該書總結了黃淮海平原農業生態環境特徵；闡述了物理模擬與計算機模擬、定位觀測和調查研究、試驗研究和理論分析相結合的研究方法；在總結多年水鹽動態觀測資料的基礎上，分析研究了土壤水鹽動態及其影響因素，論述了黃淮海平原土壤水鹽動態的變化規律和形成機理；建立了土壤水鹽動態中長期預測預報的理論和模型；初步建立了土壤水鹽動態最佳化調控的理論體系和適應中長期預報特色並與多目標規劃相結合的水鹽動態最佳化調控管理模式。
基本介紹
- 書名：土壤水鹽動態預測及調控
- 出版社：科學出版社
- 頁數：125頁
- 開本：16
- 定價：42.00
- 作者：張妙仙
- 出版日期：2012年3月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7030337859, 9787030337856
- 品牌：科學出版社
內容簡介,圖書目錄,文摘,
內容簡介
土壤鹽鹼化是指土壤含鹽量太高，而使農作物低產或不能生長，是一個世界性的土壤問題。
孫妙仙編著的《土壤水鹽動態預測及調控》以規律一模型一預報一調控一管理為主線，首先明確土壤水鹽動態的概念和內涵，論述土壤水鹽動態預測預報和最佳化調控在農業生態環境建設和土壤質量管理中的地位和作用；然後，對這一領域的研究方法、研究現狀、研究成果、理論基礎、數學思想、研究規模、研究工具和存在的不足進行了較系統的總結，針對土壤水鹽運動特點和農業生態環境中存在的主要問題，明確了研究的主要內容和技術路線。
孫妙仙編著的《土壤水鹽動態預測及調控》以規律一模型一預報一調控一管理為主線，首先明確土壤水鹽動態的概念和內涵，論述土壤水鹽動態預測預報和最佳化調控在農業生態環境建設和土壤質量管理中的地位和作用；然後，對這一領域的研究方法、研究現狀、研究成果、理論基礎、數學思想、研究規模、研究工具和存在的不足進行了較系統的總結，針對土壤水鹽運動特點和農業生態環境中存在的主要問題，明確了研究的主要內容和技術路線。
圖書目錄
前言
第1章 緒論
1.1 土壤水鹽動態預測預報的目的、任務和意義
1.2 土壤水鹽動態預報及調控的研究現狀
1.2.1 土壤水鹽動態預測預報分類
1.2.2 土壤水鹽動態預測預報的方法
1.2.3 土壤水鹽動態預測預報研究現狀
1.2.4 土壤水鹽動態調控研究現狀
1.3 研究內容和技術路線
1.3.1 研究內容
1.3.2 技術路線
第2章 土壤水鹽動態與其影響因子關係研究
2.1 土壤水鹽動態因素試驗
2.1.1 土壤水鹽動態模擬試驗
2.1.2 微區鹹水灌溉試驗
2.2 土壤水鹽動態影響因子
2.2.1 土壤水鹽動態與氣象因子
2.2.2 土壤水鹽動態與植被條件
2.2.3 土壤水鹽動態與灌溉制度
2.2.4 土壤水鹽動態與土壤條件
2.2.5 土壤水鹽動態與地下水埋深
2.3 土壤鹽漬化多因子預報
2.3.1 土壤鹽漬度多元統計預報模型
2.3.2 土壤次生鹽漬化的多因子預警
2.4 小結
第3章 土壤水鹽運動機理
3.1 土壤水鹽運動的動力作用過程
3.1.1 GSPAC系統土壤水鹽運動的四大動力作用過程
3.1.2 基於四大過程的水鹽動態分類
3.2 試用組合數學方法探討多孔介質水動力彌散尺度效應及溶質遷移機制
3.2.1 問題的提出
3.2.2 土壤滲透性和水動力彌散性物理機制探討
3.2.3 多孔介質溶質遷移過程的推求
3.2.4 溶質遷移過程分析
3.3 小結
第4章 土壤水鹽動態中長期預測預報理論和模型
4.1 中長期預測預報理論
4.1.1 預測預報的基本原則
4.1.2 中長期預測預報特點
4.1.3 預測步驟
4.2 土壤水鹽動態中長期預測預報對象
4.2.1 土壤水鹽動態表征變數
4.2.2 土壤水鹽動態指標
4.3 土壤水鹽動態預測預報體系
4.3.1 土壤水鹽動態預測預報概念模型
4.3.2 土壤水鹽動態預測預報要點
4.3.3 土壤水鹽動態預測預報體系結構
4.4 GSPAC系統水-鹽-作物產量動態中長期預報模型
4.4.1 入滲條件下農田土壤水鹽動態簡化模型
4.4.2 騰發條件下農田土壤水鹽動態簡化模型
4.4.3 地下水位動態模型
4.4.4 水鹽生產函式
4.4.5 模型功能和結構
4.4.6 土壤水鹽動態中長期預測預報精度分析
4.5 小結
第5章 土壤水鹽動態多目標最佳化調控管理模式
5.1 子過程水鹽動態調控
5.1.1 入滲過程水鹽動態調控
5.1.2 騰發過程水鹽動態調控
5.2 土壤水鹽動態最佳化調控管理模式
5.2.1 多目標動態規劃數學模型
5.2.2 土壤水鹽動態多目標最佳化調控模式
5.2.3 最佳化調控實例
5.3 小結
參考文獻
第1章 緒論
1.1 土壤水鹽動態預測預報的目的、任務和意義
1.2 土壤水鹽動態預報及調控的研究現狀
1.2.1 土壤水鹽動態預測預報分類
1.2.2 土壤水鹽動態預測預報的方法
1.2.3 土壤水鹽動態預測預報研究現狀
1.2.4 土壤水鹽動態調控研究現狀
1.3 研究內容和技術路線
1.3.1 研究內容
1.3.2 技術路線
第2章 土壤水鹽動態與其影響因子關係研究
2.1 土壤水鹽動態因素試驗
2.1.1 土壤水鹽動態模擬試驗
2.1.2 微區鹹水灌溉試驗
2.2 土壤水鹽動態影響因子
2.2.1 土壤水鹽動態與氣象因子
2.2.2 土壤水鹽動態與植被條件
2.2.3 土壤水鹽動態與灌溉制度
2.2.4 土壤水鹽動態與土壤條件
2.2.5 土壤水鹽動態與地下水埋深
2.3 土壤鹽漬化多因子預報
2.3.1 土壤鹽漬度多元統計預報模型
2.3.2 土壤次生鹽漬化的多因子預警
2.4 小結
第3章 土壤水鹽運動機理
3.1 土壤水鹽運動的動力作用過程
3.1.1 GSPAC系統土壤水鹽運動的四大動力作用過程
3.1.2 基於四大過程的水鹽動態分類
3.2 試用組合數學方法探討多孔介質水動力彌散尺度效應及溶質遷移機制
3.2.1 問題的提出
3.2.2 土壤滲透性和水動力彌散性物理機制探討
3.2.3 多孔介質溶質遷移過程的推求
3.2.4 溶質遷移過程分析
3.3 小結
第4章 土壤水鹽動態中長期預測預報理論和模型
4.1 中長期預測預報理論
4.1.1 預測預報的基本原則
4.1.2 中長期預測預報特點
4.1.3 預測步驟
4.2 土壤水鹽動態中長期預測預報對象
4.2.1 土壤水鹽動態表征變數
4.2.2 土壤水鹽動態指標
4.3 土壤水鹽動態預測預報體系
4.3.1 土壤水鹽動態預測預報概念模型
4.3.2 土壤水鹽動態預測預報要點
4.3.3 土壤水鹽動態預測預報體系結構
4.4 GSPAC系統水-鹽-作物產量動態中長期預報模型
4.4.1 入滲條件下農田土壤水鹽動態簡化模型
4.4.2 騰發條件下農田土壤水鹽動態簡化模型
4.4.3 地下水位動態模型
4.4.4 水鹽生產函式
4.4.5 模型功能和結構
4.4.6 土壤水鹽動態中長期預測預報精度分析
4.5 小結
第5章 土壤水鹽動態多目標最佳化調控管理模式
5.1 子過程水鹽動態調控
5.1.1 入滲過程水鹽動態調控
5.1.2 騰發過程水鹽動態調控
5.2 土壤水鹽動態最佳化調控管理模式
5.2.1 多目標動態規劃數學模型
5.2.2 土壤水鹽動態多目標最佳化調控模式
5.2.3 最佳化調控實例
5.3 小結
參考文獻
文摘
第1章 緒論
土壤水鹽動態是指土壤水分和鹽分隨空間的分布和隨時間的變化過程。土壤水鹽動態是受各種因素影響的複雜的自然現象。這一現象由土體內發生的各種物理、化學和生物過程的綜合作用所支配。其主要過程包括對流、擴散、吸附、溶解、結晶、蒸發和蒸騰等。從地球表層結構看，土壤水鹽動態是發生在氣候系統、生物系統、水文系統和陸地系統交叉部位的能量、水文和地質循環的一個重要過程。從物理意義上講，土壤水鹽動態是蒸發蒸騰和入滲淋洗交替作用下，多孔介質中非飽和的、部分帶電的電解質的非等溫運動，屬土壤溶質運移範疇。這一現象的科學研究不僅涉及土壤內物質、能量運動和轉化的基本機制，而且涉及土壤學、地質學、氣象學、水文學等的地球物理規律。
1.1 土壤水鹽動態預測預報的目的、任務和意義
對於土壤水鹽動態這一現象的研究是隨著人類農業生產水平的不斷提高而發展的。從小農經濟到大農業、到生態農業，再到正在興起的精準農業，土壤水鹽動態逐漸成為農業生態環境系統的重要研究內容，評價土壤質量和農業生態環境質量的重要動態指標之一。土壤水鹽動態是四水轉化、施肥、植被等因素綜合作用的結果。土壤水鹽動態與農業生態環境建設密切相關，它的優劣嚴重影響農業生產對象的發育和最終經濟產量。
土壤水鹽動態規律是土壤改良的基礎。土壤改良是人類所從事的最古老活動。其最終目的是創造適於作物生長的農業耕作條件。長期以來，農業生產主要依靠擴大外延的粗放經營和資源投入來發展。對於旱澇鹽鹼威脅也只是用一般的技術和經驗來對付。多少年來土壤改良一直採用經驗試錯方法，尋找特定地區和特定作物的最佳農業技術措施（Sokolenko，1984），而現代技術已提供了各種自動測試、監測和信息處理方法，特別是計算機的迅猛發展，定量化模擬仿真過程已成為可能。在土壤改良上繼續套用經驗試錯方法，將造成時間和資源的浪費。為了使時間和資源利用最佳，滿足農業生產可持續發展的要求，土壤改良必須從經驗性科學轉換到精確性科學，成為精準農業的重要內容之一。而正確合理的土壤改良必須建立在正確的土壤水鹽動態預測基礎之上。
預報是人類適應自然和利用自然的必要手段之一。若要對農田土壤水鹽動態進行最佳化管理，趨其利而避其害、防患於未然，就需要在認識其發生、發展規律的基礎上，對土壤水鹽動態有較為精確的預測，這是土壤水鹽管理和控制的先決條件。
只有這樣才能適應精準農業的要求，為作物生長創造最佳的水鹽生存環境，為農業生態環境的良性演化、水土資源的永續利用、旱澇鹽漬的綜合治理提供科學依據。
空氣運動性最強，從而表現出變幻莫測的氣象；地表水運動其次，從而表現出複雜的地表水文現象；多孔介質中的水鹽運動位居第三，從而表現出複雜的土壤水鹽動態變化現象。土壤水鹽動態和氣象、水文一樣，均有其自身發生、發展和演化規律。人們對氣象預報、水文預報早已熟知，而對事關農業發展而近在足下的土壤水鹽動態的預報卻不甚了解。怎樣才能給出科學的、滿足生產實際要求精度的預報呢？一方面要有對研究對象運動規律和機理的認識研究和大量野外監測資料的積累，另一方面要有合理的邏輯推斷，即預報方法和預報理論。
一個地區的土壤水鹽動態是當地氣候、地形、土壤、植被、水文地質和農業生產活動等因素綜合作用的結果。氣候因素使土壤水鹽狀況呈現明顯的季節變化。地形、土壤和水文地質影響土壤水鹽的空間分布。農業生產活動和植被則既影響土壤水鹽的空間分布又影響土壤水鹽的季節變化。所以，土壤水鹽動態的預測預報必須建立在氣候預測、地下水預測和農業發展規劃的基礎上。因此，土壤水鹽動態的預測預報是在自然條件預報和未來人為活動預測基礎之上的預測預報，是一指標性的預測預報。
施雅風（1995）預測：21世紀上半期，華北地區降水變化方向是增多而不是減少，氣候向暖濕方向發展，降雨和溫度都會增加。平常人類活動對水資源的干擾要大於氣候變化的影響。但在氣候快速變化階段，會有旱澇災害包括大旱大澇等突發事件的出現。如果這樣，水資源短缺趨勢難以逆轉，水資源開發造成地下水位持續下降。氣候變暖濕，則土壤鹽漬化不會大面積發生，但水資源短缺，勢必要大量引用客水（如南水北調）或者劣質水（鹹水或污水）。客水引入造成局部地區和某一季節的地下水位上升和土壤積鹽現象，劣質水灌溉造成土壤鹽分或其他化學物質的累積。從戰略趨勢上看，土壤水鹽動態取決於水資源狀況。未來人為的水管理行為是土壤水鹽動態變化的主要原因。由於地下水位上升引起土壤大面積鹽化，可能不是主要的問題，主要問題是由水質變劣而導致的土壤鹽化。
因此，土壤水鹽動態的預測預報實際上可以說是對未來水資源開發、氣候變化、農業發展規劃的預測，而這些預報涉及面廣，隨機性亦大，做出完全準確的預測是不可能的。也就是說，無論我們用什麼方法去預報未來都只能預報其部分特徵和趨勢。
土壤水鹽狀態是農作物生長發育的重要條件之一。農田土壤水鹽動態預報是根據農田土壤水鹽動態變化規律：①結合有關要素預報和計算出未來某時段、某計畫層內的土壤含水量和含鹽量；②結合當前農作物正常生長和農田工作正常進行時對土壤含水量和含鹽量的要求，說明所預測的土壤含水量和含鹽量對農業生產的影響。所以，農田土壤水鹽動態預報實際上是由兩部分組成，一是土壤水鹽狀況預報，一是對比農業上對水鹽要求的農田水分鹽分供應鑑定預報，或稱為農作物需水耐鹽狀況預報。
1.2 土壤水鹽動態預報及調控的研究現狀
1.2.1 土壤水鹽動態預測預報分類
從預報性質上，土壤水鹽動態預測預報分為定性預報和定量預報；從預報目的上，分為預警式預報、發展趨勢預報和精準農業所要求的數值預報；從預報時段上，分為短期、中期和長期預報。定性預測是對預測對象未來所表現的性質作出推斷和估計，如調查研究和經驗判斷。定量預測是對未來預測對象的發展規模、水平、速度和比例等數量表現進行推算。短期預測是未來兩年以內的預測，預報值較精確。中期預測是未來2～5年的預測，預報值不太精確。長期預測是未來5年以上的預測，只能是輪廓性的估計。
1.2.2 土壤水鹽動態預測預報的方法
目前，文獻中所記載的土壤水鹽動態預報方法，還不能完全把各方面因素都加以考慮。因此，在這種比較複雜的條件下，當今的土壤水鹽動態預報方法研究多是採用簡化條件，以實際資料為基礎，進行統計分析，找出經驗關係，建立一些統計方程。土壤水鹽動態預測預報模型的研究方法可歸納為如下八種方法：
（1）土壤發生學方法（Sokolenko，1984）：在這一方法中，分析研究土壤演化的性質和歷史趨勢，並且假定將來發生同樣的趨勢變化。
（2）地理相似法（王遵親等，1993）：在這一方法中，分析研究某一地塊的灌溉經驗，而用於改進其他地區。實際上它隱含了自然條件和水鹽動態相似性假設條件。該方法主要是根據已掌握的有關資料，作出定性預報，提出次生鹽漬化的可能性。
（3）專家識別估計法（王遵親等，1993）：由專家評估改良措施的後果，這主要取決於專家的經驗和能力。
（4）水鹽收支均衡法（王遵親等，1993）：根據土壤水鹽平衡原理，即對一定土體來說，土壤水鹽收入和支出的差等於該土體中水鹽總量的變化。這一方法最大的優點是能夠在田間滲透儀上直接確定蒸發蒸騰和地下水補給速率，然而這一方法只能給出平均意義上的定量預報值，不能用來構造具有相互作用的水鹽剖面，更不能確定水分動態和鹽分動態的相互關係。
（5）動力學方法（王馥棠等，1991）：即數值模擬方法，是一種強調物理因果關係的推斷方法。它是基於土壤過程動力學方程之上，用微分方程描述，並外推預測，是一種確定性的方法，是一種“一一對應”的描述。這個方法通過土壤過程的數學模型模擬和計算機仿真來預報水鹽動態及其改良措施。該方法可以套用於任何自然條件，能計算土壤鹽分和水分隨時間和空間的變化。為了定量研究土壤水鹽動態變化過程，就必須建立數值模型。在水鹽動態的研究中，數學模型將會起到主要作用，因為只有通過這一途徑才有希望進一步了解土壤水鹽動態的基本控制作用，為土壤水鹽動態的各種調控方案措施進行定量評價，確定合理的人為活動。但是，這一方法還有許多缺陷和不足：其一，數學模擬還不能完全有效地表達所有土壤過程；其二，是邊界和初始條件的隨機多變性；其三，是參數係數多，且難以確定。目前，數學模型只能用於邊界和初始條件比較簡單，土壤比較均一的室內和野外試驗，還不能廣泛套用于田間實際。同時數值模擬方法也只能作短期預報。
（6）機率統計學方法（王馥棠等，1991）：這是一種套用機率統計的基本原理來進行土壤水鹽動態預報的方法，是一種“機率對應”或“一多對應”的描述。預測值並不是預測個體的數值，而是群體的數學期望值。這個數是群體隨機取值的綜合值，不是個體的預測值。具體方法途徑很多：回歸分析、方差分析主要用於水鹽狀況與各影響因素之間關係分析；時間序列分析則是就土壤水鹽動態的時間序列資料建立時間序列模型。該方法是目前套用最多的方法。動力學方法和機率統計學方法都是定量數值預報。
（7）遙感技術方法（王馥棠等，1991）：隨著遙感技術的發展，利用現代化的空間遙感技術，獲取大面積與土壤水鹽動態相關的信息，通過建立遙感信息與地面觀測資料相關對應關係的模型，來預報土壤水鹽動態和旱澇災情。主要用於大面積範圍的監測預報。
（8）動力統計預報方法（嚴華生，1999；醜紀范，1986）：近幾年來，該方法在氣候模擬和預測中有很大發展，它是動力學方法和統計學方法的結合，這種結合分為外結合和內結合。如集合預報、模糊分析等。
1.2.3 土壤水鹽動態預測預報研究現狀
土壤水鹽動態是在自然和人為等各種因素的影響作用下，在土壤體內隨時間的變化和隨空間的分布，以及土壤固、液、氣三相之間的形態轉換的一系列動態變化過程。為了研究土壤水鹽動態的變化規律和形成機理，從而採用合理的措施調控水鹽動態，使其適應作物生長的要求，人類進行了長期、大量和廣泛的研究和實踐。
20世紀80年代以來，石元春等（1991a）進行了區域水鹽運動監測預報技術的研究工作：在河北曲周試區套用系統分析的方法，對區域水鹽運動這個十分複雜的開放系統進行科學分析，採用地下水-土壤兩段式測報方法，建立了各子系統及綜合系統的預報模型，通過示範和檢驗，適時地為農田提出了季節性或短期的旱、澇、鹽情預報，並初步實現了從信息輸入、計算和管理到圖幅、數據檔案輸出的計算機自動化，初步形成了較完整的區域水鹽運動監測預報體系（PWS）。該預報體系包括資料監測系統、地下水位和水質的動態預報系統、土壤水分動態預報系統、土壤鹽分動態預報系統、系統預報模型的實施和檢驗以及PWS體系的信息系統。PWS預報體系的建立，基本上概括和匯總了目前水鹽動態研究發展的成果，建立和奠定了土壤水鹽動態預測預報理論的框架和基礎。但是，不足的是還沒有達到預報業務服務的程度和精度，不能進行中長期的土壤水鹽動態預報。
為了進一步提高預報的精度和實用性，20世紀90年代，楊金忠等（1993）進行了區域水鹽預測預報理論和方法的研究，建立了地下水系統和土壤系統的兩段式預報模型。模型計算中，首先，進行地下水位預報；其次，將地下水位和礦化度作為土壤水鹽運動的下邊界條件，以入滲蒸發為上邊界條件，利用土壤水鹽運動模型，預報土壤水鹽動態。該研究將地下水系統視為時變系統和非時變系統，將時間序列分析方法用於地下水位動態預報，充分闡明了時間序列模型用於地下水動態預報的可行性，針對地下水位動態序列的特徵，建立了多種時序組合模型。這一研究是對確定性方法和隨機性方法結合的有益嘗試。
除定量數值預報外，定性預報工作也很多。尤文瑞（1994）提出臨界潛水蒸發量的概念，這一概念是臨界地下水位概念的發展，提出了以臨界潛水蒸發量為預報指標的次生鹽漬化預報方法。該預報方法首先通過試驗等途徑，確定預報地區的臨界潛水蒸發量；然後計算出預報地區的實際潛水蒸發量；如果實際潛水蒸發量大於臨界潛水蒸發量則可能發生次生鹽漬化，如果實際潛水蒸發量小於臨界潛水蒸發量則不會發生次生鹽漬化；並可根據潛水蒸發量與土壤含鹽量的關係預報土壤的含鹽量。
方生、陳秀玲（1990）提出了防止土壤次生鹽漬化的地下水埋深的臨界動態指標：旱季為2～3m，雨季前為4～6m，雨季為0.5～1m。
魏由慶等（1989）根據土體構型、有機質含量、地下水埋深和水質四因子與土壤鹽漬化的關係，通過標準化處理，建立了土壤潛在鹽漬化預報公式，該公式可進行土壤潛在鹽漬化等級的預報。
綜上所述，土壤水鹽動態研究現狀可概括為：①動力學基礎是達西定律和混合置換理論；②基本的數學思想是微積分思想和隨機機率統計思想；③基本的化學理論是電化學、膠體化學和化學動力平衡理論；④基本的工具是電子計算機和水鹽感測監測儀器。
從預測時段上，可分為季節和多年水鹽動態；從水鹽動態監測規模上，分為土柱、田塊、剖面和區域；從研究方法上，可分為土壤調查統計法、定位監測研究法、示蹤元素研究法、室內土柱及砂槽試驗等方法；從數學分析手段上，可分為數學模型、經驗公式曲線、隨機統計分析、水鹽均衡、灰色系統分析和時間序列分析方法；從監測內容上，由過去的只監測總的含水量和含鹽量，發展到測量各種離子組成、植物根際作用；從監測手段上，也由經典的重量法發展到使用負壓計、中子儀、時域反射儀（TDR）、水分鹽分感測器等各種儀器。
就運動機理描述而言，隨著化學、地質、土壤等學科的發展，土壤水鹽動態的機理也愈來愈細，愈來愈全面，微觀上更微，巨觀上更宏，考慮了化學動力平衡、離子代換，提出了可動水體-不可動水體、優先流等各種水分運動的術語來反映土壤水分運動的不均勻性，反映根系吸水的重要作用，並有機地將水、鹽、熱、汽的多相運移進行耦合研究。
土壤水鹽動態研究的主導思想，就是儘可能地利用各種相關的知識表述水鹽動態變化機理和規律，套用數學物理方法或統計分析方法建立各種數學模型，針對各種邊界條件進行計算機模擬，從而建立精度較高、適用性較強的土壤水鹽動態模型。目前，土壤水鹽動態研究已進入以定位理論作指導、多種研究方法相結合的時期。規律―模型―預報―調控―設計準則已成為水鹽動態及鹽漬土改良研究的發展趨勢，模型將逐漸取代定律，鹽漬土改良將從經驗的定性科學漸變為定量科學。
水鹽運動原理、預測預報理論和最佳化調控理論的系統綜合和交叉將形成合理的、科學的水鹽動態調控管理模型。
儘管這些科學研究工作為土壤水鹽動態的預測預報奠定了基礎，但還沒有形成系統的預報理論和方法。和氣象預報相比，土壤水鹽動態的預報尚不成熟，仍處在醞釀和起步階段，其監測系統、預報模型、預報體系、預報機構等各個方面都不具備開展正規的業務預報服務的可能性。目前，適用於田間管理的水鹽動態模型還不多，特別是符合我國國情、適應中長期預報特色並與多目標規劃相結合的水鹽動態最佳化調控管理模型幾乎處於空白。
1.2.4 土壤水鹽動態調控研究現狀
為了防止土壤鹽漬化，一般必須使土壤根系層鹽分保持平衡。根層鹽分平衡方程（Schilfgaarde，1974）為ΔS=DrCr+DgCg+DiCi+Sm+Sf-DdCd-Sp-Sc（1-1）式中，D為水量（L）；C為鹽分濃度（mg/L）；Sm為土壤礦物溶解的鹽（mg）；Sf為肥料增添的鹽（mg）；Sp為根系層沉澱的鹽（mg）；Sc為作物吸收的鹽（mg）；下標r，i，d，g分別代表：降雨、灌溉、排水、地下水補給。
為了將土壤鹽分控制在一定的範圍內，許多國家和地區的學者做了大量的試驗研究工作。實踐證明，如果管理適當，而且環境條件適宜時，鹽化土壤上也可以獲得比較好的收成。目前，已形成了生物鹽化概念（biosalineconcept）。它的基本內容是在乾旱半乾旱地區普遍存在的礦化水和不良土壤，應該被視為有用的資源，可用於生產糧食、燃料和藥品等。
土壤水鹽動態是指土壤水分和鹽分隨空間的分布和隨時間的變化過程。土壤水鹽動態是受各種因素影響的複雜的自然現象。這一現象由土體內發生的各種物理、化學和生物過程的綜合作用所支配。其主要過程包括對流、擴散、吸附、溶解、結晶、蒸發和蒸騰等。從地球表層結構看，土壤水鹽動態是發生在氣候系統、生物系統、水文系統和陸地系統交叉部位的能量、水文和地質循環的一個重要過程。從物理意義上講，土壤水鹽動態是蒸發蒸騰和入滲淋洗交替作用下，多孔介質中非飽和的、部分帶電的電解質的非等溫運動，屬土壤溶質運移範疇。這一現象的科學研究不僅涉及土壤內物質、能量運動和轉化的基本機制，而且涉及土壤學、地質學、氣象學、水文學等的地球物理規律。
1.1 土壤水鹽動態預測預報的目的、任務和意義
對於土壤水鹽動態這一現象的研究是隨著人類農業生產水平的不斷提高而發展的。從小農經濟到大農業、到生態農業，再到正在興起的精準農業，土壤水鹽動態逐漸成為農業生態環境系統的重要研究內容，評價土壤質量和農業生態環境質量的重要動態指標之一。土壤水鹽動態是四水轉化、施肥、植被等因素綜合作用的結果。土壤水鹽動態與農業生態環境建設密切相關，它的優劣嚴重影響農業生產對象的發育和最終經濟產量。
土壤水鹽動態規律是土壤改良的基礎。土壤改良是人類所從事的最古老活動。其最終目的是創造適於作物生長的農業耕作條件。長期以來，農業生產主要依靠擴大外延的粗放經營和資源投入來發展。對於旱澇鹽鹼威脅也只是用一般的技術和經驗來對付。多少年來土壤改良一直採用經驗試錯方法，尋找特定地區和特定作物的最佳農業技術措施（Sokolenko，1984），而現代技術已提供了各種自動測試、監測和信息處理方法，特別是計算機的迅猛發展，定量化模擬仿真過程已成為可能。在土壤改良上繼續套用經驗試錯方法，將造成時間和資源的浪費。為了使時間和資源利用最佳，滿足農業生產可持續發展的要求，土壤改良必須從經驗性科學轉換到精確性科學，成為精準農業的重要內容之一。而正確合理的土壤改良必須建立在正確的土壤水鹽動態預測基礎之上。
預報是人類適應自然和利用自然的必要手段之一。若要對農田土壤水鹽動態進行最佳化管理，趨其利而避其害、防患於未然，就需要在認識其發生、發展規律的基礎上，對土壤水鹽動態有較為精確的預測，這是土壤水鹽管理和控制的先決條件。
只有這樣才能適應精準農業的要求，為作物生長創造最佳的水鹽生存環境，為農業生態環境的良性演化、水土資源的永續利用、旱澇鹽漬的綜合治理提供科學依據。
空氣運動性最強，從而表現出變幻莫測的氣象；地表水運動其次，從而表現出複雜的地表水文現象；多孔介質中的水鹽運動位居第三，從而表現出複雜的土壤水鹽動態變化現象。土壤水鹽動態和氣象、水文一樣，均有其自身發生、發展和演化規律。人們對氣象預報、水文預報早已熟知，而對事關農業發展而近在足下的土壤水鹽動態的預報卻不甚了解。怎樣才能給出科學的、滿足生產實際要求精度的預報呢？一方面要有對研究對象運動規律和機理的認識研究和大量野外監測資料的積累，另一方面要有合理的邏輯推斷，即預報方法和預報理論。
一個地區的土壤水鹽動態是當地氣候、地形、土壤、植被、水文地質和農業生產活動等因素綜合作用的結果。氣候因素使土壤水鹽狀況呈現明顯的季節變化。地形、土壤和水文地質影響土壤水鹽的空間分布。農業生產活動和植被則既影響土壤水鹽的空間分布又影響土壤水鹽的季節變化。所以，土壤水鹽動態的預測預報必須建立在氣候預測、地下水預測和農業發展規劃的基礎上。因此，土壤水鹽動態的預測預報是在自然條件預報和未來人為活動預測基礎之上的預測預報，是一指標性的預測預報。
施雅風（1995）預測：21世紀上半期，華北地區降水變化方向是增多而不是減少，氣候向暖濕方向發展，降雨和溫度都會增加。平常人類活動對水資源的干擾要大於氣候變化的影響。但在氣候快速變化階段，會有旱澇災害包括大旱大澇等突發事件的出現。如果這樣，水資源短缺趨勢難以逆轉，水資源開發造成地下水位持續下降。氣候變暖濕，則土壤鹽漬化不會大面積發生，但水資源短缺，勢必要大量引用客水（如南水北調）或者劣質水（鹹水或污水）。客水引入造成局部地區和某一季節的地下水位上升和土壤積鹽現象，劣質水灌溉造成土壤鹽分或其他化學物質的累積。從戰略趨勢上看，土壤水鹽動態取決於水資源狀況。未來人為的水管理行為是土壤水鹽動態變化的主要原因。由於地下水位上升引起土壤大面積鹽化，可能不是主要的問題，主要問題是由水質變劣而導致的土壤鹽化。
因此，土壤水鹽動態的預測預報實際上可以說是對未來水資源開發、氣候變化、農業發展規劃的預測，而這些預報涉及面廣，隨機性亦大，做出完全準確的預測是不可能的。也就是說，無論我們用什麼方法去預報未來都只能預報其部分特徵和趨勢。
土壤水鹽狀態是農作物生長發育的重要條件之一。農田土壤水鹽動態預報是根據農田土壤水鹽動態變化規律：①結合有關要素預報和計算出未來某時段、某計畫層內的土壤含水量和含鹽量；②結合當前農作物正常生長和農田工作正常進行時對土壤含水量和含鹽量的要求，說明所預測的土壤含水量和含鹽量對農業生產的影響。所以，農田土壤水鹽動態預報實際上是由兩部分組成，一是土壤水鹽狀況預報，一是對比農業上對水鹽要求的農田水分鹽分供應鑑定預報，或稱為農作物需水耐鹽狀況預報。
1.2 土壤水鹽動態預報及調控的研究現狀
1.2.1 土壤水鹽動態預測預報分類
從預報性質上，土壤水鹽動態預測預報分為定性預報和定量預報；從預報目的上，分為預警式預報、發展趨勢預報和精準農業所要求的數值預報；從預報時段上，分為短期、中期和長期預報。定性預測是對預測對象未來所表現的性質作出推斷和估計，如調查研究和經驗判斷。定量預測是對未來預測對象的發展規模、水平、速度和比例等數量表現進行推算。短期預測是未來兩年以內的預測，預報值較精確。中期預測是未來2～5年的預測，預報值不太精確。長期預測是未來5年以上的預測，只能是輪廓性的估計。
1.2.2 土壤水鹽動態預測預報的方法
目前，文獻中所記載的土壤水鹽動態預報方法，還不能完全把各方面因素都加以考慮。因此，在這種比較複雜的條件下，當今的土壤水鹽動態預報方法研究多是採用簡化條件，以實際資料為基礎，進行統計分析，找出經驗關係，建立一些統計方程。土壤水鹽動態預測預報模型的研究方法可歸納為如下八種方法：
（1）土壤發生學方法（Sokolenko，1984）：在這一方法中，分析研究土壤演化的性質和歷史趨勢，並且假定將來發生同樣的趨勢變化。
（2）地理相似法（王遵親等，1993）：在這一方法中，分析研究某一地塊的灌溉經驗，而用於改進其他地區。實際上它隱含了自然條件和水鹽動態相似性假設條件。該方法主要是根據已掌握的有關資料，作出定性預報，提出次生鹽漬化的可能性。
（3）專家識別估計法（王遵親等，1993）：由專家評估改良措施的後果，這主要取決於專家的經驗和能力。
（4）水鹽收支均衡法（王遵親等，1993）：根據土壤水鹽平衡原理，即對一定土體來說，土壤水鹽收入和支出的差等於該土體中水鹽總量的變化。這一方法最大的優點是能夠在田間滲透儀上直接確定蒸發蒸騰和地下水補給速率，然而這一方法只能給出平均意義上的定量預報值，不能用來構造具有相互作用的水鹽剖面，更不能確定水分動態和鹽分動態的相互關係。
（5）動力學方法（王馥棠等，1991）：即數值模擬方法，是一種強調物理因果關係的推斷方法。它是基於土壤過程動力學方程之上，用微分方程描述，並外推預測，是一種確定性的方法，是一種“一一對應”的描述。這個方法通過土壤過程的數學模型模擬和計算機仿真來預報水鹽動態及其改良措施。該方法可以套用於任何自然條件，能計算土壤鹽分和水分隨時間和空間的變化。為了定量研究土壤水鹽動態變化過程，就必須建立數值模型。在水鹽動態的研究中，數學模型將會起到主要作用，因為只有通過這一途徑才有希望進一步了解土壤水鹽動態的基本控制作用，為土壤水鹽動態的各種調控方案措施進行定量評價，確定合理的人為活動。但是，這一方法還有許多缺陷和不足：其一，數學模擬還不能完全有效地表達所有土壤過程；其二，是邊界和初始條件的隨機多變性；其三，是參數係數多，且難以確定。目前，數學模型只能用於邊界和初始條件比較簡單，土壤比較均一的室內和野外試驗，還不能廣泛套用于田間實際。同時數值模擬方法也只能作短期預報。
（6）機率統計學方法（王馥棠等，1991）：這是一種套用機率統計的基本原理來進行土壤水鹽動態預報的方法，是一種“機率對應”或“一多對應”的描述。預測值並不是預測個體的數值，而是群體的數學期望值。這個數是群體隨機取值的綜合值，不是個體的預測值。具體方法途徑很多：回歸分析、方差分析主要用於水鹽狀況與各影響因素之間關係分析；時間序列分析則是就土壤水鹽動態的時間序列資料建立時間序列模型。該方法是目前套用最多的方法。動力學方法和機率統計學方法都是定量數值預報。
（7）遙感技術方法（王馥棠等，1991）：隨著遙感技術的發展，利用現代化的空間遙感技術，獲取大面積與土壤水鹽動態相關的信息，通過建立遙感信息與地面觀測資料相關對應關係的模型，來預報土壤水鹽動態和旱澇災情。主要用於大面積範圍的監測預報。
（8）動力統計預報方法（嚴華生，1999；醜紀范，1986）：近幾年來，該方法在氣候模擬和預測中有很大發展，它是動力學方法和統計學方法的結合，這種結合分為外結合和內結合。如集合預報、模糊分析等。
1.2.3 土壤水鹽動態預測預報研究現狀
土壤水鹽動態是在自然和人為等各種因素的影響作用下，在土壤體內隨時間的變化和隨空間的分布，以及土壤固、液、氣三相之間的形態轉換的一系列動態變化過程。為了研究土壤水鹽動態的變化規律和形成機理，從而採用合理的措施調控水鹽動態，使其適應作物生長的要求，人類進行了長期、大量和廣泛的研究和實踐。
20世紀80年代以來，石元春等（1991a）進行了區域水鹽運動監測預報技術的研究工作：在河北曲周試區套用系統分析的方法，對區域水鹽運動這個十分複雜的開放系統進行科學分析，採用地下水-土壤兩段式測報方法，建立了各子系統及綜合系統的預報模型，通過示範和檢驗，適時地為農田提出了季節性或短期的旱、澇、鹽情預報，並初步實現了從信息輸入、計算和管理到圖幅、數據檔案輸出的計算機自動化，初步形成了較完整的區域水鹽運動監測預報體系（PWS）。該預報體系包括資料監測系統、地下水位和水質的動態預報系統、土壤水分動態預報系統、土壤鹽分動態預報系統、系統預報模型的實施和檢驗以及PWS體系的信息系統。PWS預報體系的建立，基本上概括和匯總了目前水鹽動態研究發展的成果，建立和奠定了土壤水鹽動態預測預報理論的框架和基礎。但是，不足的是還沒有達到預報業務服務的程度和精度，不能進行中長期的土壤水鹽動態預報。
為了進一步提高預報的精度和實用性，20世紀90年代，楊金忠等（1993）進行了區域水鹽預測預報理論和方法的研究，建立了地下水系統和土壤系統的兩段式預報模型。模型計算中，首先，進行地下水位預報；其次，將地下水位和礦化度作為土壤水鹽運動的下邊界條件，以入滲蒸發為上邊界條件，利用土壤水鹽運動模型，預報土壤水鹽動態。該研究將地下水系統視為時變系統和非時變系統，將時間序列分析方法用於地下水位動態預報，充分闡明了時間序列模型用於地下水動態預報的可行性，針對地下水位動態序列的特徵，建立了多種時序組合模型。這一研究是對確定性方法和隨機性方法結合的有益嘗試。
除定量數值預報外，定性預報工作也很多。尤文瑞（1994）提出臨界潛水蒸發量的概念，這一概念是臨界地下水位概念的發展，提出了以臨界潛水蒸發量為預報指標的次生鹽漬化預報方法。該預報方法首先通過試驗等途徑，確定預報地區的臨界潛水蒸發量；然後計算出預報地區的實際潛水蒸發量；如果實際潛水蒸發量大於臨界潛水蒸發量則可能發生次生鹽漬化，如果實際潛水蒸發量小於臨界潛水蒸發量則不會發生次生鹽漬化；並可根據潛水蒸發量與土壤含鹽量的關係預報土壤的含鹽量。
方生、陳秀玲（1990）提出了防止土壤次生鹽漬化的地下水埋深的臨界動態指標：旱季為2～3m，雨季前為4～6m，雨季為0.5～1m。
魏由慶等（1989）根據土體構型、有機質含量、地下水埋深和水質四因子與土壤鹽漬化的關係，通過標準化處理，建立了土壤潛在鹽漬化預報公式，該公式可進行土壤潛在鹽漬化等級的預報。
綜上所述，土壤水鹽動態研究現狀可概括為：①動力學基礎是達西定律和混合置換理論；②基本的數學思想是微積分思想和隨機機率統計思想；③基本的化學理論是電化學、膠體化學和化學動力平衡理論；④基本的工具是電子計算機和水鹽感測監測儀器。
從預測時段上，可分為季節和多年水鹽動態；從水鹽動態監測規模上，分為土柱、田塊、剖面和區域；從研究方法上，可分為土壤調查統計法、定位監測研究法、示蹤元素研究法、室內土柱及砂槽試驗等方法；從數學分析手段上，可分為數學模型、經驗公式曲線、隨機統計分析、水鹽均衡、灰色系統分析和時間序列分析方法；從監測內容上，由過去的只監測總的含水量和含鹽量，發展到測量各種離子組成、植物根際作用；從監測手段上，也由經典的重量法發展到使用負壓計、中子儀、時域反射儀（TDR）、水分鹽分感測器等各種儀器。
就運動機理描述而言，隨著化學、地質、土壤等學科的發展，土壤水鹽動態的機理也愈來愈細，愈來愈全面，微觀上更微，巨觀上更宏，考慮了化學動力平衡、離子代換，提出了可動水體-不可動水體、優先流等各種水分運動的術語來反映土壤水分運動的不均勻性，反映根系吸水的重要作用，並有機地將水、鹽、熱、汽的多相運移進行耦合研究。
土壤水鹽動態研究的主導思想，就是儘可能地利用各種相關的知識表述水鹽動態變化機理和規律，套用數學物理方法或統計分析方法建立各種數學模型，針對各種邊界條件進行計算機模擬，從而建立精度較高、適用性較強的土壤水鹽動態模型。目前，土壤水鹽動態研究已進入以定位理論作指導、多種研究方法相結合的時期。規律―模型―預報―調控―設計準則已成為水鹽動態及鹽漬土改良研究的發展趨勢，模型將逐漸取代定律，鹽漬土改良將從經驗的定性科學漸變為定量科學。
水鹽運動原理、預測預報理論和最佳化調控理論的系統綜合和交叉將形成合理的、科學的水鹽動態調控管理模型。
儘管這些科學研究工作為土壤水鹽動態的預測預報奠定了基礎，但還沒有形成系統的預報理論和方法。和氣象預報相比，土壤水鹽動態的預報尚不成熟，仍處在醞釀和起步階段，其監測系統、預報模型、預報體系、預報機構等各個方面都不具備開展正規的業務預報服務的可能性。目前，適用於田間管理的水鹽動態模型還不多，特別是符合我國國情、適應中長期預報特色並與多目標規劃相結合的水鹽動態最佳化調控管理模型幾乎處於空白。
1.2.4 土壤水鹽動態調控研究現狀
為了防止土壤鹽漬化，一般必須使土壤根系層鹽分保持平衡。根層鹽分平衡方程（Schilfgaarde，1974）為ΔS=DrCr+DgCg+DiCi+Sm+Sf-DdCd-Sp-Sc（1-1）式中，D為水量（L）；C為鹽分濃度（mg/L）；Sm為土壤礦物溶解的鹽（mg）；Sf為肥料增添的鹽（mg）；Sp為根系層沉澱的鹽（mg）；Sc為作物吸收的鹽（mg）；下標r，i，d，g分別代表：降雨、灌溉、排水、地下水補給。
為了將土壤鹽分控制在一定的範圍內，許多國家和地區的學者做了大量的試驗研究工作。實踐證明，如果管理適當，而且環境條件適宜時，鹽化土壤上也可以獲得比較好的收成。目前，已形成了生物鹽化概念（biosalineconcept）。它的基本內容是在乾旱半乾旱地區普遍存在的礦化水和不良土壤，應該被視為有用的資源，可用於生產糧食、燃料和藥品等。
