鹽堿地土壤水鹽運動原理及其監測方法

高 亮 孟憲東 潘修強

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

我國是鹽堿地大國，鹽堿土總面積9 900 萬hm2左右，其中現代鹽堿土面積約3 700 萬hm2，殘余鹽漬土面積約4 500 萬hm2， 尚有約1 700 萬hm2的潛在鹽堿化土壤[1]。 我國鹽堿地分布廣泛，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hm2，其中開發利用的面積為140 萬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、碳酸氫鈉而導致pH 值很高，對植物毒害大。地表白色鹽堿呈片狀、條塊狀或點狀分布，出現白色鹽堿與草地植被相互交替的斑狀“光板地”。 蘇打鹽土、蘇打堿土中有機質含量普遍高于其他鹽堿地，并且土壤質地黏重、透氣性差，但保水保肥性能良好，如果被開發利用進行農作物種植通常可獲高產[2-3]。

蘇打鹽堿地土體中蘇打、小蘇打基礎含量大，即使已經成功改良，如果管理不當、荒廢、棄耕，也極易出現再次鹽堿化現象。因此，有必要檢測鹽堿土壤中水鹽的動態變化，掌握鹽堿土壤的分布規律，探索鹽堿化發生發展規律。 掌握鹽堿地土壤水鹽運動的監測方法，研究鹽堿地（鹽漬土）水鹽運動規律及其運行特征，對于鹽堿地灌溉、治理和預測具有重要的指導意義。

1 鹽堿土壤監測的傳統方法

鹽堿地面積大、分布廣、交通不便，受人力、物力、財力和精力的限制，目前大范圍觀測、中范圍測試、 小范圍檢驗以及多年定點監測仍然是十分重要的技術措施。實踐中，利用傳統方法對鹽堿化土壤進行監測十分必要。

1.1 野外調查與試驗

在野外調查鹽堿地，通過對樹木枯榮、植被種類、作物生長狀況、鹽堿地表鹽分累積情況等進行拍照、錄像，獲得多年影像資料，對比影像，發現不同年份間的差異。 同時，對鹽堿地土壤進行取樣，取樣方法包括隨機取樣、分層取樣、整體取樣和網格取樣等。 對于大范圍鹽堿地，一般采用隨機取樣法，主要監測土壤質地、土壤容重、孔隙度和有機質、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性質；對于試驗地，可采用分層取樣，除了監測不同土層土壤養分特點外，還可監測土壤細菌、放線菌、真菌等微生物數量，了解土壤生物肥力特性。野外取樣布點是整個土壤檢測過程中的重要環節。 樣品點必須均勻分布于全工作區域。 應將全區劃分出若干個較為典型的采樣區域，要求包含地質地貌、植被、農業種養殖等，具有一定的區域代表性。

1.2 田間觀測和數值模擬

田間觀察和野外調查既可同步進行， 也可分別進行。 田間觀測要細致，最好由專家帶隊，同時由有經驗的當地農牧民陪同，可達到較好的效果。將田間觀測與數據模擬相結合， 選取具有鹽堿化表征的試驗田塊并進行連續數年的監測和預報。 數據監測包括地下水動態、土壤含鹽量和含水量、降水量和蒸散量以及灌水量等參數。

多年來，通過野外考察、田間觀測、取樣檢測、數據模擬等傳統監測方法， 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、鹽堿分布及試驗田塊的土壤肥力狀況和水鹽運動狀態。

2 土壤水鹽運動的原理

2.1 概述

水鹽運動是指水分及其所攜帶的鹽分在介質中的運移。水鹽運動系統由地表水子系統、地下水子系統及植被子系統共同構成[4]。 土壤中的鹽分隨水運動。 在蒸發過程中溶解在水中的鹽分隨水輸送到土壤表層，當水分蒸發后，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，進而下滲到土壤深層。 在一段時間內，如果土壤水分蒸發量大， 其攜帶的鹽分大量地積累到地表，則土壤處于積鹽狀態，對鹽堿地農業生產和植被生長十分不利；反之，當雨季、大水灌溉等淡水供應充足時，地表則處于脫鹽狀態，有利于農業生產。

鹽堿地土壤水鹽運動與淡水供給、氣候、灌溉頻率、排水條件和農業田間管理措施密切相關[5]。 針對鹽堿地區域的地形地貌和一年中水鹽運動的特點，加強鹽堿地基礎設施建設，圍繞“引嫩入白”工程等淡水水系分布建立完善的水電路網， 構建網格化鹽堿地水稻種植板塊，做到“水進鹽退”，保證農作物免受鹽堿影響，實現糧食生產和生態治理的目標。

2.2 水鹽運動理論研究

了解鹽堿地土壤水鹽運動是十分重要和必要的。 水鹽運動理論始于19 世紀，1852—1858 年法國人達西總結并闡明了水在砂層中的滲透規律， 形成了達西定律，成為土壤水鹽運動理論的基礎。 20 世紀70 年代中后期水鹽運動理論研究注重田間復雜的實際情況，對結構良好土壤的水鹽運動方式，不僅考慮對流和彌散， 還進一步考慮了其中的可動水體和不動水體、大空隙流或優先流、通管流等，建立了土壤水鹽運動的兩區-兩域模型。

我國水鹽運動研究起步較晚，始于20 世紀80 年代， 主要是從黃淮海平原旱澇鹽堿地綜合治理開始的[4]。 近年來，我國學者針對全國各地不同的鹽堿地類型（蘇打鹽堿地、濱海鹽堿地、內陸盆地鹽堿地、河流鹽堿地等）， 研究不同鹽堿地土壤水鹽運動機理、模型、實踐應用等，取得了巨大成就[6-8]。

3 鹽堿土壤水鹽運動監測與預測

3.1 基于計算機技術的鹽堿地監測

利用計算機信息技術監測鹽堿地是目前高效、快捷、連續、準確的方法。 該方法以遙感技術（RS）為手段， 通過Terra、MSS、TM、ETM 等衛星遙感數據及高光譜數據監測土壤鹽堿化空間分布特征， 結合地理信息系統（GIS）對鹽堿化土壤進行信息提取與管理，從而開展監測與預報研究。 鹽堿地數據信息包括直接信息和間接信息，如地表植被、土壤質地、土壤顏色、土壤紋理、地形地貌、路網、水系、村落、地下水等。

3.2 土壤鹽堿化預測

鹽堿地改良以土壤水鹽運動理論和實踐為基礎。根據對土壤水鹽運動研究和實踐的深度不同，土壤鹽堿化預測可分為3 個不同層次。一是定性預報，主要對鹽堿地區的自然環境條件、 土壤鹽堿化狀況及其發展規律進行研究和預報。 其在鹽堿地生態修復的實踐中運用最多。二是半定量預報，主要對鹽堿地水鹽均衡、 概率統計及成因分析等進行研究和預報。 其在科學研究和鹽堿地改良實踐中更加精準科學且針對性強。三是定量預報，即通過建立數學模型對土壤鹽堿化進行定量預報， 其在科學研究中應用多。 研究和實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修復實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、土壤狀況等；二是人為因素，包括土壤利用情況、農業技術、鹽堿地改良措施、水利設施等。 通過大數據分析，對過去獲得的鹽堿地數據資料進行比對分析， 以條件相似的鹽堿化信息作為依據開展研究和實踐。 該方法省工、省時、省力，可結合其他方法應用。

3.2.2專家預報法。 該方法通常在鹽堿地研究和生態治理的前期調研時運用。 請有經驗的專家根據當地自然條件對鹽堿化情況進行經驗預估， 其準確性取決于專家的科學素養、經驗累積、技術水平和道德水準。

3.2.3區域水鹽均衡法。 以質量守恒定律為理論依據， 運用動態平衡的觀點和原理， 對鹽堿地某一地區、某一時間段的水鹽數據進行盈虧分析，以探求其水鹽發展過程，分析各因素間的相互作用，評價鹽堿地生態修復改良效果， 并對鹽堿地發展趨勢作出判斷和預測。

3.2.4概率統計法。 應用概率統計的方法（回歸分析、方差分析）分析水鹽狀況與各影響因素之間的關系，或者進行時間序列分析，就土壤水鹽動態建立時間序列模型， 從而對鹽堿地土壤的水鹽運動狀態進行研究和預報。 概率統計法所得出的預測值不是個體數據，而是群體期望值。

3.2.5區域水鹽模型法。 該方法強調對鹽堿地水鹽運動因果關系的推斷。通過建立數值模型，以鹽堿地土壤過程動力學方程為基礎， 用微分方程描述并外推預測，計算土壤鹽分和水分隨時間和空間的變化。通過對土壤過程進行數學模型模擬， 以計算機仿真來預報土壤水鹽動態， 并提出相應的鹽堿地改良措施。該方法確定性高，可以應用于任何自然條件下的鹽堿地環境。

3.2.6遙感技術法。 利用現代化空間遙感技術可在大范圍、 大面積內獲得與鹽堿地土壤水鹽動態相關的信息， 通過建立遙感信息與地面觀測數據相對應的數學模型來預測鹽堿地土壤水鹽動態和旱澇災情，準確掌握鹽堿地生態改良效果。

4 結語

鹽堿地生態修復是保持我國耕地紅線、 保證糧食產量和食品安全的重要措施， 而鹽堿地土壤水鹽運動是鹽堿地科學研究和生態修復實踐的重要依據。 鹽堿地土壤水鹽運動是一種客觀存在的自然現象，有其發生發展和演變的規律，可以通過傳統方法進行監測，也可以采用地力相似法、專家預報法、區域水鹽均衡法、概率統計法、區域水鹽模型法和遙感技術法進行分析和預測。

我國鹽堿地類型多、面積大、分布廣，在借助傳統監測方法基礎上， 利用現代空間遙感技術、5G 技術、物聯網技術等，對鹽堿地土壤及其水鹽運動狀態進行定性、半定量和定量分析，建立區域水鹽模型，預測鹽堿地發生發展規律，提高監控效率，實現更大區域、更大范圍的監控，對于保持我國耕地面積、保障糧食自給、保證城市發展用地具有重要意義，同時為科學規劃鹽堿地種植模式、養殖規模，預防土壤反復鹽堿化以及次生鹽漬化提供了幫助。