冻融条件下松嫩平原盐渍土水盐迁移机制研究

Saline soil is widely distributed on the songnen plain,water and salt migration caused by the freeze-thaw sharpened the region soil salinization degree. Learning from the permafrost angle, this project takes the different places, different season and different depth saline soil in songnen plain as the research objects to research the influence of saline soil physical and chemical composition and pore characteristics on the capillary characteristics and the water and salt migration characteristic of the saline soil, which distributes in plane and longitudinal profile of this area. Through the large scale simulated test and physical and chemical test research of indoor water and salt migration, combining with the data on the scene, we established and validate the coupling model of water, heat and salt based on unsaturated porous medium seepage theory to describe the saline soils water and salt migration characteristics influence under the freeze-thaw function of this area. Using finite element weighted residual method to find the solution to the model, geting water, heat, salt dynamic change rule of songnen plain carbonated saline soil under the freezing and thawing conditions, comparing the field monitoring results with the model calculation results to verify this model. Thus reveals the water and salt migration mechanism under the freeze-thaw function of songnen plain. This topic research has important theoretical value on the treatment and prevention of land salinization, prevention and control of agricultural ecosystem degradation, protect the ecological environment and the future of food security.

松嫩平原盐渍土分布十分广泛，冻融条件下水分、盐分迁移加剧了该区域土壤盐渍化程度。研究冻融条件下松嫩平原盐渍土水分与盐分迁移机制，是遏制该区土地盐碱化加剧现象而亟待解决的关键科学问题之一。本课题以松嫩平原不同地点、不同季节、不同深度的盐渍土为研究对象，从冻土学角度研究该区域平面、纵向剖面盐渍土物理化学组成及孔隙特征等对其毛细特性和水盐迁移特性的影响规律；依据室内水盐迁移大型模拟试验、微结构测试及理化试验研究结果，结合现场监测数据，并根据非饱和多孔介质渗流理论，建立松嫩平原盐渍土冻土系统水、热、盐迁移的耦合数学模型；利用有限元加权残数法对模型求解，获得冻融条件下该区域盐渍土水、热、盐迁移的动态变化规律，并将现场监测结果与模型计算结果进行比较，验证模型，揭示冻融条件下松嫩平原盐渍土水盐迁移机制。本课题研究对治理和预防土地盐碱化、防治农业生态系统退化、保护生态环境和未来食物安全性具有重要理论价值。

项目以吉林省西部地区农安县碳酸盐渍土为试验研究对象，通过野外取样监测及室内试验，对土样的物质组成和基本理化性质进行分析，然后通过室内直接法和温度梯度冻结法进行水分迁移试验，分析水分运移机理。根据能量守恒方程、质量守恒方程、达西定律、傅立叶热传导定律等建立了冻结条件下盐渍土水、热、盐运移耦合数学模型。采用有限元法对模型进行求解，将求解结果与试验结果相对比，以此验证模型的有效性。得出以下主要结论：.（1）研究区大部分土样，粘粒含量高，含有较多的可交换性钠，溶于水后颗粒本身具有较强的分散性，颗粒周周形成较厚的结合水膜，阻碍了毛细水的上升。 .（2）直接法毛细水上升试验中，土体在未冻结时，自然条件下毛细水上升的高度很小，并且土体压实度越大毛细水上升高度越低。冻结法水分迁移试验中，温度梯度对水分迁移影响明显，且温度梯度致使土体中结合水发生运移而并非是毛细水，并且土体压实度越大水分迁移量越少。同时，盐分的运移以水分为载体，受温度势、溶质势等多种因素影响，并且土体压实度越大盐分运移量越少。.（3）盐渍土系统中任意一点的水分、热量、溶质的运移相互联系、相互影响、相互作用，形成一个复杂的水、热、盐运移耦合系统。根据能量守恒方程、质量守恒方程、达西定律、傅立叶热传导定律等建立了冻结条件下盐渍土水、热、盐运移耦合数学模型，并通过对模型进行求解，将求解结果与迁移试验的试验值进行对比分析，验证所建模型可以有效地反映冻结条件下水盐迁移情况。.冻结条件下碳酸盐渍土水盐迁移机理研究不仅促进了非饱和土体水盐迁移理论研究的进展，同时对区域资源的开发利用、土壤盐渍化的监测与防治都有重要意义，为有效控制该区土壤盐渍化不断加剧的趋势进一步提供了理论依据，这对保证国家重大粮食安全工程的顺利实施以及治理和预防土地盐碱化、防治农业生态系统退化、保护生态环境等具有重要的科学意义与实际应用价值。