微咸水微潤灌溉下土壤水鹽運移特性研究

張珂萌 牛文全，2 汪有科，2 薛萬來 張子卓

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.北京市水科學技術研究院， 北京 100048)

微咸水微潤灌溉下土壤水鹽運移特性研究

張珂萌1牛文全1，2汪有科1，2薛萬來2，3張子卓1

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.北京市水科學技術研究院， 北京 100048)

為探明土壤水分和鹽分在利用微咸水進行微潤灌溉條件下的運移情況，采用室內土箱模擬試驗方式，設置2.0、2.5、3.0、3.5、5.0 g/L 5種不同礦化度處理，以蒸餾水處理作對照，共入滲72 h。結果表明：入滲結束時在不同方向上的最大運移距離隨礦化度增大呈先增大后減小趨勢，在3.0 g/L處理下達到最大值，且微咸水處理的濕潤鋒運移距離均大于蒸餾水處理；將累積入滲量代入Kostiakov入滲公式，入滲系數隨礦化度的增大呈先增大后減小趨勢，入滲指數不斷減小；土壤電導率以微潤帶為軸心向四周不斷增大，在濕潤鋒處達到最大值，脫鹽區與濕潤體形狀相關，呈圓環狀分布；入滲結束后土壤剖面平均含鹽量與蒸餾水處理之間無顯著性差異，脫鹽半徑隨礦化度的增大呈線性遞減趨勢；利用微潤灌進行灌溉，土壤鹽分存在表聚和底聚現象，且表層積鹽更為嚴重。

礦化度； 入滲； 水鹽分布； 微潤灌溉

引言

我國人均淡水資源不足且污染嚴重，農業用水利用效率低下[1]致使灌溉水資源日益短缺，而微咸水分布廣、儲量大[2]，已成為重要的灌溉水源[3]，在淡水十分緊缺的華北和西北地區有著廣闊的開發利用前景，如何合理利用微咸水進行農業灌溉對于緩解我國淡水資源緊缺具有重要意義。近年來，部分學者利用微咸水針對不同灌溉方式[4-8]、土壤質地以及作物[9-13]開展了大量研究，普遍認為：①微咸水灌溉對土壤結構的影響主要表現在土壤交換性鈉和土壤溶液電導率2個方面，提高土壤鹽分濃度有利于促進土壤顆粒的紊凝作用和團聚性、加強土壤穩定性、增加土壤中大孔隙、增強滲透性能；同時，Na+過量會造成土壤顆粒松散，降低土壤滲透能力[14-18]，利用微咸水灌溉存在礦化度臨界值。②利用微咸水灌溉產生輕微的鹽分脅迫可以在一定程度上提高小麥[9]、棉花[10-11]、甜瓜[12]等作物的產量和品質，但對番茄[13]沒有顯著影響，不同作物對鹽分的耐受性呈現差異，應將植物根區的鹽分控制在植物對鹽分的耐受范圍內，才不至造成減產。③滴灌、涌泉灌溉等間歇灌溉對土壤鹽分淋洗效果較漫灌、溝灌等一次灌溉淋洗效果明顯，鹽分在濕潤鋒處累積[19]，脫鹽區的形狀根據不同灌溉方式下濕潤區形狀呈現差異，如漫灌呈淺寬式、滴灌為寬窄式[20]；另有研究者對微咸水進行磁化處理，發現磁化處理后的微咸水可以有效增益鹽敏植物對鹽漬化土壤環境的適應性[21]。微潤灌溉屬于連續灌溉，通過地埋微潤管，減小地表蒸發并將水緩慢輸送到作物根區土壤[18]，形成近似圓柱體形[22-23]濕潤體以滿足植物需水。然而目前有關利用微咸水進行微潤灌溉時土壤中水-鹽運移過程、脫鹽區域的大小、鹽分累積位置等研究尚不足。本文通過室內土箱模擬試驗，分析不同礦化度微咸水微潤灌溉下土壤水-鹽運移特性、濕潤土壤脫鹽區域等，以期為微咸水微潤灌溉提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗用土取自陜西楊凌渭河三級階地農田塿土。取土深度為0～40 cm，將取得的土壤經風干、碾壓、過篩(孔徑2 mm)、均勻混合制成室內試驗土樣。試驗土壤的顆粒組成采用MS2000型激光分析粒度儀(英國馬爾文公司)測定，按國際制土壤質地三角形分類，粉粒(粒徑0.002～0.02 mm)質量分數在50%以上，粘粒(粒徑0～0.002 mm)質量分數低于15%，試驗所用土壤類型為粉質粘壤土。供試土壤的具體理化性質見表1。

表1 供試土樣的理化性質
Tab.1 Physical and chemical properties of soil

1.2 試驗水質

研究灌溉水水質對土壤入滲的影響主要有灌溉水礦化度和鈉吸附比(Sodium adsorption ratio,SAR)2個指標，NIKOS等[24]發現礦化度小于等于3 g/L條件下，可以認為入滲水的SAR對土壤鹽分分布無顯著影響，肖振華等[25]通過試驗初步提出了引起堿害的SAR臨界值為14(mmol/L)1/2，為避免堿害發生，本次試驗用水的SAR采用14(mmol/L)1/2。礦化水根據蒲城鹵陽湖地區地下微咸水鹽分組成特點，由NaHCO3、Na2SO4、MgSO4、MgCl2、CaCl2配制而成，各礦化度下基本離子濃度如表2所示。

1.3 試驗裝置

試驗裝置由土箱和供水裝置2部分組成。試驗土箱尺寸(長×寬×高)為120 cm×50 cm×50 cm，由厚度為10 mm有機玻璃制成。土箱兩側打有直徑為25 mm的對稱小孔(距土箱上沿250 mm側沿15 mm)為微潤帶穿過該土箱供水的進出口。供水裝置為馬氏瓶，提供恒定水頭，其橫截面積25 cm2，高70 cm。微潤帶為雙層結構，直徑25 mm，內層厚度0.06 mm，微孔直徑10～900 nm不等，外層為無紡布保護層以增加微潤帶強度。微潤帶長度與土箱長度均為120 cm，進口端連接供水系統，出口端封閉，試驗土箱與馬氏瓶利用橡皮軟管連接，土箱表面塑封，如圖1所示。

表2 試驗配置不同礦化度微咸水的基本離子濃度Tab.2 Ion content of water with different mineralization degrees mol/L

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental equipment1.馬氏瓶 2.輸水軟管 3.可移動支架 4.微潤帶 5.試驗土箱

1.4 試驗方法及測定內容

試驗共設定5種礦化度，分別為2.0、2.5、3.0、3.5、5.0 g/L作微咸水處理，以蒸餾水(0 g/L)處理作為對照。本次試驗設置微潤帶埋深為15 cm[22]，壓力水頭設置為180 cm。將試驗土樣(容重1.35 g/cm3，風干含水率2.9%)裝入土箱，層間打毛，以便于充分接觸，表面用塑料膜覆蓋，防止土壤水分蒸發。試驗過程中記錄不同時刻馬氏瓶的水位線。微潤帶充水埋入土后，立即開始用秒表記錄灌水時間，按照先密后疏的原則，入滲72 h后停止供水，用1 cm土鉆取樣，取樣點位置沿管帶的水平和垂直方向同時進行，間距為5 cm。

用干燥法測定土壤含水率，將測定完含水率的土壤按照土水質量比1∶5進行浸提，使用哈納多參數分析儀Hi-4522型(意大利)測定土壤浸提液電導率。試驗結束后，累積入滲量根據馬氏瓶刻度和橫截面積計算，平均入滲率為單位時間內累積入滲量。

各處理重復3次，分析數據時取平均值，采用SPSS 17.0對試驗數據進行雙尾-t檢驗和Duncan多重比較分析，用Excel進行圖形繪制。

2 試驗結果分析

2.1 微咸水對土壤入滲特征的影響

2.1.1 微咸水對土壤濕潤鋒運移距離的影響

圖2是連續入滲0.5、30、72 h時，土壤濕潤鋒在水平、垂直向上和垂直向下3個方向的運移距離隨入滲水礦化度增加的變化趨勢。圖2a表明灌水初期(0.5 h)不同礦化度下的微咸水在水平方向的運移距離大于其他2個方向，濕潤鋒運移距離在3個方向上基本隨入滲水礦化度的增加而呈先增大后減小的趨勢；圖2b、2c表明灌水中期(30 h)和灌水后期(72 h)礦化度為3.0 g/L處理的濕潤鋒運移距離在不同運移方向上均大于2.5 g/L和3.5 g/L，達到最大，說明在相同的土壤質地、容重、初始含水率和入滲時間下利用微咸水進行微潤灌溉時濕潤鋒運移距離的最大值處于3.0 g/L附近，本次試驗中3.0 g/L處理的濕潤鋒運移距離在試驗結束時為最大值；入滲72 h末3.0 g/L處理在垂直向下方向的濕潤鋒運移距離較蒸餾水處理隨灌水增加的百分比分別為50%、30%和25%，微咸水在連續灌溉下的濕潤鋒運移距離的增加程度逐漸降低。

圖2 入滲0.5、30、72 h時濕潤鋒運移距離與礦化度之間的變化曲線Fig.2 Changing curves of maximum wetting front with different mineralization degrees of saline water in different time

表3為入滲72 h后不同礦化度濕潤鋒運移距離。垂直向下、向上和水平方向上不同礦化度濕潤鋒運移距離的標準差分別為1.50、1.51和1.07，對樣本均值雙尾-t檢驗，P≤0.05，垂直向下和向上方向的決定系數R2為0.825，垂直向上和水平方向的決定系數R2為0.946，垂直向下和水平方向的決定系數R2為0.875，表明當礦化度相同時，濕潤鋒在不同方向上的運移距離差異較小，礦化度對不同方向運移距離的影響不顯著，利用微潤灌進行微咸水灌溉的濕潤體近似圓形；不同礦化度對濕潤鋒運移距離影響的顯著性分析結果表明0、3.5、5.0 g/L之間的差異不顯著，2.0、2.5、3.5 g/L之間的差異不顯著，但3.0 g/L礦化度條件下濕潤鋒運移距離顯著高于其他處理，并在表層出現一定的積水，積水深小于1 cm。

表3 入滲72 h濕潤鋒運移距離Tab.3 Transport distance of wetting front under different salinities in different directions after 72 h cm

注：同列數值后不同字母表示差異顯著，P<0.05，下同。

2.1.2 微咸水對土壤入滲參數的影響

土壤入滲參數是反映入滲條件下入滲速率的重要參數，受土壤質地、結構、容重等因素的影響。對于同一土壤，入滲水礦化度也影響土壤的入滲性能，進而影響其入滲參數。

Kostiakov經驗入滲公式能很好地描述微咸水的土壤入滲特征[26-27]，即土壤累積入滲量與入滲時間的關系，擬合決定系數R2在0.99 以上。Kostiakov經驗入滲公式為

I=kta

(1)

式中I——累積入滲量,cmt——入滲時間，hk——入滲系數a——入滲指數

由表4可以得到，入滲系數k隨礦化度的增加呈先增加后減小趨勢，并在3.0 g/L處達到最大值，且微咸水處理的k值均大于蒸餾水處理，灌溉水的礦化度對入滲系數k具有顯著影響。入滲指數a隨著礦化度的增大呈先減小后在5.0 g/L時與蒸餾水處理相近。利用微咸水灌溉時，存在一個礦化度的臨界值，隨礦化度的增大，k值逐漸增大，a值逐漸減小，但超過該臨界值時，隨著礦化度的繼續增大k值呈遞減趨勢，本次試驗驗證該值在微潤灌條件下位于3.0 g/L附近，表中a值在5.0 g/L時增大，說明當微咸水礦化度增加到5.0 g/L時不再促進微潤灌溉條件下微咸水的入滲。

表4 礦化度對Kostiakov 入滲參數的影響
Tab.4 Effect of mineralization of saline water on infiltration parameters of Kostiakov model

礦化度/(g·L-1)kaR202.086a0.850a0.9992.03.162b0.801b0.9972.54.162c0.791c0.9993.05.546d0.775d0.9983.53.391e0.773d0.9945.02.748f0.834e0.999

2.2 微咸水入滲對土壤脫鹽區的影響

入滲72 h后，沿微潤管垂直方向上取樣測土壤電導率，當不同深度實測電導率低于初始電導率時稱為脫鹽，脫鹽區域邊沿與微潤管的距離為脫鹽半徑。圖3為灌溉水礦化度與脫鹽半徑的關系。

圖3 礦化度與脫鹽半徑的關系Fig.3 Relationship between salinity and radius of desalination in soil

從圖3可以看出，微潤灌脫鹽半徑隨礦化度的增加呈線性遞減趨勢，蒸餾水處理的脫鹽半徑最大，但礦化度2.5 g/L與3.0 g/L處理的差異較小，而礦化度3.0 g/L與3.5 g/L的差異較大，分析其原因是處理3.0 g/L和處理3.5 g/L之間含鹽量差異并不大，但3.0 g/L的入滲量遠大于3.5 g/L，鹽隨水運移而造成3.0 g/L處理的脫鹽半徑大于3.5 g/L。從脫鹽半徑的變化趨勢分析，礦化度為3.0 g/L是一個拐點，當礦化度小于3.0 g/L時，濕潤體脫鹽占優，反之則積鹽占優。

2.3 微咸水入滲對土壤剖面鹽分積累的影響

土壤電導率與土壤含鹽量之間存在正相關關系，可用電導率反映土壤含鹽量的變化情況[26]。圖4是距離微潤管帶水平方向5 cm處，垂直方向上不同礦化度條件下入滲72 h時土壤電導率的變化。

圖4 不同礦化度下土壤電導率隨土壤深度的變化Fig.4 Changes of soil EC value with soil depth for different mineralization degrees of saline water

由圖4可知，微潤灌土壤電導率分布以微潤帶(埋深15 cm處)為軸心向四周逐漸增大，在濕潤鋒處達到最大值。微潤帶以上部分(0～15 cm)，相同深度的濕潤土壤電導率隨著灌溉水礦化度的增大而增大；微潤帶以下部分(15～30 cm)，總體與上部相似，相同深度濕潤土壤電導率隨著灌溉水礦化度的增大而增大，但3.0 g/L處理下的電導率變化曲線與2.5 g/L處理出現交叉，3.0 g/L處理的脫鹽區域略大于2.5 g/L處理，在2.5～3.0 g/L之間即使增加灌溉水的礦化度也不會造成進一步積鹽。不同礦化度(0～5.0 g/L)濕潤鋒垂直向下與表層運移距離分別為26.8、28.82、29.93、31.94、28.47、27.65 cm，對照圖4垂直向下土壤電導率隨礦化度變化情況發現濕潤土壤中的電導率隨微咸水的入滲向濕潤鋒附近增大，即鹽分隨入滲向濕潤鋒處累積，垂直向上的變化情況與之一致，微咸水微潤灌鹽分分布與濕潤體形狀。圖中分界線267 μS/cm為土壤初始電導率，不同深度濕潤土壤的電導率大于土壤初始電導率視為積鹽，隨灌溉水礦化度的增加表層積鹽深度也隨之增加并分布在距表層11.9 cm內，底部同時存在積鹽且蒸餾水處理較其他微咸水處理輕微，微潤灌溉鹽分隨水上移和底層遷移同時存在，但淺層土壤更易積鹽。

由圖5試驗結束時不同礦化度下水平距離微潤帶5 cm處土壤剖面平均電導率分布，可進一步分析礦化度對土壤剖面電導率的影響。由圖5可知，蒸餾水處理的平均電導率低于土壤初始電導率，具有一定的洗鹽作用，而利用微咸水灌溉則不同程度地增加了土壤的含鹽量。單因素方差分析得到不同礦化度條件下土壤電導率變化不顯著(P=0.149)，在礦化度小于等于5.0 g/L且距表層25 cm內土壤中的平均電導率受礦化度影響有升高的趨勢，但之間的差異不顯著，說明利用微咸水進行灌溉礦化度在2.0～5.0 g/L以內對土壤總含鹽量的影響差異不大，但在微潤灌溉入滲的方式下不同深度土層鹽分分布存在一定的差異(表5)。

表5為不同深度土層5個礦化度的平均電導率。可看出不同深度土層之間的電導率有顯著性差異(P≤0.05)，5 cm處平均電導率最大，與其他各土層差異顯著，其次是25 cm處，而15 cm和20 cm差異不顯著，20 cm和10 cm差異不顯著。隨微咸水的入滲，鹽分隨水分以埋管15 cm處為中心呈對稱分布，在5 cm和25 cm處積鹽較為嚴重，10～20 cm內的電導率均小于初始電導率(表1，267 μS/cm)，說明位于濕潤體內鹽分降低，得到淋洗；鹽分在濕潤鋒處積累最為嚴重，產生鹽分表層和深層雙聚的現象，且鹽分的表聚程度大于底層聚集情況。

圖5 礦化度對土壤剖面平均電導率的影響Fig.5 Effects of different mineralization degrees on averaged EC value in soil profile

土層深度/cm510152025平均電導率/(μS·cm-1)335.00a259.00c222.08d244.44cd298.90b

3 討論

(1)微潤灌條件下，入滲水礦化度對入滲及濕潤鋒運移距離的影響

濕潤鋒運移距離、入滲系數k通常受土壤質地[28]、灌溉水水質[29]、初始含水率[14]、供水壓力[26]等的影響；而入滲指數a主要與土壤的機械組成、結構、供水強度和初始含水率等因素有關，當土壤結構改變，孔隙度增大，導水性增強時濕潤峰運移距離和k值就會增大[30]，土壤骨架發生一定的變形，使得入滲界面的土壤結構密實，入滲指數則減小[25]。微咸水的水鹽運移特征主要是由入滲水的礦化度和土壤中Na+濃度共同決定的[25,31]，在礦化度小于等于3.0 g/L時，礦化度占主要作用，能夠增強土壤的凝絮作用[14]，增加土壤的有效孔隙，改善導水性能，故k值和濕潤鋒運移距離隨礦化度的增大而增大；當礦化度繼續增加到大于3.0 g/L時，Na+濃度由表2中的0.644 7 mol/L增加到1.074 5 mol/L，土壤結構主要由Na+作用，使得土壤團粒結構分散膨脹，連通性孔隙變小和阻塞[26]，降低導水性能，土壤更加密實，此時k值和濕潤鋒運移距離會逐漸減小，a值減小。表4中蒸餾水處理和5.0 g/L處理a值相近，說明當礦化度升高到5.0 g/L時，土壤結構發生較大改變[32]，發生崩解等現象造成土壤松動致使a值升高。

(2)微潤灌溉條件下，入滲水礦化度對濕潤體含鹽量及脫鹽半徑的影響

微咸水本身含有一定的鹽分，利用微咸水灌溉必然會給土壤帶來額外的鹽分積累，鹽分在土壤中的分布狀況對植物生長有極重要的影響[33]。土壤鹽分的表聚現象在地表灌溉方式下主要受土壤表面蒸發和植物根系作用[10]，而在微潤灌溉方式下濕潤土壤中鹽分隨水分入滲以微潤帶為圓心向四周擴散，與濕潤體形狀相關，呈圓環狀分布[34]，故加劇了鹽分的表聚。

4 結論

(1)微潤灌溉條件下，微咸水入滲結束時的土壤濕潤鋒運移距離、入滲系數k值隨礦化度的增大先增大再減小，入滲指數a值逐漸減小，灌溉水礦化度存在臨界值3.0 g/L使濕潤鋒運移距離和k值達到最大。

(2)利用微潤灌進行灌溉時，土壤鹽分分布存在向表層和土壤深層聚積現象，且表層更易積鹽。

(3)微咸水微潤灌溉土壤鹽分以微潤帶為中心對稱分布且逐漸增大，并在濕潤鋒處達到最大值；微咸水灌溉增加土壤的含鹽量，且同一土層深度土壤含鹽量隨礦化度的增大而增大，土壤平均含鹽量在不同礦化度處理之間無顯著性差異，微咸水入滲對不同土層鹽分分布影響顯著；脫鹽半徑與灌溉水礦化度呈線性負相關關系；脫鹽區圍繞微潤帶分布，積鹽區在濕潤鋒附近，濕潤體外側，呈圓環狀分布。

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Characteristics of Water and Salt Movement in Soil under Moistube-irrigation with Brackish Water

ZHANG Kemeng1NIU Wenquan1,2WANG Youke1,2XUE Wanlai2,3ZHANG Zizhuo1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China
3.BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute,Beijing100048,China)

In order to explore the movement characteristics of water and salt in soil under moistube-irrgation with brackish water, an indoor soil box simulation experiment was conducted under five different mineralization degree treatments with distilled water as control in 72 h. The results showed that with the rise of mineralization degree, the maximum migration distance presented a trend of first increase and then decrease in different directions and reached the highest when the degree of mineralization was 3.0 g/L. And the distances of wetted front under treatments of brackish water were all greater than that of distilled water. Then the cumulative infiltration was substituted into the Kostiakov infiltration equation and the infiltration coefficient showed a trend of rise first and then fall with the increase of mineralization degree, while infiltration index continued to decline. The soil conductivity was increased constantly to all around with the moistube-irrgation zone as axis and reached the peak at the wet front. The desalting area was related to the shape of the wetted body and distributed in circular shape. There was no significant difference in the average salt content of soil profile between brackish and distilled water after infiltration. The desalination radius was decreased linearly with the increase of mineralization degree. Both surface and bottom convergence phenomenon existed and the salification in soil surface was more serious under moistube-irrgation.

mineralization degree; infiltration; distributions of water and salt; moistube-irrigation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.023

2016-07-05

2016-10-28

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAC01B03)和陜北水蝕區植被功能調控技術與示范項目(2015BAC01B03)

張珂萌(1989—)，女，博士生，主要從事水土資源高效利用研究，E-mail： zkmsummerfool@163.com

汪有科(1956—)，男，研究員，博士生導師，主要從事作物高效用水和水土保持研究，E-mail： gjzwyk@vip.sina.com

S152.7

A

1000-1298(2017)01-0175-08