NaCl含量對風沙土鹽結皮特性及其抗風蝕性能的影響①

付小磊，李誠志, 3*，李勝輝

NaCl含量對風沙土鹽結皮特性及其抗風蝕性能的影響①

付小磊1, 2，李誠志1, 2, 3*，李勝輝1, 2

(1新疆大學干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；2 新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046；3 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

土壤鹽結皮能夠抑制水分蒸發(fā)，減少地表粉塵釋放，在干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境中具有十分重要的作用。為了獲得干旱或半干旱區(qū)風沙土鹽結皮的合理鹽溶度，選取新疆塔克拉瑪干沙漠東部風沙土為試驗土壤，分別加入0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0% 和7.0%(鹽占混合物的百分比)的NaCl進行鹽結皮試驗，測試鹽結皮的強度和韌性。利用電鏡觀察鹽結皮微觀結構，分析NaCl鹽溶度對結皮抗壓強度以及其抗風蝕性能的影響。試驗結果表明：NaCl含量對風沙土結皮抗壓強度和韌性有較大影響，隨著NaCl含量的增加鹽結皮的強度和韌性均呈先增加后降低的特殊現(xiàn)象；但鹽結皮的抗壓強度峰值和韌性峰值不同步，NaCl含量3.0% 時，鹽結皮韌性達到峰值；NaCl含量4.0% 時，鹽結皮的抗壓強度才達到峰值。鹽結皮表觀和微觀結構顯示，鹽含量大于4.0% 后結皮鹽晶體出現(xiàn)鹽斑聚集，這種鹽晶體聚集導致鹽結皮不均勻，進而導致鹽結皮抗壓強度復雜變化。

鹽結皮；抗壓強度；韌性；NaCl；抗風蝕能力；風沙土

在干旱、半干旱區(qū)的土壤表層或內部，鹽晶體常膠結土壤顆粒形成鹽結皮(即“鹽殼”，salt crust)[1]。鹽結皮的形成能夠顯著增強表層土壤強度，抑制水分蒸發(fā)，減少地表粉塵釋放，提高土壤抗風蝕性能。鹽結皮在干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境中具有十分重要的作用，鹽結皮研究逐步引起科研工作者的關注。

NaCl是自然界分布廣泛且含量較大的一種鹽。NaCl鹽結皮在自然界中較為常見，常分布于干旱區(qū)洼地、河流尾閭和鹽湖邊緣。廣大學者對于NaCl鹽結皮的結皮形態(tài)、抗風蝕性能以及對水蒸發(fā)的影響進行了大量研究[2-8]。常溫下，NaCl在土壤或多孔介質中常形成表面鹽結皮[9-11]，表面形態(tài)有“殼”狀(crusty)和“補丁”狀(patchy)[12]。Eloukabi等[10]在NaCl結皮表觀形態(tài)形成的試驗中發(fā)現(xiàn)，粒徑5 ～ 160 μm時，形成了“殼”狀(crusty)，而粒徑200 ～ 300 μm時，形成“補丁”狀(patchy)。NaCl結皮在自然環(huán)境下能夠明顯改善土壤的抗風蝕性能[13-16]。Bauer等[17]在風洞研究NaCl與KCl結皮抗風蝕性，發(fā)現(xiàn)含有NaCl結皮能夠顯著增大風沙土的起風閾值，減少表面射出的顆粒流。NaCl結皮對土壤水分蒸發(fā)產生嚴重影響[18-22]。Fujimaki等[18]發(fā)現(xiàn)NaCl鹽結皮對水分蒸發(fā)有明顯的抑制作用，李誠志和劉志輝[19]在塔里木河下游通過對比有無鹽結皮土壤水分，發(fā)現(xiàn)含有NaCl結皮的土壤明顯比無鹽結皮的土壤水分含量高。

鹽結皮能夠增強土壤的抗風蝕性，可以通過其強度與韌性來體現(xiàn)[23-24]。Rad等[25]在研究不同粒徑的砂石與鹽膠結時，發(fā)現(xiàn)形成的結皮越厚、結構強度越強的樣品，其在風洞試驗環(huán)境下的表現(xiàn)越好，抗風蝕能力越優(yōu)；Langston和McKenna[24]在對比生物結皮與鹽結皮的抗風蝕性能時，指出除了結皮強度、保水能力之外，結皮的韌性也是影響土壤抗風蝕性能的一個重要影響因素，研究表明，結皮的韌性越強，抗風蝕性能越佳。雖然NaCl鹽結皮在很多方面研究已取得了長足的進展，但NaCl含量變化對鹽結皮的抗風蝕性能有多大影響？這個問題一直還懸而未決。本文以風沙土作為試驗土壤，通過設置不同NaCl濃度來形成鹽結皮，測定各濃度鹽結皮的表面形態(tài)、抗壓強度和韌性，探索NaCl濃度對鹽結皮抗風蝕性能的影響。研究結果為沙漠治理、生態(tài)修復等工程應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗風沙土取自于新疆塔里木盆地東部若羌縣北面的流動沙漠，即塔克拉瑪干沙漠的東部邊緣。塔克拉瑪干沙漠面積約為33.5萬km2，平均海拔1 200 m，年平均降水量從盆地西部的40 mm逐漸遞減到東部的5 mm。本研究區(qū)年降雨量小于10 mm，潛在蒸發(fā)量達2 500 ～ 3 400 mm；受西風帶偏轉的影響，該地區(qū)常年盛行東北風，平均風速約為6.8 m/s，一年風沙日超過100 d，地表形成高度為10 ～ 150 m的沙丘。該地區(qū)沙土中含有大量的鹽(以NaCl為主，含有Na2SO4、Na2CO3、KCl、K2CO3等)，在臺特瑪湖附近有大量的自然鹽結皮存在。

1.2 試驗材料

試驗風沙土來自于塔克拉瑪干沙漠東部流動沙丘，主要粒徑分布在100 ～ 200 μm(約占總體積質量的72.2%)[26]。采集的自然風沙土中含有NaCl、Na2SO4、Na2CO3等可溶性鹽，為了降低自然風沙土中可溶性鹽對試驗的影響，對采集的風沙土進行去鹽處理。用去離子水浸泡風沙土24 h，然后移除上清液，再加去離子水，直至浸泡液體的電導率小于1.0×10–2S/m(自來水電導率)時停止清洗。將去鹽后的風沙土放置于烘箱內烘干，然后用3D震動篩(ZSY-1000)對風沙土進行篩分。為避免粒徑不同而對NaCl鹽結皮產生影響，本研究選擇粒徑占比最大的組分，即100 ～ 200 μm的沙子進行試驗。NaCl選擇純度為99.99% 的實驗研究級別的NaCl鹽，去離子水為溶劑。

1.3 試驗方案

前期試驗時顯示含鹽量低(一般小于10%)時，結皮特征變化相對明顯，而含鹽量大于10% 后變化不明顯[26]，故本文設置NaCl含鹽量梯度為0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0% 和7.0%(鹽占混合物的百分比)。將鹽與粒徑為100 ～ 200 μm的風沙土混合，然后攪拌均勻加入去離子水，再次攪拌制成試驗樣品，將每一個梯度設置10個重復樣，形成100個樣品。然后用100個規(guī)格相同的耐熱塑料杯盛放樣品，再將塑料杯放入恒溫烘干箱內，溫度設定為75 ℃，持續(xù)烘干24 h后取出，使用高清數(shù)碼相機拍樣品形成的鹽結皮，觀測樣品的外觀顏色以及表層特性，記錄結皮變化情況，進行結皮抗壓試驗。

1.4 鹽結皮抗壓強度測定

NaCl鹽結皮抗壓強度測試，儀器選用HP-1000N數(shù)字式電子壓力計(量程為1000N，分度值為0.1N，誤差為±0.2N)。將已經獲得的鹽結皮樣本放入HSV- 500立式電動工作臺，探針測試速度設定為1 mm/s。壓力計與計算機連接，自動記錄應力-時間關系曲線及壓力數(shù)據(jù)，以曲線的最大峰值作為強度值，而達到最大峰值所需時間表示鹽結皮的抗壓韌性。

1.5 數(shù)據(jù)分析

對抗壓強度和應力–時間數(shù)據(jù)進行處理，通過計算每一組樣本的抗壓強度均值與方差，采用SigmaPlot 12.0等軟件對數(shù)據(jù)進行線性擬合與方差分析。由于結皮的抗壓強度以及韌性能夠很大程度上反映其抗風蝕性能，因此通過分析NaCl鹽結皮的抗壓強度特性以及韌性特性來明確風沙土最佳抗風蝕性能時的含鹽量。

2 結果

2.1 不同NaCl含鹽量的結皮表面特征

隨著土壤含鹽量不斷增大，NaCl鹽結皮的表面呈現(xiàn)規(guī)則性的紋理特征(圖1)。

隨著土壤含鹽量的不斷增大，樣品表面由沙土的紅褐色變成紅棕色，再逐漸變成灰白色，最終呈現(xiàn)出白色。當含鹽量在0.1% ～ 0.2% 時，顏色為風沙土樣的紅褐色；當含鹽量為0.5% ～ 1.0% 時，表面開始出現(xiàn)少量的、細小的灰白色NaCl結晶顆粒；當含鹽量為2.0% ～ 6.0% 時，土樣表面的灰白色細小鹽顆粒形成了大顆粒且不規(guī)則集聚的鹽斑，隨著含鹽量的升高，鹽斑的面積也隨之增大；當含鹽量達到7.0% 時，土樣的表面大部分被鹽斑覆蓋。結皮紋理呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，表面粗糙度也隨含鹽量不斷提高。含鹽量為1.0% 以下時，沙土表面細密平整；2.0% 時出現(xiàn)突出的細小鹽斑突起，隨著含鹽量的增大，這種鹽斑突起越來越密集，并逐步過渡到疏松多孔的鹽層。

2.2 不同NaCl含鹽量的結皮抗壓強度特性

不同NaCl含量的風沙土樣形成的鹽結皮抗壓強度如圖2所示，隨著含鹽量的增加，鹽結皮的抗壓強度呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的規(guī)律。NaCl含鹽量小于1.0% 時，鹽結皮抗壓強度隨著含鹽量的增加而緩慢增加；NaCl含鹽量1.0% ～ 4.0% 時，抗壓強度隨著含鹽量的增加而迅速增加；含鹽量4.0% 時，結皮強度達峰值，為375 N/cm2，之后出現(xiàn)一個明顯的波動狀態(tài)；在含鹽量為5.0% 時，強度出現(xiàn)第一個明顯的跌落點，其峰值為249 N/cm2，相對于含鹽量為4.0% 的峰值而言跌落126 N/cm2；含鹽量為6.0% 時又出現(xiàn)上升趨勢，然而7.0% 又出現(xiàn)一個回落?？傮w來看，抗壓強度隨著含鹽量的增加而增加。強度的方差值隨著強度的增加呈現(xiàn)增大趨勢，在含鹽量小于3.0% 時，強度的方差較小，均小于64.51；含鹽量大于3% 后，強度的方差增大，方差最大值出現(xiàn)在含鹽量為5.0% 時，達到72.84。可見，強度越高其離散程度較高，抗壓強度一致性越差。

2.3 不同NaCl含鹽量的結皮韌性特性

試驗使用HP-1000N數(shù)字式電子壓力測試機(自帶計算機繪圖軟件，量程為1 000 N，精度為0.1 N)記錄結皮破壞時的應力變化過程，其抗壓曲線如圖3所示。應力-時間曲線達到峰值的斜率能反映結皮的韌性，大小可以用彈性模量來表征。彈性模量越大結皮韌性越小，結皮破碎時形變越小，結皮越脆，抗壓強相同時結皮抗侵蝕打擊次數(shù)就越少；相反彈性模量越小結皮的韌性越大，結皮的延展性越好，抗壓強度相同時結皮的抗侵蝕打擊次數(shù)也越多。

從圖3可知，隨著NaCl含鹽量的增加，結皮達最大抗壓強度，而破壞的時間則呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在含鹽量小于3.0% 時，破壞時間隨著含鹽量的增大而增加，曲線斜率(抗壓強度與時間的比值，表示結皮的韌性)則逐漸遞減，韌性逐步增大。含鹽量為3% 時，時間達最大，約為53 ms，曲線斜率也很小，其彈性模量為73 kPa，結皮的韌性最大。當含鹽量大于3.0% 時，破壞時間隨著含鹽量的增大而減小，此時曲線斜率數(shù)值由6.77一直單調遞增到24.46；含鹽量7% 時，結皮的彈性模量達到最大值233 kPa，但是卻只用13 ms，鹽結皮韌性最小。曲線斜率能夠很好地反映結皮的韌性，斜率越小則韌性越好，反之斜率越大則脆性越強。從抗風蝕角度看，結皮韌性越好，表示其抗蝕時間越長，相反則抗蝕時間短。

3 討論

3.1 NaCl含量對鹽結皮抗壓強度的影響

從圖1可以明顯看出隨著含鹽量的增加，風沙土的表觀物理特性發(fā)生了明顯改變。隨著含鹽量的增大，表面鹽聚集越多，表面也逐步過渡到疏松多孔的鹽層。但NaCl鹽結皮的抗壓強度隨著含鹽量增加出現(xiàn)先增后降再增加的情況。出現(xiàn)這種情況可能與鹽結皮的微觀結構變化有關。Shokri-Kuehni等[27]的研究表明NaCl含鹽量和結晶溫度會影響晶體內部孔隙度，進而影響鹽結皮的數(shù)量和結構形態(tài)。結皮過程中，不同的含鹽量和溫度會導致結皮特性不同。本試驗在75 ℃ 恒溫條件下完成，結皮鹽晶體都是無水NaCl結晶體，可以排除溫度的影響，所以造成鹽結皮強度變化的原因可能是含鹽量不同。為了探明NaCl含量具體對鹽結皮抗壓強度的影響，需要對結皮進行微觀研究。故本文用立體顯微鏡在500倍的情況下對樣品表面進行觀察，鹽結皮放大圖如圖4所示。當NaCl含鹽量在0.1% ～ 1.0% 時，表面的膠結程度不明顯，僅在個別顆粒表面出現(xiàn)鹽晶體，鹽結皮表面整體性較差；當含鹽量從2.0% 增加到4.0% 時，表面鹽晶體迅速增加，表面顆粒逐步被膠結在一起。風沙土表面孔隙逐步被鹽結晶顆粒填充。初期形成的鹽結晶顆粒不足以填滿所有的孔隙，隨著含鹽量的增大，NaCl結晶體的數(shù)量不斷增加，鹽顆粒與土顆粒的膠結程度也逐漸增強，其外在表現(xiàn)形式為表層形成鹽殼，內在形式為抗壓強度增加。當NaCl含量達4.0% 時，表層孔隙幾乎被鹽結晶填充滿，表面形成致密鹽殼，抗壓強度達到最大值。當含鹽量達到5.0% 時，鹽結皮表面出現(xiàn)大量不規(guī)則的聚集鹽晶體，結皮局部厚度增加，這種不均勻性導致結皮強度方差增大；同時在表觀形態(tài)上出現(xiàn)表面疏松鹽晶體，這可能導致結皮強度下降。隨著鹽含量的繼續(xù)增加，表面鹽晶體繼續(xù)增加，結皮厚度增加，不均勻性相對減少，抗壓強度有所提升；表觀形態(tài)上雖然出現(xiàn)表面疏松鹽晶體，但這疏松鹽晶體導致的結皮強度下降小于結皮厚度增加造成的結皮強度增加，整體上顯示抗壓強度上升。最近的研究也表明，NaCl在鹽結皮的形成過程中并不是均勻分布的，而是呈現(xiàn)出“樹突”狀晶體分布[28-30]。鹽含量的增加還會導致鹽晶體在表層下部的孔隙中結晶，增加鹽晶體分布的復雜性，導致鹽結皮抗壓強度復雜變化。

3.2 NaCl含量對鹽結皮韌性的影響

NaCl結皮韌性與結皮強度之間存在一定的聯(lián)系，但又存在差別。在含鹽量小于3.0% 時，NaCl結皮的韌性和強度都隨著含鹽量的增加而增大。含鹽量大于3.0% 后，兩者存在明顯區(qū)別。結皮強度出現(xiàn)先增后降再增加的現(xiàn)象，結皮強度最大值出現(xiàn)在含鹽量4.0%；結皮韌性則隨著含鹽量的增加而下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是NaCl晶體的韌性與風沙土顆粒膠結形成的鹽結皮韌性存在較大差異。NaCl晶體在地層中存在，叫做石鹽或巖鹽，是一種脆性材料，彈性模數(shù)(應力–應變曲線中，直線段的斜率)在12×103～ 15×103MPa[31]。本文中NaCl結皮的彈性模量最大才233 kPa，比巖鹽少了9個數(shù)量級。隨著鹽結皮的鹽晶體厚度增加，鹽結皮的韌性就可能會越接近巖鹽，其彈性模量就會逐步增大。這點在2.3部分中得到驗證，當含鹽量大于3.0% 后，鹽結皮的彈性模量隨著含鹽量的增加越來越大，結皮韌性逐步向巖鹽靠近，越來越向脆性發(fā)展。在含鹽量小于3% 時，鹽晶體與土壤顆粒逐步膠結形成一個整體，鹽結皮的彈性模量隨著含鹽量增加逐步減小，但是彈性模量的減小幅度很小，整體仍呈脆性。當然，在含鹽量小于3% 時，為什么鹽結皮韌性會增加？這現(xiàn)象的具體機理還需進一步研究。

3.3 NaCl鹽結皮對土壤抗風蝕性能的影響

前人研究顯示鹽結皮可以有效地阻止表層風沙土流動，保護下部松散土壤，減少土壤風蝕。NaCl將土壤表層原本疏松的土壤顆粒膠結在一起，這種膠結作用顯著地提升了土壤的風蝕起動閾值[17]，起動風速大小與結皮的強度以及韌性也有著很強的關系[14, 32]，鹽結皮中的鹽晶體將分散的土壤顆粒膠結成大土壤顆粒或將土壤膠結為整體。大土壤顆粒或團塊體增大了土壤風蝕起動風速閾值[14]，當膠結塊形成一個整體，則土壤的強度與韌性就會大大提升，能夠顯著增強土壤的抗風蝕能力。Argaman等[33]研究顯示土壤鹽結皮能夠將起動風速閾值提升1 ～ 2個數(shù)量級。鹽濃度和結皮厚度對土壤鹽結皮的抗風蝕性有較大影響。O’Brien和McKenna[34]研究顯示鹽溶液濃度低時，土壤表面未出現(xiàn)完整鹽結皮，表面顆粒流依然很大；當達到一定濃度時，表面鹽結皮形成，表面顆粒流急劇下降。Nield等[35]在對不同厚度殼狀鹽結皮進行風洞試驗時，也發(fā)現(xiàn)厚殼狀鹽結皮比薄殼狀鹽結皮有著更高的起動風速閾值。

本試驗的NaCl風沙土結皮試驗也顯示NaCl鹽結皮能夠增加土壤表層強度，抑制塵土飛揚，增強土壤的抗風蝕性，但NaCl含量對結皮的抗風蝕性具有顯著影響。NaCl含量在0 ～ 4.0% 時，隨著NaCl含量增加，鹽結皮的抗壓強度單調遞增；NaCl含量大于4.0% 時，鹽結皮抗壓強度反而出現(xiàn)了跌落。NaCl含量在0 ～ 3.0% 時，鹽結皮的韌性也隨NaCl含量增加呈單調遞增；NaCl含量大于3.0% 時，韌性逐步減小。從抗風蝕性角度看，鹽結皮存在著最適鹽含量。本研究的試驗結果顯示，4.0% 含鹽量時結皮抗壓強度最高，達400 N/cm2；3.0% NaCl含鹽量時結皮韌性最好，抗破壞時長達53 ms。然而，3.0% 含鹽量時的鹽結皮抗壓強度僅比4.0% 時小10 N/cm2。綜合考慮鹽結皮的抗壓強度和韌性，NaCl含量3.0% 時形成的鹽結皮抗風蝕最強。

4 結論

1)NaCl結皮的強度隨著含鹽量的增加呈先上升后下降的趨勢，含鹽量為4.0% 時抗壓強度達到峰值。

2)結皮韌性隨著含鹽量的增加先上升后下降。NaCl含鹽量為3.0% 時，到達峰值所需時間長達53 ms。

3)從土壤抗風蝕性角度看，NaCl含鹽量3.0% 時鹽結皮的抗壓強度接近最大強度，結皮韌性最大，NaCl風沙土鹽結皮最優(yōu)，抗風蝕性能最好。

4)NaCl晶體聚集狀態(tài)對鹽結皮抗風蝕性能產生影響。鹽含量大于4% 時，結皮鹽晶體出現(xiàn)鹽斑聚集，這種聚集會改變結皮抗壓強度，導致結皮抗壓強度復雜變化。

[1] Christiansen F W.Polygonal fracture and fold systems in the salt crust, great salt lake desert, Utah[J].Science (New York, N Y), 1963, 139(3555): 607–609.

[2] Shokri-Kuehni S M S, Raaijmakers B, Kurz T, et al.Water table depth and soil salinization: From pore-scale processes to field-scale responses[J].Water Resources Research, 2020, 56(2): 599–609.

[3] Qazi M J, Bonn D, Shahidzadeh N.Drying of salt solutions from porous media: Effect of surfactants[J].Transport in Porous Media, 2019, 128(3): 881–894.

[4] 劉廣明, 楊勁松.地下水作用條件下土壤積鹽規(guī)律研究[J].土壤學報, 2003, 40(1): 65–69.

[5] 陳永寶, 胡順軍, 羅毅, 等.新疆喀什地下水淺埋區(qū)棄荒地表層土壤積鹽與地下水的關系[J].土壤學報, 2014, 51(1): 75–81.

[6] 鄒平, 楊勁松, 福原輝幸, 等.蒸發(fā)條件下土壤水鹽熱運移的實驗研究[J].土壤, 2007, 39(4): 614–620.

[7] Johnson E, Yá?ez J, Ortiz C, et al.Evaporation from shallow groundwater in closed basins in the Chilean Altiplano[J].Hydrological Sciences Journal, 2010, 55(4): 624–635.

[8] Nachshon U, Weisbrod N, Dragila M I, et al.Combined evaporation and salt precipitation in homogeneous and heterogeneous porous media[J].Water Resources Research, 2011, 47(3): 980–990.

[9] Sghaier N, Prat M.Effect of efflorescence formation on drying kinetics of porous media[J].Transport in Porous Media, 2009, 80(3): 441–454.

[10] Eloukabi H, Sghaier N, Ben Nasrallah S, et al.Experimental study of the effect of sodium chloride on drying of porous media: The crusty-patchy efflorescence transition[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 56(1/2): 80–93.

[11] Naillon A, Duru P, Marcoux M, et al.Evaporation with sodium chloride crystallization in a capillary tube[J].Journal of Crystal Growth, 2015, 422: 52–61.

[12] Norouzi Rad M, Shokri N.Effects of grain angularity on NaCl precipitation in porous media during evaporation[J].Water Resources Research, 2014, 50(11): 9020–9030.

[13] Nield J M, Wiggs G F S, King J, et al.Climate-surface- pore-water interactions on a salt crusted playa: Implications for crust pattern and surface roughness development measured using terrestrial laser scanning[J].Earth Surface Processes and Landforms, 2016, 41(6): 738–753.

[14] Rice M A, McEwan I K.Crust strength: A wind tunnel study of the effect of impact by saltating particles on cohesive soil surfaces[J].Earth Surface Processes and Landforms, 2001, 26(7): 721–733.

[15] Fryrear D W.Mechanics measurement and modeling of wind erosion[J].Advances in GeoEcology, 1998, 31: 291–300.

[16] 張建國, 徐新文, 雷加強, 等.極端干旱區(qū)咸水滴灌林地鹽結皮對土壤蒸發(fā)的影響[J].農業(yè)工程學報, 2010, 26(9): 34–39.

[17] Bauer B O, Houser C A, Nickling W G.Analysis of velocity profile measurements from wind-tunnel experiments with saltation[J].Geomorphology, 2004, 59(1/2/3/4): 81–98.

[18] Fujimaki H, Shimano T, Inoue M, et al.Effect of a salt crust on evaporation from a bare saline soil[J].Vadose Zone Journal, 2006, 5(4): 1246–1256.

[19] 李誠志, 劉志輝.塔里木河下游土壤風蝕期0-15 cm層土壤含水率分布規(guī)律[J].地理科學, 2012, 32(4): 511– 515.

[20] 李紅壽, 汪萬福, 武發(fā)思, 等.鹽分對極干旱土壤水分垂直分布與運轉的影響[J].土壤, 2011, 43(5): 809–816.

[21] Dai S, Shin H, Santamarina J C.Formation and development of salt crusts on soil surfaces[J].Acta Geotechnica, 2016, 11(5): 1103–1109.

[22] Nachshon U, Weisbrod N.Beyond the salt crust: On combined evaporation and subflorescent salt precipitation in porous media[J].Transport in Porous Media, 2015, 110(2): 295–310.

[23] Bergstad M, Shokri N.Evaporation of NaCl solution from porous media with mixed wettability[J].Geophysical Research Letters, 2016, 43(9): 4426–4432.

[24] Langston G, McKenna N C.An experimental study on the susceptibility of crusted surfaces to wind erosion: A comparison of the strength properties of biotic and salt crusts[J].Geomorphology, 2005, 72(1/2/3/4): 40–53.

[25] Rad M N, Shokri N, Keshmiri A, et al.Effects of grain and pore size on salt precipitation during evaporation from porous media[J].Transport in Porous Media, 2015, 110(2): 281–294.

[26] 王大環(huán), 李誠志, 李沼鵜.Na2SO4對古爾班通古特沙漠細沙鹽結皮特性的影響[J].環(huán)境科學研究, 2018, 31(11): 1979–1986.

[27] Shokri-Kuehni S M S, Norouzi Rad M, Webb C, et al.Impact of type of salt and ambient conditions on saline water evaporation from porous media[J].Advances in Water Resources, 2017, 105: 154–161.

[28] Hird R, Bolton M D.Migration of sodium chloride in dry porous materials[J].Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2016, 472(2186): 20150710.

[29] Derluyn H, Vontobel P, Mannes D, et al.Saline water evaporation and crystallization-induced deformations in building stone: Insights from high-resolution neutron radiography[J].Transport in Porous Media, 2019, 128(3): 895–913.

[30] Desarnaud J, Derluyn H, Carmeliet J, et al.Hopper growth of salt crystals[J].The Journal of Physical Chemistry Letters, 2018, 9(11): 2961–2966.

[31] 工程地質手冊編委.工程地質手冊[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1993: 784–789.

[32] Goossens D.Effect of soil crusting on the emission and transport of wind-eroded sediment: Field measurements on loamy sandy soil[J].Geomorphology, 2004, 58(1/2/3/4): 145–160.

[33] Argaman E, Singer A, Tsoar H.Erodibility of some crust forming soils/sediments from the Southern Aral Sea Basin as determined in a wind tunnel[J].Earth Surface Processes and Landforms, 2006, 31(1): 47–63.

[34] O'Brien P, McKenna N C.A wind tunnel study of particle kinematics during crust rupture and erosion[J].Geomorphology, 2012, 173/174: 149–160.

[35] Nield J M, McKenna N C, O’Brien P, et al.Evaporative sodium salt crust development and its wind tunnel derived transport dynamics under variable climatic conditions[J].Aeolian Research, 2016, 23: 51–62.

Effects of NaCl Content on Salt Crust Properties and Wind-erosion Resistance of Aeolian Sand Soil

FU Xiaolei1,2, LI Chengzhi1,2,3*, LI Shenghui1,2

(1 Institute of Arid Ecology & Environment, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2 College of Resources and Environmental Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 3 Key Laboratory of Oasis Ecology, Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Soil salt crust can inhibit water evaporation and reduce dust release on the ground, it plays a very important role in the ecological environment of arid regions.In order to obtain the reasonable salinity for salt crust of aeolian sandy soil in arid or semi-arid areas, 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, 6.0% and 7.0% NaCl were added to aeolian sandy soil collected from east Taklamakan Desert in Xinjiang, the strength and toughness of salt crusts were tested by piezometer, the microstructures of salt crusts were observed by electron microscopy, and then the effects of NaCl content on the compress strength and wind erosion resistance of salt crust were analyzed.The results showed that NaCl content had great impact on the compress strength and toughness of salt crust, with the increase of NaCl content, the strength and toughness of salt crust increased first and then decreased.However, the peaks of compress strength and toughness of salt crust were not synchronized, which appeared at 3.0% and 4.0% of NaCl content, respectively.Spotted aggregation of salt crystal appeared on soil surface after NaCl content > 4.0%, which led to unevenness and complicated changes in compress strength of salt crust.

Salt crust; Compress strength; Toughness; NaCl; Wind erosion resistance; Aeolian sandy soil

S156.92

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.023

付小磊, 李誠志, 李勝輝.NaCl含量對風沙土鹽結皮特性及其抗風蝕性能的影響.土壤, 2021, 53(5): 1064–1071.

國家自然科學基金項目(41761005，41301286)和新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室項目(2017D04025)資助。

通訊作者(xdlichengzhi@sina.com)

付小磊(1991—)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事荒漠生態(tài)修復研究。E-mail: 1016421476@qq.com