不同初始鹽分濃度下土壤鹽結(jié)皮的形成過程及其對蒸發(fā)的影響機(jī)理

唐 洋， 李新虎， 郭 敏， 王弘超

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆阿克蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，新疆 阿克蘇 843017；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

鹽漬化會引起土壤退化，對環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大影響，是我國西北干旱、半干旱區(qū)面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一［1-2］。在干旱、半干旱區(qū)，由于土壤水分的蒸發(fā)使得易溶性鹽分聚集與地表土壤顆粒結(jié)晶膠結(jié)形成土壤鹽結(jié)皮［3］。鹽結(jié)皮具有含鹽量高、硬度大等特點(diǎn)，對土壤水文、土壤風(fēng)蝕過程、植被分布等具有重要影響，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［4］。土壤蒸發(fā)是水分循環(huán)的重要組成部分，明確土壤蒸發(fā)過程及機(jī)理對于精確定量描述干旱區(qū)水分循環(huán)過程有著重要的理論和實(shí)際意義。由于干旱區(qū)鹽結(jié)皮廣泛分布，因此揭示鹽結(jié)皮土壤的蒸發(fā)過程及機(jī)理也成為熱點(diǎn)問題。

國內(nèi)外針對鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的影響進(jìn)行了大量的研究，例如：Shimojima 等［5］研究發(fā)現(xiàn)，在10 g·L-1NaCl 溶液處理下，不同多孔介質(zhì)（砂、玻璃珠）的蒸發(fā)分別比無鹽處理的蒸發(fā)低了70%和30%。Nassar等［6］對比壓實(shí)與松散土壤分別在1.11 mol·kg-1KCl溶液與蒸餾水處理下的蒸發(fā)速率，發(fā)現(xiàn)有鹽處理下壓實(shí)與松散土壤蒸發(fā)分別下降了5%與22%。Li等［7］研究發(fā)現(xiàn)，20 g·L-1NaCl溶液處理下的土壤蒸發(fā)相比無鹽處理下降了60%。Chen［8］對比20 g·L-1NaCl 溶液處理與無鹽處理，發(fā)現(xiàn)有鹽處理下蒸發(fā)降低了98%。Nachshon 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，50 g·L-1NaCl 溶液處理下細(xì)砂的蒸發(fā)相對于無鹽處理下降了17%。上述研究結(jié)果差異雖然較大，但均表明鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)具有明顯的抑制作用，部分研究中鹽結(jié)皮對水分蒸發(fā)的抑制甚至高于其他研究數(shù)倍。部分研究［10-12］發(fā)現(xiàn)溶液初始鹽分濃度（Initial salt concentration,ISC）越高，鹽結(jié)皮出現(xiàn)在土壤表面的時間越早，鹽結(jié)皮覆蓋率增長越快。本文作者據(jù)此假設(shè)ISC越高，鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的影響越早且越大。此外，鹽結(jié)皮會對土表溫度有顯著影響，進(jìn)一步影響土壤蒸發(fā)［13］，但是目前有關(guān)鹽結(jié)皮對土表溫度的影響還存在爭議。有學(xué)者［14-16］認(rèn)為鹽結(jié)皮會導(dǎo)致土壤反照率的增加，減少能量輸入，引起土表溫度降低。而另一部分學(xué)者［17-18］認(rèn)為，鹽結(jié)皮形成過程中會釋放熱量，增大能量輸入，引起土表溫度升高。

盡管國內(nèi)外針對鹽結(jié)皮對蒸發(fā)的影響進(jìn)行了大量的研究，但是由于試驗(yàn)條件不一致（例如ISC），導(dǎo)致研究結(jié)果差異較大，鹽結(jié)皮對溫度的影響仍存在爭議。目前，缺乏對不同ISC 下鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的系統(tǒng)研究。因此，本文設(shè)置不同ISC，動態(tài)監(jiān)測及分析不同ISC處理下砂土的鹽結(jié)皮形成、蒸發(fā)、土表溫度變化規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)研究與理論分析，明確不同ISC 下鹽結(jié)皮形成過程及其對土壤蒸發(fā)的影響，以期拓展對鹽漬化土壤蒸發(fā)過程的理解，為土壤演化過程和水分循環(huán)的定量描述提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

供試土壤取自新疆塔里木盆地北緣（40°39′N、80°49′E），其中粉粒、砂粒和黏粒分別占8.43%、91.33%和0.24%。按美國農(nóng)業(yè)部制土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤質(zhì)地為砂土，中值粒徑D50=100.63 μm，土壤容重為1.56 g·cm-3，飽和導(dǎo)水率為440.37 cm·d-1，飽和含水率為39.67%（σ=0.55%）。

首先用自來水自下而上清洗供試土壤，當(dāng)電導(dǎo)率穩(wěn)定在600 μS·cm-1左右（自來水電導(dǎo)率）時，改用蒸餾水自下而上緩慢洗去供試土壤鹽分（電導(dǎo)率小于50 μS·cm-1）。將洗好后的供試土壤風(fēng)干、過2 mm 篩，均勻填裝在亞克力管內(nèi)（高35 cm，內(nèi)徑10 cm）（圖1），在亞克力管底部5 cm填充濾石（直徑4～6 mm）。設(shè)置6 個ISC 水平處理，分別為0 g·L-1（對照）、10 g·L-1、40 g·L-1、80 g·L-1、150 g·L-1與250 g·L-1NaCl 溶液，每個處理設(shè)置3 個重復(fù)（共18 個土柱）。利用不同ISC 的溶液自下往上對土柱進(jìn)行緩慢飽和，待到溶液漫過土壤表面后，停止水分流入，再封住土壤表面以減小蒸發(fā)，打開土柱上部閥門，充分飽和48 h，以保證氣泡充分排出。飽和完成后，打開土柱下部閥門，溶液緩慢流盡，此時土柱初始飽和完成。所有土柱外部均包裹一層隔熱膜，以減少外界溫度對土壤溫度的影響。土表上方38 cm處均有一盞鹵素?zé)簦?0 W）用于提供熱量驅(qū)動蒸發(fā)。蒸發(fā)過程通過自動稱重平臺（型號WP20，北京時域通科技有限公司）測定，將自動稱重平臺連接到數(shù)據(jù)采集器（型號i-logger，北京時域通科技有限公司）記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔為5 min，整個試驗(yàn)周期為25 d。試驗(yàn)過程中，利用數(shù)碼相機(jī)（型號ILCE-6000，索尼數(shù)字產(chǎn)品有限公司）與紅外熱成像儀（型號FLIR T540）于每天10:00、14:00與22:00拍照，從而動態(tài)監(jiān)測土壤表面鹽結(jié)皮覆蓋面積與土表溫度動態(tài)變化過程［19］。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment setup

利用FLIR Tools 軟件處理紅外照片，得到土壤表面溫度，用ImageJ 軟件計算鹽結(jié)皮覆蓋率［19］。試驗(yàn)結(jié)束后，將土壤表面的鹽結(jié)皮分離、溶解、過濾后稱重得到最終鹽結(jié)皮含鹽量。

蒸發(fā)抑制效率是指在土壤蒸發(fā)過程中某些指標(biāo)抑制土壤水分蒸發(fā)的能力［14,20-21］。本研究引入抑制效率來衡量不同處理下鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用。試驗(yàn)期間土壤日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)抑制效率計算方法如下：

式中：EDt為第t天的土壤日蒸發(fā)量（mm）；t為蒸發(fā)天數(shù)（d）；M為日蒸發(fā)質(zhì)量（當(dāng)日土柱質(zhì)量與次日土柱質(zhì)量之差）（g）；ρw為水的密度（1 g·cm-3）；r為亞克力管的半徑（cm）；ECt為第t天的土壤累積蒸發(fā)量（mm）；I為鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的抑制效率（%）；EC0為對照土壤累積蒸發(fā)量（mm）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016與SPSS 26軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行處理間的差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），使用Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同初始鹽分濃度下鹽結(jié)皮形成發(fā)育過程

由圖2可知，ISC越高，鹽結(jié)皮越早出現(xiàn)，且鹽結(jié)皮覆蓋率增長越快。鹽結(jié)皮的演化過程可分為3個階段：第1 階段，少量的鹽分結(jié)晶在土壤表面出現(xiàn)，且隨著ISC 的升高，鹽分結(jié)晶出現(xiàn)在土表的天數(shù)越早，分別為2.5 d、1 d、0.5 d、0.45 d和0.2 d，而對照處理一直無鹽分結(jié)晶出現(xiàn)；第2 階段，鹽結(jié)皮迅速增長，隨著ISC的升高，鹽結(jié)皮覆蓋率越快達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)（鹽結(jié)皮覆蓋率增長速率很低），且達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)時的鹽結(jié)皮覆蓋率越大。10～250 g·L-1處理達(dá)到相對穩(wěn)定時的覆蓋率分別為4.04%、48.99%、89.72%、90.12%和98.39%，天數(shù)分別為9 d、6 d、5 d、5 d和2 d；第3階段，鹽結(jié)皮相對穩(wěn)定，10 g·L-1與40 g·L-1處理下鹽結(jié)皮覆蓋率保持相對穩(wěn)定，但80～250 g·L-1處理在蒸發(fā)12 d、14 d和10 d后，鹽結(jié)皮發(fā)生破裂，覆蓋率略有下降。10～250 g·L-1處理下鹽結(jié)皮所含鹽分分別為1.13 g、5.57 g、14.00 g、16.23 g 和21.97 g。

圖2 不同初始鹽分濃度下土壤鹽結(jié)皮覆蓋率的變化過程Fig.2 Variation process of soil salt crust coverage under different initial salt concentrations

鹽結(jié)皮出現(xiàn)在土表天數(shù)的預(yù)估值見圖3（R2=0.7385）。由圖3可知，ISC越高，鹽結(jié)皮出現(xiàn)在土表的時間就越早。

圖3 不同初始鹽分濃度下鹽結(jié)皮出現(xiàn)天數(shù)的實(shí)測值與預(yù)測值Fig.3 Measured value and predicted value of days of salt crust under different initial salt concentrations

2.2 不同初始鹽分濃度下土壤蒸發(fā)過程

2.2.1 土壤日蒸發(fā)過程由圖4 可知，除了10 g·L-1與40 g·L-1處理，其他處理間的土壤日蒸發(fā)量均差異顯著（P＜0.05）。隨著天數(shù)的變化，對照和有鹽處理下土壤日蒸發(fā)量均呈下降趨勢，且日蒸發(fā)量變化過程均可分為3 個階段，但3 個階段所對應(yīng)的土壤蒸發(fā)過程存在較大差異。對照處理下土壤蒸發(fā)的第1階段（S1）為1～8 d，此階段土壤供水能力可充分滿足蒸發(fā)需求，土壤表面始終保持濕潤，故此階段日蒸發(fā)量恒定且較高，日均蒸發(fā)量為7.43 mm·d-1；9～17 d 為第2 階段（S2），該階段土壤的供水能力已無法滿足蒸發(fā)需求，大部分淺層毛管水?dāng)嗔?，日蒸發(fā)量由6.03 mm·d-1迅速降至1.10 mm·d-1；第3階段（S3）為18～25 d，此時淺層土體內(nèi)的毛管孔隙完全斷裂，土壤表面完全干燥，土壤蒸發(fā)以水汽擴(kuò)散為主，日蒸發(fā)量從1.00 mm·d-1降至0.46 mm·d-1，且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 不同初始鹽分濃度下土壤日蒸發(fā)量的變化過程Fig.4 Variation process of soil daily evaporation under different initial salt concentrations

有鹽處理下的土壤蒸發(fā)過程也可分為3 個階段，可以被Nachshon 等定義的有鹽土壤3 個蒸發(fā)階段（SS1～SS3）所描述。表1為不同ISC下有鹽土壤3個蒸發(fā)階段的天數(shù)。相對于無鹽蒸發(fā)，第1 階段（SS1）的天數(shù)較短，且隨著ISC的升高，SS1階段的天數(shù)縮短，由3 d（10 g·L-1）減短至0.30 d（250 g·L-1）。由于溶質(zhì)勢的降低（除了250 g·L-1），SS1 階段的土壤蒸發(fā)呈緩慢下降的趨勢，此階段土壤表面出現(xiàn)鹽分結(jié)晶（溶液飽和析出導(dǎo)致，圖2）。由于鹽結(jié)皮的形成，第2 階段（SS2）的土壤日蒸發(fā)量迅速下降，且ISC 越高，SS2 階段的天數(shù)就越短，日蒸發(fā)量下降越迅速。此階段鹽結(jié)皮覆蓋率越快達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，且達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)時的鹽結(jié)皮覆蓋率越大（圖2）。SS2 階段不同有鹽處理下土壤日蒸發(fā)量分別由7.41 mm·d-1、7.88 mm·d-1、7.47 mm·d-1、4.06 mm·d-1和4.22 mm·d-1降至2.15 mm·d-1、1.97 mm·d-1、1.49 mm·d-1、1.68 mm·d-1和1.11 mm·d-1（圖4）。SS3階段不同有鹽處理下平均日蒸發(fā)量分別為1.21 mm·d-1、1.64 mm·d-1、1.02 mm·d-1、1.14 mm·d-1和1.01 mm·d-1，此時土壤蒸發(fā)以水汽擴(kuò)散為主，水汽通過鹽結(jié)皮向外界擴(kuò)散，蒸發(fā)量相對穩(wěn)定并且較低。

表1 不同初始鹽分濃度下有鹽處理土壤蒸發(fā)階段的天數(shù)Tab.1 Days of soil evaporation stage with salt treatment under different initial salt concentrations

2.2.2 土壤累積蒸發(fā)量由圖5a 可知，土壤累積蒸發(fā)量隨著天數(shù)的推移而逐漸增大，但是累積蒸發(fā)增加量不斷減少。由圖5b可知，隨著ISC的增加，土壤累積蒸發(fā)量降低。0～250 g·L-1處理下土壤累積蒸發(fā)量分別為93.86 mm、77.55 mm、74.33 mm、54.63 mm、39.23 mm 與33.92 mm。ISC 由0 g·L-1增加到250 g·L-1時，土壤累積蒸發(fā)量下降了63.86%。ISC由40 g·L-1增加到80 g·L-1時，土壤累積蒸發(fā)量下降了26.50%，而ISC由150 g·L-1增加到250 g·L-1時，土壤累積蒸發(fā)量僅下降了13.54%。不同ISC與累積蒸發(fā)量呈對數(shù)關(guān)系（R2＞0.90）。

圖5 不同初始鹽分濃度下土壤的累積蒸發(fā)量Fig.5 Cumulative evaporation of soil under different initial salt concentrations

用對數(shù)函數(shù)對蒸發(fā)天數(shù)（t＞1）與累積蒸發(fā)量（ECt）進(jìn)行擬合，計算公式如下：

式中：a為對數(shù)函數(shù)擬合參數(shù)，其他符號的意義同上。

由表2 可知，不同ISC 下擬合度均較好（R2＞0.90），且ISC 越高，參數(shù)a越小，累積蒸發(fā)量也越小。為了對不同ISC 下土壤的累積蒸發(fā)量進(jìn)行預(yù)測，需進(jìn)一步對參數(shù)a與ISC 的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，公式如下：

表2 對數(shù)函數(shù)擬合參數(shù)與決定系數(shù)Tab.2 Logarithmic function fitting parameters and determination coefficient

將上式代入式（4）中，得到土壤累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)天數(shù)（t）與初始鹽分濃度（ISC）變化函數(shù)：

當(dāng)t=1 時，ISC 與EC1呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，公式如下：

綜上分析，土壤累積蒸發(fā)量隨蒸發(fā)天數(shù)（t）與初始鹽分濃度（ISC）變化的函數(shù)為：

2.2.3 土壤蒸發(fā)抑制效率由圖6 可知，蒸發(fā)抑制效率隨著ISC 的增加而增大。隨著蒸發(fā)天數(shù)的增加，不同ISC 下的蒸發(fā)抑制效率均先增大再減小。10～250 g·L-1處理下蒸發(fā)抑制效率分別在12 d、12 d、14 d、11 d 和11 d 達(dá)到最大，且分別為24.14%、32.76%、47.76%、62.29%和71.99%。綜上所述，在試驗(yàn)期內(nèi)，有鹽處理下土壤蒸發(fā)均受到了抑制，且ISC 越高，形成的鹽結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的抑制作用越明顯。

2.3 不同初始鹽分濃度下土表溫度變化

由圖7可以看出，由于持續(xù)的光照，土表溫度均隨著蒸發(fā)天數(shù)的延長而升高。在對照處理S1階段，土表溫度緩慢上升（0.13 ℃·d-1），此時日蒸發(fā)量恒定且較高；在S2階段，土表溫度增幅加快（0.38 ℃·d-1），此時日蒸發(fā)量迅速下降；在S3 階段，土表溫度增幅更快（0.93 ℃·d-1），此時土壤表面完全干燥，日蒸發(fā)量相對穩(wěn)定且較低。有鹽處理下SS2 階段，土表溫度緩慢上升，且ISC 越高，土表溫度增幅越小，10～250 g·L-1處理下土表溫度增幅分別為0.72 ℃·d-1、0.29 ℃·d-1、0.21 ℃·d-1、0.28 ℃·d-1和0.12 ℃·d-1，此時日蒸發(fā)量迅速下降；SS3階段，土表溫度也在緩慢上升，但增幅較SS2 階段有所下降，10～250 g·L-1處理下土表溫度增幅分別為0.49 ℃·d-1、0.08 ℃·d-1、0.25 ℃·d-1、0.06 ℃·d-1和0.09 ℃·d-1，此時日蒸發(fā)量恒定且較低。0～250 g·L-1處理下蒸發(fā)天數(shù)與土表溫度之間均呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.70，圖7）。不同處理下斜率0 g·L-1＞10 g·L-1＞40 g·L-1＞80 g·L-1＞150 g·L-1＞250 g·L-1，因此ISC 越高，土表溫度增幅越小。

圖7 不同初始鹽分濃度下土表溫度的變化Fig.7 Variation of soil surface temperature under different initial salt concentrations

3 討論

本研究無鹽處理下蒸發(fā)過程能夠被經(jīng)典的3個蒸發(fā)階段所描述，現(xiàn)有研究對于蒸餾水處理的蒸發(fā)描述爭議很?。?,22-23］。本研究有鹽處理下蒸發(fā)階段與Nachshon 等［9］定義的有鹽土壤3 個蒸發(fā)階段一致。第1階段（SS1）由于溶質(zhì)勢的降低，蒸發(fā)速率緩慢下降；第2階段（SS2），由于鹽結(jié)皮的形成，蒸發(fā)速率迅速下降；第3 階段（SS3）水汽通過鹽結(jié)皮擴(kuò)散，蒸發(fā)速率穩(wěn)定較低。現(xiàn)有研究對于有鹽處理下蒸發(fā)過程描述有較大的差異，Shokri-Kuehni 等［17］發(fā)現(xiàn)有鹽土壤蒸發(fā)應(yīng)分為4 個階段，其中第2 階段土壤蒸發(fā)速率恒定。Li 等［7］定義了有鹽土壤蒸發(fā)的4個階段，SS1 階段蒸發(fā)速率先恒定較高再緩慢下降，SS2階段蒸發(fā)速率緩慢降低，SS3階段蒸發(fā)速率迅速下降，SS4 階段蒸發(fā)速率緩慢下降。本試驗(yàn)有鹽土壤的蒸發(fā)過程符合Nachshon 等定義的蒸發(fā)階段的原因主要為本試驗(yàn)與Nachshon 等試驗(yàn)均為初始飽和試驗(yàn)，無持續(xù)供水，土壤逐漸干燥。而Li等［7］試驗(yàn)為持續(xù)供水試驗(yàn)，土壤一直保持濕潤。

本研究表明，隨著ISC 的升高，蒸發(fā)速率越小，這與前人研究結(jié)果一致。錢峰等［24］發(fā)現(xiàn)，隨著ISC的升高，蒸發(fā)強(qiáng)度降低，但是該研究并沒有報道是否有鹽結(jié)皮出現(xiàn)，也沒有分析鹽結(jié)皮對蒸發(fā)的影響；王華軍等［25］開展了飽和含鹽砂土的高溫蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)ISC 越高，毛細(xì)蒸發(fā)速率（土壤從蒸發(fā)開始時刻至表層首次出現(xiàn)干燥區(qū)時間段內(nèi)的平均水分蒸發(fā)速率）越小；Li 等［26］在對不同NaCl 鹽分濃度下粉黏土蒸發(fā)變化的研究發(fā)現(xiàn)，短時間內(nèi)，250 g·L-1處理下土壤表面鹽結(jié)皮迅速形成，導(dǎo)致蒸發(fā)速率顯著低于其他處理，但該試驗(yàn)并未對鹽結(jié)皮動態(tài)演變過程進(jìn)行分析。上述研究均表明ISC 越高，蒸發(fā)速率越小，但都沒有考慮鹽結(jié)皮的動態(tài)演變過程。而本研究表明，ISC會顯著影響鹽結(jié)皮形成的過程，并影響土表溫度的變化，從而導(dǎo)致土壤蒸發(fā)出現(xiàn)巨大差異。

本研究有鹽土壤蒸發(fā)第1階段（SS1），由于溶質(zhì)勢降低，飽和蒸汽壓減小，導(dǎo)致蒸發(fā)速率緩慢下降，這與前人研究相似［9,27］。在SS1階段，鹽結(jié)皮出現(xiàn)在土壤表面，這與Li等［7］和Jambhekar等［27］研究結(jié)果一致。ISC越高，土壤表層溶液越快達(dá)到飽和濃度，鹽分結(jié)晶析出，鹽結(jié)皮越快出現(xiàn)在土表，SS1階段的天數(shù)越短，越早進(jìn)入以鹽結(jié)皮蒸發(fā)阻力為主的SS2 階段，這與前人研究相符［11,27］。Fujimaki 等［15］研究表明，由于溶質(zhì)勢在達(dá)到飽和濃度后不會進(jìn)一步降低，因此蒸發(fā)速率進(jìn)一步減小都可歸因于鹽結(jié)皮的蒸發(fā)阻力。

本研究中，隨著ISC升高，鹽結(jié)皮覆蓋率增長越迅速，這與Rad等［12］研究結(jié)果一致。在SS2階段，由于鹽結(jié)皮的形成，蒸發(fā)速率迅速下降，這與Nachshon等［9］研究結(jié)果一致。隨著ISC升高，鹽結(jié)皮覆蓋率增大，SS2 階段的天數(shù)減短，蒸發(fā)速率下降越迅速。多項研究表明，鹽結(jié)皮可顯著抑制土壤蒸發(fā)，其作用類似覆蓋秸稈或者礫石［28-33］。Eloukabi 等［10］研究表明，蒸發(fā)主要發(fā)生在土表未被鹽結(jié)皮覆蓋的部分，鹽結(jié)皮覆蓋面積越大，蒸發(fā)速率越小。隨著ISC的升高，累積鹽分增多，土壤孔隙被結(jié)晶堵塞，導(dǎo)致土壤孔隙度減小，進(jìn)而引起鹽結(jié)皮厚度與鹽結(jié)皮阻力增大［15,34-36］。據(jù)此分析本研究不同ISC下SS2階段土壤蒸發(fā)出現(xiàn)巨大差異的原因是隨著ISC 升高，鹽結(jié)皮覆蓋率增長速率加快，且覆蓋率增大，引起鹽結(jié)皮阻力增大，導(dǎo)致蒸發(fā)速率進(jìn)一步下降。

本研究不同ISC 下SS3 階段與Nachshon 等［9］研究一致，此時土壤蒸發(fā)以水汽擴(kuò)散為主，水汽通過鹽結(jié)皮向外界擴(kuò)散，蒸發(fā)量相對穩(wěn)定并且較低。試驗(yàn)結(jié)束時，不同ISC 下水蒸汽通過鹽結(jié)皮的擴(kuò)散系數(shù)比環(huán)境溫度下水蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（2.26×10-5m2·s-1）小了1～2個數(shù)量級［37］。由此可見，鹽結(jié)皮對水蒸汽擴(kuò)散的抑制作用是導(dǎo)致有鹽土壤蒸發(fā)量下降的主要原因之一［25］。

本文試驗(yàn)中，蒸發(fā)抑制效率在蒸發(fā)后期下降，而Li等［7］研究結(jié)果表明，在持續(xù)供水條件下，蒸發(fā)后期抑制效率未下降。出現(xiàn)這一差異的原因可能是本文試驗(yàn)未進(jìn)行持續(xù)供水處理。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，土壤逐漸干燥。無鹽土壤在蒸發(fā)前中期累積蒸發(fā)量大，導(dǎo)致上層干土的厚度增大，蒸汽擴(kuò)散阻力變大，而有鹽土壤在蒸發(fā)前中期的累積蒸發(fā)量小于無鹽蒸發(fā)，上層干土厚度小于無鹽處理，即使加上鹽結(jié)皮阻力，后期有鹽土壤日蒸發(fā)量仍大于無鹽土壤（圖4），因此蒸發(fā)后期抑制效率有所下降。

土壤溫度是土壤蒸發(fā)的影響因素之一，而鹽結(jié)皮會對土表溫度有所影響［15,17］。本文試驗(yàn)中，隨著ISC的升高，土表溫度增幅減小，這與Fujimaki等［15-16］研究結(jié)果一致。Fujimaki 等［15-16］認(rèn)為鹽結(jié)皮會增大土壤反照率，從而導(dǎo)致土表溫度下降，且土壤反照率與土表的積鹽量成正比。但Nachshon 等［18］則認(rèn)為鹽結(jié)皮會增大土表溫度，這與本文試驗(yàn)結(jié)果不一致。產(chǎn)生上述差異的原因可能是本文試驗(yàn)與Fujimaki 等試驗(yàn)條件類似，都是在輻射條件下進(jìn)行的，而Nachshon 等試驗(yàn)是在非輻射條件下進(jìn)行的。鹽結(jié)皮形成過程中所釋放的能量遠(yuǎn)小于持續(xù)光照的輻射能量，故其作用遠(yuǎn)低于鹽結(jié)皮形成過程中土壤反照率增大的影響，從而導(dǎo)致土表溫度增幅下降。而ISC越高，鹽結(jié)皮出現(xiàn)在土壤表面的時間越早，鹽結(jié)皮覆蓋率增長越迅速，且覆蓋率也越大，單位體積土壤含鹽量越大［10］。因此隨著ISC的升高，土壤反照率增大，從而減小能量輸入，引起土表溫度增幅減小，導(dǎo)致土壤蒸發(fā)降低。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析了不同ISC下鹽結(jié)皮在土壤表面的動態(tài)變化過程以及鹽結(jié)皮形成發(fā)育過程對土壤蒸發(fā)的影響。主要結(jié)論如下：鹽結(jié)皮在土壤蒸發(fā)過程中會阻礙水汽擴(kuò)散，提供額外的鹽結(jié)皮蒸發(fā)阻力，從而抑制了蒸發(fā)。隨著ISC的升高，鹽結(jié)皮越早形成，鹽結(jié)皮厚度與覆蓋比率越大，土表累積鹽分越多，導(dǎo)致對蒸發(fā)的抑制效率越大，土表溫度增幅越小，對蒸發(fā)的抑制也越顯著。不同ISC 下累積蒸發(fā)量之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性關(guān)系（對數(shù)關(guān)系，R2＞0.90）。本研究驗(yàn)證了鹽分初始濃度對結(jié)皮形成過程影響顯著，導(dǎo)致了蒸發(fā)和土表溫度表現(xiàn)出巨大差異，因此建議在定量分析高鹽土壤的水熱傳輸過程時，鹽分的初始濃度及其導(dǎo)致的鹽結(jié)皮的特征差異不能被忽略。