冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究

第４３卷第９期　２　０　１　２年５月　人　民　长　江　

Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｖ０１．４３．Ｎｏ．９　

Ｍａｙ，　２０１２　

文章编号：１００１—４１７９（２０１２）０９—００５５—０４　

冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究　

李潇瀚，王　瑞，卞建民　（吉林大学环境与资源学院，吉林长春１３００２１）　摘要：冻融作用是导致我国北方半干旱地区土地盐渍化的主要原因之一。以吉林西部大安市为研究区域，通　过野外调查和样品采集，开展了盐渍土的室内试验，研究了冻融过程中土壤水盐的运移规律。研究结果表明：　该地区土壤中的水盐在冻融过程中经历了两次迁移过程，不同阶段具有各自的特点。冻结过程中，未冻层的　水不断向冻层迁移并随之冻结，盐分亦随水分迁移；融化过程中，未融化的冰层阻碍水盐下渗，上层滞水向表　层运移并蒸发，使表层盐分急剧增加。在水盐运移过程中，电导率与总盐的变化具有良好的相关关系。室内　模拟试验为进一步阐明该区盐渍土的形成机理与影响因素提供了科学依据。　关键词：冻融作用；盐渍土；模拟试验；水盐运移；吉林西部地区　中图法分类号：Ｓ１５６．４　文献标志码：Ａ　

１研究背景　吉林西部地区是我国土地盐渍化最严重的地区之　一，同时也是世界三大苏打盐渍土集中分布区之　一¨　。大安市位于吉林西部松嫩平原腹地，为中重度　苏打盐渍土的典型代表区，盐碱地面积２５１　０４７　ｈｍ　，　占全市土地面积的５１．４５％，其中重、中、轻度盐渍化　土壤分别占土地面积的２５．１４％，８．８２％，１７．５０％Ｅ　２］，　重度盐渍化土壤占有很大比重。为治理日益加重的土　地盐渍化，当地已经开始新一轮土地整理工作，并着手　修建灌区工程。　冻融作用是造成吉林西部土地盐渍化的主要因素　之一　。本文土壤样本来自拟建为灌区的盐渍土区　域，对其进行室内试验、参数测定，研究冻融过程中的　水盐运移规律，进而探究该地区在气候变化和人为影　响下的土地盐渍化形成过程，为目前进行的新一轮土　地整理工作中次生盐渍化的治理提供理论依据。　国外早在２０世纪３０年代便开始了对冻融作用的　研究，Ｐｅｒｆｅｃｔ和Ｗｉｌｌｉａｎｓ首次证明了负温下温度梯度　可使液态水运动　，Ｎａｋａｎｏ等认为水分迁移量取决于　土壤总含水量的梯度　。国内对冻融的研究始于２０　世纪７０年代，徐学祖、邓友生等认为冻土中水分迁移　与土水势梯度有关　；郑冬梅等的研究表明温度梯　度、水势梯度是冬季水盐积累的驱动力　；张殿发进　

一步说明了土壤在冻融过程中水分和盐分要经历两次　迁移过程　。目前冻融研究的主要方法多为冬季野　外田间试验，研究长时间尺度下水盐运移情况，而对冻　融期内每次冻融作用发生时的变化研究很少。本次试　验采用室内试验的方法，旨在查明一次冻融过程中的　水盐迁移规律。　

２试验材料及方法　土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标，而土壤　水溶性盐是土壤的一个重要属性，是判定土壤中盐类　

收稿日期：２０１１—１０—１７　基金项目：国家自然科学基金项目（４１０７２２５５）“苏打盐溃土区区域水田开发的盐份迁移响应研究”；吉林省自然科学基金项目　（２０１１１５０３５）“灌溉与冻融耦合作用下的吉林西部土壤盐渍化研究”　作者简介：李潇瀚，男，硕士，主要从事水环境与水生态、水资源评价理论与方法的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｐｙａｎｓｈｕ２＠ｓｉｎａ．ｃ０ｍ　通讯作者：卞建民，女，教授，博士生导师，主要从事地下水资源评价及水环境与水生态研究工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｉａｎｊｉａｎｍｉｎ＠１２６．　０ｍ　５６　人　民　长　江　离子是否限制作物生长的因素。温度影响水分的三态　变化和含量，盐随水走，因而测定冻融过程中水热盐的　运移规律已成为研究盐碱土形成发展的主要途径。　２．１　试验器具　所用材料主要为：ＰＶＣ管、冻融箱、烘箱、温度传　感器、精密ｐＨ计、电导率仪、电子天平、烧杯、漏斗、蒸　馏水等。　２．２　试验进程　（１）野外采样阶段。本次试验所用土样取自吉林　西部大安市中科院碱地生态试验站附近，土壤类型为　重度盐碱化土。前期工作已测得土壤容重，采样过程　中分５层取采样点表层０～５０　Ｃｍ的土样，根据容重装　入高５０　ｃｍ、直径７．５　ｃｍ的ＰＶＣ容器中，共计１２个土　柱。　（２）室内试验阶段。将土柱放入冻融箱中，温度　设定为一２５℃，冻结２４　ｈ后在室温（２５℃）条件下融化　２４　ｈ，分０，４，８，１２，１６，２４，２８，３２，３６，４０，４４，４８（单位：　ｈ）共计１２个时段进行取样。每个时段取一个土柱，　按每１０　ｃｍ为一层将其锯开，将０～１０　ｃｍ，１０～２０　ｃｍ，　２０～３０　ｃｍ，３０～４０　ｃｍ，４０～５０　ｃ：ｍ标示为第１，２，３，４，　５层，分别取每层中间部位的土样，在实验室内测定其　温度、含水量、ｐＨ值、电导率及含盐量。　２．３　试验方法　（１）温度的测定。将温度传感器的探头随土样一　起装入土柱中，在冻结及融化过程中，每隔１　ｈ测定一　次温度，以观察冻融过程中温度的变化。ＰＶＣ土柱四　周用塑料泡沫板包裹，并在空隙中填充塑料泡沫以避　免温度径向影响柱内土壤。　（２）土壤含水量的测定。用烘干法测定土壤质量　含水量。取部分土样装入已知重量为　．的铝盒中，称　其质量为　，放入烘箱，在１０５℃下烘１２　ｈ后取出铝　盒，冷却、称重，反复进行直至烘后质量为恒重，计为　

一　Ｗ　，则土壤含水量　＿　×１００％。　

（３）电导率及ｐＨ的测定。将自然风干的土样用　研钵研碎，过１　ｍｍ筛后取２０　ｇ放入２５０　ｍＬ干燥锥形　瓶中，按１：５的比例加入１００　ｍＬ蒸馏水，置于振荡器　中振荡１０　ｒａｉｎ，待充分混合后过滤，并重复过滤直至得　到清澈滤液，置于干燥锥形瓶中。吸取土壤浸出液３０　ｍＬ于小烧杯中，用ｐＨ计和电导率仪测定滤液的ｐＨ　值和电导率值，并将电导率值通过温度校正系数和电　导电极常数换算成２５　ｃ《二下的电导率。　（４）土壤含盐量的测定。另取浸出液５０　ｍＬ装入　已干燥称重的１００　ｍＬ烧杯中，于水浴（或砂浴）蒸干，　

用１５％过氧化氢溶液处理，水浴加热，去除有机物，之　后用滤纸片擦干小烧杯外部，放人烘箱中烘干８　ｈ后　冷却至室温，用天平称量其重量，则土壤含盐量：　

堕　×１００％栏　‘　。　

３试验结果分析　３．１温度的变化　利用冻融过程中温度传感器的测定结果，可得到　不同层随时间变化的温度曲线，如图１所示。　

图１不同层位温度变化曲线　由图１可以看出，在冻结和融化阶段，温度均表现　为从上到下逐渐变化，这与自然条件下温度的变化过　程基本一致。　冻结过程（０～２４　ｈ）。０～４　ｈ第１层温度迅速下　降，其他４层由上到下温度也开始下降，土壤的冻结深　度随着表层温度的降低而逐渐加深，且与时间基本呈　线性关系。在１２～１６　ｈ阶段，５层的温度均降至Ｏ℃　以下，２４　ｈ后，温度降至与冻融箱内温度基本一致。　融化过程（２４～４８　ｈ）。２４～２８　ｈ第１层温度迅速　升至０℃左右，同时，土壤的下部温度也在逐渐上升，　在３６～４０　ｈ阶段５层的温度均升至０℃以上，此时上　部与下部同时融化，但上部的融化速度明显大于下部，　４８　ｈ后达到室温。　３．２　电导率变化规律　将电导率仪的测试结果换算为２５℃的电导率，不　同层位的变化曲线见图２。　

１　５　｛　１．３　毒１　２　

三１　１　

ｏ　脚０　９　

０　８　

图２不同层位电导率变化曲线　由图２可知，第１、３层的标准偏差明显高于其他　第９期　李潇瀚，等：冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究　５７　层，反映出这两层的电导率值波动较大，即在冻融的过　程中经历了较为剧烈的水盐变化过程。开始冻结的　１２　ｈ内，第１层电导率迅速上升，而第３层有所下降，　可见在最初的冻结阶段，土壤中的水盐迅速向表层聚　集，随着冻结过程的进行，下部的水盐也向中部运移。　１２～２４　ｈ时段中，第１层电导率继续上升，同时第２层　的电导率也开始上升，而第３层由于水盐向１、２层运　动，电导率急剧下降，此时冻结过程进行到土柱下部，　第４、５层电导率下降。在２４　ｈ时，第１、２层电导率到　达最高值，第３层达到最小值。　融化阶段，２４～３２　ｈ时段，第１、２层由于开始融　化，水盐下渗，导致电导率下降，但此时第３层尚未开　始融化，由于冰层阻碍水盐的下渗，使得水盐在第３层　聚集，电导率上升。随着融化过程的进行，第３层开始　融化，而由于上部温度变高，蒸发作用强烈，使得第３　层的水分向１、２层运移，另有少部分渗入下部。到整　个冻融过程结束，第１层电导率比冻融前明显上升，第　３层明显下降，２、４、５层基本未变。　总之，土壤各层位电导率在冻结和融化阶段均经　历了剧烈的变化过程，在其变化过程中可溶性盐分以　及水分的迁移起到了重要的作用。　

３．３含水量变化特征　通过烘干法得到各层土壤含水量变化曲线如图　３　

图３含水量变化曲线　含水量的变化曲线同样经历了冻结与融化两个阶　段，从各层的标准偏差来看，冻融过程中第１、２、４层的　含水量波动较大。冻结过程中第１、２层含水量增大，　第３层减小。融化过程中１、２层含水量首先渗入第３　层，之后由于蒸发作用再向表层聚集。４、５层土样含　水量变化不甚明显，仅第４层在融化阶段轻微波动，未　出现水分向底部的运移。选取电导率与含水量同样变　化最大的第３层，经过对比可以发现两者变化趋势基　本一致，见图４。　３．４　ｐＨ值及含盐量的变化过程　通过对ｐＨ计的测定结果进行统计，冻融前后各　层土壤的ｐＨ均大于９．５，平均值为１０．０６，滤液属于强　

碱性。根据赵玺宏、李彬、张杰等对内蒙及东北盐碱化　土壤的研究结果，ｐＨ和碱化度之间有良好的相关关　系，利用ｐＨ估计碱化度是可行的　“　，由碱化度可以　判定采集的灌区土样为强碱性土壤。根据测试结果计　算，含盐量变化曲线见图５。　

图４第３层电导率一含水量变化趋势　１ｌ８８．．４２　

芝　

ｌ１７７．．。２　ｔｆｉ　８　

＋第１层　＋第２层　＋第３层—＊一第４层　＋第５层　

图５含盐量的变化曲线　由图５可见，土壤总盐含量为０．６％～１．１％，本　次采集的灌区土样为强度盐化土壤　。各层总盐含　量的标准偏差波动均非常明显，反映出盐分迁移作用　非常强烈，而第１层的波动尤其显著，这与冻融过程中　盐分两次向表层的聚集密不可分。在冻结初期，盐分　随水分迅速向表层积聚，随着冻结层面的下降，下部未　冻层的盐分逐渐向冻结层面运移，至冻结过程结束，表　层的盐分明显上升，下部几层略有下降。融化过程前　段由于融化作用使水分向下入渗，上部第１、２层盐分　也随之向第３层运移，此时第３层尚未开始融化，由于　冰层阻碍水分下渗，形成上层滞水，使第３层盐分上　升，但随着融化过程的进行，上部温度升高，由于温度　梯度的存在使得水分又重新向表层运移并蒸发。此时　１、２层的盐分急剧上升，之后土柱下部也开始融化，第　４层盐分迅速减小，第３层有所上升。至融化过程结　束，上部盐分含量比冻融前上升明显，２、３、４层盐分降　低。　为进一步明确电导率（ＥＣ）和总盐（ＳＳＣ）的关系，　利用实测数据进行拟合分析，如图６所示。　回归方程为　ＳＳＣ：０．７８１２ＥＣ一０．０７５８　（Ｒ＝０．９２７，ｎ＝５０，Ｐ＜０．００１）　通过回归方程和图６可以看出，二者呈线性关系，