高效节水灌溉对生态环境影响的研究进展

摘 要：通过查阅国内外文献，分析了高效节水灌溉条件下生态环境的响应，探讨了节水灌溉对生态环境影响的方式、特点和评价，将高效节水灌溉对生态环境影响划分为对农田小气候，地表地下水文循环及土壤盐渍化，土壤理化性质以及植被和生物多样性的影响四个方面， 高效节水灌溉对生态环境既能产生积极效应又能产生消极效应。目前研究中存在的主要问题有：高效节水灌溉对大尺度生态环境影响的机理研究鲜见；高效节水灌溉对生态环境影响缺乏长系列观测和评价体系不成熟等。 建立生态环境观测数据共享平台、评估高效节水灌溉技术产生的生态经济价值和建立高效节水灌溉对生态环境影响的科学评价体系是今后研究的方向和发展趋势。

关键词：节水灌溉；生态环境；综述 

高效节水灌溉技术能有效提高水资源利用率，缓解区域水资源矛盾。 黄河中上游及西北内陆河地区属于干旱区，水资源供需矛盾最突出，人均水资源量仅是全国平均的 68%， 地均水资源仅为 27%。

因此在西北地区实施高效节水灌溉技术非常重要。近年来， 随着生态文明建设上升到国家战略和保护生态环境意识逐步增强， 高效节水灌溉技术所带来的影响研究也从经济和节水效益向生态效益研究转移。 高效节水灌溉技术改变了原有的水循环规律和生产方式，从而改变了原有的生态环境，如土壤理化性质、地下水埋深和生物多样性等。 因此，研究高效节水灌溉对生态环境的影响对于农业现代化、 灌区生态化乃至山水林田湖草系统治理具有重要的意义。 目前高效节水灌溉技术对生态环境的影响， 主要通过观测高效节水灌溉后生态环境的响应和评估生态环境质量来研究。 本文对节水灌溉产生的生态环境效应研究现状进行归纳综述， 以期为旱区高效节水灌溉技术发展与推广及旱区农业现代生态化建设提供建议和思考。

1 高效节水灌溉对生态环境的影响

高效节水灌溉是通过高效节水灌溉设备和采用节水灌溉制度对农田进行灌溉， 以达到节水目标的灌溉方式。但在这种技术的干预下，改变了原有的作物需水规律、土壤含水量和地表地下水循环规律，打破了原有的生态过程，影响了自然环境。高效节水灌溉条件下产生的生态环境效应受到国内外学者的广泛关注。

高效节水灌溉通过灌水方式和工程建设措施，改变了原有的水循环的规律，影响原有土壤水入渗的物理过程、作物株间蒸腾和地下水的补排方式等，对生态环境产生直接影响。 高效节水灌溉也可以对生态环境产生间接影响。 利用高效节水灌溉达到节水和提质增效的效果， 促进了区域农业的快速发展； 同时高效节水灌溉的大面积推广和农业快速的发展也会影响生态环境。已有研究表明，高效节水灌溉可以推动流域绿洲化进程， 提高绿洲稳定性。 但在流域尺度上，节水技术的大面积实施，带动了农业的发展，也促进了工业的发展。 例如：玛纳斯河流域节水技术实施后，流域中上游用水增加，导致下游水资源减少，影响下游植被的生态需水量，流域下游荒漠化加剧，流域草地面积减少了 11%。

1.1 高效节水灌溉对气候的影响

高效节水灌溉后农田的气温、降水、雾和湿度均发生改变，主要是因为高效节水灌溉技术对土壤温室气体排放和蒸发量产生影响而导致。 由于温室气体排放导致全球气候变暖， 而农业是人为温室气体的主要排放源，因此农业温室气体排放对环境的影响愈显重要。国外学者研究发现，高效节水灌溉条件下农田中 CH4、CO2 和 N2O 排放量均减少。

刘杰云等在旱作农田进行滴灌，黑瑞、田军仓等对水稻实施膜下滴灌，结果表明，高效节水灌溉技术条件下旱田和水田温室气体排放量均减少。 但 S. Zhou等对水稻采用干湿交替（AWD）的节水灌溉方式时发现，稻田 N2O 排放量是常规灌溉的 2.4 倍。 刘海军等通过对比喷灌和地面灌溉发现，在喷灌条件下，距离地表 1 m 高度处的水汽压比地面灌溉水汽压高 1.42 hPa。 因此也可以看出高效节水灌溉既可以增加温室气体排放也可以减少排放， 而出现这种不同情况的机理值得深究。

1.2 高效节水灌溉对地表地下水文循环及土壤盐渍化的影响

高效节水灌溉通过减少灌溉回渗量和减少地下水的开采（高效节水灌溉面积大范围扩张的情况下也会增加农业用水）来影响地下水平衡，打破了原有的地表地下水文循环规律。 代锋刚通过在泾惠渠灌区研究发现， 节水措施导致地下水的开采量和补给量减少 33.4%和 16.9%。 L. N. Mi 等[对银川绿洲研究发现：高效节水灌溉工程实施后，绿洲在灌溉期平均地下水埋深由 2000 年的 0.98 m 增加到 2017年的 2.01 m，2017 年的地下水补给量比 2000 年下降了 36.3%， 主要是由于地下水补给来源中的灌溉回渗量减少；同时也发现绿洲地下水咸水面积减少。

玛纳斯河流域实施膜下滴灌 15 年后，流域重度盐渍化面积减少 71%。 可以看出，当地下水水位较浅且蒸发强烈的地区，土壤发生盐渍化的风险较大，因此可以通过高效节水灌溉技术，使灌区地下水位下降。

但 Q. L. Hu 等研究发现，当灌溉回渗系数小于 0.25，则不利于灌区的可持续发展； 主要原因是当灌溉回渗系数较小时，灌溉回渗水质的盐浓度增加，下游地区水质退化。 杨广等采用 Visual-MODFLOW 4.2软件，模拟了普通灌溉、常规节水灌溉和高效节水灌溉三种方式对流域水循环过程的影响，研究发现：常规节水灌溉与普通灌溉相比， 流域地下水补给量减少 1.9 亿 m3；高效节水灌溉和常规节水灌溉相比，地下水补给减少 0.07 亿 m3。 Z. H. Zhao 等研究发现，高效节水灌溉能有效地减少多环芳烃在地下水中的浸出量，明显降低土壤生态环境风险（55%～73%）。

因此可以看出高效节水灌溉可以通过控制和调节地表地下水文循环，减轻土壤盐渍化，降低土壤生态环境风险； 但是过度节水导致灌区回渗量减少到一定阈值，也会影响下游水生态环境，不利于可持续发展。

1.3 高效节水灌溉对土壤理化性质的影响

通过防渗、再生水、膜下滴灌和特殊的节水灌溉技术能够对土壤的理化性质产生影响。 梁菊蓉研究了不同节水灌溉技术对土壤理化性质的影响，结果表明， 滴灌条件下土壤的 pH 值和速效钾的质量比，相比于沟灌条件下高 0.33 和 5.74 mg/kg。S. Stuerz等研究发现，高效节水灌溉条件会使稻田土壤温度和冠层分生组织温度分别降低 1.1 ℃和 1.6 ℃，这些因素会对水稻产量造成负面影响。D. Zalacáin 等通过对马德里的两个城市公园进行中水和饮用水灌溉对比， 研究发现中水灌溉会提高土壤微团聚体的稳定性，土壤抗渗透能力提高，渗透速率下降。 L. G.Raeisi 等研究发现，实施节水灌溉技术后能节水12%，但也会导致 94%的盐分累积。 韩洋等研究发现， 使用再生水灌溉后的土壤中有机质量、 总氮量、总磷量和电导率明显提高，而土壤 pH 值略微减少。  因此说明高效节水灌溉不仅会提升土壤有机质含量， 还具有保热保墒的作用，但也会产生负面影响，例如会导致土壤盐分积累，减低水稻冠层分生组织温度导致作物产量降低。

2 目前存在的问题

目前诸多学者对高效节水灌溉条件下生态环境响应及评价都做了深入的研究，取得了很多成果，具有一定的理论基础和指导意义， 但高效节水灌溉对生态环境影响的研究工作还需加强。 具体主要表现在以下几个方面：（1）高效节水灌溉工程建设时，缺乏以水定需的发展理念， 当地水资源分布情况是否适合工程建成后的农业生产力的研究较少。 文献中，高效节水灌溉工程大面积推广后，农业过度发展，流域用水量加大，下游水资源减少，导致流域生态环境恶化。 由于缺乏以水定需理念，未使农业真正达到节水化，导致高效节水灌溉技术推广对生态环境产生消极的效应。

（2）关于高效节水灌溉对区域大尺度生态环境影响机理的研究较缺乏， 区域大尺度定量研究方面缺乏持续观测。 关于节水灌溉对生态环境的影响主要研究的都是生态环境的某一方面， 缺乏对整个区域生态环境（水循环、土壤、气候和生物多样性等）系统性的研究。

（3）关于节水灌溉对生态环境影响的研究主要集中于一个试验周期的环境影响变化， 但对于节水工程建设后多年的生态环境变化的跟踪研究较少，有些节水设施因系统效益差而使用过一段时间就废弃了，这些情况都缺乏跟踪研究。

（4）关于节水灌溉对生态环境影响的评价研究不够完善。 学者们对节水灌溉带来的节水效益和经济效益研究较多， 但对节水灌溉生态环境效益研究较少，没有一个纲领性的规范，导致指标的选取存在主观性，没有一套成熟的评价体系。

3 发展趋势

随着生态文明建设的推进， 生态环境的健康和节水工程建设开发协同发展愈显重要。 因此， 未来的研究前景具有以下几个方面：

（1）高效节水灌溉既可以产生积极的生态影响，也可以产生消极的影响。 如何让高效节水灌溉技术推广与实施具有积极影响，减少或避免消极影响尚待研究。

（2）利用大数据建立数据共享平台，持续观测高效节水灌溉条件下生态环境的变化， 为区域大尺度上研究高效节水灌溉对生态环境的影响整合资源，提供数据基础。

（3）未来在对高效节水灌溉产生的效益评估时，应该计算高效节水灌溉前后生态系统服务价值的改变， 定量地反映出高效节水灌溉带来的生态效益和提质降本增效的效果。

（4）科学地建立高效节水灌溉对生态环境评价的指标体系。 评价指标体系应具有多目标性， 采用综合分析方法评价高效节水灌溉对生态环境的影响，评价指标选取时应着重注意针对性和可操作性。 此外还应该考虑评价区域气候变化特点、下垫面因素、社会经济条件等，建立评价体系。目前的评价方法均有缺点，也没有统一的评价指标，随着计算机和数学领域的发展， 具有可移植性的数学理论模型也是今后的研究重点。

4 结语

综上所述， 国内外关于高效节水灌溉对生态环境影响的研究： 一方面针对高效节水灌溉后各个生态环境指标发生改变， 例如高效节水灌溉会导致温室气体排放量的改变、不同尺度水循环过程的改变、土壤理化性质改变等。 这种研究方法能更好地剖析高效节水灌溉对生态环境影响的机理， 但生态环境是复杂的系统，这种方法仅能局部、有限地反映高效节水灌溉条件下的生态环境状况。 另一方面是针对高效节水灌溉前后生态环境变化情况， 通过选取评价指标，采用评价方法定量地评估生态环境状况。这种研究方法能全面、 综合地反映高效节水灌溉条件下生态环境变化情况， 但是在指标的选取和评价方法的选择中， 目前国内外针对高效节水灌溉对生态环境影响的评价没有一套成熟的评价体系， 指标选取存在主观性，评价方法存在不合理的问题。高效节水灌溉对生态环境影响的评价方法、大尺度上分析、长期观测、可移植的数学理论模型，以及高效节水灌溉技术推广与生态环境健康协同发展是今后研究的重点方向。

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