Optimizing Subsurface Pipe Layout to Boost Crop Coverage: A Leaching Efficiency - Driven Approach for Saline Soil Reclamation

《Agricultural Water Management》：Optimizing subsurface pipe layout by considering leaching efficiency of major salt ions to improve crop coverage using HYDRUS-2D

在干旱和半干旱地区，土壤盐渍化威胁灌溉农业可持续性。研究人员开展 “通过考虑主要盐离子淋溶效率优化地下管道布局以提高作物覆盖率” 的研究。结果表明优化布局可提升脱盐和作物覆盖率。这为盐碱地治理提供科学依据，助力农业可持续发展。

　　在广袤的干旱和半干旱地区，土壤盐渍化就像一场无声的 “灾难”，严重威胁着灌溉农业的可持续发展。在中国新疆，这片拥有丰富土地和太阳能资源的重要粮食、棉花产区，却饱受水资源短缺和土壤盐渍化的双重困扰。盐碱地面积广阔，占中国盐碱土总面积的 22%，长期的盐渍化问题极大地限制了农业生产力，还对生态保护构成了重大挑战。

以往，研究大多聚焦于土壤总盐含量，却忽略了土壤特定离子组成对作物生长的直接影响。这一知识空白使得当前排水设计在减轻有毒离子（如钠离子（Na?）和氯离子（Cl?））积累方面效果不佳，而这些离子对作物生产力危害极大。同时，高盐环境严重影响作物覆盖率，抑制植物生长、减少地上生物量和叶面积，进而降低植被覆盖率。因此，探究盐分和单个离子的具体影响及缓解策略，对提高盐渍化地区农业生产力至关重要。

为了解决这些问题，来自相关研究机构的研究人员开展了 “通过考虑主要盐离子淋溶效率优化地下管道布局以提高作物覆盖率” 的研究。研究成果发表在《Agricultural Water Management》上。该研究意义重大，为盐碱地治理提供了科学依据，有助于优化排水系统设计，提升农业在盐渍环境中的适应能力，推动可持续农业发展。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 遥感与实地观测结合：利用 Sentinel - 2 卫星影像获取研究区域数据，结合实地调查实验，分析土壤盐分和作物生长状况。
2. 实验室模拟实验：搭建实验室地下管道排水实验装置，模拟不同条件下的排水过程，监测土壤离子变化。
3. 数值模型模拟：运用 HYDRUS - 2D 软件，模拟水、盐和离子在土壤中的运移，通过实验数据校准和验证模型。

研究结果如下：

1. 离子分布变化：安装地下管道前，0 - 100cm 土壤剖面中，Na?、Ca2?和 Mg2?是主要阳离子，Cl?和 SO?2?是主要阴离子。安装后，离子含量、分布和比例均发生显著变化，如 Na?、Cl?含量减少，SO?2?在 40 - 80cm 土层积累。
2. 离子排放过程：在两次淋溶实验中，SPD 中总盐浓度先升后降，K?、Na?、Mg2?和 Cl?变化趋势与之相似，Ca2?、HCO??和 SO?2?则有所不同。排水水中阳离子浓度顺序为 Na?>Mg2?>Ca2?>K?，阴离子为 Cl?>SO?2?>HCO??。
3. 对作物生长的影响：SPD 显著改善作物覆盖，不同埋深效果不同，1.4m 和 1.8m 埋深效果最佳。离子脱盐率对不同覆盖水平区域作物生长影响各异，低覆盖区域主要受 Mg2?和 HCO??影响，高覆盖区域 Mg2?过量淋洗可能有害。
4. 模型校准与验证：HYDRUS - 2D 的 UnsatChem 模型在模拟累积排水体积和离子排放方面准确性较高，虽部分离子模拟存在误差，但整体趋势与观测值相符。
5. 不同布局的效果：考虑主要离子的工程设计在提高作物覆盖率方面比仅考虑总盐更有效，尤其是在低覆盖区域。不同覆盖水平区域有不同的最优地下排水布局和淋洗策略。

研究结论和讨论部分强调，SPD 显著降低土壤盐含量，改变离子分布，但也可能导致深层土壤盐分积累。UnsatChem 模型能有效模拟水和离子运移，但对部分离子模拟存在误差。优化 SPD 布局可提高作物覆盖率，但要注意养分淋失问题。这些研究成果为盐碱地管理提供了科学指导和实践思路，有助于推动农业可持续发展。未来还需长期监测 SPD 的效果，以验证这些策略在不同环境条件和种植系统中的有效性 。