時(shí)祥順，滕曉飛，孫　麒，張　聰，孫曉磊

(南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇　南京　211167)

?

土壤水分鹽分運(yùn)移研究進(jìn)展綜述*

時(shí)祥順，滕曉飛，孫麒，張聰，孫曉磊

(南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇南京211167)

土壤水分、鹽分運(yùn)移是個(gè)十分復(fù)雜的過程，它與環(huán)境，水文等方面緊密聯(lián)系，研究土壤水分鹽分運(yùn)移對水資源的利用，水資源的保護(hù)和人類文明的發(fā)展有著極其重要的意義。本文首先對土壤水的提取方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后綜述了氫氧同位素示蹤法研究土壤水分運(yùn)移規(guī)律和土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律的研究現(xiàn)狀。對于土壤水分鹽分運(yùn)移的研究，今后可以著重于農(nóng)業(yè)方面和有助于生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)重建的研究，相信這對于今后的發(fā)展會有著重要的影響。

綜述；土壤水；水分鹽分運(yùn)移；研究方向

土壤水是指存在于地表以下到地下水面(潛水面)以上土壤中的水分，也可稱非飽和帶土壤水。在水文循環(huán)中最重要和最復(fù)雜的非飽和帶土壤水，具有其他水資源共有的特性——循環(huán)再生和可調(diào)控性，在水分轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)中扮演者不可或缺的角色。

土壤水的存在形式包括吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水，在降水入滲或土壤蒸發(fā)過程中，存在不同的土壤水運(yùn)移形式，這與土壤含水量有關(guān)。土壤中鹽分的運(yùn)動(dòng)也是十分復(fù)雜的，鹽分隨土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，也會在自身濃度梯度的作用下運(yùn)動(dòng)，部分鹽分可以被土壤吸附，或被植物吸收，或濃度超過了水的溶解后會離析沉淀。近年來，土壤水分、鹽分的運(yùn)移規(guī)律已引起了土壤物理學(xué)家、農(nóng)業(yè)學(xué)家、環(huán)境學(xué)家以及有關(guān)方面技術(shù)人員的極大興趣[1]。在土壤水分運(yùn)移規(guī)律方面，氫氧同位素示蹤的方法越來越多的被采用。土壤水鹽分運(yùn)移與水分運(yùn)移是息息相關(guān)的，土壤水中鹽分的變化受大氣降水、土壤性質(zhì)、水分在土壤中的遷移、地表蒸發(fā)以及植被類型等多種因素影響，因此研究土壤水中鹽分的變化在一定程度上能反映土壤水的運(yùn)移過程[2]。土壤水分運(yùn)移過程的研究對認(rèn)識某地區(qū)自然界水分循環(huán)規(guī)律起著重要的作用。

土壤中水的提取是能否順利開展土壤水分、鹽分運(yùn)移規(guī)律研究的基礎(chǔ)，因此本文將綜述土壤水的提取方法放于首位，其次綜述了同位素示蹤法研究土壤水分運(yùn)移規(guī)律和土壤水鹽分運(yùn)移規(guī)律的研究現(xiàn)狀。

1　土壤水的提取方法

土壤水的提取是研究土壤水鹽分運(yùn)移的基礎(chǔ)，要根據(jù)土壤特性來選擇恰當(dāng)?shù)奶崛》椒?。土壤水提取技術(shù)主要有土壤溶液取樣器、真空蒸餾法、共沸蒸餾法和高速離心法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。真空蒸餾法提取土壤水需要采集土壤樣品破壞原狀土，并且有部分弱吸附水被提取出來，提取土壤水的過程是土壤水蒸發(fā)分餾和冷凝的過程，該方法需要復(fù)雜的真空系統(tǒng)，提取一個(gè)土壤樣品需要較長的時(shí)間，樣品提取時(shí)間是樣品量和提取溫度的函數(shù)，并且與真空蒸餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)，土壤水提取不完全對分析結(jié)果有很大影響[3]。1995年，L Araguás-Araguás 等系統(tǒng)研究了真空蒸餾法提取非飽和帶土壤水，研究表明，要使提取水分的同位素值就能夠代表土壤水的值，土壤水提取率要達(dá)到98%以上。對于砂樣，加熱溫度為100 ℃時(shí)需提取7 h才能保證實(shí)驗(yàn)精度[4]。共沸蒸餾原理是共沸物與水的混合物的沸點(diǎn)溫度介于兩者之間，且共沸物在室溫下冷卻后浮在水面上，常用的共沸物有甲苯和煤油，甲苯是有毒物質(zhì)，對身體有害，煤油做共沸物時(shí)存在同位素分餾[5]。離心分離法是利用不溶于水的有機(jī)溶液高速旋轉(zhuǎn)的儀器設(shè)備將土壤水從土壤中分離出來。離心分離法速度較快，但不適用于土壤含水量較低的土壤，該方法提取土壤水進(jìn)行同位素分析的精度較低，需要土壤含水量較高。土壤水取樣器是提取土壤水(溶液)樣的儀器。土壤水取樣技術(shù)是原位監(jiān)測包氣帶和潛水含水層系統(tǒng)中溶質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，具有原位反復(fù)監(jiān)測土壤水(溶液)變化的優(yōu)點(diǎn)，在土壤含水量較高時(shí)，具有提取土壤水(溶液)的良好條件，可以獲得較多的水樣量，在土壤含水量較低時(shí)，砂性土壤水分的提取明顯地優(yōu)于粘性土壤[6]。

2　同位素示蹤法研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律

水的同位素成分可視作水的“指紋”(finger print) 或“DNA”，也正是基于這一點(diǎn)，同位素水文學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水文循環(huán)研究中。土壤水氫氧同位素的分布受大氣降水、地表蒸發(fā)、土壤特征、植被類型以及水分在土壤中的水平遷移和垂直運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響，使得同一地點(diǎn)不同土壤深度的氫氧同位素組成不同。我們可以利用水中氫氧穩(wěn)定同位素來追蹤水在土壤中的運(yùn)移過程，為了解土壤水分變化規(guī)律以及土壤水分的動(dòng)力學(xué)特性提供更多信息。近年來，國內(nèi)外運(yùn)用土壤水同位素值示蹤水分運(yùn)移規(guī)律方面做了大量研究。1995年，Liu Beiling等運(yùn)用氫氧同位素，并結(jié)合氯離子含量示蹤了亞利桑那州南部沙地包氣帶上部活躍區(qū)土壤水的運(yùn)移過程[7]。Newman 等運(yùn)用氫氧同位素示蹤法研究了新莫斯科半干旱森林地區(qū)土壤水的運(yùn)移過程，同位素分析結(jié)果顯示蒸發(fā)的影響范圍在土壤剖面10 cm深度以內(nèi)，寒冷季節(jié)的降雪和春季的雨水是本地區(qū)土壤水的主要補(bǔ)給源[8]。2007年，王仕琴等對比分析了降水、土壤水和地下水中的氫氧同位素特征, 研究了華北平原中東部地區(qū)不同條件下降水入滲機(jī)理和土壤水分運(yùn)動(dòng)特征[9]。程立平等對長武縣黃土塬區(qū)的降水、土壤水和地下水進(jìn)行了穩(wěn)定同位素測試分析，研究得出黃土塬區(qū)降水以活塞流和優(yōu)先流兩種方式補(bǔ)給地下水，以優(yōu)先流形式為主[10]。2013年陳建生等通過分析降水、土壤水和地下水的氫氧同位素值，并結(jié)合黃土高原的CaCO3不平衡，得出土壤水接受地下水的補(bǔ)給，但是土壤水以何種方式往上運(yùn)移作者并沒有給出解釋[11]。

3　土壤水鹽分運(yùn)移規(guī)律研究

土壤水鹽運(yùn)移理論是鹽漬土改良利用的理論前提。等溫條件下飽和與非飽和土壤中水鹽研究在理論及實(shí)踐中已經(jīng)取得豐碩得出成果[12]。鹽隨水來、鹽隨水去，土壤鹽分的運(yùn)移同樣受到溫度的影響。因此水鹽和熱在土壤中的運(yùn)動(dòng)是相互制約的。從動(dòng)力學(xué)角度來講，土壤中水鹽運(yùn)動(dòng)的能量大部分來源于太陽的輻射、地球的自轉(zhuǎn)和人類的活動(dòng)[13]。依據(jù)SPAC系統(tǒng)對外界進(jìn)行物質(zhì)能量交換的狀態(tài)分析，土壤中水鹽運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Σ粌H有降水及灌溉水的入滲徑流，土壤的蒸發(fā)，還有植物蒸騰和地下水的運(yùn)動(dòng)等。這些動(dòng)力之間的強(qiáng)弱變化和多重影響導(dǎo)致了土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜結(jié)果。

隨著人們對土壤水研究的深入以及土壤水作為一種資源的客觀存在，土壤水逐漸被作為水資源的一個(gè)種類型而進(jìn)行研究。而土壤水鹽分是影響植物生長的重要因素，對土壤水鹽分進(jìn)行研究，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)恢復(fù)中將起到關(guān)鍵地指導(dǎo)作用，對它的遷移特性進(jìn)行分析研究是了解土壤水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的關(guān)鍵方法，關(guān)于土壤水鹽分的研究已取得很多研究成果，例如，Heuer和Nadler進(jìn)行了馬鈴薯對土壤水及鹽分缺乏的生理反應(yīng)的分析研究，認(rèn)為在鹽分的脅迫下馬鈴薯的生長會受到影響[14]；Wu等建立狀態(tài)空間模型估算淺層地下水對植物的根部水分含量和鹽分的影響，然后根據(jù)鹽分條件提供一個(gè)彈性的實(shí)時(shí)的灌溉時(shí)間表，從而使得滿足灌溉需求的同時(shí)用水量最小[15]； 2005年史文娟[16]對蒸發(fā)條件下夾沙層土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了分析研究；郭青林[17]對敦煌莫高窟壁畫病害水鹽來源進(jìn)行了研究，指出許多壁畫產(chǎn)生病害，唯獨(dú)與水鹽運(yùn)移有關(guān)系的壁畫病害更加嚴(yán)重。這些關(guān)于水鹽分遷移規(guī)律的深入研究，是預(yù)測和防治土壤鹽漬化的重要理論依據(jù)，也是農(nóng)田灌溉、水文地質(zhì)、環(huán)境水利、土壤物理、溶質(zhì)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域中關(guān)注的焦點(diǎn)。所以進(jìn)行鹽分遷移規(guī)律分析，能立竿見影的解決鹽分在非飽和帶中的運(yùn)移而產(chǎn)生的問題。

在灌溉水與降水的入滲徑流途徑中，因?yàn)槠渥饔梦恢孟蛳?，使得土壤中鹽分不斷向下運(yùn)移，而此作用不斷積累，因此土壤鹽分向下運(yùn)移的程度也有所不同。而土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的過程與灌溉水入滲的原理正好相反。其作用受到作物生長和大氣蒸發(fā)狀況的影響，隨著作用強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，潛水蒸騰越發(fā)的加強(qiáng)，毛管力使得地下中的土壤水分持續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，土壤中的鹽分同樣會隨著水分向上運(yùn)移，從而產(chǎn)生了土壤積鹽的情況。描述土壤水鹽運(yùn)移的方程是以地下水移動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)建立的。通過假設(shè)來簡化其內(nèi)容，并采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法求得結(jié)果。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，從而使得利用數(shù)值來求解地下水鹽分傳輸方式和利用數(shù)學(xué)模型解決現(xiàn)實(shí)問題變成可行的。研究土壤水鹽運(yùn)動(dòng)對于農(nóng)業(yè)意義是重大的。水從灌溉器流出，濕潤根部區(qū)域，屬于局部灌溉。掌握了解水滴到土壤后，水分、鹽分及各種離子在土壤中的運(yùn)移規(guī)律，濕潤體形狀的變化規(guī)律及含水量的多少等規(guī)律，有利于在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中確定合理的灌水量、地頭流量、地頭間距等參數(shù)，不僅可以節(jié)約水量，更可以為作物生長提供良好的水鹽環(huán)境。

就目前而言，科學(xué)家們對于土壤水的研究已經(jīng)取得了許多的科技成果，但是，土壤水并不像地表水那般容易取樣研究，他的存在具有一定的特殊性和復(fù)雜性，所以對于土壤水的研究仍然存在許多的欠缺，還需要不斷地努力來進(jìn)一步的完美。所以對于土壤水的研究在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，其研究方向應(yīng)該集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，當(dāng)然還有對土壤水的運(yùn)移規(guī)律以及對其定義,還有土壤水有助于生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)重建的研究。

4　結(jié)論與展望

綜上所述，我們能夠開展土壤水分、鹽分運(yùn)移規(guī)律的研究的前提是順利的進(jìn)行土壤水的提取土壤水的提取。而本文也列舉了幾點(diǎn)關(guān)于土壤水提取的方法，比如真空蒸餾法、土壤溶液取樣器、共沸蒸餾發(fā)和高速離心法，它們當(dāng)然是各有優(yōu)缺點(diǎn)。研究完土壤水分的提取，當(dāng)然要更深入的研究土壤水分鹽分的運(yùn)移規(guī)律。此處對于土壤水分的運(yùn)移規(guī)律的研究方法主要展示了同位素示蹤法，而在研究土壤鹽分的運(yùn)移規(guī)律的時(shí)候，主要討論了哪些因素會對土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律產(chǎn)生影響以及土壤鹽分運(yùn)移對其他事物的影響。對于土壤水分鹽分運(yùn)移的研究，今后可以著重于農(nóng)業(yè)方面和有助于生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)重建的研究，相信這對于今后的發(fā)展會有著重要的影響。

[1]馬東豪.土壤水鹽運(yùn)移特征研究[D].西安:西安理工大學(xué),2005.

[2]金志鋒,薛華健,劉凱,等. 土壤水鹽分運(yùn)移規(guī)律研究進(jìn)展[J].價(jià)值工程,2014(26):294-296.

[3]王濤,包為民,陳翔,等. 真空蒸餾技術(shù)提取土壤水實(shí)驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(6):660-664.

[4]Araguás-Araguás L, Rozanski K, Gonfiantini R,et al. Isotope effects accompanying vacuum extraction of soil water for stable isotope analysis[J]. Journal of Hydrology,1995,168:159-171.

[5]LEANEY F W, SMETTEM K R J, CHITTLEBOROUGH D J. Estimating the contribution of preferential flow to subsurface runoff from a hillslope using deuterium and chloride[J]. Journal of Hydrology, 1993, 147: 83-103.

[6]荊繼紅,韓雙平.土壤水取樣技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究[J].地球?qū)W報(bào),2001,22(4):380-383.

[7]Liu Beiling, Phillips Fred, Hoines Susan, et al. Water movement in desert soil traced by hydrogen and oxygen isotopes, chloride, and chlorine-36, southern Arizona[J]. Journal of Hydrology, 1995,168:91-110.

[8]Brent D,Newman, Andrew R,et al. Tracer-based studies of soil water movement in semi-arid forests of New Mexico[J]. Journal of Hydrology, 1997,196,:251-270.

[9]王仕琴, 宋獻(xiàn)方,肖國強(qiáng),等.基于氫氧同位素的華北平原降水入滲過程[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2009,20(4):495-501.

[10]程立平,劉文兆.黃土塬區(qū)幾種典型土地利用類型的土壤水穩(wěn)定同位素特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23((3): 651- 658.

[11]陳建生,劉震,劉曉艷.深循環(huán)地下水維系黃土高原風(fēng)塵顆粒連續(xù)沉積[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 2013,87(2):278-287.

[12]雷志棟主編.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1989:133-167.

[13]李韻珠,李保國.土壤溶質(zhì)運(yùn)移[D].北京:科學(xué)出版社,1997.

[14]HEUER B,NADLER A.Physiological response of potato plants to soil salinity and water defic it [J].Plant Science,1998,137(1):43-51.

[15]WU L,SKAGGS T H,SHOUSE P J,et al.State apace analysis of soil water and salinity regimes in a loam soil underlain by shallow groundwater[J].Soil Science Society of America Journal,2001,65(4):1065-1074.

[16]史文娟.件下夾砂層土壤水鹽運(yùn)移實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2005.

[17]郭青林.高窟壁畫病害水鹽來源研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2009.

Research Progress on Soil Moisture and Salt Movement*

SHIXiang-shun,TENGXiao-fei,SUNQi,ZHANGCong,SUNXiao-lei

(Nanjing Institute of Technology School of Environment Engineering,Jiangsu Nanjing 211167,China)

The movement of soil water and salt is a very complicated process.It is closely linked to the environment and the hydrology, etc. Even human life is closely bound up. The research of soil water and salt movement to the use of water resources, water resources protection and development of human civilization has very important significance.The extraction method of soil water was introduced, and the isotope tracer method to study soil moisture migration rule and the status of study on soil water and salt movement law were summarized.The current research status of soil water and salt was discussed, and a reference for future problems was provided.

summary;soil water;transport of water and salt;research direction

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號201511276069)。

時(shí)祥順(1994-)，男，本科生，專業(yè)為水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)。

X825

A

1001-9677(2016)05-0009-03