1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中國(guó)的干旱區(qū)面積占全國(guó)總面積的1/3，鹽堿土廣泛分布于干旱區(qū)，土壤鹽漬化和灌溉引起的土壤次生鹽漬化問(wèn)題是制約干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。干旱、半干旱地區(qū)在強(qiáng)烈蒸發(fā)的條件下，土壤鹽分或地下水可溶性鹽類通過(guò)水的垂直或側(cè)向運(yùn)動(dòng)向地表累積，這是土壤積鹽過(guò)程最為普遍的形式，也是發(fā)生鹽漬化的主要原因?，F(xiàn)在，土壤鹽漬化已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題，而要解決寒冷地區(qū)土壤的鹽漬化問(wèn)題，土壤水熱鹽運(yùn)移機(jī)理的研究顯得尤為重要。將水熱鹽耦合效應(yīng)與作物生長(zhǎng)相聯(lián)系，則有著較大的實(shí)際意義。

1.2.1　水熱鹽運(yùn)移規(guī)律研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量有關(guān)土壤水熱鹽方面的研究，特別是在水、熱、鹽兩兩結(jié)合的研究方面，無(wú)論是模型構(gòu)建還是數(shù)值模擬都有深入的研究，但在水熱鹽耦合模擬方面進(jìn)行的研究相對(duì)較少，其成果涉及水、汽、熱、鹽之間的部分相互耦合作用。下面對(duì)水鹽、水熱、鹽熱和水熱鹽的研究現(xiàn)狀進(jìn)行逐一分析。

（1）水鹽關(guān)系。鹽分作為土壤環(huán)境中主要的化合物之一，隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，可以說(shuō)土壤水分是鹽分遷移的重要載體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行了大量的研究。自Warrick等（1971）把混合置換方程用于瞬態(tài)水流條件下的溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題以來(lái)，其數(shù)值模擬有了很大的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了各種等溫條件下的水鹽模型和模擬方法；楊金忠、張效先和王福利等對(duì)土壤水鹽一維垂直剖面動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬研究；左強(qiáng)、隋紅建和任理等對(duì)二維飽和及非飽和土壤水鹽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入研究，以上研究都以等溫條件為假設(shè)前提，且重點(diǎn)考慮水分的重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)、鹽分的對(duì)流和彌散作用；王全九等（2001）根據(jù)膜下滴灌過(guò)程中土壤水鹽運(yùn)移特征，對(duì)利用膜下滴灌技術(shù)開發(fā)利用鹽堿地的有關(guān)技術(shù)要素進(jìn)行了深入探討；呂殿青等（2002）通過(guò)室內(nèi)鹽堿土入滲模擬試驗(yàn)，針對(duì)鹽堿土水鹽運(yùn)動(dòng)的基本特征，分析了土壤鹽分濃度分布規(guī)律，為鹽堿地的開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)；胡安焱等（2002）進(jìn)行了干旱內(nèi)陸區(qū)土壤水分運(yùn)移規(guī)律以及土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律研究，并根據(jù)水量平衡和鹽量平衡原理，建立了土壤水鹽模型，計(jì)算了土壤水鹽遷移量，對(duì)干旱內(nèi)陸區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律做了初步研究；徐立剛等（2004）引入水分運(yùn)動(dòng)原理和質(zhì)量守恒原理，根據(jù)地下水、土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，建立土壤剖面含水量分布的概化模型和土壤鹽儲(chǔ)量的預(yù)報(bào)模型，所建簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型可為田間大面積土壤水鹽動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考；李瑞平、史海濱等（2007）針對(duì)凍融條件下土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化復(fù)雜的特點(diǎn)和數(shù)值求解在水鹽動(dòng)態(tài)研究中可操作性差的弱點(diǎn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入凍融條件下水鹽動(dòng)態(tài)模擬及預(yù)報(bào)中。

（2）水熱關(guān)系。水分和溫度是土壤的兩大重要因素，關(guān)于土壤中水分和溫度的遷移規(guī)律很多學(xué)者進(jìn)行了研究。許多試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，在土壤水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬中，忽略土壤水力性質(zhì)的溫度效應(yīng)將產(chǎn)生較大的預(yù)測(cè)誤差。因此，非等溫條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)逐漸受到重視和發(fā)展。張富倉(cāng)等（1997）研究得出土壤水勢(shì)溫度系數(shù)隨土壤質(zhì)地加重而加大，隨含水量增加而降低，脫濕過(guò)程的水勢(shì)溫度效應(yīng)大于吸濕過(guò)程的相應(yīng)數(shù)值；尚松浩和雷志棟（1998）根據(jù)凍土水熱遷移基本方程，推導(dǎo)出了凍土水熱耦合方程，并利用此模型對(duì)不同條件下越冬期的土壤凍融過(guò)程中水熱遷移進(jìn)行模擬，取得較好結(jié)果；王康（1999）建立了一個(gè)包括土壤層、塑膜覆蓋物、植物冠層和大氣邊界層的系統(tǒng)，并根據(jù)Philip和de Vires提出的土壤水熱運(yùn)移耦合方程，開發(fā)了預(yù)測(cè)塑膜覆蓋下土壤水熱運(yùn)移的一維模型，并采用該模型對(duì)土壤內(nèi)水熱傳輸進(jìn)行模擬計(jì)算。李春友、任理等（2000）分別從等溫和非等溫水鹽動(dòng)態(tài)模擬以及覆蓋邊界層3個(gè)方面以秸稈覆蓋條件下土壤水熱鹽耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究為重點(diǎn)介紹了土壤水熱數(shù)學(xué)模擬的研究成果；鄭秀清（2001）采用包括水遷移和熱對(duì)流遷移的水熱耦合數(shù)值模擬模型，模擬了天然條件下土壤的季節(jié)性凍融過(guò)程以及其中的水熱遷移規(guī)律。李學(xué)軍（2007）采用水分運(yùn)動(dòng)基本方程并結(jié)合熱流方程建立了凍融渠基水熱耦合模型，利用差分法對(duì)凍結(jié)過(guò)程中渠基非飽和土壤水分運(yùn)移進(jìn)行了模擬計(jì)算。郭曉霞（2010）對(duì)不同耕作方式對(duì)土壤水熱變化的影響進(jìn)行了研究，得出土壤水分變化主要受季節(jié)影響、隨秸稈覆蓋和降雨量的變化而變化。郭東林（2010）采用SHAW模式對(duì)青藏高原中部季節(jié)凍土區(qū)土壤溫、濕度進(jìn)行了模擬，SHAW模式能較好地模擬不同深度土壤的溫度，模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)在0.97以上，平均偏差在1℃以內(nèi)，模擬的土壤濕度基本上能夠再現(xiàn)土壤未凍水含量隨時(shí)間的實(shí)際變化趨勢(shì)。

（3）鹽熱關(guān)系。單純研究鹽熱耦合運(yùn)動(dòng)的學(xué)者相對(duì)較少，Noborio等（1993）通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)認(rèn)為，土壤鹽分濃度對(duì)土壤熱導(dǎo)率的影響是明顯的，土壤表現(xiàn)熱導(dǎo)率隨鹽分濃度增加而降低的原因主要是由于鹽分對(duì)土壤微結(jié)構(gòu)的改變所致。鄧力群等（2003）對(duì)凍期土壤的溫度和鹽分的變化規(guī)律進(jìn)行了定量測(cè)定，并對(duì)其在裸地與地膜覆蓋地的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了比較，得到了凍土鹽熱運(yùn)動(dòng)的一些重要特性，冬季覆蓋可提高土壤溫度、減少土壤表層含鹽量，提出了冬季覆蓋是防春旱和土壤次生鹽堿化的較為有效的途徑。

（4）水熱鹽關(guān)系。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤水熱鹽運(yùn)移問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并取得了有意義的成果。目前，對(duì)水熱鹽運(yùn)移規(guī)律的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)分析法和理論分析法。實(shí)驗(yàn)分析法是通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或田間試驗(yàn)進(jìn)行凍融條件下的土壤水分、鹽分、溫度監(jiān)測(cè)，然后分析它們的變化規(guī)律。理論分析法則是利用基本原理建立水熱鹽耦合遷移方程，進(jìn)行數(shù)值模擬。Nassar等（1992）對(duì)一維水汽熱鹽模型進(jìn)行了包括水分梯度、溫度梯度、溶質(zhì)梯度作用下的水汽輸送、熱量傳遞和溶質(zhì)運(yùn)移以及鹽析作用研究；黃興法等（1993）對(duì)二維土壤凍結(jié)時(shí)水熱鹽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬研究，主要是考慮了凍結(jié)時(shí)的潛熱交換；岳漢森等（1994）在土壤溶液凍結(jié)溫度與其含量和溶鹽離子組成的關(guān)系約束下，土壤在凍融過(guò)程中水熱鹽耦合運(yùn)移進(jìn)行了初探；范愛武、劉偉等（2002）對(duì)土壤溫度和水分變化之間的關(guān)系作了深入研究，對(duì)土壤剖面水分和鹽分的動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬，揭示了土壤水分和鹽分的關(guān)系；李毅等（2003）在覆膜非充分供水條件下，進(jìn)行了滴灌入滲的三維水熱鹽運(yùn)移試驗(yàn)，分析了潤(rùn)濕峰運(yùn)移的函數(shù)特征和橢圓方程等；李瑞平、史海濱（2007）等開展了凍融期氣溫與土壤水鹽運(yùn)移特征的研究，得出了氣溫對(duì)土壤溫度、水分和鹽分影響關(guān)系；高龍、田富強(qiáng)（2010）對(duì)膜下滴灌棉田土壤水鹽分布特征及灌溉制度進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)比分析研究了膜下滴灌條件下的土壤水、鹽分布規(guī)律及其對(duì)棉花生長(zhǎng)性狀及最終產(chǎn)量的影響。

上述對(duì)寒冷地區(qū)土壤凍融過(guò)程中的水熱鹽運(yùn)移規(guī)律的研究相對(duì)較少，而凍融引起土壤水鹽運(yùn)移是導(dǎo)致西北寒冷地區(qū)土壤鹽堿化的主要原因之一，國(guó)際凍土學(xué)會(huì)主席Pewe教授指出，查明凍融過(guò)程中水鹽遷移規(guī)律是防治土壤鹽堿化的新途徑；國(guó)內(nèi)外對(duì)凍融土壤水熱運(yùn)動(dòng)研究也多注重地基結(jié)凍隆起或防治水污染利用凍結(jié)析出技術(shù)處理溶質(zhì)等方面，而在田間水熱鹽方面的研究則不多見。本書對(duì)寒冷地區(qū)鹽漬化土壤水熱鹽耦合效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1.2.2　水熱鹽耦合效應(yīng)對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響研究

土壤中的水熱鹽運(yùn)移對(duì)作物的生長(zhǎng)有著顯著的影響，適宜的土壤水分、溫度和含鹽量是促進(jìn)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境參數(shù)，不合適的土壤水分、溫度和含鹽環(huán)境明顯延遲作物的生長(zhǎng)。

（1）水熱、水鹽耦合效應(yīng)對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響研究。從20世紀(jì)90年代許多學(xué)者就開始研究水鹽、水熱耦合效應(yīng)對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響，并取得了較多研究成果。早期一些學(xué)者利用Hydrus模型來(lái)模擬作物生長(zhǎng)條件下的一維水流、傳質(zhì)和熱流，該模型考慮了水分和鹽分脅迫下的根系吸水、吸鹽和吸熱作用；陳亞新、史海濱等（2004）對(duì)作物水鹽的聯(lián)合脅迫與響應(yīng)模型進(jìn)行了研究，得出了水鹽耦合效應(yīng)對(duì)作物生育指標(biāo)和產(chǎn)量的影響關(guān)系；孔東、史海濱等（2004）開展了水鹽聯(lián)合脅迫對(duì)向日葵幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究；巨龍、王全九等（2007）研究了灌水量對(duì)半干旱區(qū)土壤水鹽分布特征及冬小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明隨著灌水量的增加邊際土壤含水率先增大后減小，水分利用效率遞減，土壤表層含鹽量先減小后增加；郭家選等（2008）研究了干旱狀況下小區(qū)域灌溉冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱傳輸特性；王建東、龔時(shí)宏等（2008）進(jìn)行了華北地區(qū)滴灌灌水頻率對(duì)春玉米生長(zhǎng)和農(nóng)田土壤水熱分布的影響研究，結(jié)果表明土壤溫度受灌水過(guò)程、土壤含水率及作物生育階段的影響較明顯；鄧潔、陳靜等（2009）對(duì)灌水量和灌水時(shí)期對(duì)冬小麥耗水特性和生理特性的影響研究表明土壤水分過(guò)多或不足都會(huì)對(duì)冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率造成影響，灌水時(shí)期的不同也會(huì)對(duì)冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生影響；張勝全、方保停等（2009）研究了春灌模式對(duì)晚播冬小麥水分利用及產(chǎn)量形成的影響；張宇、張海林等（2009）開展了耕作措施對(duì)華北農(nóng)田CO2排放影響及水熱關(guān)系分析研究，結(jié)果表明不同耕作措施對(duì)農(nóng)田土壤溫度及土壤含水率具有顯著的影響。

（2）水熱鹽耦合效應(yīng)對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響研究。由于影響作物生理性狀及產(chǎn)量的諸多因素中，水、熱、鹽均起著重要的作用，三者對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響是相互制約、密不可分的關(guān)系。水分不足會(huì)降低作物的產(chǎn)量，土壤溫度偏低既降低作物的產(chǎn)量，又限制作物對(duì)水分的吸收，土壤溫度和水分的變化反過(guò)來(lái)又影響著鹽分的運(yùn)移，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)。因此，水、熱、鹽與作物生長(zhǎng)存在著較為復(fù)雜的相互關(guān)系，而目前水熱鹽耦合效應(yīng)對(duì)作物生理性狀及產(chǎn)量的影響研究尚少。李春友、任理等（2000）以土壤水熱鹽耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究為重點(diǎn)介紹了土壤水熱鹽數(shù)學(xué)模擬的研究成果，并簡(jiǎn)要論述了水熱鹽耦合效應(yīng)的發(fā)展方向；鄧力群、陳銘達(dá)等（2003）通過(guò)地面覆蓋對(duì)鹽漬土水熱鹽運(yùn)動(dòng)及作物生長(zhǎng)的影響研究，得出覆蓋對(duì)鹽漬土有很好的保溫增溫效果和一定的保水抑鹽作用的結(jié)論；周劍、王根緒等（2008）通過(guò)對(duì)高寒凍土地區(qū)草甸草地生態(tài)系統(tǒng)的能量水分平衡分析，考慮了積雪、植被覆蓋及枯枝落葉層對(duì)土壤凍融影響的水熱鹽耦合模型，得出青藏高原地區(qū)間的能量交換受凍土、植被生長(zhǎng)和地表土壤含水量影響的結(jié)論。

綜上所述，隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)的重大突破，節(jié)水農(nóng)業(yè)大量借助于土壤水動(dòng)力學(xué)、植物生理學(xué)、凍土學(xué)等理論和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法及計(jì)算模擬手段，從整體上來(lái)考慮水、熱、鹽和作物間的相互關(guān)系。目前，水熱鹽耦合效應(yīng)的機(jī)理研究尚不深入，對(duì)于寒冷地區(qū)鹽漬化土壤的水熱鹽耦合效應(yīng)及對(duì)作物的影響研究還是空白。有必要在學(xué)科前沿進(jìn)行深入探討，為干旱寒冷地區(qū)土壤鹽漬化防治和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。