凍結(jié)作用下土壤電導(dǎo)率變化特征的室內(nèi)試驗研究

杜鑫鈺，陳軍鋒，翟小艷，高旭光，杜 琦

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西省水文水資源勘測局太谷均衡試驗站，山西 晉中 030800)

0 引 言

季節(jié)性凍土是一種含冰晶的特殊土水體系[1]。季節(jié)性凍融期，土壤凍融過程復(fù)雜，主要包括水分相變、水鹽運移與重分布、熱量傳輸以及凍脹等復(fù)雜的物理、化學和熱力學過程，且每一過程之間都存在相互耦合的關(guān)系[2,3]。土壤電導(dǎo)率能夠反映土壤鹽分、水分、質(zhì)地結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量及pH值等理化性質(zhì)[4-7]，對土壤質(zhì)量和生產(chǎn)性能有重要影響。因此，開展凍結(jié)作用下土壤電導(dǎo)率影響因素及其變化特征的研究對季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤鹽漬化防治具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，學者們從鹽堿土電導(dǎo)率的角度對土壤電導(dǎo)率的影響因素及變化特征進行了研究，土壤電導(dǎo)率與土壤中鹽分、水分、質(zhì)地結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、土壤壓實度、孔隙率、溫度和植物根系等因素有關(guān)，且主要受土壤含鹽量和含水率變化的影響[8-13]。土壤含鹽量與電導(dǎo)率之間呈線性相關(guān)性，電導(dǎo)率隨土壤含鹽量的增加而增大[14]。土壤電導(dǎo)率與含水率之間符合冪函數(shù)關(guān)系，且土壤含鹽量愈高土壤含水率增加對電導(dǎo)率的影響愈為顯著[15]。孫宇瑞[8]利用壤土分析了土壤含水率對土壤電導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明當土壤含水率變化范圍在15%～30%時，其對電導(dǎo)率影響最為顯著，電導(dǎo)率隨含水率的增加逐漸增加，當含水率超過30%后，電導(dǎo)率不再隨含水率增加而顯著增加。不同土壤中固體顆粒的大小、形狀、空間排列以及由此產(chǎn)生的土壤孔隙大小分布不同，在同一溫度和含水率條件下，土壤電導(dǎo)率隨土壤顆粒減小、黏粒含量的增加而增大[16]。王寧偉[17]等通過對3種不同塑性指數(shù)的土樣進行電導(dǎo)率試驗發(fā)現(xiàn)，土壤電導(dǎo)率隨塑性指數(shù)的增大而增加。施肥量也會影響土壤電導(dǎo)率，不同施氮量對不同鹽漬土電導(dǎo)率變化趨勢影響不同，輕度鹽分土壤中，電導(dǎo)率隨施氮量增加而降低，中度鹽分土壤中，電導(dǎo)率變化趨勢相反[18]。此外，學者們通過電滲試驗研究了溫度[19]、電勢梯度[20]和孔隙水含鹽量[21]對土壤電導(dǎo)率的影響。

可見，現(xiàn)有成果主要是針對非凍結(jié)條件下土壤電導(dǎo)率的影響因素及其變化特征的研究。在凍結(jié)作用下，土壤液態(tài)水發(fā)生相變，電導(dǎo)率隨之發(fā)生變化。為研究土壤凍結(jié)過程中電導(dǎo)率的變化特征，本文對3種質(zhì)地土壤在3種初始土壤含水率條件下的土壤電導(dǎo)率變化特征進行了研究，探討了土壤凍結(jié)過程中土壤液態(tài)含水率和土壤質(zhì)地對土壤電導(dǎo)率變化特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

室內(nèi)試驗土樣是山西省晉中盆地具有代表性的3種土樣，基本物理參數(shù)見表1。室內(nèi)試驗裝置主要由標準恒溫制冷槽、自制土樣筒及數(shù)據(jù)自動監(jiān)測采集系統(tǒng)組成，圖1為標準恒溫制冷槽及自制土樣筒。

表1 試驗土樣基本物理參數(shù)

圖1 標準恒溫制冷槽及自制土樣筒

試驗采用上海四瑞儀器有限公司生產(chǎn)的RTS-30A型標準恒溫制冷槽(溫度控制精度為0.01 ℃)進行-30 ℃恒溫凍結(jié)(土樣初始溫度20 ℃)，凍結(jié)進行380 min時土樣溫度達到-30 ℃，試驗結(jié)束。自制土樣筒規(guī)格為高300 mm，內(nèi)徑120 mm的不銹鋼筒，底部焊接密封，上部用中心留有TDR探頭插孔的不銹鋼密封蓋密封。數(shù)據(jù)自動監(jiān)測采集系統(tǒng)由北京奧作儀器公司生產(chǎn)的時域反射儀(以下簡稱TDR)和DT80數(shù)據(jù)采集器組成，TDR測量精度：土壤液態(tài)含水率測量精度為0.01%，土壤溫度測量精度為0.1 ℃，電導(dǎo)率測量精度為0.01 dS/m。

1.2 試驗方案

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)設(shè)置3種土壤質(zhì)地，分別為1號沙土(S)、2號沙壤土(R)和3號黏土(N)，副區(qū)設(shè)置3種不同初始含水率，每種土樣的初始含水率均為10%、15%、20%，共9種處理(S10、S15、S20、R10、R15、R20、N10、N15、N20)。

試驗時，土樣按天然容重填裝，自制土樣筒內(nèi)裝填配制好的試驗土樣高15 cm，裝填完畢后，將土樣筒與中心連有TDR探頭的不銹鋼密封蓋用防水膠黏貼牢固，保證土樣筒處于密封狀態(tài)，如圖2所示。為確保土體連續(xù)均勻，將密封土柱在室溫條件下靜置24 h后再放入標準恒溫制冷槽內(nèi)，并倒入工作介質(zhì)(無水乙醇)，進行土壤凍結(jié)試驗。通過TDR傳感器自動監(jiān)測凍結(jié)過程中的土壤液態(tài)含水率(M)、土壤電導(dǎo)率(EC)、土壤溫度(T)及時間(Ti)，利用DT80數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集頻率為20 min/次。

圖2 密封土樣筒

2 結(jié)果分析

2.1 土壤液態(tài)含水率與土壤電導(dǎo)率變化特征

凍結(jié)過程中，3種質(zhì)地土壤的液態(tài)含水率和電導(dǎo)率隨凍結(jié)時間的變化曲線分別見圖3和圖4?？梢?，土壤液態(tài)含水率和土壤電導(dǎo)率均隨凍結(jié)時間增加逐漸減小，2者變化趨勢均經(jīng)歷了快速下降(凍結(jié)0～120 min)-緩慢下降(凍結(jié)120～320 min)-穩(wěn)定變化(凍結(jié)320～380 min)的階段。

圖3 土壤液態(tài)含水率隨凍結(jié)時間變化曲線

圖4 土壤電導(dǎo)率隨凍結(jié)時間變化曲線

凍結(jié)過程中土壤溫度、液態(tài)含水率和電導(dǎo)率特征值見表2。在3種不同初始土壤含水率條件下，凍結(jié)0～120 min土壤液態(tài)含水率和電導(dǎo)率均呈快速下降趨勢，此時3種質(zhì)地土壤溫度降幅分別為24～25.9 ℃、24～25.8 ℃和24～26.5 ℃。凍結(jié)負溫一定時，由于黏土平均粒徑較沙壤土和沙土小，土粒表面吸附作用力較強，所以凍結(jié)120 min時黏土液態(tài)含水率最高，N10、N15和N20處理的液態(tài)含水率分別為6.67%、8.39%和10.53%，分別較相同處理下的沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，此時9種處理條件下的土壤電導(dǎo)率降幅為0.62～1.42 dS/m。隨凍結(jié)時間增加，土壤中液態(tài)含水率和電導(dǎo)率繼續(xù)下降，凍結(jié)120～320 min兩者均呈緩慢下降趨勢。當凍結(jié)時間達到320 min時，9種不同處理條件下的土壤溫度分別降至-24.9～-25.5 ℃，此時土壤液態(tài)含水率和電導(dǎo)率均進入穩(wěn)定變化階段，不同處理條件下的液態(tài)含水率降幅低于0.49%，土壤電導(dǎo)率降幅低于0.1 dS/m。由于土顆粒和冰的表面吸附作用導(dǎo)致土壤中水的化學勢降低，土壤中始終存在一部分未凍水，其以薄膜水形式存在于土顆粒與冰之間，因此整個凍結(jié)過程中液態(tài)含水率均大于0。土壤吸附水含量隨土顆粒粒徑的減小和比表面積的增大而增大，而黏粒顆粒粒徑小，比表面積大，初始土壤含水率相同時，土壤黏粒含量越多，液態(tài)含水率越大，因此凍結(jié)結(jié)束時，黏土液態(tài)含水率最大，N10、N15和N20處理的液態(tài)含水率分別為2.45%、3.73%、4.47%。

表2 凍結(jié)過程中不同處理條件下土壤溫度、液態(tài)含水率和電導(dǎo)率特征值

2.2 土壤液態(tài)含水率對土壤電導(dǎo)率的影響

由以上分析可知，整個凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率和液態(tài)含水率變化趨勢一致。土壤內(nèi)部導(dǎo)電方式共有固相表面導(dǎo)電、固-液相串聯(lián)耦合導(dǎo)電和大孔隙連續(xù)液相導(dǎo)電3種[22,23]，3者不同之處在于土壤中液態(tài)含水率的不同，因此在土壤顆粒組成、有機質(zhì)含量及含鹽量等影響因素一定條件下，土壤電導(dǎo)率受液態(tài)含水率影響。由圖3、圖4和表2可知，快速下降階段土壤液態(tài)含水率較高，土壤電導(dǎo)率也表現(xiàn)出相對較高的特征，相同質(zhì)地土壤液態(tài)含水率越大，電導(dǎo)率越大，凍結(jié)120 min時S20、R20和N20處理的電導(dǎo)率分別為1.46、1.91和2.08 dS/m，較S10、R10和N10處理的電導(dǎo)率分別高0.49、0.74和0.28 dS/m。隨凍結(jié)時間增加，土壤溫度逐漸降低，使得土壤中鹽分電離程度減小。導(dǎo)電離子數(shù)目減少，此外，凍結(jié)作用下，土柱中液態(tài)水逐漸相變成冰，離子運動受阻，遷移率降低，導(dǎo)致土壤導(dǎo)電由固相表面導(dǎo)電、固-液相串聯(lián)耦合導(dǎo)電和大孔隙連續(xù)液相導(dǎo)電3種方式變?yōu)橹饕赝令w粒表面導(dǎo)電和固-液相串聯(lián)耦合導(dǎo)電2種，因此液態(tài)含水率降低，電導(dǎo)率也隨之降低。由表2可知，土壤溫度降為-30 ℃時2者均降至最低值，其中黏土電導(dǎo)率降幅最大，N10、N15和N20處理的電導(dǎo)率降幅分別為2.04、2.42和2.47 dS/m，且初始土壤含水率越高，電導(dǎo)率降低值越大，S20、R20和N20處理的電導(dǎo)率降低值分別為2.11、2.50和2.47 dS/m，顯著高于S10、R10和N10處理。

2.3 土壤質(zhì)地對土壤電導(dǎo)率的影響

圖5為凍結(jié)過程中3種初始土壤含水率、不同質(zhì)地土壤的電導(dǎo)率隨凍結(jié)時間的變化曲線。凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率與土壤質(zhì)地有密切關(guān)系，沙質(zhì)土壤較黏質(zhì)土壤含有較多電阻率高的礦物成分，在相同初始土壤含水率和凍結(jié)時長條件下，沙性土壤電導(dǎo)率小于黏性土壤電導(dǎo)率；另一方面土顆粒中粉粒和黏粒含量越多，土壤的孔隙越小，而土壤中孔隙液與土顆粒的連通性將越強，使得固相表面導(dǎo)電通路增多，導(dǎo)電性增強。由表2可知，凍結(jié)結(jié)束時N10、N15和N20處理的土壤電導(dǎo)率最大，分別為0.70、0.77和0.86 dS/m，S10、S15和S20處理的土壤電導(dǎo)率最小，分別為0.41、0.65和0.77 dS/m。凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率受土壤質(zhì)地影響，表現(xiàn)為黏土電導(dǎo)率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，土壤電導(dǎo)率越高。

圖5 相同初始含水率條件下不同質(zhì)地土壤電導(dǎo)率隨凍結(jié)時間變化曲線

2.4 土壤液態(tài)含水率與土壤電導(dǎo)率的變化關(guān)系

凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率主要受土壤液態(tài)含水率和土壤質(zhì)地的影響，且受土壤液態(tài)含水率的影響更大[24]，在同種質(zhì)地土壤中，電導(dǎo)率隨土壤液態(tài)含水率的減小而減小。通過對凍結(jié)過程中不同質(zhì)地土壤在不同土壤液態(tài)含水率條件下的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)果表明凍結(jié)過程中土壤電導(dǎo)率與土壤液態(tài)含水率較好地符合如下對數(shù)函數(shù)關(guān)系：

EC=Aln(M)+B

(1)

式中：EC為土壤電導(dǎo)率，dS/m；M為凍結(jié)過程中土壤液態(tài)含水率，%；A、B為回歸系數(shù)，與土壤質(zhì)地有關(guān)。

圖6為土壤電導(dǎo)率隨土壤液態(tài)含水率變化的擬合曲線。對9種不同處理條件下的土壤電導(dǎo)率擬合曲線進行回歸分析，分析結(jié)果見表3。在給定顯著性水平α(α=0.05)下，F(xiàn)0.05(p，N-p-1)=F0.05(1，18)=4.41，由方差分析結(jié)果可知，F(xiàn)值均大于F0.05(1，18)，且顯著性值均小于0.05，所以方程回歸顯著。對數(shù)函數(shù)擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.910，說明凍結(jié)過程中土壤電導(dǎo)率隨土壤液態(tài)含水率的變化較好地符合對數(shù)函數(shù)的關(guān)系，且沙壤土擬合效果較好，R2均大于0.945。由表3可以看出，回歸系數(shù)A隨土壤顆粒粒徑的減小而增大，表明凍結(jié)過程中隨著土壤粒徑的減小，土壤電導(dǎo)率的下降速率隨液態(tài)含水率的減小加快；B的絕對值隨土壤粒徑的減小而增大，說明隨著土壤液態(tài)含水率的降低，土壤粒徑越小，土壤電導(dǎo)率越大，與表2結(jié)果一致。

圖6 不同處理條件下土壤電導(dǎo)率與液態(tài)含水率變化擬合曲線

表3 回歸方程顯著性檢驗方差分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)凍結(jié)作用下，土壤液態(tài)含水率和土壤電導(dǎo)率均隨凍結(jié)時間增加而減小。凍結(jié)120 min時，3種初始土壤含水率條件下，黏土液態(tài)含水率分別較沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，且整個凍結(jié)過程中9種處理的液態(tài)含水率均大于0。凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率隨土壤液態(tài)含水率的降低而減小，土壤溫度降為-30 ℃時，電導(dǎo)率降至最低值，且初始土壤含水率越大，土壤電導(dǎo)率降低值越大。

(2)凍結(jié)過程中，土壤電導(dǎo)率受土壤質(zhì)地影響，表現(xiàn)為黏土電導(dǎo)率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，電導(dǎo)率越高。初始土壤含水率為20%條件下，凍結(jié)結(jié)束時黏土、沙壤土和沙土電導(dǎo)率分別為0.86、0.80和0.77 dS/m。

(3)凍結(jié)作用下土壤液態(tài)含水率與土壤電導(dǎo)率滿足對數(shù)方程關(guān)系，且沙壤土擬合效果較好，R2均大于0.945；模型回歸系數(shù)A和B的絕對值與土壤粒徑大小密切相關(guān)，均隨土壤平均粒徑的減小而增大。

本研究僅對沙土、沙壤土和黏土3種質(zhì)地土壤進行了分析，下一步研究將增加土壤質(zhì)地種類進一步對模型回歸系數(shù)A、B與土壤粒徑大小的關(guān)系進行定量化研究，以探求土壤粒徑大小對土壤電導(dǎo)率變化特征的影響。