土壤冻融过程中冬春灌溉控盐效能评估新指标：水热盐耦合模型与盐分时空指数（STI）的构建与应用

本文通过构建水热盐耦合模型，创新性提出盐分时空指数（STI），定量解析冻融周期中冬春灌溉的控盐效能与互补机制，为优化灌溉策略、抑制土壤盐渍化及促进农业可持续发展提供科学依据。

　　

Theoretical foundations

水热盐耦合模型基于以下理论假设：土壤被视为各向同性且均匀分布的多孔介质；考虑土壤变形引起的质量变化；假设土壤颗粒不可压缩，孔隙度变化直接导致土壤变形；水分迁移以液相为主，盐分运输与水分运动耦合；冰晶和盐结晶的迁移被忽略；盐分仅通过液相运输，气相传输忽略不计；考虑盐分对土壤水热特性的影响；模型耦合了水分迁移、热量传递和盐分运输的偏微分方程。

Salt control indicators

常用的控盐效能评估指标包括溶质浓度和溶质质量的相对变化率，计算公式如下：

ΔC_rel = (C_current ? C_initial) / C_initial × 100%

ΔM_rel = (M_current ? M_initial) / M_initial × 100%

其中ΔC_rel和ΔM_rel分别表示溶质浓度和溶质质量的相对变化率。C_current和M_current分别代表冻融过程中某一时刻的当前浓度或溶质质量。

Validation of model calculations

试验点实测值与模拟值的对比见图3。图3(a,b)显示了不同深度土壤水分和盐分含量的变化。显然，2023年11月冬灌开始后，各深度土壤水分含量显著增加。至2024年2月下旬，气温上升导致表土冻融交替，浅层土壤水分含量暂时增加。

Salt control effectiveness of winter and spring irrigation

本研究首先验证了田间监测数据的可靠性和数值模型参数化的稳健性。基于校准的5TE传感器测量和模型模拟结果，绘制了盐分时空指数（STI）与灌溉量及地下水埋深的定量关系图（图13、图14）。结果表明，对于砂壤土、壤土和黏壤土，STI随灌溉量的增加显著增大，且...

Conclusion

本研究开发了水热盐耦合数值模型分析土壤冻融过程。模型通过田间观测验证，并用于分析不同冬春灌溉条件下（考虑灌溉量、土壤质地和地下水埋深等因素）的土壤盐分迁移规律。利用新建立的STI，定量评估了这些因素对盐分淋洗和累积的影响。具体而言...