摘要:以土壤耕層與臨界潛水埋深為界，潛水埋深與土壤水相互作用分為3種情況。本文系統討論了各種潛水埋深條件下，潛水與土壤水相互作用的原理及過程。土壤水與潛水相互作用的研究離不開土壤水鹽運移數值模型，根據模型導出機理的不同將土壤水鹽運移模型分為經驗模型、半經驗—半機理模型與機理模型3類。以相關模型為例，評述了各模型在實際應用中的優缺點，為模型在實際生產生活中選擇應用提供依據。利用數學模型，討論分析了人工控制潛水作用下土壤水鹽運移動態并反演相關土壤性質參數，旨在為水鹽運移模型研究提供理論支持。

　　關鍵詞:潛水作用;水鹽運移;潛水臨界埋深;模型

　　土壤鹽漬化是影響全球溫帶地區農業生產及生態安全的重要因素之一[1]。已有研究表明，影響土壤鹽漬化形成的因素除當地氣候條件，還與地下水埋深、潛水礦化度、地表植被和土壤質地等有關，其中，地下水埋深與潛水礦化度是造成土壤鹽漬化問題最主要的因素之一[2-5]。溫帶灌區，大量的灌水抬高地下水水位，使地下水埋深變淺，地下水位上升至臨界水位之上時便加速灌區地下水對表層土壤的水分補給，進而加速土壤表層水分蒸發。“鹽隨水走”，表層土壤水蒸發過程中將地下水及土壤深層的鹽分帶至地表，造成土壤耕層鹽漬化的發生與加重[6]。

　　此外，部分鹽漬土區地下水埋深本身相對較淺且礦化度較高，在強蒸發作用的影響下容易引發土壤次生鹽漬化甚至鹽沼化[7]。無論地下水位本身埋深較淺還是人為作用下抬高，土壤鹽漬化形成的根本原因是水鹽在土壤中的運動及存儲導致。土壤孔隙被水完全充滿時，這部分土壤水稱為飽和土壤水;土壤孔隙未被水充滿，土壤中含水處于非飽和狀態，我們稱含有非飽和狀態水分的土壤區域為非飽和帶(包氣帶)，其中的水分為非飽和土壤水，即一般所指的土壤水[6]。

　　近年來，有關土壤水運移動態的研究、水熱鹽的耦合運移機理、凍結土壤中水分的運移以及地下水-土壤-植物-大氣連續體水熱鹽運移等多學科交叉研究不斷涌現[8]，而且地下水作用下土壤水運動研究也不斷深入，并開展了土壤水鹽運移機理的研究，包括土壤水參數的測定及確定，土壤水參數的空間變異性、優先流及能態研究等[9-10]。

　　目前，主要研究方法包括野外實地觀測與室內人工控制模擬潛水埋深相結合，發揮計算機軟件與數學方程的分析處理優勢，對土壤水鹽動態進行可視化數值模擬[11]。所有水鹽動態模型中，有關鹽漬土的水鹽動態特性及計算方法的研究尤為深入，并發展形成了以Richards模型為基礎的一系列物理經驗模型。模型的研究無論是對土壤改良、灌溉和排水設計，還是對于水資源評價等問題均有重要的理論和現實意義[12]。

　　鑒于地下水對形成土壤鹽漬化問題的深刻影響，土壤水鹽運移模型對土壤鹽漬化機理研究及治理的重要性，本文概括了地下水與土壤水相互作用的動態關系，著重介紹了地下水作用下土壤水分運動與鹽分積累的機理。根據水鹽運移模型的原理將其分為經驗模型、半經驗-半機理模型與機理模型，分別介紹相關模型。最后通過地下水作用下土壤水鹽動態、水鹽運移模型研究及人工控制潛水埋深等內容，對未來水鹽運移發展及鹽漬土改良做出總結與預測。

　　1地下水淺埋區地下水與土壤水的關系

　　非飽和土壤水是聯系地表水與地下水的紐帶，是地下水與大氣水聯系的基礎。不同地區潛水埋深一般不同。潛水面以土壤耕層底部[13](地表以下20cm左右處，不同地區一般不同)與當地臨界潛水蒸發面為水位分割點，將潛水埋深分為3種情況[14-15]，即潛水面位于土壤耕層，潛水面介于土壤耕層底部與臨界潛水蒸發面之間和潛水面在臨界潛水蒸發面之下[16]。

　　1.1潛水面位于土壤耕層

　　潛水面高出土壤耕層底部且在地表未形成徑流時，土壤耕層底部以下含水量接近飽和，耕層底部以上土壤含水量相對較高。高地下水位使土壤孔隙幾乎被水充滿，外來水源易抬高地下水位，此時，土壤水與大氣作用強烈，不斷的潛水蒸發使鹽分在耕層聚集，使地表土壤鹽漬化發生或加重[17]。同時，地下水位在耕層底部以上的升降對耕層土壤形成周期性的缺氧環境，在這種環境下，土壤溶質容易遷移，在遷移過程中易發生化學反應。有研究表明，埋藏淺的潛水與非飽和土壤水及大氣水作用劇烈，是形成土壤鹽漬化及沼澤化的主要原因[18-20]。

　　潛水面位于耕層時，大氣降水及灌溉對潛水埋深影響巨大，大尺度上淺水面不易控制[21]。基于此，潛水面位于耕層的土壤水鹽動態研究主要集中于人工控制潛水埋深下的土柱試驗。人工控制潛水埋深土柱試驗限制田間不穩定因素對試驗結果的影響，但是由于實驗室環境穩定，對實際生產的指導意義只限于理論層面。若為生產實踐提供更加可靠的支持需將理論層面研究與大田試驗相結合，這些問題有待科研人員通過大區域的生產實踐來解決。

　　1.2潛水面位于土壤耕層底部與臨界潛水面之間

　　臨界潛水埋深是指地下水不能通過毛細作用上升至土壤表層的埋深深度，即潛水參與土壤水分蒸發時可忽略潛水時的埋深。介于耕層底部與臨界潛水埋深的地下水對土壤水鹽作用影響的問題是學者研究最多，也是關注度最大的內容。潛水面位于該層時，地下水中的鹽分隨著水分通過土壤不飽和區向上運動，聚集在耕區，導致土壤鹽漬化問題加劇[22-23]。受降水與灌溉的影響，土壤鹽分隨著水分淋洗至土壤底層或地下水，導致地下水礦化度升高。

　　在黃河兩岸的引黃灌區、新疆石河子兵團鹽堿地、長江三角洲及東北松嫩平原均分布著大量的淺層地下水，地下水與土壤水的相互作用多屬于這種情形。同樣，淺埋深地下水對土壤水分蒸發也有重要影響[24-25]，對土壤剖面水鹽含量，水勢分布有很大影響。淺埋深地下水可以隨著土壤毛細管向上運動并蒸發，造成鹽分在地表的大量積累，最終加重土壤鹽漬化程度[18]。此外，該層地下水埋深較淺，容易與地表水相互作用，地表水受污染后的入滲容易引起土壤及地下水的污染[26]。

　　潛水面位于該層時，土壤水鹽動態數值模型模擬結果與實測值的耦合性一般較好[27-28]。學者們已相繼建立了在該潛水埋深條件下潛水埋深與土壤水蒸發數值模型，例如阿維里揚諾夫經驗方程、清華雷志棟方程以及模擬水鹽動態模型的計算機軟件，如HYDRUS、MODFLOW等。雖然上述模型能較好地反應潛水埋深與土壤水蒸發的問題，但由于土壤空間異質性的存在，不同地區氣候類型、土壤質地及植被狀況等均存在差異，導致模型參數選擇需要大量觀測數據反演推測。對于這種情形，土壤水鹽運移模型的發展仍需考慮各個因素對土壤水分蒸發影響的權重。

　　1.3潛水面低于臨界潛水面

　　潛水埋深大于臨界潛水埋深時，即地下水不能運動到土壤上層的情況。該情況下，地下水與土壤水作用較弱，地表水與地下水一般為單向聯系。地表水可通過入滲補給地下水，地下水幾乎不能影響地表水。已有研究表明，影響潛水臨界埋深的因素除了當地土壤質地、容重和緊實度等基本土壤物理因素外，還與當地氣候、植被等因素相關[29]。已有研究表明，從砂礫石到亞黏土，潛水蒸發極限埋深變化在2.38～5.16m[30]。

　　不同地區潛水埋深臨界值為我國土壤水動力學的理論研究提供了重要的背景值。對于埋深大于臨界值的潛水，地下水對土壤表層作用比較微弱，對土壤表層水鹽運移與溶質運移影響較小，數值模型一般不考慮地下水的作用。以上3種地下水埋深的情形對土壤水分蒸發的影響已有一定的研究。對于埋深較淺的地下水一般受降水、灌溉和土壤毛細管向上運動與人工活動的影響較大。

　　當潛水面在臨界水位以上時，土壤水與地下水相互作用較明顯，研究其中任何一個都必然受到另一個因素的制約。同時，由于各種因素所造成的潛水面的變化勢必會對土壤含水量、鹽分含量與組成造成影響，該過程在實際研究中不可忽視。隨著研究的深入，土壤水分運動過程中所受各種勢能已經進入科研工作者的視野，從動力機制解釋水分運動趨勢逐漸成為建模的手段。

　　此外，土壤包氣帶中水文變化與溶質、熱運移也已作為重要的研究內容。已有模型研究表明，潛水埋深不同與土壤水蒸發在理論上具有一定的數值關系。由于機理模型本身的復雜性，潛水埋深在耕層附近的研究并不完善，再者由于土壤空間異質性導致機理模型在國內推廣與使用具有局限性[25，27，31]。

　　目前，國內從事土壤水鹽運移研究的工作人員主要研究大氣降水后，由地表向下淋溶的過程，或者是將淋溶與蒸發結合起來，單獨的從淺埋深潛水與溶質濃度對蒸發影響機理的研究較少。基于此，溶質濃度對潛水蒸發及植物生理指標的研究有助于進一步完善土壤水鹽運移的機理研究，強化土壤水鹽動態在地下水作用下的影響是解釋并防治土壤鹽漬化的有效手段。

　　2土壤水鹽運移模型的研究

　　土壤非飽和水是陸地植物賴以生存的水源。隨著研究的深入，經濟發達的國家對土壤水鹽運移領域進行了大量的研究，處于干旱、半干旱地區的國家對土壤水的研究尤為重視[6]。已有研究表明，影響潛水蒸發的因素主要有氣象因素、潛水埋深、土壤質地、植被因素和地下水礦化度等[32-33]。此外，土壤凍結和溫度梯度等因素也可能引起土壤鹽漬化[34-36]。

　　以上影響因素中，氣象因素與海陸分布及所處的溫度帶關系密切;土壤質地與成土母質、成土過程關系密切;植被因素受自然因素與人為因素的雙重影響，在生態學方面的研究較多;潛水埋深及地下水礦化度受自然因素與人為因素的雙重影響，隨著社會經濟的發展，潛水埋深及地下水礦化度受人為影響越來越大，打井、灌溉等人為活動可改變潛水埋深及地下水礦化度。潛水埋深與地下水礦化度在影響土壤水鹽運移數值模型研究中極為重要[37-39]。研究表明，不同地下水埋深和地下水礦化度均與潛水蒸發有數值關系[7]，并且以此引出了關于土壤水鹽運移的經驗模型、半經驗—半機理模型和機理模型[40]。

　　2.1常用的潛水蒸發經驗公式

　　土壤水分含量隨著地下水位的變化而變化。一般情況下，當地下水埋深較淺時，受土壤溫度與勢能梯度的影響，地下水與土壤水作用強烈。地下水分通過土壤毛管被輸送至地表，在土壤水分蒸發至大氣的過程中，土壤鹽分在地表積累。

　　在地下水作用下水分運動過程中，以阿維里揚諾夫經驗公式為主的潛水蒸發經驗模型被廣泛應用。潛水蒸發受潛水蒸發強度的影響，影響潛水蒸發強度的因素主要有潛水埋深、地下水礦化度、土壤質地和植被等因素。其中裸地潛水蒸發以潛水埋深的影響最為深刻。科研工作者通過對觀測數據的分析及回歸，得出了一系列實用性較強的線性或非線性公式。

　　3人工控制地下水作用下土壤水鹽運移研究

　　自然界土壤的空間異質性與地下水位的差異，在一定程度上限制了對潛水埋深條件下土壤水鹽運移狀況機理的研究。土壤水鹽動態與土壤水鹽運移機理的研究，是認識土壤鹽化與堿化的形成和改良的基礎[72]。為了便于對土壤水鹽運移動態的研究，科研工作者普遍采用人工控制潛水埋深及潛水礦化度的方式研究，并發現潛水埋深及礦化度是引起土壤水鹽運移動態及影響土壤水鹽運移的重要因素。研究人工控制潛水埋深與礦化度的方法，主要通過室內或田間土柱試驗進行。在人工控制潛水埋深及礦化度的基礎上，對土柱采用一系列的處理措施[73]。

　　例如史文娟等對土柱土壤進行夾砂處理，模擬研究不同土層土壤水鹽運移動態變化，并對土壤夾砂處理下的水鹽動態做機理性解釋[74]。劉廣明等通過人工控制潛水埋深模擬研究了同一潛水埋深下，不同土壤質地對土壤水鹽運移動態及影響，揭示砂粒、粉粒和黏粒對土壤水分蒸發和淋溶及土壤鹽分動態的影響[75]。楊建峰等通過人工控制不同潛水水位，研究了松嫩平原土壤水鹽運移動態變化及蘇打鹽漬土形成及變化的機理性問題[76]。

　　這些研究進一步解釋了我國影響土壤水鹽動態的因素，也為我國土壤水鹽運移模型的研究奠定了理論基礎。國外也進行了大量土柱試驗的研究，與我國不同的是，國外的土柱實驗的研究大多都以模型為基礎，一方面是對模型的驗證，另一方面是對模型參數的校正。例如Lehmann等[77]做的沙柱試驗說明在對稱波動的地下水位作用下，土壤含水量差異較大，此時通過Richards方程所模擬的土壤含水量與潛水埋深的關系與試驗觀測數據差異較大，說明Richards方程需要考慮土壤水分特征曲線的滯后效應，考慮了滯后效應的Richards方程所做的模擬與試驗觀測的吻合度較高。

　　同樣，由于土柱試驗相比于大田試驗具有很強的可控性，Todd和Whalley等均利用傳感器測定土柱中水鹽動態，并且通過土壤中水鹽傳導在傳感器上的反應，驗證傳感器的穩定性[78-79]。土柱試驗的發展在一定程度上解決了大范圍內土壤空間異質性的問題。

　　例如，研究黑鈣土與栗鈣土的滲透性、水鹽動態等問題只需用特定材料做土柱，然后取土，按一定的試驗方法操作即可，極大地方便了科研工作的開展。但是土柱試驗僅僅是實驗室內的一部分，并不能代表大田的實際情況，所以和大田的實驗結果仍有較大差異。將土柱試驗與大田觀測相結合，理清室內土柱試驗與大田試驗的物理過程，通過校正土柱模擬所得到的方程，完善相關模型，增強模型的精度與普適性。

　　4結論與展望

　　隨著人工控制潛水作用下土壤水鹽運移研究的發展，國內外土壤物理研究均取得了長足的進展，土壤水鹽運移經驗模型和數值模擬應用的范圍、精度均得到了加強。多學科交叉為土壤物理及水動力學的發展提供了方法，例如遙感影像、同位素[80-83]檢測等均為土壤水動力學與鹽漬土的理論研究與治理提供了新方法。

　　水鹽運移模型的研究越發成熟，尤其是隨著信息技術的發展，潛水埋深對不同物理性狀土壤機理性模型及經驗模型的參數研究得到了補充，對世界鹽漬土的治理提供了重要的理論支持。盡管土壤物理學已經得到了長足的發展，土壤鹽漬化的治理也得到了重大發展，但是土壤鹽漬化問題依然存在，并且還有擴大的跡象。在未來，隨著人類對農作物產量與質量的需求不斷提升，土壤水鹽運移及模型的發展方向逐漸明確。

　　(1)土壤水鹽運移模型應該全面考慮，在水鹽運移研究基礎上對土壤水、肥、氣和熱方面進行模擬，以增加土壤保水保肥保墑的性能，為鹽漬土的改良奠定基礎。

　　(2)應該將田間尺度與室內土柱試驗模擬試驗相結合，同時將田間尺度與區域尺度土壤水鹽運移相結合。在田間尺度上，將地統計學與土壤水鹽運移模型相結合，是解決田間尺度水鹽運移模擬的有效途徑;區域尺度上，將室內水鹽運移模型與遙感原理相結合，通過遙感影像技術，動態統計區域潛水分布及潛水特性。遙感原理與水鹽運移模型應用相結合，使土壤水鹽運移模型具有更精確的預測功能，也為鹽漬土的改良提供強大的理論支持。

　　(3)對機理模型而言，參數的優化和完善一直是國內外學者研究的重點和熱點。參數的可靠性是機理模型應用與發展的基礎。在今后的工作中，根據土壤空間異質性與地區間的差異完善土壤參數的測定，建立全球性的潛水對土壤水鹽運移的影響網絡是未來土壤水研究的重要內容。

　　(4)對于埋深在1m以內不同礦化度的潛水對土壤水鹽運移機理性的研究，國內仍然比較匱乏。埋深較淺的潛水與大氣作用極為密切，該深度埋深潛水作用下導致土壤水含量較高，通過洗鹽對土壤的改良相對容易。對該部分機理的研究，不僅可以完善淺層地下水作用下土壤水鹽運移動態的空缺，而且有助于提出新的改良土壤的方法。

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