土壤风蚀环境下盐结皮研究及展望∗

李诚志

(新疆大学干旱生态环境研究所，绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

土壤盐结皮（Soil salt crust，SSC）俗称为盐壳，是易溶盐结晶体胶结土壤颗粒在土壤上层形成的一层胶结层[1]，其广泛分布于干旱、半干旱区域．土壤盐结皮与土壤生物结皮在物质组成、结构形态和形成机制方面均存在较大差异．生物结皮是由苔鲜类、蓝绿藻、地衣类、真菌、细菌和非维管束植物等粘结土壤颗粒而形成[2]，生物结皮强度低但韧性大，结皮形成后具有较强的抗风蚀能力[3]，但生物结皮形成时间相对较长，需要几个月甚至几年[2]．土壤盐结皮是由盐晶体胶结土壤颗粒而形成，土壤盐结皮形成速度快且大部分坚硬．土壤盐结皮形成后表层土壤性质、水力特性和土壤生态等方面发生了重大改变，土壤抗风蚀能力显著提高．土壤表层水分蒸发后土壤表层就立即形成了一层能够抵抗风蚀的盐结皮层，其能在几天甚至几个小时就形成一层坚硬的结皮层，可以迅速的抵抗风沙灾害的破坏[3]．因而，盐结皮抗风蚀性能逐步引起国内外科研工作者关注[4−10]，成为当前研究的新热点．本文从自然盐结皮演变、盐结皮形成机理、盐结皮对土壤风蚀影响进行归纳总结，期望为进一步开展土壤盐结皮研究提供参考．

1 自然盐结皮演变

在干旱、半干旱地区洼地，土壤盐结皮广泛存在，表面形态丰富多样．根据盐结皮地表形态可分为埋藏盐壳、垡板状盐壳、厚层龟裂盐壳、薄层龟裂盐壳和棱状盐壳[11]．Goodall根据盐结皮的厚度与表面形状划分为两类：厚盐结皮（结皮呈多边形块状，裂缝隆起>10 cm）和薄盐结皮（结皮呈多边形或类似水泡状，裂缝隆起厚度<10 cm）．薄结皮是盐结皮变化的基本形态，经过盐结晶沉积物变形、盐溶沉积物塌陷和聚合、以及两者的混合作用，盐结皮地表发生了显著变化[12]．从变化过程看，自然盐结皮大致可划分为三个阶段，即成长期（Ⅰ阶段）、成熟期（Ⅱ阶段）和消亡期（Ⅲ阶段）．不同学者对三个阶段的划分又存在一定分歧．Artieda对南美洲四个盐盆地（Yungay，Salar de Navidad，Salar de Llamara，Salar Grande）的盐结皮进行调查分析指出：Ⅰ阶段，地表较平坦，盐结皮裂纹轻微隆起（1∼3 cm），盐和土壤颗粒混合形成结皮，结皮物质组成分布较为均匀，未出现盐瘤（Nodule）；Ⅱ阶段，地表呈规则碟形状，四周裂纹隆起，裂纹处出现盐富集．Ⅱ阶段又可细分为早期和晚期两个阶段．在Ⅱ阶段早期，裂块呈现一个非常明显的中间低四周高的碟形状，裂块尺寸相对较大（直径约30∼90 cm），裂块中部由盐和土壤组成坚硬而多孔的结构，裂块边缘则主要是盐，土壤颗粒很少．在Ⅱ阶段晚期，裂块尺寸变小，裂块周边进一步抬升，裂块中间部分和边缘部分的物质组成差异进一步加大，边缘部分逐步演化成直径5∼20 cm的盐瘤；Ⅲ阶段，因侵蚀作用盐结皮边缘裂缝变得不清晰，隆起部分发育成圆或不规则形状，盐瘤发育完全，也有的出现像垂直鱼鳍一样的结构，经常很难辨认盐块碟形中心[13]．Nield结合地表形态、土壤水分蒸发和土壤侵蚀提出盐结皮三个阶段特征为：Ⅰ阶段，平坦盐结皮阶段（Continuous），盐结皮地表平坦，土壤水分蒸发较低，土壤侵蚀量小；Ⅱ阶段，脊状盐壳阶段（Riged），地表呈现高低起伏脊状地表，这阶段土壤水分蒸发量较大，土壤侵蚀量较小；Ⅲ阶段，侵蚀阶段（Degraded），地表有较大的土壤风蚀量，土壤蒸发量较小．这三个阶段可以通过正反馈（土壤表层、次表层和气象过程导致地表隆起发展）、负反馈（降雨或风蚀使地表隆起消亡）和极端事件（极端洪水或降雨导致盐结皮溶解）进行相互转换[9]．盐结皮地表形态还具有一定继承性，Lokier在Abu Dhabi Sabkha海滩观察发现，盐结皮龟裂缝由下腹的泥脊或石岩微地形控制，表层龟裂盐结皮破坏后，新形成的盐结皮龟裂裂缝还会继续在原裂缝处形成[14]．

2 盐结皮形成机理

在自然盐结皮和土壤（或多孔材料）结皮实验中，盐结皮根据其结晶位置有表面结皮（efflorescence）和次表层结皮（subflorescence）两种[15]．表面盐结皮在土壤（或多孔材料中）表面结晶，根据其形态有壳状（Crusty）或补丁状（Patchy）盐结晶层[16]．次表层结皮在土壤（或多孔材料中）表面下部的孔隙中形成一层盐结晶层[17]．形成何种盐结皮与盐的种类和蒸发条件有较大的相关性．

2.1 表面结皮

NaCl在常温下通常形成表面盐结皮[16,18,19]．常温下土壤颗粒粒径、粒径形状以及粒径亲水性控制着表面结皮类型．Eloukabi进行NaCl实验发现在土壤粒径5∼160µm时形成“壳”状（Crusty），在土壤粒径200∼300µm时形成“补丁”状（Patchy）[16]．Norouzi Rad运用粒径相近（平均粒径600µm）的不规则自然沙粒和球形玻璃珠进行NaCl结皮实验，实验结果显示两种颗粒都形成补丁状结皮，但自然沙粒形成的补丁状结皮呈不规分布，而球形颗粒形成的补丁状结皮则几乎均匀分布[20]．Bergstad研究粒径范围为90∼250µm（平均粒径166µm）的普通沙粒和憎水沙粒（普通沙粒浸染n-octyltriethoxysilane溶液）混合对结皮形状的影响，结果发现普通沙粒形成壳状结皮，加入憎水沙粒后形成补丁状结皮，随着憎水沙粒增加补丁状结皮面积越来越小[21]．更多的研究显示，NaNO[22−24]3、KCl[15,25−27]、KNO[15,24]3形成的盐结皮，与NaCl较为相似，常温下一般形成表面结皮．

2.2 次表层结皮

Na2SO4在常温下则形成次表层盐结皮[15,22,23,27]．在土壤或多孔材料表面下部的孔隙中，Na2SO4晶体吸附于孔壁而逐步沉积，孔隙则逐步被盐晶体填充[8,28]．随着Na2SO4晶体增加，土壤或多孔材料孔隙越来越小，当孔隙壁与晶体间仅剩一层非常薄（约1∼2 nm）的湿幕（Weting Film）时，孔隙壁与晶体间的Na2SO4溶液再结晶时会产生足以破坏各种材料的结晶压力[29]，巨大结晶压力使土壤或多孔材料产生膨胀破坏，表面盐结皮则不存在这种破坏性．这种盐结晶破坏在含盐的建筑材料中非常普遍[23,24,27,30]，是影响建筑安全的一个重要因素，国内外学者非常重视，并进行了大量研究[14,22,28,31−35]．Na2SO4结晶压力来自于两个方面，一是孔隙溶液的超饱和状态，二是Na2SO4结晶体水合相态的变化．Scherer和Espinosa通过Na2SO4结晶动力学方程模拟和多孔材料破坏压力测定，计算出超饱和是产生结晶压力的根源，Na2SO4溶液结晶时会达到一个非常高的超饱和度（S=4.4），且这种高的超饱和度持续时间非常长，这种超饱和度产生了巨大的结晶压力使土壤或多孔材料产生破坏[15,29]．Steiger和Schiro从Na2SO4-H2O结晶相位变化图出发，则认为Na2SO4结晶相态变化才是Na2SO4结晶压力产生的原因．Na2SO4晶体在水中或潮湿的环境下重结晶生成亚稳定的Na2SO4·7H2O，再转变为稳定Na2SO4·10H2O，Na2SO4·10H2O溶解度很小，晶体迅速增加，晶体体积增加而产生较大的结晶压力[36,37]．Na2SO4结晶相态变化与环境湿度相关．Na2SO4在湿度>50%时生成芒硝晶体（Na2SO4·10H2O），在湿度<50%时生成无水芒硝晶体（Na2SO4）[28]．环境湿度大时无水芒硝晶体会潮解形成芒硝，环境湿度小时芒硝晶体会脱水形成无水芒硝，Na2SO4晶体的潮解与脱水形成晶体体积变化，从而破坏含Na2SO4盐的土壤或材料．依据Na2SO4晶体潮解与脱水，Menndez结合ECOS-RUNSALT模型和空气湿度变化、建筑材料中盐含量来预测盐晶体对古建筑的破坏作用[24]．自然盐结皮中，Na2SO4晶体潮解与脱水使盐结皮发生塌陷和膨胀，是形成自然盐结皮龟裂隆起的主要因素[12,14]，在盐结皮隆起下部和裂缝处出现一层松软的芒硝层[38]．MgSO4、K2SO4、Na2CO3与Na2SO4一样具有多种水合盐，形成的盐结皮也是次表层结皮，在潮解与脱水过程中对土壤和多孔材料也会产生压力破坏[23]．

2.3 混合盐结皮

两种或两种以上盐混合对盐结皮有较大影响[22,24,26]．混合盐对表面结皮形态产生了改变．Gupta研究了抑制剂亚铁氰离子（[Fe(CN)6]4−）对结皮晶体的影响，NaCl溶液加入亚铁氰离子后，结晶开始之前的超饱和度显著提高，NaCl晶体由无抑制剂的立方晶体变为扩展晶体，单个晶体积增大．在NaCl-KCl和NaCl-LiCl的混合溶液中加入亚铁氰离子后，结晶开始之前的超饱和度则比单盐要低，晶体则变为容易风蚀的树枝状晶体[26]．混合盐产生的次表层结皮的破坏作用显著减轻．Menndez比较了NaCl（溶度6%）、Na2SO4·10H2O（溶度6%）、饱和CaSO4三种单盐和三种盐混合（溶度6.2%）的结皮，发现混合盐同时具有表皮结皮特征和次表层结皮特征，但混合盐对多孔材料产生的破坏作用明显小于Na2SO4单盐产生的破坏[24]．Cardell研究了单硫酸盐（CaSO4、MgSO4、Na2SO4、K2SO4）和混合硫酸盐在石灰石上的结皮，也发现混合盐对多孔材料的破坏要小于单盐的[39]．De Clercq和Lindstr¨om对多种硫酸盐混合进行研究也发现混合盐生成的次表层结皮的破坏作用要明显小于单盐．MgSO4和Na2SO4等摩尔混合盐还生成了晶体比单盐大得多的多种复合盐：Na2Mg(SO4)2·4H2O（白钠镁矾），Na2Mg(SO4)2·5H2O（五水镁钠矾），Na12Mg7(SO4)13·15H2O（钠镁矾）和Na6Mg(SO4)4（无水钠镁矾）[22,40]．混合盐还影响盐的潮解和水分蒸发．Sawdy研究了（Mg(NO3)2·H2O，NaCl，NaNO3，KNO3，CaSO4·2H2O）两种盐混合结晶，发现相对于单盐而言混合盐的潮解/溶解点和溶解速率增加，但蒸发速度比单盐的蒸发速度要慢，在吸收和干燥的循环中混合盐破坏性更小[41]．

盐结皮类型不仅受盐种类影响，还受多孔材料的孔隙尺寸、表面蒸发速度、液体的传输性能影响[15,23,41]．Sawdy在孔隙非常小的石灰石中发现了一层Na2SO4的表层结皮[41]．Espinosa在研究NaCl和Na2SO4结皮时指出，NaCl在蒸发迅速的条件下也能形成次表层结皮，Na2SO4在空气湿度饱和的慢速蒸发条件下也能形成表面结皮[15]．盐结皮类型受多种因素影响，其形成机理十分复杂，到目前为止还未完全清楚，还有待于进一步揭示．

3 盐结皮对土壤风蚀影响

土壤盐结皮显著地改变了土壤抗风蚀性能．盐结皮中的盐晶体吸附于土壤颗粒表面，将分散的土壤颗粒胶结成大土壤颗粒或将土壤胶结为整体．大土壤颗粒增大了土壤风蚀起动风速阈值，提高了土壤抗风蚀能力[42]，固结成整体的土壤则几乎没有风蚀现象．然而，不同形式、不同类型的盐结皮对土壤风蚀的影响不同．一般情况下表面盐结皮有助于提高土壤抗风蚀性能．Nickling在细沙土表面喷洒不同溶度的NaCl和KCl溶液（溶度为：0.5、1.0、5.6、7.5、10、15、20、30 g/L）形成表面壳状盐结皮，然后在风洞中测试沙土表面起动风速阈值，结果显示表面壳状盐结皮大大提高了沙土的抗风蚀性能，沙土表面的起动风速阈值随着盐溶度的增加而增大，即使很低的盐溶度也能显著的提高沙土的起动风速阈值[43]．MgC12和CaCl2溶液形成的表面结皮也得到相似的结论[44]．厚表面壳状盐结皮相比于薄表面壳状结皮具有更大的起动风速阈值．Nield对实验生成的薄表面壳状盐结皮和厚表面壳状盐结皮进行风洞测试，发现厚表面壳状盐结皮比薄表面壳状盐结皮有较高的起动风速阈值；但表面壳状盐结皮一旦破裂后或表层盐结皮是补丁状时，结皮的起动风速阈值则与厚度不相关，表面的起动风速阈值都迅速降低．土壤风蚀发生后，含盐的土壤也能显著的减少从表面射出的颗粒流[45]．OBrien测试盐溶度从320 g/kg降低到80 g/kg时，发现从表面射出的颗粒流明显增大，颗粒流的增大与风速和颗粒碰撞速度不相关[46]．Argaman将盐结皮大幅增加土壤起动风速阈值归结于盐结皮中紧密堆积的盐晶颗粒和土壤细颗粒本身的粘结性[42]．

次表层盐结皮生成于表层下部，盐晶体吸附土壤孔隙壁，将土壤颗粒胶结在一起，但次表层结皮一般存在盐膨胀作用，盐膨胀使胶结的土壤层隆起开裂产生破坏，因此次表层结皮土壤的抗风蚀性能不如表面结皮土壤．Nield在风洞中比较NaCl和Na2SO4的土壤结皮的抗风蚀性能发现，Na2SO4结皮土壤更容易被侵蚀．Na2SO4结皮土壤结皮在温度和湿度循环变化的作用下潮解、脱水，盐结皮膨胀形成多边形块状的脊状地表，这种地表增大了地表粗糙度，在隆起裂缝处容易被风侵蚀[45,46]．在风蚀作用下，地表由脊状盐壳阶段演变为侵蚀阶段．自然条件下，Na2SO4通常与其他盐混合形成混合盐结皮，混合盐结皮土壤的风蚀破坏作用则明显小于纯Na2SO4盐结皮土壤[46,47]．

盐结皮的晶体形状也显著的影响土壤风蚀．Buck在美国加利福尼亚Salton Sea利用原位便携式风蚀仪（PI-SWERL）测量不同类型盐结皮的风蚀量，运用扫描电镜观测相应盐结皮结晶形态，发现针状或棱柱状晶体的盐结皮具有较高的风蚀通量．形成针状或棱柱状晶体的盐有含水或脱水的芒硝/无水芒硝、尤钠钙矾/钙芒硝、石膏/烧石膏和多种硫酸镁盐[48]．在环境变化下，这些盐反复溶解和结晶，形成一种没有粘合的细小独立晶体，在盐结皮表层下部形成一层蓬松盐层，使结皮与土壤脱离，造成盐结皮破坏后具有较高的风蚀通量[15,28]．一般而言，没有开裂的盐结皮强度越大的其抗风蚀性能也越好，但结皮形成过程中均会出现不均性[3]，造成结皮破坏，从而造成盐结皮的抗风蚀性能差异大．

在盐结皮增强土壤抗风蚀性能中，除了盐晶体胶结土壤增大起动风速阈值外，盐结皮保持上层土壤水分从而间接增加土壤抗风蚀性的作用也是不可忽略．从盐结皮形成机理可知盐晶体沉积于表层或表层下部的土壤孔隙中，在均质土壤内部细小孔隙几乎全部被结晶盐堵塞，水汽无法通过，在非均质土壤小孔隙被盐晶体堵塞，大孔隙依靠水蒸气传播，土壤水分蒸发严重减弱．土壤中毛细管吸上来的水被阻碍在结皮下部，使上层土壤保持一个较大的土壤水分，从而增加土壤的抗风蚀性能[48]．国外大量学者对自然盐结皮土壤水分蒸发进行了大量观测研究，盐结皮的存在严重地阻碍了土壤水分蒸发．Chen在澳大利亚Amadeus湖观测到盐结皮水分蒸发量为70 mm/a，仅为卤水蒸发的10%左右．不同类型的盐结皮土壤水分蒸发量相差较大[49]．Kampfa在智利北部Salar de Atacama盐湖运用涡动对盐结皮土壤水分蒸发进行观测，发现光滑盐结皮土壤水分蒸发量为0.1∼1.1 mm/d，边缘植被区域盐结皮土壤水分蒸发量为0.4∼2.8 mm/d，而在粗糙盐结皮地表则未观测到土壤水分蒸发量[50]．自然盐结皮裂缝出现后会增大盐结皮土壤水分蒸发，其蒸发速率相比于没有裂隙的盐结皮大几个数量级[51,52]．Nield研究指出：Ⅰ阶段平坦盐结皮土壤水分蒸发量较低；Ⅱ阶段脊状盐结皮土壤水分蒸发量变大；Ⅲ阶段侵蚀盐结皮土壤蒸发量又变小[48]．李诚志在塔里木河下游对比无盐结皮土壤和有盐结皮土壤的上层土壤水分时，发现有盐结皮的上层土壤（0∼15 cm）水分要明显高于无盐结皮的土壤水分[53]．在土壤风蚀期，盐结皮地表即使破裂，上层较大土壤水分可以迅速蒸发形成新的盐结皮，从而有效的提高土壤的抗风蚀性能．

4 进展与展望

综上所述，目前国内外学者对土壤盐结皮进行了大量的研究，取得了丰硕的研究成果，这些研究成果为继续研究土壤盐结皮提供了基础．通过文献梳理和比较，从土壤风蚀角度看土壤盐结皮仍存在一些值得深入研究的内容．

4.1 盐结皮类型影响

从现有文献看，盐结皮显著提高土壤抗风蚀性能已成为众多学者共识．在表面盐结皮风蚀性能研究中，目前主要集中于壳状盐结皮的抗风蚀性能研究，补丁状盐结皮的抗风蚀性能则未见报道．壳状盐结皮在土壤表面生成一层全覆盖的盐结皮，松散土壤颗粒全置于盐结皮保护下，土壤风蚀过程中需破裂表面盐结皮后才能运移下部松散土壤颗粒．补丁状盐结皮则未完全覆盖土壤表面，部分土壤颗粒直接裸露在外，土壤风蚀过程中可能被气流直接夹带，形成风沙流破坏补丁状盐结皮．补丁状盐结皮土壤风蚀过程与壳状盐结皮土壤风蚀过程应该存在较大的差异，但补丁状盐结皮风蚀过程还未见报道，其风蚀过程还未知，需要深入研究．在现有的表面盐结皮研究中，生成表面盐结皮的盐多数为NaCl，少量的KCl、MgC12、CaCl2和NaNO3，其他表面盐结皮盐则几乎没有．不同盐结晶的晶体大小、晶体形状以及组合都不一样，结晶体间作用力大小也存在差异，生成的表面盐结皮抗风蚀能力应该也存在较大差异．王大环对NaCl、CaCl2、Na2CO3、NaHCO3进行风沙土结皮实验，发现不同盐形成的表面盐结皮强度差异很大，CaCl2形成的盐结皮强度非常高，Na2CO3、NaHCO3结皮面出现明显的“发酵”蓬松现象，结皮强度则非常低，甚至低于风沙土本身的强度[54]．盐种类是影响表面盐结皮风蚀性能的一个重要因素，其影响有待于进一步研究．

次表层盐结皮风蚀性能研究中，目前研究对象主要为Na2SO4形成的次表层盐结皮．这类盐结皮最典型的特征是：盐晶体会在温度和湿度循环变化的作用下潮解、脱水，盐结皮会膨胀形成多边块状的脊型裂缝地表．这种结皮增加了土壤表面粗糙度，在裂缝处容易风蚀．形成次表层结皮的盐一般为水合盐，晶体能与水形成不同水分子的水合盐．水合盐在环境温度和湿度的变化下能相互转换，不同水合盐的晶体类型、晶体体积和晶体胶结力均不同，其形成的次表层盐结皮的强度差异较大，其风蚀性能也完全不同．然而，目前关于环境条件对次表层盐结皮风蚀影响的研究很少，其影响机理暂未明了，还有待于深入研究．另外，形成水合盐的盐种类非常多，目前仅有Na2SO4和MgSO4的相关研究，其他的水合盐还有待于进一步探究．

4.2 混合盐结皮影响

自然界盐结皮几乎全部为混合盐结皮，混合盐结皮土壤风蚀机理研究有助于我们进一步利用盐结皮有益部分抑制盐结皮有害部分．从盐结皮形成机理可知，两种及两种以上的盐混合对盐结皮的形成具有较大影响．混合盐结晶时存在相互抑制，这种相互抑制明显地降低了次表层盐结皮的膨胀破坏作用，减轻次表层盐结皮破坏造成的土壤风蚀．目前，混合盐研究集中于Na2SO4与NaCl、Na2SO4与NaNO3、Na2SO4与MgSO4等少数的几类混合盐中，混合盐的研究范围有待于进一步扩展．混合盐不仅与混合盐种类有关系，还与混合盐之间的比例存在复杂关系．李沼鹈对NaCl和Na2CO3、NaCl和NaHCO3、Na2SO4和Na2CO3、Na2SO4和NaHCO3、NaCl和Na2SO4、KCl和Na2SO4、CaCl2和Na2SO4七种混合盐，9个配比梯度(1︰9，2︰8，3︰7，4︰6，5︰5，6︰4，7︰3，8︰2，9︰1)，6个总盐质量（1%，2%，3%，4%，5%，7%）进行试验研究发现混合盐形成的结皮形态和结皮强度与混合盐种类、混合比例和总盐量存在非线性的复杂关系[55]．镁类混合盐结皮还能增强土壤表面的吸湿性，增加土壤表面湿度，增大土壤表面颗粒的起动风速阈值，减少土壤风蚀量．目前，混合盐结皮对土壤风蚀的研究仅停留于结皮表观状态观测和结皮风蚀破坏，环境变化下混合盐结皮晶体形态变化以及晶体-土壤作用力变化的研究还未见报道．混合盐结皮的土壤风蚀机理尚未清楚，揭示混合盐结皮机理还需大量研究．

自然盐结皮普遍形成于低洼盆地，这类盆地通常认为是空气粉尘的主要来源[56]．许多学者从全球尺度对这类低洼盆地的粉尘释放量进行数值模拟，模拟从地表释放到空气中的粉尘量[57]，为全球气候变化、全球物质交换提供支撑数据．然而，这类全球模型在考虑低洼盆地的粉尘释放量时均未考虑盐结皮减少土壤风蚀作用，造成盐结皮地表模拟的粉尘释放量明显偏高．结皮对土壤风蚀影响其实早已运用于土壤风蚀模型中．Rice在土壤风蚀模型中采用定量描述土壤类型、土壤组成等方式引入土壤结皮对土壤风蚀的影响[58]．Fryrear在修改土壤风蚀方程（RWEQ）中把土壤黏粒百分比作为土壤结皮抵抗风蚀予以考虑[59]．现有土壤风蚀模型中，盐结皮降低土壤风蚀作用一直未合理地考虑，在盐结皮地表使用土壤风蚀模型受到严重挑战．合理确定全球粉尘释放模型和小尺度的土壤风蚀模型均需要将盐结皮的作用引入，引入的方程和参数均需要进行广泛的研究．