劉 磊， 陳軍鋒， 呂棚棚， 趙德星， 杜 琦

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省水文水資源勘測總站太谷均衡實驗站，山西 太谷 030800）

土壤鹽漬化的形成受自然環(huán)境和人類活動兩者共同影響。我國約有3.6×107hm2的鹽漬化土地，占全國可利用土地面積的4.88%［1］。在干旱半干旱地區(qū)，降雨少而蒸發(fā)強烈，鹽分隨著水分不斷向地表處聚集，季節(jié)性凍融循環(huán)更是加劇了這一過程［2-3］。已有研究表明，地下水埋深［4-5］、土壤物理特性［6］、灌溉等均會影響土壤剖面鹽分的分布。其中，地下水埋深是影響土壤鹽漬化的重要影響因素［7-10］，地下水埋深越淺，土壤積鹽越嚴(yán)重，二者之間滿足指數(shù)關(guān)系［11-13］。明廣輝等［4］分析了非凍期不同地下水埋深下土壤鹽分聚集特征。陳乃嘉等［14］認(rèn)為溫度梯度和蒸發(fā)作用是凍融作用下影響土壤水鹽運移的主要因素。李生偉［15］從鹽漬土試驗、水鹽遷移機(jī)理、鹽漬土力學(xué)性質(zhì)、治理及改良措施等方面進(jìn)行了總結(jié)。張殿發(fā)等［16］認(rèn)為凍結(jié)過程中土壤鹽分由下部非凍層向上部凍結(jié)層運移。而邱國慶等［17］發(fā)現(xiàn)由于凍結(jié)鋒面附近土壤鹽分濃度較高，凍結(jié)過程中鹽分由凍結(jié)層向非凍層運移。張彧等［18］研究發(fā)現(xiàn)在凍融過程中土壤鹽分在地表及地下1.0～2.5 m范圍內(nèi)會出現(xiàn)2個鹽分聚集區(qū)域。靳志鋒等［19］通過膜下滴灌棉田試驗發(fā)現(xiàn)消融期土壤水分較為活躍，土壤鹽分變化量較大。

土壤鹽分是由多種可溶性鹽分離子及不溶性鹽分組成，凍融過程中土壤可溶性鹽分及離子的變化特征對于季節(jié)性凍土區(qū)土壤鹽漬化改善［20-21］、農(nóng)作物生長［22］及水資源的合理開發(fā)利用具有一定的現(xiàn)實意義。本文以地中蒸滲儀系統(tǒng)為試驗設(shè)備，對凍融期土壤可溶性鹽分離子含量進(jìn)行測定，探尋不同地下水埋深下土壤鹽分離子在凍融過程中的分布及變化特征，旨在為干旱半干旱季節(jié)性凍土區(qū)土壤鹽漬化防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省水文水資源勘測總站太谷均衡實驗站，地理位置為37°26′N、112°30′E，海拔高度777 m，地處太原盆地東部，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，多年平均（1954—2017 年）氣溫10.1 ℃，多年平均降水量452.1 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1627.9 mm，多年平均風(fēng)速0.9 m·s-1，多年平均相對濕度72%，多年平均凍深34～70 cm。歷史最大凍深為92 cm（1960 年）［23］，近5 a 內(nèi)最大凍深為70 cm（2016 年）。試驗期間（2020年11 月15 日至2021年3月15日）氣象變化見圖1。

圖1 試驗期間主要氣象因子變化Fig.1 Changes of main weather conditions during the experiment

1.2 試驗方法

試驗于2020 年11 月至2021 年3 月于山西省水文水資源勘測總站太谷均衡實驗站進(jìn)行，試驗設(shè)備為蒸滲儀系統(tǒng)，土壤為均質(zhì)砂壤土，具體參數(shù)見表1，地下水埋深分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m。根據(jù)前人的劃分依據(jù)［23-24］及2020—2021年凍融期土壤凍融特征將土壤凍融過程劃分為3個階段：不穩(wěn)定凍結(jié)階段（2020年11月15日至2020年12月3日）、穩(wěn)定凍結(jié)階段（2020年12月4日至2021年2 月4 日）和消融解凍階段（2021 年2 月5 日至2021年3月12日）。為了保證蒸滲儀系統(tǒng)土柱免遭破壞，選取3 個凍融階段中具有代表性的1 d，取土進(jìn)行土壤含水率及鹽分離子的監(jiān)測，分別為2020年11月18日（D1）、2021年1月9日（D2）和2021年3月6 日（D3）。監(jiān)測深度依次為0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm、175 cm、200 cm，其中0.5 m、1.0 m、1.5 m 埋深下最大監(jiān)測深度分別為50 cm、100 cm、150 cm，2.0 m、2.5 m及3.0 m埋深下最大監(jiān)測深度為200 cm。

表1 土壤物理特征參數(shù)Tab.1 The parameter of soil physical characteristic

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面鹽分離子相關(guān)性分析

表2 土壤剖面鹽分離子間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between salt ions in soil profile

2.2 土壤剖面水分變化特征

由圖2可見，在凍結(jié)過程中，0.5～2.0 m埋深下由于凍結(jié)層全部處于最大毛細(xì)水的上升范圍內(nèi)，整個土壤剖面土壤含水率均增加；2.5 m及3.0 m埋深下，由于凍結(jié)深度未達(dá)到最大毛細(xì)水的上升高度范圍內(nèi)，水分遷移主要發(fā)生在土壤水帶及中間帶，毛細(xì)水變化量很?。?6-27］，土壤水分僅在0～40 cm 增加，40～200 cm土壤水分基本保持不變。其中不穩(wěn)定凍結(jié)階段土壤溫度梯度較大，土壤水分運移速率較快，穩(wěn)定凍結(jié)階段土壤溫度梯度減小，土壤水分運移速率減慢［23,27］。因此，在D1-D2過程中，0.5～2.0 m埋深下土壤水分主要在0～40 cm增加。消融解凍階段凍結(jié)層雙向融化，地表蒸發(fā)強烈，所以D2-D3 過程中0.5～2.0 m 埋深下土壤水分主要由下部凍結(jié)層向上部消融鋒面0～20 cm 運移，下部凍結(jié)層及凍結(jié)層下部土壤水分下降；2.5 m 及3.0 m 埋深下土壤水分僅在凍結(jié)層0～30 cm增加，在30～200 cm水分進(jìn)行了重分布。

圖2 凍融作用下不同地下水埋深下土壤含水率垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil water content under different groundwater depths during freezethaw period

2.3 凍融作用下土壤鹽分離子變化特征

圖3 凍融作用下不同地下水埋深下5個離子垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of the five irons under different groundwater depths during freeze-thaw period

2.4 凍融作用下土壤含鹽量變化特征

圖4 為凍融作用下土壤含鹽量垂向分布特征，在不穩(wěn)定凍結(jié)階段至穩(wěn)定凍結(jié)階段（D1-D2），0.5 m埋深下土壤含鹽量在凍結(jié)作用下進(jìn)行了重分布，主要由中間凍結(jié)層5～35 cm向上部地表0～5 cm及下部35～50 cm 運移；1 m 埋深下土壤含鹽量主要在0～60 cm 凍結(jié)層增加，下部70～100 cm 非凍層土壤含鹽量基本保持不變；1.5 m、2.0 m及2.5 m埋深下，整個垂向剖面土壤含鹽量不斷增加，但土壤含鹽量變化值增加量隨地下水埋深增加逐漸變??；3.0 m埋深下土壤含鹽量基本保持不變。在穩(wěn)定凍結(jié)階段至消融解凍階段（D2-D3），隨著凍結(jié)層的消融以及強烈的土壤蒸發(fā)，0.5 m埋深下整個凍結(jié)層中土壤含鹽量增加；1.0 m 埋深下土壤含鹽量僅在上部凍結(jié)層0～20 cm增加，其他埋深下基本不發(fā)生變化；1.5 m埋深下上部凍結(jié)層0～30 cm 中土壤含鹽量增加，下部凍結(jié)層30～52 cm及下部非凍層55～150 cm土壤含鹽量減少；2.0 m、2.5 m埋深下土壤含鹽量在上部凍結(jié)層0～20 cm 增加，凍結(jié)層下部40～120 cm 土壤含鹽量減少；3.0 m埋深下土壤含鹽量基本保持不變。

圖4 凍融作用下不同地下水埋深下土壤含鹽量垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil salt content under different groundwater depths during freeze-thaw period

可見，土壤含鹽量隨著地下水埋深增加逐漸減小，當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.0 m時，土壤含鹽量變化值很小，可認(rèn)為在凍融過程中當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.0 m時土壤含鹽量基本不受地下水的影響，僅在剖面上進(jìn)行重分布。當(dāng)凍結(jié)層深度處于最大毛細(xì)水上升高度范圍內(nèi)時，土壤含鹽量主要在凍結(jié)層積聚；當(dāng)凍結(jié)層深度未達(dá)到最大毛細(xì)水上升高度范圍內(nèi)時，凍結(jié)層對于土壤鹽分的運移起著阻礙作用，土壤總鹽分含鹽量主要積聚在凍結(jié)層下部。

3 結(jié)論

本文通過凍融期3個不同凍融階段下地中蒸滲儀中土壤鹽分及離子監(jiān)測試驗，分析了凍融期6 種不同地下水埋深下土壤鹽分及離子變化特征，得出以下結(jié)論：

（3）當(dāng)凍結(jié)層全部處于最大毛細(xì)水上升高度范圍內(nèi)時，土壤含鹽量在凍結(jié)層積聚；當(dāng)凍結(jié)層未達(dá)到最大毛細(xì)水上升高度范圍時，凍結(jié)層對土壤鹽分運移起阻礙作用，土壤含鹽量主要積聚在凍結(jié)層下部及地表。

（4）凍結(jié)階段土壤鹽分主要由非凍層向凍結(jié)層進(jìn)行運移，消融階段土壤鹽分由消融鋒面不斷向上向下運移。隨著地下水埋深的增加，土壤含鹽量增加值逐漸降低，土壤含鹽量與地下水埋深呈反比關(guān)系。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.0 m 時，土壤含鹽量在凍融過程中基本不受地下水影響。