盐碱地土壤水盐运动原理及其监测方法

高 亮 孟宪东 潘修强

（1 大安市中科佰澳格霖农业发展有限公司，吉林大安 131300；2 潍坊加潍生物科技有限公司，山东潍坊 261041）

我国是盐碱地大国，盐碱土总面积9 900 万hm2左右，其中现代盐碱土面积约3 700 万hm2，残余盐渍土面积约4 500 万hm2， 尚有约1 700 万hm2的潜在盐碱化土壤[1]。 我国盐碱地分布广泛，包括东部滨海盐土与海涂、黄淮海平原盐渍土、东北平原盐碱地、半漠内陆盐土和青新极端干旱盐土。 东北平原盐碱地以松嫩平原最多， 共有盐土和碱土319.2 万hm2，其中开发利用的面积为140 万hm2。 松嫩平原盐渍土多为苏打碱化土，土体含盐量不高，但因主要含有碳酸钠、碳酸氢钠而导致pH 值很高，对植物毒害大。地表白色盐碱呈片状、条块状或点状分布，出现白色盐碱与草地植被相互交替的斑状“光板地”。 苏打盐土、苏打碱土中有机质含量普遍高于其他盐碱地，并且土壤质地黏重、透气性差，但保水保肥性能良好，如果被开发利用进行农作物种植通常可获高产[2-3]。

苏打盐碱地土体中苏打、小苏打基础含量大，即使已经成功改良，如果管理不当、荒废、弃耕，也极易出现再次盐碱化现象。因此，有必要检测盐碱土壤中水盐的动态变化，掌握盐碱土壤的分布规律，探索盐碱化发生发展规律。 掌握盐碱地土壤水盐运动的监测方法，研究盐碱地（盐渍土）水盐运动规律及其运行特征，对于盐碱地灌溉、治理和预测具有重要的指导意义。

1 盐碱土壤监测的传统方法

盐碱地面积大、分布广、交通不便，受人力、物力、财力和精力的限制，目前大范围观测、中范围测试、 小范围检验以及多年定点监测仍然是十分重要的技术措施。实践中，利用传统方法对盐碱化土壤进行监测十分必要。

1.1 野外调查与试验

在野外调查盐碱地，通过对树木枯荣、植被种类、作物生长状况、盐碱地表盐分累积情况等进行拍照、录像，获得多年影像资料，对比影像，发现不同年份间的差异。 同时，对盐碱地土壤进行取样，取样方法包括随机取样、分层取样、整体取样和网格取样等。 对于大范围盐碱地，一般采用随机取样法，主要监测土壤质地、土壤容重、孔隙度和有机质、pH 值以及氮、磷、钾、钠、钙、镁、硅、硼等微量元素及重金属含量等，了解盐碱地土壤的物理化学性质；对于试验地，可采用分层取样，除了监测不同土层土壤养分特点外，还可监测土壤细菌、放线菌、真菌等微生物数量，了解土壤生物肥力特性。野外取样布点是整个土壤检测过程中的重要环节。 样品点必须均匀分布于全工作区域。 应将全区划分出若干个较为典型的采样区域，要求包含地质地貌、植被、农业种养殖等，具有一定的区域代表性。

1.2 田间观测和数值模拟

田间观察和野外调查既可同步进行， 也可分别进行。 田间观测要细致，最好由专家带队，同时由有经验的当地农牧民陪同，可达到较好的效果。将田间观测与数据模拟相结合， 选取具有盐碱化表征的试验田块并进行连续数年的监测和预报。 数据监测包括地下水动态、土壤含盐量和含水量、降水量和蒸散量以及灌水量等参数。

多年来，通过野外考察、田间观测、取样检测、数据模拟等传统监测方法， 基本能够掌握盐碱地土壤的理化及生物特性、植被分布、物候期、盐碱分布及试验田块的土壤肥力状况和水盐运动状态。

2 土壤水盐运动的原理

2.1 概述

水盐运动是指水分及其所携带的盐分在介质中的运移。水盐运动系统由地表水子系统、地下水子系统及植被子系统共同构成[4]。 土壤中的盐分随水运动。 在蒸发过程中溶解在水中的盐分随水输送到土壤表层，当水分蒸发后，其中的盐分将积聚在表层土壤中。大水漫灌、滴灌和降雨后，这些地表的盐分又被淡水溶解，进而下渗到土壤深层。 在一段时间内，如果土壤水分蒸发量大， 其携带的盐分大量地积累到地表，则土壤处于积盐状态，对盐碱地农业生产和植被生长十分不利；反之，当雨季、大水灌溉等淡水供应充足时，地表则处于脱盐状态，有利于农业生产。

盐碱地土壤水盐运动与淡水供给、气候、灌溉频率、排水条件和农业田间管理措施密切相关[5]。 针对盐碱地区域的地形地貌和一年中水盐运动的特点，加强盐碱地基础设施建设，围绕“引嫩入白”工程等淡水水系分布建立完善的水电路网， 构建网格化盐碱地水稻种植板块，做到“水进盐退”，保证农作物免受盐碱影响，实现粮食生产和生态治理的目标。

2.2 水盐运动理论研究

了解盐碱地土壤水盐运动是十分重要和必要的。 水盐运动理论始于19 世纪，1852—1858 年法国人达西总结并阐明了水在砂层中的渗透规律， 形成了达西定律，成为土壤水盐运动理论的基础。 20 世纪70 年代中后期水盐运动理论研究注重田间复杂的实际情况，对结构良好土壤的水盐运动方式，不仅考虑对流和弥散， 还进一步考虑了其中的可动水体和不动水体、大空隙流或优先流、通管流等，建立了土壤水盐运动的两区-两域模型。

我国水盐运动研究起步较晚，始于20 世纪80 年代， 主要是从黄淮海平原旱涝盐碱地综合治理开始的[4]。 近年来，我国学者针对全国各地不同的盐碱地类型（苏打盐碱地、滨海盐碱地、内陆盆地盐碱地、河流盐碱地等）， 研究不同盐碱地土壤水盐运动机理、模型、实践应用等，取得了巨大成就[6-8]。

3 盐碱土壤水盐运动监测与预测

3.1 基于计算机技术的盐碱地监测

利用计算机信息技术监测盐碱地是目前高效、快捷、连续、准确的方法。 该方法以遥感技术（RS）为手段， 通过Terra、MSS、TM、ETM 等卫星遥感数据及高光谱数据监测土壤盐碱化空间分布特征， 结合地理信息系统（GIS）对盐碱化土壤进行信息提取与管理，从而开展监测与预报研究。 盐碱地数据信息包括直接信息和间接信息，如地表植被、土壤质地、土壤颜色、土壤纹理、地形地貌、路网、水系、村落、地下水等。

3.2 土壤盐碱化预测

盐碱地改良以土壤水盐运动理论和实践为基础。根据对土壤水盐运动研究和实践的深度不同，土壤盐碱化预测可分为3 个不同层次。一是定性预报，主要对盐碱地区的自然环境条件、 土壤盐碱化状况及其发展规律进行研究和预报。 其在盐碱地生态修复的实践中运用最多。二是半定量预报，主要对盐碱地水盐均衡、 概率统计及成因分析等进行研究和预报。 其在科学研究和盐碱地改良实践中更加精准科学且针对性强。三是定量预报，即通过建立数学模型对土壤盐碱化进行定量预报， 其在科学研究中应用多。 研究和实践中通常采用以下几种方法。

3.2.1地力相似法。 在盐碱地研究和生态修复实践中需要考虑的因素主要有两方面：一是自然因素，包括气候、水文、地形、地貌、地质、土壤状况等；二是人为因素，包括土壤利用情况、农业技术、盐碱地改良措施、水利设施等。 通过大数据分析，对过去获得的盐碱地数据资料进行比对分析， 以条件相似的盐碱化信息作为依据开展研究和实践。 该方法省工、省时、省力，可结合其他方法应用。

3.2.2专家预报法。 该方法通常在盐碱地研究和生态治理的前期调研时运用。 请有经验的专家根据当地自然条件对盐碱化情况进行经验预估， 其准确性取决于专家的科学素养、经验累积、技术水平和道德水准。

3.2.3区域水盐均衡法。 以质量守恒定律为理论依据， 运用动态平衡的观点和原理， 对盐碱地某一地区、某一时间段的水盐数据进行盈亏分析，以探求其水盐发展过程，分析各因素间的相互作用，评价盐碱地生态修复改良效果， 并对盐碱地发展趋势作出判断和预测。

3.2.4概率统计法。 应用概率统计的方法（回归分析、方差分析）分析水盐状况与各影响因素之间的关系，或者进行时间序列分析，就土壤水盐动态建立时间序列模型， 从而对盐碱地土壤的水盐运动状态进行研究和预报。 概率统计法所得出的预测值不是个体数据，而是群体期望值。

3.2.5区域水盐模型法。 该方法强调对盐碱地水盐运动因果关系的推断。通过建立数值模型，以盐碱地土壤过程动力学方程为基础， 用微分方程描述并外推预测，计算土壤盐分和水分随时间和空间的变化。通过对土壤过程进行数学模型模拟， 以计算机仿真来预报土壤水盐动态， 并提出相应的盐碱地改良措施。该方法确定性高，可以应用于任何自然条件下的盐碱地环境。

3.2.6遥感技术法。 利用现代化空间遥感技术可在大范围、 大面积内获得与盐碱地土壤水盐动态相关的信息， 通过建立遥感信息与地面观测数据相对应的数学模型来预测盐碱地土壤水盐动态和旱涝灾情，准确掌握盐碱地生态改良效果。

4 结语

盐碱地生态修复是保持我国耕地红线、 保证粮食产量和食品安全的重要措施， 而盐碱地土壤水盐运动是盐碱地科学研究和生态修复实践的重要依据。 盐碱地土壤水盐运动是一种客观存在的自然现象，有其发生发展和演变的规律，可以通过传统方法进行监测，也可以采用地力相似法、专家预报法、区域水盐均衡法、概率统计法、区域水盐模型法和遥感技术法进行分析和预测。

我国盐碱地类型多、面积大、分布广，在借助传统监测方法基础上， 利用现代空间遥感技术、5G 技术、物联网技术等，对盐碱地土壤及其水盐运动状态进行定性、半定量和定量分析，建立区域水盐模型，预测盐碱地发生发展规律，提高监控效率，实现更大区域、更大范围的监控，对于保持我国耕地面积、保障粮食自给、保证城市发展用地具有重要意义，同时为科学规划盐碱地种植模式、养殖规模，预防土壤反复盐碱化以及次生盐渍化提供了帮助。