凍結作用下土壤電導率變化特征的室內試驗研究

杜鑫鈺，陳軍鋒，翟小艷，高旭光，杜 琦

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西省水文水資源勘測局太谷均衡試驗站，山西 晉中 030800)

0 引 言

季節性凍土是一種含冰晶的特殊土水體系[1]。季節性凍融期，土壤凍融過程復雜，主要包括水分相變、水鹽運移與重分布、熱量傳輸以及凍脹等復雜的物理、化學和熱力學過程，且每一過程之間都存在相互耦合的關系[2,3]。土壤電導率能夠反映土壤鹽分、水分、質地結構、有機質含量及pH值等理化性質[4-7]，對土壤質量和生產性能有重要影響。因此，開展凍結作用下土壤電導率影響因素及其變化特征的研究對季節性凍土區農業生產和土壤鹽漬化防治具有重要的指導意義。

目前，學者們從鹽堿土電導率的角度對土壤電導率的影響因素及變化特征進行了研究，土壤電導率與土壤中鹽分、水分、質地結構、有機質含量、土壤壓實度、孔隙率、溫度和植物根系等因素有關，且主要受土壤含鹽量和含水率變化的影響[8-13]。土壤含鹽量與電導率之間呈線性相關性，電導率隨土壤含鹽量的增加而增大[14]。土壤電導率與含水率之間符合冪函數關系，且土壤含鹽量愈高土壤含水率增加對電導率的影響愈為顯著[15]。孫宇瑞[8]利用壤土分析了土壤含水率對土壤電導率的影響，結果表明當土壤含水率變化范圍在15%～30%時，其對電導率影響最為顯著，電導率隨含水率的增加逐漸增加，當含水率超過30%后，電導率不再隨含水率增加而顯著增加。不同土壤中固體顆粒的大小、形狀、空間排列以及由此產生的土壤孔隙大小分布不同，在同一溫度和含水率條件下，土壤電導率隨土壤顆粒減小、黏粒含量的增加而增大[16]。王寧偉[17]等通過對3種不同塑性指數的土樣進行電導率試驗發現，土壤電導率隨塑性指數的增大而增加。施肥量也會影響土壤電導率，不同施氮量對不同鹽漬土電導率變化趨勢影響不同，輕度鹽分土壤中，電導率隨施氮量增加而降低，中度鹽分土壤中，電導率變化趨勢相反[18]。此外，學者們通過電滲試驗研究了溫度[19]、電勢梯度[20]和孔隙水含鹽量[21]對土壤電導率的影響。

可見，現有成果主要是針對非凍結條件下土壤電導率的影響因素及其變化特征的研究。在凍結作用下，土壤液態水發生相變，電導率隨之發生變化。為研究土壤凍結過程中電導率的變化特征，本文對3種質地土壤在3種初始土壤含水率條件下的土壤電導率變化特征進行了研究，探討了土壤凍結過程中土壤液態含水率和土壤質地對土壤電導率變化特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

室內試驗土樣是山西省晉中盆地具有代表性的3種土樣，基本物理參數見表1。室內試驗裝置主要由標準恒溫制冷槽、自制土樣筒及數據自動監測采集系統組成，圖1為標準恒溫制冷槽及自制土樣筒。

表1 試驗土樣基本物理參數

圖1 標準恒溫制冷槽及自制土樣筒

試驗采用上海四瑞儀器有限公司生產的RTS-30A型標準恒溫制冷槽(溫度控制精度為0.01 ℃)進行-30 ℃恒溫凍結(土樣初始溫度20 ℃)，凍結進行380 min時土樣溫度達到-30 ℃，試驗結束。自制土樣筒規格為高300 mm，內徑120 mm的不銹鋼筒，底部焊接密封，上部用中心留有TDR探頭插孔的不銹鋼密封蓋密封。數據自動監測采集系統由北京奧作儀器公司生產的時域反射儀(以下簡稱TDR)和DT80數據采集器組成，TDR測量精度：土壤液態含水率測量精度為0.01%，土壤溫度測量精度為0.1 ℃，電導率測量精度為0.01 dS/m。

1.2 試驗方案

試驗采用裂區設計，主區設置3種土壤質地，分別為1號沙土(S)、2號沙壤土(R)和3號黏土(N)，副區設置3種不同初始含水率，每種土樣的初始含水率均為10%、15%、20%，共9種處理(S10、S15、S20、R10、R15、R20、N10、N15、N20)。

試驗時，土樣按天然容重填裝，自制土樣筒內裝填配制好的試驗土樣高15 cm，裝填完畢后，將土樣筒與中心連有TDR探頭的不銹鋼密封蓋用防水膠黏貼牢固，保證土樣筒處于密封狀態，如圖2所示。為確保土體連續均勻，將密封土柱在室溫條件下靜置24 h后再放入標準恒溫制冷槽內，并倒入工作介質(無水乙醇)，進行土壤凍結試驗。通過TDR傳感器自動監測凍結過程中的土壤液態含水率(M)、土壤電導率(EC)、土壤溫度(T)及時間(Ti)，利用DT80數據采集器進行數據采集，數據采集頻率為20 min/次。

圖2 密封土樣筒

2 結果分析

2.1 土壤液態含水率與土壤電導率變化特征

凍結過程中，3種質地土壤的液態含水率和電導率隨凍結時間的變化曲線分別見圖3和圖4。可見，土壤液態含水率和土壤電導率均隨凍結時間增加逐漸減小，2者變化趨勢均經歷了快速下降(凍結0～120 min)-緩慢下降(凍結120～320 min)-穩定變化(凍結320～380 min)的階段。

圖3 土壤液態含水率隨凍結時間變化曲線

圖4 土壤電導率隨凍結時間變化曲線

凍結過程中土壤溫度、液態含水率和電導率特征值見表2。在3種不同初始土壤含水率條件下，凍結0～120 min土壤液態含水率和電導率均呈快速下降趨勢，此時3種質地土壤溫度降幅分別為24～25.9 ℃、24～25.8 ℃和24～26.5 ℃。凍結負溫一定時，由于黏土平均粒徑較沙壤土和沙土小，土粒表面吸附作用力較強，所以凍結120 min時黏土液態含水率最高，N10、N15和N20處理的液態含水率分別為6.67%、8.39%和10.53%，分別較相同處理下的沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，此時9種處理條件下的土壤電導率降幅為0.62～1.42 dS/m。隨凍結時間增加，土壤中液態含水率和電導率繼續下降，凍結120～320 min兩者均呈緩慢下降趨勢。當凍結時間達到320 min時，9種不同處理條件下的土壤溫度分別降至-24.9～-25.5 ℃，此時土壤液態含水率和電導率均進入穩定變化階段，不同處理條件下的液態含水率降幅低于0.49%，土壤電導率降幅低于0.1 dS/m。由于土顆粒和冰的表面吸附作用導致土壤中水的化學勢降低，土壤中始終存在一部分未凍水，其以薄膜水形式存在于土顆粒與冰之間，因此整個凍結過程中液態含水率均大于0。土壤吸附水含量隨土顆粒粒徑的減小和比表面積的增大而增大，而黏粒顆粒粒徑小，比表面積大，初始土壤含水率相同時，土壤黏粒含量越多，液態含水率越大，因此凍結結束時，黏土液態含水率最大，N10、N15和N20處理的液態含水率分別為2.45%、3.73%、4.47%。

表2 凍結過程中不同處理條件下土壤溫度、液態含水率和電導率特征值

2.2 土壤液態含水率對土壤電導率的影響

由以上分析可知，整個凍結過程中，土壤電導率和液態含水率變化趨勢一致。土壤內部導電方式共有固相表面導電、固-液相串聯耦合導電和大孔隙連續液相導電3種[22,23]，3者不同之處在于土壤中液態含水率的不同，因此在土壤顆粒組成、有機質含量及含鹽量等影響因素一定條件下，土壤電導率受液態含水率影響。由圖3、圖4和表2可知，快速下降階段土壤液態含水率較高，土壤電導率也表現出相對較高的特征，相同質地土壤液態含水率越大，電導率越大，凍結120 min時S20、R20和N20處理的電導率分別為1.46、1.91和2.08 dS/m，較S10、R10和N10處理的電導率分別高0.49、0.74和0.28 dS/m。隨凍結時間增加，土壤溫度逐漸降低，使得土壤中鹽分電離程度減小。導電離子數目減少，此外，凍結作用下，土柱中液態水逐漸相變成冰，離子運動受阻，遷移率降低，導致土壤導電由固相表面導電、固-液相串聯耦合導電和大孔隙連續液相導電3種方式變為主要沿土顆粒表面導電和固-液相串聯耦合導電2種，因此液態含水率降低，電導率也隨之降低。由表2可知，土壤溫度降為-30 ℃時2者均降至最低值，其中黏土電導率降幅最大，N10、N15和N20處理的電導率降幅分別為2.04、2.42和2.47 dS/m，且初始土壤含水率越高，電導率降低值越大，S20、R20和N20處理的電導率降低值分別為2.11、2.50和2.47 dS/m，顯著高于S10、R10和N10處理。

2.3 土壤質地對土壤電導率的影響

圖5為凍結過程中3種初始土壤含水率、不同質地土壤的電導率隨凍結時間的變化曲線。凍結過程中，土壤電導率與土壤質地有密切關系，沙質土壤較黏質土壤含有較多電阻率高的礦物成分，在相同初始土壤含水率和凍結時長條件下，沙性土壤電導率小于黏性土壤電導率；另一方面土顆粒中粉粒和黏粒含量越多，土壤的孔隙越小，而土壤中孔隙液與土顆粒的連通性將越強，使得固相表面導電通路增多，導電性增強。由表2可知，凍結結束時N10、N15和N20處理的土壤電導率最大，分別為0.70、0.77和0.86 dS/m，S10、S15和S20處理的土壤電導率最小，分別為0.41、0.65和0.77 dS/m。凍結過程中，土壤電導率受土壤質地影響，表現為黏土電導率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，土壤電導率越高。

圖5 相同初始含水率條件下不同質地土壤電導率隨凍結時間變化曲線

2.4 土壤液態含水率與土壤電導率的變化關系

凍結過程中，土壤電導率主要受土壤液態含水率和土壤質地的影響，且受土壤液態含水率的影響更大[24]，在同種質地土壤中，電導率隨土壤液態含水率的減小而減小。通過對凍結過程中不同質地土壤在不同土壤液態含水率條件下的電導率數據進行回歸分析，結果表明凍結過程中土壤電導率與土壤液態含水率較好地符合如下對數函數關系：

EC=Aln(M)+B

(1)

式中：EC為土壤電導率，dS/m；M為凍結過程中土壤液態含水率，%；A、B為回歸系數，與土壤質地有關。

圖6為土壤電導率隨土壤液態含水率變化的擬合曲線。對9種不同處理條件下的土壤電導率擬合曲線進行回歸分析，分析結果見表3。在給定顯著性水平α(α=0.05)下，F0.05(p，N-p-1)=F0.05(1，18)=4.41，由方差分析結果可知，F值均大于F0.05(1，18)，且顯著性值均小于0.05，所以方程回歸顯著。對數函數擬合方程的相關系數R2均大于0.910，說明凍結過程中土壤電導率隨土壤液態含水率的變化較好地符合對數函數的關系，且沙壤土擬合效果較好，R2均大于0.945。由表3可以看出，回歸系數A隨土壤顆粒粒徑的減小而增大，表明凍結過程中隨著土壤粒徑的減小，土壤電導率的下降速率隨液態含水率的減小加快；B的絕對值隨土壤粒徑的減小而增大，說明隨著土壤液態含水率的降低，土壤粒徑越小，土壤電導率越大，與表2結果一致。

圖6 不同處理條件下土壤電導率與液態含水率變化擬合曲線

表3 回歸方程顯著性檢驗方差分析結果

3 結 論

(1)凍結作用下，土壤液態含水率和土壤電導率均隨凍結時間增加而減小。凍結120 min時，3種初始土壤含水率條件下，黏土液態含水率分別較沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，且整個凍結過程中9種處理的液態含水率均大于0。凍結過程中，土壤電導率隨土壤液態含水率的降低而減小，土壤溫度降為-30 ℃時，電導率降至最低值，且初始土壤含水率越大，土壤電導率降低值越大。

(2)凍結過程中，土壤電導率受土壤質地影響，表現為黏土電導率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，電導率越高。初始土壤含水率為20%條件下，凍結結束時黏土、沙壤土和沙土電導率分別為0.86、0.80和0.77 dS/m。

(3)凍結作用下土壤液態含水率與土壤電導率滿足對數方程關系，且沙壤土擬合效果較好，R2均大于0.945；模型回歸系數A和B的絕對值與土壤粒徑大小密切相關，均隨土壤平均粒徑的減小而增大。

本研究僅對沙土、沙壤土和黏土3種質地土壤進行了分析，下一步研究將增加土壤質地種類進一步對模型回歸系數A、B與土壤粒徑大小的關系進行定量化研究，以探求土壤粒徑大小對土壤電導率變化特征的影響。