磁化強度對磁電一體活化水土壤水鹽運移特征的影響

王全九 李宗昱 張繼紅 解江博 韋 開 孫 燕

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國水資源短缺，提高灌溉用水效率是實現農業高效用水的重要任務。國內眾多學者從完善灌溉制度、改進灌排方式等方面開展了大量研究[1-2]，取得了良好效果。為了進一步提高灌溉水的生產能力，一些學者采用物理技術(磁化、去電子化)對淡水或微咸水進行處理，發現淡水或微咸水的表面張力、pH值、溶解氧濃度、接觸角等理化性質均發生了改變[3-9]，這些理化性質的改變可以提高灌溉水的利用效率，進一步應用在農業生產領域[10-11]。國內外大量研究表明，利用磁化水灌溉可以加快土壤水分入滲，促進土壤上層鹽分向下運移，提高鹽分淋洗效率，改善土壤及作物生長環境[12-20]。文獻[21-23]通過研究活化水在農業生產領域的應用發現，利用磁化和去電子化微咸水入滲可以增加上層土壤的保水能力，促進土壤水鹽運移，提高土壤脫鹽率，改善作物根系生長環境，并且磁化水的入滲特征和鹽分淋洗效率對不同的磁化強度有不同的響應，即隨著磁化強度的增加，磁化水活化性能先增加后減小，具有良好的二次函數關系。關于去電子水在農業灌溉領域的研究較少，一些研究表明，利用去電子水灌溉可以改善作物的生長環境，提高冬小麥的生長速率和產量[24]，并且對土壤的鹽分脅迫有一定的緩沖作用[25-26]。

綜上所述，通過磁化、去電子化可以改變水的物理性質，利用磁化水和去電子水進行灌溉，能夠促進土壤水分入滲、提高鹽分淋洗效率，增強上層土壤的保水能力。目前，活化水主要包括磁化水和去電子水[22]，關于磁化與去電子組合處理淡水或微咸水的研究尚未見報道，土壤水入滲特征及鹽分淋洗效率與磁電一體活化水的磁化強度之間的關系尚不清楚。因此，本文通過一維垂直土柱入滲試驗，定量分析不同磁化強度的磁電一體活化水對土壤水鹽運移特征的影響，并建立磁化強度與入滲模型參數之間的關系，為磁電一體活化方法在農業生產上的應用提供理論依據和指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用磁電一體灌溉水活化系統如圖1所示，該系統主要由水箱(100 L)、蠕動泵(YT600-1J型)、不同磁化強度的磁化器(包頭鑫達磁性材料廠)、去電子器(W600DELF型)組成，并通過直徑25 mm PVC管道連接而成。磁化強度設為0.1、0.2、0.4、0.8 T，并與去電子設備構成不同磁化強度的磁電活化系統。水箱中裝滿自來水，通過蠕動泵控制自來水以0.5 m/s的恒定流速流過裝有不同磁化器和去電子器的管道，水流切割磁感線，理化性質發生改變[7]，通過去電子器時，由一根電阻不超過5 Ω的接地導線將水中電子導入地下[7]，得到不同磁化強度的磁電一體活化水。

圖1 活化水制備系統示意圖Fig.1 Schematic of activated water preparation system1.水箱 2.進水管 3.止水閥 4.蠕動泵 5.磁化器 6.去電子器 7.出水管 8.接地導線 9.接地銅棒

入滲系統主要包括有機玻璃土柱和馬氏瓶。有機玻璃土柱內徑8 cm，高50 cm，外側貼有刻度紙，便于讀取濕潤鋒運移深度。馬氏瓶內徑8 cm，高50 cm，為入滲提供穩定的入滲水頭。試驗用土取自新疆維吾爾自治區庫爾勒地區，利用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)測定土壤的機械組成，確定試驗用土為砂壤土，土壤容重為1.63 g/cm3，初始含水率為0.01 cm3/cm3，飽和含水率為0.35 cm3/cm3，初始含鹽量為8.8 g/kg。

1.2 試驗方法與過程

試驗以未處理的自來水作為對照，自來水通過不同磁化強度(0.1、0.2、0.4、0.8 T)的磁電一體灌溉水活化系統進行處理，共計5種入滲用水，每種水的入滲試驗設置3次重復。將自來水和不同磁化強度的磁電一體活化水裝入馬氏瓶中，試驗土樣裝入土柱中，裝土高度45 cm，裝土時保證層與層之間的土樣充分接觸，并在土柱頂部放一張濾紙。調整馬氏瓶與土柱的位置，控制入滲水頭在1 cm左右。開始入滲試驗后，利用秒表計時并記錄馬氏瓶中水柱高度變化和濕潤鋒運移深度，到達入滲終點(濕潤鋒運移深度達到30 cm)時，停止計時，同時記錄此時馬氏瓶讀數，停止供水。入滲結束，拆卸有機玻璃土柱，提取濕潤體0、5、10、15、20、25、30 cm處的土樣，用于測量土樣的含水率和含鹽量。

1.3 入滲模型

利用Philip入滲模型分析不同磁化強度磁電一體活化水的入滲特征，進一步探究不同磁化強度對入滲模型參數的影響。

由于本試驗是短時入滲，Philip入滲模型[27]的累積入滲量的表達式為

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

S——吸濕率，cm/min0.5

t——入滲時間，min

2 結果與分析

2.1 磁化強度對磁電一體活化水入滲特征的影響

2.1.1對累積入滲量的影響

圖2(圖中CK表示對照， DM1、DM2、DM4、DM8分別表示磁化強度為0.1、0.2、0.4、0.8 T的磁電一體活化水，下同)為不同磁化強度磁電一體活化水入滲對土壤累積入滲量的影響。由圖2可知，對照和磁電一體活化水的累積入滲量均隨著入滲時間的增加而增加，在入滲時間到達20 min前，對照與磁電一體活化水入滲的累積入滲量相差不大。20 min后，磁電一體活化水的累積入滲量均大于對照，在入滲時間到達210 min時，DM1、DM2、DM4、DM8對應的累積入滲量較對照增加了18.05%、29.17%、33.33%、18.06%。這是因為磁化和去電子化處理均使自來水的理化性質發生了變化[3,7,28]，提高了自來水的入滲能力[8]，而將兩種活化技術結合之后自來水的理化特性同樣會發生改變，甚至這種改變效應可以疊加，使得磁電一體活化水入滲時可以進入到土壤更小的孔隙中，累積入滲量增加。同時發現，入滲時間相同時，磁電一體活化水入滲的累積入滲量隨著磁化強度的增加呈現先增加后減小的趨勢，其中磁化強度為0.4 T的磁電一體活化水的累積入滲量最大。這說明不同的磁化強度對磁電一體活化水入滲的累積入滲量有不同的影響，可能存在最佳磁化強度的磁電一體活化水。

圖2 不同磁化強度對累積入滲量的影響Fig.2 Effect of different magnetization intensities on cumulative infiltration

2.1.2對濕潤鋒運移的影響

圖3為不同磁化強度磁電一體活化水入滲對濕潤鋒運移的影響。從圖中可以看出，當入滲時間到達50 min后，與對照相比，濕潤鋒運移到相同深度時，磁電一體活化水入滲用時明顯小于對照，當達到入滲終點時(濕潤鋒運移深度達到30 cm)，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8用時減少了16.38%、21.25%、27.53%、19.86%。這是因為自來水經過磁化或者去電子化處理后表面張力、粘度減小[7,28]，可以加快自來水入滲，提高入滲速率，而將自來水經過磁化與去電子組合處理后，理化特性同樣會發生改變，故可以提高入滲速率。從試驗結果可以發現，磁電一體活化水到達入滲終點的時間隨著磁化強度的增加呈現先減小后增加的趨勢，當磁化強度為0.4 T時，入滲用時最短，與磁化強度對累積入滲量的影響結果一致，磁電一體活化水存在最佳磁化強度。

圖3 不同磁化強度對濕潤鋒運移深度的影響Fig.3 Effect of different magnetization intensities on wet front migration depth

2.2 磁化強度對磁電一體活化水入滲模型參數的影響

表1為利用Philip入滲模型(式(1))對入滲數據進行擬合獲得的吸濕率S。擬合決定系數均高于0.99，說明Philip模型的擬合結果較好。從表中可以發現，磁電一體活化水對應的吸濕率S均大于對照。

表1 磁電一體活化水對應的吸濕率Tab.1 Moisture absorption of magnetization-de-electronic activation water

表1中磁化強度H與吸濕率S之間的關系如圖4所示，并對磁化強度H與吸濕率S之間的關系進行擬合，擬合結果為

S=-0.854 4H2+0.749 1H+0.513 4

(2)

擬合決定系數R2=0.85。由圖4可知，吸濕率S隨著磁化強度H的增加先增加后減小，最大吸濕率對應的磁化強度在0.4 T附近，根據式(2)計算，當吸濕率S最大時，磁化強度為0.44 T。

圖4 磁化強度與吸濕率S的關系Fig.4 Relationship between magnetization intensity and moisture absorption rate S

2.3 磁化強度對磁電一體活化水入滲土壤水鹽分布的影響

2.3.1對土壤含水率分布的影響

圖5為不同磁化強度磁電一體活化水入滲對土壤含水率分布的影響。從圖中可以發現，土壤含水率隨著入滲土層深度的增加而減小。入滲過程中，由于表層土壤存在穩定的入滲水頭，長期處于過飽和狀態，含水率幾乎等于飽和含水率，故表層土壤的含水率差異不明顯。為了分析不同情況下土壤含水率分布差異，重點分析5 cm深度以下的土層土壤含水率。從圖中可以發現，相同土層深度磁電一體活化水對應的含水率均大于對照，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應的15 cm深度的土壤含水率增加了3.9%、6.5%、10.1%、4.9%，土壤含水率隨著磁化強度的增加呈現先增加后減小的趨勢，其中0.4 T磁電一體活化水對應的各層土壤含水率最大。

圖5 不同磁化強度對土壤含水率分布的影響Fig.5 Effect of different magnetization intensity on soil water content distribution

2.3.2對土壤鹽分分布的影響

圖6為不同磁化強度磁電一體活化水入滲對不同土層含鹽量分布的影響。從圖中可以發現，不同土層鹽分分布的趨勢基本一致，表層土壤的含鹽量基本接近于0，隨著入滲的進行，土層深度越深，土壤的含鹽量越高。圖中豎線表示供試土壤初始含鹽量，豎線左側為脫鹽區，豎線右側為積鹽區，脫鹽區與積鹽區的分界線大致在土層深度22 cm處。在土層深度為5～22 cm的脫鹽區，磁電一體活化水對應的同一深度土壤含鹽量均小于對照。分析15 cm處的土壤含鹽量，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應的土壤含鹽量減少了13.8%、6.6%、27.1%、19.7%，其中磁化強度0.4 T對應的土壤含鹽量最小。而在積鹽區同一土層土壤含鹽量與脫鹽區相反，磁電一體活化水對應的同一土層土壤含鹽量均大于對照，其中磁化強度0.4 T對應的土壤含鹽量最大。這是由于入滲過程中上層土壤的鹽分溶于水中，隨著入滲的進行將上層土壤的鹽分淋洗，使大量的鹽分聚集于積鹽區，而磁電一體活化水由于磁化和去電子化的作用，水的表面張力、粘度等理化特性發生了改變[3,7-8]，大的締合水分子集團變為小的締合水分子集團[29]，使得水分能夠進入土壤更小的孔隙中，淋洗的鹽分比對照更多，故在脫鹽區磁電一體活化水淋洗的鹽分越多，則在積鹽區積累的鹽分也越多。分析濕潤鋒處土壤含鹽量可以發現，不同處理水入滲在濕潤鋒的含鹽量差異明顯，與對照相比， DM1、DM2、DM4、DM8對應的濕潤鋒處的含鹽量增加了10.3%、8.1%、13.5%、4.7%，其中磁化強度為0.4 T時對應的濕潤鋒處的含鹽量最大，這與脫鹽區分析的結果一致。

圖6 不同磁化強度對土壤鹽分分布的影響Fig.6 Effect of different magnetization intensity on soil salt distribution

2.4 磁化強度對土壤滯留鹽分濃度的影響

為進一步闡明不同磁化強度磁電一體活化水對土壤水鹽運移的影響，分析不同磁化強度磁電一體活化水對應的土壤滯留鹽分濃度變化特征。土壤滯留鹽分濃度是指入滲結束后某層土壤的含鹽量與該層土壤含水率的比值，而整個濕潤體的含鹽量與總入滲量的比值定義為平均土壤鹽分濃度。圖7為不同入滲水對應的土壤滯留鹽分濃度(圖中豎線代表土壤初始鹽分濃度)。從圖中可以看出，豎線左側脫鹽區的土壤滯留鹽分濃度有明顯的差別，土層深度相同時，磁電一體活化水對應的滯留鹽分濃度均小于對照，分析10～15 cm深度處的土壤滯留鹽分濃度，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應的土壤滯留鹽分濃度減小了15.2%、11.9%、34.9%、26.1%，可以發現磁化強度對磁電一體活化水入滲的土壤滯留鹽分濃度有顯著的影響，磁化強度為0.4 T時對應的土壤滯留鹽分濃度最小。

圖7 不同磁化強度對土壤滯留鹽分濃度的影響Fig.7 Effect of different magnetization intensity on soil retained salt concentration

2.5 磁化強度對土壤鹽分淋洗效果的影響

圖8(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))為不同磁化強度下磁電一體活化水下的土壤脫鹽率。從圖中可以看出，不同磁電一體活化水對應的土壤脫鹽率均大于對照，并且隨著磁化強度的增加，磁電一體活化水對應的脫鹽率呈現先增加后減小的趨勢，磁化強度為0.4 T時磁電一體活化水對應的脫鹽率最高。與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應的土壤脫鹽率增加了8.2%、10.3%、18.5%、13.1%。

圖8 不同入滲水下的脫鹽率Fig.8 Desalting rate corresponding to different infiltration water

為了進一步分析磁化強度對磁電一體活化水淋洗鹽分效果的影響，定義脫鹽區某一土層中被淋洗的鹽分總量與通過該土層總水量的比值為鹽分淋洗效率，單位為g/L。表2為不同磁化強度磁電一體活化水對應的不同土層鹽分淋洗效率，0～5 cm深度土壤的鹽分淋洗效率差異不顯著(P>0.05)。這是因為不同磁化強度的磁電一體活化水通過表層土壤的總水量相差不大，致使表層土壤含水率均接近飽和，鹽分向下淋洗總量接近，鹽分淋洗效率接近甚至小于對照。與對照相比，不同磁化強度磁電一體活化水對應土層深度在5 cm以下的鹽分淋洗效率均增大。分析整個脫鹽區(0～20 cm)鹽分淋洗效率，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應的整體鹽分淋洗效率增加了4.2%、2.6%、4.7%、3.8%，0.4 T磁電一體活化水對應的鹽分淋洗效率最大。

2.6 磁電一體活化水在農業灌溉領域的實用價值及經濟效益分析

通過以上分析可以發現，磁電一體活化水可以顯著提高土壤水分入滲能力和鹽分淋洗效率，與對照相比，磁電一體活化水對應的累積入滲量增加了18.05%～33.3%，入滲用時減少了16.38%～27.53%，同一土層含水率增加了3.9%～10.1%，脫鹽區同一土層含鹽量減少了6.6%～27.1%，脫鹽區同一土層滯留鹽分濃度減少了11.9%～34.9%，脫鹽率增加了8.2%～18.5%，脫鹽區鹽分淋洗效率增加了2.6%～4.7%。與傳統灌溉水相比，利用磁電一體活化水壓鹽治理鹽堿土可以提高水的利用效率，達到節約用水的效果；利用磁電一體活化水灌溉，土壤含水率高，含鹽量低，可以為作物創造更適宜的根區土壤環境。磁電一體活化水制備方法簡單，成本較低，只需在灌溉水源處增設活化水制備設備，具有很強的實用價值和經濟效益，故磁電一體活化水在鹽堿地治理和農業灌溉領域有非常大的應用前景。

表2 鹽分淋洗效率Tab.2 Salt leaching efficiency g/L

3 結論

(1)磁電一體活化水可以促進土壤水分入滲，并且對磁化強度有不同的響應。與對照相比，磁電一體活化水的累積入滲量顯著增加，入滲用時顯著縮短，入滲時間相同時，累積入滲量隨著磁化強度的增加呈先增加后減小的趨勢，入滲結束用時隨著磁化強度的增加呈先減小后增加的趨勢，磁化強度為0.4 T時累積入滲量最大、入滲用時最短。

(2)磁電一體活化水對應的吸濕率S均大于對照，并且隨著磁化強度H的增加，吸濕率S呈現先增加后減小的趨勢。建立了吸濕率S與磁化強度H之間的擬合公式，得出磁化強度為0.44 T時的磁電一體活化水吸濕率最大。

(3)磁電一體活化水入滲可以提高土壤鹽分的淋洗效率，并且適當的磁化強度可以提高磁電一體活化水的利用效率。與對照相比，磁電一體活化水入滲對應的含水率增加，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度降低，脫鹽率與鹽分淋洗效率增大，且脫鹽率隨著磁化強度的增加呈現先增大后減小的規律。研究表明，磁化強度為0.4 T時，磁電一體活化水的含水率、脫鹽率、鹽分淋洗效率達到最大，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度最低。

(4)磁電一體活化水在農業領域有非常大的應用潛力。與傳統大水壓鹽治理鹽堿土相比，磁電一體活化水壓鹽可以提高水分利用效率，達到節約用水的效果，緩解我國淡水資源短缺的問題；與傳統灌溉水相比，磁電一體活化水灌溉的土壤含水率更高，根區土壤鹽分濃度更低，為作物創造更加良好的生長環境。磁電一體活化水的制備成本較低，方法簡單，具有良好的實用價值。