盐渍浅层地下水中的蒸发作用、表面能量平衡以及水-热-盐传输：不同土壤质地的蒸渗仪实验与建模分析

《Agricultural and Forest Meteorology》：Evaporation, surface energy balance, and water-heat-salt transport under saline shallow groundwater: Lysimeter and modeling insights across soil textures

盐渍化土壤蒸发阻抗与温度变化受质地调控，野外实验与数值模型耦合揭示：粘壤土形成致密低质 crust，蒸发阻抗呈对数关系；砂土形成厚质 crust，阻抗呈S型曲线。温度升高由反照率降低（日）与结晶放热（夜）共同驱动。质地特异函数关系为耦合水热盐模型提供参数化依据，验证了实验室结论在野外复杂条件下的适用性。

　　

李新虎|王洪超|郭宇波|崔梦梦

中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展重点实验室，中国乌鲁木齐 830011

摘要

盐沉降显著影响土壤水分和热量传输，因此受到了广泛关注。现有研究表明，有盐层和无盐层的土壤在蒸发和温度上存在差异，而且盐沉降模式会因土壤质地而异，导致蒸发速率也有所不同。然而，关于蒸发需求对盐沉降动态的影响主要是在干燥土壤的受控实验室条件下进行的研究。在类似野外的环境中，特别是在持续盐渍地下水供应和自然气象强迫条件下，这方面的定量理解仍然有限。为了解决这一空白，我们进行了一个耦合的野外渗漏仪实验和数值建模研究。研究考察了两种不同的土壤质地（粉壤和沙土）在恒定浅层盐渍地下水位和自然大气条件下的表现。

结果表明，与无盐土壤相比，盐渍土壤在白天和夜间的蒸发速率较低，土壤温度较高。野外渗漏仪实验揭示了由土壤质地控制的明显盐沉降模式：盐渍粉壤形成了致密的地壳，质量相对较小但蒸发阻力较大；而盐渍沙土则形成了更厚、质量更大的地壳，蒸发阻力较小。这些观察结果通过我们的基于过程的数值模型得到了成功捕捉和分析。该模型通过测量蒸发量、温度和最终盐质量进行了验证，从而推导出了特定于质地的函数（粉壤为对数函数，沙土为S形函数），将蒸发阻力与沉淀盐的质量联系起来。此外，模型还表明，盐渍粉壤的温度较高是由于其反照率较低和净辐射较大所致，这是由于两种土壤的降水模式不同所致。我们的研究将野外实验与机理建模相结合，增强了人们对自然条件下不同土壤质地中水、热量和盐传输耦合过程的理解。

引言

盐沉降是干旱地区普遍存在的现象，尤其是在浅层盐渍地下水环境中，它对土壤水分和热量传输有深远影响，进而影响地表能量平衡和生态系统功能（Chen, 1992; Groeneveld et al., 2010; Kampf et al., 2005; Li and Guo, 2022b; Shokri et al., 2024）。大量关于干燥土壤的实验室研究表明，表面盐壳会通过增加蒸发阻力来显著抑制蒸发（Fujimaki et al., 2006; Nachshon et al., 2011; Veran-Tissoires and Prat, 2014）。关键的是，这种阻力的形成和效果受到土壤质地的强烈影响。较粗的土壤（如沙土）通常会积累更多的盐分，但其形成的地壳蒸发阻力较弱，而较细的土壤（如粉壤）形成的地壳则更致密、质量更大，蒸发阻力更强（Li et al., 2022; Veran-Tissoires and Prat, 2014; Wang et al., 2025）。这种依赖于质地的“盐沉降模式”——包括盐的质量、结构和空间分布——被认为是受控等温干燥条件下蒸发的主要调节因素（Eloukabi et al., 2013; Li and Guo, 2022a; Li et al., 2022; Nachshon et al., 2011）。

然而，将这些实验室研究成果应用于野外条件时仍存在关键的知识空白。在野外条件下，盐渍土壤通常是湿润的，与浅层地下水相连，并受到动态气象因素的影响。在这种情况下，持续的毛细溶质供应与日变化蒸发需求之间的相互作用可能会从根本上改变盐沉降动态。首先，尚不清楚在干燥土壤中观察到的明显质地对盐沉降模式和蒸发阻力的控制作用是否在湿润土壤中仍然成立，因为在湿润土壤中蒸发与大气条件的耦合更为强烈。其次，其热效应是多方面的，且在野外尚未得到充分量化。虽然实验室研究表明盐壳通过减少潜热通量来提高土壤温度（Li and Wang, 2025），但在野外条件下的净效应存在争议，因为还有其他竞争过程：盐壳的高反照率会减少净辐射，而结晶的放热焓则提供了额外的热源。此外，质地引起的盐沉降模式差异如何进一步调节土壤热状态几乎尚未被探索。

这些不确定性还受到现有数值模型的限制。虽然模型已经将蒸发阻力作为盐质量的函数纳入考虑（Fujimaki et al., 2006; Zhang et al., 2014, 2023），但它们通常缺乏：（1）针对野外条件下不同土壤质地产生的不同盐沉降模式的验证；（2）包含盐覆盖、反照率和结晶焓动态反馈的耦合过程描述（Li and Wang, 2025; Xun et al., 2024）；（3）在自然变化气象条件下对数据的严格测试。

因此，我们提出以下假设：（H1）在持续盐渍地下水供应的野外条件下，土壤质地仍然是盐沉降模式和蒸发阻力演变的主要控制因素，但其时间动态和阻力函数与实验室干燥实验中的结果不同。（H2）盐渍土壤的热状态不仅相对于无盐土壤更高，而且在不同质地之间也存在显著差异，这是由盐沉降、表面反照率和土壤水力/热性质之间的质地依赖性反馈所驱动的。

为了验证这些假设，我们在自然气象强迫条件下对两种不同的土壤质地（粉壤和沙土）进行了受控的野外渗漏仪实验，并开发了一个基于过程的数值模型，该模型整合了水、热量和溶质传输的耦合过程，并考虑了适应质地的蒸发阻力参数化。

我们的具体目标是：（1）量化自然条件下的蒸发、盐沉降和土壤温度动态；（2）开发并参数化特定于质地的蒸发阻力函数；（3）分解地表能量平衡，以阐明观察到的水和热量传输模式背后的物理机制。

实验地点

实验在中国新疆省阿克苏农业生态系统国家野外研究站（40°37′N, 80°51′E）进行。该研究站位于极端干旱地区，具有温和的温带沙漠环境，年平均降水量为52毫米，而年潜在蒸发量可超过3000毫米。由于浅层盐渍地下水的影响，该研究站经历了显著的盐渍化现象。

无盐土壤

在实验过程中，粉壤中的累积蒸发质量高于沙土（图5A）。在最初的0.5天内，沙土的蒸发速率较高；随后，粉壤的蒸发质量更高，尤其是在白天（图5B）。蒸发质量的差异主要发生在白天，这是由于两种土壤的持水能力不同（表1）。

不同土壤质地中的盐沉降模式差异

值得注意的是，本研究的主要验证目标是表面盐沉降，而不是内部浓度剖面。鉴于实验设置，使用一个短柱（20厘米）和高浓度盐溶液（约4100摩尔/米3）的恒定水头，土壤基质很快达到溶质饱和状态。因此，主要的盐动态涉及向表面的对流传输和结晶过程，而不是持续形成的盐层。

结论

• (1)
  与无盐土壤相比，盐渍土壤在白天和夜间都表现出较低的蒸发率和较高的土壤温度，这一现象在从细粒（粉壤）到粗粒（沙土）的两种代表性土壤类型中得到了验证。盐渍土壤在整个土壤剖面中的温度都高于无盐土壤，这归因于沉淀盐显著增强了蒸发阻力，从而增加了进入土壤的热量。

作者贡献声明

李新虎：撰写初稿、资源获取、正式分析、概念构思。王洪超：数据采集与处理。郭宇波：数据调查。崔梦梦：数据调查。