冻结作用下土壤电导率变化特征的室内试验研究

杜鑫钰，陈军锋，翟小艳，高旭光，杜 琦

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水文水资源勘测局太谷均衡试验站，山西 晋中 030800)

0 引 言

季节性冻土是一种含冰晶的特殊土水体系[1]。季节性冻融期，土壤冻融过程复杂，主要包括水分相变、水盐运移与重分布、热量传输以及冻胀等复杂的物理、化学和热力学过程，且每一过程之间都存在相互耦合的关系[2,3]。土壤电导率能够反映土壤盐分、水分、质地结构、有机质含量及pH值等理化性质[4-7]，对土壤质量和生产性能有重要影响。因此，开展冻结作用下土壤电导率影响因素及其变化特征的研究对季节性冻土区农业生产和土壤盐渍化防治具有重要的指导意义。

目前，学者们从盐碱土电导率的角度对土壤电导率的影响因素及变化特征进行了研究，土壤电导率与土壤中盐分、水分、质地结构、有机质含量、土壤压实度、孔隙率、温度和植物根系等因素有关，且主要受土壤含盐量和含水率变化的影响[8-13]。土壤含盐量与电导率之间呈线性相关性，电导率随土壤含盐量的增加而增大[14]。土壤电导率与含水率之间符合幂函数关系，且土壤含盐量愈高土壤含水率增加对电导率的影响愈为显著[15]。孙宇瑞[8]利用壤土分析了土壤含水率对土壤电导率的影响，结果表明当土壤含水率变化范围在15%～30%时，其对电导率影响最为显著，电导率随含水率的增加逐渐增加，当含水率超过30%后，电导率不再随含水率增加而显著增加。不同土壤中固体颗粒的大小、形状、空间排列以及由此产生的土壤孔隙大小分布不同，在同一温度和含水率条件下，土壤电导率随土壤颗粒减小、黏粒含量的增加而增大[16]。王宁伟[17]等通过对3种不同塑性指数的土样进行电导率试验发现，土壤电导率随塑性指数的增大而增加。施肥量也会影响土壤电导率，不同施氮量对不同盐渍土电导率变化趋势影响不同，轻度盐分土壤中，电导率随施氮量增加而降低，中度盐分土壤中，电导率变化趋势相反[18]。此外，学者们通过电渗试验研究了温度[19]、电势梯度[20]和孔隙水含盐量[21]对土壤电导率的影响。

可见，现有成果主要是针对非冻结条件下土壤电导率的影响因素及其变化特征的研究。在冻结作用下，土壤液态水发生相变，电导率随之发生变化。为研究土壤冻结过程中电导率的变化特征，本文对3种质地土壤在3种初始土壤含水率条件下的土壤电导率变化特征进行了研究，探讨了土壤冻结过程中土壤液态含水率和土壤质地对土壤电导率变化特征的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

室内试验土样是山西省晋中盆地具有代表性的3种土样，基本物理参数见表1。室内试验装置主要由标准恒温制冷槽、自制土样筒及数据自动监测采集系统组成，图1为标准恒温制冷槽及自制土样筒。

表1 试验土样基本物理参数

图1 标准恒温制冷槽及自制土样筒

试验采用上海四瑞仪器有限公司生产的RTS-30A型标准恒温制冷槽(温度控制精度为0.01 ℃)进行-30 ℃恒温冻结(土样初始温度20 ℃)，冻结进行380 min时土样温度达到-30 ℃，试验结束。自制土样筒规格为高300 mm，内径120 mm的不锈钢筒，底部焊接密封，上部用中心留有TDR探头插孔的不锈钢密封盖密封。数据自动监测采集系统由北京奥作仪器公司生产的时域反射仪(以下简称TDR)和DT80数据采集器组成，TDR测量精度：土壤液态含水率测量精度为0.01%，土壤温度测量精度为0.1 ℃，电导率测量精度为0.01 dS/m。

1.2 试验方案

试验采用裂区设计，主区设置3种土壤质地，分别为1号沙土(S)、2号沙壤土(R)和3号黏土(N)，副区设置3种不同初始含水率，每种土样的初始含水率均为10%、15%、20%，共9种处理(S10、S15、S20、R10、R15、R20、N10、N15、N20)。

试验时，土样按天然容重填装，自制土样筒内装填配制好的试验土样高15 cm，装填完毕后，将土样筒与中心连有TDR探头的不锈钢密封盖用防水胶黏贴牢固，保证土样筒处于密封状态，如图2所示。为确保土体连续均匀，将密封土柱在室温条件下静置24 h后再放入标准恒温制冷槽内，并倒入工作介质(无水乙醇)，进行土壤冻结试验。通过TDR传感器自动监测冻结过程中的土壤液态含水率(M)、土壤电导率(EC)、土壤温度(T)及时间(Ti)，利用DT80数据采集器进行数据采集，数据采集频率为20 min/次。

图2 密封土样筒

2 结果分析

2.1 土壤液态含水率与土壤电导率变化特征

冻结过程中，3种质地土壤的液态含水率和电导率随冻结时间的变化曲线分别见图3和图4。可见，土壤液态含水率和土壤电导率均随冻结时间增加逐渐减小，2者变化趋势均经历了快速下降(冻结0～120 min)-缓慢下降(冻结120～320 min)-稳定变化(冻结320～380 min)的阶段。

图3 土壤液态含水率随冻结时间变化曲线

图4 土壤电导率随冻结时间变化曲线

冻结过程中土壤温度、液态含水率和电导率特征值见表2。在3种不同初始土壤含水率条件下，冻结0～120 min土壤液态含水率和电导率均呈快速下降趋势，此时3种质地土壤温度降幅分别为24～25.9 ℃、24～25.8 ℃和24～26.5 ℃。冻结负温一定时，由于黏土平均粒径较沙壤土和沙土小，土粒表面吸附作用力较强，所以冻结120 min时黏土液态含水率最高，N10、N15和N20处理的液态含水率分别为6.67%、8.39%和10.53%，分别较相同处理下的沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，此时9种处理条件下的土壤电导率降幅为0.62～1.42 dS/m。随冻结时间增加，土壤中液态含水率和电导率继续下降，冻结120～320 min两者均呈缓慢下降趋势。当冻结时间达到320 min时，9种不同处理条件下的土壤温度分别降至-24.9～-25.5 ℃，此时土壤液态含水率和电导率均进入稳定变化阶段，不同处理条件下的液态含水率降幅低于0.49%，土壤电导率降幅低于0.1 dS/m。由于土颗粒和冰的表面吸附作用导致土壤中水的化学势降低，土壤中始终存在一部分未冻水，其以薄膜水形式存在于土颗粒与冰之间，因此整个冻结过程中液态含水率均大于0。土壤吸附水含量随土颗粒粒径的减小和比表面积的增大而增大，而黏粒颗粒粒径小，比表面积大，初始土壤含水率相同时，土壤黏粒含量越多，液态含水率越大，因此冻结结束时，黏土液态含水率最大，N10、N15和N20处理的液态含水率分别为2.45%、3.73%、4.47%。

表2 冻结过程中不同处理条件下土壤温度、液态含水率和电导率特征值

2.2 土壤液态含水率对土壤电导率的影响

由以上分析可知，整个冻结过程中，土壤电导率和液态含水率变化趋势一致。土壤内部导电方式共有固相表面导电、固-液相串联耦合导电和大孔隙连续液相导电3种[22,23]，3者不同之处在于土壤中液态含水率的不同，因此在土壤颗粒组成、有机质含量及含盐量等影响因素一定条件下，土壤电导率受液态含水率影响。由图3、图4和表2可知，快速下降阶段土壤液态含水率较高，土壤电导率也表现出相对较高的特征，相同质地土壤液态含水率越大，电导率越大，冻结120 min时S20、R20和N20处理的电导率分别为1.46、1.91和2.08 dS/m，较S10、R10和N10处理的电导率分别高0.49、0.74和0.28 dS/m。随冻结时间增加，土壤温度逐渐降低，使得土壤中盐分电离程度减小。导电离子数目减少，此外，冻结作用下，土柱中液态水逐渐相变成冰，离子运动受阻，迁移率降低，导致土壤导电由固相表面导电、固-液相串联耦合导电和大孔隙连续液相导电3种方式变为主要沿土颗粒表面导电和固-液相串联耦合导电2种，因此液态含水率降低，电导率也随之降低。由表2可知，土壤温度降为-30 ℃时2者均降至最低值，其中黏土电导率降幅最大，N10、N15和N20处理的电导率降幅分别为2.04、2.42和2.47 dS/m，且初始土壤含水率越高，电导率降低值越大，S20、R20和N20处理的电导率降低值分别为2.11、2.50和2.47 dS/m，显著高于S10、R10和N10处理。

2.3 土壤质地对土壤电导率的影响

图5为冻结过程中3种初始土壤含水率、不同质地土壤的电导率随冻结时间的变化曲线。冻结过程中，土壤电导率与土壤质地有密切关系，沙质土壤较黏质土壤含有较多电阻率高的矿物成分，在相同初始土壤含水率和冻结时长条件下，沙性土壤电导率小于黏性土壤电导率；另一方面土颗粒中粉粒和黏粒含量越多，土壤的孔隙越小，而土壤中孔隙液与土颗粒的连通性将越强，使得固相表面导电通路增多，导电性增强。由表2可知，冻结结束时N10、N15和N20处理的土壤电导率最大，分别为0.70、0.77和0.86 dS/m，S10、S15和S20处理的土壤电导率最小，分别为0.41、0.65和0.77 dS/m。冻结过程中，土壤电导率受土壤质地影响，表现为黏土电导率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，土壤电导率越高。

图5 相同初始含水率条件下不同质地土壤电导率随冻结时间变化曲线

2.4 土壤液态含水率与土壤电导率的变化关系

冻结过程中，土壤电导率主要受土壤液态含水率和土壤质地的影响，且受土壤液态含水率的影响更大[24]，在同种质地土壤中，电导率随土壤液态含水率的减小而减小。通过对冻结过程中不同质地土壤在不同土壤液态含水率条件下的电导率数据进行回归分析，结果表明冻结过程中土壤电导率与土壤液态含水率较好地符合如下对数函数关系：

EC=Aln(M)+B

(1)

式中：EC为土壤电导率，dS/m；M为冻结过程中土壤液态含水率，%；A、B为回归系数，与土壤质地有关。

图6为土壤电导率随土壤液态含水率变化的拟合曲线。对9种不同处理条件下的土壤电导率拟合曲线进行回归分析，分析结果见表3。在给定显著性水平α(α=0.05)下，F0.05(p，N-p-1)=F0.05(1，18)=4.41，由方差分析结果可知，F值均大于F0.05(1，18)，且显著性值均小于0.05，所以方程回归显著。对数函数拟合方程的相关系数R2均大于0.910，说明冻结过程中土壤电导率随土壤液态含水率的变化较好地符合对数函数的关系，且沙壤土拟合效果较好，R2均大于0.945。由表3可以看出，回归系数A随土壤颗粒粒径的减小而增大，表明冻结过程中随着土壤粒径的减小，土壤电导率的下降速率随液态含水率的减小加快；B的绝对值随土壤粒径的减小而增大，说明随着土壤液态含水率的降低，土壤粒径越小，土壤电导率越大，与表2结果一致。

图6 不同处理条件下土壤电导率与液态含水率变化拟合曲线

表3 回归方程显著性检验方差分析结果

3 结 论

(1)冻结作用下，土壤液态含水率和土壤电导率均随冻结时间增加而减小。冻结120 min时，3种初始土壤含水率条件下，黏土液态含水率分别较沙壤土和沙土高1.5%～15.0%和53.9%～77.6%，且整个冻结过程中9种处理的液态含水率均大于0。冻结过程中，土壤电导率随土壤液态含水率的降低而减小，土壤温度降为-30 ℃时，电导率降至最低值，且初始土壤含水率越大，土壤电导率降低值越大。

(2)冻结过程中，土壤电导率受土壤质地影响，表现为黏土电导率最大，沙壤土次之，沙土最小，因此土壤中黏粒含量越多，电导率越高。初始土壤含水率为20%条件下，冻结结束时黏土、沙壤土和沙土电导率分别为0.86、0.80和0.77 dS/m。

(3)冻结作用下土壤液态含水率与土壤电导率满足对数方程关系，且沙壤土拟合效果较好，R2均大于0.945；模型回归系数A和B的绝对值与土壤粒径大小密切相关，均随土壤平均粒径的减小而增大。

本研究仅对沙土、沙壤土和黏土3种质地土壤进行了分析，下一步研究将增加土壤质地种类进一步对模型回归系数A、B与土壤粒径大小的关系进行定量化研究，以探求土壤粒径大小对土壤电导率变化特征的影响。