内蒙古河套灌区水盐运动与盐渍化防治研究展望_史海滨

第 39 卷 第 8 期

Aug. 2020 Journal of Irrigation and Drainage No.8 Vol.39

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0 引 言

内蒙古河套灌区是黄河中上游典型的盐渍化特 大型灌区，地处内陆干旱区，降雨量少，蒸发量大， 蒸降比在 10 以上，无灌溉则无农业[1] 。灌区地形平 坦，引黄控制面积 116.2 万 hm2，是国家和自治区重 要的商品粮、油生产基地。土壤盐渍化一直是困扰 灌区农业生产发展的主要问题，20 世纪 60 年代以来， 国内外学者围绕着水盐运移和盐渍化防治及环境效 应开展了大量的科学研究。引起了国内外科研工作 者的极大关注， 目前有 20 余所高等院校和科研院 所在河套灌区进行科学研究，从工程措施、化学措 施、农业措施和生物措施等入手，开展了盐碱地治 理研究。

利用经典统计学、地质统计学和遥感技术研究 了区域土壤水盐时空分布规律，以及不同地类间水 盐补径排关系；基于 HYDRUS 、SWAP 、SHAW 、 MODFLOW 和 SWAT 等模型研究了土壤水盐运移规 律；并研究了微咸水灌溉对水土环境的影响效应； 开展了盐渍化土壤防治综合技术的研究等。经过几

收稿日期： 2020-03- 15

基金项目： 国家自然科学基金项目(51539005，51769024)；“十三五”重 点研发计划项目(2016YFC0400205)

代人的努力，取得了丰硕的成果。

河套灌区面临新的形势， 由于指令性节水， 引水 量减少 20%以上，用水量将减少到 40 亿 m3。近些年， 灌区土壤和地下水以及生态环境发生了变化， 多年来 形成的区域水盐平衡体系被打破， 随着节水工程建设 和实施灌区的生态环境出现了许多新的问题， 如土壤 盐渍化、地下水位下降、水土环境污染和湿地萎缩等 问题。如何提高灌区用水效率， 摸清灌区水盐空间分 布特征， 掌握劣质水灌溉的环境效应， 确定灌区生态 地下水水位及节水改造强度控制阈值， 对灌区农业可 持续发展和水资源优化配置具有重要作用。 本文总结 2000 年以来灌区的研究成果，对灌区面临的形势与 需解决的科学问题进行了展望， 旨在为现代灌区建设 提供参考。

1 区域土壤水盐时空分布规律

1.1 区域水盐空间分布主要分析方法

随着灌区节水改造工程的实施和高效用水政策 的落实，用水量显著减少，排水量也必然随之减少， 灌区每年积盐达 120~150 万 t。从表观上看，灌区的 盐渍化程度却是降低了， 但是“盐分去哪里了”？因 此， 摸清盐渍化灌区土壤水盐空间分布特征， 准确把 握水盐时空动态变化规律， 对灌区农业发展和水资源

作者简介： 史海滨， 男， 山西太谷人。教授， 博士生导师，工学博士， 主

要从事节水灌溉原理及应用研究。E-mail: shi_haibin@sohu.com

优化配置具有重要作用[2]。目前， 地统计学是区域土

壤水盐空间分布规律及动态变化分析的重要方法[3] 。 其中反距离加权(IDW)、普通克里金(OK)和普通 协克里金(OCK) 是较为常用的空间插值方法， 由于 数据变异性、方法本身的特征、抽样设计等因素的影 响，空间插值方法的选取成为国内外土壤特性空间分 析的讨论热点，但相应的研究结果并不明确[4] 。普 通克里金具有较强的预测土壤水盐总体趋势的能力， 但克里金法容易将局部最值平滑化， 为了识别盐渍化 风险区， 反距离加权方法则能够更精确地预测土壤水 盐的局部特征， 二者的优劣尚有争论[5]。因此， 建议 在进行土壤水盐定点监测前， 对方法本身特性、抽样 设计和数据变化等因素进行综合考虑， 为准确评估区 域土壤水盐空间变异特性奠定基础。 为了避免数据本 身变异性对空间变异分析的影响， 很多学者将经典统 计和地统计学结合分析了区域水盐的变异特性[6] ，取 得了较好的效果。除了经典统计和地统计学以外， 还 有部分研究运用 BP 神经网络模型分析区域水盐空间 变异性。BP 神经网络模型不能像地统计方法那样定 量描述土壤性质的空间自相关性， 但该模型能更好地 描述土壤水分分布复杂的非线性特性， 是一种反映土 壤水分变化与其主要影响因子之间非线性关系模型的 好方法，但具有一定的适用范围[7]。

区域盐渍化是由诸多因素共同导致的， 将诸多因 素在地理位置上叠加分析是原有地统计学方法无法 实现的。随着 GIS、信息捕捉技术以及遥感技术的飞 速发展， 为区域水盐空间变异研究提供了更为有效的 方法， 相关研究表现出了较为明显的优势[8]。伴随着 3S 技术的发展， 运用遥感技术开展灌区土壤盐渍化 趋势研究也表现出独特优势。 目前主要是以遥感数据 为基础， 把地理环境数据、生态状况与光谱信息有机 结合， 在算法上以知识库为基础的推理决策树、分层 信息、支持向量机、对应分析、波段遥感等多种分类 方法相继产生并迅速发展。相关学者基于遥感和 GIS 技术，利用 LandsatTM/ETM 数据，分析了河套灌区 1987—2014 年土地盐碱化时空演变， 构建了河套灌 区土壤水溶性盐基离子高光谱综合反演模型[9] 。但相 关方法还存在地域性强、通用性差、区分提取精度低 等不足。如何提高精度、数据可靠性， 使研究成果更 加符合实际成为遥感技术应用的关键。

1.2 河套灌区水盐空间分布规律

自 1998 年实施节水改造以来， 灌区水循环和地 下水埋深发生了较大变化， 造成区域土壤水盐及垂直 剖面上的重分布。因此， 在区域、空间和时间尺度上 灌区节水改造后土壤水盐分布规律研究十分必要[10]。

史海滨等[6]、步怀亮[11]和李彬[12] 分别在点尺度和面尺 度上分析了节水改造后土壤水盐的变化规律。 节水改 造后土壤盐渍化程度减轻， 作物生长安全区面积增加， 表聚作用弱化， 秋浇水量减少， 土壤盐分淋洗效果减 弱， 土壤环境有所改善。以上研究均是对河套灌区不 同尺度、不同时期、节水改造等因素的区域水盐运移 规律的研究， 但还不能回答“盐分去哪了”这个问题。

由于灌区面积较大， 很难在全灌区开展高精度的 监测研究， 因此尺度转化就成了保证区域研究精度保 证的一个重要手段。徐英等[13] 开展了中小尺度水盐空 间变异转化问题的研究。研究发现，一维条件下，土 壤水盐变化性在 hr=25~100 m 采样尺度下，可以用 100 m 的观测网模拟 25 m 观测网的含水率和含盐量，在 同一级结构中大尺度的变化性才包含较小尺度。 马璐 瑶等[14] 采用空间插值的方法对灌域与田间 2 个尺度 开展了水盐空间变异研究， 表明相同深度下大尺度的 土壤水盐变异性大于点尺度。管孝艳等[15]运用多重分 形理论分析了不同尺度水盐空间变异性， 但由于河套 灌区土壤、气候、灌溉等因素差异， 相关研究的适用 范围还有一定局限性。

河套灌区地下水埋深较浅，年内周期变幅大的 原因，致使区域土壤与地下水水盐交互频繁，灌区 很容易产生次生盐渍化。马金慧等[16] 利用灰色关联 分析、指示克里金等方法和对不同地下水埋深条件 下的土壤含水量、含盐量、地下水埋深和地下水矿 化度进行了交叉综合排序提出相同矿化度条件下， 地下水埋深浅是导致土壤盐渍化的直接原因。然而 若想控制春灌前地下水矿化度，控制前 1 年秋浇水 量则是关键因素。由于灌区秋浇水量占总引水量的 1/2 左右，灌水量巨大，是影响灌区春灌前土壤墒情 和盐渍化程度的主要因素。毛威等[17]研究表明河套灌 区地下水矿化度与秋浇频率有较大关系。 对于井灌区， 建议采用黄河水 2 年 1 次进行秋浇压盐， 可以长期将 土壤全盐维持在 3 g/kg 以下，以满足作物生长需求。 李瑞平等[18]运用 SHAW 模型确定了不同盐渍化土壤 合理的秋浇节水灌溉制度。还有研究表明[19]早秋浇可 使 0~20 cm 土层脱盐率提高 0.4% ，0~100 cm 土层脱 盐率提高 9.7%；可节水 300~1 500 m3/hm2。以上相关 研究对灌区引水量调配和土壤盐渍化防控都有着重 要的指导意义。

河套灌区另一个特点是尚有占灌区总土地面积 48.7%的插花分布的非耕地(包括低洼湿地和水域) [20]， 夏季河套灌区单个面积大于 3.33 hm2 的淖尔数量在 321~494 个(不包含乌梁素海) [21] ，研究表明[22] 灌

区荒地和低洼湿地有排水积盐作用， 耕地每年平均有 28. 1%的灌溉水渗入荒地,荒地每年积盐 0.27 kg/m2 ， 为灌溉水盐分的 38.3%。岳卫峰等[23]指出进入义长灌 域的盐分多于排出灌域的盐分，灌域处于积盐状态。 因此滞留在灌区内的盐分只能在灌区内部进行再分 配。李亮等[24] 利用 HYDRUS- 1D 模型对荒地土壤水 盐的迁移规律进行了模拟。结果表明， 5 cm 土层 EC 值上升了 66. 10% ，20 cm 土层 EC 值上升了 63.89%， 荒地在作物生育期是积盐的过程。任东阳等[25]通过对 整个观测区及其内部的不同作物田块分别建立水平 衡方程， 揭示了典型灌排单元农田水量和盐量转化关 系， 结果表明， 农田积累了总引入盐分的 39%，荒地 承纳了总引入盐分的 40%。岳卫峰等[23]通过建立非农 区-农区-水域的水盐运移及均衡模型， 对水盐的迁移 进行了定量分析。结果显示， 农区脱盐量的 75%随地 下水迁移到了非农区。Mao 等[26]利用 SaltMod 模型， 研究了井渠双灌的地下水和盐分的迁移变化过程， 结 果表明， 盐分将在井灌区的根系处积累， 但不影响作 物的产量， 渠灌区根系有轻微脱盐趋势， 盐分主要在 井渠双灌的含水层积累， 且含水层的盐分将会从渠灌 区向井灌区迁移。 由于气候干旱，降雨补给十分有限， 灌区内的海子(小湖泊)主要依靠灌溉回归水补给， 耕地—荒地—海子间存在着密切的水力联系， 王国帅 等[27] 通过对耕地— 荒地—海子系统分别构建水量和 盐量平衡模型， 揭示了耕地—荒地—海子系统间水分 和盐分运移关系， 结果表明， 在灌溉条件下， 耕地地 下水盐分平均增加 861.45 kg/ (hm2 ·a )，耕地地下水

迁移给荒地的平均盐量为 3 231.90 kg/ (hm2 ·a )，荒地 地下水迁移给海子的平均盐量为 3 139.7 kg/(hm2 ·a )。 部分回答“盐分去哪了”这个问题， 但是由于观测手 段以及土壤、作物差异， 研究区域是否具有代表性还 需要进一步深入研究。

随着引黄水量的减少、种植结构的改变、节水改 造工程以及盐碱地改良工程的大量实施， 灌区水盐分 布规律将产生新的变化， 需在前人研究的基础上， 开 展变化环境下水盐响应机理、 不同地类间水盐补径排 关系以及灌区盐分演化机制及评价等区域水盐规律 研究。改进现有插值方法，充分运用遥感反演技术， 提高区域水盐分析精度。 排水是灌区功能的重要组成 部分， 随着排水工程的完善， 需开展灌排结合的区域 水盐研究。在区域尺度，将地下水、土壤水与灌溉、 排水等系统结合起来， 结合灌区排水工程及地下水位 控制需要， 开展地下排水模拟预测与区域水盐变化规 律的评价。提出灌排结合综合管理措施， 为灌区盐碱

地改良提供科学依据。

2 土壤水盐运移规律

2.1 土壤水盐运移规律研究进展

土壤水盐运移机理是河套灌区盐渍化研究的核 心问题。加强土壤水盐系统研究， 了解土壤中盐溶质 运移机理及变化规律， 并以适宜的数学模型进行定量 化的数值模拟， 可为河套灌区土壤盐渍化的监测、评 价、治理夯实基础[28]。

在田间试验基础上， 开展了某一单因素或多种因 素同时存在情况下对土壤水盐运移的影响研究， 探讨 了不同覆盖和耕作条件对土壤水盐运移的影响。 设置 不同秸秆隔层材料[29]，分析秸秆隔层处理抑制土壤盐 分的机理，研究表明秸秆隔层增强了盐分淋洗效果； 设置不同覆膜方式[30]，全膜覆盖处理保水抑蒸效果明 显，起到了较好的压盐效果；设置不同灌溉制度[31]， 研究不同滴灌制度下土壤剖面水分、盐分分布规律， 得到盐分均由膜内向膜外地表裸露区定向迁移， 趋于 膜外地表积累。孙贯芳等[31]利用黄河水灌溉控制灌水 下限为- 10 kPa 可有效淋洗 0~100 cm 土壤盐分， 而李 金刚等[32]利用微咸水灌溉控制灌水下限为-30 kPa，既 能较充分淋洗膜内表层土壤盐分， 又不会造成微咸水 中的盐分积累； 沟灌和常规畦灌下玉米根系区灌前各 土层含水率均呈“S”形变化规律，低水分条件下沟 灌较常规畦灌有更好的压盐效果[33]。

前人开展了在某一种或多种特定条件下土壤水 盐运移的规律特征研究。 如针对某一单种作物条件下 [31]，获得了沟灌条件下， 玉米土壤含盐量呈现近“倒 V”形变化规律[33]；某一灌溉水质条件下[32] 与某一灌 溉方式条件下(多为膜下滴灌)，滴头下方 30 cm 附 近形成主要脱盐区，盐分逐渐向湿润区外缘积累[30] ； 多人探讨了间作或套种条件下[34-35] 土壤水盐运移规 律，指出间作模式下根系在土壤空间的叠加利用效应 可以使小麦带降低的土壤 EC 均值 0.2%~1.5%，使玉 米带降低的土壤 EC 均值 2.7%~3. 1%；针对特有的季 节性土壤(多为冻融期) [36-37]研究表明， 冻融期土壤 盐分浓度变化的主控盐分类型是氯化钠和硫酸钠； 冻 结期非冻结区水分向冻结区运移使得冻结区土壤含 水率增加， 消融期上层土壤反浆导致土壤表层反盐[38]； 针对某一土地利用类型(特指荒地) [24]条件下， 秋浇 63%的补给水分用来淋洗盐分， 荒地中 1 m 深土壤含 盐量减少 0.26 kg/m2。

田间试验进行常规观测耗时、费力、干扰因素多， 且研究周期长， 研究对象及影响因素单一， 对于河套

灌区大尺度、复杂土壤类型、土地利用及种植结构条 件下难以全面的剖析土壤水盐运移规律的时空变异 特征， 在今后的研究中需要更多的结合数学物理等模 型进行模拟。

2.2 河套灌区土壤水盐运移模型研究进展

在 田 间 试 验 的 基 础 上 ， 众 多 学 者 利 用 HYRDRUS[24,39-41]、SWAP[42,47-50]、SHAW[51] 等模型模 拟了河套灌区土壤水盐运移分布规律， 且具有较好的 仿真度， 但这些模型多为点模型， 很难用于田间实际 土壤的预测模拟。其次， 由于实际问题的复杂性， 常 常需要对现有模型进行改进及耦合处理， 以克服模型 应用中的不足。 同时将点尺度模型扩展到区域尺度上 进行应用也是研究的热点，例如Ren等[39-40] 采用 HYDRUS-dualKc耦合模型提升了HYDRUS的蒸散 发精度， 并弥补了双作物系数法中缺少盐分运移模 块的缺陷；郝远远等[41]、Xu等[42]将HYDRUS、SWAP 水盐模型和EPIC作物生长模型进行耦合，弥补了 HYDRUS- 1D中缺少作物生长模拟模块的缺陷和修 正SWAP对根系吸水的模拟。李瑞平等[43] 利用BP神 经网络预测模型充分考虑了水盐耦合效应，实现了 冻融土壤水盐动态预报的统一。霍再林等[44]基于神 经网络模型正确表达了油葵的相对产量和各个生育 阶段土壤溶液相对浓度之间的关系。乔冬梅等[45-46] 利用BP神经网络模型展示了不同浅地下水埋深条件 下作物生育期内土壤水盐动态规律，并基于作物根 系吸水项的垂向一维土壤水运动方程， 成功地将人 工神经网络技术引入根系吸水模型的建立中， 结果 表明吸水层集中在0~50 cm之间， 最大吸水峰值在 20~40 cm之间运移。

将 HYDRUS、SWAP 水盐模型和MODFLOW 地 下水流动模型耦合， 以解决在地表水与地下水交互作 用下、特定灌溉条件下、特定种植作物下、不同灌溉 制度下的土壤水盐运动及其各要素的转化关系[47-49]， 构建可 以应用于区域尺度的农田水盐动态模拟 GSWAP 模型， 利用 GIS 高效处理分析模型数据的优 点， 实现可视化显示和空间分析， 开展了区域农田水 盐动态模拟[50]；修正后的水热盐耦合过程的机理性模 型 SHAW 模型具有精度高、真实可靠的优点，实现 了季节性冻融土壤盐渍化的精细模拟[51]。根据区域的 需要，应用改进的分布式 SWAT 模型对灌区的非点源 污染进行评价[52]，建立引发土壤盐渍化的修正区域饱 和—非饱和水流运动和溶质运移拟三维数学模型， 并 将其应用于大区域水盐运动数值模拟[53]。但在区域动 态预测中均存在一定的限制， 而多过程耦合模型又容

易存在参数率定验证困难、 模型耦合结构复杂等问题。 近年来， GIS、高光谱影像、DEM 等数据在区域土壤 水盐运移监测、时空模拟方面的研究逐渐成为热点。 因此， 结合 GIS 技术将土壤水盐运移模拟研究从田间 扩展到区域尺度， 是未来河套灌区土壤水盐运移模型 的研究方向。 各类模型都有其特定的适用性及侧重研 究的问题， 耦合模型可以多个过程同时模拟， 充分考 虑不同过程之间的相互作用， 但在考虑更多子过程的 同时也囊括了更多的参数， 造成模型率定时容易出现 “异参同效”现象， 从而造成模型在实际应用中的困 难。在应用时需要针对具体的研究区域和拟解决的问 题进行合理修正，以提升模型的适用性。

3 微咸水灌溉农田-作物效应

3.1 微咸水灌溉土壤环境效应

微咸水灌溉区域， 土壤环境效应研究具有重要意 义[54]。微咸水盐分浓度过大， 将使土地质量存在潜在 恶化的趋势[55]。微咸水浓度达到某一临界值时，盐分 在某一深度土层明显集聚[56] 。叶志刚等[57]研究表明， 微咸水不同的灌溉组合也将缓解微咸水负效应。 田彤 等[58]研究发现微咸水在玉米拔节期淋洗能降低土壤 次生盐碱化的风险。虽然微咸水灌溉易引起土壤积 盐， 但在适宜的灌溉水平和盐分质量浓度下，结合 合理的盐分淋洗制度，这种环境负效应会得到有效 缓解。由于影响微咸水灌溉的因素众多，目前的成 果还很有局限性， 如大面积推广应用尚有许多问题 需要进一步研究。

微咸水灌溉土壤水盐运移过程复杂， 田间试验有 局限性， 许多研究学者开展了土壤水盐运移模拟研究， 如基于 HYDRUS 模型得出河套灌区优化微咸水利用 模式、灌溉方式等[57]。微咸水灌溉土壤次生盐渍化潜 在威胁加大，控制地下水位更为重要，郝远远等[41] 基于 HYDRUS-EPIC 模型模拟生育期内根区土壤作 物耗水需求， 得出宜将浅埋区地下水平均埋深控制在 1.3 m 以下。咸淡水轮灌模式对土壤水盐运移影响显 著， 杨树青等[56] 运用 SWAP 模型预测了向日葵土壤 表层(5 cm) 和耕作层(100 cm) 的土壤含盐量。唐 秀楠等[59]模拟了枸杞咸淡水轮灌模式，推荐“淡咸咸” 为最佳轮灌模式。 河套灌区微咸水灌溉的模型研究多 针对农田尺度， 但此时的土壤水盐运移还受到周边诸 多环境因子的影响， 研究还需加强。微咸水中的盐分 必然会影响到深层地下水及研究区以外的水环境， 如 何从河套灌区尺度上建立有效的数值模型， 评价微咸 水灌溉的水土环境效应， 是维持灌区盐分补排平衡及

环境可持续发展的关键问题。此外，咸水资源总量、 可开采量、水质、埋藏条件、时空分布状况等是进行 微咸水灌溉决策的重要依据。 有待构建适宜河套灌区 微咸水资源的评价标准和技术体系。

3.2 微咸水优化灌溉模式研究

在适宜的盐分浓度和合理的灌水量、 轮灌模式下， 微咸水灌溉不会导致土壤次生盐渍化[60]。当采用黄河 水(淡水) 与咸水交替灌溉时，可对土壤环境影响最 小，且作物相对产量在 84%以上[56]。咸水灌溉量对土 壤盐分淋洗具有重要影响[62]，咸水灌溉后， 土壤盐分 有一定的积累， 但在灌溉淋洗(如秋浇) 条件下， 能 实现土壤水盐平衡[63]。而抽取地下微咸水灌溉后， 灌 区地下水位略有下降，可达到盐分平衡[49]。针对微咸 水灌溉模式的研究主要围绕微咸水轮灌措施、 矿化度、 淋洗等方面进行， 这些成果已为河套灌区微咸水灌溉 的推广提供了有力支撑。 但这些研究大多针对微咸水 如何“灌”，然而要维持河套灌区的盐分平衡，进入 区域的盐分必须能有效排出区域外。所以， 适宜的微 咸水灌溉排盐模式有待进一步提出。

3.3 微咸水灌溉的作物效应

针对不同灌溉定额对作物生长、水分利用效率、 产量、糖分的影响研究报道较多。李金刚[64]提出玉米 和葵花非生育期每 2 年在 4 月中旬淡水春灌 1 次，灌 水定额 2 250 m3/hm2，生育期微咸水滴灌分别为 3 300 m3/hm2 和 2 745 m3/hm2，。田彤等[58]推荐玉米全生育 期滴灌 8 次， 每次 225 m3/hm2 ，拔节期淋洗定额为 1 050 m3/ hm2 ，均有利于作物生长。郭梦吉等[65]得到 微咸水对根系的影响主要集中体现在直径<2 mm 的 根系上。雷廷武等[66]研究发现咸水滴灌使河套灌区蜜 瓜产量提高到 39%~89%。可见，目前针对河套灌区 几种典型作物， 均有优化的微咸水灌溉制度和合理的 微咸水矿化度研究成果， 为保证微咸水灌溉下的农业 产值奠定良好基础。 利用生物工程培育适合河套灌区

微咸水水质和土壤特质的特色耐盐作物有待进一步 深入。此外， 从微咸水本身出发，提出适宜河套灌区 微咸水水质的低成本大规模咸水淡化技术以及相应 的咸水淡化设备的研制， 将是微咸水灌溉条件下保证 作物正常生长的关键。

总之， 河套灌区微咸水利用潜力较大， 随着高效 节水技术的进一步推广应用和经济作物的种植， 这种 需求更加迫切。但微咸水灌溉对作物、农田水土环境 的影响还有待进一步研究。另外， 磁化水具有促进种 子萌发、幼苗生长、提高产量、品质和加快土壤盐分 淋洗的作用， 对盐碱地具有一定的改良作用[67-69]。今

后的研究中， 应探讨磁化水灌溉技术的适用性， 提高 灌区微咸水利用效率， 针对不同作物的最佳磁化处理 条件是今后的研究重点。

4 盐碱地改良与土壤结构改善

盐碱地是重要的土地资源之一， 我国盐碱地面积 约为 3 600 万 hm2 ，占全国可利用土地面积的 4.88%。 其主要分布在北方和西北地区[70]。由于这些地区蒸降 比大， 形成了“无灌溉无农业”的生产模式。具有农 业发展潜力的盐碱地占中国耕地总面积 10%以上。我 国盐碱地呈整体恶化、面积增加的趋势， 已成为影响 我国区域经济发展、生态恢复建设的重要因素之一， 因此盐碱地改良成为一种有效增加农业产值的方式 [71]。盐碱地改良实际上就是通过适当措施降低土壤盐 分、治理盐碱化土壤， 同时改善土壤板结的问题。近 年来， 在河套灌区开展了许多因地制宜的盐碱地改良 技术研究。

4.1 盐碱地农业改良综合技术

土壤盐碱化是易溶性盐分在土壤表层积累的现 象或过程， 盐分的累积会影响土壤的理化性质， 危害 作物生长[72]。从降低盐分量，增加土壤有机质量， 减 少土壤表层蒸发等盐渍化土壤产生的原因以及遏制 盐渍化程度再度恶化方面着手[73]，盐碱地的治理措施 有： 生物措施[74]如调整农业结构、合理布局作物、种 植耐盐品种等； 工程措施[75]如灌溉洗盐、明沟或暗管 排水工程；农业措施如土地平整、深耕深翻、客土 压盐、压砂改良等；化学措施如施用土壤改良剂。 各种盐碱地改良措施各有优缺点， 从简单的一种方 法治理到多种方法并用，在河套灌区都有应用[76] 。 由于水资源紧缺等原因， 灌溉洗盐等水利措施的应 用受到限制[77] ，耐盐作物在重度盐碱地上的生物改 良方法也有局限性，不同成分，不同品种的改良剂 的涌现，使应用化学改良剂进行土壤改良迈上新台 阶。粉煤灰、脱硫石膏、双元改良剂综合运用可显 著降低盐渍化土壤 pH 值、电导率，起到控制土壤盐 分、促进团粒结构形成与稳定，改善土壤理化性质， 促进作物生长的作用[78]。

针对河套灌区蒸降比较大的特点， 开展了地表覆 盖抑盐[79-80]、秸秆深埋阻盐[81-82]、水肥盐调控技术 [83-84]和耕作控盐技术[85-89]等集成模式研究。研究表明 [90-91] 构建了西北沿黄灌区盐碱地改良与利用的技术 体系。秸秆还田在土壤保墒、出苗率、保苗率和增产 方面均占优势， 激光平地、秸秆还田的控抑盐效果优 于传统耕作。 并得到河套灌区盐碱地各技术效果优先

顺序为：水肥盐调控技术>耐盐作物与品种筛选技术>

土壤耕作控盐技术>土壤调理剂应用技术。王凡[92] 、 董芸雷等[93] 提出了适宜该地区推广应用的耐盐植物 品种、耕作控盐、秸秆深埋隔盐、地表覆盖蒸发控抑 盐、肥盐调控、灌排控盐、盐碱地土壤调理制剂、作 物抗盐增产栽培等技术与优化集成技术模式。 脱硫石 膏、有机肥的结合使用可明显脱碱脱盐， 提高作物出 苗率， 增加作物产量[93-94]。生物炭、石膏、有机肥结 合使用， 以及秸秆还田、地膜覆盖， 秸秆覆盖与有机 肥结合运用等措施可有效降低土壤含盐量， 增加有机 质， 减少土壤蒸发[95]。盐碱土施用保水剂， 既能提高 土壤持水能力又能抑制土壤氮肥和钾肥的淋溶损失 [96]。生物炭与木醋液复配，对土壤理化性质具有良好 的改善， 有效抑制表层盐分积聚[91]。综合改良技术结 合改良剂的应用在灌区还是一个新的课题， 许多机理 和实际应用技术尚在探索中。 由于河套灌区政策性引 黄水量减少等原因， 传统的水利改良措施的应用受到 限制， 盐碱地治理综合技术的应用更加重要， 迫切地 需要理论支撑。

4.2 PAM 、SAP 对土壤理化性质改良与土壤结构改善 的影响

表土结构改良剂聚丙烯酰胺(PAM) 是一种高分 子聚合物[97]，主要是通过改变土壤体积质量、孔隙度、 毛管孔隙度、 团聚体数量等土壤物理性状来絮凝细小 土粒， 稳定土壤结构[98]。土壤保水剂(SAP) 是一种 人工合成的具有很强吸水能力的高分子树脂[99]。通过 改善土壤结构、减少渗漏， 抑制土面水分蒸发， 改良 土壤结构、提高土壤抗蚀性， 起到水土保持、增加土 壤持水性的作用[100]。针对河套灌区土壤类型复杂， 盐碱地面积大，蒸发强烈的问题， PAM 和 SAP 的并 用， 可有效改善土壤结构， 降低土壤水分入渗， 减少 土面水分蒸发量， 减少径流养分流失， 增加土壤持水 保肥能力， 从而有利于植物对土壤中水分及养分的吸 收，为植物生长创造较为适宜的物理环境[101- 103] 。 PAM 可有效减少土面蒸发量，降低土壤饱和导水率， 缓解土壤盐渍化问题[97,104- 106]。PAM 和 SAP 可缓解土 壤盐渍化， 同时增加土壤持水保肥能力，但是， 对盐 渍化程度高的土壤， 其改良效果甚微。土壤改良剂的 应用， 对干旱地区作物增产效果明显， 但在盐渍化土 壤的应用效果需进一步深入研究。

4.3 土壤改良剂在灌区农业生态系统中的作用

盐碱地已成为制约河套灌区农业发展的主要障 碍，为提高灌区粮食产量、促进农业的可持续发展， 治理盐碱地改良势在必行[107] 。土壤改良剂能有效降

低土壤中交换性 Na+ 的量，达到盐碱土改良效果[108]。 添加改良剂可以提高作物出苗率、增加产量， 降低土 壤 pH 值、体积质量和提高孔隙率[109- 110] 。国内外学 者对土壤改良剂的研究较多， 且主要集中在改良剂对 土壤的理化性质、土壤中营养元素量、微生物量、作 物生长等方面[111- 113] 。河套灌区盐渍化土壤面积较大 且盐渍化程度不同， 需研究适合灌区不同程度盐渍化 土壤改良剂，并揭示其机理至关重要。

生物炭在土壤保水保肥、改善土壤微观结构、 增加有机碳量、促进作物生长和增产及固碳减排等 方面具有积极的作用[114] ，其改良效果对农业生产、 土壤改良及生态修复等都具有重要意义[115- 116]。目前 生物炭多用于改良酸性土壤，而灌区盐渍化土壤基 本呈碱性，不恰当的施入生物炭可能会产生土壤次 生盐渍化。因此， 针对灌区不同盐碱地应施入适量 生物炭，同时可以考虑施用复配型的改良剂，以提 高改良土壤的效率。

5 冻融条件下土壤水盐运移与秋浇制度

5.1 河套灌区冻融土壤水热盐运移规律与机制

河套灌区除了作物生长期蒸发积盐外， 还有冻融 作用导致的春季地表二次积盐[117] 。国内外众多学者 围绕内蒙古河套灌区特殊的地理、气候、土壤、水文 地质、 生产实际等条件下的冻融土壤水热盐运移开展 了大量研究。秋浇是河套灌区传统的秋后淋盐、春季 保墒的一种特殊灌水制度， 且秋浇后土壤经过冻、融 2 个过程， 形成复杂的水盐再分配，土壤水热盐具有 强烈的耦合作用[118- 120] 。土壤冻结过程中，温度梯度 驱动液态水的运移， 液态水冻结使得土壤负压梯度增 大，进而导致液态水由温度高处向温度低处运移[121]； 盐分在对流作用下随水分运移，导致冻结层积盐 [43,117,112] ，河套灌区冻融期土壤主控盐分类型为氯化 钠和硫酸钠， 当冻结前土壤溶液浓度梯度为正时， 冻 结层易积盐，反之冻结层主要表现为脱盐[123] 。气温 的降低引起了地温的滞后降低， 且盐分运移机制比水 分运移机制更加复杂[43]。土壤冻结过程中存在完全冻 结及部分冻结土层， 且不同盐分水平下 2 种土层的分 界线所对应的温度也有差别[124] 。为了调控气温对土 壤温度的影响，秋浇前采用秸秆覆盖秋浇农艺措施， 研究表明秸秆覆盖改变了土壤温度对气温变化的响 应关系，影响了水分、盐分在土壤剖面的重新分配， 提高了翌年春季水分可利用量， 抑制了表层及耕作层 春季返盐，秸秆适宜覆盖量 0.6~0.9 kg/m2 为宜[125- 126]。 近年来河套灌区种植结构改变、秋浇引水量减少， 导

致秋浇预留干地逐年增加， 局部秋浇导致灌溉区地下 水位迅速回落， 可以达到很好的洗盐效果， 而非灌溉 区地下水位和地下水含盐量都显著升高[127] 。秋浇地 的比例及其分布将会影响冻融期间秋浇地与预留干 地的土壤水盐运动， 其水热盐协同调控机制有待深入 研究。

5.2 河套灌区冻融土壤水热盐模型

伴随着土壤冻融机理的研究， 众多学者也针对河 套灌区开展了冻融土壤水热盐运移模型的研究， 定量 描述该地区特殊条件下冻融土壤水热耦合运移[128- 129]， 均取得了较好的效果。 在揭示季节性冻融地区土壤水 热盐迁移规律和盐渍化形成机制的基础上，引入 SHAW 模型建立了秋浇灌溉下水热盐耦合过程机理 性模拟模型[51]，实现了季节性冻融土壤盐渍化的精细 模拟[130] ，得出了适宜的秋浇前秸秆覆盖量[131] 。考虑 盐分对土壤冻结点的影响改进了土壤水热盐模拟 CoupModel 模型，提出了减少冻融土壤水热盐运移模 拟不确定性的可行方法[37] 与灌溉日期提前、灌溉周期 延长和灌溉水量减少的决策[132] 。但是， 在冻融土壤 水热盐运移模型中(如 CoupModel ，SHAW 等)，由 于过程复杂、参数较多， 导致模型存在高度的非线性。 同时， 冻融土壤参数难以通过试验获得。而且， 即使 参数可以通过试验进行测定， 由于模拟环境的不确定 性， 参数在不同模拟条件下取值并非固定。另外， 模 型对于冻融过程描述的简化也对模拟结果造成了不 确定性，这些问题均有待深入研究。为了克服非线性、 不确定性的弱点，冻融土壤水盐运动的人工智能 BP 网络预测模型充分考虑了影响水盐的多因素， 实现了 冻融土壤水盐动态预报的统一[36]。

5.3 河套灌区秋浇灌溉制度

自 20 世纪 80 年代以来， 河套灌区的秋浇灌溉制 度就受到了当地政府和学者的高度重视， 但是土壤冻 融过程中复杂的水热盐耦合关系对秋浇制度的研究 带来了一定的困难。如仅从多年秋浇实测资料分析， 应避免 10 月进行大量秋浇，而是把秋浇时间提前到 9 月或是推迟到 11 月的建议[132]，也有认为早秋浇(白 露前后)更能够达到秋浇的理想效果[19,133] 。基于实 测水、热、盐数据，在 SHAW 模型模拟河套灌区沙 壕渠试验站秋浇后的水热盐运移的基础上， 利用春小 麦播种前的水分与盐分， 确定了轻度、中度、重度盐 渍化土壤的秋浇时间和秋浇定额分别为 9 月 28 日— 10月23 日和 142~183 mm、10月 14— 18 日和 180~200、 200~225 mm[18] 。该结论与通过分析秋浇灌溉量与土 壤含水率、地下水位、土壤含盐量以及土壤温度的关

系得出的秋浇灌溉量为 150~195mm[134] 的结论接近。 另外在作物生长过程的 SWAP 模型基础上，建立了 SWAP-SHAW 耦合模型，针对季节性冻土区进行长时 间序列连续模拟， 分析了不同排水条件对小麦生长发 育的影响和不同盐碱化土壤在不同秋浇定额下的盐 分动态以及翌年小麦的生长发育情况， 得出不同盐渍 化土壤的秋浇定额[135] 。但是，以上田间试验研究和 模型模拟研究均是点尺度研究， 由于秋浇水量大、范 围广， 应该从区域尺度上且考虑地下水位的动态变化， 结合当地种植结构与引水量减少来深入探讨秋浇灌 溉制度。

6 河套灌区暗管排水

暗管排水措施能有效控制地下水位和防治土壤 盐渍化， 改善土壤结构和通透性， 是保障盐渍化灌区 可持续发展的重要技术[136- 137]。该技术的应用越来越 广泛，起初用于滨海盐碱地[138] ，学者们通过多年试 验研究，提出了系列排涝降渍的暗管合理布局[139- 141]。 近年来， 西北干旱半干旱地区开始尝试利用暗管排水 协同灌溉进行盐渍化土壤治理， 针对土壤水分、土壤 盐分、土壤理化性质、以及氮素循环和作物产量等进 行了大量的田间试验[142- 145]。由于暗管排水技术引进 时间晚， 导致试验具有局限性， 对于改良盐渍化土壤 的暗管布局研究相对较少[146] ，尚未对其进行系统性 研究。对于暗管排水的数值模拟也进行了大量研究， 但也大 多是在滨海地区与南方地区，其中多 为 DRAINMOD 模型，该模型能够较好的模拟农田排水 过程[147- 149] 。同时也有利用 HYDRUS 模型模拟暗管 排水过程土壤水盐运移规律， 大多集中在干旱半干旱 地区[144- 146]。Cox 等[150] 的研究表明 DRAINMOD 模型 同样适用于干旱区， 因此利用模型模拟干旱区农田排 水过程， 研究改良盐渍化土壤的暗管合理布局， 将有 待进一步加强研究和推广。

灌区通过暗管排水淋洗出盐分， 达到改良盐渍化 土壤目的， 同时实施暗管排水将面临的挑战是如何维 持土壤水盐平衡， 如何能够保持控盐与保墒之间的平 衡，在排水过程中如何兼顾农业生产以及环境保护的 影响， 同时灌区长期大规模使用暗管排水肯定还会导 致一些新的农业环境问题，需要进一步深入研究。

7 结论与展望

内蒙古河套灌区是我国重要的农业规模化生产 和商品粮、油基地， 是引黄河水灌溉形成的荒漠绿洲， 在绿色发展的理念下， 灌区的生态环境也需要重新认

识。随着引水量的减少、种植结构的改变、节水改造 工程以及盐碱地改良工程的大量实施， 灌区农田水土 环境和生态环境都发生了新的变化，问题更加复杂， 需要多学科交叉开展研究。如何缓解灌区用水矛盾、 摸清灌区水盐空间分布特征， 保障灌区生态环境健康 是灌区发展的首要前提。基于已有的研究成果， 今后 应在以下方面加强研究:

1)基于灌区生态安全的土壤水盐运移研究

结合生态需求， 综合考虑灌区水土环境、植被影 响以及社会经济因素， 将改进的插值方法， 遥感反演 技术和生态水文模型相互结合， 综合分析灌区不同尺 度耗水和水盐动态对不同用水管理措施的响应规律； 确定适用于该地区的模型； 对比分析不同节水、排水、 生态补水方案情况下的用水管理策略。 为灌区合理利 用水土资源提供有效的技术支持。

2)基于多种方法对盐碱地改良的研究

传统盐碱地改良方法的应用受到限制， 且治理重 度盐碱地的效果甚微， 耐盐作物种植是微咸水灌溉和 盐碱地改良经济有效的途径之一， 利用生物工程培育 适合河套灌区微咸水水质和土壤特质的特色耐盐作 物， 结合磁化水来提高耕作区微咸水利用效率， 并通 过结合施用改良剂等多种盐碱地改良方法有待进一 步深入研究。随着技术和经济发展， 暗管排水技术近 年开始在河套灌区改良盐渍化土壤中应用， 但如何能 够保持控盐与保墒之间的平衡， 充分利用有限的水资 源，在排水过程中如何兼顾农业生产以及环境保护的 影响，需要进一步深入研究。

致谢： 感谢王国帅、吴迪、王维刚、张文聪、娄帅、孙伟、 郭珈玮、周利颖、窦旭等在文献查阅中给予的大力帮助。

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