴灌节水优势与盐分调控系统性需求之间建立可持续的制度平衡。此外，灌溉诱导的盐分输入量还强烈取决于灌溉水质，在依赖低盐地下水的灌区，滴灌引入的溶解盐量可显著低于咸水灌溉，因此此类系统中长期土壤盐分累积可能更多受原有土壤盐分再分布和地下水介导的盐分运移控制，而非灌溉直接输入的盐分。

第四，秋/冬季灌溉的盐分平衡机制方面，秋/冬季灌溉是指在作物收获后的秋季和冬季利用河水进行大水量冲洗灌溉的实践。在新疆许多灌区，尤其是南疆，该灌溉制度传统上被称为“冬灌压盐”或“秋灌洗盐”。内蒙古河套灌区也广泛研究并应用了季节性淋盐策略，周期性春灌或秋灌结合高效排水系统可有效调控土壤盐分、提高水分利用效率并维持干旱半干旱条件下的农业生产力。地中海沿岸、美国西南部和澳大利亚墨累-达令流域等其他干旱半干旱地区也广泛采用类似的水盐管理实践。秋/冬季灌溉的抑盐机制由淋洗、水位调控和热力学抑制三个相互关联的维度驱动。第一，秋/冬季灌溉利用非生长季大水漫灌溶解滴灌季在耕层和土壤基质中累积的盐分，将其推入深层土壤剖面，随后通过明沟、地下排水管和竖井等工程设施排出灌区。研究表明冬灌对0–60 cm土层具有显著淋洗效果，有效淋盐深度约60 cm，持续优于春灌。塔里木灌区冬灌最优配额估计约为3500 m3 ha?1，推荐冬灌量可占生长季滴灌总量的约47–63%。在新疆北疆盐渍化棉田，3000–4200 m3 ha?1的冬灌配额可使0–100 cm土壤剖面总盐含量在冬灌至春耕期间降低约30.89–46.37%。第二，秋/冬季灌溉对季节性土壤水分和地下水动态具有重要调控作用。秋/冬季灌溉后的深层入渗可在非生长季暂时补给浅层地下水；随着土壤冻结推进，水分从深层土壤和浅层地下水向上再分布至冻结锋，促使地下水位季节性下降。冻结期常规排水系统效能受限，土壤解冻和水力连通恢复后，排水设施对排出活化盐分和调控浅层地下水至关重要，从而降低后续返盐风险。田间观测表明，在灌排一体化管理下，冬灌结合功能性排水路径可显著清除0–60 cm土层盐分，次年春季棉花出苗率和早期幼苗生长远优于无冬灌处理。单纯依靠灌溉无法彻底解决土壤盐分“出路”问题，必须与排水耦合，构建“滴灌节水+冬灌压盐+工程排盐”的完整体系。第三，西北干旱区冬季极端低温使土壤经历剧烈冻融循环，对溶质运移产生独特影响。冬灌后，土壤冻结期和消融期的起始时间均延迟，冻融循环总duration缩短，有效减少了冻结过程中深层土壤水分和地下水向上迁移的毛细通道，从而有力抑制冻融期表层土壤盐分累积。换言之，秋/冬季灌溉不仅通过简单水力淋洗排出盐分，还改变土壤热力学状态，削弱冬春转换期驱动盐分上行的动力。这种耦合的物理-水力效应构成秋/冬季灌溉区别于一般灌溉实践的核心优势，确保盐分不仅被大水量通量推入剖面深层，还通过灌排协同被系统性排出，锚定多年尺度的水盐平衡。

第五，干旱区水资源约束与秋/冬季灌溉的选择逻辑方面，秋/冬季灌溉之所以成为维持西北干旱区滴灌长期可行性不可或缺的补充实践，与塔里木河流域独特的水资源禀赋和水力工程条件密切相关。塔里木河流域是典型的干旱内陆河水系，水源主要依赖天山、昆仑山和喀喇昆仑山冰川融水、中山区降水及基岩裂隙水。夏季农业用水停止后，秋冬季河道中仍有稳定基流。同时，流域水库调蓄能力严重受限。例如南疆拥有各类水库187座，其中平原水库143座，占总数的76.72%，总可供水资源调控能力不足流域年径流量的16%。水库稀疏及其有限蓄水能力导致季节性水资源调控严重不足。作物需水高峰期（春夏）灌区可灌溉水资源相对紧张；秋冬季河道剩余基流若不利用则直接排入下游干涸河道，沿途蒸发渗漏，造成水资源重大浪费。因此，充分利用秋冬季山区基流和富余河水实施田间压盐，既避免水资源浪费，又同时实现“水资源利用”与“土壤盐分管理”的双重目标。该策略的深层水文地质意义在于，秋/冬季灌溉的大量入渗不仅淋洗土壤溶质，还补给当地含水层，以“地下水银行”方式弥补水库不足，为地下水储库提供宝贵补给。在极端干旱区，地下水是极其重要的战略性水资源储备。秋/冬季灌溉的地下水补给功能一方面提升灌区水安全阈值，另一方面为干旱区缺水春季“干播湿出”奠定基础条件。

第六，秋/冬季灌溉与滴灌的协同效应方面，滴灌与秋/冬季灌溉的结合塑造了干旱区灌溉系统中最具特色的“两阶段调控范式”，代表生长季节水滴灌与非生长季淋盐灌溉之间的协同耦合。时间上，二者功能互补：生长季以滴灌为主，节水控盐，维持作物根区相对低盐微环境，保障作物发育阶段关键的水分和溶质供给；非生长季以秋/冬季灌溉为主，通过大水水力冲洗和冻融热力学调控，将前一生长季累积的盐分排出根区，重置土壤水盐状态，为下一滴灌周期建立低盐基线。空间上，滴灌针对局部“点”或“线”脱盐，脱盐区严格限制在滴头正下方和覆膜根区内，深层剖面和膜间区域盐分基本未被触及；秋/冬季灌溉则实现全田“面”尺度的综合盐分调控。该策略在保障滴灌功能的同时有效利用基流，优化了有限水资源的综合效益，提供了连接水资源管理与农业水盐调控的示范性范式。

在讨论部分，研究人员提出以下核心观点。第一，灌排协同是滴灌可持续性的核心。水盐平衡的关键从来不是“灌了多少水”，而是“排了多少盐”。滴灌成功解决了节水难题，但并未内在地解决排水排盐困境。秋/冬季灌溉不可或缺，因为它为有效排水排盐创造了必要条件。其大水量冲洗为土壤溶质提供了明确的水文出口，随后通过明沟、地下排水管和竖井等工程排水网络彻底排出灌区。这一动态体现了“灌排一体化调控”的真正科学内涵。第二，富余冬季水资源的高效利用与盐分风险控制。南疆塔里木河流域水库蓄水能力有限造成的严格水资源约束，强化了对秋/冬季灌溉的制度性依赖，由此形成了“冬灌压盐+滴灌节水”的本地化水盐调控模式。该模式最大化利用秋冬季河道基流资源，在优化水资源利用效率的同时缓解水盐盐渍化风险，增强了该混合灌溉方案适应独特干旱水文环境的科学性和可持续性。第三，长期滴灌可持续性取决于排盐机制。西北干旱区滴灌实践的持续成效强烈依赖于有效的周期性淋盐和排盐机制的存在，其中秋/冬季灌溉发挥着尤为重要的作用。在缺乏此类周期性淋洗或淋洗不足的灌区，慢性盐分累积风险可能随时间逐渐增大。长期连续滴灌后盐分回升的田间观测进一步凸显了这一潜在风险。因此，长期滴灌的可持续性不仅取决于生长季的节水效率，还取决于有效的补充性盐分管理措施。

研究结论部分翻译如下：滴灌技术已在西北干旱区大规模应用近30年，是缺水区实现高效集约化农业生产的关键支柱。秋/冬季灌溉打破了长期滴灌下盐分逐年累积和慢性累积的潜在风险。通过主动淋洗和压盐，有效抑制根区盐分富集和土壤盐渍化，维持农业土壤环境稳定。换言之，生长季节水滴灌与非生长季压盐漫灌的结构性耦合已成为干旱区滴灌系统长期可行性的核心保障，是维持该区域农业稳产高产的关键决定因素。展望未来，随着滴灌技术在干旱农业区持续推广，以下研究前沿值得优先关注：秋/冬季灌溉配额优化与效能-水量权衡，未来研究应系统量化如何在异质土壤条件下最小化灌溉水量同时最大化淋盐效率；灌排一体化系统的智能化升级，未来研究应进一步整合实时水盐监测与智能灌排决策支持系统，实现生长季灌溉、非生长季淋盐和排水操作的自适应调控；跨国比较框架与全球知识转移，未来比较研究应评估该集成框架在不同气候、水文和社会经济条件下的适应性和可转移性，为全球旱区可持续灌溉农业提供可推广的解决方案。