不同条件下土壤控制体中水盐运移规律研究

郭志雯　熊芸羚　梁玉祥

摘要 为了探究气温、风速和湿度对土壤中水盐运移的影响，试验以土壤控制体为研究对象，并在土柱底部设置盐水槽，模拟地下水埋深。以土壤中水盐含量为目标函数，控制不同温度、风速和湿度条件，通过测定土壤中的水盐含量，探讨土壤中的水分、盐分在土壤控制体中的流入、流出以及内积累的机制，分析气温、风速和湿度对土壤水盐运移规律的影响。结果表明：土壤中水分和盐分的运移密切相关。随气温升高，土壤水分蒸发加强，持水能力变弱，含水量下降；温度升高，水分带盐分向上运动通量加大，含盐量增加；且随着土壤深度的增加，气温对含盐量影响变弱；随风速增大，土表水分蒸发加强，水分向上运动推动力较大，盐分被水分带动迁移量增加，土壤的含水量及含盐量增加；随着空气湿度的增加，盐分随水分运移量增大，土壤含盐量不断增加，而含水量则呈现先增大后减小的规律。

关键词 土壤；气温；风速；湿度；水盐运移

中图分类号 S151.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）08-0201-03

Abstract In order to study the water-salt movement rule in soil under different conditions，the subject was focused on the soil control system and saline water was used to simulate groundwater.Taking soil in the soil column as a control system，and the water-salt content of the soil as the objective function，water-salt content of the soil could be measured at different temperatures，humidity and wind speeds.Finally，the influences of air temperature，humidity and wind speed on the movement rule of water-salt in soil could be obtained by discussing the inflow，outflow and accumulation mechanism of water-salt content.The results showed that the salt movement was closely related to the water movement.The evaporation of water increased and water-holding capacity of soil weakened，so the water content declined with the increasing of temperature.Because of the increasing of salt flux with water content，salt content also increased with the increasing of temperature.Besides，the influence of air temperature on salt content was weakened with the depth of soil increasing；With the increasing of wind speed，the evaporation of water in soil surface enhanced and water-salt movement strengthened，so the water and salt contents increased；Moreover，the salt content increased continuously with the increasing of water flux，and the water content increased at first and then decreased，with the increasing of air humidity.

Key words soil；air temperature；wind speed；humidity；water-salt movement

近年来，由于世界人口数不断增加，世界粮食生产形势日益严峻，但越来越多的土地盐碱化。土壤盐碱化在世界范围内广泛存在，尤其存在于干旱半干旱地区，导致农业产量急剧下降。据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，盐碱地分布遍及六大洲30余个国家，总面积约为9.543 8亿hm2，其中约有9 913万hm2在我国[1]。因此，缓解盐碱化现狀，治理盐碱化土地成为我国的当务之急。

研究发现，盐碱地的形成受自然条件、人为条件等多方面因素的影响[2]。盐碱地一旦形成，可能会引发植物的生理干旱、滞缓营养吸收、影响气孔关闭等[3]。盐碱地的有机质含量较少，土壤的肥力低，理化性质差，对作物有害的阴阳离子较多，从而严重影响作物的正常生长。

盐碱地改良是一个较为复杂的综合治理系统工程，包括水利工程措施、化学改良措施、生物改良措施等治理方法[4-9]。

温度作为一个重要的环境气候因子，它的变化对土壤水分运动的影响得到了大量的研究。Gardner[10]根据毛管理论，提出了温度和土壤水势为正相关关系。Haridasan等[11]经过研究表明，土壤水分温度效应取决于土壤水分特性及热效应。Jackson[12]在不同温度下进行了入渗试验，得出温度越高，湿润锋到达设定位置所需要的时间越少的结论。冯宝平[13]经过研究发现，温度与土壤水分运动的湿润锋和累计入渗量为幂函数关系；张富仓等[14]通过对陕西省4种典型土壤持水曲线的温度效应进行定量研究，发现土壤水势温度系数与土壤含水量变化有关。空气湿度和风速能够通过影响水分的蒸发进一步对土壤中水盐运移产生影响，但目前与空气湿度和风速对土壤水盐运移影响相关的研究未见详细研究报告。

研究地气界面两侧温度、湿度和风速变化对土壤中水盐运移规律的影响并对其进行模拟可以为土壤盐碱化的检测、评价、治理等提供一定的理论基础，对盐碱地改良提供理论上的指导[15]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自四川省成都市双流县，质地为壤土，经过拍打、晾晒、研磨、过筛（40目）处理获得试验用土。其粒径分布如表1所示。试验用水为蒸馏水；氯化钠（NaCl）为分析级别（成都科龙化工）。

1.2 试验方法

将土壤放入φ110×3 mm土壤柱中，土柱底部开小孔并用纱布包裹，土壤装填密度为1.2 g/m3。通过红外控制气相温度分别为10、15、20 ℃，通过加湿器控制气相湿度分别为50%、60%、70%，通过风机调节风速分别为0.8、1.2、2.5 m/s。待保温系统稳定后，将土柱悬空放入1.0 m×1.0 m×0.4 m的透明培养箱中（培养箱氯化钠质量分数为9.1%，液体深15 cm），土柱底端与氯化钠液面相连。1 h后，在距氯化钠液面分别为6、9、12、15、18 cm处（模拟距地下水深）分别取样。并迅速称取样湿重后转移至干燥箱中，60 ℃下烘干至质量恒定。

将干土研磨至粉末后，准确称取0.5 g放入离心管中。然后注入10 mL蒸馏水，超声震荡均匀后，以2 000 r/min离心10 min。离心后取上清液用电导仪测其导电率即可。

1.3 数据分析

本试验含水量根据GB 7172-1987测定，土壤含盐量由电导率转换可得[15]，公式如下：

C=α×S

式中，C表示溶液的含盐量（g/L）；α表示含盐量与电导率的比值；S表示溶液的电导率（mS/cm）。

2 结果与分析

2.1 气相温度对土壤水盐运移的影响

控制气相湿度H=70%，风速V=0.8 m/s，选取气相温度T=10、15、20 ℃，测取土柱距氯化钠液面6、9、12、15、18 cm含水量和含盐量，即模拟土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm处的含水量和含盐量，并得到相应的含水率及含盐量变化趋势，结果如图1所示。

由图1a可知，在不同气相温度下，土壤含水量随着距地下水深距离的增加而不断减小。这是由于随着垂直向上距离的增大，土壤水的重力势就越大，地下水运移到高处需要做更多的功。试验前期，水分浓度差较大，水分不断由下部培养箱向上蔓延。试验过程中，距地下水位6 cm（土壤深处）至18 cm（土壤表面）的土壤水分浓度差不断减小，水分向上运动的推动力减小，随着向上移动距离增加，在两方面的因素共同作用下，水分扩散速度逐渐减少。在试验过程中，这种水分浓度差异始终存在。随着温度升高，土壤含水量不断减小，10 ℃条件下土壤含水量最高，20 ℃条件下土壤含水量最低。含水量的积累是毛细作用和蒸发共同作用的结果。温度升高，土壤的水分扩散率增大，水分的持水能力不断减小，水分更容易脱离土壤。水分一部分向上蒸腾，一部分向下渗漏，导致土壤能够保持的水分含量较少，最终表现为土壤含水量减少。

由图1b可知，随着温度升高，土壤含盐量增加。究其原因，随着温度的升高，水分子运动趋于活跃，土表蒸发加快，導致土表水势小，水分浓度差大，从而有较大的水分运移推动力，导致水分带着盐分向上运动的通量较大。在表层的水分蒸发后，盐分留在土壤表面量增加。此外，随着土壤由表面向深处靠近（距地下水距离减小）不同温度下的含盐量差别趋于减小，10 ℃与15 ℃情况下含盐量差异由0.82 g/L减少到0.34 g/L，15 ℃与20 ℃情况下含盐量差异由0.70 g/L减少到0.16 g/L，说明随着土壤深度增加，温度的影响作用变弱。

2.2 风速对土壤水盐运移的影响

控制气相温度T=20 ℃，气相湿度H=60%，选取风速V=0.8、1.2、2.5 m/s，测取土柱距氯化钠液面6、9、12、15、18 cm含水量和含盐量，即模拟土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm处的含水量和含盐量，并得到相应的含水量及含盐量变化趋势，结果如图2所示。

由图2a可知，在不同风速下，土壤含水量均随着距地下水深距离的增加而不断减小，原因同于不同温度条件下含水量变化。同时在入渗过程中，土壤孔隙发生变化，随着水分不断向上运移，部分通道会被封闭，造成入渗率下降。此外，土壤中的气体形成的气泡能够降低土壤的入渗率，所以土壤含水量从深处至表层有下降趋势。随着风速的增大，土壤含水量表现出逐渐增大的趋势，即2.5 m/s>1.2 m/s>0.8 m/s。这是由于风速增大时，土表水分蒸发强烈，土表水势小，导致土壤内部的水分向上运移过程推动力较大，最终表现为土壤的含水量随风速增加而增大。

由图2b可知，土壤含盐量随距地下水距离增加而减少，即含盐量由土壤深处向土壤表层减少。且含盐量随风速增大表现出逐渐增大的趋势，由于风速增大，土表蒸发强烈，土壤内部水分带动盐分向上运移的速率增大，水分于土表处蒸发，相应的盐分被留在土壤中，因此土壤最深处（6 cm）的含盐量最高。同时由于风速为2.5 m/s时，更多的盐分随水分向上运移，导致土壤深处（6 cm）盐分含量相应减小，最终略小于风速为1.2 m/s时的含盐量。

2.3 气相湿度对土壤水盐运移的影响

控制气相温度T=15 ℃，风速V=1.2 m/s条件下，选取气相湿度H=50%、60%、70%，测取土柱距氯化钠液面6、9、12、15、18 cm含水量和含盐量，即模拟土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm处的含水量和含盐量，并得到相应的含水率及含盐量变化趋势，结果如图3所示。

由图3a可知，随着土壤深度的增加，土壤含水量和含盐量均呈现增加的趋势，而土壤含水量随湿度增加呈现先增大后减小的趋势。当空气湿度较小时（50%），土壤中水分不断向空气中蒸发，土壤蒸发量大，水分扩散率增大，导致土壤的含水量降低，因此湿度为50%条件下，土壤含水量较低。在湿度为60%条件下，土表蒸发量减小，土壤表层含水量增加。随着湿度继续增加，蒸发量减小，导致土表水势增大，土壤内部水分向上运移的通量相对60%条件下减小，从地下水中向土壤中运移的水分减少，反而导致湿度为70%时的含水量小于60%时含水量。

由图3b可知，土壤含盐量随湿度增加而增大。土壤的含盐量与土壤中水分的运移密切相关，水分带着盐分沿土壤向上运移，水分于土表或运移过程中蒸发，而盐分却被完全留在土壤中。在3种湿度条件下，70%与60%湿度下土壤水分运移通量较大，从地下水中带来的盐分较多，明显高于湿度为50%条件下的含盐量。然而由于湿度为70%时，土表蒸发量相对60%时减少，水分由底部向上运移的速率略小，从底部带到土表的盐分也较少，因此在接近于土表处（18 cm），两者含盐量相差不大。

3 结论与讨论

（1）在系统中，土壤水分运移的趋势是由下向上运动，培养柱自下而上，土壤的含水量不断减小。随着土壤深度的不断增加，温度对土壤含盐量的影响作用不断减弱。

（2）湿度H=70%，风速V=0.8 m/s条件下，温度升高，土壤的水分扩散率增大，水分的持水能力不断减弱，土壤含水量呈现减小的趋势。温度通过土壤水分的运动间接影响盐分，因此含盐量随着温度的升高而升高。

（3）温度T=20 ℃，湿度H=60%条件下，随着风速的增大，土壤含水量、含盐量均表现出逐渐增大的趋势。

（4）温度T=15 ℃，风速V=1.2 m/s条件下，土壤含水率随湿度增加呈现先增大后减小的趋势，而含盐量随湿度增加呈现增大的趋势。

（5）本试验是在固定地下水埋深的前提下，来研究温度、湿度和风速条件对土壤水盐运移的影响。但是若将试验结果运用于实际中，就需要更加切合实际的试验条件。因此，在以后的研究中，应该重视以下几个方面：一是考虑不同灌溉量、不同灌溉方式对水盐运移的影响。二是研究气候条件对植物生长深度范围内的土壤水盐运移的影响。三是研究温度和土壤深度的关系，并研究土壤温度对土壤水分运移参数的影响。四是研究地下水位变化对土壤盐分的影响。

4 参考文献

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