Na2SO4鹽結(jié)皮對風(fēng)沙土水分蒸發(fā)的影響*

楊彩霞，李誠志,2,3?，孔德印，師欣宇

(1.新疆大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017；3.新疆精河溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，新疆精河 833300)

0 引言

土壤水分蒸發(fā)是干旱區(qū)水循環(huán)中的重要內(nèi)容，它影響植被生長、水分平衡、土壤穩(wěn)定性以及土壤-大氣之間的相互作用[1－5].我國西北干旱、半干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量長期大于降水量，導(dǎo)致地下水礦化，土壤鹽堿化程度加重，使土壤中的鹽隨水分蒸發(fā)遷移至土壤表面，達(dá)到飽和后形成鹽結(jié)皮[6－7]，而土壤鹽結(jié)皮形成后會進(jìn)一步影響土壤水分蒸發(fā)，鹽結(jié)皮與土壤水分蒸發(fā)之間的相互影響引起了廣大學(xué)者的興趣，成為當(dāng)前干旱區(qū)土壤水分蒸發(fā)的研究熱點(diǎn)之一.

干旱區(qū)土壤中，鹽結(jié)皮主要由NaCl和Na2SO4構(gòu)成[8].目前，NaCl鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)影響的機(jī)理已經(jīng)被逐步揭示.Uri等[9]通過X射線掃描發(fā)現(xiàn)成熟的NaCl鹽結(jié)皮與土壤表面存在空隙，這些空隙會切斷大部分土壤水分的毛細(xì)通道，降低鹽結(jié)皮與土壤的接觸面積，從而抑制土壤水分蒸發(fā).Fujimaki等[10]用沙土和壤土進(jìn)行NaCl溶液土柱蒸發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)皮形成后會顯著降低土壤水分蒸發(fā)速率，并用鹽結(jié)皮阻力系數(shù)（rs）來定量描述這種擴(kuò)散阻力.而NaCl結(jié)皮形狀對土壤內(nèi)部水分的擴(kuò)散阻力有較大的影響.NaCl殼狀結(jié)皮使土壤水分穿透鹽結(jié)皮的阻力加大，土壤水分蒸發(fā)速率大幅下降；但NaCl斑狀結(jié)皮使土壤水分穿透鹽結(jié)皮的阻力變小，增加蒸發(fā)面積，因而促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)[6,11].

研究者們在NaCl鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的影響機(jī)制方面研究比較成熟，但對Na2SO4鹽結(jié)皮的研究主要集中在結(jié)皮的位置和形態(tài)上.首先，在干旱區(qū)供水不足的自然狀態(tài)下，Na2SO4鹽結(jié)皮常為次表層鹽結(jié)皮[12－14].其次，在空氣濕度高、蒸發(fā)速率慢、供水充足條件下，Na2SO4也能形成表面結(jié)皮[15]，Na2SO4結(jié)晶位置因外界條件不同而不同.Na2SO4結(jié)晶類型有穩(wěn)定的無水硫酸鈉（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體，也有亞穩(wěn)定的硫酸鈉晶體（Na2SO4·7H2O、Na2SO4·2H2O）[16]，其結(jié)晶類型較多且不穩(wěn)定，這使得Na2SO4鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的影響更加復(fù)雜.目前，已有的研究對Na2SO4形成鹽結(jié)皮后對土壤水分蒸發(fā)的影響還未見專門報道.為了明確Na2SO4鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的影響，本文進(jìn)行Na2SO4鹽水土柱蒸發(fā)試驗(yàn)，觀察并分析Na2SO4鹽結(jié)皮形態(tài)變化對土壤水分蒸發(fā)的影響，以期為進(jìn)一步研究有鹽結(jié)皮存在條件下土壤水分蒸發(fā)的影響提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

土柱蒸發(fā)試驗(yàn)在新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院土壤實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示.為保證供水均勻，土柱底部裝5 cm粗砂，土柱上部裝12 cm細(xì)砂（土柱頂部預(yù)留3 cm）.為防止土柱上部的細(xì)砂漏進(jìn)下部的粗砂孔隙中阻礙水分傳輸，在粗砂和細(xì)砂中間鋪設(shè)濾紙將兩者隔開.用馬氏瓶控制土柱水位，以保證固定水位持續(xù)供水.

土壤選擇已篩分好的粒徑為100～200 μm的風(fēng)沙土（風(fēng)沙土采自塔克拉瑪干沙漠流動沙丘），下部粗砂選擇直徑為3～5 mm的建筑用砂.為去除試驗(yàn)用砂中其它鹽離子的干擾，用去離子水將試驗(yàn)用砂清洗至液體的電導(dǎo)率值小于50 μs/cm（純水電導(dǎo)率），然后將清洗的砂子置于烘箱中105 ℃烘干后備用.試驗(yàn)設(shè)置鹽水蒸發(fā)組和對照組（純水），鹽水組的鹽溶液濃度為2 mol/L的Na2SO4溶液，配置溶液的Na2SO4使用分析純度的無水硫酸鈉晶體；對照組的溶液采用去離子水.

1.2 試驗(yàn)方法

鹽水蒸發(fā)土柱組設(shè)置12個重復(fù)，其中1個鹽水蒸發(fā)土柱放置在連接計算機(jī)的電子天平上（日本精光電子天平，精度為0.01 g，最大承重10 kg），每小時測量一次土柱質(zhì)量.試驗(yàn)設(shè)置1個純水土柱作為蒸發(fā)對照組，純水土柱也放置在連接計算機(jī)的電子天平上，測量間隔與鹽水蒸發(fā)組相同，采集的數(shù)據(jù)自動存儲到計算機(jī)數(shù)據(jù)庫中.

為準(zhǔn)確記錄鹽水土柱表面鹽結(jié)皮的變化規(guī)律，在鹽水土柱上方安裝1個高清攝像頭（1 200萬像素），每小時自動拍攝土柱表面1次，照片自動存儲到計算機(jī)中.為觀察鹽結(jié)皮結(jié)晶形態(tài)，在鹽水土柱上方放置1臺立式顯微鏡，每天觀察固定位置上的鹽晶體生長過程，并拍照記錄.

為研究鹽結(jié)皮形成后土壤內(nèi)部含鹽量的變化，在土柱表面出現(xiàn)結(jié)晶后，每天抽取1個土柱，用自制的取樣管，垂直插入土柱內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)1周后抽出取樣管，以此模擬土柱內(nèi)部取樣，取樣管從上到下依次用鋼尺每2 cm為一段劃分出上部、中部、底部3個高度進(jìn)行取樣（圖1中的上、中、底），每組土樣3個重復(fù)，取出的土樣采用烘干法（105 ℃約8小時）烘干，烘干后按土水比1∶5測定土壤含鹽量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤水分蒸發(fā)數(shù)據(jù)、土樣含水量和含鹽量數(shù)據(jù)均用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計，用Origin 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖.鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的影響采用下列公式計算：

式中：Er為鹽水對土壤水分蒸發(fā)的抑制量；Ep為純水土柱（對照土柱）蒸發(fā)量（日蒸發(fā)量或小時蒸發(fā)量）；Es為鹽水土柱蒸發(fā)量（日蒸發(fā)量或小時蒸發(fā)量）；Rs為鹽水對土壤水分蒸發(fā)的影響率（當(dāng)Rs＞0時，為促進(jìn)蒸發(fā)率；當(dāng)Rs＜0時，為抑制蒸發(fā)率）.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽水土柱日蒸發(fā)過程

鹽水（2 mol/L Na2SO4溶液）與純水土柱（對照土柱）的累計蒸發(fā)量如圖2所示.同等試驗(yàn)條件下，鹽水土柱的累計蒸發(fā)量比純水低，鹽水比純水土柱的累計蒸發(fā)量平均每天少1.1 mm.隨蒸發(fā)時長的增加，鹽水土柱的累計蒸發(fā)量與純水土柱的差距越來越大，到第10天，鹽水土柱的累計蒸發(fā)量比純水土柱低13.77%（為了不影響總體土壤水分蒸發(fā)變化趨勢，試驗(yàn)開始的第1天和最后1天因土壤水分蒸發(fā)不足24小時，所以從數(shù)據(jù)中剔除）.從土柱累計蒸發(fā)量來看，鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)受到了明顯的抑制，說明含鹽土壤水分蒸發(fā)出現(xiàn)滯后，同時也可能是受鹽結(jié)皮的影響.

圖2 土壤水分累計蒸發(fā)量

土壤水分累計蒸發(fā)量是蒸發(fā)期間土壤水分日蒸發(fā)量的累計值.土柱的日蒸發(fā)量影響土壤水分累計蒸發(fā)量，土壤水分日蒸發(fā)量如圖3所示.在蒸發(fā)環(huán)境的影響下，純水土柱和鹽水土柱的日蒸發(fā)量都呈先降后升的趨勢，但鹽水土柱的日蒸發(fā)量曲線顯著低于純水土柱日蒸發(fā)量曲線，平均蒸發(fā)量低了0.22 mm/d.這說明每日鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)量均低于純水，鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)量受到抑制.

圖3 土壤水分日蒸發(fā)量

雖然鹽水和純水土柱的日蒸發(fā)量曲線具有相同的趨勢，但二者也存在明顯差異.鹽水土柱和純水土柱日蒸發(fā)量出現(xiàn)峰值的時間不同步.鹽水土柱日蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在第2天，為1.47 mm/d；純水土柱的日蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在第10天，為1.61 mm/d.鹽水和純水土柱日蒸發(fā)量曲線波動不一致.鹽水土柱的日蒸發(fā)量曲線在第3天、第5天和第7天下降明顯.其中：第3天鹽水土柱的日蒸發(fā)量下降了0.214 mm/d；而純水僅下降了0.024 mm/d；第5天，鹽水土柱的日蒸發(fā)量下降了0.12 mm/d，純水下降了0.14 mm/d；第7天，鹽水土柱的日蒸發(fā)量下降到1.09 mm/d，純水下降到1.35 mm/d.為進(jìn)一步凸顯鹽水土柱和純水土柱日蒸發(fā)量曲線差異，用公式（1）計算了鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量，如圖4所示.鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量不是直線，而是先升后降、再升再降的曲線.試驗(yàn)期間，鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量在第2天最小，僅為0.113 mm/d；第3天，鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量最大，高達(dá)0.304 mm/d.在第4～6天，鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量持續(xù)降低；第7天，鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量又突然升高了0.08 mm/d；第8～10天，鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量又持續(xù)降低.這種鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量的波動可能是由鹽結(jié)皮引起的.

圖4 鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量

2.2 鹽水土柱小時尺度蒸發(fā)過程

為揭示鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量的波動原因，對鹽水土柱小時尺度的蒸發(fā)過程進(jìn)行分析，如圖5所示.鹽水土柱和純水土柱的小時蒸發(fā)量曲線在第1天和第2天差異較小，這導(dǎo)致鹽水土柱的日蒸發(fā)抑制量在第2天最小.從第3天開始，鹽水土柱的小時蒸發(fā)量曲線大部分時間都低于純水土柱，鹽水土柱的小時蒸發(fā)量平均值比純水土柱低14.50%.在小時尺度的蒸發(fā)過程中，第3天以后出現(xiàn)短暫的鹽水土柱小時蒸發(fā)量高于純水的時段（圖5虛線框內(nèi)），在10～15時左右，這類特殊現(xiàn)象引起了我們的關(guān)注，暫定為鹽水土柱的促進(jìn)蒸發(fā)階段.根據(jù)公式（2）計算了第3～10天這些促進(jìn)時段的蒸發(fā)促進(jìn)率，分別為1.28%、4.37%、2.45%、4.81%、6.35%、9.80%、11.40%及7.98%，這種促進(jìn)作用隨蒸發(fā)時間推移而增強(qiáng).而這些促進(jìn)蒸發(fā)的時段可能是造成鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量波動的原因，并且可能與鹽結(jié)晶有關(guān).

圖5 小時尺度的土壤水分蒸發(fā)量

2.3 土柱表面鹽結(jié)皮變化

土壤表面是影響土壤水分蒸發(fā)速度的重要因素.為揭示鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量波動的原因，對鹽水土柱的表面進(jìn)行觀測，如圖6所示.鹽水土柱表面在第2天就出現(xiàn)鹽結(jié)晶，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，鹽結(jié)晶越來越多，逐步形成一層覆蓋土壤表面的鹽結(jié)皮層，到第4天凌晨5時鹽晶體已經(jīng)基本覆蓋了土柱表面，此后表層鹽結(jié)皮厚度逐漸增加.隨著鹽結(jié)皮厚度增加，土柱表面鹽晶體逐步變成白色粉末狀，相當(dāng)于在土壤表面覆蓋了一層干燥粉末，使土壤蒸發(fā)面減小，土壤水分蒸發(fā)速度也隨之減小，土壤水分蒸發(fā)受到抑制.這種現(xiàn)象與Eloukabi等[6]鹽水土柱試驗(yàn)結(jié)果相同.

圖6 土柱表面鹽結(jié)皮變化

試驗(yàn)中也出現(xiàn)了一些特別的現(xiàn)象（圖6中抽選表面鹽結(jié)晶具有較為明顯變化特征的5時和15時表觀）.鹽水土柱形成鹽結(jié)皮后，鹽結(jié)皮表層出現(xiàn)邊緣向中間逐漸由白色晶體變?yōu)椤皾駶櫋蓖该鳡畹柠}溶液，尤其是第10天最為明顯.土柱表面邊緣部分的鹽結(jié)皮出現(xiàn)了完全溶解現(xiàn)象.這種濕潤溶解現(xiàn)象在每天室溫最高時面積最大（試驗(yàn)在新疆冬季常溫下進(jìn)行，溫度最高的時刻大約在15時）.隨著室溫逐步下降，鹽結(jié)皮表面“濕潤”狀態(tài)又逐步變?yōu)榘咨勰?Na2SO4晶體的溶解度隨著溫度升高而快速增加.隨著室溫升高，原來飽和或超飽和結(jié)晶形成的鹽結(jié)皮又可能重新被溶解為鹽溶液，形成表面潮解現(xiàn)象.結(jié)合圖5的土壤水分小時蒸發(fā)速度可知，鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)促進(jìn)時間段與鹽結(jié)皮潮解的時間段基本重合，鹽結(jié)皮潮解為鹽溶液可能是引起鹽水土柱促進(jìn)蒸發(fā)的主要原因.這種現(xiàn)象在第10天最為明顯，土壤表層的鹽結(jié)皮溶解范圍較大，這一時期的鹽水土柱蒸發(fā)也明顯高于純水土柱.

2.4 土柱表面鹽結(jié)皮晶體變化

鹽水土柱表面的鹽結(jié)皮變化是鹽晶體變化形成的，為進(jìn)一步揭示鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量波動的原因，對鹽結(jié)皮的鹽晶體進(jìn)行觀察，如圖7所示.在顯微鏡下（立式顯微鏡2倍鏡下每日12時左右固定位置觀測所得），鹽水土柱表層在第2天開始出現(xiàn)透明狀的鹽結(jié)晶體，該晶體可能是芒硝晶體（Na2SO4·10H2O）[17－18].隨著蒸發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，透明的芒硝晶體不斷地進(jìn)行垂直擴(kuò)展和水平擴(kuò)展，鹽晶體逐步覆蓋了整個土柱表面，在土柱表面形成凹凸不平的透明狀鹽結(jié)皮（圖7中第3天、第4天和第5天）.

圖7 鹽結(jié)皮結(jié)晶微觀變化

隨著鹽晶體不斷向上生長，第6天鹽結(jié)皮凸起的頂端開始出現(xiàn)白色粉末晶體，這種白色粉末晶體可能是芒硝晶體失水后形成的無水硫酸鈉（Na2SO4）.隨著蒸發(fā)持續(xù)進(jìn)行，鹽晶體凸起逐漸升高，頂端的白色晶體也越來越多，但在結(jié)皮的凹陷區(qū)域仍然是透明的芒硝晶體.第10天在土柱表面濕潤區(qū)域的鹽晶體幾乎全部被溶解，只有少量透明的芒硝晶體留在土壤表面.這種晶體相變直接改變了鹽水土柱表面的蒸發(fā)面狀態(tài)，對土壤水分蒸發(fā)速度產(chǎn)生直接影響，是鹽水土柱土壤水分蒸發(fā)變化的直接原因之一.

2.5 土壤剖面鹽含量變化

土壤是一種多孔介質(zhì)，其水分傳輸速度也是影響土壤水分蒸發(fā)速度的原因之一.鹽水土壤水分蒸發(fā)過程中，水分蒸發(fā)后鹽離子留在蒸發(fā)面，使蒸發(fā)面鹽溶度逐步增加.蒸發(fā)面鹽溶度增加后，鹽離子會向溶度低的土壤內(nèi)部擴(kuò)散.鹽離子的擴(kuò)散距離取決于土壤水分蒸發(fā)速度與離子傳輸速度的比值，即佩克萊數(shù)（Pe）[6].當(dāng)Pe＞1時，土壤水分蒸發(fā)速度大于鹽離子擴(kuò)散速度，鹽離子向土壤內(nèi)部擴(kuò)散距離小，并在蒸發(fā)面積聚，積聚溶度大于鹽離子飽和溶度時鹽晶體析出，形成鹽結(jié)晶體，土壤內(nèi)部的鹽溶度變化?。环粗?，蒸發(fā)表面高溶度離子會向土壤內(nèi)部擴(kuò)散，鹽結(jié)晶體無法形成或鹽結(jié)晶體逐步溶解，土壤內(nèi)部鹽溶度逐步升高.因此，可以通過離子溶度間接反映土壤水分的傳輸速度.為探明鹽水土柱日蒸發(fā)抑制量波動的根源，對土柱上、中、底3個部位進(jìn)行取樣（含鹽量的測定從第2天表面出現(xiàn)鹽晶體開始），測定取樣土壤的含鹽量，以確定土壤的水分傳輸速度與離子擴(kuò)散速度的關(guān)系，如圖8所示.受蒸發(fā)影響，土壤內(nèi)部鹽分隨水分蒸發(fā)向上部運(yùn)移，使土柱上部土壤的含鹽量變化較大.當(dāng)表層形成鹽結(jié)皮后，土壤上部含鹽量在蒸發(fā)期間逐漸升高再降低，第8天上部土壤含鹽量最高.土柱中部和底部的含鹽量變化較小.這說明因土壤水分蒸發(fā)形成鹽結(jié)皮后，土柱上部（表面向下2 cm）受鹽離子擴(kuò)散影響較大，土柱中部和下部幾乎未受到鹽離子擴(kuò)散的影響.

圖8 土柱剖面含鹽量

3 討論

3.1 表面鹽結(jié)皮變化對土壤水分蒸發(fā)速度的影響

土壤表面鹽結(jié)皮形成會阻礙蒸發(fā)面水分向空氣中擴(kuò)散，從而抑制土壤水分蒸發(fā)[19].由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)土壤表面形成Na2SO4鹽結(jié)皮后，土壤水分日蒸發(fā)速度變慢，土壤水分蒸發(fā)受到抑制，這與前人采用NaCl溶液進(jìn)行土柱蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果一致[20－24].但Na2SO4鹽結(jié)皮和NaCl鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的影響也存在一定的差異.Na2SO4結(jié)晶類型較多，有穩(wěn)定的無水硫酸鈉（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體，也有亞穩(wěn)定的硫酸鈉晶體（Na2SO4·7H2O、Na2SO4·2H2O）[16].在環(huán)境溫濕度變化下Na2SO4鹽結(jié)晶會因失水或吸水產(chǎn)生相變[25]，這導(dǎo)致Na2SO4鹽結(jié)皮會受室內(nèi)環(huán)境變化影響土壤水分蒸發(fā)速度.本試驗(yàn)中Na2SO4鹽結(jié)皮也出現(xiàn)了晶體相變現(xiàn)象，即由透明的芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體失水變?yōu)榘咨臒o水硫酸鈉（Na2SO4），導(dǎo)致鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)的抑制程度提高.這種現(xiàn)象在以往的研究中從未被注意.另外，無水硫酸鈉（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體還會出現(xiàn)潮解現(xiàn)象，這種潮解現(xiàn)象會短暫促進(jìn)土壤水分蒸發(fā).雖然NaCl鹽結(jié)皮也會出現(xiàn)促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)的現(xiàn)象，但NaCl鹽結(jié)皮促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)是由于斑狀鹽結(jié)皮增加了蒸發(fā)表面積造成的[11]，本文的Na2SO4鹽結(jié)皮促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)則主要是由于Na2SO4晶體相變造成的.

Na2SO4鹽結(jié)皮的晶體形態(tài)變化影響土壤水分蒸發(fā)速度變化過程.由圖3和圖7可知，第2～3天，鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)主要起抑制作用，且抑制率快速增加，此時土柱表面Na2SO4·10H2O晶體大量析出，晶體逐步覆蓋土柱表面，并逐步增高形成凹凸不平的鹽結(jié)皮表面，這個階段Na2SO4·10H2O晶體的水平擴(kuò)展速度大于垂直增長速度.圖4中鹽結(jié)皮的抑制率快速增加可能是土柱表面Na2SO4·10H2O晶體快速水平擴(kuò)展造成的.第4～6天，鹽晶體在已經(jīng)成核的晶體上方繼續(xù)堆積，形成較大的鹽晶體[26]，使表面變得更加凹凸不平，此時鹽結(jié)皮的抑制率稍有下降，這種下降可能是由于鹽晶體凸起增加了鹽結(jié)皮表面的蒸發(fā)面，從而使土壤水分蒸發(fā)抑制率減小[6].第6天，鹽結(jié)皮表面凸起的Na2SO4·10H2O晶體失水發(fā)生相變，由透明狀的Na2SO4·10H2O晶體變?yōu)榘咨腆w粉末狀的無水Na2SO4晶體.這種晶體變化相當(dāng)于在蒸發(fā)面上覆蓋了一層干燥粉末，土壤水分蒸發(fā)速率快速下降，土壤水分蒸發(fā)抑制率又迅速上升.隨著Na2SO4晶體不斷析出，鹽結(jié)皮部分晶體凸起更高，鹽結(jié)皮凹陷部分逐步出現(xiàn)潮解，從而導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)速率出現(xiàn)小幅上升.10～15時，土柱表面逐步潮解形成濕潤的水膜，給蒸發(fā)提供了充足的水分，出現(xiàn)鹽水土柱蒸發(fā)量高于純水的現(xiàn)象.但這種促進(jìn)作用是短暫的，當(dāng)室溫下降后，土柱表面又快速結(jié)晶，這種促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)的現(xiàn)象逐步停止，回歸到抑制土壤水分蒸發(fā)階段.

3.2 土壤內(nèi)部鹽結(jié)晶對土壤水分蒸發(fā)的影響

土壤內(nèi)部鹽溶度超過飽和濃度時，土壤內(nèi)部也會出現(xiàn)結(jié)晶體[7]，這種結(jié)晶體會堵塞土壤內(nèi)部孔隙，降低土壤內(nèi)水分傳輸速度，從而減小土壤水分蒸發(fā)速度[27－28].土柱表面的溶液達(dá)到超飽和狀態(tài)[29]，鹽會在表面結(jié)晶.在鹽離子溶度差的驅(qū)動下，緊挨表層的上部土壤中鹽溶度會增加，如果達(dá)到飽和，土壤內(nèi)部也會出現(xiàn)鹽結(jié)晶.本試驗(yàn)中鹽水土柱中上部土壤鹽含量升高主要來自兩部分：一是由于鹽溶度梯度差的存在[30]，鹽離子從蒸發(fā)面的高溶度向土壤內(nèi)的低溶度擴(kuò)散，使土壤剖面的鹽分含量升高；二是鹽在土壤中達(dá)到飽和后，土壤內(nèi)部不斷結(jié)晶造成土壤鹽含量升高.本文采用的鹽溶液為2 mol/L的Na2SO4溶液，室溫20 ℃時Na2SO4溶液已接近飽和，因此土壤上部含鹽量增加過程中，蒸發(fā)面的高溶度向土壤內(nèi)的低溶度擴(kuò)散形成的土壤含鹽量增加范圍非常小，土壤上部含鹽量的增加大部分是由于土壤內(nèi)部鹽晶體析出的結(jié)果.土壤內(nèi)部鹽晶體析出會減小土壤毛管孔隙，降低土壤水分傳輸速度，進(jìn)而降低土壤水分蒸發(fā)速度.本試驗(yàn)中土柱上部土壤的含鹽量在第2～8天逐步上升，上升幅度較大（圖8），對應(yīng)的土柱蒸發(fā)速度則逐步下降（圖3）.土柱蒸發(fā)速度的下降可能是來自上部土壤內(nèi)部鹽結(jié)晶，降低了土壤毛管孔隙而阻礙水分傳輸?shù)慕Y(jié)果.

上部土壤內(nèi)部結(jié)晶使土壤水分蒸發(fā)速度變得更加復(fù)雜.由圖6和圖7可知，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，表層鹽結(jié)晶逐步水平擴(kuò)展和垂直增長形成鹽結(jié)皮，這說明土柱的Pe大于1，蒸發(fā)面鹽離子擴(kuò)散速度小于土壤表面水分蒸發(fā)速度.由圖8可知，從第3天開始，土柱表層的鹽離子開始向土柱內(nèi)部擴(kuò)散，土壤水分傳輸速度與離子擴(kuò)散速度的差值變小，表層鹽離子逐步向內(nèi)部擴(kuò)散，土壤內(nèi)部開始出現(xiàn)鹽結(jié)晶，圖3中的土壤水分蒸發(fā)速度逐步下降.這一階段，在表層鹽晶體和土壤內(nèi)部鹽晶體共同作用下，土壤水分蒸發(fā)速度迅速下降.第8天后，鹽結(jié)皮表面“潮解”現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，鹽結(jié)皮的“潮解”為鹽溶液蒸發(fā)提供了大量的水，土柱表層的水分蒸發(fā)速度加快，土壤中水分傳輸速度逐步加快，土壤水分傳輸速度遠(yuǎn)大于鹽離子向下擴(kuò)散速度，上部土壤的鹽晶體又逐步溶解，上部土壤含鹽量也逐步降低.Na2SO4鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)可能受到土壤表層和內(nèi)部鹽結(jié)晶共同作用的影響.然而，本文僅揭示這一物理現(xiàn)象，土壤表層和內(nèi)部鹽結(jié)晶對土壤水分蒸發(fā)的定量研究還需進(jìn)一步深入.

4 結(jié)論

Na2SO4鹽結(jié)皮對土壤水分蒸發(fā)產(chǎn)生較大影響，通過開展Na2SO4鹽水的土柱蒸發(fā)試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）土壤表層Na2SO4鹽結(jié)皮形成后，土壤水分蒸發(fā)速度整體上受到抑制.鹽水土柱的土壤水分平均蒸發(fā)速度比純水低14.30%，但在小時尺度上，Na2SO4鹽結(jié)皮在10～15時之間會出現(xiàn)短暫促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)的現(xiàn)象，且隨著表面鹽結(jié)皮的增厚，這種促進(jìn)作用會逐步增強(qiáng).

2）Na2SO4晶體形態(tài)變化是Na2SO4鹽結(jié)皮影響土壤水分蒸發(fā)的重要原因.Na2SO4溶液達(dá)到超飽和后，在土壤表面逐步析出透明狀的Na2SO4·10H2O晶體，這種晶體水平擴(kuò)展會抑制土壤水分蒸發(fā)；Na2SO4·10H2O晶體垂直生長，形成凸起的鹽結(jié)晶聚集體，增大了鹽水蒸發(fā)面積，對土壤水分蒸發(fā)具有一定的促進(jìn)作用.

3）Na2SO4鹽結(jié)皮的鹽晶體在自然環(huán)境下會因失水或吸水發(fā)生相變，這種相變是Na2SO4鹽結(jié)皮影響土壤水分蒸發(fā)的重要原因.鹽結(jié)皮表面凸起的Na2SO4·10H2O晶體會逐步失去結(jié)晶水形成白色固體粉末狀的無水Na2SO4，無水Na2SO4會抑制土壤水分蒸發(fā)；而當(dāng)環(huán)境溫度升高時，Na2SO4·10H2O晶體或無水Na2SO4會潮解為一層液膜，這種潮解狀態(tài)在小時尺度上會短暫促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)，相比純水土柱共促進(jìn)蒸發(fā)了48.44%.

4）Na2SO4會在土壤內(nèi)部結(jié)晶，土壤內(nèi)部鹽結(jié)晶和土壤表面鹽結(jié)晶共同作用對土壤水分蒸發(fā)產(chǎn)生影響.土壤表層Na2SO4鹽結(jié)皮形成后會降低蒸發(fā)速度，導(dǎo)致Na2SO4在上層土壤內(nèi)部產(chǎn)生鹽結(jié)晶，這種內(nèi)部鹽結(jié)晶會減弱土壤水分傳輸能力，進(jìn)一步降低土壤水分蒸發(fā)速度，從而在蒸發(fā)期間使鹽水土柱的土壤水分蒸發(fā)速率比純水土柱降低了19.34%；而表層鹽結(jié)皮潮解會使這種內(nèi)部結(jié)晶體重新溶解，恢復(fù)土壤水分傳輸能力.

Na2SO4鹽結(jié)皮對土壤水分的蒸發(fā)過程影響較為復(fù)雜，主要受到鹽結(jié)皮晶體形態(tài)變化、鹽晶體相變以及土壤內(nèi)部鹽結(jié)晶的相互作用影響.對這一蒸發(fā)規(guī)律的認(rèn)識也將為進(jìn)一步研究鹽結(jié)皮存在條件下土壤水分蒸發(fā)的影響提供理論依據(jù).