您现在的位置:汇感农业 > 土壤卷 > 土壤水盐动态 正文

土壤水盐动态

作者:汇感农业百科  阅读:次  类别:土壤卷

    由于水盐运动而引起的土壤中水盐含量及组成的变化。它是研究盐渍土发生演变、防治措施和盐渍化预测预报的理论基础。

    研究简史 早年因受研究方法所限,多偏于土壤水盐动态的定性描述。20世纪30年代后,随着灌溉农业的发展,引起土壤次生盐渍化面积的扩大,从而推动了土壤水盐动态的研究,这一期间的研究特点是:进行大量野外定点观测,根据观测资料找出其规律性,绘制变化曲线或求出经验公式以描述水盐动态。60年代以来,由于观测技术和电子计算机的发展,对土壤水盐动态能作出定量描述,使之从定性、半定量转入定量研究。中国土壤水盐动态研究始于20世纪50年代,大多用田间定点取样法,研究土壤季节性或年际的水盐变化。60年代初,主要是结合地下水临界深度的研究,在室内外进行蒸发条件下土壤水盐动态研究,80年代以来,结合盐渍化预测预报研究,利用土壤盐分传感器等测试手段,开展室内外模拟试验,进行数学模型研究,使这项工作进入以定量研究为主的新阶段。

    理论基础 土壤溶质运移规律是研究土壤水盐动态的理论基础,土壤中溶质运移形式主要有:土粒与土壤溶液界面处的离子交换吸附;土壤中离子扩散;土壤溶液流动过程中溶质的弥散;溶质随土壤薄膜水的运移及溶质随土壤中自由水的运移。

    研究内容 主要有以下几个方面:

    水分蒸发条件下的土壤水盐动态 是研究盐渍土形成、地下水临界深度等问题的理论基础。当土壤水分和潜水蒸发时,其中的盐分随水分向上层土体中移动,同时发生盐分离子与土粒相接触的作用。蒸发条件下土壤水盐动态与潜水埋深密切相关。当潜水埋深大于3米时,一般潜水借土壤毛管水上升的运动不致影响上层土体的水盐运动,此时土壤水盐动态主要表现为盐分随上层土壤水分的运动而移动。当潜水埋深小于3米时,潜水借土壤毛管的上升运动可达表土,因而影响表层土壤的水盐动态。潜水面以上的土壤水分运动一般可划分为吸湿水运动、薄膜水运动和毛管水运动。蒸发过程中盐分向上层土体中积累的速度,受土壤水分和潜水蒸发速度、土壤溶液浓度和潜水含盐量的影响。影响土壤水和潜水蒸发速度的外部因素主要是大气蒸发能力和水汽压力梯度;内部因素主要为水分通过土体时所受的阻力(主要与土体结构,层次的质地有关)及潜水位埋藏深度。根据质量守恒原理所建立的土壤非饱和水分状况下,一维流动的溶质运移的数学模型,基本方程如下:

    

式中:Z为垂直坐标;t为时间(天);C为土壤溶液浓度(克/升);Q为土壤含水量(体积%);V为垂直方向土壤溶液流速(米/昼夜);D为对流扩散系数。上式是描述水盐运移的一般基本方程式,为了解决蒸发条件下水盐运动问题,则需确定相应情况下方程式的定解条件,并求出其中的参数。土壤水分蒸发过程十分复杂,因此常要对复杂过程加以简化,从而建立较为简单的物理模型,找出与这种简单物理模型相当的数学模型,才有可能从数学上用解析的、半解析的或数值计算法求解。这方面的研究着重于找出符合实际情况的数学模型及其解。

    水分渗入土壤过程中的水盐动态 降水或灌溉水入渗情况下土壤的水盐动态,是研究盐渍土形成以及采取冲洗、排水和种稻等改良措施与进行土壤盐渍化预报的理论基础和依据。在水分入渗过程中,土壤水盐动态与水分入渗运动过程密切相关。当地表积水时,在均质土体剖面中入渗水分的垂直分布是:土壤表层为饱和含水层,其下为接近于饱和状态的过渡层,再下为厚度不断增加的传导层,最下为湿润层。土层含水量随深度减小,含水量梯度逐渐加大,直到湿润前锋。当潜水位较浅时,经较长时间的水分入渗,过渡层与潜水面相接,因此潜水位埋藏深度对水分入渗过程中的水盐运行速度,将产生较大影响。水分入渗过程中水盐动态也是一个非常复杂的过程,除了在不同的含水层次内,因水分流动状况不同,而引起盐分移动的差异外,盐分及其离子还将在土壤中产生吸附、交换、沉淀和溶解等现象。在水分入渗过程中的土壤盐分运动,主要是盐分溶解于水成为溶液而受重力作用的下移运动。重力水能携带的盐分多少,即受重力作用而下渗的土壤盐溶液浓度高低,主要决定于土壤含盐量、盐分的溶解度、土粒对盐分的吸持能力和盐分的扩散、弥散速度等。重力水占饱和含水量的比例及其在土壤孔隙中运行的速度,在不同质地结构的土体中变化很大。一般粘质土中盐分淋洗的速度要小于壤土和砂土,另外,冲洗灌溉供水的方法也对入渗水的淋盐速度有较大影响。

    描述水分入渗过程中土壤水盐动态的数学模型,与蒸发过程条件下的相同。阿维里扬诺夫(C.Φ.Aвepьянoв)曾提出用土壤水盐运动的基本方程式来计算冲洗改良土壤中的冲洗定额。

    

式中:C为土壤溶液浓度(克/升);V为土壤中的水流实际流速(米/昼夜);V=V/m,V0为渗透速度;m为有效孔隙(相当于体积含水量);Cm为要求的土壤溶液浓度(克/升);β为交换系数(溶解或吸附);D*为对流扩散系数(米2/昼夜);X为距离(米);t为时间(天)。

    土壤季节性和多年水盐动态 主要研究在某个时段前后(例如雨季前后,灌溉前后,某一改良措施前后,若干年前后)土层中含盐量及其在剖面中分布的变化,土壤剖面中含盐性质的变化。柯夫达(B.A.Koвдa)认为,在前苏联非灌溉生荒盐渍土的盐分状况,年度循环具有两个方向,在湿润季节里(冬春)土壤溶液以下降水流占优势,土壤剖面季节性脱盐;在干旱时期(夏、秋)土壤溶液以上升水流占优势,土壤剖面产生季节性盐渍化。在有灌溉的情况下,则增加盐分的循环过程。中国在不同盐渍土地区也进行了许多季节性多年水盐动态观测研究,在半干旱、干旱地区,由于受太平洋季风气候影响,具有夏、秋多雨季节土壤脱盐及冬,春干旱季节土壤返盐的季节性盐分变化规律。而在不同土壤改良措施条件下,土壤水盐动态又有其特殊的规律,如在有排水条件下种稻改良过程中,由于稻田经常保有水层及灌溉水的入渗,使土壤处于脱盐状态,而在排水不良的情况下,水稻收割后,在干旱期间土壤复又返盐。在井灌地区,由于机井群抽吸地下水灌溉,使潜水位下降,而且灌溉又能淋洗土壤盐分,因而增强了水盐向下的运动,使土壤逐渐脱盐。

    除了上述土壤水盐动态研究的三个主要方面外,还有一些特殊条件下的水盐动态,如土壤冻融过程中的水盐动态,咸水及碱性水灌溉过程中的水盐动态等。

    研究方法

    田间定位观测法 在田间根据不同研究目的布置定位观测点,定期采集土样、水样和观测地下水位,通过所得资料研究水盐变化规律。其优点是,研究结果符合田间实际情况,方法比较简单易行。缺点是:①易于产生差误,由于田间土壤具有很大的不均一性,特别是土壤含盐状况变化更大,相距数米甚至几厘米的两点的土壤剖面含盐状况都会有很大变化,定点取样前后两次不可能在同一个点,原有基础可能存在很大差别,因之前后两次取样比较,并不能说明实际的变化,因此有时会得出错误的结论。定点取样法一般只能进行粗略比较,找出相对的变化,难以进行精确的定量研究;②不能进行单因子试验,田间取样法一般只能研究在某种自然条件或某项人工改良措施条件下,引起的综合水盐动态变化,不能研究某项因素的影响;③工作量大,必须频繁取样并进行化验分析。由于田间定点观测水盐动态技术的发展,美国在70年代、中国于80年代研制了土壤盐分传感器,可埋设在土壤中直接测量土壤溶液浓度的变化,另外,测定土壤含盐量的四电极测试技术及电磁感应电导仪,均可在田间直接测定土壤含盐状况,使田间水盐动态的研究更加深入,并使观测方法向自动化和遥测方向发展。

    排水收集器法 利用排水收集器可对某些影响水盐运动的因素加以控制,从而研究不同条件下的水盐动态。最常用的是在排水收集器中,将地下水位控制在不同深度,研究其对土壤水盐动态的影响。若在排水收集器中装入传感器和负压计,则可测定水盐运动的连续变化。排水收集器设在田间,与田间自然条件较一致,因而所得结果同田间实际情况相近,但还有些条件不能人为控制。

    室内模拟土柱法 是一种常用的研究方法,其优点是在室内进行,各种条件均可人为控制,能进行单因子试验。但是由于大多采用扰动土,与田间土体结构差别很大。早年多是在玻璃管中装入扰动土,进行不同试验处理(如潜水、蒸发、盐分、淋洗和扩散等),试验毕,将土柱切开逐层分析土壤的盐分含量及离子组成,与初始情况进行对比。此方法仅能看到处理前后的变化不能观测水盐变化过程。后来对土柱中水盐动态观测技术,作了许多改进,如采用放射性同位素示踪法等。70年代起逐渐采用土壤盐分传感器和四电极法对土柱中水盐运动进行直接观测,可测得土柱中水盐连续变化过程。

    数学模型法 利用数学模型来描述水盐动态,能计算土壤任一空间点上任一时间的水盐含量,从而可对土壤水盐动态作定量研究,并对土壤盐渍化进程作出定量预报。由于电子计算机的发展,使有可能对一些较复杂的数学模型进行计算。但土壤水盐动态数学模型研究方法必须以大量确切的实测数据为基础和前提。