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1、变化环境下海岸带土壤水盐肥动态监测与调控研究陈小兵1，吴从稳1,2，位才波3，卜凡敏4蒋名亮1,5，尹春艳1（1.中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东 烟台 264003；2. 烟台大学生命科学学院，山东 烟台 264005； 3 山东省第四地质矿产勘查院，潍坊261021；4 山东省滨海盐碱地水土环境工程技术研究中心，山东东营 257000; 5 长安大学环境工程学院西安 720054）随着世界人口的急剧增加和生活水平的不断提高，人类对水和粮食的需求也相应增加。如何在有限的水资源条件下，解决工业、农业用水、生活用水和生态环境用水之间的矛盾是人类目前面临的一个迫切问题。在我国，农
2、业用水大约占到总用水量的70%以上，因此，节水灌溉和微咸水的利用的实施和推广成为必然选择。从广义上来讲，微咸水可以纳入节水范畴。节水灌溉主要通过两个途径来实现，提高淡水资源的利用效率；劣质水资源化，利用劣质水进行灌溉。而在我国广大的干旱、干旱地区推行节水灌溉，特别是利用微咸水灌溉，则加大了土壤质量退化的风险，特别是容易引起土壤次生盐碱化问题，灌溉农业特别是节水农业的成败接取决于是否能够控制土壤次生盐碱化问题，因此，必须对节水灌溉下的土壤质量特别是次生盐碱化的发生与演变问题进行与深入研究。1、土壤水盐动态与土壤质量的多尺度田间实时监测与监控技术土壤水盐动态监测系统具体包括地下水动态、地下水含盐量
3、和含水量、降水量和蒸散量的时空分布以及灌水量等参数，通过多年的田间监测可以直接掌握研究区的水盐动态，田间的监测数据也是数值模拟计算的依据，是土壤水盐动态预报的重要一环。土壤盐分动态具有多尺度属性。空间上，一般可分为灌区农田土壤剖面三个尺度；时间上，则可分为周年动态和多年动态。通常，在一种尺度下空间变异中的噪声成分，可在另一小尺度下表现为成结构性成分。土壤水盐运动的格局和过程在不同尺度上表现出不同的特征，不同尺度的现象和过程之间相互作用、相互影响，表现出复杂性特征。大尺度上发现的区域性盐渍化，都与小尺度上的水盐运移密切相关；同样，大尺度上的改变也会反过来影响小尺度上的现象和过程1,2,3。在对水
4、盐运动的研究中，唯有进行多个尺度的研究，才能全面正确评估土壤是积盐还是脱盐状态及其趋势，进而为制定土壤次生盐碱化的合理调控措施提供科学依据。土壤盐渍化的发生与演变受气候条件、水文地质条件、土壤条件和地表覆盖条件等多种因素的限制。受研究目的和研究对象的不同，对各个尺度的水盐动态的监测内容和要求也有所不同，具体可见表 1。表 1. 不同空间尺度及其监测要素空间尺度范围 ( m2)水文、气候因子土地利用因子地学因子水文地质（地下水因子）剖面尺度110 对降水、蒸发、气温、风速等因子的处理仅考虑时间的变化灌溉量、种植制度土地剖面质地层次仅涉及此点地下水的埋深动态和地下水矿化度田间尺度102106同上灌
5、溉方式、灌溉量和种植制度土壤剖面构型及其土种类型多个典型点的的埋深与水质动态基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费项目（200903001） 、海洋公益性行业科研专项（201105020） 、所前沿项目、“黄河 三角洲陆海界面过程、生态演变与修复技术”、国家科技支撑计划项目(2009BADA3B04 ） 。 作者简介：陈小兵（1974-），男，山西万荣人。博士，副研究员。主要从事海岸带盐碱土水盐肥运移过程 与农业可持续发展研究。E- mail:2 灌区尺度106要考虑气候因子的空间变异灌排体系、灌溉制度和种植制度土壤、地貌变化类型对地下水埋深与水质动态进行分区1.1 土壤水分监测与误差分析1
6、.1.1 土壤水分监测仪器在农田水分的管理及灌溉决策中，人们更关心的是土壤水分状况与作物的关系。能够获得合理及时的土壤墒情信息， 对提高灌溉的准确性和有效性十分重要。经过多年土壤监测技术的发展与实践，人们研制了多种土壤水分监测技术，但各种技术都有其优点和局限性，应用范围见表2。确定土壤含水量最基本的方法是取土样烘干法，它的缺点是土层受到扰动，且不能连续观测。 因此不能用于灌溉控制。间接测土壤水分状况的方法有中子法、x 射线等，这些测量方法比较准确，也不破坏土壤结构，但对不同的土壤需要率定，并且使用中要注意避免其对人体的辐射伤害。TDR从20世纪 80年代以来得到了不断改进和广泛应用，其突出优点
7、是可自动、快速、多方位的连续监测土壤水分，且不需要特殊的标定。目前应用TDR技术研制的 TDR系统有加拿大的 Moisture Point 和TRASE系统，德国的 TRIME ，英国 DeltaT公司的 ThetaProbe等。与TDR 类似的频域反射仪（FDR ）是利用无线电频率电容技术来测量土壤含水量。表 2 土壤水分监测方法尺度剖面尺度田间尺度灌区流域尺度监测方法烘干法、张力计中子水分仪、TDR.、FDR烘干法、 张力计中子水分仪、 TDR. 、FDR遥感手段热惯量法、微波遥感发、热红外法随着人们对电磁波认识的深入，电磁方法成为目前研究最多、最深入，并且最具潜力的一类方法。在区域尺度上
8、，人们发展了近红外辐射(Near Infrared Radiation，NIR)，微波 (Microwave) ，以及适于大区域应用的各种遥感法等。从物理机理上看，现有各种电磁测量方法，尽管其依据的原理互不相同，但都是根据电磁波与土壤相互作用来实现的。1.1.2 土壤水分监测得误差分析由于田间土壤的复杂性和变异性，所有方法在测量田间土壤含水量时都不可避免的会产生一定的误差。误差的产生既有仪器和操作方面的原因，也有测定方法本身的原因。对于前者，可通过设备和技术改进予以减小或消除，而对于后者，明显的改善是非常困难的。当前，主要通过对土壤特性的空间变异性的研究，确定田间土壤水分监测的合理测点数目和位
9、置，减少取样的成本，并提高其精度4。目前用于土壤空间变异的分析方法主要有以下几种：经典的统计方法、时间序列分析方法、地质统计学方法、随机模拟方法、分数维方法等1.2 土壤盐分监测与误差分析传统的土壤盐分监测一般是直接采取土壤样品进行室内简分析，获取其全盐含量和电导率值，并通过建立土壤盐分与电导率值的相关方程，来推算全盐含量。该方法获取的数据比较准确，但费时、费力，成本较大，无法获取动态连续数据。用于土壤盐分原位监测的仪器主要是盐分传感器，逐渐成为定点监测的驻留方法，该方法不但可用于野外定点监测，也可用于室内模拟实验，可获取连续的动态监测数据。该仪器的主要问题在于率定较烦，土壤盐份平衡的时间较长
10、，精度有待提高。电磁感应技术用于土壤盐分监测与土壤盐渍化评估，已经有近30 年的历史。近年来，随着全球定位(GPS)和地理信息系统的发展，移动式电磁感应在对土壤盐分的监测中获得了长足的进步，可以快速的对大范围的耕地进行土壤盐分监测，缺点在于仪器昂贵，成本大5, 6。对大尺度的土壤盐分研究，可以通过对遥感解译的方法来获得，解译的精度受个人的知识背景、经验和对研究区的了解程度有关7。同土壤水分类似，土壤盐分的监测也存在着有由于空间变异而产生的误差问题，主要可通过地统计学的方法来校正。1.3 地下水监测地下水的水量、水质动态的监测主要通过建立地下水监测井的网络来实现。地下水位监测可以通过自3 计水位
11、仪来实现，水质主要通过室内分析来获取。近年来，在监测井的布置与优化中引入了地统计学和频谱分析等方法，对观测井的布置有直接指导作用。为进行地下水的预报奠定了较好的基础8。2 节水与微咸水灌溉条件下区域土壤和地下水监预测技术影响土壤含盐量变化因素很多，其中地下水位是最主要的因素之一。土壤中的盐分运动与水分运动是同时发生的，土壤水在各种气候因素和人为因素的影响下进行着垂向和平面的交替运动，土壤盐分在浓度梯度下发生分子扩散，在水流的作用下产生对流和机械弥散。由于土壤盐分运动机理复杂，需要常规的观测资料较多。土壤盐分的预报比地下水预测更为困难，在实践中，一般将地下水动态预报和土壤盐分预报结合起来研究，以
12、实现对区域盐渍化的预报。对地下水与土壤盐分的预报模型可分为两大类，即确定性模型（动力学模型）和随机模型。2.1 土壤水盐预报模型2.1.1 地下水预报模型地下水的预报包括水位和水质两部分研究。在地下水预报研究方面技术已经比较成熟，MODFLOW业已成为比较流行的通用软件9。2.1.2 土壤盐分预报模型从国内外土壤盐分预报来看，确定性数学模型一般采用下面三种：以对流为主的水盐运动数学模型，考虑对流和水动力弥散的对水盐运动数学模型（对流弥散传输模型），同时考虑对流、弥散与吸附三种作用的数学模型。确定性模型预报结果的合理性与可信度取决于对复杂的土壤水分盐分复杂系统概化的合理程度，而概化的合理程度直接
13、受制于监测资料的祥略和准确与否。受土壤水分盐分作物系统本身的复杂性和监测技术手段所限制，在预报实践中主要存在的问题可归结为三点：其一， 数值计算中会产生数值弥散等问题；其二，模型中的需要的参数不易获得及其合理性需要改进；其三，确定型模型对土壤结构本身变异性的影响和影响盐分运动各种自然影响因素的随机性和人类管理活动的影响考虑不够10, 11, 12, 13, 14, 15。因此，尽管当前所建立的水盐模型预报结果尚不能令人满意，离指导生产实践尚有相当长的距离，但随着监测技术手段的进步，对土壤蒸发、作物腾发与作物根系吸水定量化程度的提高，确定型模型预测的精度将会不断提高。随机模型一般包括时间序列模型
14、、灰色模拟预报和数理统计预报三种方法，神经网络等方法也在土壤盐分预报中得到大量应用，取得了较好的结果12, 16, 17, 18, 19。若研究区水盐监测资料具有较长的时间序列，则可利用上述方法进行预报。随机方法在一定程度上可以弥补对土壤水盐系统复杂性认识的不足与参数的不易获取性。2.2 土壤水盐预报模型研究趋势近 10 年来，国外在土壤溶质运移理论和可视化软件取得了很大进展。研究地下水流的主流软件是MODFLOW 。在田间尺度可用于水盐运动的软件有主要有HYDRUS 、SWAP、SALTMOD 等。这上述软件基本都实现了模块化，易于操作，在对土壤水盐的预报与管理中得到了比较广泛的应用20,
15、21, 22, 23。一些研究者将两种软件结合起来，根据田间观测与灌溉试验结果，在田间尺度采用SWAP 模型模拟不同地下水调控深度与灌溉制度相结合的水管理方案下的土壤水盐动态，在区域尺度采用MODFLOW模型进行不同水管理方案的地下水流模拟，据此分析土壤水盐动态过程和农田排水系统的作用，实现对拟定的各种水管理方案的评价24, 25。3 维持作物健康生长和土壤质量安全的区域水盐调控技术3.1 土壤水水盐调控的基本原则水盐调控的基本原则是维护作物产量的质量、产量提高的同时，保证区域土壤环境及相关的水体环境质量不致有大的下降26, 27。3.2 土壤调控的主要理论调控的主要有在灌区设计上确立节水控盐
16、设计标准，并根据水盐生产函数把根系层的盐分控制在作物阈值内28 ,29。3.2. 水盐调控有关措施4 调控技术主要包括水利工程措施、农业生物技术措施。3.2.1 水利工程措施水利工程措施是防治土壤盐渍化首要的必不可缺少的先决措施，常采用的是排水防治，冲洗改良， 灌溉淋盐和井、沟、渠相结合水利工程措施，其中以灌溉淋盐应用较为普遍，且具有一定的研究深度。实施水利工程措施的必要前提是建立完善排水系统，可以分为两类：一类是水平排水，如明沟、暗管，另一种是竖井排水。自60 年代以来，我国在河南封丘、山东禹城等建立了以井灌井排为中心治理盐渍土的试点及综合治理实验区，为黄淮海平原盐渍土的成功治理提供理论与实践的基础。山东省通过暗管排水改良滨海盐土，埋深以潜水临界深为主要依据，潜水位高于临界深度持续79 天， 春季灌水量9001200m3/hm2，应排水量180 240m3hm2，通过暗管排水，调节水盐平衡，提高排蒸比，促使土壤脱盐和潜水淡化。甘肃河西垦区灌溉100m3h
