潜水蒸发条件下土壤盐分运移模拟研究

王 明

（南昌蓝水工程监理有限责任公司，江西 南昌 330029）

0 引言

目前，全球盐碱地面积已达9.54亿hm2[1]，其中我国盐碱地所占面积为9 913万hm2[2]，主要分布在西北、东北、华北和滨海地区[3]。土壤盐碱化作为限制土地资源利用的一个主要障碍，一直以来都是相关学者研究的重点。Feng[4]与石培君等[5]开展了暗管排水条件下农田土壤水盐调控研究；刘娟[6]和唐珧[7]等利用脱硫石膏为改良剂，研究了其对土壤的改良效果；余仕琼[8]与孙佳等[9]研究滨海盐碱地不同种植模式对土壤盐碱地的改良效果；谭军利[10]、史海滨[11]和崔建平[12]等主要通过开展不同灌水量与灌水频次淋洗试验对土壤水盐运移规律进行研究。这些研究多集中在盐碱地的治理机理研究及工程措施方面，而对盐碱地形成机理研究较少，特别是高盐度潜水蒸发机理方面研究较少。

本研究以新疆砂壤土为研究对象，通过建立土壤水盐运移模型，开展不同潜水矿化度与蒸发强度对土壤盐分运移的研究，探究不同潜水矿化度与大气蒸发能力组合条件下的盐分运移机理，以期为土壤盐碱化预防及治理提供一定的科学参考。

1 研究内容与方法

1.1 研究内容

本研究采用数值模拟方法对不同大气蒸发能力与不同潜水矿化度组合条件下土壤盐分运移进行模拟，分析蒸发强度与潜水矿化度对土壤含水率与含盐量的分布情况，探讨潜水位与蒸发强度条件下土壤积盐规律。新疆是我国盐碱化最重的地区，因此本研究土壤采用新疆生产建设兵团第八师121团境内砂壤土，其土壤颗粒成分采用张骜[13]研究中的数据，土壤水力特性参数利用RETC软件拟合得到，具体参数见表1。

本模拟时间跨度为60d，土壤选用纯净土壤，初始含水率为0.15cm3/cm3，潜水埋深为0.5m，据资料显示，第八师所在石河子多年平均日蒸发量为4.1～6.6mm/d，地下水矿化度一般可达5～10g/L，局部地区达到25g/L[14～16]。因此，本次模拟的大气蒸发能力选择为5mm/d、10mm/d，地下水矿化度依次选择为 5g/L、15g/L、25g/L，具体试验设计组合见表2。

表1 土壤水力特性参数

表2 试验设计组合表

1.2 数学模型

1.2.1 Hydrus-1D模型简介

Hydrus-1D是由美国国家盐土改良中心开发的一套用于模拟变饱和多孔介质的水分、溶质、能量运移的数值模型，该模型的水流状态为饱和-非饱和达西水流，忽略空气对土壤水流运动的影响，水流控制方程采用Richards方程，溶质运移方程采用对流-弥散（CED）方程，模型方程求解采用Galerkin线性有限元法。

1.2.2 基本方程

（1）水分运动基本方程

土壤水分运动采用修正的Richards方程描述土壤水分运动：

式中：θ为体积含水率，cm3/cm3；t为时间，d；K（θ）为导水率，cm/d；h 为负压水头，cm；z为坐标，cm；θr为残余含水率，cm3/cm3；θs为饱和含水率，cm3/cm3；θe为有效含水率，cm3/cm3；m，n，α均为经验系数，需通过试验获得；Ks为饱和导水率，cm/d；l为孔隙关联度参数，一般取0.5。

（2）盐分运动基本方程

土壤盐分运动采用一维对流—弥散方程描述土壤盐分运动：

式中：θ为体积含水率，cm3/cm3；t为时间，d；z为坐标，cm；c为溶质浓度，g/cm3；D为水动力弥散系数，cm2/d；q 为水流通量，cm/d；

1.2.3 初始条件与边界条件

（1）水分运动初始条件与边界条件：

初始条件：

上边界条件：

下边界条件：

式中：h0为初始负压水头，cm；qs为地表水分通量，cm/d；hb为下边界负压水头，cm。

（2）盐分运动初始条件与边界条件：

初始条件：

上边界条件：

下边界条件：

式中：c0为初始土壤剖面盐分质量浓度，mg/cm3；cb为下边界盐分质量浓度（一般为地下水盐分浓度），mg/cm3。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤含盐量的影响

图1为不同蒸发历时下各处理土壤剖面的含盐量变化情况。随着蒸发历时的增加，土壤各层含盐量均随之增加。在盐分增加过程中，土壤剖面存在一个明显的分界点（20cm），20cm以上土壤含盐量增加较快，20cm以下土壤含盐量增加较慢。同一潜水矿化度水平，蒸发60d时，E2T1较E1T1、E2T2较E1T2和E2T3较E1T3表层最大土壤含盐量分别多64.32mg/cm3、193.10mg/cm3和321.70mg/cm3，说明减少大气蒸发能力，可以抑制潜水中盐分向土壤耕作层运移。

当潜水矿化度增加时，各层土壤含盐量也随之增加。大气蒸发能力为5mm/d时，E1T1、E1T2与E1T3在蒸发60d时，表层最大土壤含盐量分别为42.08mg/cm3，126.20mg/cm3与 210.40mg/cm3，当大气蒸发能力为10mm/d时，E2T1、E2T2与E2T3在蒸发60d时，表层最大土壤含盐量分别为 106.40mg/cm3，319.30mg/cm3与532.10mg/cm3。可见，当潜水埋深较小时，潜水矿化度的增加会加剧潜水中盐分向表层土壤积聚，并且随着大气蒸发能力的增加土壤盐分向上迁移的速度更快[17]。

图1 各组合的土壤含盐量随时间变化图

2.2 不同处理对土壤累积含盐量的影响

2.2.1 累积蒸发量

图2显示了不同大气蒸发能力下的累积蒸发量随时间变化的过程。由图可以发现，累积蒸发量随着蒸发历时的增加呈增加趋势，E2系列的累积蒸发量高于E1系列。蒸发12d为蒸发的分界点，0～12d内，E1系列和E2系列的土壤实际蒸发强度分别约为4.23mm/d和7.47mm/d；12～60d内，E1系列和E2系列的土壤实际蒸发强度分别约为5.00mm/d和9.41mm/d。说明在实际蒸发过程中，土壤实际蒸发强度并不随大气蒸发能力等比增加，这是由于在蒸发过程中，影响土壤蒸发能力的除大气蒸发能力因素以外，还受土壤毛管水作用，当大气蒸发能力大于毛管水作用时，实际蒸发能力主要受毛管水作用限制[18]。蒸发60d时，E1系列与E2系列的累积蒸发量分布为290.74mm/d与541.42mm/d。

图2 不同大气蒸发能力下累积蒸发量随时间的变化

2.2.2 累积含盐量

不同处理下各土层土壤累积含盐量的变化如图3所示。由于0～20cm土层土壤盐分积聚速率显著高于20～50cm，故分别对其进行分析。由图3发现，各处理的累积含盐量均呈0～20cm高于20～50cm。0～20cm土层土壤累积含盐量在409.53～4 942.02mg/cm3之间，20～50cm土层土壤累积含盐量在180.18～1 318.93mg/cm3之间。其中，0～20cm土层内，不同大气蒸发能力造成的累积含盐量的增加在578.85～2 894.50mg/cm3之间；不同潜水矿化度造成的累积含盐量的增加在1 637.99～3 953.64mg/cm3之间。20～50cm土层内，不同大气蒸发能力造成的累积含盐量的增加在83.592～418.01mg/cm3之间；不同潜水矿化度造成累积含盐量的增加在720.74～1 055.16mg/cm3之间。可见，高潜水位条件下，潜水高矿化度和高大气蒸发能力都会加剧各层土壤累积含盐量的增加，且0～20cm土层内的累积含盐量是20～50cm土层内的1.27～2.75倍。

图3 不同组合下各土层土壤累积含盐量变化图

2.3 累积蒸发量与土壤累积含盐量的关系

图4 土壤累积含盐量随土壤累积蒸发量变化图

图4为土壤累积含盐量随土壤累积蒸发量的变化情况，由图4可以看出，0～20cm土层内和20～50cm土层内相同累积蒸发量条件下，各组合累积含盐量均呈现：E2T3＞E1T3＞E2T2＞E1T2＞E2T1＞E1T1，但在 20～50cm 土层内，E2T3 与 E1T3、E2T2 与 E1T2、E2T1 与E1T1相差较小。可见，在0～20cm土层内，土壤累积含盐量受潜水矿化度与大气蒸发能力影响较大；20～50cm土层内，土壤累积含盐量受潜水矿化度影响较小。这也说明，在作物幼苗期根系较浅时，应尽可能控制大气蒸发能力和高潜水矿化度对其的影响，在作物生长期及其后期，应尽可能降低高矿化度的潜水位，减少其对作物根系的盐渍影响。

通过对各处理的累积蒸发量与累积含盐量数据的拟合，其拟合结果见表3。由表3可以看出，各处理累积蒸发量与0～20cm土层土壤累积含盐量均呈高度正相关；E2T1、E2T2、E2T3 组合累积蒸发量与 20～50cm 土层土壤累积含盐量均呈高度正相关，E1T1、E1T2、E1T3组合累积蒸发量与20～50cm土层土壤累积含盐量均呈中度正相关。即土壤累积蒸发量越大，土壤累积含盐量越大。

3 结论

通过利用新疆盐碱地土壤参数，建立土壤水盐运移模型，研究两种大气蒸发能力与3种潜水矿化度组合条件下的土壤水盐运移规律，主要结论如下：

表3 不同处理累积蒸发量与累积含盐量拟合关系表

（1）不同处理条件下土壤剖面含盐量差异显著，大气蒸发能力越强、潜水矿化度越高，土壤剖面盐分积聚越显著。当潜水矿化度由5g/L增加到25g/L时，在5mm/d和10mm/d的大气蒸发能力条件下，蒸发60d时的表层土壤最大含盐量分别为42.08～210.40mg/cm3和42.08～210.40mg/cm3。

（2）各处理累积蒸发量与0～20cm、20～50cm土层土壤累积含盐量均呈中度及以上正相关，且0～20cm土层内的累积含盐量是20～50cm土层内的1.27～2.75倍。相同累积蒸发量条件下，各处理累积含盐量呈现：E2T3＞E1T3＞E2T2＞E1T2＞E2T1＞E1T1。

（3）在0～20cm土层内，土壤累积含盐量受潜水矿化度与大气蒸发能力影响较大；20～50cm土层内，土壤累积含盐量受潜水矿化度影响较大。在作物幼苗期根系较浅时，应采用覆膜和排水等措施，尽可能控制大气蒸发能力和高潜水矿化度对其的影响；在作物生长期及其后期，应尽可能降低高矿化度的潜水位，减少其对作物根系的盐渍影响。