土壤与作物2228年6月第12卷第2期
Soils rd Crops,JuXi2/28,9(2)：225-516
你在哪儿呢张璐，杨帆，王志春•咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土研究进展土壤与作物e721e7(2)：272-212•
ZHANG L,YANG F,WANG Z C.Rearch advaucos of saline soil reclamation bp freezing saline watos ikiyatiop and meltwatos ieach/g]J]Soils and Crops:,521,9(2)：272-212.
咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土研究进展
张璐8，，杨帆8，王志春8
怎么写新闻稿
(8.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春13292；9i中国科学院大学，北京140249)
摘要：全球气候变化和人类经济社会发展使水资源、土壤资源等环境要素的合理、可持续利用成为热点，咸水结冰灌溉融水淋盐是一种新兴的改良盐渍土技术。研究证明，利用咸水结冰时咸淡分离的原理，对盐渍土进行洗盐及压盐，具有较好的改良效果和实际应用价值，同时也能起到平抑地温，减少土层水分蒸发，降低盐渍土区地下水位，改善土壤物理性质和节约灌溉用水等作用。本文系统阐述了咸水灌溉结冰洗盐的原理及意义，总结了目前关于咸水结冰灌溉的主要研究方向、试验方法和研究范围。通
过分析灌溉水溶液电解质浓度在改良盐渍土方面的作用，阐述了提高电解质浓度与咸水结冰灌溉相结合的意义，并对未来咸水结冰灌溉改良盐渍土的研究重点和方向进行了讨论和展望。
关键词：咸水结冰；灌溉；苏打盐碱土；改良；电解质浓度
中图分类号：S150.4文献标识码：A文章编号：2099-2968(2258)25-225-18
DOI：8/^6&/j.kun2099-2961.2221.22.009
Rearch advances of saline soil reclamation by freezing saline
water irrioation and meltwater leaching
ZHANG Ln8,,YANG Fax8,WANG Zhichux8
(8.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chine Academy qf Sciences,Changchun8321/5,China；
5.Universith cf Chine AcoPemy f Sciences,Beaing140/49,Chinn)
Abstrccl:With the gloPvl climate change and the deveUpmept of social ecoxomic society,the rahoxal
and susO/abU u of waha, soil and other uaturvi resources has become a hotsyot woWdwide.Salt leaching aftea melting the freezing saOue water is ax emerging techuoPy to improve the saOue-sodic soils.BaV ox the pUucipU of parating salt from saOue water after freezing,studios ox sa/ue -sodic soils verifies that the freezing saline water irripatiox washes and inhibits soil salts,with better improving eVect and prosyect for practical app/cahof.Meanwhile,the techuoloy pPps roles iu stabiPz/g iho grouxd temperature,reVucing soil evaporatiox rate,decreasing the groundwahr level,improvina soil physical properdos,and saving irriyahox water.If this review,wo systemahcahy ePbo-rahV the pUfciplos and siynificafce of salts leaching bp freezing saOue water,and summaUzeV maiu rearch directhx and carrept rearch methods ox freezing saOue water irrigahof,expeUmePt scopes and app/cahox eVects.Throuph anapsis ox the roles of electrolyte iu improvina saOue-sodic soil,the review ape f n sWahP the signif/afce of elecWolyte abdifox iu combinathx with freezing saline water irriyahox,and discasP the imporOxcc and prosyect of future rearch avepnes of freezing saline water irriyahox m improvina saOue-sodic soils vs well.
Key words：freezing sa/ue water；kUgahox；saOue-sodic soils；soil improvemept；elecWoph coxcepWathx
/引言
土壤盐碱化是一种世界性的土壤环境恶化问题。据联合国粮农组织/教科文组织统计，全球盐渍土面积约为1x95hm2，占世界陆地总面积的7.0%，且随着全球气候变化和人口的增加，盐渍土面积仍有增
收稿日期：4925-06-9；修回日期：2721-71-75.
基金项目：国家重点研发计划资助项目(279YFC75712()7)；国家自然科学基金资助项目(4197966,4971257)；吉林省科技发展计划项目(25186251712SF).
第一作者简介：张璐(C994-)，女，博士研究生，主要从事盐渍土改良研究.E-mail：zhatP@/f vo cu
通信作者：杨帆(972-)，女，正高级工程师，主要从事盐渍土生态水文研究.E-mail：yanyan@igo vy cu
第2期张璐等：咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土研究进展223长趋势J]o我国干旱-半干旱气候带面积广大，盐渍土分布范围也较广J]，盐渍土总面积约为9.91xl76hm2，主要分布于黄淮海平原以及滨海地区、河套平原、西北内陆和东北平原地区J]o土壤盐碱化导致生态环境恶化。以东北苏打盐渍土为例，其盐碱地总面积约9X14hm2，是典型的生态脆弱区⑷o数据资料显示，东北地区松嫩平原西部的草地面积在1750-2400年间缩减了约70%，主要退化成了盐碱荒地J]o因此，盐渍土治理与改良工作刻不容缓。
历史评价
目前，盐渍土改良已经得到了充分的研究和实践，总体包括工程措施、物理化学改良和生物改良措施。传统的盐渍土改良方式，如工程方面兴修水利，物理方面的“客沙换土”、灌溉洗盐及暗管排盐等方式有效地改良了盐渍土的物理化学性质，但都存在成本较高的问题。单纯的化学改良方式则需要特别注意过量施用化学改良剂引起的土壤二次污染问题。生物改良措施经济环保，但利用生物改良盐渍土前期需要开展耐盐碱植物种质资源筛选和培育等大量基础性工作[4]o
利用咸水结冰灌溉治理盐碱地是一种新兴的盐渍土改良方式，已经在滨海盐渍土区进行了试验研究，且在一定程度上证实了这种改良方式的有效性。咸水结冰灌溉可以提高土壤含水量，同时有效降低了耕层土壤的含盐量，盐渍土物理性质也得到了一定的改善J]o另一方面，从盐渍土的形成原因方面来看，大多数盐渍化区域位于春季降水少、蒸发量大的季风气候或大陆性气候的滨海或内陆地区。若春季土壤盐渍化加剧的情况没有得到改善，恶劣的土壤性质（如土壤盐含量过高或土壤黏重板结等）不仅会影响种子发芽率和植物的根部呼吸，也会对植物茎和新发嫩芽产生严重危害J]，造成植物生长受阻和农业经济损失。因此，春季土壤盐碱状况对作物（特别是对盐碱度敏感的作物）生长的初期阶段尤其重要J]o咸水结冰灌溉的改良方式能够有效改善盐渍土区春季降水少、蒸发量大的问题，尤其适用于冬季寒冷干燥、春季干旱少雨的温带季风性气候和温带大陆性气候的盐渍土分布区。由于春季气温升高，冬季冻结在土壤表面的咸水冰开始融化，可以起到有效补充土壤水分，缓解土壤干旱状况和春季土壤盐渍化的季节性爆发的作用，同时也避免了“大水漫灌”式灌溉造成的水资源浪费问题。夏季充
足的雨水进一步冲洗土壤中的盐分，达到脱盐的效果。因此，咸水结冰灌溉融水淋盐技术是一种即经济又高效的盐渍土改良方式。
笑口常开本文通过分析咸水灌溉结冰融水淋盐改良盐渍土的原理和优势，以及目前研究的内容和方法，总结了咸水结冰灌溉融水淋盐这种新兴改良技术存在的不足和亟需解决的问题，同时展望了未来的研究的方向，以期为未来咸水结冰融水淋盐改良技术的发展和推广应用提供参考。
1咸水结冰灌溉原理
咸水结冰淡化技术最早在海水淡化方面有较多的应用[2]，国外依照该原理进行海水淡化有丰富的研究经验。Nabayawo等[1]通过冷冻浓缩技术淡化海水的试验结果表明，海水冰在融化初期得到的溶液盐分浓度高于原溶液，融化后期的溶液盐分浓度低于原溶液盐浓度。海水冻融技术可以有效降低溶液的盐浓度，达到淡化海水的目的。相比于膜过滤法和蒸馏法等淡化方式，海水结冰淡化技术具有能量消耗小且成本低，节约能源、设备和资金的优势[I2-15]o因此，是否可以采用咸水淡化技术改良盐渍土以及如何利用盐渍土区地下咸水资源也得到了越来越多的关注，该种方法也逐渐被引入到盐渍土改良领域。地板胶
咸水结冰灌溉融水淋盐技术是一种充分利用盐渍土区域的地下咸水或微咸水资源以及当地的冬季低温条件（一月中下旬稳定气温低于-5°C），同时利用咸水冰融化时，咸水先融出、淡水后融出的原理，
对盐渍土进行改良的新方法（图1）o春季咸水冰融化后，先融出的咸水对土壤理化性质进行改善，后融出 的淡水对盐渍土壤中的盐分进行二次淋洗，可以一次性达到改善土壤理化性质和灌溉洗盐两个目的14o
224土壤与作物第1卷
图1咸水结冰灌溉融水淋盐原理
Fig.1PUncipte of freezing saline water irrigatiow anU meltuater PacUing
咸水结冰和融化过程都具有脱盐作用。Beier等44在不同的环境温度、盐浓度和质量流量下进行了实验室咸水冰冻融分离试验，结果表明咸水冰融化过程的脱盐效果显著高于结冰过程的脱盐效果。咸水冰融化过程主要分两个阶段：3）由于咸水中不同浓度的溶液含盐量不同，故冰点也不同，咸水冰融化时，由于咸淡分离现象，先融化的水中盐分含量高，为咸水，此阶段为第一阶段；（（【）冰体中咸水融化后，淡水开始融化，此阶段融水的含盐量和离子含量大幅降低，以淡水为主43，为第二阶段。
铜锁咸水结冰融化第一阶段融出的咸水含盐量高，能够对盐渍土壤性质起到改善作用。先融出的咸水增加了土壤溶液的盐浓度，在一定程度上有利于土壤颗粒的絮凝，使细小颗粒结合在一起形成团聚体44o利用示踪剂研究盐水运移路径发现，在重力作用下咸水脱盐转化为淡水，温度升高和重力诱导使盐水通道形成32]，为咸水的融化和盐分的运移提供了物理条件。另有研究表明，咸水结冰融化时，咸水较淡水先融斜屋面
第2期张璐等：咸水结冰灌溉融水淋盐改良盐渍土研究进展225化J5]，咸水冰中50%的Co2*、My2+及NO在融化的前2个小时会从咸水冰中流出12]，说明咸水冰融化初期的溶出液中盐分占原溶液盐分的很大比例。国内关于咸水融化过程中各离子的融出速率试验显示，咸水冰中各离子融出比例由高到低依
次为：Ci->My2+>K+>N o+>SO2_>Cu2+>HCO5_J1]o因此，不同融化阶段的盐分运动途径和离子运动规律不尽相同，咸水冰融化第一阶段的盐分变化最为明显。杨帆等[2]在东北松嫩平原的苏打盐碱土区进行了微咸水结冰灌溉试验，由于微咸水中含有较多的Cu2+和My2+，其较小的水合半径可以代换盐碱土中过量的Na+，能够起到改良苏打盐碱土物理性质的作用。车升国等15]对滨海盐渍土的咸水结冰灌溉试验也得出了咸水结冰灌溉显著降低表层危害性较高的NO、SO0-和Cl-浓度的结果，能够改善土壤中离子间的平衡关系。因此，在咸水冰融化的第一阶段，先融化的咸水提高了土壤溶液盐分浓度，增加了土壤颗粒的团聚性，从而使土壤中大孔隙的数量增加，提高了土壤渗透性，融化的咸水渗入到土层中，能够起到一定的改善土壤结构的作用。
第二阶段，咸水融化完成后，结冰融化过程中咸淡分离出的淡水后融化。通过淡水缓慢入渗冲洗的方式，土壤中的盐分充分溶解于水中，并在水流的冲刷和淋洗下，随淡水流出土层，下渗入深层土壤中①]，进一步达到了对盐渍土洗盐的效果，起到减轻耕层土壤盐碱程度、抑制返盐的作用，极大的改善了盐碱土的理化状况2]o相反，如果一次性灌水量过大，土壤及其微孔中的盐分没有足够的时间进行充分地溶解和扩散，致使大水灌溉后，土壤中大部分盐分仍留存在孔隙中，洗盐效果仍不理想回]o而咸水结冰灌溉的处理方式在结冰融化的过程中，融水缓慢的渗入土壤中，使土壤固体中盐分有充足的时间溶解、扩散，从而使更多的盐分随水流出土体，提高了洗盐效果。因此，在洗盐时间和水量控制方面，咸水结冰灌溉效果优于大水漫灌的洗盐方式。
0咸水结冰灌溉的作用
咸水结冰灌溉不仅节约水资源，而且不易引起土壤次生盐渍化等土壤环境二次污染问题，改良效果也好于传统灌溉方式。相比于淡水灌溉的方式，矿化度小于6yL-的微咸水灌溉不会导致冬小麦减产15]。关于微咸水灌溉对土壤和作物产量的试验研究表明，作物生长期灌溉一次微咸水，与雨养旱作处理相比增产1%-39%，因此作物种植管理过程中用微咸水代替一次淡水灌溉的方式可以改善土壤，同时节约淡水的用量J4]o但是，矿化度大于6yL-1的咸水直接浇灌于土壤会导致土壤表层盐分含量较高，盐分累积量大等问题15]o而咸水结冰灌溉下，0~4cm土层土壤盐度可下降约50%，在86cm土体中的盐分积累量下降约96.9%15]o因此，相比于咸水直接灌溉的处理方式，咸水结冰灌溉能有效降低盐分表聚化现象的发生。L等J226]对滨海盐渍土进行咸水结冰灌溉土柱试验，结果表明，与淡水冰融水灌溉相比，咸水冰融水在盐渍土壤中的入渗速度更快，入渗和脱盐深度更深。可能是由于相比于传统灌溉方式，咸水结冰过程中发生咸淡分离，先融化的咸水对土壤起到浸润和疏通作用，后融化的淡水对土壤盐分进行二次冲洗，存在双重洗盐的效果15]；而淡水仅能起到洗盐的作用，对土壤入渗性能等物理条件的改良效果差，所以入渗速度和脱盐深度低于咸水结冰灌溉。另外，咸水结冰覆盖不仅可以起到一定平抑地温的作用，而且能够抑制土壤冬季潜在积盐过程①]，削弱裸露盐碱地在强烈的冻融作用下盐分的反复运移和累积。与没有进行任何改良处理的苏打盐渍土相比，经过咸水结冰融水入渗后，春季4月份）苏打盐渍土壤化冻深度可提高4em o因此，咸水结冰灌溉不仅能节约灌溉用水量，对盐渍土壤
的改良效果也大幅提高14]o 咸水结冰灌溉改良对植物生长也起到一定的改善作用。咸水结冰灌溉能有效降低根层土壤含盐量，增加土壤含水量J，5]o滨海地区重盐碱地的咸水结冰灌溉棉花种植试验的数据结果：与对照相比，咸水结冰灌溉处理下的棉花根、茎、叶中IL含量分别提高0.78、1.50和117倍，而Nu+含量分别降低64.3%、傲慢与偏见经典语录
206土壤与作物第44卷77.0%和64.0%，减轻了No*盐过多对棉花造成的单盐毒害J4]°对柽柳的生长也起到了促进作用，且结冰灌水量大的改良效果更好，与不结冰灌溉的对照处理之间的差异显著J1o咸水结冰灌溉处理通过改善盐渍土壤的物理化学性质，为植物生长发育提供了基本环境条件，进而起到了减轻盐渍土壤对植物的离子毒害、提高产量的作用。
3咸水结冰灌溉研究的热点、方法及局限
3.1咸水结冰灌溉研究热点
目前咸水结冰灌溉研究主要侧重于结冰融水过程和土壤性质变化两个方面，其中，研究较多的是不同钠吸附比（SAR）、不同盐度以及不同矿化度的咸水结冰融水对土壤理化性质的影响。研究表明，与高SAR处理相比，低SAR的咸水结冰处理入渗速度快、入渗深度深，但表层土壤含水率较低45'34]o Gao 等42]研究了不同盐度咸水融冰对土壤含水量的影响，结果显示：高盐度咸水冰处理的土壤含水量低于低盐度咸水冰处理，而深层土壤含水量则相反。对不同矿化度的咸水结冰试验结果表明：咸水
冰矿化度低（-廿1和1U-L-4）的处理土柱7~59c m土壤表现为脱盐，矿化度高（24yL"和32yL"）的处理则表现为积盐J9]o这些研究结果说明：结冰所用咸水的性质对融冰后土壤特性有很大影响；结冰灌溉所用咸水的SAR、盐度和矿化度过高会引起土壤表层含水率降低或积盐等现象，不能对盐碱土壤的改善起到积极的作用。因此，确定合适的咸水盐分浓度和盐分组成进行结冰灌溉是今后需要研究的重点方向。
33咸水结冰灌溉试验方法
现阶段咸水结冰灌溉的试验方式主要有室内模拟试验和田间试验两种。室内模拟试验主要为土柱试验，利用土柱模拟咸水冰融水淋盐效果，监测湿润峰、累计入渗量J2]、不同土层含水率43]、含盐量J9]及离子浓度和脱/积盐率42]等土壤指标。田间试验集中在咸水结冰灌溉和提高作物产量和种子出苗率两个方面。除田间直接进行咸水结冰灌溉试验外，我国学者还设置了咸水结冰灌溉结合田间覆膜处理的试验方式，并进行了相关的研究调查。研究结果显示，北方滨海盐渍土地区咸水结冰覆膜处理与不覆膜处理相比，0~5c m土层土壤含盐量下降46.0%,5~22c m土层土壤含盐量下降67.0%，结冰灌溉覆膜处理下菊芋产量可增加17%~175%J]，说明咸水结冰灌溉结合覆膜处理比单独结冰灌溉处理进一步改良了滨海盐渍土化学性质，提高了作物产量。Guv等J4]对滨海盐渍土咸水结冰覆膜种植棉花的试验得到相似的结论，冬季咸水结冰覆膜比不覆膜处理在0~22cm土层含水量增加了7%-14%o咸水结冰秸秆覆盖的研究结果与咸水结冰覆膜覆盖相似。Pang等J]的研究表明：秸秆覆盖使0~22cm土壤含盐
量降低了19.0%；另有研究表明，与咸水结冰灌溉处理相比，咸水结冰秸秆覆盖处理进一步提高了土壤表层的脱盐率，株高和单株生物量差异均达极显著水平J5]o因此，咸水结冰灌溉结合覆膜处理可以在一定程度上避免土壤积盐和含水率降低的风险，提高盐渍土改良的效果。总体上，咸水结冰灌溉的大田试验研究相对较少，对于不同处理方式和不同植物、土壤类型的研究仍需要进行充分的挖掘。
33咸水结冰灌溉研究局限性
目前，国内关于咸水结冰灌溉的研究主要集中在天津、河北等滨海盐渍土地区，主要研究对象为NaCl、Nn2SO4型盐渍土，鲜有关于苏打盐渍土（Nb2CO5、NaHCO0型盐渍土）等类型的咸水结冰灌溉研究试验42]o咸水结冰灌溉改良效果主要表现在土壤含水量、含盐量以及土壤中盐分的移动分布状况上，关于咸水结冰灌溉改良方式下对植物影响的研究较少，且咸水结冰灌溉对不同植物类型和不同土壤类型的影响研究不充分，还有进一步研究和发展的空间。表1对咸水结冰灌溉试验的发展进行了梳理和总结。
