季節性凍融土壤鹽分離子組成與凍結層鹽分運移規律研究

崔莉紅，朱 焱，趙天興，楊金忠，伍靖偉

季節性凍融土壤鹽分離子組成與凍結層鹽分運移規律研究

崔莉紅，朱 焱※，趙天興，楊金忠，伍靖偉

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

該文對凍融過程中土壤鹽分離子組成及凍結層鹽分運移規律進行研究，在內蒙古河套灌區永聯試驗站開展了凍融期土壤水鹽及其離子成分監測試驗，分析了凍融期地溫、凍結層深度、地下水埋深與水質、土壤含水率、土壤鹽分及離子組成的變化規律，通過離子相關性分析確定了土壤鹽分運移的主控離子成分和鹽分類型，進一步利用二元水鹽體系相圖探討了凍融期主控鹽分的運移規律。結果表明：凍融期地溫梯度變化主要發生在0～1.0 m范圍土層中，地下水埋深在凍融期變化趨勢為快速增大-緩慢增大-減少，地下水礦化度均值在融化期顯著降低；研究區地下水中變異性最大的離子為Na+、Cl–和SO42–，土壤鹽分運移和擴散是地下水礦化度變化的主要原因；土壤中Na+、Cl–與SO42–與含鹽量相關系數高于0.9，凍融期土壤鹽分濃度變化的主控鹽分類型為氯化鈉和硫酸鈉；凍結層積鹽或者脫鹽取決于土壤鹽分梯度和不同鹽分的共飽和點，研究區最大氯化鈉濃度（質量分數1.55%）和最大硫酸鈉濃度（2.01%）均低于各自的共飽和點，當凍結前土壤溶液濃度梯度為正（從上到下濃度增大）時，凍結層易積鹽，反之凍結層主要表現為脫鹽。研究對闡明凍融期凍結層鹽分累積規律的成因具有重要意義。

凍融；離子；土壤；凍結層；水鹽運移；水鹽體系相圖；河套灌區

0 引 言

凍融過程中水鹽運移規律一直是國內外學者的研究熱點[1-3]。對于凍融過程中土壤水分運移規律的研究較多[4-6]，一般認為，在土壤凍結過程中，由于液態水凍結引起土壤負壓梯度增大，導致液態水由溫度高處（暖端）向溫度低處（冷端）運移[7]。目前對土壤凍結過程中鹽分運移規律認識尚不統一。有學者認為凍結時鹽分以對流作用為主，鹽分隨水流由暖端向冷端移動，導致凍結層積鹽[8-10]。然而，研究表明凍結過程中普遍存在著水鹽運移不一致的現象，水分聚集的凍結層中未發生積鹽[11]，反而發生脫鹽[12-15]，在凍結期水分變化不大的情況下出現鹽分聚集的現象[16-17]。因此，有學者認為凍結過程中溶質運移以擴散作用為主，凍結過程中冰多以純凈相析出，溶質會在未凍水中富集[18-19]，導致凍結層溶質濃度增大產生濃度梯度，隨后在濃度梯度的作用下，鹽分向未凍結區移動[20]，造成凍結層脫鹽；若凍結速率過快，鹽分運移不充分或鹽分從溶液中析出，則導致凍結區積鹽[21]。但該理論不能解釋在野外凍結速率相對緩慢時凍結層積鹽現象[12]。對融化期土壤鹽分運移規律認識較為一致，春季返鹽主要由蒸發作用引起[10, 22- 23]。

凍融過程中鹽分的遷移是溫度梯度、濃度梯度、水分對流共同作用的結果[24]，目前對凍融過程中鹽分運移規律的認識多建立在對土壤含鹽量分析的基礎上[25-26]。然而，凍結過程總鹽分遷移隨溶解物類型不同而有所區別[24]。因此，凍融期水鹽運移機理，需從易溶鹽組成的角度進行深入分析，但目前這方面研究較少，主要是分析鹽分變化與離子之間的關系，如羅金明等[16]研究表明，東北蘇打鹽漬土表層鹽分變化主要由HCO3–、CO3–、SO42–、Na+引起；李志華[27]分析了瑪納斯河流域土壤鹽分變化與離子變化的相關性，指出HCO3–、CO3–對鹽分影響最大，而SO42–和Mg2+的影響較小。可見，受到土質、土壤溶液的性質和組成等多因素的影響，不同土壤鹽分變化的離子組成差異較大。但目前的研究，未能對不同離子組成對凍結層鹽分累積規律差異進行分析，因而無法清晰界定凍結層積鹽或脫鹽規律。

為了研究凍融期離子組成與凍結層鹽分累積規律，在內蒙古河套灌區永聯試驗站開展凍融過程中水熱鹽耦合過程與遷移轉化試驗，對凍融期地溫、土壤水鹽、地下水鹽等進行了監測和分析，通過離子相關性分析，確定灌區土壤含鹽量變化的主控離子成分和鹽分類型，進一步通過水鹽體系相圖將水熱鹽作為有機整體，分析不同溫度下水和鹽分不同相態（固態和液態）變化的關系，探討凍融過程中凍結層水鹽運移不一致現象的原因。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本次野外監測試驗在內蒙古河套灌區永聯試驗基地300 hm2試驗田（41°08￠062N，108°06￠182E）進行。試驗區南北長510 m，東西寬410 m，總面積22.2 hm2，研究區如圖1所示。研究區土壤從11月中下旬開始凍結，到次年4月中下旬融通，封凍時間長達160 d，土壤最大凍結深度在1～1.3 m之間。為儲水保墑和淋洗鹽分，通常在10月中旬—11月中旬進行大范圍漫灌（秋澆）。因此，該區封凍前地下水位較高，地下水埋深在0.5～1.5 m之間。試驗區外圍由渠道圈閉，東側為灌水支渠，西側為排水分干溝，南北兩側均為排水斗溝。試驗區田間設有5眼地下水監測井，呈十字形分布，編號依次為A#、C#、E#、G#、H#。研究區土壤以壤土、粉壤土、粉土和砂土為主，含黏土夾層，土壤平均容重為1.64 g/cm3。

圖1 監測井位置分布圖

本次監測開展于2017年—2018年凍融期，監測內容包括地溫、凍結深度、地下水埋深與水質、土壤含水率與含鹽量。地溫監測深度依次為0.1、0.3、0.5、0.7、1.1、1.3、1.5、1.7和2.0 m，讀數時間間隔為2 h。土壤從2017年11月末開始封凍，到2018年4月中下旬完全融通。凍融期共進行了4次取樣，取樣時間依次為2017年12月6日、2018年2月4日、2018年3月12日、2018年4月13日。土樣最大取樣深度為2.0 m，0～0.6 m內取樣間隔為0.1 m，0.6～2.0 m內取樣間隔為0.2 m。每次在各監測井附近10 m內以構成邊長不超過1 m的等邊三角形的3個頂點作為取樣點。土壤水鹽及易溶鹽離子組成，以3個鉆孔的均值作為土壤分析數據。

1.2 測試方法

根據《GB/T 50123-1999 土工試驗方法標準》[28]，土壤含水率采用烘干法測定，在取樣后24 h之內測試。采用土水質量比為1:5浸提法測試土壤鹽分，包括pH、含鹽量和常規離子（Ca2+、Mg2+、Na+、CO3–、HCO3–、Cl–、SO42–）含量。CO3–、HCO3–濃度采用酸堿滴定法測量，Ca2+、Mg2+和SO42–濃度采用EDTA滴定法測量，Cl–濃度測定用硝酸銀滴定法。Na+濃度根據電荷平衡計算得到。地下水埋深采用測繩測量，地下水水化學測試工作在取樣后48 h完成。地下水中主要離子的測試方法與土樣鹽分各離子的測試方法相同。凍結深度為含冰土層所在的最大埋深。

利用浸提法測得的土壤干土含鹽量和對應的含水率，可計算對應的土壤水鹽體系中鹽分含量SW（%），計算公式如下：

SW=/(+)′100%（1）

式中為干土含鹽量，g/100 g；為土壤含水率，g/100 g。

1.3 水鹽體系相圖

本文采用二元水鹽體系相圖分析不同溫度下水和鹽分不同相態（固態和液態）變化的關系，水鹽體系相圖是以集合圖形表示水和鹽組成體系，在穩定平衡和介穩平衡條件下，相的數目、種類、組成、存在條件和各相間濃度的關系[29]。水鹽體系相圖反映了水熱鹽的統一變化關系。圖2為簡單二元水鹽體系相圖示意圖。圖中，左縱軸表示純水一元體系，點的溫度為水的冰點（0℃）。右縱軸表示鹽分的一元體系，點的溫度為鹽分固液共存狀態的溫度，稱為熔點。點表示與冰和鹽分2個固相平衡的飽和溶液，稱為共飽和點。

注：A、B分別表示水的冰點、鹽分的熔點；C、D為三相線與縱坐標軸的交點；SW為鹽和純水二元體系中鹽的質量分數，數值上等于鹽離子質量與鹽水質量和的比值；TE、SE分別為共飽和點E對應的溫度和SW。

2 結果與分析

2.1 地溫與凍結層的變化規律

監測期不同深度地溫及凍結深度隨時間變化如圖3所示。埋深大于1.3 m后未出現負溫，最大凍結深度為0.96 m。最大凍深出現后凍結層開始雙向融化，到2018年4月中下旬土壤完全融通，融通深度約為0.7 m。以最大凍結深度的變化為依據，將凍融期劃分為：快速凍結期（2017年12月6日—2018年2月4日）、慢速凍結期（2018年2月4日—2018年3月12日）和融化期（2018年3月12日—2018年4月13日）。不同時期，地溫梯度變化不同，且主要在0～1.0 m內變化：快速凍結期，地溫梯度為正（溫度隨深度增大）且基本不變；慢速凍結期，地溫梯度減小并在時段末轉為負值（溫度隨深度減小）；融化期末，地溫梯度繼續減小。1.0 m以下土壤溫度梯度基本不變。

2.2 地下水埋深與水質變化

不同觀測井地下水埋深與礦化度變化見圖4。地下水埋深在0.85～2.18 m之間變動，凍融期地下水埋深為快速增大-緩慢增大-減小，與最大凍結深度的變化趨勢相同。不同監測井地下水埋深有所不同，其中G#地勢最低，地下水埋深最小。位于排水溝附近的E#，凍結初期受側向徑流的影響，變幅最低。其余井埋深變化差異不大。地下水礦化度在0.78～2.88 g/L變動，平均值為1.76 g/L，為微咸水。雖然凍結期5眼井的平均地下水礦化度在數值上有波動，但無顯著性差異。受凍結層融化水稀釋作用的影響，融化期平均地下水礦化度顯著下降（<0.05）。

圖3 凍融期地溫、凍結層深度變化特征及地溫剖面分布圖

圖4 凍融期不同監測井（A#~H#）地下水埋深與礦化度變化

2.3 土壤水鹽變化規律

凍融期土壤含水率和含鹽量剖面如圖5所示。快速凍結期（2017年12月6日—2018年2月4日），平均最大凍結深度為0.84 m，不同監測井凍結層含水率增加（如圖5a~圖5e所示）。A#附近土壤凍融作用下水分重分布特性顯著，凍結鋒面前后含水率差異顯著。其次為E#和G#，在凍結深度增長段（0.3～1.0 m）含水率增加顯著，含水率最大增幅在增長段上部；C#、H#凍結層含水率的增幅最低。慢速凍結期（2018年2月4日—2018年3月12日），平均凍結深度緩慢增加到0.96 m，不同監測井的含水率剖面基本不變。融化期（2018年3月12日～2018年4月13日），G#在凍結期地下水埋深最淺（圖4），最大凍結深度為0.8 m，在2018年4月13日完全融通。其余監測井附近土壤凍結期地下水埋深大，最大凍結深度較大（均大于0.9 m），取樣時仍有0.1～0.2 m厚的含冰層，深度在0.7～1.0 m之間。受蒸發影響，各井附近融通深度以上土壤含水率顯著降低，融通深度以下含水率增加。

凍融期土壤含鹽量與含水率的變化存在不一致的情況，如圖5f~圖5j。在凍結層含水率均有明顯增加的快速凍結期（2017年12月6日—2018年2月4日），H#附近0～0.3 m含鹽量顯著下降，A#雖然在0.3 m處含鹽量顯著增加，但凍結層（0～1.0 m）的平均含鹽量由0.49 %降低到0.42 %，整體上凍結層脫鹽。凍結層含水率基本不發生變化的慢速凍結期（2018年2月4日—2018年3月12日），H#附近土壤0.6～1.2 m深度范圍內平均含鹽量由0.24 %上升到0.29 %，輕微積鹽。C#、E#和G#含鹽量在整個凍融期內土壤含鹽量基本未發生變化。凍融期水鹽運移不一致的原因將在2.6小節論述。

注：圖中標注1～4凍結層的長度分別表示2017年12月6日、2018年2月4日、2018年3月12日和2018年4月13日凍結層的垂向分布范圍。

2.4 地下水水化學與土壤易溶鹽組成

表1為不同時期地下水中離子濃度均值。凍融期地下水水化學類型基本不變，為Cl-HCO3-SO4-Na-Mg型水。從地下水水化學平均組成來看，凍融期Cl-、SO42–、Ca2+和Mg2+均未發生顯著變化，而Na+與HCO3–在融化期均值顯著下降，與礦化度變化規律一致。

表1 凍融期地下水中離子濃度統計結果

注：C，變異系數。同列不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note:C, coefficient of variation. Values followed by different letter are significant at 0.05 level.

從離子濃度的時空變異性來看（表1），不同離子的時間變異性不高，其中僅Na+和Cl–變異系數達到10%以上。不同離子的空間變異性均明顯高于時間變異性，其中Na+、Cl–和SO42–空間變異系數達到30 %以上。雖然SO42–在凍融期均值變化不顯著，但其時空變異系數均明顯高于HCO3–。綜上，地下水中變化最活躍的離子是Na+、Cl–和SO42–。

凍融期不同深度土壤含鹽量及易溶鹽離子組成變化如表2所示。監測結果表明，不同深度離子均值變化與土壤含鹽量均值變化并不完全同步，埋深1.0 m范圍內，各深度土壤含鹽量均值在凍融期變化不顯著，HCO3–均值在0.2、0.6、1.0 m埋深處發生顯著變化。0.6 m埋深處Ca2+和HCO3–均值在快速凍結期均顯著下降。1.0 m埋深處SO42–均值在慢速凍結期顯著上升而在融化期下降。1.6 m 埋深處土壤含鹽量均值在快速凍結期顯著下降，隨后基本不發生變化，而HCO3–均值在凍融期的3個階段呈現出下降-穩定-上升的變化規律。可見，整體上凍融期間土壤中離子變化規律十分復雜。1.0 m范圍內不同監測井附近總含鹽量與離子含量見表3。根據鹽漬土分類標準[30]，A#附近土壤為硫酸鹽-氯化物型中度鹽化土；H#附近土壤分為氯化物-硫酸鹽型輕度鹽化土；C#、E#、G#土壤為氯化物-蘇打型輕度鹽化土。為敘述方便，以上3種類型的鹽化土在下文中依次簡稱為中度鹽化土、輕度鹽化Ⅰ型土和輕度鹽化Ⅱ型土。

表2 凍融期5個監測井附近土壤剖面離子組成統計

表3 監測井附近1.0 m范圍內土壤離子含量對比

2.5 土壤鹽分相關性分析及主控離子成分

土壤含鹽量與各離子之間相關關系見表4。Na+、Cl–、SO42–、Ca2+和Mg2+與含鹽量相關性極強，相關系數達到0.8以上（<0.01）；HCO3–與含鹽量的相關性較強，相關系數為0.682（<0.01）。Ca2+和Mg2+雖然與含鹽量相關性較高，由表3可知，二者含量的總和僅占全鹽量的1%，因而并非是引起含鹽量變化的主要原因。Na+、Cl–與SO42–除與含鹽量相關系數高于0.9以外，這3種離子之間的相關性均高于0.9（<0.01），說明3種離子變化與對應鹽分變化相關性強。因此，凍融期土壤鹽分變化的主控離子成分是Na+、Cl–與SO42–，對應的鹽分為氯化鈉和硫酸鈉。

表4 研究區土壤含鹽量與各離子相關關系分析

注（Note）：<0.01。

2.6 基于二元水鹽體系相圖的凍融期土壤鹽分運移規律分析

基于二元水鹽體系相圖分析土壤降溫條件中鹽分變化過程（圖6）。若有特征長度土柱，初始時刻溫度為1，鹽分分布均勻。共飽和點SW為S，。若土柱溫度下降，頂部溫度降低到2，底部仍為1且假設土柱內溫度呈線性分布，相變溫度為T（介于1和2之間）。熱力學平衡時，土柱內各點水鹽的相態關系滿足二元水鹽體系相圖（如圖6a所示），若初始含量為1（<S）時，溫度低于T處的土壤溶液含量與溫度滿足AE曲線，溫度越低，土壤溶液含量越高，冰析出越多。若初始SW為2（>S）時，溫度低于T處的土壤溶液含量與溫度滿足曲線，溫度越低，土壤溶液含量低，鹽分析出越多。

由于水鹽達到平衡需要時間，因此適用于地溫變化緩慢的情況，本研究區表層地溫在快速凍結期和慢速凍結期的變化率分別為-0.11和0.22 ℃/d，深層地溫的變化更為遲緩，水熱鹽均衡相對更容易達到。因此可用水鹽體系相圖分析凍融過程中鹽分的變化。現以實測資料土壤鹽分運移的主要成分氯化鈉和硫酸鈉作為對象進行分析。觀測資料顯示，土壤溶液中氯化鈉質量分數最大值為1.55%，硫酸鈉為2.01%，均低于各自對應的共飽和點，如圖6b所示。在凍結過程中，土壤中鹽分的變化趨勢與初始1<S情況相同：凍結層先結冰，鹽分在凍結層溶液中含量升高，鹽分由低溫端向高溫端擴散，向未凍結區排鹽，凍結層脫鹽。鹽分擴散后，凍結層土壤溶液含量降低，溫度不變時，凍結層再次結冰，而后繼續排鹽。上述過程持續進行，凍結層內鹽分排出形成冰透鏡體。注意到，硫酸鈉的共飽和點溫度僅為-1.2 ℃，監測期地表最低溫為-8 ℃，因而硫酸鈉很可能在凍結過程析出溶液，而氯化鈉共飽和點溫度為-21.2 ℃，凍融期氯化鈉將始終存在于土壤溶液中。因此凍土中氯化鈉的遷移性高于硫酸鈉。

上述分析中僅考慮溫度的影響，并未考慮水分的運移的影響。現以溫度為2處的土壤為例，均衡時土壤SW為3（如圖6a所示），當土壤繼續凍結，液態含水率下降，在負壓梯度下下層水分攜帶鹽分由暖端進入，若流入的溶液含量小于3時，則土壤溶液被稀釋，在負溫作用下，冰再次析出，此時土壤溶液含量依然高于流入方向，在濃度梯度作用下鹽分向暖端運移，如此，凍結層中的含鹽量不一定增加，可能出現脫鹽。而當流入的溶液含量大于3時，土壤溶液含量升高，進入不飽和區，含鹽量增加，若均衡時土壤含量為4，溶液析出鹽分，溶質勢降低，若析出鹽分為結晶水合物，則液態含水率下降，水分攜帶鹽分由暖端進入，若流入的溶液含量低于4，則土壤溶液被稀釋，進入不飽和區，含鹽量增加，若大于4，則土壤溶液含量升高，進入結晶區，鹽分繼續析出，含鹽量增加。由此可進一步分析快速凍結期、慢速凍結期凍結層鹽分變化規律。下文取A#、H#、G#附近土壤依次代表中度鹽化土、輕度鹽化Ⅰ型、輕度鹽化Ⅱ型3種鹽化類型進行分析。

注：T1、T2分別為降溫過程始、末溫度，℃；Tf為水的凍結溫度，0 ℃；S1為土壤溶液的起始SW；S2為溫度為T1時飽和溶液的SW；SE為共飽和點E對應的溶液SW；S3和S4分別為非飽和溶液SW低于和高于SE條件下，溫度降為T2時飽和溶液的SW。

圖7為二元體系中凍融期3種鹽化土中NaCl和Na2SO4變化對比圖。無冰條件下，鹽分在水鹽體系中的質量分數代表土壤溶液的含量。快速凍結期，地下水位下降迅速，凍結層內含水率增加。根據上文水分流動對土壤鹽分影響的分析，初始時刻土壤濃度含量為正時（含量隨深度增加），鹽分隨水流進入凍結層易發生積鹽。濃度梯度為負時（含量隨深度減小），自上而下的凍結作用增強了鹽分梯度，水流帶入的鹽分會繼續運移，因此凍結層內不一定積鹽，甚至會脫鹽。A#和H#附近土壤在凍結初期（2017年12月6日）2種鹽分的含量梯度在凍結層增長段內（0.2～0.8 m）均為負值，對應的鹽分含量顯著降低，凍結層以下（1.0～1.4 m）氯化鈉含量有增加的趨勢。G#附近土壤凍結層增長段（0.2～0.8 m）氯化鈉質量分數梯度為正（0.028%/m），該深度內含水率增加的同時鹽分含量增加，發生積鹽。由于低溫條件下，硫酸鈉的遷移性低于氯化鈉，且初始時刻硫酸鈉的含量梯度比氯化鈉低，如2017年12月6日A#附近土壤0.5～1.0 m埋深內氯化鈉和硫酸鈉鹽分質量分數梯度分別為-1.76%/m和-1.26%/m。因而凍結層中硫酸鈉變幅低于氯化鈉。

圖7 基于水鹽體系分析凍融期不同鹽化類型土中NaCl和Na2SO4質量分數變化

慢速凍結期凍結層內的水流緩慢，鹽分的運移以擴散為主。由地溫觀測可知，該階段凍結層內溫度梯度逐漸降低，并在階段末（2018年3月12日）凍結層上部溫度梯度向負值轉化。因此，該階段凍結層上部鹽分由自上而下排鹽逐步轉化為積鹽，而凍結層下部則可能出現輕微積鹽或鹽分含量保持不變。監測結果表明，2種輕度鹽化土凍結層（H#：0～1.0 m, G#：0～0.8 m）中NaCl和Na2SO4鹽分含量基本保持不變，A#附近凍結層上部（0～0.3 m）硫酸鈉含量顯著增高。注意到A#附近凍結層上部氯化鈉0.3 m處含量峰于2018年3月12日消失。同期，A#附近田間可見大范圍鹽霜，說明減少的氯化鈉大量累積于地表。A#和H#附近0.6～1.0 m深度含量較階段初（2018年2月4日）有所增加。

融化期，凍結層從兩端開始融化，厚度逐漸降低。受蒸發影響，凍結層上部含水率明顯下降，圖7中可見近地表處含鹽量有升高的趨勢，但如前文圖5所示，各井含鹽量未見顯著增加。融化期末，A#附近土壤含鹽量高，田間出現鹽殼。H#近地表土壤在凍結期脫鹽，剩余井土壤含鹽量低（如表3），因而鹽分表聚現象不明顯。H#附近土壤0.4～0.8 m范圍含水率幾乎不變，而硫酸鈉濃度發生了重分布，04～0.6 m濃度升高，而0.6～0.8 m濃度下降。該階段溫度梯度為負，凍結層上部含冰率降低，液態含水率增加，土壤溶液含鹽量降低，誘導凍結層下部鹽分向上部運移。凍結層下部的融化水淋濾土壤中的鹽分補給地下水，圖7中凍結層下部各監測井土壤含鹽量均有所下降。融化水使礦化度較低的A#地下水礦化度升高，使礦化度較高的其余井內地下水礦化度下降。

3 結 論

本文通過野外試驗對凍融期土壤水鹽、地下水水鹽及鹽分離子組成進行了全面監測，分析了凍融期地溫、土壤水、地下水及土壤/地下水鹽及其離子組成的變化情況。通過相關性分析探討了影響土壤鹽分濃度變化的主控離子和鹽分，通過二元水鹽體系相圖分析了凍融期不同階段主控鹽分的運移規律，對凍結層不同鹽分運移現象的機理進行了闡述。主要結論包括：

1）凍融期地溫梯度變化主要發生在0～1.0 m范圍土層中，凍融期該深度段地溫梯度由正（從上到下地溫升高）變負（從上到下地溫降低）。

2）地下水埋深在凍融期3個階段變化趨勢為快速增大-增大-減少，地下水礦化度變化趨勢為降低-升高-降低。按照含鹽量和離子組成，研究區有3種類型的鹽化土：中度鹽化土（硫酸鹽-氯化物型），輕度鹽化Ⅰ型土（氯化物-硫酸鹽型）和輕度鹽化Ⅱ型土（氯化物-蘇打型），不同鹽化類型土中凍融期均出現水鹽運移不一致的情況。

3）地下水中變異性最大的離子為Na+、Cl–和SO42–，土壤溶液中的濃度高于地下水，地下水鹽分變化主要受到垂向運移作用的影響。

4）土壤中Na+、Cl–與SO42–與含鹽量相關系數高于0.9，且Na+與Cl–、SO42–的相關性均高于0.9，凍融期土壤鹽分濃度變化的主控鹽分類型為氯化鈉和硫酸鈉。

5）根據二元水鹽體系相圖分析，凍結期，當凍結前土壤溶液鹽分含量梯度為正（從上到下濃度增大）時，凍結層易積鹽（G#）；當凍結前土壤溶液鹽分含量梯度為負時，凍結層可能會脫鹽（A#和H#）。融化期，凍結層內地溫梯度為負值，鹽分由凍層下部向上部運移（H#）。

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Soil ion components and soil salts transport in frozen layer in seasonal freezing-thawing areas

Cui Lihong, Zhu Yan※, Zhao Tianxing, Yang Jinzhong, Wu Jingwei

(430072,)

To understand the salt movement mechanism in the freezing-thawing soil and the salt transport in the frozen layer, an experiment is carried out in Yonglian experiment station, Hetao Irrigation District, China. The soil temperature, frozen layer depth, water table depth, groundwater salinity and the ion components, soil water content and soil salinity and its ion components during the freezing-thawing period were observed and measured. The data were analyzed to demonstrate the soil salt transport variations in the soil and groundwater as well as its impact factors. The correlation analysis was implemented to calculate the relationship between the soil content and the ion components and the relationship among those ions, and then to obtain the major ions and major salt composition of the soil soluble salts to control soil salt change. The transport mechanism of soil soluble salts in the freezing-thawing soil was discussed by using the binary phase diagram of water-salt system. The experiment results show that the soil temperature change within the depth of 0-1.0m. There are three stages during the freezing-thawing period in the study area as quickly freezing period (from December 6th, 2017 to February 4th, 2018), slowly freezing period (from February 4th, 2018 to March 12th, 2018) and thawing period (from March 12th, 2018 to April, 13th, 2018). The water table depth showed the change as quick increase-slow increase-decrease in the 3 stages, while the average groundwater salinity significantly decreased. Na+, Cl–and SO42–had the greatest variability among all the 8 ions both in the groundwater. These demonstrated that the ions change in the groundwater was caused by the advection of ions in the soil solute. The correlation coefficients of Na+, Cl–, SO42–with soil salt content were larger than 0.9, and the correlation coefficients among Na+, Cl–, SO42–were larger than 0.9, which showed the major ion components of soil salt were Na+, Cl–and SO42–, and the major soil soluble salts were sodium sulfate and sodium chloride. The soil salt transport in the frozen layer depended on the initial soil salt gradient and co-saturated points of sodium sulfate and sodium chloride. The max mass fractions of sodium sulfate and sodium chloride were 2.01% and 1.55%, smaller than their co-saturated points. In this case, the salt would accumulate in the frozen layer when the initial soil salt gradient was positive (the salt content increase along depth). Otherwise, the soil salt would decrease in the frozen layer. This work is significant important to illustrate the relationship between the ion components with the soil salt change and the salt accumulation mechanism in the frozen layer.

freezing-thawing; ions; soils; frozen layer; water and salt migration; phase diagram of water-salt system; Hetao Irrigation District

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.010

S153.6

A

1002-6819(2019)-10-0075-08

2018-10-02

2019-03-10

國家重點研發計劃（2017YFC0403301）；國家自然科學基金項目（51779178）；內蒙古自治區水利科技重大專項（213-03-99-303002-NSK2017-M1）

崔莉紅，博士生，主要從事凍融土壤水鹽規律與模擬研究。Email：LihongCui@whu. edu.cn

朱 焱，副教授，博士，主要從事飽和-非飽和水流和溶質運移轉化方面的研究。Email：zyan0701@163.com

崔莉紅，朱 焱，趙天興，楊金忠，伍靖偉. 季節性凍融土壤鹽分離子組成與凍結層鹽分運移規律研究[J]. 農業工程學報，2019，35(10)：75－82. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.010 http://www.tcsae.org

Cui Lihong, Zhu Yan, Zhao Tianxing, Yang Jinzhong, Wu Jingwei. Soil ion components and soil salts transport in frozen layer in seasonal freezing-thawing areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 75－82. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.010 http://www.tcsae.org