降雨的持续时间及频率以及天然土体的尺寸对表层粘土盐分浸出的影响模拟

天然土体的尺寸以及模拟降雨的持续时间和频率对表层粘土盐分浸出试验的影响摘要：盐碱粘土骨料试块在三个尺寸范围内被浸出，通过采用各种不同大小，持续时间和频率的模拟降雨事件。

尽管当骨料尺寸增加时降雨方式变得更加有影响力，但是骨料的尺寸，降雨的深度和持续时间对浸出率都有影响。

利用数据可以建立一个简单的经验模型去预测浸出，累计排水量、骨料尺寸大小、降雨的深度和持续时间都是模型的基础。

该模型能够同时精确预测在实验室条件下以及重组后的暴露在冬季降雨条件下的表土盐分的浸出量。

然而，由于干旱引起的土壤表面覆盖层的龟裂，会导致对表层暴露在雨水冲击下的土壤的浸出率估计过高。

如果在大田条件下重组后的盐碱土的浸出率被精确地预测，那么将有必要考虑发生在土壤表面的物理变化。

1. 引言盐碱地中表层土盐分的浸出经常导致明显的膨胀和絮凝，尤其是当这种土壤暴露于纯净水中（阿姆斯壮和汤顿，1992）。

就是因为这种情况，冬季降雨造成英格兰南部与泰晤士河口接壤处大面积土地破坏，以及地下排水装置和耕作农业的持续发展（英格兰和威尔士的土壤调查报告，1986）。

如果表层土的含盐量保持在可以使结构维持在相对稳定的状态这个层面上，耕作农业在如此敏感的土壤中才是可持续的，至少也得在可交换的（游离）钠离子减少到可以接受的程度为止，例如，修正后的钙离子的应用。

在表层土结构中，土壤水分状况以及其流动性会影响盐分的保持（哈里森利兹大学青年学报，1990），但是如果盐分得到有效的控制时，在这样的盐碱地结构中盐分和水分动力的进一步理解将是必须的。

在固定地点上的有关这种土壤的盐分的季节性检测表明被耕作过的土地在冬季盐分被雨水过滤，仅仅在夏季由于毛细管上升，盐浓度才会再一次提高（汤顿等人，1995），然而在大田状况下能够证明这一过程的凭证不足。

实际上，盐碱土中的所有可溶性盐几乎都包含在骨料的毛细孔中，但是实际上是不可渗透的，依据重力作用诱导流动，换句话说即，引流。

盐分的浸出不是取决于盐分从骨料内部到到毛细孔中的扩散，而是水可以在重力作用下排走（汤顿等人，1995；布克和布马，1991）。

对土壤中盐分浸出的影响因素进行了详细研究，尤其关注的是扩散过程的影响和水分运动的影响。

许多研究表明在浸出过程中骨料中保留的盐分在扩散。

最近的模拟方法试图把溶质在静止的孔隙和运动的孔隙内部以及之间的运动合并起来研究，以及考虑到快速分流的影响。

水的流动和溶质的排水系统在西班牙南部的马里斯马斯沼泽的灌溉层下的土壤中被模拟，利用的是水和溶质流动的两域模型，然而实验很少涉及离散的降雨事件，但是，由于结构不稳定等附加问题，被应用在盐碱性土壤中。

在大田条件下，降雨的大小、强度和频率或每次灌溉提供不同的时间目的是对骨料的盐分重新分配。

在某种程度上扩散过程能够阻止盐分的快速流失，从而在浸出过程中降低或阻止絮凝。

如果浸出模拟的很逼真，在不同的降雨模式下表层骨料的盐分扩散的意义和程度同样需要建立模型。

浸出实验在本论文中被提出目的是确定降雨量、持续时间以及频率的重要性，其中粘土骨料的有效直径范围在5—50mm之间，从而确定在实际的降雨体系下扩散的意义。

在表层土壤中，相对应的骨料尺寸范围内，那种免耕操作被应用在翻造过的与泰晤士河口接壤的盐碱粘土上。

2. 材料和方法2.1 土壤取样和制备样本是在胡肯特附近的圣玛丽沼泽的固定性牧场下的土壤提取的。

样本土壤取自wallasea系列重粘土冲积层，大约有60%的粘土，其含量主要由伊利石层或蒙脱石层的任意分配控制。

饱和土壤提取液中的导电性和钠离子的吸收率，分别代表土壤的盐度和碱度，分别是6.7dS/m和17dS/m。

对这种土壤更深层次的研究报告是由阿姆斯壮和汤顿（1992）以及英国和威尔士的土质调查（1986）提供的。

样本是在8月底土壤水分亏缺量最大时从固定性牧场的下方收集的。

在去除腐殖植被层后，0.2米的深度处提取土样，然后将样品储存在一个密闭的容器里准备实验用，其含水量模拟田间持水量（重力的26%）。

这一区域的耕地表层土的结构是这样的，在局部最小耕作方式下产生结块，其直径大小的范围是由几mm到几厘米不等，在他们被制成试块之前，要根据他们的尺寸范围进行筛分（5—10mm，20—30mm，40—50mm），注意要与在耕作之后的田地里观察到的尺寸相一致。

2.2 试块的制备在一个直径137mm高200mm的圆柱体内盛入干容重为850kg/m3的骨料。

这个结果比大田里大约低10%，但是在不造成过度压实的前提下已经达到最大值了。

骨料放在一个覆盖着毛细席子的刚性多孔平台上，为了在平台上施加1Kpa的负压，所以将骨料向下延伸100mm。

这样安排是为了确保及时的清理从试块中浸出的水和阻止上层滞水面的建立。

骨料在任何情况下从田间潮湿状态被浸出。

2.3 模拟降雨试块通过一个自动降雨模拟器把蒸馏水降在表层土壤上来做浸出实验。

该模拟器包括一套毛管直径为1mm的振荡器，其中毛管均匀的插入土壤表面，还有一个提供水的蠕动泵。

模拟器的进一步详情是由阿姆斯壮和汤顿提供的（1992）。

2.4 分析在浸出过程中，吸水率是由称试块的频繁程度和测外加水和排出水的体积的差异决定的。

试块的流出物由一个自动的馏分收集器收集。

为了实验的分析，土壤样本分别在浸出之前和之后被拿出来测饱和土壤溶液提取物中可溶解的盐的含量。

对土壤的提取物和试块的流出物分别进行了溶液的导电性以及阳离子（钠，钙，镁，钾）和氯化物的浓度分析。

2.5 处理方法处理方法涉及到对试件施加不同的降雨条件，对试件中的骨料规定了特定的尺寸范围，平均直径分别为7.5，25和45mm。

在所有情况下，降雨强度都是每小时5mm，降雨总量是350mm，与一个湿润年的冬季的降雨量相匹配。

相同的试块被用在所有的处理方法中。

降雨强度和每次降雨的时间间隔是多样的，在每个单一事件中降雨量分别为5,15和40mm，连续累加应用（也就是说，当降雨强度是每小时5mm时，降70小时就累加到350mm的总降雨量），用不同事件不同时间间隔来研究降雨频率对实验的影响。

三中处理方法分别是：每一天进行一次降雨事件，每三天进行一次降雨事件和连续性降雨事件（注：不存在每天15mm的处理方法）。

除了连续累加降雨之外，降雨量代表了这一区域的降雨经验值。

实验持续的时间是多样的，由仅仅3天连续应用到到210天，间隔为三天单一的5mm的应用下。

这些试块备用的时候都是用塑料薄膜密封的以阻止蒸发散失水分。

3 结果实验是为调查骨料粒径、降雨的持续时间和频率对盐碱粘土浸出实验的影响。

在变量范围内的调查显示，图1分别通过直径为7.5和45mm的骨料说明骨料粒径是最重要的因素。

依此类推，粒径为25mm的骨料的结果是他们两个的中间值。

每一天进行一次降雨事件和每三天进行一次降雨事件的效果进行对比结果产生了前后矛盾的模式。

对于40mm的降雨事件，提高事件之间的间隔时间将会提高盐分在大尺寸骨料介质中的浸出，但在小粒径骨料中结果恰恰相反。

对于5mm的降雨事件，从一天降雨事件到三天降雨事件降低事件之间的间隔时间，提高了盐分在小粒径骨料中的浸出，相反在大粒径中减少，但对于中间粒径的骨料没有明显的差异。

然而，一个实验报告显示，两个频率下在盐分浸出的量上却表明无明显的差异，因此差异可以归因于随机变量。

粒径为7.5mm粒径为45mm不同的处理方法中的重复试验可溶性盐的浸出百分比处理方法连续降雨每天5mm每3天5mm每3天15mm每天40mm每3天40mm累计出水量图1 在模拟降雨条件下由盐碱粘土骨料中对可溶性盐的浸出图2表明了在浸出过程中两个不同范围的骨料粒径和浸出水分之间的关系，最早先排出了50mm的水，实验结束时一共排出300mm的水量。

这很明显的揭示了当骨料粒径增大时浸出效率将减少。

比如说，分别用粒径为7.5，25和45mm的骨料做实验时，当排除200mm的水时，可溶性盐溶液的浓度分别为71.5，61.5和51.5%（注意，图2中没有）。

对于所有降雨事件中每一个不同的降雨量以及不同的时间间隔，粒径的大小主要取决与溶质在浸出过程中的持续性。

图3表明了浸出量和总降雨量之间的关系，其中间隔三天的持续降雨被列入比较。

在浸出过程中即使是粒径很小（7.5mm）的骨料降雨量的大小对其依然有影响。

和图2做对比，揭示了采用不同的降雨处理方法时浸出的盐分的量与不同的骨料粒径范围的相似性。

然而，当降雨事件涵盖了很多的可能性，而骨料的大小只涵盖了很小的范围。

由此可以得出结论，降雨事件对浸出的影响率远远低于骨料尺寸的影响。

降雨实验在小的离散事件和持续实验中作比较，浸出量有所增加。

在极端的情况下，把每3天降雨5mm的实验增加到连续降雨实验时溶液浓度有所降低，当粒径直径分别为7.5，25和45mm时，浸出200mm溶液时，溶液浓度分别由80.7降至66%，69.7降至51.8%和61.6降至35.2%。

增加实验之间的间隔时间时，比如由1天增加到3天，对实验结果产生的影响相对较小（在大部分实验中小于10%），但是在所有处理方法中是不一致的。

比较平均粒径分别为7.5和45mm的骨料的浸出率，实验中时间间隔分别为每天5mm和每3天15mm，实验揭示了雨量分布的重要性。

在骨料粒径最小的试验中不同的降雨处理方法对实验的影响是无关紧要的，但是当增大骨料粒径，降雨的频繁程度变得很重要。

4 建模用实验数据建立一个经验模型，用来估计从耕作层中浸出的可溶性盐的量（L），此模型适用于表层干容重为850kg/m3以下0.2m处的土壤，该模型的的基础是累计出水量（d）和骨料的粒径（p）以及降雨量（s）。

该模型包括以下三个部分：其中：x是将图1中查到的数据代入多项式中，他和一次试验中的累计浸出盐分有关，以采用骨料粒径为45mm时，每三天降水40mm这种处理时为例。

y是一个校正因子，当考虑骨料粒径时，去描述洗出和骨料粒径大小之间的关系，如图2所示，是一条近似的直线。

Z是一个校正因子，它的计算是在图3中查出的数据基础上进行的，在这以间隔时间为三天为例，这个方程主要包含了骨料粒径大小和降雨事件的相互作用。

方程式中：L代表：由地面下200mm处取的样本的含盐量d代表：耕作层的累计排水量，用mm表示p代表：骨料粒径，用mm表示s代表：间隔时间为3天的降雨量，用mm表示结合以上，方程为：汤顿等人通过建模，从试验中得出的数据，验证了实验室试验和用经验模型模拟的大田状况下进行的试验之间的关联。

在这种情况下，浸出过程同样能测出盐碱表层土在冬天的室外的洗出过程。

在骨料粒径范围相同的情况下，直径200mm，高250mm的试块，在实验室中进行试验。

土壤表面一半曝露在降雨势力范围内，同时将另一半土壤用塑料薄膜进行覆盖。

当覆盖上薄膜之后观察到的浸出效率和预期的非常一致，但是把骨料曝露在降雨势力范围中时，浸出效率超出了预期结果。