土壤凍融過程中鹽分遷移規(guī)律研究

土壤凍融過程中鹽分遷移規(guī)律研究

中緯地區(qū)通常受到季節(jié)凍融化的影響。中國季節(jié)性凍土區(qū)面積約為5.14,106km/2。凍融引起土壤中水鹽運移是導致中緯度地區(qū)土壤鹽堿化多發(fā)的主要原因之一。土壤中水分既是鹽分的溶劑,又是鹽分運移的載體,因此凍融過程中的水分運動在很大程度上決定著鹽分遷移的方向和數(shù)量。土壤凍融過程中的水鹽運動是凍土學研究的基本問題之一,國際凍土學會主席佩威(Pewe)教授指出:查明凍融過程中水鹽遷移規(guī)律是防治土壤鹽堿化的新途徑。由于受客觀條件的限制,對土壤鹽堿化凍融機制還不能做出系統(tǒng)而準確的解釋。為了有效控制全球中緯度地區(qū)土壤鹽堿化不斷擴展的趨勢,研究凍融條件下土壤中水鹽運移機理具有重要的理論和應用價值。1季節(jié)凍融條件下土壤水鹽運移規(guī)律目前,人們對非凍融土壤中水鹽運移研究較廣泛和深入,但對季節(jié)性凍融條件下土壤中水鹽運移研究較少。20世紀30年代以來,國外學者從不同角度對此問題進行討論,80年代以后,我國學者對季節(jié)性凍融條件下土壤中水鹽運移研究才逐步重視。1.1成冰和水遷移研究國外早在20世紀70年代開始對室內(nèi)凍土、融土和凍融過程的實驗研究,我國90年代才開始這方面的研究工作,但大部分側(cè)重單一類型水分遷移和成冰的潛在可能。通過室內(nèi)模擬研究發(fā)現(xiàn),土壤凍融過程中水分運動主要受溫度、土壤初始含水量、鹽分濃度和土壤結(jié)構(gòu)影響。1.1.1土壤凍結(jié)效果凍結(jié)初期,土壤凍結(jié)深度隨著地表溫度的降低而加深,且與時間呈線性關系。在地表達最大負溫后,土壤凍結(jié)速度減小,凍深增加緩慢。地表溫度升至1/2最大負溫左右,土壤凍結(jié)深度達最大值。其后,土壤凍結(jié)下界面開始緩慢融化;當?shù)乇磉_正溫后,土壤上下兩凍結(jié)界面同時融化,且上界面融化速度明顯快于下界面。土壤在凍結(jié)過程中,水分向凍結(jié)界面遷移的現(xiàn)象十分明顯,在凍結(jié)初期水分遷移量較小,而當凍深達穩(wěn)定階段后,由于凍結(jié)界面移動緩慢,凍結(jié)界面處水分積累顯著增加。在土壤凍結(jié)期間,土層中溫度隨深度呈線性變化,融土向凍結(jié)界面輸送的熱通量小于凍土層中的熱通量。在土壤融化階段,土體中間層所吸收的來自上層和下層的熱通量,加快了凍土融化。1.1.2土壤水分運動規(guī)律土壤初始含水量對凍融條件下土壤中水分的運移具有重要作用。水分及冰是通過對土壤中孔隙的控制以及冰晶的生成、水的黏滯性的增強來達到對土壤入滲能力和導水率的控制。在土壤初始含水量較高的條件下,土壤中會有充足的水分供給冰晶生長,在土壤中形成連續(xù)的冰晶體或冰透鏡體,形成致密塊狀凍層,水分在其中的運移能力極低。凍結(jié)后,土壤中冰的含量與土壤初始含水量成正比。土壤中冰的含量越大,被占據(jù)的孔隙體積相對也越大,因而使得水分在土壤中的運移空間減少,移動路徑增長,遷移能力減小;反之,冰的含量減小,留給水分運動的空間變大,水分在其中的移動能力也越大。初始含水量還可能影響土壤凍結(jié)深度,即對于同一土質(zhì),其初始含水量越大,土壤凍結(jié)深度越淺。雖然土壤含水量的增大使土壤的導熱系數(shù)增大,但是由于相變熱的作用,反而使相變界面的移動速度減小,使得凍結(jié)深度變淺。1.1.3不同鹽分對初始凍結(jié)溫度的影響鹽分對液態(tài)水壓以及對未凍水含量的影響,對凍結(jié)過程中土壤水分運移具有重要作用。在土壤凍結(jié)時,鹽分的存在使土壤溶液的起始凍結(jié)溫度降低,不同鹽分對起始凍結(jié)溫度的影響不同。在相同溫度下,含有鹽分的土壤中未凍水含量比不含鹽分或少含鹽分的土壤中的未凍水含量要大,從而影響水分在土壤中不同的遷移能力。因此,在給定溫度下,凍土中的未凍水含量隨含鹽量增大而急劇增大,且它們之間存在著很好的線性關系,這是由于凍土的冰點隨含鹽量的增大而直線降低之故。1.1.4干容重對未凍水膜穩(wěn)定性的影響凍土中的水分遷移不僅取決于凍土所處的外界條件,而且在很大程度上取決于土壤本身的物理結(jié)構(gòu),干容重的變化對水分遷移通量有重要影響。相同溫度下,干容重小,土壤中有許多大孔隙,土顆粒間未凍水膜的連續(xù)性較差。增大干容重將為未凍水提供更多的遷移機會,因為未凍水膜的連續(xù)性增大。如果干容重繼續(xù)增大,土壤顆粒之間的接觸越來越密,水分遷移的通道被切斷,結(jié)果導致遷移通量減小。凍結(jié)條件下,質(zhì)地較粗的土壤比質(zhì)地較細的土壤入滲能力和水分遷移能力大。1.2結(jié)晶過程對土壤離子的擴散行為鹽隨水走,這是鹽分在土壤中遷移的主要方式。因此,影響水分遷移的因素也會影響鹽分的遷移。開放系統(tǒng)單向凍結(jié)的正凍土中,水分和鹽分均向正凍帶遷移,由于冰作為純凈相析出,因此在冰透鏡體附近,會出現(xiàn)鹽分的“高濃度帶”,由此產(chǎn)生鹽分在濃度梯度下的擴散機理。凍結(jié)過程中易溶鹽的遷移是在溫度梯度、濃度梯度、水分對流共同作用下的結(jié)果。凍結(jié)過程中鹽分的遷移隨溶解物的不同類型而不同。隨溫度梯度的增大,水和離子通量都將增大;在沒有鹽分的凍土體系中,水流的遷移量小于含鹽分土壤中水流的遷移量。對于含氯化鈉的凍土,與凍結(jié)過程相比,融化過程中未凍水含量隨溫度的變化有一定的滯后性。在某一溫度范圍內(nèi),融化過程未凍水含量的滯后值很大,且隨總含水量和初始土壤中溶液濃度的增大而增大,并隨土類的不同而不同。在正凍土中,冰相從-2℃～-4℃之間產(chǎn)生,在融化過程中,孔隙中冰相可以在1℃～3℃時仍然存在。凍土和冰體中離子有相當高的遷移力,離子的滲透傾向依土壤溫度、結(jié)構(gòu)和成分而定。當存在濃度差時,濃度擴散將占主要地位,而且,離子的擴散作用可以在未凍層水、孔隙冰體的結(jié)晶邊界上進行,甚至可以從冰體中穿過;濃度擴散作用發(fā)生的最佳條件是存在未凍薄膜水,并在最大負溫條件下薄膜水達到最大厚度。在相同溫度下,隨土壤顆粒變小,含鹽量增大,相變鋒面溫度的最低點會變小,并從不含鹽和含鹽飽和土壤中獲得了相變鋒面溫度。在凍結(jié)過程,富含水的沙土形成冰晶低溫結(jié)構(gòu),易溶鹽離子的重新分布由凍結(jié)樣品中已凍和未凍部分的邊界所決定,離子含量局部最高值可指示永久性凍結(jié)沉積物的凍結(jié)方向。由上述可知,土壤凍結(jié)過程中鹽分的運動非常復雜,受土壤類型、土壤初始含水量、土壤鹽分組成以及凍結(jié)生成的溫度、熱梯度、凍結(jié)速度等因素影響,其水鹽遷移過程是上述各因素綜合作用的結(jié)果。2冬季凍結(jié)條件下土壤水分運動規(guī)律在土壤凍融的整個發(fā)展過程中,經(jīng)歷了初冬凍融循環(huán),冬季凍結(jié),初春凍融循環(huán)3個階段。凍土中水分遷移主要是由于地表與大氣間的熱量和水分交換,導致地溫隨時間和空間變化,土層周期性的凍結(jié)和融化,土中部分水的相變造成未凍土與已凍土間以及已凍土內(nèi)的濕度梯度和相應的土水勢梯度,導致土壤鹽分隨水分由下向上遷移。此時,如果土壤凍結(jié)速度不是很快,水分就會有較為充分的時間遷移到凍結(jié)帶并凍結(jié)。在凍結(jié)過程中可能由于冰的結(jié)晶純化作用,使隨水分遷移到凍結(jié)帶中的鹽分在水凍結(jié)成冰的過程中析出。當氣溫的繼續(xù)下降而導致凍結(jié)帶不斷向土壤深處延伸,原來的未凍帶逐漸變?yōu)閮鼋Y(jié)帶,于是不斷重復土水勢降低,相鄰未凍帶水分向凍結(jié)帶的遷移補給,補給水分的凍結(jié)以及可能存在的鹽分的析出。在特定條件下會形成凍結(jié)土壤與非凍結(jié)土壤互層現(xiàn)象,或者由于溫度的回升,地表處于消融狀態(tài)而地下仍然處于凍結(jié)狀態(tài)。在冬春季土壤所經(jīng)歷的凍結(jié)和解凍過程中,土壤的入滲特性發(fā)生很大的變化。在土壤凍結(jié)過程中,土壤的累積入滲量、入滲率隨凍結(jié)深度的增加而減小,穩(wěn)定入滲率減小幅度很大。在解凍過程中,土壤的累積入滲量和入滲率又隨解凍過程的進行而增加。凍結(jié)過程中液態(tài)水的相變(變?yōu)楣滔?和解凍過程固態(tài)水的液化是導致土壤水分入滲特性變化的原因所在。季節(jié)性凍融條件下,地下水埋深對土壤水分運移也有較大影響。在凍結(jié)期,潛水埋深較淺的情況下,土壤下層的未凍水在土水勢作用下向凍土層遷移,并凝聚在凍土層中,引起潛水向上部土層補給,造成潛水在土壤凍結(jié)過程中產(chǎn)生“潛水蒸發(fā)”現(xiàn)象。由于潛水向上的補給,使得在土壤凍結(jié)過程中,凍層的總含水量不斷加大。凍結(jié)過程中潛水位最大降深與初始潛水埋深間的關系可用反Logistic公式表示。鹽漬化土壤凍結(jié)期縮短,凍結(jié)深度減小,凍結(jié)起始位置不是地表,而是位于地表以下某個深度,導致在凍結(jié)期間有2個凍結(jié)鋒面出現(xiàn),使水熱鹽動態(tài)更為復雜。干寒氣候區(qū)的季節(jié)凍土,土壤地下水位以上非飽和帶毛細作用發(fā)育,在地表蒸發(fā)作用下,通過毛細作用,地下水不斷地向地表運動,導致大量鹽分到達地表。雖然蒸發(fā)作用下的毛細水運動在土壤水分垂直運動中占絕對優(yōu)勢,但自上而下的季節(jié)凍結(jié)和融化過程對土壤中水鹽重分布的影響也起著重要的作用。同時由于“凍層滯水”在春季的融化,有淋洗表層土壤鹽分的作用,使土壤表層脫鹽。在實際生產(chǎn)中,田間不同處理條件使土壤溫度變化不同,從而凍結(jié)深度、凍結(jié)速度以及水分的遷移變化結(jié)果等多方面產(chǎn)生不同現(xiàn)象,冬季凍結(jié)條件下土壤表層的蒸發(fā)作用以及地表降水現(xiàn)象對水分和鹽分的遷移與分布有很大影響。蒸發(fā)作用使地表水分上下起伏變化劇烈,表層土壤總鹽量呈現(xiàn)增大趨勢。土壤水泥硬殼覆蓋后土壤的凍結(jié)時間減少,凍結(jié)深度變淺;由于減少土壤水分的無效蒸發(fā),明顯抑制土壤在融凍時期的土壤返鹽。采用地膜覆蓋方式減少水分蒸發(fā),使水分與鹽分向上遷移能力減弱,對防治土壤鹽堿化具有很好的效果。3溫度對土壤鹽分遷移的影響凍融過程中土壤水鹽遷移機理研究包括遷移驅(qū)動力和遷移過程。中緯度地區(qū)土壤的凍結(jié)與融化以及在二者之間出現(xiàn)的凍融循環(huán),歸根結(jié)底是由于溫度變化引起的。因此,溫度降低的速度,低溫持續(xù)的時間,都會對土壤中水分與鹽分的遷移產(chǎn)生極為顯著的影響。造成土壤中水分遷移的微觀機理包括氫鍵吸附能、飽和水汽壓差和毛管薄膜機制。水分是鹽分的溶劑,又是鹽分的載體,除鹽分因各種物理或物理化學的原因而產(chǎn)生的變化外,水分遷移機理很大程度上控制了鹽分的遷移機理。3.1土壤水勢梯度。據(jù)指標的法分析,認為土壤中任何一個給定位置上的水分都受到許多力的作用,包括處于潛水位以上水的重量、在非飽和土中水與固體顆粒的相互作用、土壤中鹽分的存在以及高程等等。因為這些力有不同的作用方向,很難找出它們對水分遷移的綜合效應。30年代以來,國外把能量觀點逐步引人這個領域,用以解釋土壤的持水性,并進行土壤水分動態(tài)研究。60年代初期,國際土壤學會提出了土壤水分勢能的劃分及其定義。土壤水的總勢為由壓力、重力、溫度、基質(zhì)、鹽分、和電力等構(gòu)成的各分勢之和,其中任何一種分勢梯度都可以引起水分遷移。在引進土壤水的勢能概念以后,就從數(shù)量上和方向兩方面明確了水分遷移動力機制。土水勢梯度是凍土中水分遷移的驅(qū)動力,由于凍土中部分液態(tài)水相變成冰,增大了凍土與未凍土間土水勢差值。未凍水遷移是凍土水分遷移中的主要方式,溫度是導致土中水相變,制約凍土中未凍水含量以及相應制約土水勢的一個主導因素。因此,溫度、未凍水含量和土水勢構(gòu)成凍土中水分遷移的3大基本要素。從分子水平來講,當水相變?yōu)楸鶗r,土壤中形成高度有序的籠狀結(jié)構(gòu),從而限定了水分子的自由活動,使水分子活動的動能降低。由于水分子的活動受到限制,當附近水分子或水蒸氣分子與冰晶碰撞時,便會與籠狀網(wǎng)格上水分子形成氫鍵而被捕獲。被捕獲水分子的數(shù)量大大超過掙脫分子間氫鍵的水分子,導致冰體周圍及附近水分子克服種種阻力:如濃度勢、基質(zhì)勢等,以液相或氣相向冰體的遷移,直至建立起新的平衡。宏觀上則表現(xiàn)出冰體周圍液態(tài)水和氣態(tài)水的減少,形成較低的土水勢和水氣壓力。在冰晶表面,氫健的吸附能較強,因而在冰體表面占主導地位;在冰體周圍,由于水氣被冰晶所俘獲而導致水氣壓降低,液態(tài)水周圍氣壓相對較高,為建立二者之間新的平衡而產(chǎn)生一個向冰體運動的力,形成蒸氣狀態(tài)水的位移,導致土壤中毛管水曲率以及液體壓力的增大。上述現(xiàn)象表現(xiàn)為水分受到諸如毛管力等力的驅(qū)動,水分不斷克服周圍的備種阻力向凍結(jié)帶遷移,直至建立起土壤中新的動態(tài)平衡為止。3.2土壤凍結(jié)土鹽穩(wěn)定性的變化水分的運動最終決定了鹽分的遷移,水分在溫度梯度下的運動決定了鹽分總的運動與變化趨勢。隨著溫度降低,導致土壤溫度的下降和水的相變。凍結(jié)帶土水勢降低,土壤吸力增大,相鄰非凍結(jié)帶土水勢相對增大。水分由土水勢高處向土水勢低處運動,鹽分也隨之向上遷移。在土壤凍結(jié)過程中,水分對流導致鹽分的重新分布。當水被吸向凍結(jié)帶時,鹽分也隨著向凍結(jié)帶遷移,鹽分重新分布的程度取決于鹽分梯度和熱梯度。鹽分在土壤中的重新分布、冰的生成、鹽分的析出,導致鹽分在冰凍前鋒下的積累。凍結(jié)鋒面聚集的鹽分,以及凍結(jié)鋒面下未凍水中的鹽分會形成濃度梯度引起鹽分的擴散,該濃度梯度還導致在凍結(jié)鋒面溫暖一側(cè)土壤水中形成冰點梯度。當冰點降低時,由于擴散作用引起的鹽分流在凍結(jié)鋒面下一定距離內(nèi)產(chǎn)生影響。因冰點下降的速度比溫度下降速度慢,凍結(jié)鋒面會跳過這些富含鹽分的條帶,將它們包含在凍結(jié)的基質(zhì)中,形成凍結(jié)與非凍結(jié)的互層現(xiàn)象,這種現(xiàn)象出現(xiàn)的程度隨最初鹽分濃度和凍結(jié)速度而異。由于凍土中有未凍水存在并把冰和土顆粒分割開來,土顆粒外圍的未凍水層呈不對稱分布(暖面厚,冷面薄),形成了不平衡的滲透壓力,于是所產(chǎn)生的液流提供了冰透晶體生長所需求的水分。蒸汽運輸不是凍土中水分遷移的主要方式,非飽和凍土中,只有在相互聯(lián)系的孔隙中被冰堵塞時,蒸汽運輸才起作用。土壤凍結(jié)期間,蒸發(fā)量隨土壤負積溫的增大而增大,隨潛水埋深的增加呈指數(shù)減小,土壤凍結(jié)期潛水蒸發(fā)量與負積溫的平方根成正比。非飽和土壤中的水鹽變化不僅受吸著力、吸附力、毛管力的影響,還受到鹽分的影響,即存在鹽分勢,總的結(jié)果是由于溫度的降低破壞了土壤中原有的土水勢平衡所致。對黏性土來說,一般把塑限含水量作為區(qū)分毛細水和薄膜水的界限含水量。當土中含水量大于塑限含水量時,土中的水分以毛細機制為主;當土中含水量小于塑限含水量時,其中的水分遷移逐漸轉(zhuǎn)向以薄膜機制為主。如果土中含水量繼續(xù)減少,則土中的水分遷移將從以液態(tài)水遷移為主的形式向以氣態(tài)水為主遷移形式過渡。從宏觀上來講,溫度下降越快,土壤凍結(jié)鋒面的延伸速度就越快,土壤的凍結(jié)速度也就越快,土壤水鹽沒有充足的時間進行重新分布;反之,當溫度下降較慢時,土壤中的水鹽有足夠的時間進行遷移,水鹽就會產(chǎn)生顯著的再分配現(xiàn)象。4凍融土壤水分運移的研究進展凍融條件下鹽分隨水分遷移的內(nèi)在機制研究,目前國內(nèi)外都處于探索階段,尤其在田間條件下,處于開放的自然體系中,影響和控制因素眾多,對于水分遷移過程中因為鹽分的存在而產(chǎn)生的影響,目前只有鹽分對冰點的影響得到重視,鹽分存在而產(chǎn)生的鹽分勢大多數(shù)情況下被忽略。因此,自然條件下鹽分的遷移以及對水分遷移的影響是未來研究方向之一。在冬季凍結(jié)條件下,土壤表層水分的蒸發(fā)作用也不容忽視。目前,土體構(gòu)造對土壤凍融條件下水分