潛水蒸發(fā)條件下土壤鹽分運(yùn)移模擬研究

王 明

（南昌藍(lán)水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，江西 南昌 330029）

0 引言

目前，全球鹽堿地面積已達(dá)9.54億hm2[1]，其中我國鹽堿地所占面積為9 913萬hm2[2]，主要分布在西北、東北、華北和濱海地區(qū)[3]。土壤鹽堿化作為限制土地資源利用的一個(gè)主要障礙，一直以來都是相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)。Feng[4]與石培君等[5]開展了暗管排水條件下農(nóng)田土壤水鹽調(diào)控研究；劉娟[6]和唐珧[7]等利用脫硫石膏為改良劑，研究了其對土壤的改良效果；余仕瓊[8]與孫佳等[9]研究濱海鹽堿地不同種植模式對土壤鹽堿地的改良效果；譚軍利[10]、史海濱[11]和崔建平[12]等主要通過開展不同灌水量與灌水頻次淋洗試驗(yàn)對土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。這些研究多集中在鹽堿地的治理機(jī)理研究及工程措施方面，而對鹽堿地形成機(jī)理研究較少，特別是高鹽度潛水蒸發(fā)機(jī)理方面研究較少。

本研究以新疆砂壤土為研究對象，通過建立土壤水鹽運(yùn)移模型，開展不同潛水礦化度與蒸發(fā)強(qiáng)度對土壤鹽分運(yùn)移的研究，探究不同潛水礦化度與大氣蒸發(fā)能力組合條件下的鹽分運(yùn)移機(jī)理，以期為土壤鹽堿化預(yù)防及治理提供一定的科學(xué)參考。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究內(nèi)容

本研究采用數(shù)值模擬方法對不同大氣蒸發(fā)能力與不同潛水礦化度組合條件下土壤鹽分運(yùn)移進(jìn)行模擬，分析蒸發(fā)強(qiáng)度與潛水礦化度對土壤含水率與含鹽量的分布情況，探討潛水位與蒸發(fā)強(qiáng)度條件下土壤積鹽規(guī)律。新疆是我國鹽堿化最重的地區(qū)，因此本研究土壤采用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師121團(tuán)境內(nèi)砂壤土，其土壤顆粒成分采用張驁[13]研究中的數(shù)據(jù)，土壤水力特性參數(shù)利用RETC軟件擬合得到，具體參數(shù)見表1。

本模擬時(shí)間跨度為60d，土壤選用純凈土壤，初始含水率為0.15cm3/cm3，潛水埋深為0.5m，據(jù)資料顯示，第八師所在石河子多年平均日蒸發(fā)量為4.1～6.6mm/d，地下水礦化度一般可達(dá)5～10g/L，局部地區(qū)達(dá)到25g/L[14～16]。因此，本次模擬的大氣蒸發(fā)能力選擇為5mm/d、10mm/d，地下水礦化度依次選擇為 5g/L、15g/L、25g/L，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合見表2。

表1 土壤水力特性參數(shù)

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合表

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 Hydrus-1D模型簡介

Hydrus-1D是由美國國家鹽土改良中心開發(fā)的一套用于模擬變飽和多孔介質(zhì)的水分、溶質(zhì)、能量運(yùn)移的數(shù)值模型，該模型的水流狀態(tài)為飽和-非飽和達(dá)西水流，忽略空氣對土壤水流運(yùn)動(dòng)的影響，水流控制方程采用Richards方程，溶質(zhì)運(yùn)移方程采用對流-彌散（CED）方程，模型方程求解采用Galerkin線性有限元法。

1.2.2 基本方程

（1）水分運(yùn)動(dòng)基本方程

土壤水分運(yùn)動(dòng)采用修正的Richards方程描述土壤水分運(yùn)動(dòng)：

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；t為時(shí)間，d；K（θ）為導(dǎo)水率，cm/d；h 為負(fù)壓水頭，cm；z為坐標(biāo)，cm；θr為殘余含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；θe為有效含水率，cm3/cm3；m，n，α均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，需通過試驗(yàn)獲得；Ks為飽和導(dǎo)水率，cm/d；l為孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，一般取0.5。

（2）鹽分運(yùn)動(dòng)基本方程

土壤鹽分運(yùn)動(dòng)采用一維對流—彌散方程描述土壤鹽分運(yùn)動(dòng)：

式中：θ為體積含水率，cm3/cm3；t為時(shí)間，d；z為坐標(biāo)，cm；c為溶質(zhì)濃度，g/cm3；D為水動(dòng)力彌散系數(shù)，cm2/d；q 為水流通量，cm/d；

1.2.3 初始條件與邊界條件

（1）水分運(yùn)動(dòng)初始條件與邊界條件：

初始條件：

上邊界條件：

下邊界條件：

式中：h0為初始負(fù)壓水頭，cm；qs為地表水分通量，cm/d；hb為下邊界負(fù)壓水頭，cm。

（2）鹽分運(yùn)動(dòng)初始條件與邊界條件：

初始條件：

上邊界條件：

下邊界條件：

式中：c0為初始土壤剖面鹽分質(zhì)量濃度，mg/cm3；cb為下邊界鹽分質(zhì)量濃度（一般為地下水鹽分濃度），mg/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤含鹽量的影響

圖1為不同蒸發(fā)歷時(shí)下各處理土壤剖面的含鹽量變化情況。隨著蒸發(fā)歷時(shí)的增加，土壤各層含鹽量均隨之增加。在鹽分增加過程中，土壤剖面存在一個(gè)明顯的分界點(diǎn)（20cm），20cm以上土壤含鹽量增加較快，20cm以下土壤含鹽量增加較慢。同一潛水礦化度水平，蒸發(fā)60d時(shí)，E2T1較E1T1、E2T2較E1T2和E2T3較E1T3表層最大土壤含鹽量分別多64.32mg/cm3、193.10mg/cm3和321.70mg/cm3，說明減少大氣蒸發(fā)能力，可以抑制潛水中鹽分向土壤耕作層運(yùn)移。

當(dāng)潛水礦化度增加時(shí)，各層土壤含鹽量也隨之增加。大氣蒸發(fā)能力為5mm/d時(shí)，E1T1、E1T2與E1T3在蒸發(fā)60d時(shí)，表層最大土壤含鹽量分別為42.08mg/cm3，126.20mg/cm3與 210.40mg/cm3，當(dāng)大氣蒸發(fā)能力為10mm/d時(shí)，E2T1、E2T2與E2T3在蒸發(fā)60d時(shí)，表層最大土壤含鹽量分別為 106.40mg/cm3，319.30mg/cm3與532.10mg/cm3?？梢?，當(dāng)潛水埋深較小時(shí)，潛水礦化度的增加會加劇潛水中鹽分向表層土壤積聚，并且隨著大氣蒸發(fā)能力的增加土壤鹽分向上遷移的速度更快[17]。

圖1 各組合的土壤含鹽量隨時(shí)間變化圖

2.2 不同處理對土壤累積含鹽量的影響

2.2.1 累積蒸發(fā)量

圖2顯示了不同大氣蒸發(fā)能力下的累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的過程。由圖可以發(fā)現(xiàn)，累積蒸發(fā)量隨著蒸發(fā)歷時(shí)的增加呈增加趨勢，E2系列的累積蒸發(fā)量高于E1系列。蒸發(fā)12d為蒸發(fā)的分界點(diǎn)，0～12d內(nèi)，E1系列和E2系列的土壤實(shí)際蒸發(fā)強(qiáng)度分別約為4.23mm/d和7.47mm/d；12～60d內(nèi)，E1系列和E2系列的土壤實(shí)際蒸發(fā)強(qiáng)度分別約為5.00mm/d和9.41mm/d。說明在實(shí)際蒸發(fā)過程中，土壤實(shí)際蒸發(fā)強(qiáng)度并不隨大氣蒸發(fā)能力等比增加，這是由于在蒸發(fā)過程中，影響土壤蒸發(fā)能力的除大氣蒸發(fā)能力因素以外，還受土壤毛管水作用，當(dāng)大氣蒸發(fā)能力大于毛管水作用時(shí)，實(shí)際蒸發(fā)能力主要受毛管水作用限制[18]。蒸發(fā)60d時(shí)，E1系列與E2系列的累積蒸發(fā)量分布為290.74mm/d與541.42mm/d。

圖2 不同大氣蒸發(fā)能力下累積蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化

2.2.2 累積含鹽量

不同處理下各土層土壤累積含鹽量的變化如圖3所示。由于0～20cm土層土壤鹽分積聚速率顯著高于20～50cm，故分別對其進(jìn)行分析。由圖3發(fā)現(xiàn)，各處理的累積含鹽量均呈0～20cm高于20～50cm。0～20cm土層土壤累積含鹽量在409.53～4 942.02mg/cm3之間，20～50cm土層土壤累積含鹽量在180.18～1 318.93mg/cm3之間。其中，0～20cm土層內(nèi)，不同大氣蒸發(fā)能力造成的累積含鹽量的增加在578.85～2 894.50mg/cm3之間；不同潛水礦化度造成的累積含鹽量的增加在1 637.99～3 953.64mg/cm3之間。20～50cm土層內(nèi)，不同大氣蒸發(fā)能力造成的累積含鹽量的增加在83.592～418.01mg/cm3之間；不同潛水礦化度造成累積含鹽量的增加在720.74～1 055.16mg/cm3之間。可見，高潛水位條件下，潛水高礦化度和高大氣蒸發(fā)能力都會加劇各層土壤累積含鹽量的增加，且0～20cm土層內(nèi)的累積含鹽量是20～50cm土層內(nèi)的1.27～2.75倍。

圖3 不同組合下各土層土壤累積含鹽量變化圖

2.3 累積蒸發(fā)量與土壤累積含鹽量的關(guān)系

圖4 土壤累積含鹽量隨土壤累積蒸發(fā)量變化圖

圖4為土壤累積含鹽量隨土壤累積蒸發(fā)量的變化情況，由圖4可以看出，0～20cm土層內(nèi)和20～50cm土層內(nèi)相同累積蒸發(fā)量條件下，各組合累積含鹽量均呈現(xiàn)：E2T3＞E1T3＞E2T2＞E1T2＞E2T1＞E1T1，但在 20～50cm 土層內(nèi)，E2T3 與 E1T3、E2T2 與 E1T2、E2T1 與E1T1相差較小?？梢姡?～20cm土層內(nèi)，土壤累積含鹽量受潛水礦化度與大氣蒸發(fā)能力影響較大；20～50cm土層內(nèi)，土壤累積含鹽量受潛水礦化度影響較小。這也說明，在作物幼苗期根系較淺時(shí)，應(yīng)盡可能控制大氣蒸發(fā)能力和高潛水礦化度對其的影響，在作物生長期及其后期，應(yīng)盡可能降低高礦化度的潛水位，減少其對作物根系的鹽漬影響。

通過對各處理的累積蒸發(fā)量與累積含鹽量數(shù)據(jù)的擬合，其擬合結(jié)果見表3。由表3可以看出，各處理累積蒸發(fā)量與0～20cm土層土壤累積含鹽量均呈高度正相關(guān)；E2T1、E2T2、E2T3 組合累積蒸發(fā)量與 20～50cm 土層土壤累積含鹽量均呈高度正相關(guān)，E1T1、E1T2、E1T3組合累積蒸發(fā)量與20～50cm土層土壤累積含鹽量均呈中度正相關(guān)。即土壤累積蒸發(fā)量越大，土壤累積含鹽量越大。

3 結(jié)論

通過利用新疆鹽堿地土壤參數(shù)，建立土壤水鹽運(yùn)移模型，研究兩種大氣蒸發(fā)能力與3種潛水礦化度組合條件下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，主要結(jié)論如下：

表3 不同處理累積蒸發(fā)量與累積含鹽量擬合關(guān)系表

（1）不同處理?xiàng)l件下土壤剖面含鹽量差異顯著，大氣蒸發(fā)能力越強(qiáng)、潛水礦化度越高，土壤剖面鹽分積聚越顯著。當(dāng)潛水礦化度由5g/L增加到25g/L時(shí)，在5mm/d和10mm/d的大氣蒸發(fā)能力條件下，蒸發(fā)60d時(shí)的表層土壤最大含鹽量分別為42.08～210.40mg/cm3和42.08～210.40mg/cm3。

（2）各處理累積蒸發(fā)量與0～20cm、20～50cm土層土壤累積含鹽量均呈中度及以上正相關(guān)，且0～20cm土層內(nèi)的累積含鹽量是20～50cm土層內(nèi)的1.27～2.75倍。相同累積蒸發(fā)量條件下，各處理累積含鹽量呈現(xiàn)：E2T3＞E1T3＞E2T2＞E1T2＞E2T1＞E1T1。

（3）在0～20cm土層內(nèi)，土壤累積含鹽量受潛水礦化度與大氣蒸發(fā)能力影響較大；20～50cm土層內(nèi)，土壤累積含鹽量受潛水礦化度影響較大。在作物幼苗期根系較淺時(shí)，應(yīng)采用覆膜和排水等措施，盡可能控制大氣蒸發(fā)能力和高潛水礦化度對其的影響；在作物生長期及其后期，應(yīng)盡可能降低高礦化度的潛水位，減少其對作物根系的鹽漬影響。