1.2　国内外研究现状

中国的干旱区面积占全国总面积的1/3，盐碱土广泛分布于干旱区，土壤盐渍化和灌溉引起的土壤次生盐渍化问题是制约干旱区农业发展的主要原因。干旱、半干旱地区在强烈蒸发的条件下，土壤盐分或地下水可溶性盐类通过水的垂直或侧向运动向地表累积，这是土壤积盐过程最为普遍的形式，也是发生盐渍化的主要原因。现在，土壤盐渍化已成为一个世界性的问题，而要解决寒冷地区土壤的盐渍化问题，土壤水热盐运移机理的研究显得尤为重要。将水热盐耦合效应与作物生长相联系，则有着较大的实际意义。

1.2.1　水热盐运移规律研究

近年来，国内外学者开展了大量有关土壤水热盐方面的研究，特别是在水、热、盐两两结合的研究方面，无论是模型构建还是数值模拟都有深入的研究，但在水热盐耦合模拟方面进行的研究相对较少，其成果涉及水、汽、热、盐之间的部分相互耦合作用。下面对水盐、水热、盐热和水热盐的研究现状进行逐一分析。

（1）水盐关系。盐分作为土壤环境中主要的化合物之一，随着土壤水分的运动而迁移，可以说土壤水分是盐分迁移的重要载体，国内外学者对土壤水盐运移进行了大量的研究。自Warrick等（1971）把混合置换方程用于瞬态水流条件下的溶质运移问题以来，其数值模拟有了很大的发展，相继出现了各种等温条件下的水盐模型和模拟方法；杨金忠、张效先和王福利等对土壤水盐一维垂直剖面动态进行了模拟研究；左强、隋红建和任理等对二维饱和及非饱和土壤水盐运动进行了深入研究，以上研究都以等温条件为假设前提，且重点考虑水分的重力势和基质势、盐分的对流和弥散作用；王全九等（2001）根据膜下滴灌过程中土壤水盐运移特征，对利用膜下滴灌技术开发利用盐碱地的有关技术要素进行了深入探讨；吕殿青等（2002）通过室内盐碱土入渗模拟试验，针对盐碱土水盐运动的基本特征，分析了土壤盐分浓度分布规律，为盐碱地的开发利用提供了科学依据；胡安焱等（2002）进行了干旱内陆区土壤水分运移规律以及土壤盐分运移规律研究，并根据水量平衡和盐量平衡原理，建立了土壤水盐模型，计算了土壤水盐迁移量，对干旱内陆区土壤水盐运移规律做了初步研究；徐立刚等（2004）引入水分运动原理和质量守恒原理，根据地下水、土壤水盐运动的特点，建立土壤剖面含水量分布的概化模型和土壤盐储量的预报模型，所建简化数学模型可为田间大面积土壤水盐动态预测预报提供参考；李瑞平、史海滨等（2007）针对冻融条件下土壤水盐动态变化复杂的特点和数值求解在水盐动态研究中可操作性差的弱点，将神经网络引入冻融条件下水盐动态模拟及预报中。

（2）水热关系。水分和温度是土壤的两大重要因素，关于土壤中水分和温度的迁移规律很多学者进行了研究。许多试验和模拟结果表明，在土壤水分运动的数学模拟中，忽略土壤水力性质的温度效应将产生较大的预测误差。因此，非等温条件下的土壤水分运动逐渐受到重视和发展。张富仓等（1997）研究得出土壤水势温度系数随土壤质地加重而加大，随含水量增加而降低，脱湿过程的水势温度效应大于吸湿过程的相应数值；尚松浩和雷志栋（1998）根据冻土水热迁移基本方程，推导出了冻土水热耦合方程，并利用此模型对不同条件下越冬期的土壤冻融过程中水热迁移进行模拟，取得较好结果；王康（1999）建立了一个包括土壤层、塑膜覆盖物、植物冠层和大气边界层的系统，并根据Philip和de Vires提出的土壤水热运移耦合方程，开发了预测塑膜覆盖下土壤水热运移的一维模型，并采用该模型对土壤内水热传输进行模拟计算。李春友、任理等（2000）分别从等温和非等温水盐动态模拟以及覆盖边界层3个方面以秸秆覆盖条件下土壤水热盐耦合运动规律模拟研究为重点介绍了土壤水热数学模拟的研究成果；郑秀清（2001）采用包括水迁移和热对流迁移的水热耦合数值模拟模型，模拟了天然条件下土壤的季节性冻融过程以及其中的水热迁移规律。李学军（2007）采用水分运动基本方程并结合热流方程建立了冻融渠基水热耦合模型，利用差分法对冻结过程中渠基非饱和土壤水分运移进行了模拟计算。郭晓霞（2010）对不同耕作方式对土壤水热变化的影响进行了研究，得出土壤水分变化主要受季节影响、随秸秆覆盖和降雨量的变化而变化。郭东林（2010）采用SHAW模式对青藏高原中部季节冻土区土壤温、湿度进行了模拟，SHAW模式能较好地模拟不同深度土壤的温度，模拟值与观测值的相关系数在0.97以上，平均偏差在1℃以内，模拟的土壤湿度基本上能够再现土壤未冻水含量随时间的实际变化趋势。

（3）盐热关系。单纯研究盐热耦合运动的学者相对较少，Noborio等（1993）通过室内土柱试验认为，土壤盐分浓度对土壤热导率的影响是明显的，土壤表现热导率随盐分浓度增加而降低的原因主要是由于盐分对土壤微结构的改变所致。邓力群等（2003）对冻期土壤的温度和盐分的变化规律进行了定量测定，并对其在裸地与地膜覆盖地的运动规律进行了比较，得到了冻土盐热运动的一些重要特性，冬季覆盖可提高土壤温度、减少土壤表层含盐量，提出了冬季覆盖是防春旱和土壤次生盐碱化的较为有效的途径。

（4）水热盐关系。近年来国内外对土壤水热盐运移问题进行了试验和数值模拟研究，并取得了有意义的成果。目前，对水热盐运移规律的研究方法主要有实验分析法和理论分析法。实验分析法是通过室内试验或田间试验进行冻融条件下的土壤水分、盐分、温度监测，然后分析它们的变化规律。理论分析法则是利用基本原理建立水热盐耦合迁移方程，进行数值模拟。Nassar等（1992）对一维水汽热盐模型进行了包括水分梯度、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以及盐析作用研究；黄兴法等（1993）对二维土壤冻结时水热盐运动进行了模拟研究，主要是考虑了冻结时的潜热交换；岳汉森等（1994）在土壤溶液冻结温度与其含量和溶盐离子组成的关系约束下，土壤在冻融过程中水热盐耦合运移进行了初探；范爱武、刘伟等（2002）对土壤温度和水分变化之间的关系作了深入研究，对土壤剖面水分和盐分的动态进行了模拟，揭示了土壤水分和盐分的关系；李毅等（2003）在覆膜非充分供水条件下，进行了滴灌入渗的三维水热盐运移试验，分析了润湿峰运移的函数特征和椭圆方程等；李瑞平、史海滨（2007）等开展了冻融期气温与土壤水盐运移特征的研究，得出了气温对土壤温度、水分和盐分影响关系；高龙、田富强（2010）对膜下滴灌棉田土壤水盐分布特征及灌溉制度进行了研究，通过对比分析研究了膜下滴灌条件下的土壤水、盐分布规律及其对棉花生长性状及最终产量的影响。

上述对寒冷地区土壤冻融过程中的水热盐运移规律的研究相对较少，而冻融引起土壤水盐运移是导致西北寒冷地区土壤盐碱化的主要原因之一，国际冻土学会主席Pewe教授指出，查明冻融过程中水盐迁移规律是防治土壤盐碱化的新途径；国内外对冻融土壤水热运动研究也多注重地基结冻隆起或防治水污染利用冻结析出技术处理溶质等方面，而在田间水热盐方面的研究则不多见。本书对寒冷地区盐渍化土壤水热盐耦合效应的机理进行系统的试验研究。

1.2.2　水热盐耦合效应对作物生理性状及产量的影响研究

土壤中的水热盐运移对作物的生长有着显著的影响，适宜的土壤水分、温度和含盐量是促进作物生长的重要环境参数，不合适的土壤水分、温度和含盐环境明显延迟作物的生长。

（1）水热、水盐耦合效应对作物生理性状及产量的影响研究。从20世纪90年代许多学者就开始研究水盐、水热耦合效应对作物生理性状及产量的影响，并取得了较多研究成果。早期一些学者利用Hydrus模型来模拟作物生长条件下的一维水流、传质和热流，该模型考虑了水分和盐分胁迫下的根系吸水、吸盐和吸热作用；陈亚新、史海滨等（2004）对作物水盐的联合胁迫与响应模型进行了研究，得出了水盐耦合效应对作物生育指标和产量的影响关系；孔东、史海滨等（2004）开展了水盐联合胁迫对向日葵幼苗生长发育的影响研究；巨龙、王全九等（2007）研究了灌水量对半干旱区土壤水盐分布特征及冬小麦产量的影响，结果表明随着灌水量的增加边际土壤含水率先增大后减小，水分利用效率递减，土壤表层含盐量先减小后增加；郭家选等（2008）研究了干旱状况下小区域灌溉冬小麦农田生态系统水热传输特性；王建东、龚时宏等（2008）进行了华北地区滴灌灌水频率对春玉米生长和农田土壤水热分布的影响研究，结果表明土壤温度受灌水过程、土壤含水率及作物生育阶段的影响较明显；邓洁、陈静等（2009）对灌水量和灌水时期对冬小麦耗水特性和生理特性的影响研究表明土壤水分过多或不足都会对冬小麦的产量和水分利用效率造成影响，灌水时期的不同也会对冬小麦产量产生影响；张胜全、方保停等（2009）研究了春灌模式对晚播冬小麦水分利用及产量形成的影响；张宇、张海林等（2009）开展了耕作措施对华北农田CO2排放影响及水热关系分析研究，结果表明不同耕作措施对农田土壤温度及土壤含水率具有显著的影响。

（2）水热盐耦合效应对作物生理性状及产量的影响研究。由于影响作物生理性状及产量的诸多因素中，水、热、盐均起着重要的作用，三者对作物生理性状及产量的影响是相互制约、密不可分的关系。水分不足会降低作物的产量，土壤温度偏低既降低作物的产量，又限制作物对水分的吸收，土壤温度和水分的变化反过来又影响着盐分的运移，进而影响作物的生长。因此，水、热、盐与作物生长存在着较为复杂的相互关系，而目前水热盐耦合效应对作物生理性状及产量的影响研究尚少。李春友、任理等（2000）以土壤水热盐耦合运动规律模拟研究为重点介绍了土壤水热盐数学模拟的研究成果，并简要论述了水热盐耦合效应的发展方向；邓力群、陈铭达等（2003）通过地面覆盖对盐渍土水热盐运动及作物生长的影响研究，得出覆盖对盐渍土有很好的保温增温效果和一定的保水抑盐作用的结论；周剑、王根绪等（2008）通过对高寒冻土地区草甸草地生态系统的能量水分平衡分析，考虑了积雪、植被覆盖及枯枝落叶层对土壤冻融影响的水热盐耦合模型，得出青藏高原地区间的能量交换受冻土、植被生长和地表土壤含水量影响的结论。

综上所述，随着近年来科学技术出现的重大突破，节水农业大量借助于土壤水动力学、植物生理学、冻土学等理论和现代数学方法及计算模拟手段，从整体上来考虑水、热、盐和作物间的相互关系。目前，水热盐耦合效应的机理研究尚不深入，对于寒冷地区盐渍化土壤的水热盐耦合效应及对作物的影响研究还是空白。有必要在学科前沿进行深入探讨，为干旱寒冷地区土壤盐渍化防治和农业的可持续发展提供技术支撑。