我国北方盐碱地区冬春灌盐分淋洗研究进展

李 勇，李 林，王 峰，王兴鹏

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.中国农业科学院农田灌溉研究所∕农业部作物需水与调控重点开放实验室，河南新乡 453002）

0 引言

在我国新疆和内蒙古河套地区的农业生产中面临着严重的土壤盐渍化问题。为保证作物的正常生长，常规做法是在农田休闲期进行大水漫灌压盐。这种灌水压盐模式，在新疆被称为“冬灌、春灌”，在内蒙古河套地区被称为“秋浇、春灌”。冬灌（秋浇）一般在10-11 月进行，春灌一般在来年的3-4 月进行。冬春灌可对作物生育期积累的盐分进行淋洗，为作物出苗、成苗创造适宜的低盐环境。但在实际生产中，冬春灌用水量很大。据统计，在南疆，棉田冬春灌定额一般为3 000～4 500 m3∕hm2，占棉田全年灌溉定额的50%左右。大定额冬春灌在淋洗盐分的同时，浪费了大量的水资源。为了提高冬春灌盐分淋洗效率，降低冬春灌定额，前人开展了大量的实践与理论研究工作，取得了丰富的成果。本文从灌水定额、灌水技术、冻融作用、秸秆覆盖与深埋、暗管排盐技术对冬春灌盐分淋洗效果的影响以及模型模拟在冬春灌盐分淋洗研究中的应用等6个方面对我国北方盐碱地区冬春灌盐分淋洗进行了综述，并基于已有研究成果对今后冬春灌盐分淋洗研究方向进行了展望，以期为冬春灌盐分淋洗研究和实践提供参考。

1 灌水定额对冬春灌盐分淋洗效果的影响

盐随水来，盐随水走，水分不仅是盐的溶剂，还是盐分运移的载体，适宜的冬春灌定额是保证盐分淋洗效果的主要因素。盐分淋洗定额的确定不仅需要考虑土壤质地、盐渍化程度、灌区地下水埋深、当地排水条件、气候条件等因素，还需要考虑灌水对土壤中养分淋洗以及播种的影响［1-4］。一般情况下，灌水定额越高，盐分淋洗效果越好，土壤盐分含量随灌水量增加呈负相关变化［5］。

张瀚等［6］研究了不同冬灌定额对南疆棉田休闲期盐分淋洗效果的影响，结果表明，小定额灌水条件下耕作层水分易蒸发，保水效果不显著，返盐现象严重，脱盐作用较弱。胡宏昌等［7］研究发现，当冬灌定额为3 750 m3∕hm2时，冬灌盐分淋洗主要发生在0～60 cm 土层，随着土层深度增加，盐分淋洗效果减弱，80 cm以下深度土层出现盐分积聚现象。Yang等［3］研究表明，冬灌定额并非越高越好，随着冬灌定额提高，盐分淋洗效率减弱。考虑不同的土壤、气候及水文条件，新疆棉田适宜冬灌定额一般为3 000～3 600 m3∕hm2［3，6，8］。在春灌条件下，由于春季风速较大、气温较高，地表土壤蒸发强烈，蒸发返盐与春灌淋洗作用并存，土壤盐分淋洗深度有限。大量研究表明，不同春灌定额对土壤盐分的淋洗主要体现在0～20 cm 土层，20 cm 以下土层随灌水量不同呈现不同程度的积盐现象［4，7］。为达到较好的脱盐效果，南疆棉田适宜的春灌定额为1 800～2 250 m3∕hm2［4，9］。在新疆农业生产中，一般采用冬灌+春灌的压盐模式。张永玲等［10］研究指出，在冬春灌并行的情况下冬灌2 000 m3∕hm2与春灌1 000 m3∕hm2的组合灌溉定额下棉花增产效果明显。

由于气候条件、土壤类型以及水文地质条件等存在差异，内蒙古河套地区不同盐渍化程度农田适宜秋浇定额一般为1 500～2 250 m3∕hm2［11-13］。对于不进行秋浇的农田，一般在来年进行春灌，春灌定额一般为2 250 m3∕hm2［14］。

可以看出，前人针对适宜冬春灌定额的研究取得了大量的成果，但冬春灌水量仍然偏高，继续探索节水压盐效率更高的冬春灌模式仍有必要。同时，以上冬春灌定额多是基于田间试验获得，在测定过程中需要花费大量的人力、物力、财力，且代表性有限，无法在区域上大范围推广。因此，还需进一步探索冬春灌适宜定额简化测定办法，确定各地区适宜冬春灌定额分布图，为区域尺度冬春灌精准管理提供数据支撑。

2 灌水技术对冬春灌盐分淋洗效果的影响

灌水技术对土壤水盐运移影响显著。为了提高冬春灌盐分淋洗效率，降低冬春灌用水定额，广大科研工作者与一线农业生产人员针对高效冬春灌技术模式开展了大量的研究工作。在我国新疆和内蒙古河套地区，主要采用畦灌技术进行冬春灌盐分淋洗。畦灌技术的盐分淋洗效率取决于土地平整度，土地不平会导致过度淋洗和淋洗不足，进而导致难以均匀去除整个地块各个土层的盐分［15，16］。滴灌技术的节水和局部压盐效果优于畦灌［17］。许多研究表明，滴灌是改善盐碱地的重要方法［18，19］。Wang 等［19］通过控制滴头下方20 cm 处土壤基质势下限（-5、-10、-15、-20、-25 kPa）对干旱盐碱地区土壤进行了三年的滴灌淋洗试验研究，三年后各处理0～120 cm 土层盐分均显著降低，且以0～40 cm 土层含盐量降幅最大。Burt 和Isbell等［20］研究指出采用多行低流量滴灌带供水可以有效降低果园根区盐分淋洗所需水量。赵波和陈小芹等［21，22］将滴灌技术应用于冬春灌研究，探究了滴灌方式及定额对北疆冬灌棉田土壤水盐分布的影响，结果表明，采用滴灌代替漫灌进行灌水，可使土壤水分入渗更加均匀，盐分淋洗效果更好。但是滴灌时效性较差，当灌水定额较高时，单次灌水时间很长，这将导致在土壤封冻前及播种前难以完成大面积的农田冬灌（秋浇）、春灌任务。

间歇灌溉是采用间歇的供水方式分次向田间供水的节水灌溉技术，常用于稻田高效灌溉［23，24］。随着对间歇灌溉技术研究的深入，间歇灌溉技术对土壤盐分的淋洗特性正逐渐被关注。一些学者通过室内或室外土柱试验研究了间歇灌溉条件下不同类型盐渍土的脱盐效应［25-27］，结果均表明在灌水量相同情况下，与一次性大定额灌溉相比，少量多次间歇灌溉条件下土壤盐分淋洗效率更高。但灌水频次过高对土壤盐分淋洗无益，高频少量灌溉会使得水分滞留在上层土壤，显著增加地表蒸发量，导致土壤盐分淋洗效率降低［28，29］。为了评价间歇灌溉技术在土壤盐分淋洗中的适用性，彭振阳等基于模型模拟提出了临界深度的概念，当所分析的土层位于临界深度以上时，间歇灌溉比一次性灌溉具有更高的淋洗效率；而灌水频次与灌水总量的增加、地表蒸发强度的减弱都会使得临界深度增大［30］。灌水量、灌水次数、灌水间隔是间歇灌溉策略盐分淋洗效率的主要影响因素［31］。ZENG 等［29］基于Hydrus 模型研究指出，在内蒙古河套地区，冬灌水量2 000 m3∕hm2，分2 次灌溉，灌水间隔1天可显著提高耕作层盐分淋洗效率，同时降低深层渗漏和地下水污染的风险。

3 冻融作用对冬春灌盐分淋洗效果的影响

冻融作用是影响土壤水盐运移的另一个关键因素。冻融引起的土壤水盐运移是导致我国北方半干旱地区土壤盐渍化的主要原因之一［32］。国际冻土学会主席佩威（Pewe）教授指出：查明冻融过程中水盐运移规律是防治土壤盐碱化的新途径［33］。

土壤冻融期包括冻结期和消融期，在冻结期，土壤水盐运移过程复杂，伴随着物理、化学和机械现象，包括土壤热传递、水迁移和盐积累等过程［34，35］。在土壤冻结过程中，盐分的运移主要包括以下三个过程：首先，冻结区土壤含水量降低，深层土壤盐分随未冻水向冻结区移动，冻结区含盐量和含水量增加；然后，在水结冰过程中，盐分从生长的冰结晶体中分离出来，导致冻结锋附近盐分浓度增加；最后，在浓度梯度的作用下，盐分向非冻结区运动，但整体来说冻结区向未冻区转移的盐分数量有限［36］。消融期是土壤返盐的主要时期，该时期地表蒸发强烈，土壤水分运移活跃，冻结层的盐分快速向地表聚集［37］。

冬春灌条件下，冻融期土壤水盐运移更为复杂。彭振阳等［38］研究了秋浇条件下季节性冻融土壤盐分运动规律，结果表明，秋浇初期，0～100 cm 土层盐分显著降低，100 cm 以下土层含盐量显著增加；冻结期，在冻结和排水的共同作用下，冻结层（0～100 cm）土壤含盐量基本稳定，100 cm 以下土层受排水影响储盐量大幅降低；消融期，在冻结层土壤双向消融过程中，以融通面土层（40～70 cm）为界，盐分向上下两端运动，上层土壤（0～40 cm）和冻结层以下土壤（100～150 cm）盐分出现累积，70～100 cm 土层则由于受到冰层消融排水的影响含盐量明显降低。胡宏昌等［7］研究表明，在强烈的冻融作用下，冬灌棉田冻融期前后地表含盐量增加30%左右。可以看出，冻融作用对冬春灌的盐分淋洗效果影响显著，但冬春灌对土壤冻融过程也会产生一定的反向作用。由于水的比热容较大，冬灌在淋洗盐分的同时，也可缓冲土壤温度的剧烈变化，延迟土壤冻结时间［39］。冬灌还可以使土壤上层土水势增大，减少了冻结过程深层土壤水分和地下水向地表的运移，抑制了冻结过程盐分向土壤表层的集聚［7］。土壤冻融过程与冬春灌盐分淋洗之间存在强烈的耦合作用，明确冬春灌对冻融过程水盐的调控机制，对于制定科学合理的冬春灌制度具有重要的指导意义。

4 秸秆覆盖与深埋对冬春灌盐分淋洗效果的影响

土壤蒸发返盐是影响冬春灌盐分淋洗效果的主要因素。为了降低冬春灌后土壤水分蒸发和盐分的表聚，科研人员研究提出了秸秆覆盖“抑盐”和秸秆深埋“隔盐”等技术模式。研究表明秸秆覆盖不仅可降低地表温度，抑制冬春灌后土壤表层及耕作层蒸发返盐，提高播期的土壤储水量［40，41］，还能降低灌溉造成的土壤含盐量在水平方向上的异质性［42］，但秸秆覆盖会造成春季土壤升温缓慢，影响春播和作物生长［43］。为保证翌年春播时较低的土壤含盐量及适宜的土壤含水量，河套地区秋浇农田适宜秸秆覆盖量为0.9 kg∕m2［44，45］。

秸秆深埋“隔盐”是近年来盐碱地改良研究的热点，该技术通过在地表下一定深度土层埋设作物秸秆隔层，破坏土壤毛细管，切断潜水蒸发通道，减弱底层的盐分随水分上行而表聚，从而有效抑制地表返盐，降低土壤盐害［46-48］。在内蒙古河套地区，许多学者针对秸秆深埋条件下秋浇、春灌的盐分淋洗效应进行了大量的研究。李慧琴等［49］研究指出，秸秆隔层处理抑制了土壤盐分随水分的上移，延缓了水分的下渗过程，增强了盐分淋洗效果，且玉米秸秆隔层的抑盐效果优于小麦秸秆隔层。卢闯等［14］研究表明，与常规春灌相比，在灌水量一致及降低10%的情况下，秸秆隔层处理均具有较好的脱盐效果，盐分淋洗深度可达50～60 cm，其中0～40 cm 土层盐分较常规春灌处理降低18.9%和13.9%，春灌前后土壤脱盐率较常规春灌处理提高34.9%和30.1%。李玉义课题组基于田间试验并综合考虑作物主要根系深度以及机耕深度，确定河套地区盐分淋洗适宜秸秆埋设深度为40 cm，秸秆用量为12 t∕hm2，秸秆长度和秸秆铺设厚度均以5 cm最佳［14，50］。

5 暗管排盐技术对冬春灌盐分淋洗效果的影响

灌溉淋洗结合暗管排水排盐是盐碱地改良常用技术。在灌溉淋洗过程中，土壤可溶性盐溶于淋洗水中，然后随淋洗水渗入到地下水并通过地下暗管排走。暗管排盐技术主要适用于地下水埋深较浅地区的中度、重度盐碱地治理。在地下水埋深较浅的地区，暗管一般埋设在地下水位以下，暗管排盐效果较好，并且能有效控制地下水位，防止土壤次生盐渍化［51］。窦旭等［52］研究了春灌结合暗管排盐对内蒙古河套地区中度盐碱地盐分淋洗的影响，结果表明，与常规处理相比，常规灌水结合暗管排水处理和春灌水量减少10%结合暗管排水处理的根层土壤脱盐率分别提高18.47%和18.24%。钱颖志等［53］针对新疆高地下水位地区开展的暗管配合淋洗的排盐效果及关键影响因素研究发现，暗管排盐条件下冬灌脱盐效果显著，试验结束后，农田表层土壤平均含盐量由10 g∕kg减少为5 g∕kg；暗管间距和埋深是影响土壤脱盐率的关键因素，而管径对脱盐率无显著性影响，研究区适宜暗管埋深、间距和管径分别为1.4 m、8 m 和90 mm。

但新疆地区地下水位整体较深，91.47%的平原区地下水位埋深在3 m 以下［54］。在地下水埋深较大的区域，暗管只能埋设在土壤非饱和带，受暗管材料、规格以及布置方式等条件所限，暗管汇流面积较小，排水、排盐效率相对较低［55］。为了提高新疆地下水埋深较大区域灌溉淋洗条件下的暗管排盐效率，许多学者针对暗管排盐技术模式与适宜参数进行了大量的探索性研究。漫灌条件下水分快速通过土壤，暗管集流时间短，脱盐效果有限，而滴灌处理则可通过延长暗管集流时间提高暗管排盐效率。王振华、衡通等［56，57］研究表明，滴灌条件下暗管排盐效果明显，滴灌淋洗期间，0～70 cm 土层含盐量显著降低；暗管布设参数对土壤盐分淋洗影响显著，土壤脱盐率与暗管管径呈正比，与间距呈反比，暗管埋深0.6 m 处理脱盐效果优于其他处理，综合考虑排盐效率以及成本，暗管间距15 m、埋深0.6 m、管径90 mm 是新疆地下水埋深较大区域（大于4 m）滴灌暗管排盐的适宜布设参数。暗管集流面积小是影响西北旱区地下水埋深较大区域暗管排盐效果的主要因素。秦文豹等［58］指出，可以通过对暗管周围的滤层结构型式进行改进处理，使暗管周围出现局部饱和层，从而加速暗管排水排盐。李显溦等［51］研究指出，可以通过在暗管下方铺设一定宽度的防渗材料以增加暗管集流面积，从而提高淋洗条件下的暗管排盐效率。与无防渗处理相比，防渗处理的土壤排盐率可从9.8%提高至11.9%～32.1%，单方水排盐效率从1.86 kg∕m3提高至2.27～3.15 kg∕m3，但在暗管下方进行防渗处理将会增加暗管布设的施工难度和成本［51］。

可以看出，暗管排盐作为将盐分排出土体的重要途径对于提高冬春灌盐分淋洗效果发挥着至关重要的作用。但在地下水埋深较大的地区暗管排盐效率较低，虽然一些学者提出了延长暗管集流时间和增大暗管集流面积等解决办法，但暗管排盐在该类地区的适用性以及经济性还有待进一步的研究。

6 模型模拟在冬春灌盐分淋洗研究中的应用

随着对冬春灌研究的更加深入，越来越多的水盐问题难以通过田间试验定量解释，数值模拟作为研究土壤水盐运移的一种手段逐渐被广泛应用。目前在冬春灌研究中常用的模拟土壤水盐运移的软件主要有HYDRUS、SHAW以及SWAP等。

HYDRUS 由美国盐土实验室开发，包括HYDRUS-1D、HY‐DRUS-2D 和HYDRUS-3D 等版本，该模型的土壤水分运动过程采用Richards 方程描述，溶质运移过程采用对流-弥散方程描述，可用于模拟点尺度下多孔介质中水、热以及溶质的一维、二维和三维迁移过程，是农田土壤水盐运移模拟研究中应用最为广泛的软件之一［59，60］。余根坚、Yang 等［60，61］利用HYDRUS-1D∕2D模型对不同灌水技术、不同土壤类型条件下土壤水盐运移规律和盐分淋洗效率进行了模拟，潘云龙等［62］基于HYDRUS-2D模型模拟了暗管排水条件下盐分淋洗制度对土壤水盐运移的影响，不同研究均取得了较高的模拟精度。虎胆·吐马尔白等［63］基于Hydrus-3D 模型模拟确定了新疆生产建设兵团石河子市121 团秋浇定额。可以看出，HYDRUS 模型在多维水盐运移模拟中应用较多，且模拟效果良好，但HYDRUS 模型的缺陷是暂不能对冻融条件下的土壤水、热、溶质运移过程进行模拟。

SHAW 模型由美国农业部西北流域研究中心开发，用于模拟土壤冻融过程中水、热和溶质的运移［64］。Lu等［45］利用SHAW模型连续模拟了土壤冻融期和作物生长期全周年的水、热、盐运移规律。李瑞平等［11，65］利用SHAW 模型对内蒙古河套灌区土壤冻融过程水、热、盐动态进行了模拟研究，并基于模型模拟确定了不同盐渍化农田合理的秋浇节水灌溉制度。由于冬春灌盐分淋洗过程均伴随着冻融作用，因此SHAW 模型是冬春灌盐分淋洗过程模拟常用模型。肖姚等［66］综合考虑膜下滴灌农田土壤水盐空间分布的差异性以及季节性冻土区冻融作用的特殊性，联合使用HYDRUS-2D 模型和SHAW 模型模拟确定了季节性冻融区膜下滴灌农田单年际和多年际的推荐秋浇定额。

SWAP 由荷兰瓦赫宁根大学开发，主要用于模拟农田尺度下土壤-作物-大气系统一维水分运动、溶质运移、热量传输、作物生长和产量［67］。该模型水分运动与溶质运移模块的理论基础与HYDRUS 模型一致，作物模型则采用各生育阶段相对产量连乘的形式表达［68］。庄旭东等［69］基于SWAP 模型研究了内蒙古河套灌区暗管排水条件下土壤水盐运移规律，结果表明，合适的暗管埋深和间距有助于土壤根系层的排水脱盐，其中暗管埋深对土壤盐分运移的影响更为明显，暗管埋深2 m、暗管间距45 m 是当地适宜的暗管布设参数。薛静等［13，70］通过将SWAP模型与WOFOST 模型结合，模拟确定了内蒙古河套地区不同降水年型下春玉米与春小麦适宜秋浇灌溉模式。韩振霖［71］基于SWAP-SHAW 耦合模型模拟确定了河套地区不同盐渍化程度麦田适宜秋浇定额，其中重度、中度和轻度盐碱地适宜的秋浇定额分别为：1 500～1 995、1 005～1 500和495～1 005 m3∕hm2。

7 结论与展望

在冬春季节进行大水漫灌洗盐是新疆和内蒙古河套等干旱盐碱地区广泛采用的水盐管理方式。以往针对冬春灌盐分淋洗开展了大量的研究工作，基本明确了冬春灌条件下土壤水盐运移规律，确定了传统漫灌模式下各地区适宜的冬春灌盐分淋洗定额，提出了多种高效盐分淋洗技术模式，但冬春灌定额仍然偏高。随着三条红线最严格水资源管理制度的实施和农业可用水资源量的减少，冬春灌用水量仍需压缩。为了进一步提高冬春灌盐分淋洗效率，降低冬春灌盐分淋洗定额，今后还需在以下几个方面加强研究。

（1）创新冬春灌盐分淋洗灌水技术模式，降低冬春灌盐分淋洗定额。针对传统漫灌模式下冬春灌定额偏高的现状，继续开展不同灌水技术模式的盐分淋洗效果研究，探索节水压盐高效灌水技术新模式，提高盐分淋洗效率，降低冬春灌定额。

（2）量化冻融期土壤水盐过程，明确冬春灌对冻融期土壤水盐运移的调控机制。冻融作用下土壤水盐运移过程十分复杂，但由于冻融期土壤盐分监测困难，加上土壤盐分空间变异大，目前对大田冻融期土壤盐分运移过程认识还不够，对冬春灌条件下冻融期土壤盐分运移机理认识还不清。如何利用冬春灌调控土壤冻融过程进而提高盐分淋洗效率，还有待进一步研究。因此，需要创新冻融期土壤盐分运移研究方法和手段，量化冻融期土壤水盐运移过程，进而明确冬春灌对冻融期土壤水盐运移的影响机理和调控机制。

（3）进一步优化秸秆覆盖、深埋与暗管布设模式，因地制宜推动多种抑盐、隔盐、排盐技术模式的推广应用。针对不同的盐碱地类型、地下水埋深继续开展秸秆覆盖抑盐、秸秆深埋隔盐、暗管排盐技术参数研究，探究不同秸秆覆盖量、埋设深度、埋设厚度与暗管铺设间距、深度以及暗管管径等多种因素及其组合对冬春灌盐分淋洗效率的影响，明确多种抑盐、隔盐、排盐模式的组合效果，确定不同水文地质、土壤、气候条件下适宜技术的组合与布设模式，推动多种抑盐、隔盐、排盐技术模式的推广应用。

（4）开展区域尺度盐分淋洗模拟研究，实现冬春灌盐分淋洗分布式管理。水盐模型是量化土壤盐分积累和淋洗过程的有效工具，对于验证田间试验结果和进行情景模拟与预测起着重要的作用。但目前冬春灌研究中常用模型主要为点位尺度模型或田间尺度模型，而小尺度条件下的研究成果难以指导区域生产。因此，有必要结合水盐运移模型与GIS 技术开展区域尺度盐分淋洗研究，明确区域水盐运移规律，为实现冬春灌盐分淋洗分布式管理提供支撑。

（5）加强替代常规冬春灌的农田水盐管理新模式研究，为进一步降低冬春灌用水定额寻找新出路。近年来，新疆部分地区开始了滴水春灌、免冬春灌结合干播湿出等技术模式的实践和研究工作，并取得了较好的成效。但干播湿出、滴水春灌技术模式的淋盐和保苗效果受土壤质地、土壤盐渍化程度以及作物耐盐性等的影响较大，干播湿出、滴水春灌技术在不同土壤类型和不同作物上的适用性还缺乏系统深入的研究。因此，有必要针对不同土壤质地、土壤盐渍化程度以及作物开展系统的干播湿出、滴水春灌节水、压盐、保苗效应研究，筛选适宜干播湿出和滴水春灌的土壤类型和作物，明确干播湿出、滴水春灌等技术模式下作物出苗、成苗适宜的土壤水盐环境，量化干播湿出、滴水春灌适宜的灌水定额，为干播湿出和滴水春灌技术模式的推广应用提供理论支撑。