风沙土盐结皮过程中NaCl盐晶微结构演变规律及其对土壤水分蒸发的影响

Soil salt crust, changing the hydraulic properties of the surface soil and the soil water evaporation of salt crust, is one of the important factors to influence the water cycle in arid areas. However, the mechanism of soil water evaporation of salt crust is not clear now. This research will study the mechanism of salt-crusted soil water evaporation in the view of the salt crystal microstructure. (1)The horizontal and vertical variation of the sodium chloride crystal microstructure on the soil surface during salt crust will be studied through implementing the experiment of the sandy soil column evaporation, and the characteristics of the salt-crusted evolution of the salt crystal microstructure will be determined. (2)The change of the crystal microstructure of the natural salt crust sampled from the field will be studied using stereoscopic microscopy and scanning electron microscopy(SEM), and the factor, such as salt composition, soil particle size, content of soil, underground water quality,underground water level, that influence the crystal microstructure of the natural salt crust will be researched. (3)The effect of the crystal microstructure of salt crust on the soil water evaporation of the natural salt crust will be studied quantitatively combining with the change rules of the crystal microstructure of the natural salt crust salt.The function of the salt-crusted soil water evaporation will be improved through building the step function of the salt-crusted soil water evaporation according to the evolution stages of the salt crystal microstructure, adding the factor of the salt-crusted density, and the mechanism of the salt crust soil moisture evaporation will be revealed. The results of the study will provide a more accurate numerical equation and theoretical basis for the simulation of regional water cycle and Comprehensive Land Surface Model (CLSM).

土壤盐结皮改变表层土壤水力性质，影响土壤水分蒸发，是干旱区水循环中一个重要的影响因素。然而，目前盐结皮土壤水分蒸发机理还尚未探明。本研究从盐晶微结构的角度对盐结皮土壤水分蒸发机理进行研究。（1）开展土柱试验研究盐结皮过程中NaCl盐晶微结构在水平和垂直方向上的变化规律，分析盐晶微结构演变阶段特征；（2）采集自然盐结皮样品，运用体视显微镜和扫描电镜研究自然盐结皮盐晶微结构变化规律，结合盐份组成、土壤粒径、土壤含量、地下水质、地下水位研究自然盐结皮盐晶微结构影响因素；（3）测定自然盐结皮土壤水分蒸发量，结合自然盐结皮盐晶微结构变化规律定量研究盐结皮盐晶微结构对土壤水分蒸发的影响；根据盐晶微结构演变阶段构造阶段函数，增加盐结皮密度，改进盐结皮土壤水分蒸发公式，揭示盐结皮土壤水分蒸发机理。研究结果可为区域水循环模式和陆面模式模拟提供更精确的数值公式和理论依据。

盐结皮常见于干旱半干旱区盐渍土的表层，是盐离子结晶聚集于土壤表层或与土壤表层颗粒胶结而形成的一层壳状物质，也称为盐壳。盐结皮形成后会改变土壤表层物理性质，降低水分下渗能力、影响土壤水分蒸发，是干旱半干旱区水循环中一个重要的影响因素。本研究从盐晶体形态的角度来研究盐结皮对土壤水分蒸发的影响机制。本研究设置粗颗粒（500-800μm）和细颗粒（100-200μm）两种土柱，开展NaCl溶液（5mol/L）的土柱蒸发实验，观测盐结晶形态和土壤水分蒸发量，分析土壤水分蒸发的影响因素。结果显示：NaCl盐晶体同时在水平方向和垂直方向增长，盐结晶逐步覆盖土壤表层；细颗粒土壤盐结晶覆盖速度快，在土壤表层形成比较平整的盐壳，然后在盐壳上形成凸起的“盐瘤”，在盐瘤上再形成毛发状的“盐毛”；粗颗粒土壤盐晶体在蒸发点位上不断堆积、扩展，形成较大的“盐瘤”；“盐瘤”相互连接形成凹凸状的盐结皮，盐结皮继续生长会在“盐瘤”上形成大量的“盐毛”。盐结皮对土壤水分蒸发总体呈抑制作用，但盐结皮的抑制是一条波动的曲线，大致可分为4个阶段：第一阶段抑制增强阶段，第二阶段抑制减弱阶段，第三阶段抑制继续增强阶段，第四阶段抑制波动阶段。盐结皮的晶体形态对土壤水分蒸发产生显著影响。盐晶体水平扩展前期，即盐结皮表面较为平整，未出现明显的“盐瘤”时，盐结皮对土壤水分呈抑制逐步增强阶段，即抑制曲线的第一阶段。盐结皮表面由平整逐步变为凹凸不平阶段，开始出现“盐瘤”抑制时，盐结皮对土壤水分呈抑制逐步减弱阶段，即曲线的第二阶段。盐结皮厚度继续增加，盐结皮表面变得凹凸不平，“盐瘤”发育充分，在部分盐瘤上还出现“盐毛”现象时，盐结皮对土壤水分又呈抑制逐步增强阶段即抑制曲线的第三阶段。蒸发持续，盐结皮的“盐毛”大量出现，盐毛的不规律生长使土壤水分蒸发产生波动，即抑制曲线的第四阶段对应。该研究揭示了盐晶体形态对土壤水分蒸发的影响规律，该结果可为区域水循环模式和陆面模式模拟提供更精确的数值公式和理论依据，也为干旱半干旱区农业生产和生态保护提供理论指导。