土壤蒸发强度随土壤溶液盐分的变化研究

钱 峰，程冬兵，刘静君

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.武汉市水文水资源勘测局，武汉 430074)

土壤蒸发强度随土壤溶液盐分的变化研究

钱 峰1，程冬兵1，刘静君2

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.武汉市水文水资源勘测局，武汉 430074)

采用室内试验方法，研究不同种类盐分在相同土质、相同供水条件以及相同外界环境条件下，土壤蒸发强度随土壤溶液盐分的种类和浓度的变化规律。研究结果表明：在同等条件下，含盐土壤蒸发强度小于不含盐土壤，而且随着盐分浓度的增加，其蒸发强度逐渐减小，但各试验组蒸发强度随盐分浓度的变化规律有所差异；在一定的浓度条件下盐分浓度的增加对蒸发速率影响不大，超过了一定浓度范围，盐分浓度越大，蒸发速率越小。不同种类含盐试验组处于相同的初始盐分浓度情况下，蒸发速率呈现出比较明显的差异，即KCl >CaCl2>NaCl >MgSO4。

土壤蒸发强度;土壤含水率；土壤含盐量；盐分浓度；蒸发速率

1 研究背景

在高矿化度地区，土壤水分蒸发不仅关系到土壤水分的损失，还涉及到土壤盐渍化的危害[1]。蒸发因子对土壤积盐和次生盐渍化，特别是潜在盐渍化的影响历来是国内外水土科学领域普遍关注的问题[2]。而且由于我国地域广大，各个地区盐碱土中的盐分种类并不相同，由于各种盐类的不同特性,它们对土壤性质的影响都有差别，由不同的盐类组成的盐土，在地面上可以构成不同的特征，因此研究不同类型盐分对土壤蒸发的影响具有重要意义。

自盐分对土壤蒸发影响被广泛关注以来，国内外学者对盐分本身对土壤物理化学性质的影响以及盐分对蒸发影响因素的影响进行了大量研究。Haruyuki Fujimaki等[3]的研究表明随着土壤含盐量的增加，土壤蒸发速率降低，造成这种原因是多方面因素的综合作用，包括溶质势、盐分对水汽扩散的影响，以及盐分在地表析出之后形成盐盖，阻碍水汽的扩散等。李新举等[4]通过试验研究也发现，土壤水分蒸发量与土壤含盐量呈负相关。

但目前这方面的试验研究十分有限，以往的研究大多集中在陆面模式的研究和作物腾发量的测量与计算等方面，有关蒸发与盐分的关系，也大多是考虑蒸发对盐分运动的影响，而很少考虑盐分对水分运动或者对蒸发速率的作用。国内外对于盐分对蒸发的影响虽然已有一定的研究[5-7]，对于盐分对蒸发影响的机理存在许多不同的看法[8-10]，研究成果并不理想。针对这些问题，本研究采用室内模拟的方法，对比不同种类盐碱土的蒸发规律，研究盐分对土壤蒸发影响的差异。

2 材料与方法

试验装置如图1所示，主要由二部分组成：蒸发皿和马氏瓶。蒸发皿和马氏瓶采用有机玻璃制成，蒸发皿内径19.1 cm，深度5.0 cm，马氏瓶内径11.4 cm。为加速室内蒸发速率功率，在距离土柱表面30 cm高度设置150 W红外加热灯。试验土样取自四川省广元市，使用前经自然风干后碾碎，并通过2 mm筛去除杂质，并对试验用土壤进行洗盐操作，剔除土壤本身化学性质对试验产生的影响。级配分析各项要求均依据《中华人民共和国水利试验标准颗粒分析规范SL237-006—1999》进行，按照规范，0.075 mm以上粒径采用筛析法，而0.075 mm以下粒径土壤采用密度计法进行分析，结果显示土样土质为细砂土。

图1 试验装置简图Fig.1 Device of experiment

试验共设置4组，均按图2所示装置图进行布置。保证各试验组间其他试验条件一致，试验方案设计为包括不同种类盐分、不同盐分浓度梯度下含盐土壤蒸发试验。其中盐分选择具有代表性的NaCl，KCl，CaCl2，MgSO4为试验材料，按照微度、轻度、中度、重度盐土将盐分浓度梯度设置为0.17,0.35,0.52,0.7 mol/L 4个梯度，分别设置为A,B,C,D 4个对照试验组；将制备好的等量的风干土样2 000 g分别与290 mL的纯水、290 mL的 NaCl，KCl，CaCl2，MgSO4溶液包括0.17,0.35,0.52,0.7 mol/L 4种浓度梯度的试验组，充分混合均匀，然后分别装填入各试验组蒸发皿中，压实后保证土壤表面平整并与蒸发皿上沿平齐，以此方法调配出不同浓度条件下的试验组。装填时取样分析各试验组土壤含水率，并在装填完毕后称量蒸发皿中土样重量，计算后结果显示：各试验组土壤干密度和体积含水率分别为1.50～1.53 g/cm3，19.5～19.9%。误差在允许范围之内，可认为各实验对照组土壤密度和含水率的初始条件是一致的。

图2 试验桌及其装置的放置Fig.2 Placement of test table and devices

蒸发皿覆膜静置24 h后去除覆膜，连接马氏瓶开始试验，马氏瓶内放置纯水，为试验组提供水源。每日12：00—18：00开启红外灯对蒸发皿表面进行加热，以加速蒸发。每日定时观测马氏瓶中水位、蒸发皿和马氏瓶的总重等参数。

3 试验结果分析

3.1 累积蒸发量

时段始末蒸发皿与马氏瓶总重的减少量即为时段内蒸发量。分别计算有红外灯照射和无红外灯照射时段内各试验组的蒸发量，每日红外灯照射时间为6 h，试验共进行了7 d。从长期的累积增发量上看，不含盐土壤的蒸发速率要大于含盐土壤的蒸发速率。不同种类盐分对蒸发速率的影响也存在差异，影响程度由大到小的顺序为MgSO4>NaCl>CaCl2>KCl。通过对表1中4种盐分在不同浓度梯度下的横向比较，可以清晰地发现：首先当各试验组的初始含盐量水平在0.17 mol/L浓度的情况下，对照组蒸发强度最大，累积蒸发量为673 g，其含NaCl溶液的土壤累积蒸发量较对照组降低了8.3%，MgSO4溶液的土样较含对照组降低了12.1%，含KCl溶液和CaCl2溶液的试验土样累积蒸发量较对照组分别降低了3.1%和4.9%，这种现象在其他浓度的试验组同样存在，不同种类盐分对土壤蒸发的影响存在较为明显的差异，结果见表1。

表1 各试验组累积蒸发量Table 1 Cumulative evaporation of each test group

从表1中可以看出，各试验组累积蒸发量均表现出随盐分浓度的增加而减小的趋势，说明盐分浓度确实影响到了土壤蒸发强度，各试验组间又有所差别：A，B，C 3组的累积蒸发量数值较为接近，不同浓度相同种类盐分间的累计蒸发量差别不大；D组的累积蒸发量与前3组相比，含盐组累计蒸发量有明显下降，即当土壤盐分浓度为0.7 mol/L时，盐分对土壤蒸发强度的影响最明显。各试验组空白组的累积蒸发量为673，674，665，663 g，说明各试验组在外界环境干扰因素均控制在合理范围之内。

3.2 土壤含水率变化情况

采用水量平衡的方法测量蒸发皿中非饱和土壤含水率的变化为

(1)

式中：θi+1和θi分别为第i+1时刻和第i时刻蒸发皿非饱和土壤含水率(%)；h为非饱和土壤厚度(3 cm)；S为马氏瓶向蒸发皿中水分补给量，即马氏瓶水位降落量(mm)；A2为马氏瓶内断面面积(102 cm2)；A1为蒸发皿内断面面积(286 cm2)；E为蒸发量(g)。计算得到各试验组非饱和土壤体积含水率变化规律如图3所示。

注：图中奇数时段为由红外灯照射时段，偶数时段为无红外灯照射时段。

从图3得知，从初始体积含水率为20%到最后上层土壤含水率趋于饱和状态的45%，4组数据在整个过程中都是平缓上升的，其中KCl组的结果最接近无盐土壤蒸发，MgSO4与其他组之间的差距最大。

各试验组土壤体积含水率大小关系：纯水 >KCl >CaCl2>NaCl >MgSO4，其中对照组、CaCl2以及KCl试验组三者的含水率差别不大，前期试验组土壤体积含水处于非饱和状态，此时土壤蒸发受盐分影响比较明显；后期试验组土壤含水率几乎处于饱和状态，此时土壤水分蒸发主要受饱和导水率影响，这点与李新举等[4]对土壤盐分对不同蒸发阶段的影响试验得出的结果相近。从表1中也可以看出三者的累积蒸发量差别不大，这种情况下不同种类盐分对土壤蒸发强度的影响不明显。

3.3 各试验组盐分浓度变化情况

各试验组土壤中含盐量浓度随着土壤含水率的变化而变化。试验结果表明：盐分浓度越大，其蒸发强度越小；随着试验蒸发过程的进行，非饱和层土壤含水率逐渐增大，各试验组土壤盐分浓度逐渐下降，盐分对土壤蒸发速率的影响逐渐减弱。这与Fujimaki H等[3](2006)的研究结果相似，随着土壤含盐量的增加，土壤蒸发速率的确降低。

注：图中奇数时段为由红外灯照射时段，偶数时段为无红外灯照射时段。

盐分浓度的改变将会导致土壤物理性质的变化，从而会影响土壤蒸发。对于恒定条件下的土壤蒸发，土壤中水分运动相对比较稳定，适合于土壤水分运动问题的研究。由于试验过程中环境条件不能精准控制，但对照组间条件满足一致性要求，个别数据有出现的波动和偏差可以忽略。从图4可知，随着蒸发过程进行，各试验组盐分浓度呈现出逐渐减小的趋势，且各平行试验组之间下降的幅度不一。不同的盐分梯度水平下下降的程度也都存在一定的差异；盐分浓度下降的大小排列与含水率的上升排列相反，为KCl >CaCl2>NaCl >MgSO4，其中含有KCl溶液的土样，下降的幅度最大，NaCl和MgSO4试验组下降的幅度较小；在试验初期(时段1—时段5)，盐分浓度的变化程度最为剧烈，试验后期(时段8—时段13)，各试验组盐分浓度变化趋于稳定。A—C组3组试验数据显示最后结果都分别保持在0.08,0.16,0.25 mol/L，相对于此时刻的各试验组蒸发皿内上层土壤含水率接近饱和含水率；在4组对照试验中，D组的数据波动明显大于其他3组，D组内部含有MgSO4的试验组明显不同于其他试验组，盐分浓度下降的速率较小，最后稳定在0.35 mol/L左右。

4 结 论

蒸发是一个复杂的过程，它涉及到气象、水文、土壤和植被等众多因素。目前，即使是水面蒸发的测量和计算，也存在诸多未解决的问题，而学者们的研究大多集中在陆面模式的研究和作物腾发量的测量与计算等方面，即使涉及到蒸发与盐分的关系，也大多是考虑蒸发对盐分运动的影响，而很少考虑盐分对水分运动或者对蒸发速率的作用。本研究通过室内试验分析得出，在恒定的大气蒸发环境中，相同的土质以及供水条件下，土壤中的盐分通过影响土壤物理性质和土壤水分状态，进而影响到土壤水分蒸发。在同等条件下，含盐土壤蒸发强度小于不含盐对照组，而且随着盐分浓度的增加，其蒸发强度逐渐减小；盐分起到减弱土壤蒸发的作用，这一点与许多学者的研究结果基本一致；在0.52 mol/L浓度条件下，盐分浓度的增加对蒸发速率的改变影响不大，超过这一浓度范围，盐分对蒸发的影响较大；相同浓度下的4种盐分对蒸发速率的影响为KCl >CaCl2>NaCl >MgSO4，且随着盐分浓度的增加，不同含盐对照组之间的差值越大。

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(编辑：赵卫兵)

Variation of Evaporation Intensity with Salinity in Soil Solution

QIAN Feng1,CHENG Dong-bing1,LIU Jing-jun2

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Wuhan Hydrology and Water Resources Survey Bureau,Wuhan 430074,China)

Indoor experiments were carried out to research the variation of soil’s evaporation intensity with salinity (type and concentration) in soil solutions in the presence of the same soil properties,same water supply conditions and external conditions.Results reveal that in the same condition,the evaporation intensity of saline soil is smaller than that of salt-free soil,and with the increase of salt concentration,the evaporation intensity decreases.But the evaporation intensity in different tests changes with salt concentration variation.In the presence of a certain salinity,the increment of saline concentration has little effect on evaporation,but when it exceeds a certain range,the evaporation rate reduces with the increase of salinity.At the same initial salt concentration (different salt types),the evaporation intensity of KCl solution is the largest,followed by CaCl2,NaCl,and MgSO4.

evaporation intensity of soil;water content in soil;salt content in soil;salinity concentration;evaporation rate

2014-12-24 ；

2015-01-08

国家自然科学基金项目(41201268);中央级公益性科研院所基本科研业务费(CKSF2014026/TB)

钱 峰(1987-)，男，浙江建德人，助理工程师，博士研究生，主要从事土壤侵蚀与土壤水分运动研究,(电话)15827408850(电子信箱)qianfeng@whu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.011

S152.7

A

1001-5485(2015)03-0050-04

2015,32(03):50-53