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淡水和土地是人类赖以生存的最基本自然资源。目前,我国淡水资源短缺和耕地资源减少现状十分严峻,作为最重要经济中心之一的环渤海地区面临着同样的巨大压力。从水资源方面看,渤海海冰资源的一系列科研成果为淡水短缺问题增添了新的解决途径;从耕地资源看,随着农业耕地减少和快速城镇化用地之间矛盾的日益突出,大面积闲置重盐碱荒地的改良将为该地区发展提供更大的空间;利用台田浅池模式改造盐碱地,不但可实现水土分治,增加耕地资源量,同时也可以改善环境、为实现高效、生态农业奠定基础。因此,在新型海冰水资源利用条件下的台田浅池系统研究,掌握其水盐迁移规律及其对盐碱地农业发展的影响具有重要的应用价值。本文选择位于环渤海中东部的河北省黄骅作为研究区,分析了台池系统的结构和功能,完善了台池系统理论。基于田间实验和数值分析的方法方面详细分析了海冰水利用下的台池系统水盐运移机理。根据区域气候特点分析了早、涝灾害分布规律,进而给出了适应研究区域海冰水利用下的台田作物种植策略;最后,从台田浅池间物质循环的角度提出了油葵油饼饲料转化、咸性淤泥降盐利用方案等,初步构建了“双季油葵-罗非鱼”台田浅池生态农业利用模式等。取得主要结果如下:
⑴分析了台池系统的结构和功能,其中台池系统结构分为景观结构、微观结构、生物结构;台池系统的功能分为减灾功能、生态功能和文化功能;台池系统演变进程划分为生产、高效、生态和循环经济四个阶段,明确了台池农业的发展方向和发展阶段。总体上完善了盐碱地台池系统理论,为滨海盐碱地台池生态农业发展奠定了理论基础。
⑵基于SPAC理论分析了台池系统的水循环过程,结合HYDRUS2D数值分析优势,系统分析了台池系统水盐迁移规律,其中对台田无灌溉、台田海冰水灌溉和盐荒地水盐动态进行了模拟,并进行了可靠性验证和精度验证,为台池系统水盐动态研究提供了方法和数值化分析工具。
⑶利用HYDRUS2D模型对台田海冰水灌溉时期、灌溉频次、灌溉量进行了分析。灌溉期情景模拟表明:在雨季到来之前,海冰水灌溉期越晚对于土壤耕层积盐风险越小。灌溉频次情景模拟表明:在135-195d期间土壤耕作层含盐量随着海冰水灌溉次数的增加而呈现阶梯式增加的趋势。不同灌溉频次烦人灌溉期组合方式也是影响耕层盐分增加的主要因素。灌溉晕情景模拟表明:灌溉量小于1200 m3/hm2时,135-195d期间的台田耕层盐分随着灌溉量的增加而增加:当海冰水灌溉量大于等于1200 m3/hm2时,0-30cm耕层含盐量达到最大,当灌溉量为1800 m3/hm2时可使1m土体整体降盐。
⑷田间实验分析得到了台田降盐稳定作用,根本上打破了旱盐碱、涝盐碱的串发现象。不同地区台田降盐实验分析表明:黄骅淤泥质台田由于土质粘重,有限的降水不能有效将盐分快速淋溶,但总体表现稳定,雨养条件下,耕层含盐量仍然能稳定在3g/kg左右。不同高度台田降盐实验分析表明:台田高度2m的台田耕层土壤含盐量季节性变化小,为海冰水利用提供了稳定的利用平台;夏季降水对台田土体降盐和保障土壤安全起到决定性作用。台田海冰水灌溉实验表明:从土壤盐分的运移规律看,5-6月使用海冰水会增加土壤耕层积盐的风险;7-8月台田耕作层的排盐贡献率达138.9%,而其排盐的决定因素是雨季降水。
⑸结合不同干旱等级情景下的土壤盐分动态,根据农业种植业风险管理经验,提出了轻早年海冰水利用下台田作物种植的适应性策略。在海冰水利用下,轻旱年作物种植策略可以保证年际间台田耕层土壤安全的同时,还可使台田种植获得较大收益。
⑹基于台池系统理论,初步构建了“双季油葵-罗非鱼”种植养殖经营模式,形成了一种“油葵油饼-鱼饲料-罗非鱼-塘泥还田-油葵增产”的农业循环生产链,并获得了一定的生产、生态效益。
⑺研究了环渤海盐碱地区海冰水利用的台池系统理论、机理及利用模式,其中完善了台池系统理论、引入了数值分析模型,初步得出了关于海冰水利用及盐碱地台池生态农业构建的关键技术及结论,为环渤海地区水土资源高效利用和盐碱地生态农业发展等提供了借鉴。