崔莉紅，朱 焱，趙天興，楊金忠，伍靖?jìng)?/p>

季節(jié)性凍融土壤鹽分離子組成與凍結(jié)層鹽分運(yùn)移規(guī)律研究

崔莉紅，朱 焱※，趙天興，楊金忠，伍靖?jìng)?/p>

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

該文對(duì)凍融過(guò)程中土壤鹽分離子組成及凍結(jié)層鹽分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永聯(lián)試驗(yàn)站開(kāi)展了凍融期土壤水鹽及其離子成分監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析了凍融期地溫、凍結(jié)層深度、地下水埋深與水質(zhì)、土壤含水率、土壤鹽分及離子組成的變化規(guī)律，通過(guò)離子相關(guān)性分析確定了土壤鹽分運(yùn)移的主控離子成分和鹽分類型，進(jìn)一步利用二元水鹽體系相圖探討了凍融期主控鹽分的運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明：凍融期地溫梯度變化主要發(fā)生在0～1.0 m范圍土層中，地下水埋深在凍融期變化趨勢(shì)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(qū)地下水中變異性最大的離子為Na+、Cl–和SO42–，土壤鹽分運(yùn)移和擴(kuò)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(guān)系數(shù)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(jié)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(diǎn)，研究區(qū)最大氯化鈉濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.55%）和最大硫酸鈉濃度（2.01%）均低于各自的共飽和點(diǎn)，當(dāng)凍結(jié)前土壤溶液濃度梯度為正（從上到下濃度增大）時(shí)，凍結(jié)層易積鹽，反之凍結(jié)層主要表現(xiàn)為脫鹽。研究對(duì)闡明凍融期凍結(jié)層鹽分累積規(guī)律的成因具有重要意義。

凍融；離子；土壤；凍結(jié)層；水鹽運(yùn)移；水鹽體系相圖；河套灌區(qū)

0 引 言

凍融過(guò)程中水鹽運(yùn)移規(guī)律一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-3]。對(duì)于凍融過(guò)程中土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究較多[4-6]，一般認(rèn)為，在土壤凍結(jié)過(guò)程中，由于液態(tài)水凍結(jié)引起土壤負(fù)壓梯度增大，導(dǎo)致液態(tài)水由溫度高處（暖端）向溫度低處（冷端）運(yùn)移[7]。目前對(duì)土壤凍結(jié)過(guò)程中鹽分運(yùn)移規(guī)律認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一。有學(xué)者認(rèn)為凍結(jié)時(shí)鹽分以對(duì)流作用為主，鹽分隨水流由暖端向冷端移動(dòng)，導(dǎo)致凍結(jié)層積鹽[8-10]。然而，研究表明凍結(jié)過(guò)程中普遍存在著水鹽運(yùn)移不一致的現(xiàn)象，水分聚集的凍結(jié)層中未發(fā)生積鹽[11]，反而發(fā)生脫鹽[12-15]，在凍結(jié)期水分變化不大的情況下出現(xiàn)鹽分聚集的現(xiàn)象[16-17]。因此，有學(xué)者認(rèn)為凍結(jié)過(guò)程中溶質(zhì)運(yùn)移以擴(kuò)散作用為主，凍結(jié)過(guò)程中冰多以純凈相析出，溶質(zhì)會(huì)在未凍水中富集[18-19]，導(dǎo)致凍結(jié)層溶質(zhì)濃度增大產(chǎn)生濃度梯度，隨后在濃度梯度的作用下，鹽分向未凍結(jié)區(qū)移動(dòng)[20]，造成凍結(jié)層脫鹽；若凍結(jié)速率過(guò)快，鹽分運(yùn)移不充分或鹽分從溶液中析出，則導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)積鹽[21]。但該理論不能解釋在野外凍結(jié)速率相對(duì)緩慢時(shí)凍結(jié)層積鹽現(xiàn)象[12]。對(duì)融化期土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律認(rèn)識(shí)較為一致，春季返鹽主要由蒸發(fā)作用引起[10, 22- 23]。

凍融過(guò)程中鹽分的遷移是溫度梯度、濃度梯度、水分對(duì)流共同作用的結(jié)果[24]，目前對(duì)凍融過(guò)程中鹽分運(yùn)移規(guī)律的認(rèn)識(shí)多建立在對(duì)土壤含鹽量分析的基礎(chǔ)上[25-26]。然而，凍結(jié)過(guò)程總鹽分遷移隨溶解物類型不同而有所區(qū)別[24]。因此，凍融期水鹽運(yùn)移機(jī)理，需從易溶鹽組成的角度進(jìn)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(guān)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(guān)性，指出HCO3–、CO3–對(duì)鹽分影響最大，而SO42–和Mg2+的影響較小?？梢?jiàn)，受到土質(zhì)、土壤溶液的性質(zhì)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(duì)不同離子組成對(duì)凍結(jié)層鹽分累積規(guī)律差異進(jìn)行分析，因而無(wú)法清晰界定凍結(jié)層積鹽或脫鹽規(guī)律。

為了研究?jī)鋈谄陔x子組成與凍結(jié)層鹽分累積規(guī)律，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永聯(lián)試驗(yàn)站開(kāi)展凍融過(guò)程中水熱鹽耦合過(guò)程與遷移轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，對(duì)凍融期地溫、土壤水鹽、地下水鹽等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，通過(guò)離子相關(guān)性分析，確定灌區(qū)土壤含鹽量變化的主控離子成分和鹽分類型，進(jìn)一步通過(guò)水鹽體系相圖將水熱鹽作為有機(jī)整體，分析不同溫度下水和鹽分不同相態(tài)（固態(tài)和液態(tài)）變化的關(guān)系，探討凍融過(guò)程中凍結(jié)層水鹽運(yùn)移不一致現(xiàn)象的原因。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永聯(lián)試驗(yàn)基地300 hm2試驗(yàn)田（41°08￠062N，108°06￠182E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)南北長(zhǎng)510 m，東西寬410 m，總面積22.2 hm2，研究區(qū)如圖1所示。研究區(qū)土壤從11月中下旬開(kāi)始凍結(jié)，到次年4月中下旬融通，封凍時(shí)間長(zhǎng)達(dá)160 d，土壤最大凍結(jié)深度在1～1.3 m之間。為儲(chǔ)水保墑和淋洗鹽分，通常在10月中旬—11月中旬進(jìn)行大范圍漫灌（秋澆）。因此，該區(qū)封凍前地下水位較高，地下水埋深在0.5～1.5 m之間。試驗(yàn)區(qū)外圍由渠道圈閉，東側(cè)為灌水支渠，西側(cè)為排水分干溝，南北兩側(cè)均為排水斗溝。試驗(yàn)區(qū)田間設(shè)有5眼地下水監(jiān)測(cè)井，呈十字形分布，編號(hào)依次為A#、C#、E#、G#、H#。研究區(qū)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(jiān)測(cè)井位置分布圖

本次監(jiān)測(cè)開(kāi)展于2017年—2018年凍融期，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地溫、凍結(jié)深度、地下水埋深與水質(zhì)、土壤含水率與含鹽量。地溫監(jiān)測(cè)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(shù)時(shí)間間隔為2 h。土壤從2017年11月末開(kāi)始封凍，到2018年4月中下旬完全融通。凍融期共進(jìn)行了4次取樣，取樣時(shí)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(nèi)取樣間隔為0.1 m，0.6～2.0 m內(nèi)取樣間隔為0.2 m。每次在各監(jiān)測(cè)井附近10 m內(nèi)以構(gòu)成邊長(zhǎng)不超過(guò)1 m的等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)作為取樣點(diǎn)。土壤水鹽及易溶鹽離子組成，以3個(gè)鉆孔的均值作為土壤分析數(shù)據(jù)。

1.2 測(cè)試方法

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

利用浸提法測(cè)得的土壤干土含鹽量和對(duì)應(yīng)的含水率，可計(jì)算對(duì)應(yīng)的土壤水鹽體系中鹽分含量SW（%），計(jì)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(tài)（固態(tài)和液態(tài)）變化的關(guān)系，水鹽體系相圖是以集合圖形表示水和鹽組成體系，在穩(wěn)定平衡和介穩(wěn)平衡條件下，相的數(shù)目、種類、組成、存在條件和各相間濃度的關(guān)系[29]。水鹽體系相圖反映了水熱鹽的統(tǒng)一變化關(guān)系。圖2為簡(jiǎn)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(diǎn)的溫度為水的冰點(diǎn)（0℃）。右縱軸表示鹽分的一元體系，點(diǎn)的溫度為鹽分固液共存狀態(tài)的溫度，稱為熔點(diǎn)。點(diǎn)表示與冰和鹽分2個(gè)固相平衡的飽和溶液，稱為共飽和點(diǎn)。

注：A、B分別表示水的冰點(diǎn)、鹽分的熔點(diǎn)；C、D為三相線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)；SW為鹽和純水二元體系中鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)值上等于鹽離子質(zhì)量與鹽水質(zhì)量和的比值；TE、SE分別為共飽和點(diǎn)E對(duì)應(yīng)的溫度和SW。

2 結(jié)果與分析

2.1 地溫與凍結(jié)層的變化規(guī)律

監(jiān)測(cè)期不同深度地溫及凍結(jié)深度隨時(shí)間變化如圖3所示。埋深大于1.3 m后未出現(xiàn)負(fù)溫，最大凍結(jié)深度為0.96 m。最大凍深出現(xiàn)后凍結(jié)層開(kāi)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(jié)深度的變化為依據(jù)，將凍融期劃分為：快速凍結(jié)期（2017年12月6日—2018年2月4日）、慢速凍結(jié)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(shí)期，地溫梯度變化不同，且主要在0～1.0 m內(nèi)變化：快速凍結(jié)期，地溫梯度為正（溫度隨深度增大）且基本不變；慢速凍結(jié)期，地溫梯度減小并在時(shí)段末轉(zhuǎn)為負(fù)值（溫度隨深度減?。?；融化期末，地溫梯度繼續(xù)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(zhì)變化

不同觀測(cè)井地下水埋深與礦化度變化見(jiàn)圖4。地下水埋深在0.85～2.18 m之間變動(dòng)，凍融期地下水埋深為快速增大-緩慢增大-減小，與最大凍結(jié)深度的變化趨勢(shì)相同。不同監(jiān)測(cè)井地下水埋深有所不同，其中G#地勢(shì)最低，地下水埋深最小。位于排水溝附近的E#，凍結(jié)初期受側(cè)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(dòng)，平均值為1.76 g/L，為微咸水。雖然凍結(jié)期5眼井的平均地下水礦化度在數(shù)值上有波動(dòng)，但無(wú)顯著性差異。受凍結(jié)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(jié)層深度變化特征及地溫剖面分布圖

圖4 凍融期不同監(jiān)測(cè)井（A#~H#）地下水埋深與礦化度變化

2.3 土壤水鹽變化規(guī)律

凍融期土壤含水率和含鹽量剖面如圖5所示?？焖賰鼋Y(jié)期（2017年12月6日—2018年2月4日），平均最大凍結(jié)深度為0.84 m，不同監(jiān)測(cè)井凍結(jié)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(jié)鋒面前后含水率差異顯著。其次為E#和G#，在凍結(jié)深度增長(zhǎng)段（0.3～1.0 m）含水率增加顯著，含水率最大增幅在增長(zhǎng)段上部；C#、H#凍結(jié)層含水率的增幅最低。慢速凍結(jié)期（2018年2月4日—2018年3月12日），平均凍結(jié)深度緩慢增加到0.96 m，不同監(jiān)測(cè)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(jié)期地下水埋深最淺（圖4），最大凍結(jié)深度為0.8 m，在2018年4月13日完全融通。其余監(jiān)測(cè)井附近土壤凍結(jié)期地下水埋深大，最大凍結(jié)深度較大（均大于0.9 m），取樣時(shí)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(fā)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(jié)層含水率均有明顯增加的快速凍結(jié)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(jié)層（0～1.0 m）的平均含鹽量由0.49 %降低到0.42 %，整體上凍結(jié)層脫鹽。凍結(jié)層含水率基本不發(fā)生變化的慢速凍結(jié)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(nèi)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(gè)凍融期內(nèi)土壤含鹽量基本未發(fā)生變化。凍融期水鹽運(yùn)移不一致的原因?qū)⒃?.6小節(jié)論述。

注：圖中標(biāo)注1～4凍結(jié)層的長(zhǎng)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(jié)層的垂向分布范圍。

2.4 地下水水化學(xué)與土壤易溶鹽組成

表1為不同時(shí)期地下水中離子濃度均值。凍融期地下水水化學(xué)類型基本不變，為Cl-HCO3-SO4-Na-Mg型水。從地下水水化學(xué)平均組成來(lái)看，凍融期Cl-、SO42–、Ca2+和Mg2+均未發(fā)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(guī)律一致。

表1 凍融期地下水中離子濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：C，變異系數(shù)。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(shí)空變異性來(lái)看（表1），不同離子的時(shí)間變異性不高，其中僅Na+和Cl–變異系數(shù)達(dá)到10%以上。不同離子的空間變異性均明顯高于時(shí)間變異性，其中Na+、Cl–和SO42–空間變異系數(shù)達(dá)到30 %以上。雖然SO42–在凍融期均值變化不顯著，但其時(shí)空變異系數(shù)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(jiān)測(cè)結(jié)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(nèi)，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(fā)生顯著變化。0.6 m埋深處Ca2+和HCO3–均值在快速凍結(jié)期均顯著下降。1.0 m埋深處SO42–均值在慢速凍結(jié)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(jié)期顯著下降，隨后基本不發(fā)生變化，而HCO3–均值在凍融期的3個(gè)階段呈現(xiàn)出下降-穩(wěn)定-上升的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，整體上凍融期間土壤中離子變化規(guī)律十分復(fù)雜。1.0 m范圍內(nèi)不同監(jiān)測(cè)井附近總含鹽量與離子含量見(jiàn)表3。根據(jù)鹽漬土分類標(biāo)準(zhǔn)[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(jiǎn)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(gè)監(jiān)測(cè)井附近土壤剖面離子組成統(tǒng)計(jì)

表3 監(jiān)測(cè)井附近1.0 m范圍內(nèi)土壤離子含量對(duì)比

2.5 土壤鹽分相關(guān)性分析及主控離子成分

土壤含鹽量與各離子之間相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表4。Na+、Cl–、SO42–、Ca2+和Mg2+與含鹽量相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上（<0.01）；HCO3–與含鹽量的相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.682（<0.01）。Ca2+和Mg2+雖然與含鹽量相關(guān)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(guān)系數(shù)高于0.9以外，這3種離子之間的相關(guān)性均高于0.9（<0.01），說(shuō)明3種離子變化與對(duì)應(yīng)鹽分變化相關(guān)性強(qiáng)。因此，凍融期土壤鹽分變化的主控離子成分是Na+、Cl–與SO42–，對(duì)應(yīng)的鹽分為氯化鈉和硫酸鈉。

表4 研究區(qū)土壤含鹽量與各離子相關(guān)關(guān)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(yùn)移規(guī)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(guò)程（圖6）。若有特征長(zhǎng)度土柱，初始時(shí)刻溫度為1，鹽分分布均勻。共飽和點(diǎn)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(shè)土柱內(nèi)溫度呈線性分布，相變溫度為T（介于1和2之間）。熱力學(xué)平衡時(shí)，土柱內(nèi)各點(diǎn)水鹽的相態(tài)關(guān)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(shí)，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(shí)，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(dá)到平衡需要時(shí)間，因此適用于地溫變化緩慢的情況，本研究區(qū)表層地溫在快速凍結(jié)期和慢速凍結(jié)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(duì)更容易達(dá)到。因此可用水鹽體系相圖分析凍融過(guò)程中鹽分的變化?，F(xiàn)以實(shí)測(cè)資料土壤鹽分運(yùn)移的主要成分氯化鈉和硫酸鈉作為對(duì)象進(jìn)行分析。觀測(cè)資料顯示，土壤溶液中氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值為1.55%，硫酸鈉為2.01%，均低于各自對(duì)應(yīng)的共飽和點(diǎn)，如圖6b所示。在凍結(jié)過(guò)程中，土壤中鹽分的變化趨勢(shì)與初始1<S情況相同：凍結(jié)層先結(jié)冰，鹽分在凍結(jié)層溶液中含量升高，鹽分由低溫端向高溫端擴(kuò)散，向未凍結(jié)區(qū)排鹽，凍結(jié)層脫鹽。鹽分?jǐn)U散后，凍結(jié)層土壤溶液含量降低，溫度不變時(shí)，凍結(jié)層再次結(jié)冰，而后繼續(xù)排鹽。上述過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，凍結(jié)層內(nèi)鹽分排出形成冰透鏡體。注意到，硫酸鈉的共飽和點(diǎn)溫度僅為-1.2 ℃，監(jiān)測(cè)期地表最低溫為-8 ℃，因而硫酸鈉很可能在凍結(jié)過(guò)程析出溶液，而氯化鈉共飽和點(diǎn)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(yùn)移的影響?，F(xiàn)以溫度為2處的土壤為例，均衡時(shí)土壤SW為3（如圖6a所示），當(dāng)土壤繼續(xù)凍結(jié)，液態(tài)含水率下降，在負(fù)壓梯度下下層水分?jǐn)y帶鹽分由暖端進(jìn)入，若流入的溶液含量小于3時(shí)，則土壤溶液被稀釋，在負(fù)溫作用下，冰再次析出，此時(shí)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(yùn)移，如此，凍結(jié)層中的含鹽量不一定增加，可能出現(xiàn)脫鹽。而當(dāng)流入的溶液含量大于3時(shí)，土壤溶液含量升高，進(jìn)入不飽和區(qū)，含鹽量增加，若均衡時(shí)土壤含量為4，溶液析出鹽分，溶質(zhì)勢(shì)降低，若析出鹽分為結(jié)晶水合物，則液態(tài)含水率下降，水分?jǐn)y帶鹽分由暖端進(jìn)入，若流入的溶液含量低于4，則土壤溶液被稀釋，進(jìn)入不飽和區(qū)，含鹽量增加，若大于4，則土壤溶液含量升高，進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，鹽分繼續(xù)析出，含鹽量增加。由此可進(jìn)一步分析快速凍結(jié)期、慢速凍結(jié)期凍結(jié)層鹽分變化規(guī)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(jìn)行分析。

注：T1、T2分別為降溫過(guò)程始、末溫度，℃；Tf為水的凍結(jié)溫度，0 ℃；S1為土壤溶液的起始SW；S2為溫度為T1時(shí)飽和溶液的SW；SE為共飽和點(diǎn)E對(duì)應(yīng)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(shí)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(duì)比圖。無(wú)冰條件下，鹽分在水鹽體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)代表土壤溶液的含量?？焖賰鼋Y(jié)期，地下水位下降迅速，凍結(jié)層內(nèi)含水率增加。根據(jù)上文水分流動(dòng)對(duì)土壤鹽分影響的分析，初始時(shí)刻土壤濃度含量為正時(shí)（含量隨深度增加），鹽分隨水流進(jìn)入凍結(jié)層易發(fā)生積鹽。濃度梯度為負(fù)時(shí)（含量隨深度減?。陨隙碌膬鼋Y(jié)作用增強(qiáng)了鹽分梯度，水流帶入的鹽分會(huì)繼續(xù)運(yùn)移，因此凍結(jié)層內(nèi)不一定積鹽，甚至?xí)擕}。A#和H#附近土壤在凍結(jié)初期（2017年12月6日）2種鹽分的含量梯度在凍結(jié)層增長(zhǎng)段內(nèi)（0.2～0.8 m）均為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的鹽分含量顯著降低，凍結(jié)層以下（1.0～1.4 m）氯化鈉含量有增加的趨勢(shì)。G#附近土壤凍結(jié)層增長(zhǎng)段（0.2～0.8 m）氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為正（0.028%/m），該深度內(nèi)含水率增加的同時(shí)鹽分含量增加，發(fā)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(shí)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(nèi)氯化鈉和硫酸鈉鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度分別為-1.76%/m和-1.26%/m。因而凍結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

慢速凍結(jié)期凍結(jié)層內(nèi)的水流緩慢，鹽分的運(yùn)移以擴(kuò)散為主。由地溫觀測(cè)可知，該階段凍結(jié)層內(nèi)溫度梯度逐漸降低，并在階段末（2018年3月12日）凍結(jié)層上部溫度梯度向負(fù)值轉(zhuǎn)化。因此，該階段凍結(jié)層上部鹽分由自上而下排鹽逐步轉(zhuǎn)化為積鹽，而凍結(jié)層下部則可能出現(xiàn)輕微積鹽或鹽分含量保持不變。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2種輕度鹽化土凍結(jié)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(jié)層上部（0～0.3 m）硫酸鈉含量顯著增高。注意到A#附近凍結(jié)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(jiàn)大范圍鹽霜，說(shuō)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(jié)層從兩端開(kāi)始融化，厚度逐漸降低。受蒸發(fā)影響，凍結(jié)層上部含水率明顯下降，圖7中可見(jiàn)近地表處含鹽量有升高的趨勢(shì)，但如前文圖5所示，各井含鹽量未見(jiàn)顯著增加。融化期末，A#附近土壤含鹽量高，田間出現(xiàn)鹽殼。H#近地表土壤在凍結(jié)期脫鹽，剩余井土壤含鹽量低（如表3），因而鹽分表聚現(xiàn)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(fā)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(fù)，凍結(jié)層上部含冰率降低，液態(tài)含水率增加，土壤溶液含鹽量降低，誘導(dǎo)凍結(jié)層下部鹽分向上部運(yùn)移。凍結(jié)層下部的融化水淋濾土壤中的鹽分補(bǔ)給地下水，圖7中凍結(jié)層下部各監(jiān)測(cè)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(nèi)地下水礦化度下降。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)野外試驗(yàn)對(duì)凍融期土壤水鹽、地下水水鹽及鹽分離子組成進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)，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(guò)相關(guān)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(guò)二元水鹽體系相圖分析了凍融期不同階段主控鹽分的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)凍結(jié)層不同鹽分運(yùn)移現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了闡述。主要結(jié)論包括：

1）凍融期地溫梯度變化主要發(fā)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(fù)（從上到下地溫降低）。

2）地下水埋深在凍融期3個(gè)階段變化趨勢(shì)為快速增大-增大-減少，地下水礦化度變化趨勢(shì)為降低-升高-降低。按照含鹽量和離子組成，研究區(qū)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(xiàn)水鹽運(yùn)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(yùn)移作用的影響。

4）土壤中Na+、Cl–與SO42–與含鹽量相關(guān)系數(shù)高于0.9，且Na+與Cl–、SO42–的相關(guān)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(jù)二元水鹽體系相圖分析，凍結(jié)期，當(dāng)凍結(jié)前土壤溶液鹽分含量梯度為正（從上到下濃度增大）時(shí)，凍結(jié)層易積鹽（G#）；當(dāng)凍結(jié)前土壤溶液鹽分含量梯度為負(fù)時(shí)，凍結(jié)層可能會(huì)脫鹽（A#和H#）。融化期，凍結(jié)層內(nèi)地溫梯度為負(fù)值，鹽分由凍層下部向上部運(yùn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0403301）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51779178）；內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科技重大專項(xiàng)（213-03-99-303002-NSK2017-M1）

崔莉紅，博士生，主要從事凍融土壤水鹽規(guī)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(zhì)運(yùn)移轉(zhuǎn)化方面的研究。Email：zyan0701@163.com

崔莉紅，朱 焱，趙天興，楊金忠，伍靖?jìng)? 季節(jié)性凍融土壤鹽分離子組成與凍結(jié)層鹽分運(yùn)移規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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