水鹽運(yùn)動(dòng)理論及其應(yīng)用

1973年6月，國(guó)務(wù)院企業(yè)指導(dǎo)小組王觀音同志以譴責(zé)趙鹽堿改良區(qū)為榜樣，并通知沈其毅副主任。同年秋天，石元春和辛德輝等六名教師來(lái)到張莊。由此拉開(kāi)了中國(guó)(北京)農(nóng)業(yè)大學(xué)系統(tǒng)研究水鹽運(yùn)動(dòng)的序幕。如今水鹽運(yùn)動(dòng)及其應(yīng)用的研究,在為黃淮海平原旱澇鹽堿綜合治理與可持續(xù)發(fā)展研究方面做出重大貢獻(xiàn)的同時(shí),也極大促進(jìn)了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤學(xué)科的發(fā)展。以水鹽運(yùn)動(dòng)理論為指導(dǎo)的黃淮海鹽堿地治理研究在國(guó)際鹽漬土研究中占有一席之地,水鹽運(yùn)動(dòng)的理論及應(yīng)用研究的內(nèi)涵與外延也得到了迅速拓展,其研究方法、手段和研究成果與國(guó)際同類學(xué)科前沿水平保持同步。本文就1973—2003年,中國(guó)(北京)農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤學(xué)科以河北曲周試驗(yàn)站為基地的研究歷程,做一簡(jiǎn)要回顧與評(píng)述總結(jié),這無(wú)疑對(duì)今后土水資源可持續(xù)利用和管理的研究以及農(nóng)業(yè)資源學(xué)科的發(fā)展有重要的指導(dǎo)意義。1歷史回顧回顧30年水鹽運(yùn)動(dòng)研究的科學(xué)歷程,可分為如下幾個(gè)階段:1.1土壤鹽分測(cè)定結(jié)合以淺井深溝體系為主的旱澇鹽咸綜合治理措施,主要開(kāi)展了以下研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,1]:1)對(duì)張莊試區(qū)進(jìn)行的逐年土壤鹽分調(diào)查,了解綜合治理效果,并擴(kuò)展到對(duì)2000hm2治理區(qū)的鹽分動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。2)對(duì)典型試點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期的周年水鹽運(yùn)動(dòng)的觀測(cè),了解本區(qū)水鹽運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,從而提出合理的調(diào)控措施。3)對(duì)淺井抽水的監(jiān)測(cè)和抽水時(shí)期的研究,得出雨季前抽水降低水位對(duì)脫鹽效果最佳。4)結(jié)合咸水灌溉和利用,研究作物與鹽分的關(guān)系。如作物的耐鹽指標(biāo),以及咸水灌溉后的土壤水鹽動(dòng)態(tài)等。5)研究地下水位、質(zhì)地層次對(duì)旱季積鹽和雨季脫鹽的影響。1.2不同地域、合理、協(xié)調(diào)的水鹽平衡研究(20世紀(jì)70年代后期至80年代初)[11,14,15,16,17,18,21,22,23]1)從理論上研究和提出了半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)旱澇鹽堿和地下咸水的共存性和以此為特征的獨(dú)立的地理景觀和生態(tài)系統(tǒng),以及它在中國(guó)和世界的地理分布和范圍。2)系統(tǒng)研究了半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候下鹽漬土區(qū)的水鹽運(yùn)動(dòng),包括:基本特征、易溶鹽的古地球化學(xué)過(guò)程和近代的空間分異、季風(fēng)性的規(guī)律;3)對(duì)地塊、區(qū)域和不同地學(xué)條件的水鹽平衡的研究,從而了解綜合改良試區(qū)的治理效果和水鹽運(yùn)動(dòng)方向以及自然條件(不同地學(xué)條件)影響下的水鹽平衡特點(diǎn);對(duì)大區(qū)水鹽平衡和黃淮海平原水平衡的分析,增強(qiáng)了對(duì)大區(qū)域水鹽動(dòng)向的總體了解。4)在古地球化學(xué)研究中全面論證了我國(guó)華北地區(qū)上更新世的古氣候較中下更新世干燥和黃淮海平原地下咸水的陸相成因的論斷。并提出了黃淮海平原現(xiàn)代積鹽規(guī)律和五個(gè)地球化學(xué)區(qū)的劃分。并提出了區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)類型的劃分原則和方法5)綜合以上研究,石元春系統(tǒng)地總結(jié)了以下觀點(diǎn):①旱澇鹽堿和地下咸水共存和交相為害是半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候、泛濫平原地學(xué)條件和人為活動(dòng)影響下所表現(xiàn)出的一組自然現(xiàn)象,是一種獨(dú)立的地理景觀和生態(tài)系統(tǒng)。②旱澇鹽堿和地下咸水是有內(nèi)在聯(lián)系的有機(jī)整體,必須綜合治理,這是過(guò)去多次治理而未得成功的理論上的原因。③綜合治理旱澇鹽堿和地下咸水的實(shí)質(zhì)是對(duì)區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)(包括降水、地下水、地上水、土壤水及其中易溶鹽)的科學(xué)調(diào)節(jié)和管理,使之向著能夠抗旱、防澇和消除土壤鹽漬化,改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的方向發(fā)展。④調(diào)節(jié)和管理區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)的樞紐和杠桿是淺層地下水的開(kāi)采和回補(bǔ)。⑤不僅治理對(duì)象是綜合的,治理的措施也必須是綜合的,包括各種農(nóng)田工程措施和農(nóng)業(yè)措施。1.3土壤水分和鹽分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定與研究1)應(yīng)用土壤水和溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)力學(xué)原理,對(duì)土壤水鹽動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行了比較系統(tǒng)和大量的研究,特別在水鹽運(yùn)動(dòng)的方向和強(qiáng)度、有粘土層條件下蒸發(fā)和入滲過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及水鹽運(yùn)動(dòng)的參數(shù)和模型方面取得了重要成果,對(duì)土壤水分和鹽分運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定和研究。2)引用和試制了土壤水分和鹽分測(cè)定儀器,為水鹽動(dòng)力學(xué)研究和大面積監(jiān)測(cè)提供了有力工具。①?gòu)埩τ?jì)的應(yīng)用和制作;②鹽分傳感器的引進(jìn);③溶液提取器的引進(jìn)和制作;④四電極的試制。3)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。包括應(yīng)用航片和衛(wèi)片對(duì)土壤鹽漬化進(jìn)行監(jiān)測(cè);應(yīng)用紅外測(cè)定儀監(jiān)測(cè)土壤水分;土壤水和溶液濃度的自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)的試制等。1.4預(yù)報(bào)的系統(tǒng)方法和應(yīng)用1984年7月開(kāi)始,在曲周縣建立了一個(gè)較為完善的區(qū)域水鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng),總計(jì)包括地下水觀測(cè)井110個(gè),地表徑流站25處,土壤水鹽測(cè)點(diǎn)10個(gè),氣象站點(diǎn)13個(gè)。近10年系統(tǒng)的觀測(cè)積累了大量數(shù)據(jù),使區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)測(cè)報(bào)和應(yīng)用的研究取得了較為豐碩的成果。建立了區(qū)域水鹽監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)體系(PWS)。PWS體系的主要內(nèi)容包括資料與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下水位和水質(zhì)的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、土壤鹽分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào),以及在各子系統(tǒng)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,提出了系統(tǒng)預(yù)報(bào)的模型及其實(shí)施和檢驗(yàn)。PWS體系具有以下特點(diǎn)和重要進(jìn)展。1)運(yùn)用系統(tǒng)分析、數(shù)學(xué)式,表達(dá)和建立概念模型,使對(duì)區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),由傳統(tǒng)的和經(jīng)驗(yàn)性闡述發(fā)展為概念清晰、科學(xué)和規(guī)范化的表達(dá),并為系統(tǒng)預(yù)報(bào)打下了基礎(chǔ)。2)在不同類型與條件的水鹽監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi),應(yīng)用多種方法,如水鹽均衡、專家識(shí)別、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、水動(dòng)力學(xué)等,發(fā)展建立了針對(duì)不同目的的地下水位和水質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、土壤水分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、土壤鹽分動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)4個(gè)子系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型。各子模型應(yīng)用靈活,可根據(jù)預(yù)報(bào)要求,有針對(duì)性地選用子模型,做出某一子系統(tǒng)在一定時(shí)段內(nèi)的趨勢(shì)性或定量化預(yù)報(bào)。3)按4個(gè)子系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型的自然關(guān)系,以其物質(zhì)的流向和流量構(gòu)成有序的系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型。從實(shí)驗(yàn)室模擬到建立田間預(yù)報(bào)模型,又從單點(diǎn)到多點(diǎn),特別是通過(guò)建立分布式動(dòng)態(tài)模型和柵格化數(shù)據(jù)圖幅疊加等方法,使多點(diǎn)預(yù)報(bào)擴(kuò)展為完整的面的預(yù)報(bào),并以直觀和實(shí)用的圖幅形式表達(dá),以菜單選擇的方法提供服務(wù)。既可做中長(zhǎng)期預(yù)報(bào),也可做季節(jié)的最小時(shí)段預(yù)報(bào)。4)比較充分地應(yīng)用了地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù),初步建立了從信息(數(shù)據(jù))輸入、計(jì)算、管理到圖幅和數(shù)據(jù)文件輸出的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)。5)所建立的區(qū)域水鹽測(cè)報(bào)信息系統(tǒng)在曲周全縣、引黃入淀工程環(huán)境評(píng)估中得到了應(yīng)用。進(jìn)入90年代后,黃淮海平原的內(nèi)陸鹽堿地大部分得到改良和利用,但在華北平原地區(qū),農(nóng)業(yè)的發(fā)展與水資源短缺矛盾越來(lái)越突出,為此在繼續(xù)開(kāi)展黃淮海平原水鹽運(yùn)動(dòng)與管理網(wǎng)絡(luò)研究同時(shí),在一系列國(guó)家重大科研項(xiàng)目支持下,著重開(kāi)展了節(jié)水農(nóng)業(yè)和提高土壤水分、養(yǎng)分利用效率的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。90年代后期,我國(guó)北方荒漠化問(wèn)題日趨突出,在對(duì)西北水土資源利用模式的研究中,借鑒我們?cè)邳S淮海平原水鹽運(yùn)動(dòng)研究成果和學(xué)術(shù)思想,取得了良好的效果。為此,把近10年來(lái)水鹽運(yùn)動(dòng)的理論和應(yīng)用的研究劃分成3個(gè)方面:1)節(jié)水農(nóng)業(yè)和提高土壤水分、養(yǎng)分利用效率的應(yīng)用基礎(chǔ)研究(1991年至今)[70～73,75～77,80～185,191～196,198～203,212,223,224,229,234,236,237,241～244,250,251,256,265,272～278,280,281,283～289,291～293,299,308～310,313,320]①農(nóng)田土壤水分轉(zhuǎn)化方面的研究:建立了區(qū)域農(nóng)田土壤水分隨機(jī)均衡模型:首次特別注重對(duì)土壤水分運(yùn)行影響極大的土壤質(zhì)地剖面定量描述。通過(guò)對(duì)農(nóng)田尺度土壤水分系統(tǒng)的分析,建立土壤水分運(yùn)動(dòng)和作物生長(zhǎng)耦合模型。②對(duì)不同條件下蒸發(fā)過(guò)程中水、汽、熱的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬與分析,建立了反求根系吸水的模型與方法體系。③TDR測(cè)試技術(shù)的研究與應(yīng)用,農(nóng)田土壤水分、養(yǎng)分和鹽分時(shí)空變化特征與定量表達(dá)。④根層環(huán)境與作物對(duì)土壤水氮的利用和管理,建立了土壤-作物系統(tǒng)的水氮運(yùn)移的聯(lián)合模型;系統(tǒng)的研究了根層環(huán)境與土壤水氮資源利用效率的定量關(guān)系。⑤開(kāi)展了作物(小麥,玉米)養(yǎng)分吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究,K和重金屬Cu與Cr吸附動(dòng)力學(xué)的研究。⑥根系特征與作物需水:提出了不同土壤水分條件下冬小麥根系結(jié)構(gòu)與分布的規(guī)律性;發(fā)現(xiàn)并確定根系的分形結(jié)構(gòu),探索了根系吸水的意義,并實(shí)現(xiàn)冬小麥根系的分形模擬。⑦土壤水變動(dòng)下作物的整體性研究。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料,得出在整體水平上,作物水資源高效利用可歸結(jié)為作物通過(guò)根、冠自組織調(diào)節(jié)趨向結(jié)構(gòu)功能平衡的自適應(yīng)系統(tǒng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)?；谶@一認(rèn)識(shí),建立了表達(dá)根、冠結(jié)構(gòu)與功能趨向平衡的動(dòng)力模型,并將其用于灌溉設(shè)計(jì)。2)黃淮海平原水鹽運(yùn)動(dòng)與管理網(wǎng)絡(luò)研究(1995年至今)[188～190,197,204,205,211,213,216～219,221,230～232,240,248,249,253～255,257,258,260,261,266～268,270,279,300,301,306,307]①采用3S技術(shù)揭示了黃淮海平原土壤鹽分的空間分布規(guī)律,查清了黃淮海平原目前土壤和地下水的鹽漬化現(xiàn)狀。②研究了整個(gè)黃淮海平原水鹽運(yùn)動(dòng)的演變規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)。③從鹽漬土資源管理應(yīng)用的角度研究了土壤水熱鹽耦合運(yùn)動(dòng)、土壤鹽分遷移的傳遞函數(shù)模型。④研制了黃淮海平原水鹽運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)軟件,并建立相應(yīng)的基于Internet的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。3)水鹽(溶質(zhì))運(yùn)動(dòng)理論研究拓展及其在西北水土資源管理中的應(yīng)用(1998年至今)[186,187,209,210,215,225～228,235,238,239,245～247,259,269,294～298,305,311～319]①基于土壤水鹽(溶質(zhì))運(yùn)動(dòng)原理和現(xiàn)代土壤系統(tǒng)理論,應(yīng)用數(shù)學(xué)建模方法和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù),創(chuàng)建了人類活動(dòng)作用下的黃土高原土壤發(fā)育變化過(guò)程的定量化模擬系統(tǒng)SOLDEP(SoilDevelopmentProcessesSimulationSystem)。模型系統(tǒng)包括區(qū)域氣象因子隨機(jī)模擬系統(tǒng)、土壤分層水分均衡模型、土壤有機(jī)質(zhì)分室轉(zhuǎn)化分解模型、土壤坡面侵蝕過(guò)程模型和土壤碳酸鈣淋溶淀積過(guò)程模型等5個(gè)子系統(tǒng)。SOLDEP已初步應(yīng)用于干旱區(qū)土壤資源的可持續(xù)利用實(shí)踐中,還成功地應(yīng)用于黃土高原古土壤中碳酸鈣分布剖面的模擬,這對(duì)較準(zhǔn)確定量恢復(fù)第四紀(jì)古氣候的研究也具有重要意義。②以民勤綠洲和新疆三工河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用GIS與FEFLOW軟件和土壤水鹽過(guò)程模型相結(jié)合,完成了綠洲水土資源利用的時(shí)空分析與模擬及荒漠化防治模式的研究。③以鄂爾多斯高原的荒漠化土地為研究對(duì)象,進(jìn)行了沙質(zhì)荒漠化地區(qū)水分時(shí)空變異與土地利用優(yōu)化模式的研究。在小流域DTM模型的基礎(chǔ)上建立了流域土壤水分的動(dòng)態(tài)變化模型。④把水鹽運(yùn)動(dòng)理論研究,拓展到對(duì)土壤中微生物(細(xì)菌、病毒)、農(nóng)藥運(yùn)移及其環(huán)境效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)研究中。2記錄號(hào)表13水鹽運(yùn)動(dòng)的研究基礎(chǔ)由于黃淮海平原的自然條件和旱澇鹽堿的為害十分復(fù)雜,必須搞清水鹽運(yùn)動(dòng)的走向,才能為旱澇鹽堿的綜合治理提供科學(xué)依據(jù),所以說(shuō)水鹽運(yùn)動(dòng)的研究來(lái)自于客觀實(shí)踐和需要;在科學(xué)研究上,面對(duì)水鹽運(yùn)動(dòng)這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),首先必須系統(tǒng)地占有第一手資料,才能有科學(xué)的抽象和理論上的升華;同時(shí)要做到持之以恒,才可能出大的成果。現(xiàn)把30年來(lái)水鹽運(yùn)動(dòng)研究所取得主要成果簡(jiǎn)要?dú)w納如下:3.1鹽漬土綜合治理效果對(duì)水鹽運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)研究,雖始于曲周試區(qū),但其理論意義在于指導(dǎo)黃淮海平原地區(qū)旱澇鹽堿的綜合治理和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,近10年來(lái)又輻射到西北水土資源可持續(xù)利用研究當(dāng)中,在實(shí)踐中已取得顯著效益,以曲周試區(qū)的變化為例。曲周綜合治理試區(qū)屬漳河和滏陽(yáng)河沖積平原。地下水礦化度3～10g·L-1,土壤鹽漬化普遍。1973年開(kāi)始治理,先后建立了3期試驗(yàn)區(qū),面積2425hm2,向周邊進(jìn)行示范和擴(kuò)散的面積有4.8萬(wàn)hm2。在水鹽運(yùn)動(dòng)理論指導(dǎo)下,曲周試區(qū)鹽漬土綜合治理的效果有:1)土壤鹽漬化狀況的變化。首期治理的試驗(yàn)區(qū),1974—1994年的20年間,0～2m土體鹽儲(chǔ)量由140t·hm-2降至55t·hm-2。全曲周試驗(yàn)區(qū)在1984—1994年間,0～2m土體鹽儲(chǔ)量由74.2t·hm-2降至57.9t·hm-2,鹽漬化土壤的面積變化見(jiàn)表2。2)地下水狀況的變化。治理初期地下水埋深為1.5～3m(除自然堤外),至1994年,埋深在3～5m的面積增加。礦化度由3～10g·L-1,降至3～5g·L-1。地下水狀況的變化,有力地抑制了鹽分的上升和積累。3)土壤肥力狀況的變化。1975年,一期試驗(yàn)區(qū)的土壤肥力狀況為:有機(jī)質(zhì)含量>1%者,只占總面積的4%,0.6%～0.8%的占74%。速效磷極缺,大多在2～5mg·kg-1之間。1994年對(duì)曲周近百塊農(nóng)田的調(diào)查,有機(jī)質(zhì)含量在1%～1.3%之間,全氮0.08%,速效磷已高于9mg·kg-1。4)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)狀況的變化。表3是一期試驗(yàn)區(qū)1974、1984、1989和1994年土地利用、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)收入的發(fā)展情況,從中可看出20年的明顯變化。3.2土壤研究體系水鹽運(yùn)動(dòng)的研究在指導(dǎo)生產(chǎn)和資源管理決策的同