【摘 要】
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我国西北干旱-半干旱地区降雨稀少、蒸发强烈,且普遍采用微咸水灌溉,土壤盐渍化问题一直是制约当地农业发展的重要因素之一。准确预测评价土壤盐渍化程度,对改良与合理利用盐渍土、充分发挥土壤资源的生产潜力具有重要的意义;正确认识不同结构土壤盐分积聚过程及其对土壤水力参数的影响,是构建土壤盐分预测模型的重要前提。本文针对盐渍土盐分预测精度的不足,收集了野外蒸渗仪实验数据,开展了一系列室内土柱蒸发实验与土壤水
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(41572224,U1403282);
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我国西北干旱-半干旱地区降雨稀少、蒸发强烈,且普遍采用微咸水灌溉,土壤盐渍化问题一直是制约当地农业发展的重要因素之一。准确预测评价土壤盐渍化程度,对改良与合理利用盐渍土、充分发挥土壤资源的生产潜力具有重要的意义;正确认识不同结构土壤盐分积聚过程及其对土壤水力参数的影响,是构建土壤盐分预测模型的重要前提。本文针对盐渍土盐分预测精度的不足,收集了野外蒸渗仪实验数据,开展了一系列室内土柱蒸发实验与土壤水分特征曲线(SWCC)实验,采用数值模拟等方法,探讨了在蒸发、高盐条件下,均质与含弱透水夹层土壤中盐分积聚特征,及其对土壤饱和渗透系数与SWCC模型参数的影响。主要取得了如下认识:(1)运用HYDRUS-1D-PHREEQC(HP1)模块构建土壤水盐反应运移数值模型,模拟结果可重现土壤背景盐分溶解和不同盐分沿水流分异沉淀的过程,显著提高土壤盐分预测精度。基于含背景盐分的蒸渗仪实验数据,构建考虑与不考虑盐分溶解-沉淀的水流与溶质运移数值模型,分别预测实验结束时土壤盐分分布。结果显示:忽略背景盐分溶解,会高估深层土壤含盐量,低估浅层土壤含盐量;忽略盐分过饱和结晶,浅层土壤溶液浓度的预测值则无限增加,与实际不符;忽略不同盐分溶解度的差异,则无法反映沿水流的盐分分异沉淀。(2)弱透水夹层(粉质壤土)使得盐分不仅在表层蒸发面处积聚,还在夹层顶部累积。室内开展的含粉质壤土夹层的细砂土柱蒸发实验结果显示:粉质壤土夹层显著降低了包气带水的输送速率,上覆砂层含水率大幅度降低、蒸发面下移,表层出现干砂层,盐分结晶积聚位置下移;同时,粉质壤土的高毛细吸力使得毛细饱和带变厚,干燥面(支持毛细饱和带与非饱和带的界面)上移至其顶部,在包气带水输送速率小于大气蒸发强度时,水分从干燥面散失的比例增加,即在夹层顶部会因水走盐留积聚盐分。(3)土壤饱和渗透系数(Ks)受盐分结晶的影响并非单调降低,也存在增加的趋势。野外蒸渗仪实验中,表层盐-土混合、结构紧密的盐壳与下伏土壤保持良好水力联系,采用分阶段反演,获得Ks随时间的变化规律。结果显示:Ks在蒸发过程中呈现缓慢降低→较快速增加→快速下降→最后保持相对稳定的变化过程;室内非均质土柱实验中,因干土层中分散的盐分结晶堵塞孔隙而捕获的水汽量增至某阈值时,干土层结构产生破坏形成裂隙,Ks增加。(4)SWCC(体积含水率y-负压x)van Genuchten模型和Durner模型中的经验参数α和n与溶液初始盐分浓度呈负相关。基于张力计法测试7种不同浓度Na Cl处理的石英砂SWCC,并采用SWRC-Fit中的6个SWCC模型拟合实测数据,结果显示:在SWCC边界效应段与过渡段,初始溶液浓度越高,溶质势能的绝对值越大,越难失水,与进气值相关的参数α越小,SWCC曲线越偏右;在残余段,溶液失水和失盐(盐分沉淀析出)均会造成溶液体积的减少,导致该阶段溶液体积快速下降,SWCC曲线内弯点的坡度变大,与之相关的参数n变小。本文研究成果可为提高盐渍土蒸发积盐模拟预测精度提供理论基础,尤其是有明显盐分沉淀的土壤;可为干旱-半干旱地区盐渍土的开发与利用、灌溉制度优化等提供科学依据。
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