潜水作用下土壤水盐运移过程

　　摘要:以土壤耕层与临界潜水埋深为界，潜水埋深与土壤水相互作用分为3种情况。本文系统讨论了各种潜水埋深条件下，潜水与土壤水相互作用的原理及过程。土壤水与潜水相互作用的研究离不开土壤水盐运移数值模型，根据模型导出机理的不同将土壤水盐运移模型分为经验模型、半经验—半机理模型与机理模型3类。以相关模型为例，评述了各模型在实际应用中的优缺点，为模型在实际生产生活中选择应用提供依据。利用数学模型，讨论分析了人工控制潜水作用下土壤水盐运移动态并反演相关土壤性质参数，旨在为水盐运移模型研究提供理论支持。

　　关键词:潜水作用;水盐运移;潜水临界埋深;模型

　　土壤盐渍化是影响全球温带地区农业生产及生态安全的重要因素之一[1]。已有研究表明，影响土壤盐渍化形成的因素除当地气候条件，还与地下水埋深、潜水矿化度、地表植被和土壤质地等有关，其中，地下水埋深与潜水矿化度是造成土壤盐渍化问题最主要的因素之一[2-5]。温带灌区，大量的灌水抬高地下水水位，使地下水埋深变浅，地下水位上升至临界水位之上时便加速灌区地下水对表层土壤的水分补给，进而加速土壤表层水分蒸发。“盐随水走”，表层土壤水蒸发过程中将地下水及土壤深层的盐分带至地表，造成土壤耕层盐渍化的发生与加重[6]。

　　此外，部分盐渍土区地下水埋深本身相对较浅且矿化度较高，在强蒸发作用的影响下容易引发土壤次生盐渍化甚至盐沼化[7]。无论地下水位本身埋深较浅还是人为作用下抬高，土壤盐渍化形成的根本原因是水盐在土壤中的运动及存储导致。土壤孔隙被水完全充满时，这部分土壤水称为饱和土壤水;土壤孔隙未被水充满，土壤中含水处于非饱和状态，我们称含有非饱和状态水分的土壤区域为非饱和带(包气带)，其中的水分为非饱和土壤水，即一般所指的土壤水[6]。

　　近年来，有关土壤水运移动态的研究、水热盐的耦合运移机理、冻结土壤中水分的运移以及地下水-土壤-植物-大气连续体水热盐运移等多学科交叉研究不断涌现[8]，而且地下水作用下土壤水运动研究也不断深入，并开展了土壤水盐运移机理的研究，包括土壤水参数的测定及确定，土壤水参数的空间变异性、优先流及能态研究等[9-10]。

　　目前，主要研究方法包括野外实地观测与室内人工控制模拟潜水埋深相结合，发挥计算机软件与数学方程的分析处理优势，对土壤水盐动态进行可视化数值模拟[11]。所有水盐动态模型中，有关盐渍土的水盐动态特性及计算方法的研究尤为深入，并发展形成了以Richards模型为基础的一系列物理经验模型。模型的研究无论是对土壤改良、灌溉和排水设计，还是对于水资源评价等问题均有重要的理论和现实意义[12]。

　　鉴于地下水对形成土壤盐渍化问题的深刻影响，土壤水盐运移模型对土壤盐渍化机理研究及治理的重要性，本文概括了地下水与土壤水相互作用的动态关系，着重介绍了地下水作用下土壤水分运动与盐分积累的机理。根据水盐运移模型的原理将其分为经验模型、半经验-半机理模型与机理模型，分别介绍相关模型。最后通过地下水作用下土壤水盐动态、水盐运移模型研究及人工控制潜水埋深等内容，对未来水盐运移发展及盐渍土改良做出总结与预测。

　　1地下水浅埋区地下水与土壤水的关系

　　非饱和土壤水是联系地表水与地下水的纽带，是地下水与大气水联系的基础。不同地区潜水埋深一般不同。潜水面以土壤耕层底部[13](地表以下20cm左右处，不同地区一般不同)与当地临界潜水蒸发面为水位分割点，将潜水埋深分为3种情况[14-15]，即潜水面位于土壤耕层，潜水面介于土壤耕层底部与临界潜水蒸发面之间和潜水面在临界潜水蒸发面之下[16]。

　　1.1潜水面位于土壤耕层

　　潜水面高出土壤耕层底部且在地表未形成径流时，土壤耕层底部以下含水量接近饱和，耕层底部以上土壤含水量相对较高。高地下水位使土壤孔隙几乎被水充满，外来水源易抬高地下水位，此时，土壤水与大气作用强烈，不断的潜水蒸发使盐分在耕层聚集，使地表土壤盐渍化发生或加重[17]。同时，地下水位在耕层底部以上的升降对耕层土壤形成周期性的缺氧环境，在这种环境下，土壤溶质容易迁移，在迁移过程中易发生化学反应。有研究表明，埋藏浅的潜水与非饱和土壤水及大气水作用剧烈，是形成土壤盐渍化及沼泽化的主要原因[18-20]。

　　潜水面位于耕层时，大气降水及灌溉对潜水埋深影响巨大，大尺度上浅水面不易控制[21]。基于此，潜水面位于耕层的土壤水盐动态研究主要集中于人工控制潜水埋深下的土柱试验。人工控制潜水埋深土柱试验限制田间不稳定因素对试验结果的影响，但是由于实验室环境稳定，对实际生产的指导意义只限于理论层面。若为生产实践提供更加可靠的支持需将理论层面研究与大田试验相结合，这些问题有待科研人员通过大区域的生产实践来解决。

　　1.2潜水面位于土壤耕层底部与临界潜水面之间

　　临界潜水埋深是指地下水不能通过毛细作用上升至土壤表层的埋深深度，即潜水参与土壤水分蒸发时可忽略潜水时的埋深。介于耕层底部与临界潜水埋深的地下水对土壤水盐作用影响的问题是学者研究最多，也是关注度最大的内容。潜水面位于该层时，地下水中的盐分随着水分通过土壤不饱和区向上运动，聚集在耕区，导致土壤盐渍化问题加剧[22-23]。受降水与灌溉的影响，土壤盐分随着水分淋洗至土壤底层或地下水，导致地下水矿化度升高。

　　在黄河两岸的引黄灌区、新疆石河子兵团盐碱地、长江三角洲及东北松嫩平原均分布着大量的浅层地下水，地下水与土壤水的相互作用多属于这种情形。同样，浅埋深地下水对土壤水分蒸发也有重要影响[24-25]，对土壤剖面水盐含量，水势分布有很大影响。浅埋深地下水可以随着土壤毛细管向上运动并蒸发，造成盐分在地表的大量积累，最终加重土壤盐渍化程度[18]。此外，该层地下水埋深较浅，容易与地表水相互作用，地表水受污染后的入渗容易引起土壤及地下水的污染[26]。

　　潜水面位于该层时，土壤水盐动态数值模型模拟结果与实测值的耦合性一般较好[27-28]。学者们已相继建立了在该潜水埋深条件下潜水埋深与土壤水蒸发数值模型，例如阿维里扬诺夫经验方程、清华雷志栋方程以及模拟水盐动态模型的计算机软件，如HYDRUS、MODFLOW等。虽然上述模型能较好地反应潜水埋深与土壤水蒸发的问题，但由于土壤空间异质性的存在，不同地区气候类型、土壤质地及植被状况等均存在差异，导致模型参数选择需要大量观测数据反演推测。对于这种情形，土壤水盐运移模型的发展仍需考虑各个因素对土壤水分蒸发影响的权重。

　　1.3潜水面低于临界潜水面

　　潜水埋深大于临界潜水埋深时，即地下水不能运动到土壤上层的情况。该情况下，地下水与土壤水作用较弱，地表水与地下水一般为单向联系。地表水可通过入渗补给地下水，地下水几乎不能影响地表水。已有研究表明，影响潜水临界埋深的因素除了当地土壤质地、容重和紧实度等基本土壤物理因素外，还与当地气候、植被等因素相关[29]。已有研究表明，从砂砾石到亚黏土，潜水蒸发极限埋深变化在2.38～5.16m[30]。

　　不同地区潜水埋深临界值为我国土壤水动力学的理论研究提供了重要的背景值。对于埋深大于临界值的潜水，地下水对土壤表层作用比较微弱，对土壤表层水盐运移与溶质运移影响较小，数值模型一般不考虑地下水的作用。以上3种地下水埋深的情形对土壤水分蒸发的影响已有一定的研究。对于埋深较浅的地下水一般受降水、灌溉和土壤毛细管向上运动与人工活动的影响较大。

　　当潜水面在临界水位以上时，土壤水与地下水相互作用较明显，研究其中任何一个都必然受到另一个因素的制约。同时，由于各种因素所造成的潜水面的变化势必会对土壤含水量、盐分含量与组成造成影响，该过程在实际研究中不可忽视。随着研究的深入，土壤水分运动过程中所受各种势能已经进入科研工作者的视野，从动力机制解释水分运动趋势逐渐成为建模的手段。

　　此外，土壤包气带中水文变化与溶质、热运移也已作为重要的研究内容。已有模型研究表明，潜水埋深不同与土壤水蒸发在理论上具有一定的数值关系。由于机理模型本身的复杂性，潜水埋深在耕层附近的研究并不完善，再者由于土壤空间异质性导致机理模型在国内推广与使用具有局限性[25，27，31]。

　　目前，国内从事土壤水盐运移研究的工作人员主要研究大气降水后，由地表向下淋溶的过程，或者是将淋溶与蒸发结合起来，单独的从浅埋深潜水与溶质浓度对蒸发影响机理的研究较少。基于此，溶质浓度对潜水蒸发及植物生理指标的研究有助于进一步完善土壤水盐运移的机理研究，强化土壤水盐动态在地下水作用下的影响是解释并防治土壤盐渍化的有效手段。

　　2土壤水盐运移模型的研究

　　土壤非饱和水是陆地植物赖以生存的水源。随着研究的深入，经济发达的国家对土壤水盐运移领域进行了大量的研究，处于干旱、半干旱地区的国家对土壤水的研究尤为重视[6]。已有研究表明，影响潜水蒸发的因素主要有气象因素、潜水埋深、土壤质地、植被因素和地下水矿化度等[32-33]。此外，土壤冻结和温度梯度等因素也可能引起土壤盐渍化[34-36]。

　　以上影响因素中，气象因素与海陆分布及所处的温度带关系密切;土壤质地与成土母质、成土过程关系密切;植被因素受自然因素与人为因素的双重影响，在生态学方面的研究较多;潜水埋深及地下水矿化度受自然因素与人为因素的双重影响，随着社会经济的发展，潜水埋深及地下水矿化度受人为影响越来越大，打井、灌溉等人为活动可改变潜水埋深及地下水矿化度。潜水埋深与地下水矿化度在影响土壤水盐运移数值模型研究中极为重要[37-39]。研究表明，不同地下水埋深和地下水矿化度均与潜水蒸发有数值关系[7]，并且以此引出了关于土壤水盐运移的经验模型、半经验—半机理模型和机理模型[40]。

　　2.1常用的潜水蒸发经验公式

　　土壤水分含量随着地下水位的变化而变化。一般情况下，当地下水埋深较浅时，受土壤温度与势能梯度的影响，地下水与土壤水作用强烈。地下水分通过土壤毛管被输送至地表，在土壤水分蒸发至大气的过程中，土壤盐分在地表积累。

　　在地下水作用下水分运动过程中，以阿维里扬诺夫经验公式为主的潜水蒸发经验模型被广泛应用。潜水蒸发受潜水蒸发强度的影响，影响潜水蒸发强度的因素主要有潜水埋深、地下水矿化度、土壤质地和植被等因素。其中裸地潜水蒸发以潜水埋深的影响最为深刻。科研工作者通过对观测数据的分析及回归，得出了一系列实用性较强的线性或非线性公式。

　　3人工控制地下水作用下土壤水盐运移研究

　　自然界土壤的空间异质性与地下水位的差异，在一定程度上限制了对潜水埋深条件下土壤水盐运移状况机理的研究。土壤水盐动态与土壤水盐运移机理的研究，是认识土壤盐化与碱化的形成和改良的基础[72]。为了便于对土壤水盐运移动态的研究，科研工作者普遍采用人工控制潜水埋深及潜水矿化度的方式研究，并发现潜水埋深及矿化度是引起土壤水盐运移动态及影响土壤水盐运移的重要因素。研究人工控制潜水埋深与矿化度的方法，主要通过室内或田间土柱试验进行。在人工控制潜水埋深及矿化度的基础上，对土柱采用一系列的处理措施[73]。

　　例如史文娟等对土柱土壤进行夹砂处理，模拟研究不同土层土壤水盐运移动态变化，并对土壤夹砂处理下的水盐动态做机理性解释[74]。刘广明等通过人工控制潜水埋深模拟研究了同一潜水埋深下，不同土壤质地对土壤水盐运移动态及影响，揭示砂粒、粉粒和黏粒对土壤水分蒸发和淋溶及土壤盐分动态的影响[75]。杨建峰等通过人工控制不同潜水水位，研究了松嫩平原土壤水盐运移动态变化及苏打盐渍土形成及变化的机理性问题[76]。

　　这些研究进一步解释了我国影响土壤水盐动态的因素，也为我国土壤水盐运移模型的研究奠定了理论基础。国外也进行了大量土柱试验的研究，与我国不同的是，国外的土柱实验的研究大多都以模型为基础，一方面是对模型的验证，另一方面是对模型参数的校正。例如Lehmann等[77]做的沙柱试验说明在对称波动的地下水位作用下，土壤含水量差异较大，此时通过Richards方程所模拟的土壤含水量与潜水埋深的关系与试验观测数据差异较大，说明Richards方程需要考虑土壤水分特征曲线的滞后效应，考虑了滞后效应的Richards方程所做的模拟与试验观测的吻合度较高。

　　同样，由于土柱试验相比于大田试验具有很强的可控性，Todd和Whalley等均利用传感器测定土柱中水盐动态，并且通过土壤中水盐传导在传感器上的反应，验证传感器的稳定性[78-79]。土柱试验的发展在一定程度上解决了大范围内土壤空间异质性的问题。

　　例如，研究黑钙土与栗钙土的渗透性、水盐动态等问题只需用特定材料做土柱，然后取土，按一定的试验方法操作即可，极大地方便了科研工作的开展。但是土柱试验仅仅是实验室内的一部分，并不能代表大田的实际情况，所以和大田的实验结果仍有较大差异。将土柱试验与大田观测相结合，理清室内土柱试验与大田试验的物理过程，通过校正土柱模拟所得到的方程，完善相关模型，增强模型的精度与普适性。

　　4结论与展望

　　随着人工控制潜水作用下土壤水盐运移研究的发展，国内外土壤物理研究均取得了长足的进展，土壤水盐运移经验模型和数值模拟应用的范围、精度均得到了加强。多学科交叉为土壤物理及水动力学的发展提供了方法，例如遥感影像、同位素[80-83]检测等均为土壤水动力学与盐渍土的理论研究与治理提供了新方法。

　　水盐运移模型的研究越发成熟，尤其是随着信息技术的发展，潜水埋深对不同物理性状土壤机理性模型及经验模型的参数研究得到了补充，对世界盐渍土的治理提供了重要的理论支持。尽管土壤物理学已经得到了长足的发展，土壤盐渍化的治理也得到了重大发展，但是土壤盐渍化问题依然存在，并且还有扩大的迹象。在未来，随着人类对农作物产量与质量的需求不断提升，土壤水盐运移及模型的发展方向逐渐明确。

　　(1)土壤水盐运移模型应该全面考虑，在水盐运移研究基础上对土壤水、肥、气和热方面进行模拟，以增加土壤保水保肥保墒的性能，为盐渍土的改良奠定基础。

　　(2)应该将田间尺度与室内土柱试验模拟试验相结合，同时将田间尺度与区域尺度土壤水盐运移相结合。在田间尺度上，将地统计学与土壤水盐运移模型相结合，是解决田间尺度水盐运移模拟的有效途径;区域尺度上，将室内水盐运移模型与遥感原理相结合，通过遥感影像技术，动态统计区域潜水分布及潜水特性。遥感原理与水盐运移模型应用相结合，使土壤水盐运移模型具有更精确的预测功能，也为盐渍土的改良提供强大的理论支持。

　　(3)对机理模型而言，参数的优化和完善一直是国内外学者研究的重点和热点。参数的可靠性是机理模型应用与发展的基础。在今后的工作中，根据土壤空间异质性与地区间的差异完善土壤参数的测定，建立全球性的潜水对土壤水盐运移的影响网络是未来土壤水研究的重要内容。

　　(4)对于埋深在1m以内不同矿化度的潜水对土壤水盐运移机理性的研究，国内仍然比较匮乏。埋深较浅的潜水与大气作用极为密切，该深度埋深潜水作用下导致土壤水含量较高，通过洗盐对土壤的改良相对容易。对该部分机理的研究，不仅可以完善浅层地下水作用下土壤水盐运移动态的空缺，而且有助于提出新的改良土壤的方法。

　　参考文献(References):

　　[1]杨帆，罗金明，王志春.松嫩平原盐渍化区水盐转化规律与调控机理[M].北京:中国环境出版社，2014.YANGF，LUOJM，WANGZC.WaterandsalttransformationandregulationmechanisminthesalinizationareaofSongnenPlain[M].Beijing:ChinaEnvironmentalSciencePress，2014.

　　[2]GUSWAAJ，CELIAMA，RODRIGUEZ-ITURBEI.Modelsofsoilmoisturedynamicsinecohydrology:Acomparativestudy[J].WaterResourcesResearch，2002，38(9):1166.

　　[3]GARDNERWR，MILTONF.Laboratorystudiesofevaporationfromsoilcolumnsinthepresenceofawatertable[J].SoilScience，1958，85(5):244-249.

　　[4]HUSJ，TIANCY，SONGYD，etal.ModelsforcalculatingphreaticwaterevaporationonbareandTamarix-vegetatedlands[J].ChineseScienceBulletin，2006，51(S1):43-50.

　　[5]WYTHERSKR，LAUENROTHWK，PARUELOJ.Bare-soilevaporationundersemiaridfieldconditions[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1999，63(5):1341-1349.

　　土壤类刊物推荐：土壤通报是中国科协主管、中国土壤学会主办、沈阳农业大学承办的土壤学与肥料学学术期刊。为农业基础科学类核心期刊。