秋季灌溉时机与水量对季节性冻融土壤水盐组分迁移的影响机制研究

推荐：针对季节性冻融区盐渍化土壤中漫灌洗盐效果受灌溉时机和水量影响的关键问题，研究人员通过两年田间试验结合FREZCHEM模型，揭示了不同灌溉方案下土壤水盐及离子组分的迁移规律。结果表明，晚灌(LAITs)较早灌(EAITs)增加土壤含水量0.05 cm3/cm3，而早灌使脱盐率提升16%-37.8%，为干旱区盐渍土改良提供理论依据。

　　

在干旱半干旱地区，土壤盐渍化已成为威胁全球9.32亿公顷农田的严峻问题，中国西北和东北季节性冻融区尤为严重。传统漫灌虽能淋洗盐分，但其效果受灌溉时机、水量及冻融期水盐动态的复杂影响。更关键的是，现有研究多关注总盐量变化，而忽视不同盐分离子（如Na⁺、SO₄^2-）的迁移特性差异——这些组分不仅影响脱盐效率，还通过沉淀-溶解反应改变土壤理化性质。如何通过优化灌溉策略实现水盐协同调控，成为农业水资源管理的核心挑战。

针对这一科学问题，中国内蒙古河套灌区曙光实验站的研究团队开展了一项为期两年的田间试验。通过设置6种漫灌处理（2种灌溉时机×3种灌水量，150-210 mm），结合FREZCHEM热力学模型（适用温度-113至25°C），首次系统解析了冻融期土壤溶液中离子浓度与化学沉淀的动态转化过程。

研究采用离散采样法监测土壤温度、含水量及8种盐基离子（Na、Ca、Mg、CO₃、HCO₃、Cl、SO₄），通过Pitzer方程计算溶液活度系数，并利用亨利定律分析CO₂气液平衡。关键创新在于量化了冻融过程中CaCO₃、Na₂SO₄·10H₂O等温度敏感性沉淀的转化机制。

3.1 土壤水分响应规律
数据显示，灌溉时机显著影响最终土壤含水量（θ_e），晚灌处理（LAITs）的θ_e比早灌（EAITs）平均高0.10 cm³/cm³。这归因于晚灌缩短了地表蒸发窗口（蒸发量减少34%），并通过更强的热对流促进地下水补给。值得注意的是，灌水量在150-210 mm范围内对水分保持的影响差异不显著。

3.2 盐分迁移的时空特征
早灌在淋洗期（10-12月）表现出更优的脱盐效果，脱盐率（DR）达35.2%（vs 晚灌15.8%），主要淋失组分为Ca、Cl和HCO₃。而冻融期（12-4月）呈现相反趋势：晚灌处理盐分积累9.7%-26%，尤其Na和SO₄因向上热对流显著增加，这与Na₂SO₄·10H₂O在-1.2°C的低温沉淀特性密切相关。

3.4 离子形态转化机制
FREZCHEM模拟揭示，灌溉后土壤盐的化学沉淀比例从34%-51%降至14%-34%，其中CaCO₃占沉淀总量的59.6%。冻融期MgCO₃和Na₂SO₄·10H₂O的溶解导致Mg²⁺减少23.5%，而Ca²⁺因CaSO₄·2H₂O转化增加67%。

4.3 优化灌溉方案
综合水分保持与脱盐需求，150 mm晚灌（L1）被证明是最佳平衡方案——其土壤含水量增加0.15 cm³/cm³，同时DR达22.5%。但研究也指出，长期早灌可能导致有机质流失，而持续晚灌会加剧盐分表聚，因此需根据初始盐分组成（如Na⁺/SO₄^2-比例）动态调整策略。

这项发表于《Agricultural Water Management》的研究，首次从离子组分尺度揭示了冻融区漫灌的水盐调控机制。其建立的FREZCHEM-Pitzer耦合模型，为复杂环境下的盐分形态预测提供了新工具。实践层面，研究提出的"时机-水量-盐分组成"协同优化框架，对实现中国北方400万公顷盐碱地的节水控盐具有重要指导价值。未来需进一步结合土壤质地、地下水位等因子，构建区域适应性灌溉模型。