一、前言

暗管排水技术是我国盐碱地改良、涝渍区排水、南方稻田养分管理的重要技术之一。21 世纪前 20年暗管排水技术蓬勃发展, 综述其发展历史和现状有助于读者全面、系统地了解该项技术, 掌握其未来的发展方向。基于 CNKI、万方、维普、百度学术和 Elsevier 数据库及国家自然科学基金委网站、百度搜索等平台, 采用数据统计分析方法对暗管排水技术发展动态、用途变化、应用的空间分布、应用面积和服务对象等进行分析。研究发现, 近 50 年来我国暗管排水发展主要分为初步探索期(1976—1998 年)、渐进发展期(1999—2008年)与蓬勃发展期(2009—2020 年); 江苏和山东为暗管排水技术研究的热门研究省份; 水稻、小麦、玉米、棉花是我国暗管排水技术主要的服务对象; 暗管排水技术正在盐碱地改良领域快速发展, 主要以淋洗土壤盐分为主。水盐调控技术一体化以及暗管生态修复将是未来暗管排水发展的重要方向。随着暗管、滤料等材料的更新和暗管施工机械智能化铺设效率的提高, 暗管排水技术的应用领域将更加广泛。

暗管排水技术是将具有渗水功能的管道埋置于地下适当位置, 用于控制地下水位、调节土壤水分、改善土壤理化性状, 从而达到促进农业生产和生态保护的一项技术措施。田间排涝是暗管排水技术最主要的用途, 也是解决低洼地区涝害的主要手段之一[2]。暗管排水技术也可以用于排水排盐, 根据“盐随水来, 盐随水去”的原理, 当土壤中水分达到田间最大持水量时, 土壤水从管壁渗水微孔渗入暗管中, 溶解在水中的盐分随水排出土体, 从而降低土壤盐含量, 达到治理盐碱地的目的。暗管在使用的过程中, 也存在淋失土壤养分尤其是氮素的情况, 并且受到土壤质地的限制。

二、我国暗管排水技术研究重点演变分析

我国是一个农业大国, 农业发展历史悠久, 为了避免农作物受到旱、涝、盐碱等危害, 灌溉排水事业随之发展起来。早期在河南省济源县用 3片瓦拼合而成的合瓦管进行排水。随后河南省堰师县将陶土管埋置地下, 用来代替地面沟渠排水, 并取得了较好的效果。1961 年, 江苏省昆山县农田水利试验站科技人员利用瓦管和灰土管开展了暗管排水治渍害的研究, 拉开了我国近代暗管科技研究的序幕。1966 年, 河南省温县将混凝土管道试铺在地下代替明渠且获得成功。20 世纪 70 年代到21 世纪 20 年代是我国暗管排水技术发展的重要时期, 也是技术更迭最快, 发展最迅猛的时期。通过对文献的分析, 可将近 50 年(1976—2020 年)我国暗管排水技术发展分为 3 个阶段: 第 1 个阶段初步探索期(1976—1998 年), 在 1989 年左右呈现第 1 阶段的高峰时期。第 2 阶段渐进发展期(1999—2008 年), 研究的活跃期在 2000 年前后。第 3 阶段蓬勃发展期(2009—2020 年), 这一阶段暗管的研究呈现出爆发增长的态势。

第 1 阶段主要以暗管材料、滤料的研究示范为主。早期多使用泥土管、瓦管进行排水，也有用楠竹、芦苇、沙子作为排水通道使用。周安增等在黑龙江三江平原分别利用稻壳、草把和沙子建成地下水通道代替水泥管进行试验, 研究发现稻壳暗管排水效果最好, 其次是草把暗管, 最差的是沙子暗管。但这些材料在使用期间容易松动淤堵,费时费力成本偏高, 应用面积小。1978 年初, 中国科学院率先利用塑料暗管进行排水, 并在上海各县开展试验, 取得较好效果。20 世纪 80 年代, PVC材质波纹暗管开始批量上市, 暗管排水技术的应用面积大幅提高。林起研究了塑料波纹暗管排水的优点与相关工程技术, 研究发现利用波纹管排水能稳定控制地下水位, 从而防止土壤次生盐渍化, 增加产量, 还能减少对耕地的占用, 免除人工挖沟清淤的繁重劳动, 大大减少农田基建投资, 有利于田间农事的机械化耕作。

第 2 阶段暗管的管材和埋设技术趋于成熟, 暗管排水技术的研究重点转入应用研究, 并在全国各地多处开展应用试验。邵孝侯等在长江中下游低洼圩区研究了如何优化排水暗管的埋深和间距, 以低成本为目标建立相关的数学模型, 通过试验得出暗管埋深在 0.9~1.1 m 的范围内较佳, 最优间距由土质决定, 其中黏土为 10 m, 壤土为 18 m。张瑜芳等在淹灌稻田研究了暗管排水中氮素流失情况, 发现氮素流失与施肥量、肥料类型以及排水条件有关, 施肥量大会导致氮素流失量增加, 碳铵易挥发也会造成大量损失, 较大的排水量也会增加氮素的流失, 为了减少水稻田暗管中氮素的流失, 提出应该科学施肥, 合理排水。

第 3 阶段国产化大型铺管机械的研制和暗管材料的低成本推广促进了我国暗管排水技术的迅猛发展。“十二五”期间, 国家科技支撑计划项目加快了我国暗管铺设设备的研发和关键部件国产化, 大大提高了暗管铺设效率, 降低了暗管技术的应用成本。我国高密度聚乙烯等材料的波纹渗水管开始大范围应用, 促使暗管由单纯排水向排水排盐和水盐调控研究转变。于淑会等在河北滨海平原进行了试验, 研究了暗管排水排盐改良盐碱地的机理以及作物品质和产量对暗管排水的响应, 指出淡水淋盐是暗管排水改良盐碱地的关键点, 合理的灌溉制度配合暗管埋设可以有效降低地下水位, 增强淋洗盐分, 使玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)、棉花(Gossypium spp.)增产, 并能提高使用区域生态系统服务功能。张展羽等利用 DRAINMOD-S 模型对滨海盐碱地暗管排水脱盐进行了模拟, 在盐碱地改良过程中, 可作为有效工具应用于暗管排水工程设计和管理。在天津滨海新区进行的暗管试验[27-36], 研究了暗管排水改良绿化技术, 发现暗管排水能够有效地排除土壤盐分, 通过 40 d 的改良, 在乔木栽植带间, 0~60 cm 和 0~100 cm 土层土壤脱盐率分别为 88.5%和 72.9%, 土壤盐分达到了一般乔木可承受范围。

三、 近 50 年我国暗管排水技术服务对象的演变分析

近 50 年来利用暗管排水(排盐)辅助作(植)物生长的研究中, 有具体名目的作(植)物共计出现 51 种。在20 世纪 70 年代, 水稻(Oryza sativa)、小麦等作物为主要的暗管排水技术服务对象。而 80—90 年代, 水稻、小麦、棉花和玉米成为了暗管排水技术的服务对象。进入 21 世纪以来, 水稻田的暗管排水研究热度有所下降, 而棉花和玉米的暗管排水研究呈上升趋势。随着我国对粮食需求的不断增加, 耕地面积的不断减少以及对盐碱地资源高效利用的不断深入, 通过暗管排水排盐技术改良盐碱地生产粮食的需求不断加大, 未来暗管排水技术的服务对象可能会以小麦、玉米、谷子(Setaria italica)等粮食作物为主。