本书采用水文地质和土壤地球化学调查、多期次遥感监测和数据解译、场地试验、非饱和带-饱和带多水平监测与水盐运移数值模拟等方法，对河套灌区土壤盐渍化特征和演化规律、非饱和带水盐运移规律及影响因素、地下水咸化和土壤盐渍化形成机理等进行系统与全面的介绍。在此基础上，根据土壤盐渍化特点，研发基于碎石毛细屏障的物理改良技术和土壤藻结皮生物改良技术，并进行大田试验，为读者提供较为全面的干旱区土壤盐渍化成因和改良研究案例，同时为河套灌区盐碱地的合理开发利用与农业增产增收提供科技支撑。 本书可作为地下水科学与工程、水文地质学、水利工程、水文与水资源工程、生态地质学等专业高年级本科生和研究生的参考资料，也可供相关科研工作者、工程技术人员和决策管理人员参考阅读。

第1章研究区概况
　　河套灌区位于黄河上中游内蒙古自治区段北岸的冲积平原，是亚洲*大的一首制灌区和全国三个特大型灌区之一，也是国家和自治区重要的商品粮、油生产基地。由于地处干旱的西北高原，降水量少、蒸发量大，加之长期引黄灌溉，地下水埋深浅，土壤次生盐渍化广泛分布。本章主要介绍河套灌区及典型研究区临河区的自然地理、地质概况、水文地质条件及土壤盐渍化现状。
　　1.1自然地理
　　1.1.1地理交通
　　河套灌区位于内蒙古自治区西部，北靠阴山，南临黄河，西至乌兰布和沙漠，东至包头市（图1-1）。东西长270km，南北宽40～75km，总面积约11900km2。重点研究区临河区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市中部，居河套平原腹地，坐落在黄河“几”字形弯曲上方，南与鄂尔多斯高原隔河相望，北靠阴山，东与乌拉特后旗交界。坐标为北纬40°33′16″～41°16′31″，东经107°06′13″～107°43′40″，行政区包括临河区、杭锦后旗和乌拉特后旗，总面积约2212km2。区内交通便利，有铁路京包线、包兰线由东向西贯穿全区，区内公路网发达，干线公路有国道主干线G6、G7、G110、G025，省道S312。
　　图1-1研究区交通位置图
　　1.1.2气候与水文
　　研究区属大陆性干旱、半干旱气候带，降水稀少，蒸发强烈，冬季严寒，夏季炎热，春季干燥多风，昼夜温差大。多年平均降水量为100～400mm，并有自东向西逐渐减少的规律。年蒸发量为2000～3500mm，为降水量的5～7倍，并沿上述方向有逐渐增大的趋势（表1-1）。降水量在年内和年际变化较大。以2020年为例，该年出现的中大型降水次数及降水量明显高于2018年和2019年，区域年降水量较不稳定，降水量丰、枯水年相差4～6倍。年内降水量集中在7～9月，占全年降水量的70%以上。灌区热量充足，全年日照3200～3250h，10℃以上活动积温2700～3200℃，无霜期120～160d。干燥度、气温、日照、无霜期等从东向西逐渐增高、增长，仅湿润系数降低，反映了区内由半干旱气候向干旱气候变化的特征。
　　表1-1河套灌区气象要素一览表
　　灌区内除黄河外，无其他天然河流。黄河从巴彦淖尔市磴口县到托克托县喇嘛湾镇，流程为600km，横贯全区。在灌溉活动期间，黄河水通过各个排干进入灌区，*终汇至总干，并流向乌梁素海。重点研究区范围包含河套灌区二排干、三排干及部分总干地区，整体涵盖临河区周边临近黄河区域、二排干和三排干周边农耕区域，以及乌拉特后旗和总干渠周边的山前区域，具体水系和排干分布情况见图1-2。
　　图1-2河套灌区水系和排干分布图
　　1.1.3土壤类型与植被
　　河套灌区土壤可分为自然成土和灌淤土。自然成土主要由碳酸盐淋溶沉淀及有机质积累而成，在灌区占比较小。灌淤土主要来源于引黄灌溉活动，以及早年间黄河改道遗留的河道淤土，*终通过盐化、草甸等成土过程形成灌淤土。目前研究的土壤以灌淤土为主，土壤有机质含量较低，钠、钾离子含量过剩，在部分区域极易形成盐土。总体上，土壤以盐渍化浅色草甸土和盐土为主。
　　河套灌区作物种类多样，有向日葵、油葵、甜菜、小麦、胡麻、玉米、糜子、瓜果、蔬菜等，是内蒙古自治区*大的商品粮食基地和油料、甜菜等经济作物的种植产区。临河区内的常见植物主要有向日葵、油葵、小麦、玉米、蔬菜，其中向日葵、油葵、小麦和玉米的种植面积较大。
　　1.2地质概况
　　1.2.1地形地貌
　　河套平原在地质构造上属于断陷盆地、湖相沉积，盆地基底东南高、西北低，更新世晚期由于黄河形成及其屡次改道，又在湖相沉积层上覆盖了黄河冲积层，进而形成现今的地形条件（刘秉旺等，2012）。
　　河套灌区整体地势平坦，西南高，东北低，自西南向北东微倾，局部有起伏，主要为小型丘岗和洼地。海拔1007～1050m，坡度0.125‰～0.2‰。研究区内主要包括两类平原地貌，分别为狼山山前冲积倾斜平原和黄河冲湖积平原。
　　灌区内山前冲积倾斜平原分布于狼山山前地带，位于区内西北部，地面高度在1030～1060m。该区域由西北向东南倾斜，西北部靠近山脉，主要为锥裙和扇裙带，坡度在1/500～1/100，由于受山泉水补给，且地下水径流速度较快，少有土壤盐渍化情况。东南部为扇前平原，土质逐渐变细，且地势平坦低洼，潜水埋深浅且径流速度缓慢，部分区域存在盐渍化问题。
　　研究区的主体为黄河冲湖积平原，地面高程在1018～1052m，占区内平原总面积的70%以上。冲湖积平原地区地形平坦，地势开阔，整体地面高程由南向北降低，西东方向上则西部略高于东部。该区域由于黄河改道，残留湖泊和湿地退缩，形成了大量微小凹陷地貌，极易形成土壤盐渍化。区内整体黄河冲湖积平原的*低处为二排干以西，地形低洼，地下水位较浅，土壤盐渍化情况严重。
　　1.2.2地层岩性
　　河套灌区位于内蒙古自治区西部，其地表几乎全部被全新统沉积物覆盖，形成大面积的黄河冲积平原。除缺失志留系、泥盆系外，其他地层均有出露。太古宇、元古宇为一套变质岩系；下古生界为海相碳酸岩和碎屑岩沉积；上古生界为海陆交替相及陆相碎屑岩；中—新生代，河套地区大幅度沉降，形成了河套盆地及北缘一系列山间小盆地，发育一套巨厚的中—新生界陆相碎屑岩系。
　　工作区基底为前寒武纪花岗片麻岩，中生代下白垩统不整合于基底之上，古近系和新近系不整合于白垩系之上，第四系不整合于新近系之上，石油地震勘探和钻孔探测显示，第四系更新统主要为一套厚度巨大的河湖相沉积。河套盆地边缘由于山前断裂活动，第四系更新统湖相地层也零星出露于山前台地，一般地层下部为河湖相淤泥、粉砂，上部为冲洪积相砂砾石。
　　研究区是由黄河及其周围高山冲积、洪积所形成的第四系平原区，第四系是区内主要地质体。第四系地层由老至新简述如下。
　　1.更新统
　　（1）中下更新统（Qp1-2）：主要分布在狼山南麓，为厚层状砾岩、黄灰绿色含砾砂岩、粉砂岩、砾岩夹含砾砂岩、砂岩及粉砂岩透镜体、洪积砂砾石层、粉砂质泥层夹细砂层及砂砾岩。
　　（2）中下更新统冲洪积物（Qp1-2al+pl）：主要分布在大青山南麓，为冲积、洪积砂砾石层，土黄色、土红色砾岩夹含砾砂岩、砂岩及粉砂岩透镜体。在磴口县，中更新统冲积层（Qp2al）分布在黄河左岸II级阶地上，岩性为砂砾石、中细砂和黏质砂土、砂质黏土，表层为黏质砂土，厚1～2m，有较明显的二元结构；砂砾石层和砂层，单层厚一般为0.5～5.0m，总厚度60余m。
　　2.中下更新统湖积层（Qp1-2l）
　　在临河区一带的深部有分布，由黄灰色粉砂夹粉砂质黏土组成，底部为浅棕红色泥砾状黏土及灰黄色粉细砂，厚度647m。上与上更新统呈不整合接触，下与新近系上新统呈不整合接触。
　　3.中更新统冲洪积层（Qp2alp）
　　在磴口县的纳林陶亥镇西II级阶地上，岩性如下：上部为砂质黏土、中细砂和砂砾石互层；中部为卵砾石、砾石夹黏质砂土；下部为中细砂、砂砾石夹黏质砂土；底部为卵砾石。砾石成分为石英岩、花岗岩、石英砂岩、灰岩等。分选差，磨圆呈次棱角状。砂的成分以石英、长石为主，见少量的暗色矿物，砂层结构松散，厚度大于56.8m。
　　4.中更新统冲湖积层（Qp2lal）
　　在磴口县为湖滨三角洲相沉积，大部分被风成砂覆盖，仅在黄河II级阶地的陡坎上和风蚀洼地内有零星出露。岩性为灰黄色、灰褐色砂砾石、中细砂与砂质黏土、黏质砂土交互沉积。厚度为171m。
　　5.上更新统冲积层（Qp3al）
　　分布在磴口县一带黄河I级阶地上，岩性为砂砾石、中细砂、砂质黏土、黏质砂土、砾石，成分为片麻岩、石英岩、花岗岩。表层为砂质黏土，厚1～2m，具明显的二元结构。厚度为40.7m。
　　6.全新统
　　在盆地内主要为河湖相和河流相沉积物，在盆地边缘则为冲洪积相沉积物（邓金宪等，2007）。主要的成因类型如下。
　　（1）全新统风成砂（Qheol-s）：分布在黄河南岸库布齐沙漠和河套平原西部乌兰布和沙漠东部边缘，在盆地内部黄河故道沿岸地带有零星分布。岩性为淡黄色细砂，松散，分选差，呈新月形或垅岗形，为半移动沙丘，厚度0.5～15m。根据岩性分析，沙源为本地白垩系岩层风化之产物；托克托县一带分布于黄河以西，构成流动沙丘；临河区一带主要分布在杭锦后旗南、临河区东北，主要由石英、长石及黑色碎屑组成，为松散砂层；磴口县一带主要分布于黄河东岸、库布齐沙漠西部和乌兰布和沙漠，为淡黄色、黄褐色、砖红色中细砂，结构分散，分选良好。
　　（2）全新统冲积细砂、砂砾石层（Qhal）：主要分布在黄河两岸，为冲积细砂、粉砂及砂砾石。
　　（3）全新统湖积层（Qhl）：主要分布在乌梁素海一带及五原县北，为一套湖相沉积的灰色砂质黏土层，黏土中含碱、盐等物；和林格尔县一带仅出露4km2左右，由淤泥组成；磴口县北西一带面积约30km2，为灰色、灰黑色和灰褐色淤泥、砂质黏土及砂土，含有机质和盐量较高。
　　1.2.3主要构造
　　河套平原在地质构造上属于华北地台鄂尔多斯台向斜的一部分，是一个形成于侏罗纪晚期的中新生代断陷盆地（张永谦等，2013）。盆地大地构造位置处于阴山隆起、伊盟隆起及贺兰山、桌子山台褶带之间。划分为3隆4拗7个次级构造单元，自西向东为吉兰泰拗陷、磴口隆起、临河拗陷、乌拉山隆起、乌前拗陷、包头隆起、呼和拗陷，基底埋深3000～16300m，见图1-3。研究区所属构造单元为河套断陷带、鄂尔多斯周缘断裂系北部，在周缘断陷带中规模*大，且构造活动较为强烈。盆地基底为前寒武纪变质岩，上覆下白垩统，缺少新生界古新统和始新统，但渐新统及其以上地层发育较为连续，并且沉积厚度较大，岩相和沉积厚度变化很大。
　　图1-3河套盆地构造单元划分

目录
第1章研究区概况1
1.1自然地理2
1.1.1地理交通2
1.1.2气候与水文2
1.1.3土壤类型与植被3
1.2地质概况4
1.2.1地形地貌4
1.2.2地层岩性4
1.2.3主要构造6
1.3水文地质条件7
1.3.1区域地下水系统7
1.3.2含水层系统及结构特征8
1.3.3地下水补径排特征9
1.4土壤盐渍化现状10
参考文献11
第2章盐渍化土壤季节性变化规律及影响因素13
2.1数据获取及处理14
2.1.1遥感数据预处理14
2.1.2遥感影像解译标志15
2.1.3土地利用类型分类方法与变化检测16
2.1.4景观格局指数17
2.2春季盐渍化土地总体特征18
2.3春季土壤盐渍化的迁移及影响因素21
2.4夏季和秋季盐渍化分布特征及其影响因素23
2.5本章小结28
参考文献29
第3章土壤盐渍化长时序演化规律与成因31
3.1数据源及数据预处理32
3.2遥感数据预处理及指数计算32
3.2.1水体指数33
3.2.2植被指数34
3.2.3土壤指数35
3.2.4盐渍化指数36
3.3遥感解译方法37
3.4土壤盐渍化变化规律38
3.5本章小结48
参考文献49
第4章盐渍化土壤含盐量三维遥感反演51
4.1数据获取及处理52
4.1.1地面数据采集52
4.1.2高光谱遥感影像的获取与预处理52
4.1.3土壤盐分含量测定54
4.1.4土壤高光谱曲线预处理55
4.2盐渍化土壤光谱特征分析56
4.2.1光谱曲线变换56
4.2.2不同形式光谱曲线与土壤盐分含量的相关性58
4.3不同深度土壤含盐量反演59
4.3.1特征波段筛选59
4.3.2敏感光谱指数构建62
4.3.3土壤含盐量反演模型建立与验证64
4.4土壤含盐量空间分布特征及影响因素66
4.4.1土壤含盐量盐渍化程度及分布规律66
4.4.2主要影响因素定量分析70
4.4.3盐分离子分布特征73
4.5本章小结75
参考文献76
第5章土壤盐渍化分异性及成因79
5.1土壤盐渍化程度和分布特征80
5.1.1样品采集和测试80
5.1.2盐渍化程度81
5.1.3盐渍化空间分布特征84
5.2盐渍化类型及主要贡献离子86
5.2.1盐渍土类型86
5.2.2主要贡献离子87
5.3土壤盐渍化成因分析89
5.3.1地下水位及地下水含盐量89
5.3.2农业灌溉91
5.4土壤盐渍化成因模型92
5.5本章小结93
参考文献93
第6章河套灌区浅层地下水咸化机制95
6.1地下水水化学特征及空间分布96
6.1.1地下水水化学特征96
6.1.2水化学组分空间分布98
6.2地下水补给来源及蒸发作用101
6.2.1地下水补给101
6.2.2蒸发与蒸腾作用101
6.3地下水水化学组分来源及影响因素104
6.3.1主要水-岩作用过程104
6.3.2水化学演化影响因素106
6.4本章小结108
参考文献109
第7章非饱和带-饱和带水化学动态变化特征111
7.1田间监测试验场112
7.2非饱和带沉积物性质及地下水位变化114
7.2.1沉积物性质114
7.2.2地下水位变化116
7.3非饱和带水盐垂向演化趋势117
7.3.1孔隙水化学特征及演化趋势117
7.3.2盐分垂向分布特征119
7.3.3盐分运移及对饱和带的影响120
7.4饱和带水化学演化过程124
7.4.1pH和TDS变化124
7.4.2水化学演化特征127
7.5本章小结129
参考文献130
第8章灌溉对非饱和带-饱和带水盐运移的影响133
8.1灌溉条件下非饱和带-饱和带盐分运移规律134
8.1.1非饱和带孔隙水盐分运移134
8.1.2浅层地下水盐分响应135
8.2灌溉过程中非饱和带-饱和带水化学形成与演化136
8.2.1水化学特征及演化过程136
8.2.2水-岩作用过程139
8.3本章小结141
参考文献142
第9章非饱和带-饱和带灌溉过程水盐运移模拟143
9.1数值模型构建144
9.1.1软件和数值模型选取144
9.1.2模拟场地和土壤层背景145
9.1.3水力参数与溶质运移参数选取146
9.1.4边界条件选取146
9.1.5模型验证147
9.2不同灌溉强度对水盐运移的影响147
9.2.1对土壤含水率的影响148
9.2.2对土壤全盐量的影响150
9.3不同灌溉方式对水盐运移的影响152
9.3.1对土壤含水率的影响152
9.3.2对土壤全盐量的影响153
9.4黏粒垂向分布差异对灌溉过程水盐运移的影响154
9.4.1黏粒垂向分布差异对含水率的影响154
9.4.2黏粒垂向分布差异对土壤全盐量的影响156
9.5本章小结158
参考文献158
第10章碎石屏障盐渍化土壤改良技术161
10.1材料与方法162
10.1.1室内试验162
10.1.2小区试验163
10.2不同粒径碎石屏障对土壤水盐分布的影响165
10.3田间试验修复效果分析166
10.3.1土壤pH166
10.3.2土壤电导率167
10.3.3土壤碱化度168
10.3.4土壤盐基离子和SAR170
10.3.5土壤CEC171
10.4碎石屏障改良技术原理173
10.5本章小结175
参考文献176
第11章盐渍化土壤碎石屏障与浅井联用改良179
11.1研究方法180
11.2不同工艺的改良效果183
11.2.1对土壤pH的影响183
11.2.2对土壤电导率的影响184
11.2.3对土壤碱化度的影响185
11.2.4对土壤盐分离子浓度的影响186
11.3土壤养分变化和牧草长势187
11.3.1土壤碱解氮和有效磷187
11.3.2土壤团聚体和有机碳189
11.3.3对牧草生长的影响191
11.4不同物理改良工艺机理192
11.5本章小结195
参考文献195
第12章盐渍化土壤微藻生物改良197
12.1小球藻的筛选198
12.1.1天然小球藻结皮的采集198
12.1.2小球藻的富集培养198
12.1.3小球藻的分离与纯化198
12.1.4小球藻的鉴定199
12.2小球藻的耐盐性199
12.2.1藻悬液制备199
12.2.2小球藻的盐胁迫处理199
12.2.3盐胁迫对小球藻生长发育的影响200
12.2.4盐胁迫对小球藻胞外聚合物分泌的影响200
12.2.5小球藻对溶液EC和Na+浓度的影响201
12.3人工藻结皮培植及对土壤性质的影响202
12.3.1人工藻结皮的培植202
12.3.2人工藻结皮的生长和生物量特征203
12.3.3对土壤理化性质的影响204
12.3.4对土壤肥力与酶活性的影响207
12.4小球藻耐盐机理与盐渍化土壤改良机制208
12.4.1小球藻的耐盐机理208
12.4.2盐渍化土壤人工藻结皮改良机制209
12.5本章小结210
参考文献210
第13章盐渍化土壤菌藻联用改良213
13.1田间试验214
13.2菌藻联用改良效果215
13.2.1藻结皮生长情况215
13.2.2土壤理化性质变化215
13.2.3土壤肥力变化219
13.2.4牧草长势222
13.3综合改良效果与机理223
13.4本章小结224
参考文献225