杨彩霞，李诚志,2,3†，孔德印，师欣宇
(1.新疆大学 生态与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830017；
2.新疆大学 教育部绿洲生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830017；
3.新疆精河温带荒漠生态系统教育部野外科学观测研究站，新疆精河 833300)
土壤水分蒸发是干旱区水循环中的重要内容，它影响植被生长、水分平衡、土壤稳定性以及土壤-大气之间的相互作用[1－5].我国西北干旱、半干旱地区，由于蒸发量长期大于降水量，导致地下水矿化，土壤盐碱化程度加重，使土壤中的盐随水分蒸发迁移至土壤表面，达到饱和后形成盐结皮[6－7]，而土壤盐结皮形成后会进一步影响土壤水分蒸发，盐结皮与土壤水分蒸发之间的相互影响引起了广大学者的兴趣，成为当前干旱区土壤水分蒸发的研究热点之一.
干旱区土壤中，盐结皮主要由NaCl和Na2SO4构成[8].目前，NaCl盐结皮对土壤水分蒸发影响的机理已经被逐步揭示.Uri等[9]通过X射线扫描发现成熟的NaCl盐结皮与土壤表面存在空隙，这些空隙会切断大部分土壤水分的毛细通道，降低盐结皮与土壤的接触面积，从而抑制土壤水分蒸发.Fujimaki等[10]用沙土和壤土进行NaCl溶液土柱蒸发试验，发现盐结皮形成后会显著降低土壤水分蒸发速率，并用盐结皮阻力系数（rs）来定量描述这种扩散阻力.而NaCl结皮形状对土壤内部水分的扩散阻力有较大的影响.NaCl壳状结皮使土壤水分穿透盐结皮的阻力加大，土壤水分蒸发速率大幅下降；
但NaCl斑状结皮使土壤水分穿透盐结皮的阻力变小，增加蒸发面积，因而促进土壤水分蒸发[6,11].
研究者们在NaCl盐结皮对土壤水分蒸发的影响机制方面研究比较成熟，但对Na2SO4盐结皮的研究主要集中在结皮的位置和形态上.首先，在干旱区供水不足的自然状态下，Na2SO4盐结皮常为次表层盐结皮[12－14].其次，在空气湿度高、蒸发速率慢、供水充足条件下，Na2SO4也能形成表面结皮[15]，Na2SO4结晶位置因外界条件不同而不同.Na2SO4结晶类型有稳定的无水硫酸钠（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶体，也有亚稳定的硫酸钠晶体（Na2SO4·7H2O、Na2SO4·2H2O）[16]，其结晶类型较多且不稳定，这使得Na2SO4盐结皮对土壤水分蒸发的影响更加复杂.目前，已有的研究对Na2SO4形成盐结皮后对土壤水分蒸发的影响还未见专门报道.为了明确Na2SO4盐结皮对土壤水分蒸发的影响，本文进行Na2SO4盐水土柱蒸发试验，观察并分析Na2SO4盐结皮形态变化对土壤水分蒸发的影响，以期为进一步研究有盐结皮存在条件下土壤水分蒸发的影响提供理论依据.
1.1 试验设计
土柱蒸发试验在新疆大学生态与环境学院土壤实验室进行，试验装置如图1所示.为保证供水均匀，土柱底部装5 cm粗砂，土柱上部装12 cm细砂（土柱顶部预留3 cm）.为防止土柱上部的细砂漏进下部的粗砂孔隙中阻碍水分传输，在粗砂和细砂中间铺设滤纸将两者隔开.用马氏瓶控制土柱水位，以保证固定水位持续供水.
土壤选择已筛分好的粒径为100～200 μm的风沙土（风沙土采自塔克拉玛干沙漠流动沙丘），下部粗砂选择直径为3～5 mm的建筑用砂.为去除试验用砂中其它盐离子的干扰，用去离子水将试验用砂清洗至液体的电导率值小于50 μs/cm（纯水电导率），然后将清洗的砂子置于烘箱中105 ℃烘干后备用.试验设置盐水蒸发组和对照组（纯水），盐水组的盐溶液浓度为2 mol/L的Na2SO4溶液，配置溶液的Na2SO4使用分析纯度的无水硫酸钠晶体；
对照组的溶液采用去离子水.
1.2 试验方法
盐水蒸发土柱组设置12个重复，其中1个盐水蒸发土柱放置在连接计算机的电子天平上（日本精光电子天平，精度为0.01 g，最大承重10 kg），每小时测量一次土柱质量.试验设置1个纯水土柱作为蒸发对照组，纯水土柱也放置在连接计算机的电子天平上，测量间隔与盐水蒸发组相同，采集的数据自动存储到计算机数据库中.
为准确记录盐水土柱表面盐结皮的变化规律，在盐水土柱上方安装1个高清摄像头（1 200万像素），每小时自动拍摄土柱表面1次，照片自动存储到计算机中.为观察盐结皮结晶形态，在盐水土柱上方放置1台立式显微镜，每天观察固定位置上的盐晶体生长过程，并拍照记录.
为研究盐结皮形成后土壤内部含盐量的变化，在土柱表面出现结晶后，每天抽取1个土柱，用自制的取样管，垂直插入土柱内部，旋转1周后抽出取样管，以此模拟土柱内部取样，取样管从上到下依次用钢尺每2 cm为一段划分出上部、中部、底部3个高度进行取样（图1中的上、中、底），每组土样3个重复，取出的土样采用烘干法（105 ℃约8小时）烘干，烘干后按土水比1∶5测定土壤含盐量.
1.3 数据处理
土壤水分蒸发数据、土样含水量和含盐量数据均用Excel 2003进行统计，用Origin 2021进行数据分析和作图.盐结皮对土壤水分蒸发的影响采用下列公式计算：
式中：Er为盐水对土壤水分蒸发的抑制量；
Ep为纯水土柱（对照土柱）蒸发量（日蒸发量或小时蒸发量）；
Es为盐水土柱蒸发量（日蒸发量或小时蒸发量）；
Rs为盐水对土壤水分蒸发的影响率（当Rs＞0时，为促进蒸发率；
当Rs＜0时，为抑制蒸发率）.
2.1 盐水土柱日蒸发过程
盐水（2 mol/L Na2SO4溶液）与纯水土柱（对照土柱）的累计蒸发量如图2所示.同等试验条件下，盐水土柱的累计蒸发量比纯水低，盐水比纯水土柱的累计蒸发量平均每天少1.1 mm.随蒸发时长的增加，盐水土柱的累计蒸发量与纯水土柱的差距越来越大，到第10天，盐水土柱的累计蒸发量比纯水土柱低13.77%（为了不影响总体土壤水分蒸发变化趋势，试验开始的第1天和最后1天因土壤水分蒸发不足24小时，所以从数据中剔除）.从土柱累计蒸发量来看，盐水土柱的土壤水分蒸发受到了明显的抑制，说明含盐土壤水分蒸发出现滞后，同时也可能是受盐结皮的影响.
图2 土壤水分累计蒸发量
土壤水分累计蒸发量是蒸发期间土壤水分日蒸发量的累计值.土柱的日蒸发量影响土壤水分累计蒸发量，土壤水分日蒸发量如图3所示.在蒸发环境的影响下，纯水土柱和盐水土柱的日蒸发量都呈先降后升的趋势，但盐水土柱的日蒸发量曲线显著低于纯水土柱日蒸发量曲线，平均蒸发量低了0.22 mm/d.这说明每日盐水土柱的土壤水分蒸发量均低于纯水，盐水土柱的土壤水分蒸发量受到抑制.
图3 土壤水分日蒸发量
虽然盐水和纯水土柱的日蒸发量曲线具有相同的趋势，但二者也存在明显差异.盐水土柱和纯水土柱日蒸发量出现峰值的时间不同步.盐水土柱日蒸发量峰值出现在第2天，为1.47 mm/d；
纯水土柱的日蒸发量峰值出现在第10天，为1.61 mm/d.盐水和纯水土柱日蒸发量曲线波动不一致.盐水土柱的日蒸发量曲线在第3天、第5天和第7天下降明显.其中：第3天盐水土柱的日蒸发量下降了0.214 mm/d；
而纯水仅下降了0.024 mm/d；
第5天，盐水土柱的日蒸发量下降了0.12 mm/d，纯水下降了0.14 mm/d；
第7天，盐水土柱的日蒸发量下降到1.09 mm/d，纯水下降到1.35 mm/d.为进一步凸显盐水土柱和纯水土柱日蒸发量曲线差异，用公式（1）计算了盐水土柱的日蒸发抑制量，如图4所示.盐水土柱的日蒸发抑制量不是直线，而是先升后降、再升再降的曲线.试验期间，盐水土柱的日蒸发抑制量在第2天最小，仅为0.113 mm/d；
第3天，盐水土柱的日蒸发抑制量最大，高达0.304 mm/d.在第4～6天，盐水土柱的日蒸发抑制量持续降低；
第7天，盐水土柱的日蒸发抑制量又突然升高了0.08 mm/d；
第8～10天，盐水土柱的日蒸发抑制量又持续降低.这种盐水土柱日蒸发抑制量的波动可能是由盐结皮引起的.
图4 盐水土柱日蒸发抑制量
2.2 盐水土柱小时尺度蒸发过程
为揭示盐水土柱日蒸发抑制量的波动原因，对盐水土柱小时尺度的蒸发过程进行分析，如图5所示.盐水土柱和纯水土柱的小时蒸发量曲线在第1天和第2天差异较小，这导致盐水土柱的日蒸发抑制量在第2天最小.从第3天开始，盐水土柱的小时蒸发量曲线大部分时间都低于纯水土柱，盐水土柱的小时蒸发量平均值比纯水土柱低14.50%.在小时尺度的蒸发过程中，第3天以后出现短暂的盐水土柱小时蒸发量高于纯水的时段（图5虚线框内），在10～15时左右，这类特殊现象引起了我们的关注，暂定为盐水土柱的促进蒸发阶段.根据公式（2）计算了第3～10天这些促进时段的蒸发促进率，分别为1.28%、4.37%、2.45%、4.81%、6.35%、9.80%、11.40%及7.98%，这种促进作用随蒸发时间推移而增强.而这些促进蒸发的时段可能是造成盐水土柱日蒸发抑制量波动的原因，并且可能与盐结晶有关.
图5 小时尺度的土壤水分蒸发量
2.3 土柱表面盐结皮变化
土壤表面是影响土壤水分蒸发速度的重要因素.为揭示盐水土柱日蒸发抑制量波动的原因，对盐水土柱的表面进行观测，如图6所示.盐水土柱表面在第2天就出现盐结晶，随着蒸发的进行，盐结晶越来越多，逐步形成一层覆盖土壤表面的盐结皮层，到第4天凌晨5时盐晶体已经基本覆盖了土柱表面，此后表层盐结皮厚度逐渐增加.随着盐结皮厚度增加，土柱表面盐晶体逐步变成白色粉末状，相当于在土壤表面覆盖了一层干燥粉末，使土壤蒸发面减小，土壤水分蒸发速度也随之减小，土壤水分蒸发受到抑制.这种现象与Eloukabi等[6]盐水土柱试验结果相同.
图6 土柱表面盐结皮变化
试验中也出现了一些特别的现象（图6中抽选表面盐结晶具有较为明显变化特征的5时和15时表观）.盐水土柱形成盐结皮后，盐结皮表层出现边缘向中间逐渐由白色晶体变为“湿润”透明状的盐溶液，尤其是第10天最为明显.土柱表面边缘部分的盐结皮出现了完全溶解现象.这种湿润溶解现象在每天室温最高时面积最大（试验在新疆冬季常温下进行，温度最高的时刻大约在15时）.随着室温逐步下降，盐结皮表面“湿润”状态又逐步变为白色粉末状.Na2SO4晶体的溶解度随着温度升高而快速增加.随着室温升高，原来饱和或超饱和结晶形成的盐结皮又可能重新被溶解为盐溶液，形成表面潮解现象.结合图5的土壤水分小时蒸发速度可知，盐水土柱的土壤水分蒸发促进时间段与盐结皮潮解的时间段基本重合，盐结皮潮解为盐溶液可能是引起盐水土柱促进蒸发的主要原因.这种现象在第10天最为明显，土壤表层的盐结皮溶解范围较大，这一时期的盐水土柱蒸发也明显高于纯水土柱.
2.4 土柱表面盐结皮晶体变化
盐水土柱表面的盐结皮变化是盐晶体变化形成的，为进一步揭示盐水土柱日蒸发抑制量波动的原因，对盐结皮的盐晶体进行观察，如图7所示.在显微镜下（立式显微镜2倍镜下每日12时左右固定位置观测所得），盐水土柱表层在第2天开始出现透明状的盐结晶体，该晶体可能是芒硝晶体（Na2SO4·10H2O）[17－18].随着蒸发的持续进行，透明的芒硝晶体不断地进行垂直扩展和水平扩展，盐晶体逐步覆盖了整个土柱表面，在土柱表面形成凹凸不平的透明状盐结皮（图7中第3天、第4天和第5天）.
图7 盐结皮结晶微观变化
随着盐晶体不断向上生长，第6天盐结皮凸起的顶端开始出现白色粉末晶体，这种白色粉末晶体可能是芒硝晶体失水后形成的无水硫酸钠（Na2SO4）.随着蒸发持续进行，盐晶体凸起逐渐升高，顶端的白色晶体也越来越多，但在结皮的凹陷区域仍然是透明的芒硝晶体.第10天在土柱表面湿润区域的盐晶体几乎全部被溶解，只有少量透明的芒硝晶体留在土壤表面.这种晶体相变直接改变了盐水土柱表面的蒸发面状态，对土壤水分蒸发速度产生直接影响，是盐水土柱土壤水分蒸发变化的直接原因之一.
2.5 土壤剖面盐含量变化
土壤是一种多孔介质，其水分传输速度也是影响土壤水分蒸发速度的原因之一.盐水土壤水分蒸发过程中，水分蒸发后盐离子留在蒸发面，使蒸发面盐溶度逐步增加.蒸发面盐溶度增加后，盐离子会向溶度低的土壤内部扩散.盐离子的扩散距离取决于土壤水分蒸发速度与离子传输速度的比值，即佩克莱数（Pe）[6].当Pe＞1时，土壤水分蒸发速度大于盐离子扩散速度，盐离子向土壤内部扩散距离小，并在蒸发面积聚，积聚溶度大于盐离子饱和溶度时盐晶体析出，形成盐结晶体，土壤内部的盐溶度变化小；
反之，蒸发表面高溶度离子会向土壤内部扩散，盐结晶体无法形成或盐结晶体逐步溶解，土壤内部盐溶度逐步升高.因此，可以通过离子溶度间接反映土壤水分的传输速度.为探明盐水土柱日蒸发抑制量波动的根源，对土柱上、中、底3个部位进行取样（含盐量的测定从第2天表面出现盐晶体开始），测定取样土壤的含盐量，以确定土壤的水分传输速度与离子扩散速度的关系，如图8所示.受蒸发影响，土壤内部盐分随水分蒸发向上部运移，使土柱上部土壤的含盐量变化较大.当表层形成盐结皮后，土壤上部含盐量在蒸发期间逐渐升高再降低，第8天上部土壤含盐量最高.土柱中部和底部的含盐量变化较小.这说明因土壤水分蒸发形成盐结皮后，土柱上部（表面向下2 cm）受盐离子扩散影响较大，土柱中部和下部几乎未受到盐离子扩散的影响.
图8 土柱剖面含盐量
3.1 表面盐结皮变化对土壤水分蒸发速度的影响
土壤表面盐结皮形成会阻碍蒸发面水分向空气中扩散，从而抑制土壤水分蒸发[19].由试验结果可知，当土壤表面形成Na2SO4盐结皮后，土壤水分日蒸发速度变慢，土壤水分蒸发受到抑制，这与前人采用NaCl溶液进行土柱蒸发试验结果一致[20－24].但Na2SO4盐结皮和NaCl盐结皮对土壤水分蒸发的影响也存在一定的差异.Na2SO4结晶类型较多，有稳定的无水硫酸钠（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶体，也有亚稳定的硫酸钠晶体（Na2SO4·7H2O、Na2SO4·2H2O）[16].在环境温湿度变化下Na2SO4盐结晶会因失水或吸水产生相变[25]，这导致Na2SO4盐结皮会受室内环境变化影响土壤水分蒸发速度.本试验中Na2SO4盐结皮也出现了晶体相变现象，即由透明的芒硝（Na2SO4·10H2O）晶体失水变为白色的无水硫酸钠（Na2SO4），导致盐结皮对土壤水分蒸发的抑制程度提高.这种现象在以往的研究中从未被注意.另外，无水硫酸钠（Na2SO4）和芒硝（Na2SO4·10H2O）晶体还会出现潮解现象，这种潮解现象会短暂促进土壤水分蒸发.虽然NaCl盐结皮也会出现促进土壤水分蒸发的现象，但NaCl盐结皮促进土壤水分蒸发是由于斑状盐结皮增加了蒸发表面积造成的[11]，本文的Na2SO4盐结皮促进土壤水分蒸发则主要是由于Na2SO4晶体相变造成的.
Na2SO4盐结皮的晶体形态变化影响土壤水分蒸发速度变化过程.由图3和图7可知，第2～3天，盐结皮对土壤水分蒸发主要起抑制作用，且抑制率快速增加，此时土柱表面Na2SO4·10H2O晶体大量析出，晶体逐步覆盖土柱表面，并逐步增高形成凹凸不平的盐结皮表面，这个阶段Na2SO4·10H2O晶体的水平扩展速度大于垂直增长速度.图4中盐结皮的抑制率快速增加可能是土柱表面Na2SO4·10H2O晶体快速水平扩展造成的.第4～6天，盐晶体在已经成核的晶体上方继续堆积，形成较大的盐晶体[26]，使表面变得更加凹凸不平，此时盐结皮的抑制率稍有下降，这种下降可能是由于盐晶体凸起增加了盐结皮表面的蒸发面，从而使土壤水分蒸发抑制率减小[6].第6天，盐结皮表面凸起的Na2SO4·10H2O晶体失水发生相变，由透明状的Na2SO4·10H2O晶体变为白色固体粉末状的无水Na2SO4晶体.这种晶体变化相当于在蒸发面上覆盖了一层干燥粉末，土壤水分蒸发速率快速下降，土壤水分蒸发抑制率又迅速上升.随着Na2SO4晶体不断析出，盐结皮部分晶体凸起更高，盐结皮凹陷部分逐步出现潮解，从而导致土壤水分蒸发速率出现小幅上升.10～15时，土柱表面逐步潮解形成湿润的水膜，给蒸发提供了充足的水分，出现盐水土柱蒸发量高于纯水的现象.但这种促进作用是短暂的，当室温下降后，土柱表面又快速结晶，这种促进土壤水分蒸发的现象逐步停止，回归到抑制土壤水分蒸发阶段.
3.2 土壤内部盐结晶对土壤水分蒸发的影响
土壤内部盐溶度超过饱和浓度时，土壤内部也会出现结晶体[7]，这种结晶体会堵塞土壤内部孔隙，降低土壤内水分传输速度，从而减小土壤水分蒸发速度[27－28].土柱表面的溶液达到超饱和状态[29]，盐会在表面结晶.在盐离子溶度差的驱动下，紧挨表层的上部土壤中盐溶度会增加，如果达到饱和，土壤内部也会出现盐结晶.本试验中盐水土柱中上部土壤盐含量升高主要来自两部分：一是由于盐溶度梯度差的存在[30]，盐离子从蒸发面的高溶度向土壤内的低溶度扩散，使土壤剖面的盐分含量升高；
二是盐在土壤中达到饱和后，土壤内部不断结晶造成土壤盐含量升高.本文采用的盐溶液为2 mol/L的Na2SO4溶液，室温20 ℃时Na2SO4溶液已接近饱和，因此土壤上部含盐量增加过程中，蒸发面的高溶度向土壤内的低溶度扩散形成的土壤含盐量增加范围非常小，土壤上部含盐量的增加大部分是由于土壤内部盐晶体析出的结果.土壤内部盐晶体析出会减小土壤毛管孔隙，降低土壤水分传输速度，进而降低土壤水分蒸发速度.本试验中土柱上部土壤的含盐量在第2～8天逐步上升，上升幅度较大（图8），对应的土柱蒸发速度则逐步下降（图3）.土柱蒸发速度的下降可能是来自上部土壤内部盐结晶，降低了土壤毛管孔隙而阻碍水分传输的结果.
上部土壤内部结晶使土壤水分蒸发速度变得更加复杂.由图6和图7可知，随着蒸发的进行，表层盐结晶逐步水平扩展和垂直增长形成盐结皮，这说明土柱的Pe大于1，蒸发面盐离子扩散速度小于土壤表面水分蒸发速度.由图8可知，从第3天开始，土柱表层的盐离子开始向土柱内部扩散，土壤水分传输速度与离子扩散速度的差值变小，表层盐离子逐步向内部扩散，土壤内部开始出现盐结晶，图3中的土壤水分蒸发速度逐步下降.这一阶段，在表层盐晶体和土壤内部盐晶体共同作用下，土壤水分蒸发速度迅速下降.第8天后，盐结皮表面“潮解”现象越来越严重，盐结皮的“潮解”为盐溶液蒸发提供了大量的水，土柱表层的水分蒸发速度加快，土壤中水分传输速度逐步加快，土壤水分传输速度远大于盐离子向下扩散速度，上部土壤的盐晶体又逐步溶解，上部土壤含盐量也逐步降低.Na2SO4盐水土柱的土壤水分蒸发可能受到土壤表层和内部盐结晶共同作用的影响.然而，本文仅揭示这一物理现象，土壤表层和内部盐结晶对土壤水分蒸发的定量研究还需进一步深入.
Na2SO4盐结皮对土壤水分蒸发产生较大影响，通过开展Na2SO4盐水的土柱蒸发试验得到如下结论：
1）土壤表层Na2SO4盐结皮形成后，土壤水分蒸发速度整体上受到抑制.盐水土柱的土壤水分平均蒸发速度比纯水低14.30%，但在小时尺度上，Na2SO4盐结皮在10～15时之间会出现短暂促进土壤水分蒸发的现象，且随着表面盐结皮的增厚，这种促进作用会逐步增强.
2）Na2SO4晶体形态变化是Na2SO4盐结皮影响土壤水分蒸发的重要原因.Na2SO4溶液达到超饱和后，在土壤表面逐步析出透明状的Na2SO4·10H2O晶体，这种晶体水平扩展会抑制土壤水分蒸发；
Na2SO4·10H2O晶体垂直生长，形成凸起的盐结晶聚集体，增大了盐水蒸发面积，对土壤水分蒸发具有一定的促进作用.
3）Na2SO4盐结皮的盐晶体在自然环境下会因失水或吸水发生相变，这种相变是Na2SO4盐结皮影响土壤水分蒸发的重要原因.盐结皮表面凸起的Na2SO4·10H2O晶体会逐步失去结晶水形成白色固体粉末状的无水Na2SO4，无水Na2SO4会抑制土壤水分蒸发；
而当环境温度升高时，Na2SO4·10H2O晶体或无水Na2SO4会潮解为一层液膜，这种潮解状态在小时尺度上会短暂促进土壤水分蒸发，相比纯水土柱共促进蒸发了48.44%.
4）Na2SO4会在土壤内部结晶，土壤内部盐结晶和土壤表面盐结晶共同作用对土壤水分蒸发产生影响.土壤表层Na2SO4盐结皮形成后会降低蒸发速度，导致Na2SO4在上层土壤内部产生盐结晶，这种内部盐结晶会减弱土壤水分传输能力，进一步降低土壤水分蒸发速度，从而在蒸发期间使盐水土柱的土壤水分蒸发速率比纯水土柱降低了19.34%；
而表层盐结皮潮解会使这种内部结晶体重新溶解，恢复土壤水分传输能力.
Na2SO4盐结皮对土壤水分的蒸发过程影响较为复杂，主要受到盐结皮晶体形态变化、盐晶体相变以及土壤内部盐结晶的相互作用影响.对这一蒸发规律的认识也将为进一步研究盐结皮存在条件下土壤水分蒸发的影响提供理论依据.
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