田富強(qiáng)，溫 潔，胡宏昌，倪廣恒

（清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

我國(guó)西北干旱區(qū)面積約占國(guó)土面積的24.5%［1］，但水資源總量?jī)H占全國(guó)的5.8%，人均和地均水資源占有量分別為全國(guó)平均水平的68%和27%［2］，水資源短缺問(wèn)題突出。在此背景下，以滴灌為代表的節(jié)水灌溉技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其中膜下滴灌技術(shù)在新疆大面積推廣，已日臻成熟。另外，干旱區(qū)因降水少、蒸發(fā)量大，大部分淺層潛水的礦化度高，咸水和微咸水儲(chǔ)量大［3］。在淡水資源匱乏的條件下，開(kāi)發(fā)利用礦化度較高的咸水和微咸水，將其作為農(nóng)業(yè)和生態(tài)灌溉的補(bǔ)充水源，也是解決干旱區(qū)水資源短缺問(wèn)題的重要舉措。滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用，提高了水肥利用效率，也改變了農(nóng)田水鹽運(yùn)移模式。一方面，地下水位下降，土壤水與地下水之間的聯(lián)系減弱，減少了潛水蒸發(fā)帶來(lái)的鹽分，使得“自下而上”型鹽堿化減輕；另一方面，由于缺乏洗鹽水量，導(dǎo)致積累在土壤表層的鹽分不能及時(shí)淋洗入深層，出現(xiàn)“自上而下”型土壤鹽堿化的新風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)采用咸水和微咸水灌溉時(shí)問(wèn)題更為突出，因此需要在對(duì)土壤水鹽和作物響應(yīng)規(guī)律深入研究基礎(chǔ)上提出科學(xué)的應(yīng)對(duì)方案。本文對(duì)上述條件下的土壤水鹽運(yùn)移、作物水鹽響應(yīng)、水鹽綜合調(diào)控等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題進(jìn)行展望，以期對(duì)滴灌技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 滴灌條件下農(nóng)田水鹽運(yùn)移規(guī)律研究

1.1 滴灌條件下土壤水鹽分布特點(diǎn)與漫灌和溝灌相比，滴灌是最節(jié)水且局部壓鹽效果較好的灌水方式。比較溝灌和滴灌水鹽分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)溝灌形成近似U型的土壤濕潤(rùn)區(qū)，溝頂部分在返鹽的作用下形成積鹽；滴灌則形成近倒圓錐型的土壤濕潤(rùn)區(qū)，在濕潤(rùn)層外圍形成鹽殼［4］。高龍［5］根據(jù)實(shí)測(cè)土壤含鹽率計(jì)算了滴灌后土壤含鹽率等值線，分析了滴灌過(guò)程中土壤含鹽率變化特征，發(fā)現(xiàn)受表面積水形狀的影響，土壤含鹽率的等值線分布和濕潤(rùn)體分布形狀類(lèi)似，但不如濕潤(rùn)體形狀規(guī)則。李毅等［6］研究了點(diǎn)源滴灌土壤入滲含鹽率和鹽分濃度在濕潤(rùn)體內(nèi)的分布情況，得到了土壤含鹽率和鹽分濃度隨水平距離和垂直距離分布規(guī)律的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式。

王全九等［7］根據(jù)滴灌土壤濕潤(rùn)體內(nèi)含鹽率與土壤初始含鹽率、作物耐鹽度的相對(duì)大小，將土壤濕潤(rùn)體劃分為脫鹽區(qū)（滴灌濕潤(rùn)體內(nèi)土壤含鹽率低于土壤初始含鹽率的區(qū)域）、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)（含鹽率低于作物耐鹽度的區(qū)域）、未達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)和積鹽區(qū)。同時(shí)還指出定額情況下滴頭流量增加有利于水平壓鹽，而不利于垂直向下壓鹽。呂殿青等［8］總結(jié)了滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移特性的研究現(xiàn)狀，指出滴灌點(diǎn)源入滲的影響因素包括滴頭流量、灌水量、土壤初始含水率等。

膜下滴灌顯著改變土壤中的水熱鹽分布特征。張治等［9］系統(tǒng)分析了氣象、土壤水、覆膜等對(duì)棉花生育期地溫分布的綜合影響，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌可以克服土壤高地溫低含水率或低地溫高含水率的矛盾，具有良好的保溫保墑作用，可以為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造較好的土壤水熱條件。李毅等［10］研究覆膜地溫極值的時(shí)空變化，指出覆膜對(duì)提高低溫段土壤溫度有明顯作用。地膜阻礙了地表積水區(qū)向膜外土壤擴(kuò)展，減少了無(wú)效蒸發(fā)，提高了土壤溫度［11］。李明思等［12］發(fā)現(xiàn)覆膜滴灌土壤濕潤(rùn)比（微灌條件下，濕潤(rùn)土體體積與整個(gè)計(jì)劃濕潤(rùn)層土體的比值稱(chēng)為土壤濕潤(rùn)比）高于無(wú)覆膜滴灌土壤濕潤(rùn)比。膜下滴灌在生長(zhǎng)季節(jié)有助于作物避鹽，原因是土壤中的鹽分隨水被淋洗至浸潤(rùn)體外緣，使主要根系層的土壤形成了低鹽區(qū)［13］。齊智娟等［14］比較了河套灌區(qū)全膜和半膜覆蓋兩種方式下滴灌土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半膜覆蓋脫鹽量（2個(gè)生長(zhǎng)季鹽分變化為4.71 mg/hm2和9.24 mg/hm2）遠(yuǎn)小于全膜覆蓋處理（2個(gè)生長(zhǎng)季鹽分變化分別為12.22 mg/hm2和21.55 mg/hm2）。

1.2 咸水和微咸水滴灌對(duì)土壤水鹽分布的影響鹽分離子含量的多少通常采用灌溉水礦化度表示，灌溉水礦化度影響土壤水鹽運(yùn)移特性。Rhoades等［15］在FAO報(bào)告中指出，灌溉水礦化度為1.5～7.0 g/L的水為咸水，我國(guó)通常采用的微咸水礦化度為2.0～5.0 g/L［16］。楊艷［17］和王全九等［18］研究發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)，土壤入滲能力隨灌溉水礦化度增大而增加，當(dāng)灌溉水礦化度達(dá)到3.0～3.2 g/L時(shí)，入滲能力最大，之后土壤的入滲能力隨灌溉水礦化度的增加而逐漸減弱。馬東豪［19］通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)研究土壤水鹽運(yùn)移特征，比較了微咸水和淡水灌溉后的累積入滲量和濕潤(rùn)鋒。結(jié)果表明，微咸水和淡水的入滲特征相似，累積入滲量、濕潤(rùn)鋒與入滲時(shí)間都呈冪函數(shù)關(guān)系，累積入滲量與濕潤(rùn)鋒呈線性關(guān)系。當(dāng)灌溉水礦化度不大于3.0 g/L時(shí)，微咸水的累積入滲、濕潤(rùn)鋒和入滲率都隨著灌溉水礦化度而增加。另外，微咸水中的化學(xué)物質(zhì)還可能與土壤溶液和固體顆粒作用，從而影響入滲特征。微咸水入滲過(guò)程中，隨著灌溉水礦化度的增加，堿土的剖面含水量和含鹽量都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但鹽土的剖面含水量和含鹽量并未隨灌溉水礦化度變化而變化［20］。

咸水和微咸水的離子組成影響入滲特征。通常采用灌溉水鈉吸附比（灌溉水中的鈉離子同鈣、鎂離子濃度平均值的平方根的比值）來(lái)描述微咸水主要離子組成。一般而言，鈉離子的存在會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒收縮、膠體顆粒膨脹和分散，使得土壤孔隙減少，土壤滲透性變差［21］。Oster等［22］和Murtaza等［23］研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌溉水鈉吸附比增加，入滲率逐漸減小。吳忠東等［24］通過(guò)試驗(yàn)比較不同灌溉水鈉吸附比條件下的微咸水入滲過(guò)程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤初始含水率和灌溉水礦化度一定時(shí)，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒都隨灌溉水鈉吸附比的增加而減小。

1.3 土壤質(zhì)地對(duì)水鹽分布的影響其他條件相同時(shí)，隨著土壤黏粒和粉粒含量的增大，土壤鹽分含量增大，而隨著砂粒含量的增大，土壤鹽分含量減小，這是因?yàn)橥寥乐叙ち：头哿１砻娣e較大，是土壤的活性組成部分，而砂粒相對(duì)不活潑［25］。陳麗娟等［26］通過(guò)試驗(yàn)研究黏土夾層對(duì)微咸水入滲規(guī)律的影響。結(jié)果表明，如果土壤中含有黏粒含量較高的土層，則易發(fā)生鹽分積累，黏土夾層有限制鹽分運(yùn)移的作用。胡宏昌等［25］通過(guò)分析比較新疆膜下滴灌試驗(yàn)田中取得的563個(gè)土壤樣本，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地對(duì)表層土壤含鹽量的影響更為顯著，原因是表層土壤更容易受到水分入滲和蒸發(fā)等地表過(guò)程的綜合影響。土壤表層覆砂影響鹽分的表聚作用，宋日權(quán)等［27］通過(guò)試驗(yàn)研究覆砂對(duì)土壤入滲、潛水蒸發(fā)和土壤鹽分遷移的影響，發(fā)現(xiàn)砂層能顯著地抑制潛水蒸發(fā)或是入滲后潛水蒸發(fā)，從而降低鹽分表聚作用。

1.4 灌溉方式對(duì)土壤水鹽分布的影響灌溉制度影響土壤水鹽分布，不同的土壤含水率控制下限條件下土壤鹽分分布結(jié)果差異明顯。當(dāng)采用較高的土壤含水率作為控制下限，滴灌頻率較高，根系周?chē)耐寥篮屎突|(zhì)勢(shì)維持在較高水平，彌補(bǔ)了由于土壤中鹽分過(guò)高而降低的滲透勢(shì)，使得作物根系容易吸水。孫貫芳等［28］通過(guò)兩年田間試驗(yàn)研究膜下滴灌條件下，不同灌溉制度（土壤基質(zhì)勢(shì)下限分別為：-10、-20、-30和-40 kPa）對(duì)河套灌區(qū)水熱鹽運(yùn)移的影響，4個(gè)處理分別灌水17、15、12和9次。結(jié)果表明，灌水下限-10 kPa處理可有效淋濾0～100 cm土壤鹽分，而其他處理的淋濾作用不明顯。譚軍利等［29］在寧夏青銅峽的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位于滴頭正下方20 cm處的土壤基質(zhì)勢(shì)為-10 kPa時(shí)，隨著種植年限的增加，0～40 cm土層中的土壤鹽分含量、鹽分離子組成含量，以及土壤的pH值均降低。

咸淡水交替灌溉影響各層土壤鹽分含量。劉小媛等［30］通過(guò)試驗(yàn)研究咸淡水間歇組合灌溉對(duì)土壤水鹽運(yùn)移特性的影響，發(fā)現(xiàn)咸淡水間歇組合灌溉土壤脫鹽率與淡水灌溉對(duì)照比較差異較小，但明顯高于微咸水直接灌溉。朱成立等［31］比較了不同咸淡水交替組合灌溉對(duì)土壤鹽分分布的影響，發(fā)現(xiàn)灌溉水礦化度一定時(shí)，同一深度土壤鹽分含量由小到大依次為“咸淡淡”“淡咸淡”“淡淡咸”。

李瑞平［32］基于田間實(shí)測(cè)資料，對(duì)多年土壤凍融期間水分、鹽分和溫度的變化資料進(jìn)行分析。結(jié)果表明，土壤溫度的變化比氣溫變化滯后。當(dāng)氣溫升高，表層土壤溫度上升到0℃，表層凍結(jié)土壤開(kāi)始融化，凍結(jié)鋒面逐漸向下發(fā)展，直至全部融通。融通過(guò)程影響土壤水分和鹽分的遷移。另外，也有研究在冬季抽提當(dāng)?shù)馗叩V化度地下咸水對(duì)鹽堿地進(jìn)行灌溉，咸水在冬季低溫作用下迅速凍結(jié)成冰，春季咸水冰層融化過(guò)程中，咸淡水分離入滲，其中先融化的高礦化度咸水先入滲，而后融化出的低礦化度微咸水和淡水的入滲對(duì)土壤鹽分具有較好的淋洗作用，實(shí)現(xiàn)了春季土壤返鹽期的土壤脫鹽［33］。

1.5 連續(xù)滴灌對(duì)農(nóng)田鹽分累積的影響胡宏昌等［34］基于在新疆巴州庫(kù)爾勒市連續(xù)5年的試驗(yàn)（2008—2013），分析15 000余個(gè)土壤樣本的水鹽觀測(cè)化驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌生育期整個(gè)土壤剖面內(nèi)，鹽分在出苗期明顯累積，在滴灌期輕微累積、收獲期反常下降、非生育期強(qiáng)烈返鹽，無(wú)淋洗灌水下全年鹽分累積14%。Zheng等［35］在新疆南疆喀什（平均降雨量為46.5 mm）開(kāi)展膜下滴灌棉田實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)土壤鹽分滴灌前期升高，滴灌期下降，生育期存在輕微洗鹽，同時(shí)還指出地形和氣候條件是土壤鹽分空間變異的主要來(lái)源。Wang等［36］在新疆北疆克拉瑪依重度鹽堿地開(kāi)展了3年的淡水膜下滴灌種植試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示，試驗(yàn)后鹽堿地得到改良，1.1 m深度范圍內(nèi)的鹽分降低明顯，低至初始剖面的21%～74%（灌水量300～700 mm）。每年生育期土壤鹽分基本都處于淋洗狀態(tài)，并在滴頭下形成明顯的脫鹽區(qū)，灌溉水量的多少和土壤鹽堿化程度決定淋洗效果，灌水量越大，土壤鹽分含量越高，淋洗比例越高，生育期鹽分降幅最高可達(dá)61%。

影響鹽分長(zhǎng)期累積規(guī)律的因素很多，水質(zhì)條件、土壤鹽分空間異質(zhì)性、灌溉方式和耕作情況等因素都會(huì)影響鹽分的累積，在復(fù)雜條件的共同作用下，還可能導(dǎo)致不同的累積結(jié)果。Kang等［37］在新疆克拉瑪依農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展棉花滴灌試驗(yàn)，結(jié)果表明，淡水膜下滴灌不會(huì)造成棉田土壤鹽分累積，當(dāng)灌水量較大時(shí)，灌后0～40 cm深度范圍內(nèi)的鹽分明顯降低。Kang等［38］采用電導(dǎo)率為1.7 dS/m至10.9 dS/m范圍內(nèi)5個(gè)處理進(jìn)行滴灌試驗(yàn)，結(jié)果表明，各處理均會(huì)造成土壤鹽分的累積，累積量隨灌溉水礦化度增加而增大。Chen等［39］在新疆北疆石河子開(kāi)展了3年膜下滴灌棉田實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用中等鹽度（EC=3.6 dS/m）和高鹽度水（EC=6.7 dS/m）灌溉時(shí)，1 m土層內(nèi)鹽分分別增大為初始剖面的336%和547%。但是李明思等［40］通過(guò)分析采用膜下滴灌技術(shù)13年的農(nóng)田土壤鹽分演變特征，發(fā)現(xiàn)在合理的灌溉水質(zhì)和灌溉制度條件下，膜下滴灌技術(shù)使用年限的延長(zhǎng)不會(huì)導(dǎo)致鹽分積累加重，膜下滴灌并非造成土壤次生鹽堿化的主要原因。

針對(duì)滴灌條件下農(nóng)田水鹽運(yùn)移問(wèn)題的研究初步揭示了滴灌條件下的土壤水鹽運(yùn)移特征，滴灌時(shí)土壤鹽分水平方向上在濕潤(rùn)層外圍累積，垂直方向上在根系層底部累積，在缺乏淋洗水量的條件下將導(dǎo)致農(nóng)田“自上而下”的鹽堿化。灌溉水礦化度、土壤質(zhì)地和灌溉方式等因素都不同程度地影響土壤水鹽分布。然而，現(xiàn)有的研究成果多局限于特定的試驗(yàn)條件，當(dāng)氣候條件、地下水位、作物類(lèi)型、灌溉制度等因素發(fā)生變化時(shí)，土壤中水鹽分布規(guī)律可能呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。因此需要進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)研究，揭示不同條件下滴灌農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移和累積特征。

2 滴灌條件下作物水鹽響應(yīng)研究

滴灌技術(shù)可以提高作物的水分生產(chǎn)效率，與畦灌或漫灌相比，滴灌和膜下滴灌的水分利用效率更高。胡宏昌等［41］對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同試驗(yàn)條件下，漫灌的水分利用效率為0.22 kg/m3，而膜下滴灌的效率可以達(dá)到0.68 kg/m3。原因是滴灌水分到達(dá)的深度較淺，當(dāng)作物根系也分布在地表40 cm的范圍內(nèi)時(shí)，作物水分的利用效率較高。另外，地膜的保溫保墑作用也進(jìn)一步促進(jìn)了土壤水分的利用。

在我國(guó)干旱地區(qū)，滴灌技術(shù)提高了作物的產(chǎn)量。Hou等［11］在甘肅研究了膜下滴灌番茄的產(chǎn)量與覆膜時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，植株葉面積、干物質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率等在覆膜后都有較大提高。胡宏昌等［41］的研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌條件下根系更為發(fā)達(dá)，滴灌條件下棉花根系總量是漫灌條件下的1.6倍。膜下滴灌條件下，適宜的灌水方式可以獲得較高產(chǎn)量。張瓊等［42］通過(guò)試驗(yàn)研究當(dāng)土壤含鹽量不同時(shí)（0.08%、0.8%），棉花膜下滴灌灌溉周期（2 d、6 d）對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)和棉花生長(zhǎng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)總灌水量一定時(shí)，高含鹽量土壤花鈴期高頻灌溉與低頻灌溉相比，可以有效降低土壤濕潤(rùn)體內(nèi)鹽分含量，達(dá)到棉花增產(chǎn)28%的效果。

采用咸水滴灌時(shí)，土壤積鹽加重。土壤鹽分通過(guò)影響作物的生理生化進(jìn)程來(lái)影響產(chǎn)量品質(zhì)。鹽分脅迫對(duì)不同作物的影響不同，脅迫過(guò)重降低作物的產(chǎn)量，不超過(guò)一定閾值的咸水灌溉可以提高某些作物的品質(zhì)。研究表明，對(duì)于大豆、小麥、番茄、黃瓜等作物，當(dāng)鹽分脅迫加重時(shí)，種子萌發(fā)和出苗率都受到明顯抑制，作物根長(zhǎng)、生物量和干物質(zhì)等指標(biāo)也都顯著下降［43］。當(dāng)鹽分不超過(guò)作物的耐受閾值，低濃度咸水灌溉不會(huì)導(dǎo)致作物嚴(yán)重減產(chǎn)，還可以提高果實(shí)中可溶性糖和有機(jī)酸含量，改善某些作物的品質(zhì)。以玉米為例，灌溉水鹽分濃度3 g/L為玉米幼苗耐鹽上限，灌水濃度低于此值時(shí)，幼苗生長(zhǎng)正常，高于此值時(shí)，幼苗生長(zhǎng)受到明顯的抑制［44］。另外，作物遭受鹽分脅迫的程度還與土壤水分有關(guān)。適宜的土壤含水量可以提高作物的耐鹽能力。研究表明，當(dāng)土壤含水量為田間持水量的60%時(shí)，小麥在土壤鹽分較高時(shí)仍能全部出苗［45］。

滴灌技術(shù)提高了作物水分生產(chǎn)效率和作物產(chǎn)量，然而，當(dāng)采用咸水或微咸水灌溉時(shí)，土壤積鹽加重，易對(duì)作物產(chǎn)生鹽分脅迫。目前，作物鹽脅迫下的影響機(jī)制研究仍然不夠透徹，且缺乏微咸水灌溉對(duì)土壤理化特征影響的定量研究，人們對(duì)作物對(duì)土壤水鹽的耦合響應(yīng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的需求。

3 滴灌土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模擬研究

滴灌土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模擬研究基于一般水鹽運(yùn)移模型而發(fā)展。Darcy通過(guò)飽和砂層的滲透試驗(yàn)，得出通量（滲透流速）和水力梯度成正比的達(dá)西定律［46］。Richards［47］基于達(dá)西定律，建立了多孔介質(zhì)中非飽和水流運(yùn)動(dòng)的基本方程。在土壤水分運(yùn)移方程的基礎(chǔ)上，Lapidus等［48］將一個(gè)與對(duì)流擴(kuò)散方程類(lèi)似的模擬模型應(yīng)用于溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量的適用于不同條件的土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型。概括起來(lái)主要為幾何模型、對(duì)流-彌散模型和隨機(jī)模型三類(lèi)［49］。同時(shí)開(kāi)發(fā)了水分和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件。目前廣泛應(yīng)用的模型及軟件多數(shù)為發(fā)達(dá)國(guó)家研究人員所開(kāi)發(fā)，包括HYDRUS系列模型、可變飽和二維流動(dòng)與物質(zhì)運(yùn)移的VS2DT系列模型、描述凍融土壤水熱鹽運(yùn)移規(guī)律的SHAW模型等［32，50-53］。其中，HYDRUS數(shù)值模型能夠較好的模擬田間點(diǎn)源交匯條件下的水鹽分布［53］。李顯溦等［54-55］應(yīng)用HYDRUS軟件，模擬淋洗壓鹽條件下暗管排水區(qū)域內(nèi)的土壤水鹽運(yùn)移過(guò)程，模擬結(jié)果可以為膜下滴灌棉田的鹽堿治理提供參考。

近些年來(lái)，我國(guó)學(xué)者提出了可用于地表和地下滴灌條件下的土壤水分、鹽分運(yùn)動(dòng)模擬的數(shù)值模型。針對(duì)田間復(fù)雜條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)，高龍［5］建立了TIVS模型（Tsinghua Integrated Variably Saturat?ed soil water movement model），模型改進(jìn)了地表積水動(dòng)邊界的處理方法［56-57］，既保證模擬精度，又提高了計(jì)算效率，在膜下滴灌等條件下取得了較好的模擬效果。在模型的應(yīng)用過(guò)程中，還增加了地表能量過(guò)程模塊和土壤含冰量模塊，同時(shí)增加了對(duì)地表徑流過(guò)程的描述以擴(kuò)展模型在水文過(guò)程研究中的應(yīng)用，改進(jìn)了TIVS模型。劉曉英等［58］采用柱坐標(biāo)二維Richards方程描述地表滴灌條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)，采用ADI法和Newton-Raphson法聯(lián)合運(yùn)用求解數(shù)學(xué)模型，通過(guò)室內(nèi)不同滴頭流量下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒在垂直方向上的吻合程度比在水平方向上要好，且滴頭流量較小時(shí)吻合較好。馮紹元等［59］建立了溫室地表滴灌剖面二維土壤水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并在其中加入了對(duì)根系吸水過(guò)程的描述。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)土壤中水鹽運(yùn)移模擬問(wèn)題展開(kāi)了大量研究，并開(kāi)發(fā)了一系列水分和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件。我國(guó)應(yīng)用已有國(guó)際機(jī)構(gòu)軟件展開(kāi)研究的較多，而自主開(kāi)發(fā)模型軟件相對(duì)較少。實(shí)際上，現(xiàn)有軟件針對(duì)不同滴灌條件下，土壤鹽分運(yùn)移模擬的適用性方面仍有較多局限性。另外，計(jì)算效率、準(zhǔn)確性、模型參數(shù)庫(kù)等方面也還有較大的改善空間。

4 土壤水鹽調(diào)控方法

4.1 調(diào)整耕作方式調(diào)整農(nóng)業(yè)耕作方式可以降低土壤鹽堿化程度。將土地進(jìn)行平整，深耕曬垡，采用客土抬高地面、微區(qū)改地、整地的方式，可以改善土壤鹽堿化狀況。另外，地表覆蓋也是較為有效的控鹽措施，覆膜、秸稈覆蓋等地表覆蓋措施能有效抑制鹽分在表層土壤的累積。鄭九華等［60］和Pang等［61］分別開(kāi)展了秸稈覆蓋條件下微咸水灌溉對(duì)棉花和冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及土壤質(zhì)量的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋對(duì)棉花的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，秸稈覆蓋有效地抑制了土壤鹽分的積累。宋日權(quán)等［27］研究了覆砂對(duì)土壤鹽分累積的影響，結(jié)果表明覆砂能有效抑制鹽分在表層土壤的累積，砂厚達(dá)到1.7 cm即有顯著效果，但應(yīng)用時(shí)需要考慮覆砂對(duì)土壤的凈入滲能力的抑制作用。

4.2 調(diào)整灌排方式適宜的灌溉制度和灌水方式可以有效防止土壤鹽堿化。以往的研究成果表明，采用土壤基質(zhì)勢(shì)控制下限為-10 kPa的處理，更利于洗鹽［28-29］；對(duì)于頻繁使用咸水灌溉的地區(qū)，為了淋洗土壤中的鹽分，降低土壤溶液的濃度，可適當(dāng)增加灌水定額，并采用輪灌方式，另外，初次灌水后逐步增加每次灌水水量，可以有效增加脫鹽效果［62］。

建設(shè)排水工程也是防止土壤鹽堿化以及改良鹽堿土的重要措施，排水設(shè)施通過(guò)降低地下水位，減少潛水蒸發(fā)，來(lái)抑制土壤鹽分的累積。常見(jiàn)的排水工程包括明溝排水、暗管排水和豎井排水［63］。明溝排水開(kāi)挖簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，但工程量大，占地面積大，不易維護(hù)；暗管地下水排的快，降的深，占地小，但施工技術(shù)要求高，一次性投資較高；豎井排水效果好，地下水位降深大，但需要消耗能源，運(yùn)行費(fèi)用高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)暗管排水關(guān)注較多，研究表明，暗管排水措施可以增加排水、排鹽量，加速土體脫鹽，提高鹽堿土淋洗改良效率［64］。

4.3 改進(jìn)淋洗方式土壤鹽分變化與非生育期的鹽分淋洗密切相關(guān)。在長(zhǎng)期的鹽堿化治理過(guò)程中，總結(jié)出耕地土壤鹽分具有“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去；鹽隨水聚，水散鹽存”的基本運(yùn)行規(guī)律［65］。Burt等［66］在美國(guó)加州的開(kāi)心果滴灌果園進(jìn)行了鹽分淋洗試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)淋洗根區(qū)鹽分進(jìn)行定量分析，指出采用多行低流速滴灌帶供水對(duì)鹽分累積區(qū)域進(jìn)行淋洗，可以有效節(jié)約淋洗水量。Chen等［39］基于ENVIRO-GRO模型，對(duì)比了固定水量下非生育期漫灌和生育期膜下滴灌鹽分淋洗的效果，結(jié)果顯示，非生育期漫灌對(duì)土壤鹽分的淋洗效果更好。Phocaides［67］認(rèn)為，在年降水量小于250 mm的區(qū)域，若采用微灌方式，則需要進(jìn)行一年一次的鹽分集中淋洗。張治［68］建議在生育期結(jié)束后集中灌溉洗鹽。

有效利用不同季節(jié)特點(diǎn)，可以加強(qiáng)鹽分淋洗效果。鐘瑞森［69］發(fā)現(xiàn)冬灌的聚墑和洗鹽效果均優(yōu)于春灌，采用冬灌作為灌溉洗鹽的方式更有效。研究根據(jù)凍融條件下淺層土壤洗鹽、返鹽和積鹽的特征，指出以改良鹽堿地為主要目的的冬灌可以實(shí)施兩次灌水模式。第一次灌水主要用于洗鹽，將淺層（0～60 cm）土壤鹽分淋洗到80 cm以下，甚至地下水中；第二次灌水使淺層土壤凍結(jié)速率加快并形成更厚的凍結(jié)層，減少返鹽量和積鹽量。另外，也有研究依據(jù)咸水結(jié)冰融化過(guò)程中咸淡水分離的基本原理，對(duì)土壤鹽分進(jìn)行淋洗，實(shí)現(xiàn)春季土壤返鹽期的土壤脫鹽，結(jié)合春季地表覆蓋抑鹽措施和夏季降雨淋鹽，土壤的低鹽條件得到保持，從而保證作物整個(gè)生長(zhǎng)期的正常生長(zhǎng)［33］。

覆膜滴灌條件下，利用地表洗鹽排鹽技術(shù)減少地表積鹽。在干旱區(qū)強(qiáng)烈的水分蒸發(fā)作用下，水平方向上土壤水鹽側(cè)向遷移，向著作物生長(zhǎng)行間裸露地表層積累。采用覆膜滴灌時(shí)，由于“隔膜效應(yīng)”的存在，使得垂直方向上土壤水分蒸發(fā)減弱，進(jìn)而增強(qiáng)土壤水分側(cè)向運(yùn)移，最終向作物生長(zhǎng)行間裸露區(qū)域表層定向遷移［70］。因此，可以在田間作物行間裸露區(qū)域鋪設(shè)物理吸附材料，將沉淀的鹽分吸附物回收經(jīng)工廠處理再利用，形成土壤鹽分資源化利用的模式。

4.4 采用生物及化學(xué)改良措施生物措施通過(guò)種植耐鹽堿作物，增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤的透水和透氣性，增強(qiáng)土壤保土保肥能力來(lái)達(dá)到改良鹽堿地土壤的效果。依據(jù)以往的種植經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，目前主要耐鹽作物包括野生大豆、苜蓿、油葵、水稻、小麥和堿蓬等［71-74］。任崴等［75］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，牧草和枸杞也可以提高土壤的脫鹽效率。王全九等［18］通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小麥和油葵輪作種植可以有效抑制土壤鹽分的表聚，有利于鹽堿地土壤改良。

化學(xué)措施通過(guò)施用化學(xué)改良劑，改變土壤膠體吸附性離子的組成，從而改善土壤物理性質(zhì)，增強(qiáng)土壤通透性，達(dá)到改善鹽堿土壤的目的。目前使用的化學(xué)改良劑包括石灰、石膏、磷石膏、沸石、氯化鈣、硫酸亞鐵，硫磺、硫酸、腐殖酸和腐殖酸鈣等［43］。張余良等［76］通過(guò)試驗(yàn)比較改良劑的作用，結(jié)果表明，磷石膏或磷石膏加沸石兩種改良劑能夠明顯抑制微咸水對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的破壞，改良效果較好。劉易等［77］采用禾康改良劑、DS1997固體改良劑、生物質(zhì)碳、磷石膏和酸堿平衡劑對(duì)微咸水（灌溉水礦化度2～3 g/L）灌溉棉田土壤進(jìn)行改良效果研究，結(jié)果表明，5種改良劑均能不同程度控制土壤pH值變化，降低土壤總鹽含量，對(duì)比而言，磷石膏具有更好的鹽堿改良效果。

調(diào)整耕作方式、灌排方式、淋洗方式以及生物化學(xué)改良措施都可以改良土壤，降低土壤鹽堿化程度。然而單一的調(diào)控方式不能從根本上解決土壤鹽堿化問(wèn)題，不合理的措施甚至可能破壞農(nóng)田生態(tài)平衡。因此，有必要開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)工程建設(shè)，建立系統(tǒng)化和體系化的農(nóng)田灌溉排水和區(qū)域鹽分處置模式。

5 研究展望

滴灌技術(shù)在干旱區(qū)的應(yīng)用，改變了農(nóng)田水鹽運(yùn)移模式，導(dǎo)致農(nóng)田土壤鹽分累積出現(xiàn)新的特點(diǎn)，即由于地下水位下降，由潛水蒸發(fā)導(dǎo)致的“自下而上”鹽堿化威脅大為降低，但由于缺乏淋洗水量，出現(xiàn)“自上而下”鹽分累積的新危險(xiǎn)。這種新特點(diǎn)要求我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤水鹽運(yùn)移機(jī)理和作物響應(yīng)規(guī)律，并提出新的農(nóng)田水鹽調(diào)控和區(qū)域鹽分處置技術(shù)。根據(jù)對(duì)研究現(xiàn)狀、趨勢(shì)和實(shí)際需求的分析，筆者認(rèn)為亟需開(kāi)展如下研究。

（1）進(jìn)一步揭示滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移及累積特征，科學(xué)制定農(nóng)田水鹽調(diào)控方案。已有研究初步揭示了滴灌條件下的土壤水鹽運(yùn)移特征，譬如滴灌時(shí)土壤鹽分在水平方向上累積在濕潤(rùn)層外圍形成鹽殼，垂直方向上在根系層底部累積，在缺乏淋洗水量的條件下將導(dǎo)致農(nóng)田“自上而下”的鹽堿化。但已有的研究成果多局限于特定的試驗(yàn)條件，在氣候條件、地下水位、土壤質(zhì)地、作物類(lèi)型和灌溉制度等不同的條件下還難以直接推廣已有規(guī)律，部分研究成果之間還存在矛盾之處，且尚有一些未能解釋的現(xiàn)象（如膜下滴灌棉田收獲期土壤鹽分反常下降），因此需要進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、模擬和理論分析研究，揭示不同條件下滴灌農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移特別是長(zhǎng)期累積特征。同時(shí)，需結(jié)合不同作物土壤鹽分耐受閾值，在水鹽累積規(guī)律基礎(chǔ)上綜合灌溉、淋洗、生物和化學(xué)改良等手段科學(xué)制定農(nóng)田尺度水鹽調(diào)控方案。

（2）進(jìn)一步揭示作物水鹽耦合響應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，科學(xué)確定調(diào)控閾值。作物對(duì)土壤水鹽的耦合響應(yīng)是進(jìn)行虧缺灌溉和生長(zhǎng)調(diào)控的關(guān)鍵，目前人們對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)踐的需求。亟需加強(qiáng)節(jié)水灌溉，尤其是微咸水灌溉與土壤鹽堿化對(duì)作物影響差異的研究，提出微咸水灌溉條件下作物耐鹽度指標(biāo)和鹽分脅迫系數(shù)的確定方法，進(jìn)一步研究作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量對(duì)水鹽脅迫耦合響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。同時(shí)，定量研究微咸水灌溉對(duì)土壤理化特征的影響，建立鹽分較高條件下的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)，探求微咸水灌溉條件下作物節(jié)水抑鹽高效的水鹽環(huán)境的動(dòng)態(tài)閾值。

（3）發(fā)展具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水鹽運(yùn)移和作物生長(zhǎng)耦合模擬軟件。土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模型是研究灌溉制度和水鹽調(diào)控措施的重要工具，但目前我國(guó)應(yīng)用已有國(guó)際機(jī)構(gòu)軟件的較多，自主開(kāi)發(fā)模型軟件的較少。實(shí)際上，已有土壤水鹽模型系統(tǒng)軟件在計(jì)算效率、準(zhǔn)確性、模型參數(shù)庫(kù)方面還有較大發(fā)展空間，特別是在不同滴灌條件下的適應(yīng)性仍亟待提高，這為我國(guó)學(xué)者發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件、并在國(guó)際上推廣應(yīng)用提供了很好的機(jī)遇?？梢栽谝韵聨讉€(gè)方面實(shí)現(xiàn)模型軟件研發(fā)的跨越：①耦合水鹽在土壤水和地下水中的運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)土壤水垂向運(yùn)動(dòng)和地下水水平向運(yùn)動(dòng)的耦合，可科學(xué)量化不同農(nóng)業(yè)措施對(duì)區(qū)域水鹽運(yùn)移規(guī)律的影響；②模型參數(shù)庫(kù)的構(gòu)建。不同區(qū)域的土質(zhì)、氣候等條件不同，模型參數(shù)有很大差異，應(yīng)基于大數(shù)據(jù)等新技術(shù)提供的條件，建立我國(guó)不同區(qū)域的水鹽運(yùn)移模型的參數(shù)庫(kù)，提高模型的應(yīng)用性并反過(guò)來(lái)促進(jìn)模型的進(jìn)一步發(fā)展完善；③耦合土壤水鹽運(yùn)移模型和作物生長(zhǎng)模型?；谧魑锼}響應(yīng)研究成果，耦合土壤水鹽運(yùn)移模型和作物生長(zhǎng)模型，建立土壤鹽分條件和作物生長(zhǎng)之間的有機(jī)聯(lián)系，為綜合制定土壤水鹽調(diào)控和作物生長(zhǎng)調(diào)控方案提供強(qiáng)有力的模擬工具。

（4）構(gòu)建基于生態(tài)格局的農(nóng)田排水和區(qū)域鹽分處置模式。不合理灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤鹽堿化，土壤鹽堿化影響作物的生長(zhǎng)和品質(zhì)，最終破壞農(nóng)田生態(tài)平衡。因此，有必要開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)工程建設(shè)，建立系統(tǒng)化和體系化的農(nóng)田灌溉排水和區(qū)域鹽分處置模式：①量化區(qū)域水鹽運(yùn)移的時(shí)空演化過(guò)程，增強(qiáng)區(qū)域節(jié)水抑鹽協(xié)同調(diào)控；②建立與節(jié)水灌溉技術(shù)相適應(yīng)的多途徑排水、排鹽的灌區(qū)布局及灌排體系，保證灌區(qū)水鹽平衡；③結(jié)合不同地區(qū)的氣候特征，采用多種技術(shù)手段，互相補(bǔ)充，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)鹽堿地土壤水分、鹽分季節(jié)性分配，使作物避開(kāi)水分、鹽分脅迫敏感期，作物與土壤水鹽季節(jié)變化耦合，完成作物生命周期并形成產(chǎn)量，最后達(dá)到年內(nèi)土壤積鹽和排鹽平衡。

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