冻融作用下地下水浅埋区土壤盐分及离子变化特征

刘 磊， 陈军锋， 吕棚棚， 赵德星， 杜 琦

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024；2.山西省水文水资源勘测总站太谷均衡实验站，山西 太谷 030800）

土壤盐渍化的形成受自然环境和人类活动两者共同影响。我国约有3.6×107hm2的盐渍化土地，占全国可利用土地面积的4.88%［1］。在干旱半干旱地区，降雨少而蒸发强烈，盐分随着水分不断向地表处聚集，季节性冻融循环更是加剧了这一过程［2-3］。已有研究表明，地下水埋深［4-5］、土壤物理特性［6］、灌溉等均会影响土壤剖面盐分的分布。其中，地下水埋深是影响土壤盐渍化的重要影响因素［7-10］，地下水埋深越浅，土壤积盐越严重，二者之间满足指数关系［11-13］。明广辉等［4］分析了非冻期不同地下水埋深下土壤盐分聚集特征。陈乃嘉等［14］认为温度梯度和蒸发作用是冻融作用下影响土壤水盐运移的主要因素。李生伟［15］从盐渍土试验、水盐迁移机理、盐渍土力学性质、治理及改良措施等方面进行了总结。张殿发等［16］认为冻结过程中土壤盐分由下部非冻层向上部冻结层运移。而邱国庆等［17］发现由于冻结锋面附近土壤盐分浓度较高，冻结过程中盐分由冻结层向非冻层运移。张彧等［18］研究发现在冻融过程中土壤盐分在地表及地下1.0～2.5 m范围内会出现2个盐分聚集区域。靳志锋等［19］通过膜下滴灌棉田试验发现消融期土壤水分较为活跃，土壤盐分变化量较大。

土壤盐分是由多种可溶性盐分离子及不溶性盐分组成，冻融过程中土壤可溶性盐分及离子的变化特征对于季节性冻土区土壤盐渍化改善［20-21］、农作物生长［22］及水资源的合理开发利用具有一定的现实意义。本文以地中蒸渗仪系统为试验设备，对冻融期土壤可溶性盐分离子含量进行测定，探寻不同地下水埋深下土壤盐分离子在冻融过程中的分布及变化特征，旨在为干旱半干旱季节性冻土区土壤盐渍化防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省水文水资源勘测总站太谷均衡实验站，地理位置为37°26′N、112°30′E，海拔高度777 m，地处太原盆地东部，属暖温带大陆性半干旱季风气候，多年平均（1954—2017 年）气温10.1 ℃，多年平均降水量452.1 mm，多年平均水面蒸发量1627.9 mm，多年平均风速0.9 m·s-1，多年平均相对湿度72%，多年平均冻深34～70 cm。历史最大冻深为92 cm（1960 年）［23］，近5 a 内最大冻深为70 cm（2016 年）。试验期间（2020年11 月15 日至2021年3月15日）气象变化见图1。

图1 试验期间主要气象因子变化Fig.1 Changes of main weather conditions during the experiment

1.2 试验方法

试验于2020 年11 月至2021 年3 月于山西省水文水资源勘测总站太谷均衡实验站进行，试验设备为蒸渗仪系统，土壤为均质砂壤土，具体参数见表1，地下水埋深分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m。根据前人的划分依据［23-24］及2020—2021年冻融期土壤冻融特征将土壤冻融过程划分为3个阶段：不稳定冻结阶段（2020年11月15日至2020年12月3日）、稳定冻结阶段（2020年12月4日至2021年2 月4 日）和消融解冻阶段（2021 年2 月5 日至2021年3月12日）。为了保证蒸渗仪系统土柱免遭破坏，选取3 个冻融阶段中具有代表性的1 d，取土进行土壤含水率及盐分离子的监测，分别为2020年11月18日（D1）、2021年1月9日（D2）和2021年3月6 日（D3）。监测深度依次为0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm、175 cm、200 cm，其中0.5 m、1.0 m、1.5 m 埋深下最大监测深度分别为50 cm、100 cm、150 cm，2.0 m、2.5 m及3.0 m埋深下最大监测深度为200 cm。

表1 土壤物理特征参数Tab.1 The parameter of soil physical characteristic

2 结果与分析

2.1 土壤剖面盐分离子相关性分析

表2 土壤剖面盐分离子间的相关性Tab.2 Correlation between salt ions in soil profile

2.2 土壤剖面水分变化特征

由图2可见，在冻结过程中，0.5～2.0 m埋深下由于冻结层全部处于最大毛细水的上升范围内，整个土壤剖面土壤含水率均增加；2.5 m及3.0 m埋深下，由于冻结深度未达到最大毛细水的上升高度范围内，水分迁移主要发生在土壤水带及中间带，毛细水变化量很小［26-27］，土壤水分仅在0～40 cm 增加，40～200 cm土壤水分基本保持不变。其中不稳定冻结阶段土壤温度梯度较大，土壤水分运移速率较快，稳定冻结阶段土壤温度梯度减小，土壤水分运移速率减慢［23,27］。因此，在D1-D2过程中，0.5～2.0 m埋深下土壤水分主要在0～40 cm增加。消融解冻阶段冻结层双向融化，地表蒸发强烈，所以D2-D3 过程中0.5～2.0 m 埋深下土壤水分主要由下部冻结层向上部消融锋面0～20 cm 运移，下部冻结层及冻结层下部土壤水分下降；2.5 m 及3.0 m 埋深下土壤水分仅在冻结层0～30 cm增加，在30～200 cm水分进行了重分布。

图2 冻融作用下不同地下水埋深下土壤含水率垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil water content under different groundwater depths during freezethaw period

2.3 冻融作用下土壤盐分离子变化特征

图3 冻融作用下不同地下水埋深下5个离子垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of the five irons under different groundwater depths during freeze-thaw period

2.4 冻融作用下土壤含盐量变化特征

图4 为冻融作用下土壤含盐量垂向分布特征，在不稳定冻结阶段至稳定冻结阶段（D1-D2），0.5 m埋深下土壤含盐量在冻结作用下进行了重分布，主要由中间冻结层5～35 cm向上部地表0～5 cm及下部35～50 cm 运移；1 m 埋深下土壤含盐量主要在0～60 cm 冻结层增加，下部70～100 cm 非冻层土壤含盐量基本保持不变；1.5 m、2.0 m及2.5 m埋深下，整个垂向剖面土壤含盐量不断增加，但土壤含盐量变化值增加量随地下水埋深增加逐渐变小；3.0 m埋深下土壤含盐量基本保持不变。在稳定冻结阶段至消融解冻阶段（D2-D3），随着冻结层的消融以及强烈的土壤蒸发，0.5 m埋深下整个冻结层中土壤含盐量增加；1.0 m 埋深下土壤含盐量仅在上部冻结层0～20 cm增加，其他埋深下基本不发生变化；1.5 m埋深下上部冻结层0～30 cm 中土壤含盐量增加，下部冻结层30～52 cm及下部非冻层55～150 cm土壤含盐量减少；2.0 m、2.5 m埋深下土壤含盐量在上部冻结层0～20 cm 增加，冻结层下部40～120 cm 土壤含盐量减少；3.0 m埋深下土壤含盐量基本保持不变。

图4 冻融作用下不同地下水埋深下土壤含盐量垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil salt content under different groundwater depths during freeze-thaw period

可见，土壤含盐量随着地下水埋深增加逐渐减小，当地下水埋深为3.0 m时，土壤含盐量变化值很小，可认为在冻融过程中当地下水埋深大于3.0 m时土壤含盐量基本不受地下水的影响，仅在剖面上进行重分布。当冻结层深度处于最大毛细水上升高度范围内时，土壤含盐量主要在冻结层积聚；当冻结层深度未达到最大毛细水上升高度范围内时，冻结层对于土壤盐分的运移起着阻碍作用，土壤总盐分含盐量主要积聚在冻结层下部。

3 结论

本文通过冻融期3个不同冻融阶段下地中蒸渗仪中土壤盐分及离子监测试验，分析了冻融期6 种不同地下水埋深下土壤盐分及离子变化特征，得出以下结论：

（3）当冻结层全部处于最大毛细水上升高度范围内时，土壤含盐量在冻结层积聚；当冻结层未达到最大毛细水上升高度范围时，冻结层对土壤盐分运移起阻碍作用，土壤含盐量主要积聚在冻结层下部及地表。

（4）冻结阶段土壤盐分主要由非冻层向冻结层进行运移，消融阶段土壤盐分由消融锋面不断向上向下运移。随着地下水埋深的增加，土壤含盐量增加值逐渐降低，土壤含盐量与地下水埋深呈反比关系。当地下水埋深大于3.0 m 时，土壤含盐量在冻融过程中基本不受地下水影响。