1076 土壤学报 57卷 保护性耕作使土壤容重增加,土壤饱和导水率下降,动机制是盐渍土改良利用的核心科学冋题 根系受到的穿透阻力提高。两种相反的观点的出 土壤水盐运移受区域性气候蒸发力、地形高差、 现可能与耕作实验实施年限和土壤质地等有关。地下水埋深、土壤自身属性和盐源分布的影响,因 Pittelkow等分析了全球610个研究案例,5463而田间管理措施对水盐迁移有着重要的影响,也成 个对比数据,发现仅采用少免耕往往使作物减产,为优化调控的首选。目前,土壤水盐运移生态调控 只有与作物覆盖和轮作等措施相结合,在干旱区域措施多种多样,包括各种具有节水减肥、绿色增效 提高作物产量较为明显。因此,采用保护性耕作揹特色的水利工程、物理、化学、农艺等多种措施, 施要因地而宜。另一方面,深耕(包括深松、深翻但其核心主要通过降低土壤温度或减少蒸发进而抑 等)是提高土壤物理质量的耕作措施,通过深耕,制盐分上行、改善土壤结构促进盐分淋洗、隔层创 提高土壤耕层厚度,降低土壤容重,提高土壤固碳建阻滞盐分上行,或增加土壤排水加快土壤排盐等 能力,增加土壤透水通气性,利于作物根系生长,途径实现土壤水盐运移过程的调控(图4)。不同形 从而实现作物增产增效。无论是保护性耕作还是成原因、驱动机制下的水盐运动调控措施需要针对 深耕,耕作措施改变土壤物理质量效果显著,但是不同生物气候带和不同盐渍化发生区域的实际情况 釆取何种适宜的耕作措施需要综合考虑当地气候特进行确定。水利工程措施如暗管排水通过增加净入 征、土壤状况和种植制度等。 渗方式加速土壤盐分从下边界的淋洗与排出,有效 2.3水热盐运移耦合过程与生态调控 降低土壤含盐量,但大量研究表明暗管排水需要 盐渍地是我国重要的后备耕地资源,达3千多通过后期控制排水,减少土壤水分和养分的淋失5 万公顷,其改良利用与水热盐运移过程密切相关。物理调控措施主要通过耕作、客土、秸秆隔层、生 土壤水盐迁移过程是指在自然、人为等多种因素影物质炭、铺沙压碱等方法创建疏松隔层抑制盐分上 响下水分和盐分在土壤中的再分配过程。温度与土行,或加速土壤盐分向深层次淋洗等方式实现水盐 壤水盐运移耦合研究是剖析不同气候带土壤盐渍化调控。化学调控措施主要通过环境友好型的钙基材 发生演变的重要基础,国内外学者通过大量试验研料的应用,利用Ca2与土壤胶体Na交换并淋洗, 究和理论分析,从水热盐耦合运移的角度阐述了土降低土壤胶体中的交换性钠Na',调节改善土壤理 壤盐渍化形成机理、演变规律与驱动机制。 Nassar化性状和生物学性状。此外,生物调控措施主要 等综合考虑水分梯度、温度梯度、溶质梯度作用利用保护性耕作方式、或者通过微生物促进土壤团 下的水汽输送、热量传递和溶质运移过程,对一维粒结构的形成与保存,提升盐碱地有机质含量,同 水、盐、热运移进行了模拟,并在封闭土柱中进行时阻控土壤返盐5。在当今生态优先的背景下,生 了验证和分析;万良兴等阐述了近20年来土壤物改良措施已成为研究的热点。受水资源因素制约 水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者目前国际上对盐碱地治理没有更好的办法,单一的调 的研究成果,评价了目前的土壤水热盐运移模型。控措施在不同区域适用条件有别,由此一些侧重于因 总体而言,温度通过间接影响土壤水汽运动、冻融地制宜的综合调控措施改进工作备受关注。例如,雷 过程进而影响盐分的迁移与分布。近年来的咸水结宏军等8提出的曝气滴灌水肥一体化技术,通过将 冰灌溉,其利用低温时咸水结冰,融化时含盐分高大量微气泡与水肥同步输送到根区而改善作物微环 的冰先融化入渗,含低浓度的微咸水后融化起到洗境,明显提升了作物生产潜力。张博提出的一种 盐的作用,使土壤表层脱盐。目前,国内外学者地下排水系统与田间入渗工程相结合的基础措施,并 在冻融、覆膜、秸秆覆盖等管理条件下的土壤水盐辅施有机肥料和改良剂的综合改良方法,改良后表土 运移开展大量的工作,但在不同种植方式、水文气积盐情况得到有效缓解,土壤养分有效提升。从已有 候条件下温度对水盐运移影响的程度、范围、效应研究看,随着近年来气候变化、水资源短缺以及极端 等方面仍需要进一步研究。比如,以往研究覆盖对气候频繁,不同气候区土壤水盐运动异质性与气候 减少灌溉用水的影响,但是很少关注地膜通过减少地形、灌排管理等因素长期并存,局部盐渍化减缓与 蒸发以及增加降水的深层渗滤将雨水存储在土壤中持久性的反复和加剧并存,这对传统的饱和带水盐运 的积极作用。不同气候带土壤盐渍化演变的复合驱动理论和水盐调控思路提出了新的挑战,未来研究应 http://pedologica.issas.ac.cn
1076 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 保护性耕作使土壤容重增加，土壤饱和导水率下降， 根系受到的穿透阻力提高[46]。两种相反的观点的出 现可能与耕作实验实施年限和土壤质地等有关[47]。 Pittelkow 等[48]分析了全球 610 个研究案例，5 463 个对比数据，发现仅采用少免耕往往使作物减产， 只有与作物覆盖和轮作等措施相结合，在干旱区域 提高作物产量较为明显。因此，采用保护性耕作措 施要因地而宜。另一方面，深耕（包括深松、深翻 等）是提高土壤物理质量的耕作措施，通过深耕， 提高土壤耕层厚度，降低土壤容重，提高土壤固碳 能力，增加土壤透水通气性，利于作物根系生长， 从而实现作物增产增效[49]。无论是保护性耕作还是 深耕，耕作措施改变土壤物理质量效果显著，但是 采取何种适宜的耕作措施需要综合考虑当地气候特 征、土壤状况和种植制度等。 2.3 水热盐运移耦合过程与生态调控 盐渍地是我国重要的后备耕地资源，达 3 千多 万公顷，其改良利用与水热盐运移过程密切相关[50]。 土壤水盐迁移过程是指在自然、人为等多种因素影 响下水分和盐分在土壤中的再分配过程。温度与土 壤水盐运移耦合研究是剖析不同气候带土壤盐渍化 发生演变的重要基础，国内外学者通过大量试验研 究和理论分析，从水热盐耦合运移的角度阐述了土 壤盐渍化形成机理、演变规律与驱动机制。Nassar 等[51]综合考虑水分梯度、温度梯度、溶质梯度作用 下的水汽输送、热量传递和溶质运移过程，对一维 水、盐、热运移进行了模拟，并在封闭土柱中进行 了验证和分析；万良兴等[52]阐述了近 20 年来土壤 水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者 的研究成果，评价了目前的土壤水热盐运移模型。 总体而言，温度通过间接影响土壤水汽运动、冻融 过程进而影响盐分的迁移与分布。近年来的咸水结 冰灌溉，其利用低温时咸水结冰，融化时含盐分高 的冰先融化入渗，含低浓度的微咸水后融化起到洗 盐的作用，使土壤表层脱盐[53]。目前，国内外学者 在冻融、覆膜、秸秆覆盖等管理条件下的土壤水盐 运移开展大量的工作，但在不同种植方式、水文气 候条件下温度对水盐运移影响的程度、范围、效应 等方面仍需要进一步研究。比如，以往研究覆盖对 减少灌溉用水的影响，但是很少关注地膜通过减少 蒸发以及增加降水的深层渗滤将雨水存储在土壤中 的积极作用。不同气候带土壤盐渍化演变的复合驱 动机制是盐渍土改良利用的核心科学问题。 土壤水盐运移受区域性气候蒸发力、地形高差、 地下水埋深、土壤自身属性和盐源分布的影响，因 而田间管理措施对水盐迁移有着重要的影响，也成 为优化调控的首选。目前，土壤水盐运移生态调控 措施多种多样，包括各种具有节水减肥、绿色增效 特色的水利工程、物理、化学、农艺等多种措施， 但其核心主要通过降低土壤温度或减少蒸发进而抑 制盐分上行、改善土壤结构促进盐分淋洗、隔层创 建阻滞盐分上行，或增加土壤排水加快土壤排盐等 途径实现土壤水盐运移过程的调控（图 4）。不同形 成原因、驱动机制下的水盐运动调控措施需要针对 不同生物气候带和不同盐渍化发生区域的实际情况 进行确定。水利工程措施如暗管排水通过增加净入 渗方式加速土壤盐分从下边界的淋洗与排出，有效 降低土壤含盐量[54]，但大量研究表明暗管排水需要 通过后期控制排水，减少土壤水分和养分的淋失[55]。 物理调控措施主要通过耕作、客土、秸秆隔层、生 物质炭、铺沙压碱等方法创建疏松隔层抑制盐分上 行，或加速土壤盐分向深层次淋洗等方式实现水盐 调控。化学调控措施主要通过环境友好型的钙基材 料的应用，利用 Ca2+与土壤胶体 Na+ 交换并淋洗， 降低土壤胶体中的交换性钠 Na+ ，调节改善土壤理 化性状和生物学性状[56]。此外，生物调控措施主要 利用保护性耕作方式、或者通过微生物促进土壤团 粒结构的形成与保存，提升盐碱地有机质含量，同 时阻控土壤返盐[57]。在当今生态优先的背景下，生 物改良措施已成为研究的热点。受水资源因素制约， 目前国际上对盐碱地治理没有更好的办法，单一的调 控措施在不同区域适用条件有别，由此一些侧重于因 地制宜的综合调控措施改进工作备受关注。例如，雷 宏军等[58]提出的曝气滴灌水肥一体化技术，通过将 大量微气泡与水肥同步输送到根区而改善作物微环 境，明显提升了作物生产潜力。张博[59]提出的一种 地下排水系统与田间入渗工程相结合的基础措施，并 辅施有机肥料和改良剂的综合改良方法，改良后表土 积盐情况得到有效缓解，土壤养分有效提升。从已有 研究看，随着近年来气候变化、水资源短缺以及极端 气候频繁，不同气候区土壤水盐运动异质性与气候、 地形、灌排管理等因素长期并存，局部盐渍化减缓与 持久性的反复和加剧并存，这对传统的饱和带水盐运 动理论和水盐调控思路提出了新的挑战，未来研究应
5期 彭新华等:新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 1077 地面覆盖 GSPAC系统 水分运动模块 修改上边界条件 抑制蒸发① 精作抑盐 2、盐分运移模块9 2、修改水力特征参数,模 隔层色建B.Bi 3、热量传速(冻融)) 阻断返盐③ 3,修改边界条件参数,模 4、作物根系吸水模块① cOMsOL万 拟下滴准节水控盐B 水盐随毛管 5、地下水流动模块 排水 上边界条 =0z=t>0 iE Note: Surface cover inhibits evaporation; @2 Tillage and water-saving to control salinization; @3 Create a interlayer to inhibit salt accumulation on the surface soil: Deep drainage promotes salt-leaching: ( Salt infiltration and accumulation; 6 Water and salt go up by apillary rising: (Simplified characteristics of water and salt movement; (8 Water movement module; Salt transport module; Q0He transfer( freeze-thaw ):(D Root water absorption module; (12 Groundwater flow module; (3 Modify upper boundary conditions to simulate surface cover inhibiting evaporation; (14 Modify hydraulic characteristic parameters to simulate tillage and interlayer blocking capillary: 15 Modify boundary condition parameters to simulate water saving and salt control by drip irrigation under film: (5 Modify lower boundary conditions to simulate deep drainage and salt-leaching 图4土壤水热盐耦合迁移的调控途径及其过程模拟 Fig4 The regulation approach and process simulation of coupled soil water, heat and salt transport 重点突破非饱和带水盐迁移过程、驱动机制及其尺度有限元理论的数值仿真模型 COMSOL被用于模拟 效应,微咸水/咸水、农田排水等非传统水资源在盐地下水流动、土壤盐分运移和气流形成规律等问题 渍土安全利用及其生态效应等。 Wang等利用 COMSOL研究了盐土路基膨胀中的 土壤中溶质的运动包括对流、分子扩散、机械弥土壤盐分迁移、结晶等过程。焦会青等结合 散、溶解沉淀、离子吸附、植物吸收等一系列物理 COMSOL构建的模型较好地模拟了绿洲盐渍化土 化学和生物过程。土壤溶质运移模型是近似描述盐渍壤中多离子耦合运移过程。与现有其他模型相比, 土水热盐运移规律的有效、快捷方法,可归纳为:机尽管 COMSOL目前主要局限于地下水和土壤水入 理性模型,物理模拟模型及数学模拟模型。 Nassar渗的硏究,但是其数值分析能力强、计算适用性广, 等于1992年提出了描述非恒定条件下水、热、盐且具备复杂工程设置方式和二次开发潜力,因此在 运动的控制方程,其中包括水分、热运动和溶质运一些特定的土壤溶质运移过程模拟研究中具有广泛 移3个子方程,这也是目前土壤水热盐耦合运移数应用前景。总体来看,目前在地下水-土壤-植物-大 学模拟的基础。 HYDRUS模型被广泛用于模拟饱气连续体( GSPAC)水分传输模型研究中,对提高 非饱和渗流区水、热及多种溶质的迁移与转化过作物水分利用率极为关键的根区水分传输机理的认 程,能够较好地模拟田间点源交汇条件下的水-盐-识仍不够深入。尤其是,由于盐分的影响,明确 热分布。尤其是, HYDRUS模型引入了能模拟优势 GSPAC系统水分转化机制相当困难。近年来,环境 流的双孔隙模型,可进行物理非平衡和化学非平衡或人为加入稳定同位素技术已经成为研究植物水资 溶质运移的模拟(例如两区模型、两点模型等),这源利用的新方法,这为进一步揭示 GSPAC系统 为土壤结构和层次复杂条件下溶质迁移模拟提供了土壤水与溶质运移过程提供了有效手段。总体上 方便。α等利用 HYDRUS模型准确模拟了水、热、盐耦合运移模型有了很大发展,然而现有 秸秆覆盖和滴灌条件下的土壤水盐运移过程。此外,模型存在如参数多、田间可操作性差、难以验证等 SHAW模型亦广泛用于研究土壤水热盐耦合运移,很多不足。未来的主要研究热点是将数学模型和机 尤其是在冻融条件下。Lu等6利用SHAW模型模理性模型相结合 拟不同覆盖条件下全年土壤水热盐耦合运移过程,2.4污染物迁移与模型模拟 并对当地秋浇提出了理论指导。近年来,一种基于 针对我国土壤和水体污染形势严峻问题,土壤 http://pedologica.issas.ac.cn
5 期 彭新华等：新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 1077 http://pedologica.issas.ac.cn 注 Note：①Surface cover inhibits evaporation；②Tillage and water-saving to control salinization；③Create a interlayer to inhibit salt accumulation on the surface soil；④Deep drainage promotes salt-leaching；⑤Salt infiltration and accumulation；⑥Water and salt go up by capillary rising；⑦Simplified characteristics of water and salt movement；⑧Water movement module；⑨Salt transport module；⑩Heat transfer（freeze-thaw）；⑪Root water absorption module；⑫Groundwater flow module；⑬Modify upper boundary conditions to simulate surface cover inhibiting evaporation；⑭Modify hydraulic characteristic parameters to simulate tillage and interlayer blocking capillary； ⑮Modify boundary condition parameters to simulate water saving and salt control by drip irrigation under film；⑯Modify lower boundary conditions to simulate deep drainage and salt-leaching. 图 4 土壤水热盐耦合迁移的调控途径及其过程模拟 Fig. 4 The regulation approach and process simulation of coupled soil water，heat and salt transport 重点突破非饱和带水盐迁移过程、驱动机制及其尺度 效应，微咸水/咸水、农田排水等非传统水资源在盐 渍土安全利用及其生态效应等。 土壤中溶质的运动包括对流、分子扩散、机械弥 散、溶解沉淀、离子吸附、植物吸收等一系列物理、 化学和生物过程。土壤溶质运移模型是近似描述盐渍 土水热盐运移规律的有效、快捷方法，可归纳为：机 理性模型，物理模拟模型及数学模拟模型[60]。Nassar 等[51]于 1992 年提出了描述非恒定条件下水、热、盐 运动的控制方程，其中包括水分、热运动和溶质运 移 3 个子方程，这也是目前土壤水热盐耦合运移数 学模拟的基础。HYDRUS 模型[60]被广泛用于模拟饱 和-非饱和渗流区水、热及多种溶质的迁移与转化过 程，能够较好地模拟田间点源交汇条件下的水-盐- 热分布。尤其是，HYDRUS 模型引入了能模拟优势 流的双孔隙模型，可进行物理非平衡和化学非平衡 溶质运移的模拟（例如两区模型、两点模型等），这 为土壤结构和层次复杂条件下溶质迁移模拟提供了 方便[61-62]。Qi 等[63]利用 HYDRUS 模型准确模拟了 秸秆覆盖和滴灌条件下的土壤水盐运移过程。此外， SHAW 模型亦广泛用于研究土壤水热盐耦合运移， 尤其是在冻融条件下。Lu 等[64]利用 SHAW 模型模 拟不同覆盖条件下全年土壤水热盐耦合运移过程， 并对当地秋浇提出了理论指导。近年来，一种基于 有限元理论的数值仿真模型 COMSOL 被用于模拟 地下水流动、土壤盐分运移和气流形成规律等问题， Wang 等[65]利用 COMSOL 研究了盐土路基膨胀中的 土壤盐分迁移、结晶等过程。焦会青等[66]结 合 COMSOL 构建的模型较好地模拟了绿洲盐渍化土 壤中多离子耦合运移过程。与现有其他模型相比， 尽管 COMSOL 目前主要局限于地下水和土壤水入 渗的研究，但是其数值分析能力强、计算适用性广， 且具备复杂工程设置方式和二次开发潜力，因此在 一些特定的土壤溶质运移过程模拟研究中具有广泛 应用前景。总体来看，目前在地下水-土壤-植物-大 气连续体（GSPAC）水分传输模型研究中，对提高 作物水分利用率极为关键的根区水分传输机理的认 识仍不够深入。尤其是，由于盐分的影响，明确 GSPAC 系统水分转化机制相当困难。近年来，环境 或人为加入稳定同位素技术已经成为研究植物水资 源利用的新方法[67]，这为进一步揭示 GSPAC 系统 土壤水与溶质运移过程提供了有效手段。总体上， 水、热、盐耦合运移模型有了很大发展，然而现有 模型存在如参数多、田间可操作性差、难以验证等 很多不足。未来的主要研究热点是将数学模型和机 理性模型相结合。 2.4 污染物迁移与模型模拟 针对我国土壤和水体污染形势严峻问题，土壤