0 引言

土体盐渍土化会使农业耕地、牧场草地功能退化，致使整体环境逐渐恶化，不适宜人类生存。从地质演化的角度看，土体盐渍化是一种缓变的地质灾害。其引起的主要环境地质问题有草地退化、荒漠化、盐渍化逐渐加重，生态环境严重恶化，自然灾害发生频繁等，这些都给当地人民生产、生活带来了极大危害。

吉林省的盐渍土对我国东北部地区的生态环境和经济发展带来了不良影响^[1-4]，为了减缓草原、土地退化，改善生态系统，吉林省启动了嫩江下游与第二松花江下游的引水工程来淋洗盐渍化区域的土地^[5]，以达到农用耕地、草原与湿地环境恢复之目的，提高土地的可利用率^[6]。但是，吉林西部季冻区人为淋洗作用引起的土体湿度场、温度场、地下水力梯度等多场变化导致近地表土体的物质组成与微观结构特征发生变异^[7-8]，引发不同程度的冻胀与再度盐渍化等复杂工程地质问题。因此，进行充分考虑水(hydro)、热(thermal)、盐(salt)变化背景条件下的土体结构(microstructure)变异性研究——HTSM多场耦合环境系统演化研究^[9-11]，从成分结构变异的角度改良苏打盐渍土体、减缓农牧交错带土地荒漠化进程、提高土地复垦率和恢复草原湿地功能，可为建筑物稳定性评价提供指导，为改善寒旱季冻区盐渍土基础工程建设的质量提供帮助。

吉林西部农牧交错带的盐渍土因受恶劣气候变化和过度放牧的影响，使昔日的皇家草场湿地减少，进而引发了干涸→草场退化→盐渍化→荒漠化的缓慢变形地质灾害。盐渍化结果直接导致粮食绝收、牧场消失、沙漠扩展、沙进人退^[12]。此外，吉林西部季冻土地区也出现了盐渍化引发的高速公路、高铁沉陷变形，道路翻浆，堤坝边坡失稳和输电线杆上拔等现象，盐渍土的腐蚀性还使得混凝土构(建)筑物寿命缩短，严重影响工程质量，导致环境工程地质问题严重恶化^[13]。

吉林省西部地区的盐渍土同时为分散土^[14]，由于该土体中盐分的作用，处于地表的土体毛细水上升速度极慢，加之松嫩平原旱季时间远大于雨季，土体中的盐分随着水分的蒸发作用在地表产生大量的聚积。冻结作用下温度势导致的结合水分迁移率也很高，土体随着环境的变化而产生不同程度不同类型的水分运移现象；水分的迁移同时伴随着盐分的运移，从而引发研究区不同程度的盐渍化和土体的分散特性。同时，由于水盐迁移的动态影响，土体结构产生了相应的变异。因此，本文拟研究盐渍土在水-热-盐-结构多场耦合地质环境系统作用下土体工程地质性质演化及结构的变异特性。

1 研究区冻土冻结状况

根据吉林省西部地区盐渍化程度的不同和三大灌区(图 1)位置的不同，自2003年至今，笔者选择了吉林省西部地区的白城(以镇赉为主)、大安、乾安、农安4个观测站(图 1)，每年春(4—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)季分别在不同观测点对季冻土进行了长期观测；其中，镇赉、农安土样分别采集于3个地点，乾安土样采集于2个地点，大安土样采集于同一地点，地点编号用Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ表示。通过观测，结合省气象台的相关资料可知：一般情况下，吉林西部气温最低点出现在1—2月，最低温度可达-35 ℃左右，月平均气温为-20 ℃左右；地温负温区位于土层以下0~100 cm，最低值出现在1—2月，其值受当地气温影响较大，最大负值段为-10~-7 ℃。

在冻结温度观测过程中，研究区土层的冻深^[15]、温度变化较为明显。如对农安观测站土体进行长期观测可知：地表温度基本上在1—2月为最低，3 4月，地表及地下较浅范围(≤50 cm)的温度有一个明显的上升趋势，至4月中旬，地表温度已远远超过0 ℃，但地下100~150 cm温度多数仍在0 ℃以下(图 2)；最大冻深出现在3—4月，最大冻深范围为160~175 cm(图 3)。

2 研究区苏打盐渍土物理化学性质

调查发现，研究区苏打盐渍土^[16]的形成既受地质背景影响，也受到地表不同盖层类型、物质组成等因素的影响，同时在纵横方向上存在明显的分带特性，导致苏打盐渍土演化的局部环境差异，也导致盐渍化的时效过程出现差异。由于研究区聚冰层厚度约为170 cm，盐渍土在外界环境不断改变的条件下，内部湿度梯度场、温度梯度场、溶质浓度梯度化学场、压力梯度场及电场梯度之间相互作用、相互关联和影响，各种物理或物理化学过程引起水分发生迁移，从而形成一个复杂的水动力耦合体系。图 4所示为研究区盐渍土纵向上具有明显的分层特点。

2.1 土体中易溶盐的变化趋势

地层剖面自上而下，地表易溶盐质量分数最大。埋深0~10 cm的土体含水量较低，土体为致密坚硬状态，呈干燥灰白色，易溶盐质量分数除夏季有少量波动外，其他季节均为高值。

埋深10~40 cm的土体具有分散性，是分散性土。主要为粉质或含砂黏土，通常由灰褐色土体组成，也有灰白色等夹层分布其中。该深度范围土体易溶盐质量分数随季节变化波动较大，研究区一般为不同易溶盐质量分数的盐渍土、碱土层，以Na⁺盐的含量为最高，部分地区也含有SO₄^2-盐、HCO₃^-盐和Cl^-盐：冬季，在土体的冻结过程中结合水产生迁移，从而使该范围内土体在冬季产生盐分积累；到春季时，由于干旱多风，土体主要以蒸发为主，盐分进一步积累；随着雨季的到来，受到雨水的影响，主要以渗透淋滤为主，易溶盐质量分数有逐渐减少的趋势；秋季干旱少雨，随着蒸发作用，土体盐分又产生积聚现象。因此，10~40 cm范围内，水盐运移并不是传统意义上由毛细作用引起的，而是受到蒸发、淋滤等综合作用的影响。

埋深40~100 cm的土体主要为粉质黏土，部分为粉质轻黏土，由灰褐色易溶盐质量分数较低的盐渍土、碱土层构成。由于该深度范围土体的易溶盐质量分数较低，其毛细作用较为明显。土体中盐分的主要来源是春、秋季节下部土体中毛细水上升及冬季结构水迁移聚积下部土体中的盐分；加之夏季淋滤富积了上部土体盐分，基本上维持了结合水向上迁移，下部土体毛细水一并向上运移；还存在一定量的淋滤作用，三项作用基本上维持了一种动态平衡。因此，该范围土体易溶盐质量分数波动较小。

埋深100~180 cm的土体受季节淋滤和蒸发的影响程度较低。由于研究区冻结深度一般为170~175 cm，该深度范围土体属于高低温状态，土中结合水在冻结状态下迁移量较大，因此该深度范围土体易溶盐质量分数较低，但同时其毛细作用也较为明显；两种作用基本上维持动态平衡，易溶盐质量分数较为稳定。

各观测站土体易溶盐质量分数随深度变化如图 5所示。一般情况下，土体易溶盐质量分数在土体剖面上随深度增大整体呈现降低趋势，其中在浅表层范围内多会出现较为明显的拐点，且随着深度出现震荡现象。随着深度不断增大，曲线震荡减弱，逐渐趋于稳定。

2.2 土体pH值的变化趋势

研究区土体处于碱性环境中，pH值均大于7。近地表范围土体pH值受季节影响较为显著(图 6)，主要表现为：1) 夏季土体整体表现为淋滤作用为主，土体pH值随埋深增加而升高，如镇赉Ⅰ2008-07(图 6a)、大安2014-06(图 6b)、农安Ⅰ2013-06(图 6d)等曲线所示；当降雨较少时，土体内蒸发作用明显，土体pH值随埋深增加而降低，乾安Ⅰ2012-06(图 6c)。2) 春秋两季土体pH值受到蒸发-淋滤共同作用影响，其具体作用方式取决于当年降雨强度及蒸发强度。当降雨强度很大时，土体整体表现为淋滤作用为主，土体剖面pH值随着深度增大而呈现增大趋势，如镇赉Ⅰ2009-05(图 6a)、大安2014-11曲线(图 6b)、乾安Ⅱ2014-04(图 6c)、农安Ⅰ2013-10、2014-10(图 6d)；当蒸发强度很大、降雨较弱时，整体表现为蒸发作用为主，土体剖面pH值随着深度增大而呈现减小趋势，如大安2009-11曲线(图 6b)。3) 近地表范围以下的土体，其pH值随着深度增大变化较小，逐渐趋于平稳。

2.3 土体阳离子交换总容量的变化趋势

研究区土体阳离子交换容量的变化主要受到土体物质组成的影响，同时季节的变化也对阳离子交换容量影响较大。研究区土体阳离子交换容量低值段为1.00~8.00 mmol/hg，高值段为16.00~25.00 mmol/hg。每一个监测点在不同季节的监测结果基本相同，阳离子交换量基本上随着埋深呈现先增大后波动减小的趋势(图 7)。如图 7a所示，镇赉Ⅰ2009-05曲线拐点出现在20 cm处，镇赉Ⅰ2008-07曲线拐点出现在30 cm处；因此，由于季节变化的影响，曲线拐点略有差异，但是均在20~30 cm之间波动。

3 研究区苏打盐渍土物质组成 3.1 含水率

研究区各观测点含水率均较低，天然含水率为2.0%~32.0%，变化趋势如图 8所示。近地表含水率较低，土体呈硬塑或者坚硬状态，I_p(塑性指数)值为6~17，个别土体大于17。从图 8可以看出，研究区各地地表土体含水率变化幅度较大，这主要是由于受蒸发或者降雨的作用造成的。

3.2 有机质

研究区土体有机质质量分数均较低(图 9)：镇赉地区最高为0.97%；大安地区最低，一般为0.09%~0.94%；乾安地区最高值可达1.26%；农安地区有机质达到最高值，可达1.57%。土体有机质质量分数在北部区域低于南部区域(由北到南依次为镇赉、大安、乾安和农安)；由于干旱的作用，接近地表动、植物活动引发的残骸形成腐殖质含量也较少，有机质质量分数随埋深增大而呈现降低趋势。由于农安观测站采集土样的地点是耕地，因此农安观测站变化规律不是特别明显。

3.3 粒度

研究区埋深200 cm以内为均质土层，基本上为粉质黏土，乾安地区见少量粉土，农安地区下部土层见少量黏土。研究区内土体粉粒与黏粒随深度变化基本上较为稳定，表现出在蒸发和冻结时水分的迁移主要影响了水中离子浓度的改变，而黏粒产生的变化即产生运移的量十分少。

如图 10所示，大安地区土体黏粒质量分数在30.00%以上，镇赉、乾安两区则相对较低。在春秋干旱季节，土中的水分的运移同样也受到蒸发和淋滤的共同作用。当降雨强度大时，土体以淋滤为主，土体内水分运动的过程中会携带少量细小颗粒(主要为黏粒)随之向下运移；同时，土体渗透性受到了有机质的影响，当有机质含量较大时，土体渗透性相应降低，细小颗粒在运移过程中会受到阻碍。例如镇赉Ⅰ2009-05曲线，土体在0~20 cm范围内，黏粒质量分数表现为增大现象，同时由于有机质质量分数高，黏粒向下运移深度受到限制，在20~100 cm趋于稳定；又如大安地区在淋滤作用下，表层至60 cm范围内黏粒质量分数随深度呈现增大趋势，这是由于大安地区土体有机质质量分数相对较低，因此土体渗透性受到的影响小，细小颗粒(主要为黏粒)随淋滤作用向下运移。而当降雨强度较小时，土体以蒸发为主时，土体内黏粒质量分数随着深度增大会呈现降低趋势。例如，乾安地区土体在2014年春季，表层到50 cm范围内，土体黏粒质量分数表现为随深度增大而降低，但降低程度较小；这是由于在土体内有机质的作用下，土体渗透性较低，细小颗粒运移较为困难。

此外，在土体深度剖面范围内，土体内粉粒质量分数基本上表现出与黏粒持质量分数曲线对称相反(镜像)的趋势。例如，图 10d中的农安Ⅰ2014-07黏粒与农安Ⅰ2014-07粉粒，镜像关系明显。夏季多雨，土体中的细小颗粒在雨水淋滤作用下，随着水分不断向下运移，剖面上黏粒质量分数随着深度增大而整体呈现增加趋势。

3.4 矿物成分

由图 11可见，研究区各观测点土体次生矿物的质量分数为5%~30%，质量分数总体上表现出随深度的增加而增加的趋势。

研究区位于寒冷地区，土体矿物成分中原生矿物质量分数较高，其中质量分数最高的是石英；次生矿物主要以黏土矿物为主，以伊利石质量分数最高，同时存在大量伊蒙混层矿物、少量高岭石，以及大量微晶和它形黏土矿物。

由于土体矿物成分中存在一定量的黏粒，且含有大量结晶程度较差的黏土矿物，因此，土体具有很强的亲水性。同时，在强烈的冻融循环的综合作用下，土体中结合水产生了不同程度的迁移，其水分迁移量为3.5%~4.6%，导致土体中产生大量的结合水，也会产生较高含量的未冻水。因此，土体产生大量的水分迁移，从而引发较高程度的盐渍化。

4 结论

1) 研究区土体在0~40 cm范围内毛细现象不明显，盐渍化的成因是春秋季两季干燥多风，土体中水分和易溶盐主要由于蒸发作用而产生运移，以及冬季土体冰结作用而产生的结合水分运移。研究区0~40 cm范围内盐渍土盐分聚集的过程并不是毛细现象起了决定性作用，而是因为吉林西部盐渍土同时也是分散土，基本上没有毛细现象的发生。

2) 研究区冬季寒冷而漫长，吉林西部年最低温度可达-35 ℃左右，且冻结持续时间达半年以上。因此，在强烈的冻融循环的综合作用下，土体中结合水产生了不同程度的迁移，其水分迁移量为3.5%~4.6%。

3) 长期观测数据表明，研究区土体在纵横方向上存在明显的分带特性，如在纵向上，30~40 cm以上的浅表层主要为粉质或含砂黏土，以下深度主要为粉质黏土，部分有粉质轻黏土。大安地区土体黏粒质量分数在30%以上，镇赉、乾安两区则相对较低；易溶盐中，阳离子主要为Na⁺，阴离子主要为SO₄^2-、HCO₃^-和Cl^-。

4) 研究区土体基本上属于碳酸型盐渍土。由研究区长期监测剖面可知，易溶盐质量分数总体随深度增加而降低，并且在剖面上的分布明显受到季节影响，旱季土体由于较强的蒸发作用引起盐分随水分向上运移，浅表土体盐分大量集聚。