盐基离子对入渗-蒸发过程水分运动的影响机制与水盐运动模型研究

A clear understanding of the mechanism of soil-water movement affected by soil salts and of the characteristics of water-salt migration is the important scientific issue in Agriculture Water and Soil Science, and could provide a theoretical support for salt-water regulation in cropland. The present project plans to adopt experimental investigation, theoretical analysis, and model simulation methods to reveal the mechanism of soil-water movement affected by natural salt in soil and foreign salt in water supply, and to construct the models of water-salt transport. For the two types of contextual models, that is the nonsaline-alkali soil is supplied by Cl-type solution, and the saline-alkali soil is supplied by distilled water, the present study 1) quantizes the effects of salts on soil hydraulic parameters, further for establishing a modified model of soil hydraulic properties with a combination of salts; 2) observes the characteristics of soil water-salt migration during infiltration and evaporation processes, and analyzes the characteristics of positive salt ion adsorption on soils during the two processes, further for revealing how salts affect soil-water movement; and 3) constructs the modified models of water-salt transport based on the constructed modified model of soil hydraulic properties, and verifies it according to the simulated results by open-source SWMS software; and finally constructed the simplified models of water infiltration and evaporation. This study would deepen the scientific connotation of soil water-salt migration.

明晰盐分对土壤水分运动影响机制、研究水盐运动规律是农业水土学科中的重要科学问题，可为农田水盐调控提供理论基础。本项目采用试验观测、理论分析和数值模拟相结合的方法，旨在探明盐碱土中的固有盐分和灌溉水源中的外来盐分对土壤水分运动的影响机理并构建水盐运动改进模型。研究中主要针对普通灌溉水（淡水）和不同浓度的Cl型盐溶液灌溉盐碱土和非盐碱土等多种情景，量化盐分对土壤水力特性参数的影响，建立考虑盐分的土壤水力特性改进模型；监测入渗和蒸发过程中水盐运移特征，分析土壤对不同盐阳离子的吸附性能，从土壤物理和化学角度阐明盐分对土壤水分运动的影响机理；以土壤水力特性改进模型为基础，构建考虑盐势影响、盐分溶解-结晶过程的土壤水盐运移改进模型，通过修改SWMS开源软件对水盐迁移-分布特征进行模拟并验证，在此基础上建立考虑盐势的水分入渗、蒸发简化模型。本项研究可望深化土壤水分-盐分运移动力机制的科学内涵。

西北旱区盐渍土分布广泛且严重制约着农业可持续发展。土壤水盐运动是盐渍土研究的核心问题，通过理论分析、模型构建与应用对入渗-蒸发过程中的水盐互作问题进行了研究。（1）开展NaCl饱和土样离心试验，探究了钠质化对土壤物理特性参数的影响，低浓度NaCl可降低土壤通气孔隙、毛管孔隙和无效孔隙，在一定程度上具有提高土壤持水能力的作用。（2）开展“蒸馏水+盐碱土”和“蒸馏水+非盐碱土”入渗试验，阐明了不同盐度影响下的水分入渗特性，结合一维垂直代数模型和Kostiakov模型构建了具有物理意义的土壤水分连续估算模型，可用于计算和预测入渗过程中任意时刻的剖面土壤含水率并刻画其连续动态变化规律；对于盐渍化土壤，土壤固有盐分抑制水分入渗，累积入渗量表现为低盐度>中盐度>高盐度；在盐分影响下，不同土层水分再分布特征存在差异，0~25cm土层含水率表现为低盐度<中盐度<高盐度，25~40cm土层含水率表现为低盐度>中盐度>高盐度。（3）开展“微咸水/咸水+非盐碱土”蒸发试验，明晰了盐离子对水分蒸发的影响，通过引入“潜水蒸发折算系数”提出了一种含盐地下水蒸发量的估算方法；明确了蒸发过程中水分运动的驱动力并揭示了盐阳离子对潜水蒸发的作用机理：在蒸发前2min内毛管作用为驱动力，K+和Na+对毛管水重力的影响较为显著，Ca2+和Mg2+同时影响毛管水重力和土壤结构。为缓解农田盐碱化，在实际农业生产中多采用秸秆还田和覆膜等农艺措施，大量残膜将导致微塑料污染问题。（4）对于掺有保水材料的农田土壤，针对土壤裂隙发育和水力参数模型构建问题，量化了含水率-土壤水吸力-裂纹强度三者关系，考虑了添加物对土壤孔隙分布的影响并基于土壤毛管理论，构建了改进的土壤水力参数模型，可用于预测土壤水分入渗过程。（5）在土壤微塑料迁移方面，明确了土壤水和微塑料的互作效应，阐释了微塑料对水流形态的影响及其诱发因子。研究成果可为实现农田精量灌溉和防治土壤盐渍化提供理论支撑，同时有利于促进降低微塑料环境风险。