冻融过程中垄沟地形对土壤盐分再分布的影响

《Journal of Contaminant Hydrology》：Effects of ridge-furrow topography on soil salinity redistribution under freeze-thaw processes

　　

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  聚焦流发生在冻融过程垄沟下方。
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  聚焦流驱动盐分向下更快、更深的迁移。
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  增大的垄高有利于盐分的向下迁移。

引言

土壤盐渍化是干旱和半干旱农业地区最严重的土地退化问题之一（FAO，2024）。其特征是土壤中可溶性盐分的积累，这不仅影响作物生长，还会导致土壤结构退化，从而降低农业生产力（Kramer和Mau，2023；Rengasamy，2010；Shokri等，2024）。因此，理解和缓解土壤盐渍化过程对于改进盐土可持续利用至关重要。

在盐碱农田中，垄沟（RF）种植是一种简单而高效的耕作方式，被广泛用来改善土壤水、热、盐条件并提高作物产量（Han等，2025；Li等，2020）。该技术通过人工将农田表面重塑为垄与沟交替的形态，从而调节田间的水分重新分配、热量交换和溶质运输（Liu等，2020；Wang等，2020）。大量研究表明，RF地形显著改变了地表以下土壤盐分的局部空间分布（Cui等，2025；Han等，2025）。在农业实践中，垄的配置，包括垄高和RF比（即垄宽与沟宽之比），通常根据当地气候条件和作物类型进行设计，以实现最佳的生长效果（Kossi等，2025；Liu等，2020）。

在中高纬度地区（例如中国北方和北美），许多盐碱农田在冬春季节还经历季节性冻融过程（Nachshon等，2014；You等，2017），这进一步复杂化了土壤盐分动态（Ireson等，2013）。在冻结过程中，非饱和土壤由上至下冻结会导致冻结区内孔隙水压降低，从而产生吸力，驱动地下水和溶解盐向冻结锋面向上迁移，这通常被称为冻吸（Hayashi，2013）。在地下水位较浅的地区，这种向上的吸力会降低局部地下水位（Huang和Rudolph，2023）。同时，冰的排盐作用增加了冻结区内未冻结水的盐度（Bai等，2026；Zhou等，2020），增强了盐分的向下迁移，并促进在冻结锋面附近形成盐分累积区（Wu等，2018）。在融化过程中，融水的释放稀释了冻结区内浓缩的未冻结水，降低了局部盐度。当孔隙冰完全融化后，溶解的盐分会被下渗的融水向下淋洗，从而实现盐分的垂直重新分布（Hayashi，2013；Huang和Rudolph，2023）。

尽管大量的理论和实验研究已经阐明了冻融过程中水分和盐分迁移的机制，但大多数研究将这些动态简化为一维（1D）垂直过程（Li和Li，2023；Zhang等，2017）。Li等（2026）报告称，即使在横向均匀的冻融条件下，地表以下盐度也可能表现出二维（2D）的指状行为。然而，这种1D简化通常是基于均质平坦表面的假设，而RF系统则表现出独特的2D地形特征。RF地形与冻融过程之间的相互作用如何改变区域性的水和盐的重新分布尚不清楚。这一研究空白可归因于以下几个因素：野外研究往往缺乏足够的数据来捕捉长期尺度的盐分重新分布，而实验室冻融实验过程中孔隙水盐度数据难以获取。此外，现有的模型如SHAW（Flerchinger，2000）、SWAP（Hao等，2013）和SWAT（Francesconi等，2016）被限制在一维框架内，因此无法显式地表征RF地形中冻融过程中2D耦合的水、热、盐动态。

最近，Li等（2025）修改了SUTRA-MS代码（Hughes和Sanford，2004），以考虑冻融过程和冻吸作用。这一修改使得对冻融条件下水、热和盐的2D数值考察成为可能。基于该修改模型，本文解决了三个关键研究问题：（1）在冻融过程中，RF地形如何影响地下流场？（2）与平坦土壤表面相比，冻融过程中RF地形对土壤盐分动态有何具体影响？（3）不同的RF配置（例如垄高和RF比）如何影响土壤盐分动态？理解这些过程有助于改进不同地形条件下寒冷地区盐土的水盐管理。

章节摘要

概念模型

为了研究RF地形对土壤盐分重新分布的影响，我们定义了一个具有RF地形的代表性近地表土壤剖面（图1b）。RF配置设定为垄高0.2 m，等宽的垄和沟宽均为0.6 m（即RF比为1:1），侧坡为45°。这些几何参数落在RF农业管理的野外和建模研究中常用的范围内（Ren等，2016；Ren等，2017；Zhang等，2024b）。

垄沟下方聚焦流的出现

与平坦表面相比，在360天的季节性冻融过程中，RF地形引发明显的水和盐重新分布模式，尤其是在融化之后。我们选择了四个时间点（$t_1?t_4$）来表征这些变化（图2）。在初始状态，两种情形表现出相似的盐度和盐质量分布（图2a-d $t_1$）。对于平坦表面，冻结过程驱动水和溶解盐向上迁移，而随后的融化过程

讨论

RF种植被广泛应用于盐碱农田中，以调节土壤水分、热度和盐度的分布，从而改善作物生长环境（Ren等，2016）。大量研究表明，这种地形能够重塑局部的蒸发、入渗和径流模式，导致垄和沟之间土壤条件存在显著差异（Han等，2025；Zhang等，2024a）。然而，我们的结果表明，RF地形也能引起明显的

结论

本研究通过数值模拟调查了季节性冻融过程中垄沟（RF）地形对土壤盐分重新分布的影响。基于我们的结果，可以得出以下结论：

• (1)
  在冻融条件下，RF地形在融化晚期引发水平非均匀的向下融水流，从而促进垄沟下方聚焦流通道的形成。与平坦表面下不稳定的指状流不同，RF地形

CRediT作者贡献声明

李跃（Yue Li）：原稿撰写、可视化、软件、方法学、概念化。于向阳（Xiayang Yu）：审阅与编辑、软件、方法学。辛培（Pei Xin）：审阅与编辑、可视化、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52325903和42277070）以及江苏省自然科学基金（BK20230962）的资助。

李跃|于向阳|辛培