內蒙古河套灌區水鹽運動與鹽漬化防治研究展望

史海濱，楊樹青，李瑞平，李仙岳， 李為萍，閆建文，苗慶豐，李 禎

（1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018； 2.高效節水技術裝備與水土環境效應內蒙古自治區工程研究中心，呼和浩特 010018）

關 鍵 字：河套灌區；鹽漬化防治；鹽堿地改良；生態環境；水鹽運移規律

0 引 言

內蒙古河套灌區是黃河中上游典型的鹽漬化特大型灌區，地處內陸干旱區，降雨量少，蒸發量大，蒸降比在10 以上，無灌溉則無農業[1]。灌區地形平坦，引黃控制面積116.2 萬hm2，是國家和自治區重要的商品糧、油生產基地。土壤鹽漬化一直是困擾灌區農業生產發展的主要問題，20 世紀60 年代以來，國內外學者圍繞著水鹽運移和鹽漬化防治及環境效應開展了大量的科學研究。引起了國內外科研工作者的極大關注，目前有20 余所高等院校和科研院所在河套灌區進行科學研究，從工程措施、化學措施、農業措施和生物措施等入手，開展了鹽堿地治理研究。

利用經典統計學、地質統計學和遙感技術研究了區域土壤水鹽時空分布規律，以及不同地類間水鹽補徑排關系；基于HYDRUS、SWAP、SHAW、MODFLOW 和SWAT 等模型研究了土壤水鹽運移規律；并研究了微咸水灌溉對水土環境的影響效應；開展了鹽漬化土壤防治綜合技術的研究等。經過幾代人的努力，取得了豐碩的成果。

河套灌區面臨新的形勢，由于指令性節水，引水量減少20%以上，用水量將減少到40 億m3。近些年，灌區土壤和地下水以及生態環境發生了變化，多年來形成的區域水鹽平衡體系被打破，隨著節水工程建設和實施灌區的生態環境出現了許多新的問題，如土壤鹽漬化、地下水位下降、水土環境污染和濕地萎縮等問題。如何提高灌區用水效率，摸清灌區水鹽空間分布特征，掌握劣質水灌溉的環境效應，確定灌區生態地下水水位及節水改造強度控制閾值，對灌區農業可持續發展和水資源優化配置具有重要作用。本文總結2000 年以來灌區的研究成果，對灌區面臨的形勢與需解決的科學問題進行了展望，旨在為現代灌區建設提供參考。

1 區域土壤水鹽時空分布規律

1.1 區域水鹽空間分布主要分析方法

隨著灌區節水改造工程的實施和高效用水政策的落實，用水量顯著減少，排水量也必然隨之減少，灌區每年積鹽達120～150 萬t。從表觀上看，灌區的鹽漬化程度卻是降低了，但是“鹽分去哪里了”？因此，摸清鹽漬化灌區土壤水鹽空間分布特征，準確把握水鹽時空動態變化規律，對灌區農業發展和水資源優化配置具有重要作用[2]。目前，地統計學是區域土壤水鹽空間分布規律及動態變化分析的重要方法[3]。其中反距離加權（IDW）、普通克里金（OK）和普通協克里金（OCK）是較為常用的空間插值方法，由于數據變異性、方法本身的特征、抽樣設計等因素的影響，空間插值方法的選取成為國內外土壤特性空間分析的討論熱點，但相應的研究結果并不明確[4]。普通克里金具有較強的預測土壤水鹽總體趨勢的能力，但克里金法容易將局部最值平滑化，為了識別鹽漬化風險區，反距離加權方法則能夠更精確地預測土壤水鹽的局部特征，二者的優劣尚有爭論[5]。因此，建議在進行土壤水鹽定點監測前，對方法本身特性、抽樣設計和數據變化等因素進行綜合考慮，為準確評估區域土壤水鹽空間變異特性奠定基礎。為了避免數據本身變異性對空間變異分析的影響，很多學者將經典統計和地統計學結合分析了區域水鹽的變異特性[6]，取得了較好的效果。除了經典統計和地統計學以外，還有部分研究運用BP 神經網絡模型分析區域水鹽空間變異性。BP 神經網絡模型不能像地統計方法那樣定量描述土壤性質的空間自相關性，但該模型能更好地描述土壤水分分布復雜的非線性特性，是一種反映土壤水分變化與其主要影響因子之間非線性關系模型的好方法，但具有一定的適用范圍[7]。

區域鹽漬化是由諸多因素共同導致的，將諸多因素在地理位置上疊加分析是原有地統計學方法無法實現的。隨著GIS、信息捕捉技術以及遙感技術的飛速發展，為區域水鹽空間變異研究提供了更為有效的方法，相關研究表現出了較為明顯的優勢[8]。伴隨著3S 技術的發展，運用遙感技術開展灌區土壤鹽漬化趨勢研究也表現出獨特優勢。目前主要是以遙感數據為基礎，把地理環境數據、生態狀況與光譜信息有機結合，在算法上以知識庫為基礎的推理決策樹、分層信息、支持向量機、對應分析、波段遙感等多種分類方法相繼產生并迅速發展。相關學者基于遙感和GIS技術，利用LandsatTM/ETM 數據，分析了河套灌區1987—2014 年土地鹽堿化時空演變，構建了河套灌區土壤水溶性鹽基離子高光譜綜合反演模型[9]。但相關方法還存在地域性強、通用性差、區分提取精度低等不足。如何提高精度、數據可靠性，使研究成果更加符合實際成為遙感技術應用的關鍵。

1.2 河套灌區水鹽空間分布規律

自1998 年實施節水改造以來，灌區水循環和地下水埋深發生了較大變化，造成區域土壤水鹽及垂直剖面上的重分布。因此，在區域、空間和時間尺度上灌區節水改造后土壤水鹽分布規律研究十分必要[10]。史海濱等[6]、步懷亮[11]和李彬[12]分別在點尺度和面尺度上分析了節水改造后土壤水鹽的變化規律。節水改造后土壤鹽漬化程度減輕，作物生長安全區面積增加，表聚作用弱化，秋澆水量減少，土壤鹽分淋洗效果減弱，土壤環境有所改善。以上研究均是對河套灌區不同尺度、不同時期、節水改造等因素的區域水鹽運移規律的研究，但還不能回答“鹽分去哪了”這個問題。

由于灌區面積較大，很難在全灌區開展高精度的監測研究，因此尺度轉化就成了保證區域研究精度保證的一個重要手段。徐英等[13]開展了中小尺度水鹽空間變異轉化問題的研究。研究發現，一維條件下，土壤水鹽變化性在hr=25～100 m 采樣尺度下，可以用100 m 的觀測網模擬25 m 觀測網的含水率和含鹽量，在同一級結構中大尺度的變化性才包含較小尺度。馬璐瑤等[14]采用空間插值的方法對灌域與田間2 個尺度開展了水鹽空間變異研究，表明相同深度下大尺度的土壤水鹽變異性大于點尺度。管孝艷等[15]運用多重分形理論分析了不同尺度水鹽空間變異性，但由于河套灌區土壤、氣候、灌溉等因素差異，相關研究的適用范圍還有一定局限性。

河套灌區地下水埋深較淺，年內周期變幅大的原因，致使區域土壤與地下水水鹽交互頻繁，灌區很容易產生次生鹽漬化。馬金慧等[16]利用灰色關聯分析、指示克里金等方法和對不同地下水埋深條件下的土壤含水量、含鹽量、地下水埋深和地下水礦化度進行了交叉綜合排序提出相同礦化度條件下，地下水埋深淺是導致土壤鹽漬化的直接原因。然而若想控制春灌前地下水礦化度，控制前1 年秋澆水量則是關鍵因素。由于灌區秋澆水量占總引水量的1/2 左右，灌水量巨大，是影響灌區春灌前土壤墑情和鹽漬化程度的主要因素。毛威等[17]研究表明河套灌區地下水礦化度與秋澆頻率有較大關系。對于井灌區，建議采用黃河水2 年1 次進行秋澆壓鹽，可以長期將土壤全鹽維持在3 g/kg 以下，以滿足作物生長需求。李瑞平等[18]運用SHAW 模型確定了不同鹽漬化土壤合理的秋澆節水灌溉制度。還有研究表明[19]早秋澆可使0～20 cm 土層脫鹽率提高0.4%，0～100 cm 土層脫鹽率提高9.7%；可節水300～1 500 m3/hm2。以上相關研究對灌區引水量調配和土壤鹽漬化防控都有著重要的指導意義。

河套灌區另一個特點是尚有占灌區總土地面積 48.7%的插花分布的非耕地（包括低洼濕地和水域）[20]，夏季河套灌區單個面積大于3.33 hm2的淖爾數量在321～494 個（不包含烏梁素海）[21]，研究表明[22]灌區荒地和低洼濕地有排水積鹽作用，耕地每年平均有28.1%的灌溉水滲入荒地,荒地每年積鹽0.27 kg/m2，為灌溉水鹽分的38.3%。岳衛峰等[23]指出進入義長灌域的鹽分多于排出灌域的鹽分，灌域處于積鹽狀態。因此滯留在灌區內的鹽分只能在灌區內部進行再分配。李亮等[24]利用HYDRUS-1D 模型對荒地土壤水鹽的遷移規律進行了模擬。結果表明，5 cm 土層EC值上升了66.10%，20 cm 土層EC 值上升了63.89%，荒地在作物生育期是積鹽的過程。任東陽等[25]通過對整個觀測區及其內部的不同作物田塊分別建立水平衡方程，揭示了典型灌排單元農田水量和鹽量轉化關系，結果表明，農田積累了總引入鹽分的39%，荒地承納了總引入鹽分的40%。岳衛峰等[23]通過建立非農區-農區-水域的水鹽運移及均衡模型，對水鹽的遷移進行了定量分析。結果顯示，農區脫鹽量的75%隨地下水遷移到了非農區。Mao 等[26]利用SaltMod 模型，研究了井渠雙灌的地下水和鹽分的遷移變化過程，結果表明，鹽分將在井灌區的根系處積累，但不影響作物的產量，渠灌區根系有輕微脫鹽趨勢，鹽分主要在井渠雙灌的含水層積累，且含水層的鹽分將會從渠灌區向井灌區遷移。由于氣候干旱，降雨補給十分有限，灌區內的海子（小湖泊）主要依靠灌溉回歸水補給，耕地—荒地—海子間存在著密切的水力聯系，王國帥等[27]通過對耕地—荒地—海子系統分別構建水量和鹽量平衡模型，揭示了耕地—荒地—海子系統間水分和鹽分運移關系，結果表明，在灌溉條件下，耕地地下水鹽分平均增加861.45 kg/（hm2·a），耕地地下水遷移給荒地的平均鹽量為3 231.90 kg/（hm2·a），荒地地下水遷移給海子的平均鹽量為3 139.7 kg/（hm2·a）。部分回答“鹽分去哪了”這個問題，但是由于觀測手段以及土壤、作物差異，研究區域是否具有代表性還需要進一步深入研究。

隨著引黃水量的減少、種植結構的改變、節水改造工程以及鹽堿地改良工程的大量實施，灌區水鹽分布規律將產生新的變化，需在前人研究的基礎上，開展變化環境下水鹽響應機理、不同地類間水鹽補徑排關系以及灌區鹽分演化機制及評價等區域水鹽規律研究。改進現有插值方法，充分運用遙感反演技術，提高區域水鹽分析精度。排水是灌區功能的重要組成部分，隨著排水工程的完善，需開展灌排結合的區域水鹽研究。在區域尺度，將地下水、土壤水與灌溉、排水等系統結合起來，結合灌區排水工程及地下水位控制需要，開展地下排水模擬預測與區域水鹽變化規律的評價。提出灌排結合綜合管理措施，為灌區鹽堿地改良提供科學依據。

2 土壤水鹽運移規律

2.1 土壤水鹽運移規律研究進展

土壤水鹽運移機理是河套灌區鹽漬化研究的核心問題。加強土壤水鹽系統研究，了解土壤中鹽溶質運移機理及變化規律，并以適宜的數學模型進行定量化的數值模擬，可為河套灌區土壤鹽漬化的監測、評價、治理夯實基礎[28]。

在田間試驗基礎上，開展了某一單因素或多種因素同時存在情況下對土壤水鹽運移的影響研究，探討了不同覆蓋和耕作條件對土壤水鹽運移的影響。設置不同秸稈隔層材料[29]，分析秸稈隔層處理抑制土壤鹽分的機理，研究表明秸稈隔層增強了鹽分淋洗效果；設置不同覆膜方式[30]，全膜覆蓋處理保水抑蒸效果明顯，起到了較好的壓鹽效果；設置不同灌溉制度[31]，研究不同滴灌制度下土壤剖面水分、鹽分分布規律，得到鹽分均由膜內向膜外地表裸露區定向遷移，趨于膜外地表積累。孫貫芳等[31]利用黃河水灌溉控制灌水下限為-10 kPa 可有效淋洗0～100 cm 土壤鹽分，而李金剛等[32]利用微咸水灌溉控制灌水下限為-30 kPa，既能較充分淋洗膜內表層土壤鹽分，又不會造成微咸水中的鹽分積累；溝灌和常規畦灌下玉米根系區灌前各土層含水率均呈“S”形變化規律，低水分條件下溝灌較常規畦灌有更好的壓鹽效果[33]。

前人開展了在某一種或多種特定條件下土壤水鹽運移的規律特征研究。如針對某一單種作物條件下[31]，獲得了溝灌條件下，玉米土壤含鹽量呈現近“倒V”形變化規律[33]；某一灌溉水質條件下[32]與某一灌溉方式條件下（多為膜下滴灌），滴頭下方30 cm 附近形成主要脫鹽區，鹽分逐漸向濕潤區外緣積累[30]；多人探討了間作或套種條件下[34-35]土壤水鹽運移規律，指出間作模式下根系在土壤空間的疊加利用效應可以使小麥帶降低的土壤EC 均值0.2%～1.5%，使玉米帶降低的土壤EC 均值2.7%～3.1%；針對特有的季節性土壤（多為凍融期）[36-37]研究表明，凍融期土壤鹽分濃度變化的主控鹽分類型是氯化鈉和硫酸鈉；凍結期非凍結區水分向凍結區運移使得凍結區土壤含水率增加，消融期上層土壤反漿導致土壤表層反鹽[38]；針對某一土地利用類型（特指荒地）[24]條件下，秋澆63%的補給水分用來淋洗鹽分，荒地中1 m 深土壤含鹽量減少0.26 kg/m2。

田間試驗進行常規觀測耗時、費力、干擾因素多，且研究周期長，研究對象及影響因素單一，對于河套灌區大尺度、復雜土壤類型、土地利用及種植結構條件下難以全面的剖析土壤水鹽運移規律的時空變異特征，在今后的研究中需要更多的結合數學物理等模型進行模擬。

2.2 河套灌區土壤水鹽運移模型研究進展

在田間試驗的基礎上， 眾多學者利用HYRDRUS[24,39-41]、SWAP[42,47-50]、SHAW[51]等模型模擬了河套灌區土壤水鹽運移分布規律，且具有較好的仿真度，但這些模型多為點模型，很難用于田間實際土壤的預測模擬。其次，由于實際問題的復雜性，常常需要對現有模型進行改進及耦合處理，以克服模型應用中的不足。同時將點尺度模型擴展到區域尺度上進行應用也是研究的熱點，例如Ren等[39-40]采用HYDRUS-dualKc耦合模型提升了HYDRUS的蒸散發精度，并彌補了雙作物系數法中缺少鹽分運移模塊的缺陷；郝遠遠等[41]、Xu等[42]將HYDRUS、SWAP水鹽模型和EPIC作物生長模型進行耦合，彌補了HYDRUS-1D中缺少作物生長模擬模塊的缺陷和修正SWAP對根系吸水的模擬。李瑞平等[43]利用BP神經網絡預測模型充分考慮了水鹽耦合效應，實現了凍融土壤水鹽動態預報的統一?；粼倭值萚44]基于神經網絡模型正確表達了油葵的相對產量和各個生育階段土壤溶液相對濃度之間的關系。喬冬梅等[45-46]利用BP神經網絡模型展示了不同淺地下水埋深條件下作物生育期內土壤水鹽動態規律，并基于作物根系吸水項的垂向一維土壤水運動方程，成功地將人工神經網絡技術引入根系吸水模型的建立中，結果表明吸水層集中在0～50 cm之間，最大吸水峰值在20～40 cm之間運移。

將HYDRUS、SWAP 水鹽模型和MODFLOW 地下水流動模型耦合，以解決在地表水與地下水交互作用下、特定灌溉條件下、特定種植作物下、不同灌溉制度下的土壤水鹽運動及其各要素的轉化關系[47-49]，構建可以應用于區域尺度的農田水鹽動態模擬GSWAP 模型，利用GIS 高效處理分析模型數據的優點，實現可視化顯示和空間分析，開展了區域農田水鹽動態模擬[50]；修正后的水熱鹽耦合過程的機理性模型SHAW 模型具有精度高、真實可靠的優點，實現了季節性凍融土壤鹽漬化的精細模擬[51]。根據區域的需要，應用改進的分布式SWAT 模型對灌區的非點源污染進行評價[52]，建立引發土壤鹽漬化的修正區域飽和—非飽和水流運動和溶質運移擬三維數學模型，并將其應用于大區域水鹽運動數值模擬[53]。但在區域動態預測中均存在一定的限制，而多過程耦合模型又容易存在參數率定驗證困難、模型耦合結構復雜等問題。近年來，GIS、高光譜影像、DEM 等數據在區域土壤水鹽運移監測、時空模擬方面的研究逐漸成為熱點。因此，結合GIS 技術將土壤水鹽運移模擬研究從田間擴展到區域尺度，是未來河套灌區土壤水鹽運移模型的研究方向。各類模型都有其特定的適用性及側重研究的問題，耦合模型可以多個過程同時模擬，充分考慮不同過程之間的相互作用，但在考慮更多子過程的同時也囊括了更多的參數，造成模型率定時容易出現“異參同效”現象，從而造成模型在實際應用中的困難。在應用時需要針對具體的研究區域和擬解決的問題進行合理修正，以提升模型的適用性。

3 微咸水灌溉農田-作物效應

3.1 微咸水灌溉土壤環境效應

微咸水灌溉區域，土壤環境效應研究具有重要意義[54]。微咸水鹽分濃度過大，將使土地質量存在潛在惡化的趨勢[55]。微咸水濃度達到某一臨界值時，鹽分在某一深度土層明顯集聚[56]。葉志剛等[57]研究表明，微咸水不同的灌溉組合也將緩解微咸水負效應。田彤等[58]研究發現微咸水在玉米拔節期淋洗能降低土壤次生鹽堿化的風險。雖然微咸水灌溉易引起土壤積鹽，但在適宜的灌溉水平和鹽分質量濃度下，結合合理的鹽分淋洗制度，這種環境負效應會得到有效緩解。由于影響微咸水灌溉的因素眾多，目前的成果還很有局限性，如大面積推廣應用尚有許多問題需要進一步研究。

微咸水灌溉土壤水鹽運移過程復雜，田間試驗有局限性，許多研究學者開展了土壤水鹽運移模擬研究，如基于HYDRUS 模型得出河套灌區優化微咸水利用模式、灌溉方式等[57]。微咸水灌溉土壤次生鹽漬化潛在威脅加大，控制地下水位更為重要，郝遠遠等[41]基于HYDRUS-EPIC 模型模擬生育期內根區土壤作物耗水需求，得出宜將淺埋區地下水平均埋深控制在1.3 m 以下。咸淡水輪灌模式對土壤水鹽運移影響顯著，楊樹青等[56]運用SWAP 模型預測了向日葵土壤表層（5 cm）和耕作層（100 cm）的土壤含鹽量。唐秀楠等[59]模擬了枸杞咸淡水輪灌模式，推薦“淡咸咸”為最佳輪灌模式。河套灌區微咸水灌溉的模型研究多針對農田尺度，但此時的土壤水鹽運移還受到周邊諸多環境因子的影響，研究還需加強。微咸水中的鹽分必然會影響到深層地下水及研究區以外的水環境，如何從河套灌區尺度上建立有效的數值模型，評價微咸水灌溉的水土環境效應，是維持灌區鹽分補排平衡及環境可持續發展的關鍵問題。此外，咸水資源總量、可開采量、水質、埋藏條件、時空分布狀況等是進行微咸水灌溉決策的重要依據。有待構建適宜河套灌區微咸水資源的評價標準和技術體系。

3.2 微咸水優化灌溉模式研究

在適宜的鹽分濃度和合理的灌水量、輪灌模式下，微咸水灌溉不會導致土壤次生鹽漬化[60]。當采用黃河水（淡水）與咸水交替灌溉時，可對土壤環境影響最小，且作物相對產量在84%以上[56]。咸水灌溉量對土壤鹽分淋洗具有重要影響[62]，咸水灌溉后，土壤鹽分有一定的積累，但在灌溉淋洗（如秋澆）條件下，能實現土壤水鹽平衡[63]。而抽取地下微咸水灌溉后，灌區地下水位略有下降，可達到鹽分平衡[49]。針對微咸水灌溉模式的研究主要圍繞微咸水輪灌措施、礦化度、淋洗等方面進行，這些成果已為河套灌區微咸水灌溉的推廣提供了有力支撐。但這些研究大多針對微咸水如何“灌”，然而要維持河套灌區的鹽分平衡，進入區域的鹽分必須能有效排出區域外。所以，適宜的微咸水灌溉排鹽模式有待進一步提出。

3.3 微咸水灌溉的作物效應

針對不同灌溉定額對作物生長、水分利用效率、產量、糖分的影響研究報道較多。李金剛[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，灌水定額2 250 m3/hm2，生育期微咸水滴灌分別為3 300 m3/hm2和2 745 m3/hm2，。田彤等[58]推薦玉米全生育期滴灌8 次，每次225 m3/hm2，拔節期淋洗定額為1 050 m3/ hm2，均有利于作物生長。郭夢吉等[65]得到微咸水對根系的影響主要集中體現在直徑<2 mm 的根系上。雷廷武等[66]研究發現咸水滴灌使河套灌區蜜瓜產量提高到39%～89%。可見，目前針對河套灌區幾種典型作物，均有優化的微咸水灌溉制度和合理的微咸水礦化度研究成果，為保證微咸水灌溉下的農業產值奠定良好基礎。利用生物工程培育適合河套灌區微咸水水質和土壤特質的特色耐鹽作物有待進一步深入。此外，從微咸水本身出發，提出適宜河套灌區微咸水水質的低成本大規模咸水淡化技術以及相應的咸水淡化設備的研制，將是微咸水灌溉條件下保證作物正常生長的關鍵。

總之，河套灌區微咸水利用潛力較大，隨著高效節水技術的進一步推廣應用和經濟作物的種植，這種需求更加迫切。但微咸水灌溉對作物、農田水土環境的影響還有待進一步研究。另外，磁化水具有促進種子萌發、幼苗生長、提高產量、品質和加快土壤鹽分淋洗的作用，對鹽堿地具有一定的改良作用[67-69]。今后的研究中，應探討磁化水灌溉技術的適用性，提高灌區微咸水利用效率，針對不同作物的最佳磁化處理條件是今后的研究重點。

4 鹽堿地改良與土壤結構改善

鹽堿地是重要的土地資源之一，我國鹽堿地面積約為3 600 萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%。其主要分布在北方和西北地區[70]。由于這些地區蒸降比大，形成了“無灌溉無農業”的生產模式。具有農業發展潛力的鹽堿地占中國耕地總面積10%以上。我國鹽堿地呈整體惡化、面積增加的趨勢，已成為影響我國區域經濟發展、生態恢復建設的重要因素之一，因此鹽堿地改良成為一種有效增加農業產值的方式[71]。鹽堿地改良實際上就是通過適當措施降低土壤鹽分、治理鹽堿化土壤，同時改善土壤板結的問題。近年來，在河套灌區開展了許多因地制宜的鹽堿地改良技術研究。

4.1 鹽堿地農業改良綜合技術

土壤鹽堿化是易溶性鹽分在土壤表層積累的現象或過程，鹽分的累積會影響土壤的理化性質，危害作物生長[72]。從降低鹽分量，增加土壤有機質量，減少土壤表層蒸發等鹽漬化土壤產生的原因以及遏制鹽漬化程度再度惡化方面著手[73]，鹽堿地的治理措施有：生物措施[74]如調整農業結構、合理布局作物、種植耐鹽品種等；工程措施[75]如灌溉洗鹽、明溝或暗管排水工程；農業措施如土地平整、深耕深翻、客土壓鹽、壓砂改良等；化學措施如施用土壤改良劑。各種鹽堿地改良措施各有優缺點，從簡單的一種方法治理到多種方法并用，在河套灌區都有應用[76]。由于水資源緊缺等原因，灌溉洗鹽等水利措施的應用受到限制[77]，耐鹽作物在重度鹽堿地上的生物改良方法也有局限性，不同成分，不同品種的改良劑的涌現，使應用化學改良劑進行土壤改良邁上新臺階。粉煤灰、脫硫石膏、雙元改良劑綜合運用可顯著降低鹽漬化土壤pH 值、電導率，起到控制土壤鹽分、促進團粒結構形成與穩定，改善土壤理化性質，促進作物生長的作用[78]。

針對河套灌區蒸降比較大的特點，開展了地表覆蓋抑鹽[79-80]、秸稈深埋阻鹽[81-82]、水肥鹽調控技術[83-84]和耕作控鹽技術[85-89]等集成模式研究。研究表明[90-91]構建了西北沿黃灌區鹽堿地改良與利用的技術體系。秸稈還田在土壤保墑、出苗率、保苗率和增產方面均占優勢，激光平地、秸稈還田的控抑鹽效果優于傳統耕作。并得到河套灌區鹽堿地各技術效果優先順序為：水肥鹽調控技術>耐鹽作物與品種篩選技術>土壤耕作控鹽技術>土壤調理劑應用技術。王凡[92]、董蕓雷等[93]提出了適宜該地區推廣應用的耐鹽植物品種、耕作控鹽、秸稈深埋隔鹽、地表覆蓋蒸發控抑鹽、肥鹽調控、灌排控鹽、鹽堿地土壤調理制劑、作物抗鹽增產栽培等技術與優化集成技術模式。脫硫石膏、有機肥的結合使用可明顯脫堿脫鹽，提高作物出苗率，增加作物產量[93-94]。生物炭、石膏、有機肥結合使用，以及秸稈還田、地膜覆蓋，秸稈覆蓋與有機肥結合運用等措施可有效降低土壤含鹽量，增加有機質，減少土壤蒸發[95]。鹽堿土施用保水劑，既能提高土壤持水能力又能抑制土壤氮肥和鉀肥的淋溶損失[96]。生物炭與木醋液復配，對土壤理化性質具有良好的改善，有效抑制表層鹽分積聚[91]。綜合改良技術結合改良劑的應用在灌區還是一個新的課題，許多機理和實際應用技術尚在探索中。由于河套灌區政策性引黃水量減少等原因，傳統的水利改良措施的應用受到限制，鹽堿地治理綜合技術的應用更加重要，迫切地需要理論支撐。

4.2 PAM、SAP 對土壤理化性質改良與土壤結構改善的影響

表土結構改良劑聚丙烯酰胺（PAM）是一種高分子聚合物[97]，主要是通過改變土壤體積質量、孔隙度、毛管孔隙度、團聚體數量等土壤物理性狀來絮凝細小土粒，穩定土壤結構[98]。土壤保水劑（SAP）是一種人工合成的具有很強吸水能力的高分子樹脂[99]。通過改善土壤結構、減少滲漏，抑制土面水分蒸發，改良土壤結構、提高土壤抗蝕性，起到水土保持、增加土壤持水性的作用[100]。針對河套灌區土壤類型復雜，鹽堿地面積大，蒸發強烈的問題，PAM 和SAP 的并用，可有效改善土壤結構，降低土壤水分入滲，減少土面水分蒸發量，減少徑流養分流失，增加土壤持水保肥能力，從而有利于植物對土壤中水分及養分的吸收，為植物生長創造較為適宜的物理環境[101-103]。PAM 可有效減少土面蒸發量，降低土壤飽和導水率，緩解土壤鹽漬化問題[97,104-106]。PAM 和SAP 可緩解土壤鹽漬化，同時增加土壤持水保肥能力，但是，對鹽漬化程度高的土壤，其改良效果甚微。土壤改良劑的應用，對干旱地區作物增產效果明顯，但在鹽漬化土壤的應用效果需進一步深入研究。

4.3 土壤改良劑在灌區農業生態系統中的作用

鹽堿地已成為制約河套灌區農業發展的主要障礙，為提高灌區糧食產量、促進農業的可持續發展，治理鹽堿地改良勢在必行[107]。土壤改良劑能有效降低土壤中交換性Na+的量，達到鹽堿土改良效果[108]。添加改良劑可以提高作物出苗率、增加產量，降低土壤pH 值、體積質量和提高孔隙率[109-110]。國內外學者對土壤改良劑的研究較多，且主要集中在改良劑對土壤的理化性質、土壤中營養元素量、微生物量、作物生長等方面[111-113]。河套灌區鹽漬化土壤面積較大且鹽漬化程度不同，需研究適合灌區不同程度鹽漬化土壤改良劑，并揭示其機理至關重要。

生物炭在土壤保水保肥、改善土壤微觀結構、增加有機碳量、促進作物生長和增產及固碳減排等方面具有積極的作用[114]，其改良效果對農業生產、土壤改良及生態修復等都具有重要意義[115-116]。目前生物炭多用于改良酸性土壤，而灌區鹽漬化土壤基本呈堿性，不恰當的施入生物炭可能會產生土壤次生鹽漬化。因此，針對灌區不同鹽堿地應施入適量生物炭，同時可以考慮施用復配型的改良劑，以提高改良土壤的效率。

5 凍融條件下土壤水鹽運移與秋澆制度

5.1 河套灌區凍融土壤水熱鹽運移規律與機制

河套灌區除了作物生長期蒸發積鹽外，還有凍融作用導致的春季地表二次積鹽[117]。國內外眾多學者圍繞內蒙古河套灌區特殊的地理、氣候、土壤、水文地質、生產實際等條件下的凍融土壤水熱鹽運移開展了大量研究。秋澆是河套灌區傳統的秋后淋鹽、春季保墑的一種特殊灌水制度，且秋澆后土壤經過凍、融2 個過程，形成復雜的水鹽再分配，土壤水熱鹽具有強烈的耦合作用[118-120]。土壤凍結過程中，溫度梯度驅動液態水的運移，液態水凍結使得土壤負壓梯度增大，進而導致液態水由溫度高處向溫度低處運移[121]；鹽分在對流作用下隨水分運移，導致凍結層積鹽[43,117,112]，河套灌區凍融期土壤主控鹽分類型為氯化鈉和硫酸鈉，當凍結前土壤溶液濃度梯度為正時，凍結層易積鹽，反之凍結層主要表現為脫鹽[123]。氣溫的降低引起了地溫的滯后降低，且鹽分運移機制比水分運移機制更加復雜[43]。土壤凍結過程中存在完全凍結及部分凍結土層，且不同鹽分水平下2 種土層的分界線所對應的溫度也有差別[124]。為了調控氣溫對土壤溫度的影響，秋澆前采用秸稈覆蓋秋澆農藝措施，研究表明秸稈覆蓋改變了土壤溫度對氣溫變化的響應關系，影響了水分、鹽分在土壤剖面的重新分配，提高了翌年春季水分可利用量，抑制了表層及耕作層春季返鹽，秸稈適宜覆蓋量0.6～0.9 kg/m2為宜[125-126]。近年來河套灌區種植結構改變、秋澆引水量減少，導致秋澆預留干地逐年增加，局部秋澆導致灌溉區地下水位迅速回落，可以達到很好的洗鹽效果，而非灌溉區地下水位和地下水含鹽量都顯著升高[127]。秋澆地的比例及其分布將會影響凍融期間秋澆地與預留干地的土壤水鹽運動，其水熱鹽協同調控機制有待深入研究。

5.2 河套灌區凍融土壤水熱鹽模型

伴隨著土壤凍融機理的研究，眾多學者也針對河套灌區開展了凍融土壤水熱鹽運移模型的研究，定量描述該地區特殊條件下凍融土壤水熱耦合運移[128-129]，均取得了較好的效果。在揭示季節性凍融地區土壤水熱鹽遷移規律和鹽漬化形成機制的基礎上，引入SHAW 模型建立了秋澆灌溉下水熱鹽耦合過程機理性模擬模型[51]，實現了季節性凍融土壤鹽漬化的精細模擬[130]，得出了適宜的秋澆前秸稈覆蓋量[131]?？紤]鹽分對土壤凍結點的影響改進了土壤水熱鹽模擬CoupModel 模型，提出了減少凍融土壤水熱鹽運移模擬不確定性的可行方法[37]與灌溉日期提前、灌溉周期延長和灌溉水量減少的決策[132]。但是，在凍融土壤水熱鹽運移模型中（如CoupModel，SHAW 等），由于過程復雜、參數較多，導致模型存在高度的非線性。同時，凍融土壤參數難以通過試驗獲得。而且，即使參數可以通過試驗進行測定，由于模擬環境的不確定性，參數在不同模擬條件下取值并非固定。另外，模型對于凍融過程描述的簡化也對模擬結果造成了不確定性，這些問題均有待深入研究。為了克服非線性、不確定性的弱點，凍融土壤水鹽運動的人工智能BP 網絡預測模型充分考慮了影響水鹽的多因素，實現了凍融土壤水鹽動態預報的統一[36]。

5.3 河套灌區秋澆灌溉制度

自20 世紀80 年代以來，河套灌區的秋澆灌溉制度就受到了當地政府和學者的高度重視，但是土壤凍融過程中復雜的水熱鹽耦合關系對秋澆制度的研究帶來了一定的困難。如僅從多年秋澆實測資料分析，應避免10 月進行大量秋澆，而是把秋澆時間提前到9 月或是推遲到11 月的建議[132]，也有認為早秋澆（白露前后）更能夠達到秋澆的理想效果[19,133]?；趯崪y水、熱、鹽數據，在SHAW 模型模擬河套灌區沙壕渠試驗站秋澆后的水熱鹽運移的基礎上，利用春小麥播種前的水分與鹽分，確定了輕度、中度、重度鹽漬化土壤的秋澆時間和秋澆定額分別為9 月28 日—10 月23 日和142～183 mm、10 月14—18 日和180～200、200～225 mm[18]。該結論與通過分析秋澆灌溉量與土壤含水率、地下水位、土壤含鹽量以及土壤溫度的關系得出的秋澆灌溉量為150～195mm[134]的結論接近。另外在作物生長過程的SWAP 模型基礎上，建立了SWAP-SHAW 耦合模型，針對季節性凍土區進行長時間序列連續模擬，分析了不同排水條件對小麥生長發育的影響和不同鹽堿化土壤在不同秋澆定額下的鹽分動態以及翌年小麥的生長發育情況，得出不同鹽漬化土壤的秋澆定額[135]。但是，以上田間試驗研究和模型模擬研究均是點尺度研究，由于秋澆水量大、范圍廣，應該從區域尺度上且考慮地下水位的動態變化，結合當地種植結構與引水量減少來深入探討秋澆灌溉制度。

6 河套灌區暗管排水

暗管排水措施能有效控制地下水位和防治土壤鹽漬化，改善土壤結構和通透性，是保障鹽漬化灌區可持續發展的重要技術[136-137]。該技術的應用越來越廣泛，起初用于濱海鹽堿地[138]，學者們通過多年試驗研究，提出了系列排澇降漬的暗管合理布局[139-141]。近年來，西北干旱半干旱地區開始嘗試利用暗管排水協同灌溉進行鹽漬化土壤治理，針對土壤水分、土壤鹽分、土壤理化性質、以及氮素循環和作物產量等進行了大量的田間試驗[142-145]。由于暗管排水技術引進時間晚，導致試驗具有局限性，對于改良鹽漬化土壤的暗管布局研究相對較少[146]，尚未對其進行系統性研究。對于暗管排水的數值模擬也進行了大量研究，但也大多是在濱海地區與南方地區，其中多為DRAINMOD 模型，該模型能夠較好的模擬農田排水過程[147-149]。同時也有利用HYDRUS 模型模擬暗管排水過程土壤水鹽運移規律，大多集中在干旱半干旱地區[144-146]。Cox 等[150]的研究表明DRAINMOD 模型同樣適用于干旱區，因此利用模型模擬干旱區農田排水過程，研究改良鹽漬化土壤的暗管合理布局，將有待進一步加強研究和推廣。

灌區通過暗管排水淋洗出鹽分，達到改良鹽漬化土壤目的，同時實施暗管排水將面臨的挑戰是如何維持土壤水鹽平衡，如何能夠保持控鹽與保墑之間的平衡，在排水過程中如何兼顧農業生產以及環境保護的影響，同時灌區長期大規模使用暗管排水肯定還會導致一些新的農業環境問題，需要進一步深入研究。

7 結論與展望

內蒙古河套灌區是我國重要的農業規模化生產和商品糧、油基地，是引黃河水灌溉形成的荒漠綠洲，在綠色發展的理念下，灌區的生態環境也需要重新認識。隨著引水量的減少、種植結構的改變、節水改造工程以及鹽堿地改良工程的大量實施，灌區農田水土環境和生態環境都發生了新的變化，問題更加復雜，需要多學科交叉開展研究。如何緩解灌區用水矛盾、摸清灌區水鹽空間分布特征，保障灌區生態環境健康是灌區發展的首要前提。基于已有的研究成果，今后應在以下方面加強研究:

1）基于灌區生態安全的土壤水鹽運移研究

結合生態需求，綜合考慮灌區水土環境、植被影響以及社會經濟因素，將改進的插值方法，遙感反演技術和生態水文模型相互結合，綜合分析灌區不同尺度耗水和水鹽動態對不同用水管理措施的響應規律；確定適用于該地區的模型；對比分析不同節水、排水、生態補水方案情況下的用水管理策略。為灌區合理利用水土資源提供有效的技術支持。

2）基于多種方法對鹽堿地改良的研究

傳統鹽堿地改良方法的應用受到限制，且治理重度鹽堿地的效果甚微，耐鹽作物種植是微咸水灌溉和鹽堿地改良經濟有效的途徑之一，利用生物工程培育適合河套灌區微咸水水質和土壤特質的特色耐鹽作物，結合磁化水來提高耕作區微咸水利用效率，并通過結合施用改良劑等多種鹽堿地改良方法有待進一步深入研究。隨著技術和經濟發展，暗管排水技術近年開始在河套灌區改良鹽漬化土壤中應用，但如何能夠保持控鹽與保墑之間的平衡，充分利用有限的水資源，在排水過程中如何兼顧農業生產以及環境保護的影響，需要進一步深入研究。

致謝：感謝王國帥、吳迪、王維剛、張文聰、婁帥、孫偉、郭珈瑋、周利穎、竇旭等在文獻查閱中給予的大力幫助。