不同條件下土壤控制體中水鹽運移規律研究

郭志雯　熊蕓羚　梁玉祥

摘要 為了探究氣溫、風速和濕度對土壤中水鹽運移的影響，試驗以土壤控制體為研究對象，并在土柱底部設置鹽水槽，模擬地下水埋深。以土壤中水鹽含量為目標函數，控制不同溫度、風速和濕度條件，通過測定土壤中的水鹽含量，探討土壤中的水分、鹽分在土壤控制體中的流入、流出以及內積累的機制，分析氣溫、風速和濕度對土壤水鹽運移規律的影響。結果表明：土壤中水分和鹽分的運移密切相關。隨氣溫升高，土壤水分蒸發加強，持水能力變弱，含水量下降；溫度升高，水分帶鹽分向上運動通量加大，含鹽量增加；且隨著土壤深度的增加，氣溫對含鹽量影響變弱；隨風速增大，土表水分蒸發加強，水分向上運動推動力較大，鹽分被水分帶動遷移量增加，土壤的含水量及含鹽量增加；隨著空氣濕度的增加，鹽分隨水分運移量增大，土壤含鹽量不斷增加，而含水量則呈現先增大后減小的規律。

關鍵詞 土壤；氣溫；風速；濕度；水鹽運移

中圖分類號 S151.9 文獻標識碼 A 文章編號 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

近年來，由于世界人口數不斷增加，世界糧食生產形勢日益嚴峻，但越來越多的土地鹽堿化。土壤鹽堿化在世界范圍內廣泛存在，尤其存在于干旱半干旱地區，導致農業產量急劇下降。據聯合國教科文組織和糧農組織不完全統計，鹽堿地分布遍及六大洲30余個國家，總面積約為9.543 8億hm2，其中約有9 913萬hm2在我國[1]。因此，緩解鹽堿化現狀，治理鹽堿化土地成為我國的當務之急。

研究發現，鹽堿地的形成受自然條件、人為條件等多方面因素的影響[2]。鹽堿地一旦形成，可能會引發植物的生理干旱、滯緩營養吸收、影響氣孔關閉等[3]。鹽堿地的有機質含量較少，土壤的肥力低，理化性質差，對作物有害的陰陽離子較多，從而嚴重影響作物的正常生長。

鹽堿地改良是一個較為復雜的綜合治理系統工程，包括水利工程措施、化學改良措施、生物改良措施等治理方法[4-9]。

溫度作為一個重要的環境氣候因子，它的變化對土壤水分運動的影響得到了大量的研究。Gardner[10]根據毛管理論，提出了溫度和土壤水勢為正相關關系。Haridasan等[11]經過研究表明，土壤水分溫度效應取決于土壤水分特性及熱效應。Jackson[12]在不同溫度下進行了入滲試驗，得出溫度越高，濕潤鋒到達設定位置所需要的時間越少的結論。馮寶平[13]經過研究發現，溫度與土壤水分運動的濕潤鋒和累計入滲量為冪函數關系；張富倉等[14]通過對陜西省4種典型土壤持水曲線的溫度效應進行定量研究，發現土壤水勢溫度系數與土壤含水量變化有關。空氣濕度和風速能夠通過影響水分的蒸發進一步對土壤中水鹽運移產生影響，但目前與空氣濕度和風速對土壤水鹽運移影響相關的研究未見詳細研究報告。

研究地氣界面兩側溫度、濕度和風速變化對土壤中水鹽運移規律的影響并對其進行模擬可以為土壤鹽堿化的檢測、評價、治理等提供一定的理論基礎，對鹽堿地改良提供理論上的指導[15]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自四川省成都市雙流縣，質地為壤土，經過拍打、晾曬、研磨、過篩（40目）處理獲得試驗用土。其粒徑分布如表1所示。試驗用水為蒸餾水；氯化鈉（NaCl）為分析級別（成都科龍化工）。

1.2 試驗方法

將土壤放入φ110×3 mm土壤柱中，土柱底部開小孔并用紗布包裹，土壤裝填密度為1.2 g/m3。通過紅外控制氣相溫度分別為10、15、20 ℃，通過加濕器控制氣相濕度分別為50%、60%、70%，通過風機調節風速分別為0.8、1.2、2.5 m/s。待保溫系統穩定后，將土柱懸空放入1.0 m×1.0 m×0.4 m的透明培養箱中（培養箱氯化鈉質量分數為9.1%，液體深15 cm），土柱底端與氯化鈉液面相連。1 h后，在距氯化鈉液面分別為6、9、12、15、18 cm處（模擬距地下水深）分別取樣。并迅速稱取樣濕重后轉移至干燥箱中，60 ℃下烘干至質量恒定。

將干土研磨至粉末后，準確稱取0.5 g放入離心管中。然后注入10 mL蒸餾水，超聲震蕩均勻后，以2 000 r/min離心10 min。離心后取上清液用電導儀測其導電率即可。

1.3 數據分析

本試驗含水量根據GB 7172-1987測定，土壤含鹽量由電導率轉換可得[15]，公式如下：

C=α×S

式中，C表示溶液的含鹽量（g/L）；α表示含鹽量與電導率的比值；S表示溶液的電導率（mS/cm）。

2 結果與分析

2.1 氣相溫度對土壤水鹽運移的影響

控制氣相濕度H=70%，風速V=0.8 m/s，選取氣相溫度T=10、15、20 ℃，測取土柱距氯化鈉液面6、9、12、15、18 cm含水量和含鹽量，即模擬土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm處的含水量和含鹽量，并得到相應的含水率及含鹽量變化趨勢，結果如圖1所示。

由圖1a可知，在不同氣相溫度下，土壤含水量隨著距地下水深距離的增加而不斷減小。這是由于隨著垂直向上距離的增大，土壤水的重力勢就越大，地下水運移到高處需要做更多的功。試驗前期，水分濃度差較大，水分不斷由下部培養箱向上蔓延。試驗過程中，距地下水位6 cm（土壤深處）至18 cm（土壤表面）的土壤水分濃度差不斷減小，水分向上運動的推動力減小，隨著向上移動距離增加，在兩方面的因素共同作用下，水分擴散速度逐漸減少。在試驗過程中，這種水分濃度差異始終存在。隨著溫度升高，土壤含水量不斷減小，10 ℃條件下土壤含水量最高，20 ℃條件下土壤含水量最低。含水量的積累是毛細作用和蒸發共同作用的結果。溫度升高，土壤的水分擴散率增大，水分的持水能力不斷減小，水分更容易脫離土壤。水分一部分向上蒸騰，一部分向下滲漏，導致土壤能夠保持的水分含量較少，最終表現為土壤含水量減少。

由圖1b可知，隨著溫度升高，土壤含鹽量增加。究其原因，隨著溫度的升高，水分子運動趨于活躍，土表蒸發加快，導致土表水勢小，水分濃度差大，從而有較大的水分運移推動力，導致水分帶著鹽分向上運動的通量較大。在表層的水分蒸發后，鹽分留在土壤表面量增加。此外，隨著土壤由表面向深處靠近（距地下水距離減小）不同溫度下的含鹽量差別趨于減小，10 ℃與15 ℃情況下含鹽量差異由0.82 g/L減少到0.34 g/L，15 ℃與20 ℃情況下含鹽量差異由0.70 g/L減少到0.16 g/L，說明隨著土壤深度增加，溫度的影響作用變弱。

2.2 風速對土壤水鹽運移的影響

控制氣相溫度T=20 ℃，氣相濕度H=60%，選取風速V=0.8、1.2、2.5 m/s，測取土柱距氯化鈉液面6、9、12、15、18 cm含水量和含鹽量，即模擬土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm處的含水量和含鹽量，并得到相應的含水量及含鹽量變化趨勢，結果如圖2所示。

由圖2a可知，在不同風速下，土壤含水量均隨著距地下水深距離的增加而不斷減小，原因同于不同溫度條件下含水量變化。同時在入滲過程中，土壤孔隙發生變化，隨著水分不斷向上運移，部分通道會被封閉，造成入滲率下降。此外，土壤中的氣體形成的氣泡能夠降低土壤的入滲率，所以土壤含水量從深處至表層有下降趨勢。隨著風速的增大，土壤含水量表現出逐漸增大的趨勢，即2.5 m/s>1.2 m/s>0.8 m/s。這是由于風速增大時，土表水分蒸發強烈，土表水勢小，導致土壤內部的水分向上運移過程推動力較大，最終表現為土壤的含水量隨風速增加而增大。

由圖2b可知，土壤含鹽量隨距地下水距離增加而減少，即含鹽量由土壤深處向土壤表層減少。且含鹽量隨風速增大表現出逐漸增大的趨勢，由于風速增大，土表蒸發強烈，土壤內部水分帶動鹽分向上運移的速率增大，水分于土表處蒸發，相應的鹽分被留在土壤中，因此土壤最深處（6 cm）的含鹽量最高。同時由于風速為2.5 m/s時，更多的鹽分隨水分向上運移，導致土壤深處（6 cm）鹽分含量相應減小，最終略小于風速為1.2 m/s時的含鹽量。

2.3 氣相濕度對土壤水鹽運移的影響

控制氣相溫度T=15 ℃，風速V=1.2 m/s條件下，選取氣相濕度H=50%、60%、70%，測取土柱距氯化鈉液面6、9、12、15、18 cm含水量和含鹽量，即模擬土壤距地下水深6、9、12、15、18 cm處的含水量和含鹽量，并得到相應的含水率及含鹽量變化趨勢，結果如圖3所示。

由圖3a可知，隨著土壤深度的增加，土壤含水量和含鹽量均呈現增加的趨勢，而土壤含水量隨濕度增加呈現先增大后減小的趨勢。當空氣濕度較小時（50%），土壤中水分不斷向空氣中蒸發，土壤蒸發量大，水分擴散率增大，導致土壤的含水量降低，因此濕度為50%條件下，土壤含水量較低。在濕度為60%條件下，土表蒸發量減小，土壤表層含水量增加。隨著濕度繼續增加，蒸發量減小，導致土表水勢增大，土壤內部水分向上運移的通量相對60%條件下減小，從地下水中向土壤中運移的水分減少，反而導致濕度為70%時的含水量小于60%時含水量。

由圖3b可知，土壤含鹽量隨濕度增加而增大。土壤的含鹽量與土壤中水分的運移密切相關，水分帶著鹽分沿土壤向上運移，水分于土表或運移過程中蒸發，而鹽分卻被完全留在土壤中。在3種濕度條件下，70%與60%濕度下土壤水分運移通量較大，從地下水中帶來的鹽分較多，明顯高于濕度為50%條件下的含鹽量。然而由于濕度為70%時，土表蒸發量相對60%時減少，水分由底部向上運移的速率略小，從底部帶到土表的鹽分也較少，因此在接近于土表處（18 cm），兩者含鹽量相差不大。

3 結論與討論

（1）在系統中，土壤水分運移的趨勢是由下向上運動，培養柱自下而上，土壤的含水量不斷減小。隨著土壤深度的不斷增加，溫度對土壤含鹽量的影響作用不斷減弱。

（2）濕度H=70%，風速V=0.8 m/s條件下，溫度升高，土壤的水分擴散率增大，水分的持水能力不斷減弱，土壤含水量呈現減小的趨勢。溫度通過土壤水分的運動間接影響鹽分，因此含鹽量隨著溫度的升高而升高。

（3）溫度T=20 ℃，濕度H=60%條件下，隨著風速的增大，土壤含水量、含鹽量均表現出逐漸增大的趨勢。

（4）溫度T=15 ℃，風速V=1.2 m/s條件下，土壤含水率隨濕度增加呈現先增大后減小的趨勢，而含鹽量隨濕度增加呈現增大的趨勢。

（5）本試驗是在固定地下水埋深的前提下，來研究溫度、濕度和風速條件對土壤水鹽運移的影響。但是若將試驗結果運用于實際中，就需要更加切合實際的試驗條件。因此，在以后的研究中，應該重視以下幾個方面：一是考慮不同灌溉量、不同灌溉方式對水鹽運移的影響。二是研究氣候條件對植物生長深度范圍內的土壤水鹽運移的影響。三是研究溫度和土壤深度的關系，并研究土壤溫度對土壤水分運移參數的影響。四是研究地下水位變化對土壤鹽分的影響。

4 參考文獻

[1] 張建鋒.鹽堿地的生態修復研究[J].水土保持研究，2008，15（4）：74-78.

[2] 王豐.鹽堿地的成因初步分析[J].黑龍江水利科技，2012，40（11）：230-231.

[3] 劉建鳳.鹽堿地對樹木的危害及栽植技術：以廊坊市為研究對象[J].中國園藝文摘，2011（4）：81-82.

[4] 時冰.鹽堿地對園林植物的危害及改良措施[J].河北林業科技，2009（增刊1），：61-62.

[5] 李茜，孫兆軍，秦萍.寧夏鹽堿地現狀及改良措施綜述[J].安徽農業科學，2007，35（33）：10808-10810.

[6] 黃寶圣，王義亨.鹽堿地危害探究與改良[J].化學教學，1997（8）：48-49.

[7] 寧虎森，吉小敏，梁繼業，等.牧草對塔里木河上游灌區鹽漬土的適應和改良效應初探[J].草業科學，2010，27（11）：71-76.

[8] 胡明芳，田長彥，趙振勇，等.新疆鹽堿地成因及改良措施研究進展[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2012，40（10）：111-117.

[9] 陶學倡.新疆阿圖什市鹽堿地現狀與改良措施[J].河北農業科學，2010，14（6）：35-37.

[10] GARDNER W R.Solutions of the flow equation for the drying of soils and other porous media[J].Soil Science Society of America Journal，1959-，23（3）：183-187.

[11] HARIDASAN M，JENSEN R D.Effect of temperature on pressure head-water content relationship and conductivity of two soils[J].Soil Science -Society of America Journal，1972，36（5）：703-708.

[12] JACKSON R D.Temperature and soil-water diffusivity relations[J].Soil Science Society of America Journal，1963，27（4）：363-366.

[13] 馮寶平.入滲條件下溫度對土壤水分運動及參數影響的試驗研究[D].西安：西安理工大學，2001.

[14] 張富倉，張一平，張君常.溫度對土壤水分保持影響的研究[J].土壤學報，1997，34（2）：160-169.

[15] 張俊海，王襄平.電導率與含鹽量的定量關系[J].維綸通訊，2009，29（1）：18-20.