孔德庸,李保國(guó)*,馬黎春,蔣平安,武紅旗,劉洪鵬中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193;中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052

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羅布泊干鹽湖表層鹽殼含水率季節(jié)性變化及吸水特征研究

孔德庸1),李保國(guó)1)*,馬黎春2),蔣平安3),武紅旗3),劉洪鵬3)
1)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;3)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境資源學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052

摘 要:根據(jù)羅布泊遙感影像圖,在干鹽湖區(qū)域選擇“黑紋”和“白紋”觀測(cè)區(qū)為典型研究對(duì)象,對(duì)其表層鹽殼含水率、地下水位埋深、氣象參量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了1年多的系統(tǒng)觀測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼的季節(jié)含水率存在一定的差異,其吸附水含水率均大于結(jié)晶水含水率,兩觀測(cè)區(qū)的吸附水含水率差異在1%左右,但黑紋觀測(cè)區(qū)鹽殼結(jié)晶水含水率是白紋觀測(cè)區(qū)的3倍以上;黑紋觀測(cè)區(qū)的地下水水位埋深相對(duì)穩(wěn)定,表層鹽殼的吸附水變化與地下水水位變化無明顯的直接關(guān)系。另在高濕度、不同溫度的野外環(huán)境和室內(nèi)模擬環(huán)境下開展的鹽殼吸水能力實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn),黑紋觀測(cè)區(qū)鹽殼的吸水能力明顯強(qiáng)于白紋觀測(cè)區(qū),甚至達(dá)到10倍以上的差異,分析表明這和表層鹽殼鹽類礦物成分(如硫酸鎂)的差異性密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞:羅布泊;干鹽湖;鹽殼;含水率;吸水特征

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本文由科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“庫(kù)姆塔格沙漠綜合科學(xué)考察”(編號(hào):2012FY111700)、國(guó)家自然基金項(xiàng)目“羅布泊大耳朵干鹽湖鹽殼鹽土礦物分異特征及環(huán)境學(xué)意義”(編號(hào):41071149)和中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(編號(hào):YK1404)聯(lián)合資助。

鹽殼是干鹽湖地表典型的地貌特征之一,其發(fā)育過程十分復(fù)雜,既有間歇?jiǎng)邮幍臏\水面蒸發(fā)析鹽過程,又有湖底暴露時(shí)期的地表成鹽過程,在風(fēng)蝕、日曬、雨淋、凍融交替等作用下,形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鹽泥混合物(Lerche and Petersen,1995;馬黎春等,2011),主要鹽類礦物由K、Ca、Na和Mg的氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽組成,而且這些鹽類礦物具有一定的吸濕性,尤其是鹽湖演化至晚期的鉀鎂鹽礦物和一些鈣的氯化物,如光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、水氯鎂石(MgCl2·6H2O)、軟鉀鎂釩(K2SO4·MgSO4·6H2O)、瀉利鹽(MgSO4·7H2O)和溢晶石(CaCl2.6H2O)等。單相鹽類礦物的吸水及失水特征曲線,前人已開展了大量研究,并將其拓展到火星蒸發(fā)巖及其沉積環(huán)境反演研究中(Wang et al.,2006;Chen et al.,2007;Chou et al.,2013),然而鮮有學(xué)者對(duì)鹽殼,即蒸發(fā)巖礦物及其碎屑混合物,開展相關(guān)研究。Cochran等(1988)對(duì)美國(guó)Owens湖濱鹽殼開展了地表溫濕度的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn),初步揭示Owens湖的特征和可能的成因;Robinson等(2008)則對(duì)不同溫度體系土壤中石膏等礦物的失水特征開展了系列研究,孫自永等(2008)在羅布泊開展了凝結(jié)水的實(shí)驗(yàn),本文將在前人基礎(chǔ)上,選取羅布泊干鹽湖區(qū)典型鹽殼,開展長(zhǎng)期溫濕度、含水率及地下水位波動(dòng)等野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn),同時(shí)在室內(nèi)開展不同溫濕度條件下的鹽殼吸水模擬實(shí)驗(yàn),以探索不同類型鹽殼的吸水特征及變化規(guī)律。

羅布泊是世界著名的內(nèi)陸干鹽湖之一(鄭綿平,2001;鄭喜玉等,2002),地處新疆塔里木盆地東部邊緣,自第三紀(jì)末至第四紀(jì)初以來就成為整個(gè)盆地的匯流中心,大湖時(shí)期,水域面積曾達(dá)2×104km2。目前羅布泊行政區(qū)隸屬巴音郭楞蒙古自治州若羌縣羅布泊鎮(zhèn),地理位置39.6°—41.3°N,89.6°—91.4°E(圖1)。

羅布泊干鹽湖北抵庫(kù)魯克塔格山山前沖洪積扇,南至阿爾金山北麓,東為北山,西為庫(kù)魯克庫(kù)姆沙漠,東南緊挨庫(kù)姆塔格沙漠,目前湖區(qū)被鹽殼覆蓋,其厚度20～100 cm不等,局部呈蜂窩狀、龜裂狀。該區(qū)域氣候極端炎熱干旱,多年平均降水量?jī)H為38.5 mm/a,平均蒸發(fā)量則達(dá)3776.5 mm/a,屬典型的大陸性干旱氣候(夏訓(xùn)誠(chéng)等,2007)。

圖1　羅布泊干鹽湖位置Fig.1 The location of Lop Nur dry lake in Xinjiang

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)區(qū)的選擇

在衛(wèi)星影像上,羅布泊干鹽湖區(qū)中東部呈“大耳朵”狀,色調(diào)分明,輪廓清晰(圖2),在世界干鹽湖中實(shí)屬罕見。根據(jù)土壤、鹽漬土的衛(wèi)星影像常規(guī)判讀經(jīng)驗(yàn),含水率越高、光譜反射率越低,遙感影像色調(diào)越暗?？臻g上含水量的差異將導(dǎo)致遙感影像的色調(diào)、紋理存在一定的差異性(Metternicht and Zinck,2003;何挺等,2006;翁永玲和宮鵬,2006;王俊,2011),馬黎春等(2010)對(duì)不同“耳輪”環(huán)帶鹽殼含鹽量、含水量、離子組成及礦物組合開展了綜合研究,認(rèn)為水分差異是影響羅布泊衛(wèi)星影像色調(diào)深淺的重要因素之一,蔡愛民等(2011)則認(rèn)為地表全鹽含量和結(jié)構(gòu)差異是形成“耳紋”特征的直接原因,也有學(xué)者認(rèn)為鹽殼含沙量、顏色、地表粗糙度和地下水的深度會(huì)影響羅布泊遙感影像的色調(diào)(趙元杰等,2006;夏訓(xùn)誠(chéng)等,2007)。針對(duì)羅布泊特殊的“耳輪”型地貌特征,李保國(guó)等(2008)開展了湖區(qū)DGPS的實(shí)測(cè)工作,在此基礎(chǔ)上,邵蕓等則利用遙感、雷達(dá)數(shù)據(jù),開展了一系列地貌、高程等解譯工作,繪制出古湖盆分區(qū)圖、現(xiàn)代湖區(qū)高程和大耳朵紋理分區(qū)圖(邵蕓和宮華澤,2011;Wang et al.,2014)。

本研究選擇羅布泊干鹽湖兩處遙感影像光譜色調(diào)反差較大的區(qū)域(文中分別命名為“黑紋觀測(cè)區(qū)[BOS]”和“白紋觀測(cè)區(qū)[WOS]”,圖2),進(jìn)行為期一年多的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)(2009年5月—2010年8月),觀測(cè)項(xiàng)目包括表層鹽殼含水率、地下水位、大氣溫濕度、蒸散和風(fēng)速風(fēng)向等,并在室內(nèi)采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱開展了濕度為60%RH和不同溫度條件下的表層鹽殼吸水特征實(shí)驗(yàn),以探索表層鹽殼含水率變化規(guī)律及其吸水特征。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)區(qū)位于羅布泊鎮(zhèn)東南方向約3 km,黑紋觀測(cè)區(qū)和白紋觀測(cè)區(qū)中心坐標(biāo)分別為(90.905°E,40.438°N)和(90.890°E,40.448°N),兩觀測(cè)區(qū)直線距離約1 km,經(jīng)水準(zhǔn)儀測(cè)量,兩觀測(cè)區(qū)幾乎無高差存在。白紋理觀測(cè)區(qū)鹽殼厚度50～60 cm不等,南北向平均粗糙度0.965,東西向平均粗糙度0.946;黑紋觀測(cè)區(qū)鹽殼厚度在55～65 cm不等,鹽殼表面較為平整,南北向平均粗糙度0.974,東西向平均粗糙度0.966(圖3;平均粗糙度,單位長(zhǎng)度測(cè)繩平鋪于表層后的直線長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度測(cè)繩的比值,0—1取值,數(shù)值越小表示粗糙度越大,數(shù)值越接近1.0表示地面起伏越趨于平坦)。

1.2 鹽殼含水率測(cè)定方法

本研究采用烘干法測(cè)定表層鹽殼重量含水率。根據(jù)前人研究結(jié)果,110℃以內(nèi)烘干條件下獲得的含水率為吸附水,110～230℃烘干獲得的含水率為結(jié)晶水(地球科學(xué)大辭典編委會(huì),2006;唐洪明,2007)。

實(shí)驗(yàn)期內(nèi),共獲得有效表層鹽殼含水率樣品700余個(gè)。每天早上北京時(shí)間10:00在觀測(cè)區(qū)表層0～5 cm取樣,密封后即時(shí)用千分之一電子天平進(jìn)行稱重,然后集中在實(shí)驗(yàn)室用烘箱烘干,105℃恒溫烘干8小時(shí)以上,獲得鹽殼吸附水重量含水率,繼續(xù)在恒溫200℃烘干8小時(shí)以上,獲得鹽殼結(jié)晶水重量含水率。

圖3　實(shí)驗(yàn)觀測(cè)區(qū)鹽殼表面情況Fig.3 The surface landscape of the two observing sites

1.3 地下水位觀測(cè)

利用國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司工程地質(zhì)鉆井對(duì)黑紋觀測(cè)區(qū)進(jìn)行地下水位的觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間間隔期為10天;白紋觀測(cè)區(qū)無觀測(cè)井。

1.4 吸水能力測(cè)試

表層鹽殼的吸水能力實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行。試驗(yàn)箱采用美國(guó)STIK恒溫恒濕箱(CTHI-250B靜電容式),溫度控制范圍–10～+85℃(精度±0.5℃)、濕度控制范圍20%RH～98%RH(精度±1.5%RH),到達(dá)設(shè)定的模擬環(huán)境且穩(wěn)定后,將表層鹽殼樣品鋪平,放進(jìn)恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi),每隔2小時(shí)取出稱重,該時(shí)段內(nèi)樣品重量增加數(shù)值即為吸濕量數(shù)值。

1.5 氣象觀測(cè)方法

氣象觀測(cè)主要利用鉀鹽礦氣象觀測(cè)站和實(shí)驗(yàn)臨時(shí)安裝的雨量筒、蒸發(fā)皿、溫度記錄儀、濕度記錄儀等,氣象站獲得的數(shù)據(jù)包括自動(dòng)測(cè)定記錄的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度和大氣濕度等數(shù)據(jù),臨時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器主要為人工觀測(cè)降雨量、蒸發(fā)量、地表溫度等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣象因素變化特征

春夏秋冬四個(gè)季節(jié)劃分采用氣候?qū)W候平均溫度(每5日的平均氣溫)進(jìn)行劃分,候溫度穩(wěn)定高于22℃為夏季,低于10℃為冬季,從10℃增溫至22℃為春季,從22℃降溫至10℃為秋季,大氣溫濕度觀測(cè)時(shí)期為2009年09月01日至2010年08月31日。

實(shí)驗(yàn)期間,鹽殼表面實(shí)測(cè)最高溫度為+66.0℃,最低溫度為–22.1℃,大氣溫度最高為43.0℃,最低溫度為–21.0℃;觀測(cè)到的最低大氣濕度＜5.0%RH,最高值為96.0%RH;主風(fēng)向東北風(fēng),2分鐘最大風(fēng)速為19.5 m/s;實(shí)測(cè)降水量(含降雪)<5 mm,據(jù)不完全觀測(cè)統(tǒng)計(jì),夏季和秋季日平均蒸發(fā)量約15 mm,春季和冬季日平均蒸發(fā)量約7 mm,年蒸發(fā)量為3800 mm左右。

表1　觀測(cè)期季節(jié)劃分及風(fēng)速、大氣溫濕度季度平均值Table 1 Division of seasons by the pentad temperature method,and the seasonal average value of the wind speed,the air temperature and the air humidity during the observing period

表2　兩個(gè)觀測(cè)區(qū)表層鹽殼主要化學(xué)含量表(g/kg)Table 2 The chemical composition of salt-crust at the two observing sites(g/kg)

2.2 表層鹽殼化學(xué)組分特征

兩個(gè)觀測(cè)區(qū)表層鹽殼的主要化學(xué)分析結(jié)果見表2,其中Na+、Cl-離子主要以石鹽(NaCl)礦物形式存在,Ca2+、以石膏(CaSO4)礦物存在,另外富含Mg+、K+離子在不同溫度濕度情況下可能形成光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、鉀鹽鎂礬(KCl·MgSO4·3H2O)和軟鉀鎂礬(K2SO4·MgSO4·6H2O)等吸濕性較強(qiáng)的復(fù)合鹽礦物(王弭力和劉成林,2001;馬黎春,2007)。

從表2各觀測(cè)區(qū)的“離子/總鹽”比值分析,黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼比白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼富含K+、Mg2+、Ca2+等離子,其中K+、Ca2+離子約為2倍,Mg2+離子更是高達(dá)17倍左右,故推測(cè)黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼比白紋觀測(cè)區(qū)富含CaSO4、MgSO4等礦物,也容易形成石膏(CaSO4·2H2O)、半水石膏(CaSO4·0.5H2O)以及前述鉀、鎂復(fù)合鹽礦物;白紋觀測(cè)區(qū)則比黑紋觀測(cè)區(qū)形成更多的石鹽(NaCl)礦物。

2.3 表層鹽殼含水率變化特征

2.3.1 表層鹽殼含水率季節(jié)變化

表層鹽殼的含水率日變化過程如圖4所示,根據(jù)日變化數(shù)據(jù),整理出兩觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸附水和結(jié)晶水的季節(jié)變化情況,見表3和圖5。

白紋觀測(cè)區(qū)的吸附水季節(jié)平均含水率變幅在4.50%～6.93%之間,春—夏—秋—冬四個(gè)季節(jié)呈“自最大值開始下降—下降到最小值—升高”變化趨勢(shì),以春季最高、秋季最低,分別為6.93%和4.50%,峰值和谷值相差2.43%,變幅相對(duì)較大;結(jié)晶水含水率季節(jié)均值在1%以內(nèi),春—夏—秋—冬四個(gè)季節(jié)呈“自最大值開始下降—下降—下降到最小值”的變化趨勢(shì),春季、夏季接近1.0%,秋季和冬季在0.6%～0.7%之間變化,最大值和最小值相差僅為0.37%,變幅相對(duì)較小。

圖4　兩觀測(cè)區(qū)表層0–5 cm鹽殼重量含水率日變化過程Fig.4 The daily gravimetric moisture content change in 0–5 cm of top salt-crust at the two observing sites

圖5　表層鹽殼重量含水率季節(jié)變化對(duì)比Fig.5 The moisture content change of the salt-crust during the four seasons

黑紋觀測(cè)區(qū)的吸附水季節(jié)平均含水率變幅在4.11%～7.04%范圍,春—夏—秋—冬四個(gè)季節(jié)呈“下降—下降到最小值—升高到最大值”的變化趨勢(shì),以冬季最高、秋季最低,分別為7.04%和4.11%,最大值和最小值相差2.93%,變幅相對(duì)較大;結(jié)晶水含水率季節(jié)均值在3%～4%之間變化,春—夏—秋—冬四個(gè)季節(jié)呈“從最小值開始上升到最大值—下降—下降”變化趨勢(shì),最大值和最小值相差僅為0.50%,變幅相對(duì)穩(wěn)定。

表3和圖5也表明,兩個(gè)觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸附水含水率季節(jié)均值存在一定差異,差異幅度在0.39%～1.32%,其中以春、夏季節(jié)差異最大(>1%),秋、冬季節(jié)差異最小(<0.6%),此外,除黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼吸附水含水率在冬季高于白紋觀測(cè)區(qū)外,其它三個(gè)季節(jié)均為白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼吸附水含水率高于黑紋觀測(cè)區(qū)。兩個(gè)觀測(cè)區(qū)表層鹽殼結(jié)晶水含水率在全年四個(gè)季節(jié)內(nèi),白紋觀測(cè)區(qū)的結(jié)晶水含水率明顯低于黑紋觀測(cè)區(qū),其差異從2.11%～2.84%不等,以春季差異最小,為2.1%,秋、冬季差異最大,接近3%。

整體來說,兩觀測(cè)區(qū)的鹽殼表層吸附水含水率存在一定差異,其直接原因可能是兩觀測(cè)區(qū)的礦物的成分和含量不同導(dǎo)致的。相對(duì)白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼來說,黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼富含Mg2+離子礦物,在冬季低溫、高濕度、低蒸發(fā)、低風(fēng)速的情況下,可能更容易吸收大氣水分產(chǎn)生吸附水,導(dǎo)致其吸附水含水率高于白紋觀測(cè)區(qū);到了春、夏、秋三個(gè)季節(jié)時(shí)段,氣候恰好相反,變成了高溫、低濕度、高蒸發(fā)、高風(fēng)速的情況,黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸附水可能產(chǎn)生了逸出,導(dǎo)致其吸附水含水率略低于白紋觀測(cè)區(qū)。

圖5也明顯的看出,表層鹽殼的吸附水含水率大于結(jié)晶水含水率,在白紋觀測(cè)區(qū)尤為明顯,差異達(dá)5倍以上;黑紋觀測(cè)區(qū)吸附水含水率略高于結(jié)晶水含水率,比率在1～2倍之間。估計(jì)其原因可能是黑紋觀測(cè)區(qū)的Ca2+、SO2-4離子形成的石膏礦物和Mg2+、SO2-4離子形成的瀉利鹽(七水硫酸鎂)礦物均多于白紋觀測(cè)區(qū)導(dǎo)致的(Robinson et al.,2008;Chou et al.,2013)。

兩個(gè)觀測(cè)區(qū)的吸附水和結(jié)晶水含水率的差異,和鹽類礦物成分組成有著密切關(guān)系,結(jié)合剖面溫濕度和氣象資料詳加分析,可更準(zhǔn)確地確定其原因,有利于進(jìn)一步探索羅布泊大耳朵干鹽湖區(qū)域不同時(shí)期的紋理色調(diào)差異的因素。

表4　黑紋觀測(cè)區(qū)地下水水位(單位:mm-dd,m)Table 4 The groundwater level change during the observing period in BOS(mm-dd,m)

2.3.2 黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼含水率與地下水位埋深關(guān)系

一般情況下,大部分干鹽湖,其表層鹽殼的含水率變化和地下水水位埋深關(guān)系甚為密切,經(jīng)2009 年10月至2010年7月份觀測(cè)發(fā)現(xiàn),該時(shí)期內(nèi)黑紋觀測(cè)區(qū)地下水位相對(duì)較穩(wěn)定,始終在5.0～5.2 m之間變化(表4),其變化幅度相對(duì)較小,但黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼吸附水含水率在2.5%～14.5%之間變化,其變化幅度相對(duì)較大,變化幅度差異接近6倍,圖6可以直觀地表現(xiàn)出地下水位埋深變化對(duì)黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼含水率的季節(jié)性變化無顯著影響的關(guān)系,另外,通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)性分析,黑紋表層鹽殼吸附水含水率與地下水水位的p=0.295,兩者之間關(guān)系未達(dá)到顯著水平。由于兩個(gè)觀測(cè)區(qū)距離較短、高程幾乎相同,故推測(cè)其地下水水位埋深變化幅度和黑紋觀測(cè)區(qū)類似,由此可進(jìn)一步推測(cè)白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼含水率變化和地下水水位埋深存在同樣的結(jié)論,因此,可以推斷,在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)區(qū)內(nèi),表層鹽殼含水率的變化與地下水水位埋深變幅關(guān)系不明顯。

2.3.3 表層鹽殼吸水能力初步對(duì)比

在觀測(cè)期的冬季,曾對(duì)兩觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸水能力進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試,即取原狀土用纖維網(wǎng)包裝后懸掛于空氣中,分別觀測(cè)期增加的重量百分比,白紋觀測(cè)區(qū)和黑紋觀測(cè)區(qū)當(dāng)日的表層鹽殼吸附水含水率分別為4.9%和8.6%。表5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大氣溫度和濕度分別接近0℃和50%RH情況下,經(jīng)過15 h后,黑紋觀測(cè)區(qū)和白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼因吸收水分增加的平均重量百分比分別為2.0%和0.5%左右,黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼的吸水能力大概為白紋觀測(cè)區(qū)的4倍;再經(jīng)過27 h后,則其平均重量百分比增加分別到4.3%和0.6%左右,黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼的吸水能力和白紋觀測(cè)區(qū)的比值也達(dá)到了7倍左右,一定程度上證明黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸水能力大于白紋觀測(cè)區(qū)。

2.4 室內(nèi)模擬溫濕度條件下表層鹽殼吸水能力對(duì)比

為了進(jìn)一步研究?jī)捎^測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸水能力的差異,本研究在濕度60%RH、溫度分別為20℃、30℃和40℃三個(gè)溫度梯度環(huán)境下進(jìn)行鹽殼吸水能力實(shí)驗(yàn),白紋觀測(cè)區(qū)和黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼樣品吸附水含水率分別為1.9%和3.2%,結(jié)晶水含水率分別為1.3%和6.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼具有較強(qiáng)的吸水能力,在12 h內(nèi)隨溫度升高吸水能力逐漸增強(qiáng),20℃、30℃和40℃三個(gè)模擬溫度下其含水率分別增加了5.56%,6.64%和11.63%,見表6和圖7,而40℃模擬條件下鹽殼含水率在12 h達(dá)到峰值后開始失水,22 h后含水率下降至7%左右,20℃、30℃條件下始終呈緩慢增加趨勢(shì),22 h后其含水率增加值也基本穩(wěn)定在7%左右;而白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼在整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過程中始終未表現(xiàn)出明顯的吸水性能,其含水率僅增加0.5%左右。在各模擬溫度下,黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸水能力均明顯高于白紋觀測(cè)區(qū),根據(jù)表層鹽殼的化學(xué)成分(表2),相比白紋觀測(cè)區(qū),黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼富含Mg2+離子,易形成含鎂礦物,是導(dǎo)致其吸水能力高于白紋觀測(cè)區(qū)10倍左右的重要原因之一。

表5　冬季表層鹽殼在空氣中吸收水分重量增加百分比Table 5 The percentage of gravimetric moisture increase caused by the water adsorption of salt-crust in winter

表6　表層鹽殼在60%RH和20℃、 30℃、40℃溫度條件下吸收水分重量增加百分比Table 6 The percentage of gravimetric moisture increase caused by the water adsorption of salt-crust under the condition of temperatures of 20℃,30℃,40℃ and the same relative humidity of 60%

圖7　60%RH濕度及不同溫度條件表層鹽殼吸水能力Fig.7 The comparison of water absorption capability of salt-crust under the condition of temperatures of 20℃,30℃,40℃ and the same relative humidity of 60%

3 結(jié)論

(1)兩觀測(cè)區(qū)的鹽殼表層含水率存在一定差異的原因可能是兩觀測(cè)區(qū)的礦物成分和含量不同導(dǎo)致的。黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼富含Mg+離子礦物,在春季和冬季低溫、高濕度、低蒸發(fā)、低風(fēng)速的情況下,可能更容易吸收大氣水分產(chǎn)生吸附水,導(dǎo)致其吸附水含水率高于白紋觀測(cè)區(qū);到了夏季和秋季時(shí)段,黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸附水可能在高溫、低濕度、高蒸發(fā)、高風(fēng)速的氣候條件產(chǎn)生了逸出,導(dǎo)致其吸附水含水率略低于白紋觀測(cè)區(qū)。在全年任何時(shí)段,白紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼的結(jié)晶水含量均明顯低于黑紋觀測(cè)區(qū),可能是黑紋觀測(cè)區(qū)的離子形成的石膏礦物和離子形成的瀉利鹽(七水硫酸鎂)礦物均多于白紋觀測(cè)區(qū)導(dǎo)致的。

(2)經(jīng)觀測(cè),黑紋觀測(cè)區(qū)地下水位埋深變幅相對(duì)較穩(wěn)定,對(duì)表層鹽殼含水率的季節(jié)性變化無顯著影響。

(3)本研究在野外大氣溫度和濕度分別接近0℃和50%RH情況,或者是室內(nèi)的恒溫恒濕試驗(yàn)箱模擬的濕度60%RH、溫度分別為20℃、30℃和40℃三個(gè)溫度梯度環(huán)境下,黑紋觀測(cè)區(qū)的表層鹽殼吸水能力均明顯高于白紋觀測(cè)區(qū),推測(cè)其原因是黑紋觀測(cè)區(qū)表層鹽殼所含的Mg2+離子含量高于白紋觀測(cè)區(qū)約17倍而導(dǎo)致的。

(4)兩個(gè)觀測(cè)區(qū)表層鹽殼中礦物組分和含量的差異,尤其是鉀鎂鹽礦物的差異性,導(dǎo)致其吸附水和結(jié)晶水含量不同,從而使其鹽殼表層含水率和光譜響應(yīng)特征不同,這也是導(dǎo)致羅布泊干鹽湖區(qū)在遙感影像上形成“黑紋”和“白紋”的重要原因之一。

致謝:本實(shí)驗(yàn)得到了國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司的大力幫助和支持,在此表示衷心感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Ministry of Science and Technology(No.2012FY111700),National Natural Science Foundation of China(No.41071149),and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.YK1404).

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Seasonal Change of Water Absorption Capability and Moisture Content of the Top Salt-crust in Lop Nur Dry Lake

KONG De-yong1),LI Bao-guo1)*,MA Li-chun2),JIANG Ping-an3),WU Hong-qi3),LIU Hong-peng3)
1)College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193;
2)Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037;
3)College of Grassland and Environment Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,Xinjiang 830052

Abstract:Two observing sites within the Lop Nur dry salt lake were selected as field experiment areas to monitor the moisture content change on the surface of salt-crust,groundwater level and meteorological data,and a systematic observation lasted for more than one year.One observing site has typical bright stripes exhibiting white color and is named WOS,and the other has typical gray stripes assuming black color and is called BOS.Based on the experiment,it could be concluded that the seasonal moisture values of salt-crust in the two observing sites are different:the adsorbed water content on the surface of salt-crust is higher than the crystal water content,with the difference of adsorbed water content in the two observing sites being about 1%;the content of crystal water in BOS is over 3 times that in WOS.The field observation data indicate that the groundwater level is relatively stable,and it makes little contribution to the adsorbed water content of the surface in salt-crust in BOS.The absorption capability of salt-crust in BOS is remarkably stronger than that in WOS both under the conditions of high humidity and different temperatures in field test or laboratory simulation test,and the difference of water absorption capability is even more than 10 times,probably caused by the difference of the mineral compositions,such as the content of magnesium sulfate in the two observing sites during the salt-curst formation and development.

Key words:Lop Nur;dry lake;salt-crust;moisture content;water absorption capability

*通訊作者:李保國(guó),男,1964年生。教授,博士生導(dǎo)師。主要從事土壤學(xué)、土壤水鹽運(yùn)移等研究工作。E-mail:libg@cau.edu.cn。

作者簡(jiǎn)介:第一孔德庸,男,1978年生。博士研究生,助教。從事水土資源利用及水文地質(zhì)相關(guān)工作。

通訊地址:100193,北京市海淀區(qū)圓明園西路2號(hào)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院(博2008)。E-mail:921992733@qq.com。

收稿日期:2015-11-27;改回日期:2016-02-25。責(zé)任編輯:閆立娟。

中圖分類號(hào):K928.43;P578.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.06