鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)原理及其監(jiān)測(cè)方法

高 亮 孟憲東 潘修強(qiáng)

（1 大安市中科佰澳格霖農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，吉林大安 131300；2 濰坊加濰生物科技有限公司，山東濰坊 261041）

我國(guó)是鹽堿地大國(guó)，鹽堿土總面積9 900 萬(wàn)hm2左右，其中現(xiàn)代鹽堿土面積約3 700 萬(wàn)hm2，殘余鹽漬土面積約4 500 萬(wàn)hm2， 尚有約1 700 萬(wàn)hm2的潛在鹽堿化土壤[1]。 我國(guó)鹽堿地分布廣泛，包括東部濱海鹽土與海涂、黃淮海平原鹽漬土、東北平原鹽堿地、半漠內(nèi)陸鹽土和青新極端干旱鹽土。 東北平原鹽堿地以松嫩平原最多， 共有鹽土和堿土319.2 萬(wàn)hm2，其中開(kāi)發(fā)利用的面積為140 萬(wàn)hm2。 松嫩平原鹽漬土多為蘇打堿化土，土體含鹽量不高，但因主要含有碳酸鈉、碳酸氫鈉而導(dǎo)致pH 值很高，對(duì)植物毒害大。地表白色鹽堿呈片狀、條塊狀或點(diǎn)狀分布，出現(xiàn)白色鹽堿與草地植被相互交替的斑狀“光板地”。 蘇打鹽土、蘇打堿土中有機(jī)質(zhì)含量普遍高于其他鹽堿地，并且土壤質(zhì)地黏重、透氣性差，但保水保肥性能良好，如果被開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行農(nóng)作物種植通?？色@高產(chǎn)[2-3]。

蘇打鹽堿地土體中蘇打、小蘇打基礎(chǔ)含量大，即使已經(jīng)成功改良，如果管理不當(dāng)、荒廢、棄耕，也極易出現(xiàn)再次鹽堿化現(xiàn)象。因此，有必要檢測(cè)鹽堿土壤中水鹽的動(dòng)態(tài)變化，掌握鹽堿土壤的分布規(guī)律，探索鹽堿化發(fā)生發(fā)展規(guī)律。 掌握鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法，研究鹽堿地（鹽漬土）水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其運(yùn)行特征，對(duì)于鹽堿地灌溉、治理和預(yù)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 鹽堿土壤監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法

鹽堿地面積大、分布廣、交通不便，受人力、物力、財(cái)力和精力的限制，目前大范圍觀測(cè)、中范圍測(cè)試、 小范圍檢驗(yàn)以及多年定點(diǎn)監(jiān)測(cè)仍然是十分重要的技術(shù)措施。實(shí)踐中，利用傳統(tǒng)方法對(duì)鹽堿化土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要。

1.1 野外調(diào)查與試驗(yàn)

在野外調(diào)查鹽堿地，通過(guò)對(duì)樹(shù)木枯榮、植被種類、作物生長(zhǎng)狀況、鹽堿地表鹽分累積情況等進(jìn)行拍照、錄像，獲得多年影像資料，對(duì)比影像，發(fā)現(xiàn)不同年份間的差異。 同時(shí)，對(duì)鹽堿地土壤進(jìn)行取樣，取樣方法包括隨機(jī)取樣、分層取樣、整體取樣和網(wǎng)格取樣等。 對(duì)于大范圍鹽堿地，一般采用隨機(jī)取樣法，主要監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)地、土壤容重、孔隙度和有機(jī)質(zhì)、pH 值以及氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂、硅、硼等微量元素及重金屬含量等，了解鹽堿地土壤的物理化學(xué)性質(zhì)；對(duì)于試驗(yàn)地，可采用分層取樣，除了監(jiān)測(cè)不同土層土壤養(yǎng)分特點(diǎn)外，還可監(jiān)測(cè)土壤細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物數(shù)量，了解土壤生物肥力特性。野外取樣布點(diǎn)是整個(gè)土壤檢測(cè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。 樣品點(diǎn)必須均勻分布于全工作區(qū)域。 應(yīng)將全區(qū)劃分出若干個(gè)較為典型的采樣區(qū)域，要求包含地質(zhì)地貌、植被、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖等，具有一定的區(qū)域代表性。

1.2 田間觀測(cè)和數(shù)值模擬

田間觀察和野外調(diào)查既可同步進(jìn)行， 也可分別進(jìn)行。 田間觀測(cè)要細(xì)致，最好由專家?guī)ш?duì)，同時(shí)由有經(jīng)驗(yàn)的當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民陪同，可達(dá)到較好的效果。將田間觀測(cè)與數(shù)據(jù)模擬相結(jié)合， 選取具有鹽堿化表征的試驗(yàn)田塊并進(jìn)行連續(xù)數(shù)年的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括地下水動(dòng)態(tài)、土壤含鹽量和含水量、降水量和蒸散量以及灌水量等參數(shù)。

多年來(lái)，通過(guò)野外考察、田間觀測(cè)、取樣檢測(cè)、數(shù)據(jù)模擬等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法， 基本能夠掌握鹽堿地土壤的理化及生物特性、植被分布、物候期、鹽堿分布及試驗(yàn)田塊的土壤肥力狀況和水鹽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的原理

2.1 概述

水鹽運(yùn)動(dòng)是指水分及其所攜帶的鹽分在介質(zhì)中的運(yùn)移。水鹽運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由地表水子系統(tǒng)、地下水子系統(tǒng)及植被子系統(tǒng)共同構(gòu)成[4]。 土壤中的鹽分隨水運(yùn)動(dòng)。 在蒸發(fā)過(guò)程中溶解在水中的鹽分隨水輸送到土壤表層，當(dāng)水分蒸發(fā)后，其中的鹽分將積聚在表層土壤中。大水漫灌、滴灌和降雨后，這些地表的鹽分又被淡水溶解，進(jìn)而下滲到土壤深層。 在一段時(shí)間內(nèi)，如果土壤水分蒸發(fā)量大， 其攜帶的鹽分大量地積累到地表，則土壤處于積鹽狀態(tài)，對(duì)鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被生長(zhǎng)十分不利；反之，當(dāng)雨季、大水灌溉等淡水供應(yīng)充足時(shí)，地表則處于脫鹽狀態(tài)，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)與淡水供給、氣候、灌溉頻率、排水條件和農(nóng)業(yè)田間管理措施密切相關(guān)[5]。 針對(duì)鹽堿地區(qū)域的地形地貌和一年中水鹽運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，加強(qiáng)鹽堿地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，圍繞“引嫩入白”工程等淡水水系分布建立完善的水電路網(wǎng)， 構(gòu)建網(wǎng)格化鹽堿地水稻種植板塊，做到“水進(jìn)鹽退”，保證農(nóng)作物免受鹽堿影響，實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)和生態(tài)治理的目標(biāo)。

2.2 水鹽運(yùn)動(dòng)理論研究

了解鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)是十分重要和必要的。 水鹽運(yùn)動(dòng)理論始于19 世紀(jì)，1852—1858 年法國(guó)人達(dá)西總結(jié)并闡明了水在砂層中的滲透規(guī)律， 形成了達(dá)西定律，成為土壤水鹽運(yùn)動(dòng)理論的基礎(chǔ)。 20 世紀(jì)70 年代中后期水鹽運(yùn)動(dòng)理論研究注重田間復(fù)雜的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)良好土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)方式，不僅考慮對(duì)流和彌散， 還進(jìn)一步考慮了其中的可動(dòng)水體和不動(dòng)水體、大空隙流或優(yōu)先流、通管流等，建立了土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的兩區(qū)-兩域模型。

我國(guó)水鹽運(yùn)動(dòng)研究起步較晚，始于20 世紀(jì)80 年代， 主要是從黃淮海平原旱澇鹽堿地綜合治理開(kāi)始的[4]。 近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者針對(duì)全國(guó)各地不同的鹽堿地類型（蘇打鹽堿地、濱海鹽堿地、內(nèi)陸盆地鹽堿地、河流鹽堿地等）， 研究不同鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)機(jī)理、模型、實(shí)踐應(yīng)用等，取得了巨大成就[6-8]。

3 鹽堿土壤水鹽運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

3.1 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的鹽堿地監(jiān)測(cè)

利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)監(jiān)測(cè)鹽堿地是目前高效、快捷、連續(xù)、準(zhǔn)確的方法。 該方法以遙感技術(shù)（RS）為手段， 通過(guò)Terra、MSS、TM、ETM 等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及高光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)土壤鹽堿化空間分布特征， 結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)鹽堿化土壤進(jìn)行信息提取與管理，從而開(kāi)展監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)研究。 鹽堿地?cái)?shù)據(jù)信息包括直接信息和間接信息，如地表植被、土壤質(zhì)地、土壤顏色、土壤紋理、地形地貌、路網(wǎng)、水系、村落、地下水等。

3.2 土壤鹽堿化預(yù)測(cè)

鹽堿地改良以土壤水鹽運(yùn)動(dòng)理論和實(shí)踐為基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)研究和實(shí)踐的深度不同，土壤鹽堿化預(yù)測(cè)可分為3 個(gè)不同層次。一是定性預(yù)報(bào)，主要對(duì)鹽堿地區(qū)的自然環(huán)境條件、 土壤鹽堿化狀況及其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究和預(yù)報(bào)。 其在鹽堿地生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐中運(yùn)用最多。二是半定量預(yù)報(bào)，主要對(duì)鹽堿地水鹽均衡、 概率統(tǒng)計(jì)及成因分析等進(jìn)行研究和預(yù)報(bào)。 其在科學(xué)研究和鹽堿地改良實(shí)踐中更加精準(zhǔn)科學(xué)且針對(duì)性強(qiáng)。三是定量預(yù)報(bào)，即通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)土壤鹽堿化進(jìn)行定量預(yù)報(bào)， 其在科學(xué)研究中應(yīng)用多。 研究和實(shí)踐中通常采用以下幾種方法。

3.2.1地力相似法。 在鹽堿地研究和生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中需要考慮的因素主要有兩方面：一是自然因素，包括氣候、水文、地形、地貌、地質(zhì)、土壤狀況等；二是人為因素，包括土壤利用情況、農(nóng)業(yè)技術(shù)、鹽堿地改良措施、水利設(shè)施等。 通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)過(guò)去獲得的鹽堿地?cái)?shù)據(jù)資料進(jìn)行比對(duì)分析， 以條件相似的鹽堿化信息作為依據(jù)開(kāi)展研究和實(shí)踐。 該方法省工、省時(shí)、省力，可結(jié)合其他方法應(yīng)用。

3.2.2專家預(yù)報(bào)法。 該方法通常在鹽堿地研究和生態(tài)治理的前期調(diào)研時(shí)運(yùn)用。 請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件對(duì)鹽堿化情況進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)預(yù)估， 其準(zhǔn)確性取決于專家的科學(xué)素養(yǎng)、經(jīng)驗(yàn)累積、技術(shù)水平和道德水準(zhǔn)。

3.2.3區(qū)域水鹽均衡法。 以質(zhì)量守恒定律為理論依據(jù)， 運(yùn)用動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)和原理， 對(duì)鹽堿地某一地區(qū)、某一時(shí)間段的水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行盈虧分析，以探求其水鹽發(fā)展過(guò)程，分析各因素間的相互作用，評(píng)價(jià)鹽堿地生態(tài)修復(fù)改良效果， 并對(duì)鹽堿地發(fā)展趨勢(shì)作出判斷和預(yù)測(cè)。

3.2.4概率統(tǒng)計(jì)法。 應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)的方法（回歸分析、方差分析）分析水鹽狀況與各影響因素之間的關(guān)系，或者進(jìn)行時(shí)間序列分析，就土壤水鹽動(dòng)態(tài)建立時(shí)間序列模型， 從而對(duì)鹽堿地土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究和預(yù)報(bào)。 概率統(tǒng)計(jì)法所得出的預(yù)測(cè)值不是個(gè)體數(shù)據(jù)，而是群體期望值。

3.2.5區(qū)域水鹽模型法。 該方法強(qiáng)調(diào)對(duì)鹽堿地水鹽運(yùn)動(dòng)因果關(guān)系的推斷。通過(guò)建立數(shù)值模型，以鹽堿地土壤過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)， 用微分方程描述并外推預(yù)測(cè)，計(jì)算土壤鹽分和水分隨時(shí)間和空間的變化。通過(guò)對(duì)土壤過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型模擬， 以計(jì)算機(jī)仿真來(lái)預(yù)報(bào)土壤水鹽動(dòng)態(tài)， 并提出相應(yīng)的鹽堿地改良措施。該方法確定性高，可以應(yīng)用于任何自然條件下的鹽堿地環(huán)境。

3.2.6遙感技術(shù)法。 利用現(xiàn)代化空間遙感技術(shù)可在大范圍、 大面積內(nèi)獲得與鹽堿地土壤水鹽動(dòng)態(tài)相關(guān)的信息， 通過(guò)建立遙感信息與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)鹽堿地土壤水鹽動(dòng)態(tài)和旱澇災(zāi)情，準(zhǔn)確掌握鹽堿地生態(tài)改良效果。

4 結(jié)語(yǔ)

鹽堿地生態(tài)修復(fù)是保持我國(guó)耕地紅線、 保證糧食產(chǎn)量和食品安全的重要措施， 而鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)是鹽堿地科學(xué)研究和生態(tài)修復(fù)實(shí)踐的重要依據(jù)。 鹽堿地土壤水鹽運(yùn)動(dòng)是一種客觀存在的自然現(xiàn)象，有其發(fā)生發(fā)展和演變的規(guī)律，可以通過(guò)傳統(tǒng)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以采用地力相似法、專家預(yù)報(bào)法、區(qū)域水鹽均衡法、概率統(tǒng)計(jì)法、區(qū)域水鹽模型法和遙感技術(shù)法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

我國(guó)鹽堿地類型多、面積大、分布廣，在借助傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法基礎(chǔ)上， 利用現(xiàn)代空間遙感技術(shù)、5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對(duì)鹽堿地土壤及其水鹽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定性、半定量和定量分析，建立區(qū)域水鹽模型，預(yù)測(cè)鹽堿地發(fā)生發(fā)展規(guī)律，提高監(jiān)控效率，實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域、更大范圍的監(jiān)控，對(duì)于保持我國(guó)耕地面積、保障糧食自給、保證城市發(fā)展用地具有重要意義，同時(shí)為科學(xué)規(guī)劃鹽堿地種植模式、養(yǎng)殖規(guī)模，預(yù)防土壤反復(fù)鹽堿化以及次生鹽漬化提供了幫助。