咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土研究进展

张 璐，杨 帆， 王志春

(1．中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土壤盐碱化是一种世界性的土壤环境恶化问题。据联合国粮农组织/教科文组织统计，全球盐渍土面积约为1×109hm2，占世界陆地总面积的7.2%，且随着全球气候变化和人口的增加，盐渍土面积仍有增长趋势[1]。我国干旱-半干旱气候带面积广大，盐渍土分布范围也较广[2]，盐渍土总面积约为9.91×107hm2，主要分布于黄淮海平原以及滨海地区、河套平原、西北内陆和东北平原地区[3]。土壤盐碱化导致生态环境恶化。以东北苏打盐渍土为例，其盐碱地总面积约5×106hm2，是典型的生态脆弱区[4]。数据资料显示，东北地区松嫩平原西部的草地面积在1954-2000年间缩减了约64%，主要退化成了盐碱荒地[5]。因此，盐渍土治理与改良工作刻不容缓。

目前，盐渍土改良已经得到了充分的研究和实践，总体包括工程措施、物理化学改良和生物改良措施。传统的盐渍土改良方式，如工程方面兴修水利，物理方面的“客沙换土”、灌溉洗盐及暗管排盐等方式有效地改良了盐渍土的物理化学性质，但都存在成本较高的问题。单纯的化学改良方式则需要特别注意过量施用化学改良剂引起的土壤二次污染问题。生物改良措施经济环保，但利用生物改良盐渍土前期需要开展耐盐碱植物种质资源筛选和培育等大量基础性工作[6]。

利用咸水结冰灌溉治理盐碱地是一种新兴的盐渍土改良方式，已经在滨海盐渍土区进行了试验研究，且在一定程度上证实了这种改良方式的有效性。咸水结冰灌溉可以提高土壤含水量，同时有效降低了耕层土壤的含盐量，盐渍土物理性质也得到了一定的改善[7]。另一方面，从盐渍土的形成原因方面来看，大多数盐渍化区域位于春季降水少、蒸发量大的季风气候或大陆性气候的滨海或内陆地区。若春季土壤盐渍化加剧的情况没有得到改善，恶劣的土壤性质(如土壤盐含量过高或土壤黏重板结等)不仅会影响种子发芽率和植物的根部呼吸，也会对植物茎和新发嫩芽产生严重危害[8]，造成植物生长受阻和农业经济损失。因此，春季土壤盐碱状况对作物(特别是对盐碱度敏感的作物)生长的初期阶段尤其重要[9]。咸水结冰灌溉的改良方式能够有效改善盐渍土区春季降水少、蒸发量大的问题，尤其适用于冬季寒冷干燥、春季干旱少雨的温带季风性气候和温带大陆性气候的盐渍土分布区。由于春季气温升高，冬季冻结在土壤表面的咸水冰开始融化，可以起到有效补充土壤水分，缓解土壤干旱状况和春季土壤盐渍化的季节性爆发的作用，同时也避免了“大水漫灌”式灌溉造成的水资源浪费问题。夏季充足的雨水进一步冲洗土壤中的盐分，达到脱盐的效果。因此，咸水结冰灌溉融水淋盐技术是一种即经济又高效的盐渍土改良方式。

本文通过分析咸水灌溉结冰融水淋盐改良盐渍土的原理和优势，以及目前研究的内容和方法，总结了咸水结冰灌溉融水淋盐这种新兴改良技术存在的不足和亟需解决的问题，同时展望了未来的研究的方向，以期为未来咸水结冰融水淋盐改良技术的发展和推广应用提供参考。

1 咸水结冰灌溉原理

咸水结冰淡化技术最早在海水淡化方面有较多的应用[10]，国外依照该原理进行海水淡化有丰富的研究经验。Nakagawa等[11]通过冷冻浓缩技术淡化海水的试验结果表明，海水冰在融化初期得到的溶液盐分浓度高于原溶液，融化后期的溶液盐分浓度低于原溶液盐浓度。海水冻融技术可以有效降低溶液的盐浓度，达到淡化海水的目的。相比于膜过滤法和蒸馏法等淡化方式，海水结冰淡化技术具有能量消耗小且成本低，节约能源、设备和资金的优势[12-13]。因此，是否可以采用咸水淡化技术改良盐渍土以及如何利用盐渍土区地下咸水资源也得到了越来越多的关注，该种方法也逐渐被引入到盐渍土改良领域。

咸水结冰灌溉融水淋盐技术是一种充分利用盐渍土区域的地下咸水或微咸水资源以及当地的冬季低温条件(一月中下旬稳定气温低于-5 ℃)，同时利用咸水冰融化时，咸水先融出、淡水后融出的原理，对盐渍土进行改良的新方法(图1)。春季咸水冰融化后，先融出的咸水对土壤理化性质进行改善，后融出的淡水对盐渍土壤中的盐分进行二次淋洗，可以一次性达到改善土壤理化性质和灌溉洗盐两个目的[14]。

图1 咸水结冰灌溉融水淋盐原理Fig.1 Principle of freezing saline water irrigation and meltwater leaching

咸水结冰和融化过程都具有脱盐作用。Beier等[15]在不同的环境温度、盐浓度和质量流量下进行了实验室咸水冰冻融分离试验，结果表明咸水冰融化过程的脱盐效果显著高于结冰过程的脱盐效果。咸水冰融化过程主要分两个阶段：(I)由于咸水中不同浓度的溶液含盐量不同，故冰点也不同，咸水冰融化时，由于咸淡分离现象，先融化的水中盐分含量高，为咸水，此阶段为第一阶段；(II)冰体中咸水融化后，淡水开始融化，此阶段融水的含盐量和离子含量大幅降低，以淡水为主[16]，为第二阶段。

第二阶段，咸水融化完成后，结冰融化过程中咸淡分离出的淡水后融化。通过淡水缓慢入渗冲洗的方式，土壤中的盐分充分溶解于水中，并在水流的冲刷和淋洗下，随淡水流出土层，下渗入深层土壤中[24]，进一步达到了对盐渍土洗盐的效果，起到减轻耕层土壤盐碱程度、抑制返盐的作用，极大的改善了盐碱土的理化状况[7]。相反，如果一次性灌水量过大，土壤及其微孔中的盐分没有足够的时间进行充分地溶解和扩散，致使大水灌溉后，土壤中大部分盐分仍留存在孔隙中，洗盐效果仍不理想[24]。而咸水结冰灌溉的处理方式在结冰融化的过程中，融水缓慢的渗入土壤中，使土壤固体中盐分有充足的时间溶解、扩散，从而使更多的盐分随水流出土体，提高了洗盐效果。因此，在洗盐时间和水量控制方面，咸水结冰灌溉效果优于大水漫灌的洗盐方式。

2 咸水结冰灌溉的作用

咸水结冰灌溉不仅节约水资源，而且不易引起土壤次生盐渍化等土壤环境二次污染问题，改良效果也好于传统灌溉方式。相比于淡水灌溉的方式，矿化度小于5 g·L-1的微咸水灌溉不会导致冬小麦减产[25]。关于微咸水灌溉对土壤和作物产量的试验研究表明，作物生长期灌溉一次微咸水，与雨养旱作处理相比增产10%～30%，因此作物种植管理过程中用微咸水代替一次淡水灌溉的方式可以改善土壤，同时节约淡水的用量[26]。但是，矿化度大于5 g·L-1的咸水直接浇灌于土壤会导致土壤表层盐分含量较高，盐分累积量大等问题[25]。而咸水结冰灌溉下，0～40 cm土层土壤盐度可下降约50%，在80 cm土体中的盐分积累量下降约43.6%[25]。因此，相比于咸水直接灌溉的处理方式，咸水结冰灌溉能有效降低盐分表聚化现象的发生。Li等[14,27]对滨海盐渍土进行咸水结冰灌溉土柱试验，结果表明，与淡水冰融水灌溉相比，咸水冰融水在盐渍土壤中的入渗速度更快，入渗和脱盐深度更深。可能是由于相比于传统灌溉方式，咸水结冰过程中发生咸淡分离，先融化的咸水对土壤起到浸润和疏通作用，后融化的淡水对土壤盐分进行二次冲洗，存在双重洗盐的效果[28]；而淡水仅能起到洗盐的作用，对土壤入渗性能等物理条件的改良效果差，所以入渗速度和脱盐深度低于咸水结冰灌溉。另外，咸水结冰覆盖不仅可以起到一定平抑地温的作用，而且能够抑制土壤冬季潜在积盐过程[28]，削弱裸露盐碱地在强烈的冻融作用下盐分的反复运移和累积。与没有进行任何改良处理的苏打盐渍土相比，经过咸水结冰融水入渗后，春季(4月份)苏打盐渍土壤化冻深度可提高40 cm。因此，咸水结冰灌溉不仅能节约灌溉用水量，对盐渍土壤的改良效果也大幅提高[16]。

咸水结冰灌溉改良对植物生长也起到一定的改善作用。咸水结冰灌溉能有效降低根层土壤含盐量，增加土壤含水量[7,29]。滨海地区重盐碱地的咸水结冰灌溉棉花种植试验的数据结果：与对照相比，咸水结冰灌溉处理下的棉花根、茎、叶中K+含量分别提高0.78、1.82和1.19倍，而Na+含量分别降低64.3%、57.6%和64.5%，减轻了Na+盐过多对棉花造成的单盐毒害[30]。对柽柳的生长也起到了促进作用，且结冰灌水量大的改良效果更好，与不结冰灌溉的对照处理之间的差异显著[31]。咸水结冰灌溉处理通过改善盐渍土壤的物理化学性质，为植物生长发育提供了基本环境条件，进而起到了减轻盐渍土壤对植物的离子毒害、提高产量的作用。

3 咸水结冰灌溉研究的热点、方法及局限

3.1 咸水结冰灌溉研究热点

目前咸水结冰灌溉研究主要侧重于结冰融水过程和土壤性质变化两个方面，其中，研究较多的是不同钠吸附比(SAR)、不同盐度以及不同矿化度的咸水结冰融水对土壤理化性质的影响。研究表明，与高SAR处理相比，低SAR的咸水结冰处理入渗速度快、入渗深度深，但表层土壤含水率较低[19,32]。Guo等[20]研究了不同盐度咸水融冰对土壤含水量的影响，结果显示：高盐度咸水冰处理的土壤含水量低于低盐度咸水冰处理，而深层土壤含水量则相反。对不同矿化度的咸水结冰试验结果表明：咸水冰矿化度低(8 g·L-1和16 g·L-1)的处理土柱0～50 cm土壤表现为脱盐，矿化度高(24 g·L-1和32 g·L-1)的处理则表现为积盐[33]。这些研究结果说明：结冰所用咸水的性质对融冰后土壤特性有很大影响；结冰灌溉所用咸水的SAR、盐度和矿化度过高会引起土壤表层含水率降低或积盐等现象，不能对盐碱土壤的改善起到积极的作用。因此，确定合适的咸水盐分浓度和盐分组成进行结冰灌溉是今后需要研究的重点方向。

3.2 咸水结冰灌溉试验方法

现阶段咸水结冰灌溉的试验方式主要有室内模拟试验和田间试验两种。室内模拟试验主要为土柱试验，利用土柱模拟咸水冰融水淋盐效果，监测湿润峰、累计入渗量[32]、不同土层含水率[19]、含盐量[33]及离子浓度和脱/积盐率[16]等土壤指标。田间试验集中在咸水结冰灌溉和提高作物产量和种子出苗率两个方面。除田间直接进行咸水结冰灌溉试验外，我国学者还设置了咸水结冰灌溉结合田间覆膜处理的试验方式，并进行了相关的研究调查。研究结果显示，北方滨海盐渍土地区咸水结冰覆膜处理与不覆膜处理相比，0～5 cm土层土壤含盐量下降46.5%，5～20 cm土层土壤含盐量下降67.7%，结冰灌溉覆膜处理下菊芋产量可增加115%～175%[7]，说明咸水结冰灌溉结合覆膜处理比单独结冰灌溉处理进一步改良了滨海盐渍土化学性质，提高了作物产量。Guo等[34]对滨海盐渍土咸水结冰覆膜种植棉花的试验得到相似的结论，冬季咸水结冰覆膜比不覆膜处理在0～20 cm土层含水量增加了7%～14%。咸水结冰秸秆覆盖的研究结果与咸水结冰覆膜覆盖相似。Pang等[9]的研究表明：秸秆覆盖使0～20 cm土壤含盐量降低了10.2%；另有研究表明，与咸水结冰灌溉处理相比，咸水结冰秸秆覆盖处理进一步提高了土壤表层的脱盐率，株高和单株生物量差异均达极显著水平[25]。因此，咸水结冰灌溉结合覆膜处理可以在一定程度上避免土壤积盐和含水率降低的风险，提高盐渍土改良的效果。总体上，咸水结冰灌溉的大田试验研究相对较少，对于不同处理方式和不同植物、土壤类型的研究仍需要进行充分的挖掘。

3.3 咸水结冰灌溉研究局限性

目前，国内关于咸水结冰灌溉的研究主要集中在天津、河北等滨海盐渍土地区，主要研究对象为NaCl、Na2SO4型盐渍土，鲜有关于苏打盐渍土(Na2CO3、NaHCO3型盐渍土)等类型的咸水结冰灌溉研究试验[22]。咸水结冰灌溉改良效果主要表现在土壤含水量、含盐量以及土壤中盐分的移动分布状况上，关于咸水结冰灌溉改良方式下对植物影响的研究较少，且咸水结冰灌溉对不同植物类型和不同土壤类型的影响研究不充分，还有进一步研究和发展的空间。表1对咸水结冰灌溉试验的发展进行了梳理和总结。

表1 咸水结冰灌溉改良盐渍土主要研究进程Table 1 The main research courses of saline soil reclamation by freezing saline water irrigation

4 提高溶液电解质浓度咸水结冰灌溉研究

水溶液盐度对土壤有一定的絮凝作用，其本质是推动吸附的阳离子接近土壤颗粒表面，增加土壤团聚性，促进粘土颗粒的聚集和团聚体的形成[17]。对于盐渍化严重的地区，仅仅依靠咸水结冰灌溉融水淋盐来改良盐渍土壤的理化性质，效果可能不理想。Summer等[41]指出，土壤中总电解质浓度(TEC)低于临界絮凝浓度(CFC)时，粘土在高碱化度(ESP)值下会自发分散，破坏土壤结构，使土壤板结黏重。Frenkel等[42]认为，在钠饱和的盐渍土壤中，过量的交换性钠“侵入”土壤团聚体层间位置，由于吸附钠体积较大、电荷单一和水化状态等，严重破坏了保持团聚体稳定的内部排列结构，引起土壤颗粒的物理分离，造成土壤退化，并逐渐演变成盐渍土壤[17]。因此，适度提高土壤电解质浓度是改良盐渍土黏土颗粒易分散的有效手段[43]。在特殊的高钠质化土壤中，必需配合一定的化学手段[38]，即在提高土壤电解质浓度的同时，去除土壤中过剩的钠离子，实现土壤中离子平衡，达到彻底改良盐渍土的目的。

施用化学改良剂是一种行之有效的盐渍土改良方式。化学改良剂一方面能够提高土壤溶液电解质浓度，使土壤物理结构得到改善；另一方面可以调节离子之间的平衡关系，改善土壤的化学性质。我国早在20世纪50、60年代就已经开始利用石膏等化学改良剂来改良盐渍土[44]。发展至今，已经有利用石膏、腐植酸类、有机废弃物及微生物菌剂等多种化学改良剂的改良方式[45-47]，其中利用石膏等高钙镁含量的工业副产品作为土壤改良剂已得到广泛应用，且目前为止在盐碱土壤中施用石膏仍是改良盐渍土的主要方式。Zhao等[48]在我国东北松嫩平原利用脱硫石膏改良盐渍土，明显降低了土壤的盐分、ESP以及SAR等盐碱指标。国外，如意大利沿海地区等也有在土壤中加入高电解质含量的矿渣作为改良剂来降低盐碱土壤中过量的交换性钠的实例[49]。因此，不同电解质浓度的改良剂不仅起到改善土壤离子组成的作用[31]，对降低盐碱地土壤溶液pH值[50]以及作物产量都有显著促进作用[51]。

图2 苏打盐碱地各种结冰灌溉处理试验效果[22]Fig.2 Experimental results of various freezing irrigation treatments on saline-sodic soil

因此，由于不同土壤类型和土壤离子组成存在很大差异，导致咸水结冰灌溉的改良效果差别较大。咸水灌溉结冰配合提高电解质浓度的措施来平衡土壤中各离子含量，对提高灌溉洗盐效果很有益处[21]，但目前的研究大部分仍集中于将改良剂添加到土壤中，通过改良剂在土壤中的一系列化学反应来改良盐渍土的方式上，其他的改良剂应用途径，如将改良剂添加到灌溉溶液中进行土壤改良，则很少涉及。

5 讨论与展望

咸水灌溉结冰技术是一种新兴的盐渍土改良方式，对节约淡水资源和促进咸水资源的高效利用具有重要意义[53-54]，但目前仍处于初步发展阶段。在利用咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土时，冬季抽取盐渍土区地下水进行结冰覆盖可以降低地下水位，有效减少因地下水位高引起的浅层含盐地下水上行造成的土壤盐渍化问题[14]。春季土壤表层有冰层覆盖，可以起到降低土壤水分蒸发的作用。同时咸水冰融化时还具有洗盐压盐[22]，提高土壤含水量[31]，降低土壤含盐量[28,37]，平抑地温[14]，改善土壤物理性质[19]和节约春季灌溉用水等优势。

咸水结冰灌溉作为一种改良盐渍土土壤理化性质的方式，在国内还没有得到充分的试验和研究，但也逐渐受到越来越多的关注。国内关于咸水灌溉结冰改良技术的研究多停留在试验阶段，且试验研究对象多集中在滨海盐渍土等NaCl型盐渍土分布区，对于以Na2CO3和NaHCO3为主的苏打盐渍土的咸水灌溉结冰技术研究较少。相较于滨海盐渍土，苏打盐渍土土壤质地黏重、透水性差，土壤物理性质更为恶劣，微咸水结冰灌溉技术在该类型的盐碱地中能否取得理想的改良效果还需今后进一步的研究验证。另一方面，目前的咸水结冰覆盖试验多以土柱试验为主，田间试验较少。而且，咸水结冰灌溉后对不同植物类型以及植物生长状况的影响研究还不够充分。咸水结冰灌溉研究主要还是集中在土壤理化性质变化上，内容较单一，对土壤其他性质，如土壤微生物等的影响研究较少，这也是今后可以继续研究探索的方向。此外，关于咸水灌溉结冰结合改良剂提高土壤电解质浓度的研究不多，且目前的改良剂主要应用方式是将其添加到土壤中，然后结合咸水结冰灌溉淋洗的方式进行盐渍土改良。而将改良剂加入到灌溉水溶液中，增加电解质浓度，再进行结冰灌溉处理的盐渍土改良方式还鲜有研究。这些都是今后“咸水灌溉结冰融水淋盐改良盐渍土”这一新兴的盐渍土改良技术需要继续不断研究和深入的重要方向。