磁化微咸水礦化度對土壤水鹽運(yùn)移的影響

王全九 許紫月 單魚洋 張繼紅

(1．西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安710048; 2．中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100)

磁化微咸水礦化度對土壤水鹽運(yùn)移的影響

王全九1，2許紫月1單魚洋1張繼紅1

(1．西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安710048; 2．中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100)

采用300mT磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定磁水器對不同礦化度微咸水(0.14、2、3、4、5 g/L)進(jìn)行磁化處理，并進(jìn)行一維垂直土柱入滲試驗(yàn)，研究磁化微咸水礦化度對土壤水鹽運(yùn)移的影響。結(jié)果表明:微咸水磁化處理后，土壤入滲速率及濕潤鋒遷移速率顯著降低，濕潤體含水率顯著提高;微咸水礦化度對磁化效果具有顯著影響，磁化微咸水礦化度為3 g/L時，相同入滲時間累積入滲量和濕潤鋒深度相對減少量最大，濕潤體含水率相對增加量最多。磁化微咸水入滲對Philip和Green-Ampt入滲公式參數(shù)有顯著影響，相同礦化度的磁化微咸水土壤吸滲率S、飽和導(dǎo)水率Ks及濕潤鋒處吸力hf均小于未磁化微咸水;磁化與未磁化微咸水相對吸滲率ΔS及相對飽和導(dǎo)水率ΔKs與礦化度之間均呈現(xiàn)較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，在礦化度為3 g/L時，相對吸滲率ΔS及相對飽和導(dǎo)水率ΔKs均達(dá)到最大。磁化微咸水能夠提高土壤持水能力，相同土層深度的土壤含水率顯著增加;微咸水磁化處理后，脫鹽率顯著提高，土層深度0～20 cm磁化微咸水脫鹽率均大于未磁化微咸水，礦化度為3 g/L的磁化微咸水磁化脫鹽強(qiáng)度最大，相對脫鹽效果更好。

磁化微咸水;礦化度;入滲特性;水鹽分布

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷增加，淡水資源匱乏已成為世界性的問題，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境都構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［1］。科學(xué)合理的開發(fā)利用微咸水資源，對于緩解淡水資源短缺、擴(kuò)大農(nóng)業(yè)水源、抗旱增產(chǎn)有著極其重要的作用。然而，微咸水灌溉容易引起土壤次生鹽堿化，使耕層的土壤含鹽量或土壤溶液濃度超過作物的耐鹽度，從而影響作物生長和產(chǎn)量［2－3］。因此，對微咸水的處理及科學(xué)利用，防治土壤次生鹽堿化，保持土地資源的可持續(xù)發(fā)展，成為微咸水開發(fā)利用的核心問題［4］。

磁化水處理技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對磁化水理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了深入研究，也取得了一定的進(jìn)展［5－6］。大量研究表明，經(jīng)過磁化處理水的理化特性發(fā)生顯著改變，磁化處理后水的溶解氧明顯增加，表面張力系數(shù)顯著減小，pH值和電導(dǎo)率變化較?。?］;通過研究不同條件下磁化處理對于去離子水的物理性能的影響，OTSUKA等［8］發(fā)現(xiàn)真空狀態(tài)下磁化后的去離子水物理性能沒有明顯改變，但在空氣中相同磁處理的去離子水的振動模式和電解勢發(fā)生顯著變化，并用接觸角定量地評價了磁化處理對水的影響程度;和勁松等［9］研究表明隨著磁化時間的增加，液態(tài)水締合構(gòu)造增強(qiáng)，黏度與17O-NMR半峰寬增加，并提出綜合評價指標(biāo)對磁化水的締合構(gòu)造能力進(jìn)行量化表征。灌溉水理化特性的改變必然會對作物生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響，微咸水磁化處理后能夠明顯增加棉花株高，干物質(zhì)積累，提高棉花產(chǎn)量，二次磁化效果更好［10］;磁化水灌溉對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也有重要影響［11］，磁化水灌溉能使水稻的有效穗數(shù)增加4.0%～7.9%，結(jié)實(shí)率增加3.9% ～8.7%，產(chǎn)量增加5.2% ～9.3%。王淥等［12］研究了磁化水灌溉對冬棗生長及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明磁化水灌溉能夠提高冬棗葉片和果實(shí)的營養(yǎng)成分含量，延長果實(shí)儲存時間;劉秀梅等［13］通過盆栽試驗(yàn)對歐美楊 I-107進(jìn)行磁化微咸水灌溉，研究發(fā)現(xiàn)磁化咸水處理后鹽敏感植物對鹽堿化生境的適應(yīng)性有所提高。同時，磁化水灌溉對于減輕土壤鹽分脅迫，提高土地可持續(xù)利用也具有重要意義，磁化水灌溉能有效促進(jìn)土壤中陽離子和陰離子的淋洗，提高灌溉質(zhì)量［14－15］;張瑞喜等［16］通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)和田間小區(qū)滴灌相結(jié)合的方法，研究了不同磁場強(qiáng)度灌溉水處理(0、100、300、500mT)對土壤淋鹽作用的影響，結(jié)果表明300mT磁處理水灌溉有利于將更多的鹽分淋洗出土體，并指出了磁化微咸水最佳磁化強(qiáng)度為300mT。

然而，磁化微咸水入滲對土壤水鹽的運(yùn)移影響及其對入滲公式相關(guān)參數(shù)的影響仍需深入分析。本文采用300mT磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定磁場對不同礦化度微咸水進(jìn)行磁化處理，并基于一維垂直土柱入滲試驗(yàn)，比較不同礦化度的磁化微咸水和未磁化微咸水入滲特征和土壤水鹽分布特征，分析磁化微咸水礦化度對土壤入滲公式參數(shù)的影響，進(jìn)而明確磁化微咸水礦化度對土壤水鹽的運(yùn)移影響，以期為合理利用磁化微咸水灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣取自新疆巴州水利管理局試驗(yàn)站試驗(yàn)田(86°10'N、41°35'E，海拔高度904.32m)，采集表層0～20 cm土樣，土壤容重為1.46 g/cm3。土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾壓，去除雜物后過2 mm篩后進(jìn)行各種指標(biāo)的測定。采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)進(jìn)行機(jī)械組成測定。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)分別為3.65%、18.25%、78.10%，屬于砂壤土。土壤初始體積含水率與土壤飽和體積含水率分別為0.061、0.477 cm3/cm3，土壤初始含鹽量為3.78 g/kg，pH值為8.6。

試驗(yàn)所用的微咸水由氯化鈉試劑(含量大于等于99.5%，分析純AR)和自來水配置而成，自來水礦化度為 0.14 g/L，pH值為 7.2，其 Cl－、Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量分別為0.5、96.4、74.5、23.1、12.0mg/L。設(shè)置5個礦化度處理，分別為0.14、2、3、4、5 g/L，在試驗(yàn)前對不同礦化度微咸水進(jìn)行磁化處理備用。磁化器采用CHQ型外置磁感應(yīng)強(qiáng)度為300mT永磁磁水器(包頭鑫達(dá)磁性材料廠)，有效磁場面積為80mm×100 mm，永磁體采用燒結(jié)汝鐵硼制成，磁場強(qiáng)度經(jīng)GSG型高斯計(jì)(長春市長城教學(xué)儀器有限公司)校對，確定為300 mT。磁化水裝置由小水箱、水泵、300 mT永磁磁水器以及輸水管道等組成，磁化處理將一定體積的微咸水置于小水箱中，利用水泵在封閉的管路中循環(huán)，如圖1所示。循環(huán)管路的一段被置于磁化器兩磁極之間(磁場強(qiáng)度300mT)，并垂直于磁場切割磁感線。管路為PVC管(橫截面積為4.91 cm2)，調(diào)整流速為0.5 m/s，經(jīng)過磁場的管路長度為10 cm。水流被磁場循環(huán)磁化處理，磁化時間為3min。

圖1 磁化微咸水裝置示意圖Fig．1 Device schematic diagram ofmagnetized brackish water

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年10月25日在西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地進(jìn)行，采用一維垂直土柱入滲系統(tǒng)開展不同礦化度(0.14、2、3、4、5 g/L)的磁化微咸水(M)和未經(jīng)磁化微咸水(CK)入滲試驗(yàn)，共計(jì)10個處理，磁化和未磁化處理各5個，每個處理重復(fù)2次，共計(jì)20個試驗(yàn)土柱。為了保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性，在正式試驗(yàn)之前的預(yù)備試驗(yàn)中，對礦化度2 g/L進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)，分析結(jié)果表明，重復(fù)試驗(yàn)誤差較小，表明試驗(yàn)整個操作過程基本可以保持一致性。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)土柱、供水設(shè)備，試驗(yàn)土柱采用5 mm厚的有機(jī)玻璃材料制成，內(nèi)徑5 cm，高45 cm(土層厚40 cm)，土柱外側(cè)貼有2條刻度紙，便于濕潤鋒讀數(shù)。供水設(shè)備為馬氏瓶，其橫截面積為19.63 cm2，高為50 cm，用于提供穩(wěn)定水頭。將土樣按容重1.46 g/cm3分8層(每層5 cm)裝入土柱中，并在層與層之間打毛。裝土完畢后，在土體頂部放置一張濾紙，防止入滲時對土面的沖濺。將裝好的土柱水平放置在試驗(yàn)臺上，5個土柱為一組，20個土柱試驗(yàn)分4組完成。試驗(yàn)過程中控制水頭高度為1 cm，按照先密后疏的原則分別記錄各處理的入滲時間、濕潤鋒進(jìn)程和馬氏瓶水位的變化。入滲至距土柱頂部27 cm(入滲深度約為整個土柱長度的2/3)處立即停止供水，并迅速吸干上層積水，入滲結(jié)束后分層取樣，取樣深度為3、5、10、15、20、25、27 cm。質(zhì)量含水率采用烘干法((105±2)℃)測定，質(zhì)量含水率乘以容重得到體積含水率。將所提取的土樣經(jīng)過干燥、研磨后按土水質(zhì)量比1∶5浸提，利用實(shí)驗(yàn)室DDS-307型電導(dǎo)儀測定浸提液的電導(dǎo)率，通過轉(zhuǎn)化獲得土壤含鹽量。

1.3 入滲公式

為了分析磁化微咸水入滲對現(xiàn)有入滲公式相關(guān)參數(shù)的影響，本文采用具有物理基礎(chǔ)的Philip入滲公式和Green-Ampt入滲公式分析磁化微咸水的入滲特性［17－18］。

PHILIP［19］基于積水入滲試驗(yàn)，對土壤水分運(yùn)動基本方程求冪級數(shù)解，從而獲得了Philip入滲公式，短歷時入滲公式為

式中 I——累積入滲量，cm

S——土壤吸滲率，cm/min0.5

t——入滲時間，min

GREEN等［20］通過對土壤水分運(yùn)動特征和土壤含水率分布的分析和概化，假定土壤濕潤鋒面是水平的，在濕潤鋒面存在一個固定不變的吸力，濕潤鋒面以上的土壤處于飽和狀態(tài)，提出Green-Ampt入滲公式

式中 i——入滲率，cm/min

Ks——土壤表征飽和導(dǎo)水率，cm/min

H——土壤表面積水深度，cm

hf——濕潤鋒面吸力，cm

Zf——概化濕潤鋒深度，cm

入滲時間較短且土壤表面積水深度較少時，積水深度所形成的壓力勢對土壤水分運(yùn)動不會造成較大影響，因此積水深度所形成的壓力勢可以忽略不計(jì)，則式(2)簡化為

濕潤鋒面以上的土壤處于飽和狀態(tài)，則

式中 θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θi——土壤初始含水率，cm3/cm3

為了分析磁化微咸水對土壤入滲的影響，引入毛管理論，從理論上分析微咸水磁化處理對Philip和Green-Ampt入滲公式參數(shù)的影響。根據(jù)WANG等［21］的毛管束模型，土壤飽和導(dǎo)水率可表示為

式中 Kh——與飽和度有關(guān)的毛管導(dǎo)水率，cm/min

θr——土壤滯留含水率，cm3/cm3

Sr——土壤有效飽和度

m——與土壤孔隙連接性有關(guān)的參數(shù)

n——Brooks-Corey模型形狀系數(shù)，與土壤孔隙特性有關(guān)

σ——表面張力系數(shù)，kg/min2

ρ——水的密度，kg/cm3

μ——水動力粘滯系數(shù)，kg/(cm·min)

g——重力加速度，kg/(cm2·min2)

hd——土壤進(jìn)氣吸力，cm

根據(jù)毛細(xì)管理論［22］，土壤水分的能量狀態(tài)與表面張力的關(guān)系可表示為

式中 h——最大毛細(xì)管上升高度，cm

R——當(dāng)量孔隙直徑，cm

對于短歷時入滲，Philip入滲公式吸滲率S可以根據(jù)Green-Ampt入滲公式飽和導(dǎo)水率Ks及概化濕潤鋒吸力hf推求，即

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化微咸水累積入滲量變化特征

圖2 磁化與未磁化微咸水累積入滲量變化特征Fig．2 Cumulative infiltration variation characteristics ofmagnetized and non-magnetized brackish water

圖2為不同礦化度磁化與未磁化微咸水累積入滲量隨入滲時間的變化?？紤]到土柱填充對累積入滲量變化過程可能帶來的隨機(jī)誤差，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，以明確相同礦化度下磁化處理對累積入滲量的影響。由圖2可知，累積入滲量隨入滲時間的增加而逐漸增加。相同礦化度下，磁化與未磁化微咸水累積入滲量差異性極為顯著(P＜0.01)，不同礦化度微咸水、磁化與不磁化處理在入滲時間相同時，累積入滲量也具有顯著差異。入滲時間240min時，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化與未磁化微咸水的累積入滲量分別為 7.70、8.77、9.12、8.40、8.07 cm 和 7.10、7.70、7.98、7.48、7.28 cm，入滲時間相同時，磁化與未磁化微咸水累積入滲量均隨微咸水礦化度先增大后減小，入滲水礦化度為3 g/L時土壤累積入滲量最大，入滲速率最大，這與吳忠東等［23］得出的當(dāng)微咸水礦化度小于3 g/L時，土壤入滲率與入滲水礦化度呈正相關(guān)，當(dāng)?shù)V化度為3 g/L時入滲率達(dá)到最大，之后隨著入滲水礦化度的升高，土壤入滲率反而減小的試驗(yàn)結(jié)果相一致。微咸水磁化處理后，土壤入滲速率有所降低，不同礦化度下的降低幅度不同，入滲時間240min時，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水累積入滲量相對于未磁化微咸水分別降低了7.85%、12.19%、12.56%、10.89%、9.79%;淡水經(jīng)磁化處理后，土壤入滲速率有所降低。微咸水礦化度為3 g/L時，累積入滲量降低幅度最大。這可能是由于淡水經(jīng)磁化處理后，水的理化性質(zhì)發(fā)生顯著改變，表面張力減小［7］，從而導(dǎo)致磁化水在土壤介質(zhì)中的運(yùn)動速率降低;微咸水礦化度在3 g/L時，土壤入滲速率最大，礦化度和Na+含量共同決定了微咸水的入滲特性［23］，然而隨著微咸水礦化度的增加，水中順磁性物質(zhì)數(shù)量增加，水的磁性增加［24］，磁場對水的磁化作用加強(qiáng)，表面張力減小，使得微咸水的入滲速率相對降低，磁化微咸水礦化度為3 g/L時，相同入滲時間累積入滲量降低幅度最大。

2.2 磁化微咸水對濕潤鋒運(yùn)移的影響

圖3為不同礦化度磁化與未磁化微咸水濕潤鋒隨入滲時間的變化。考慮到土柱填充對濕潤鋒運(yùn)移變化過程可能帶來的隨機(jī)誤差，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，以明確相同礦化度下磁化處理對濕潤鋒運(yùn)移的影響。由圖3可知，濕潤鋒運(yùn)移深度隨入滲時間的增加而逐漸增加，變化規(guī)律與累積入滲量一致。相同礦化度下，磁化與未磁化處理達(dá)到相同濕潤鋒深度所需要的時間差異性極為顯著(P＜0.01)，不同礦化度磁化微咸水入滲時間相同時濕潤鋒推進(jìn)距離也具有顯著差異。入滲結(jié)束時，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水入滲時間分別增加了33.99%、65.33%、 91.65%、75.65%、61.99%。這表明磁化微咸水表面張力的減小不同程度地降低了磁化微咸水濕潤鋒的推進(jìn)速度［7］。入滲結(jié)束時，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化與未磁化微咸水濕潤體平均含水率分別為 0.372、0.363、0.339、0.331、0.330 cm3/cm3和0.400、0.410、0.410、0.390、0.379 cm3/cm3，磁化微咸水濕潤體平均含水率相對于未磁化微咸水分別增加了2.48、4.69、7.11、5.98、4.89個百分點(diǎn)。這是由于磁化微咸水水分子間距離增大，造成部分氫鍵變?nèi)跎踔翑嗔眩勾蟮木喓蠎B(tài)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)分散成自由單體和二聚體分子［25］，更多的水分進(jìn)入土壤小孔隙，水分流通路徑相對延長，濕潤鋒向下層土壤的推進(jìn)速度降低，更多的水分滯留在土壤小孔隙中，從而提高了土壤含水率。

圖3 磁化與未磁化微咸水濕潤鋒運(yùn)移變化特征Fig．3 Variation characteristics ofwetting front transport ofmagnetized and non-magnetized brackish water

2.3 磁化微咸水對土壤入滲公式參數(shù)的影響

利用Philip和Green-Ampt入滲公式對實(shí)測入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。Philip和Green-Ampt入滲公式擬合效果均較好，決定系數(shù)均能達(dá)到0.96以上。對于Philip公式，磁化微咸水吸滲率S隨礦化度的增加先增大后減小，且均小于同一礦化度未磁化微咸水吸滲率;對于Green-Ampt公式，隨著礦化度的增加，磁化微咸水飽和導(dǎo)水率Ks先增大后減小，濕潤鋒處的吸力hf則呈現(xiàn)相反的趨勢，先減小后增大，同一礦化度下磁化微咸水飽和導(dǎo)水率Ks和濕潤鋒處的吸力hf均小于未磁化微咸水。

大量研究表明，水經(jīng)過磁化處理后，氫鍵斷裂，分子間作用力減弱，水的表面張力減?。?，22－23］。如土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特性不變條件下，入滲水表面張力的減小是導(dǎo)致土壤入滲速率降低的重要原因。當(dāng)入滲水表面張力減小時，由式(5)～(7)可知，Green-Ampt入滲公式參數(shù)飽和導(dǎo)水率Ks減小，土壤最大毛細(xì)管上升高度h降低，從而導(dǎo)致濕潤鋒吸力hf減小，Philip入滲公式吸滲率S也隨之減小。這一結(jié)論定性地解釋了磁化水入滲后，Philip入滲公式吸滲率S、Green-Ampt入滲公式參數(shù)飽和導(dǎo)水率Ks和概化濕潤鋒吸力hf減小的原因。

進(jìn)一步分析磁化微咸水礦化度對 Philip和Green-Ampt公式參數(shù)的影響程度，首先確定未磁化微咸水吸滲率S及飽和導(dǎo)水率Ks與礦化度C之間的關(guān)系，如圖4所示。S及Ks隨C的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)微咸水礦化度為3 g/L時，S及Ks均取得最大值。

表1 入滲公式參數(shù)擬合結(jié)果Tab．1 Fitting result of parameters of infiltration formulas

圖4 微咸水礦化度對吸滲率和飽和導(dǎo)水率的影響Fig．4 Effects of salinity of brackish water on sorptivity and saturated hydraulic conductivity

為反映磁化微咸水礦化度對土壤吸滲率和飽和導(dǎo)水率的影響程度，將同一礦化度下磁化與未磁化微咸水吸滲率之差與未磁化微咸水吸滲率的比值定義為相對吸滲率，用ΔS表示;將磁化水飽和導(dǎo)水率與未磁化水飽和導(dǎo)水率之差與未磁化微咸水飽和導(dǎo)水率的比值定義為相對飽和導(dǎo)水率，用ΔKs表示。圖5為磁化微咸水相對吸滲率ΔS及相對飽和導(dǎo)水率ΔKs隨礦化度C之間的變化。由圖5可知，ΔS及ΔKs隨C均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，采用二項(xiàng)式分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果顯示，兩者與礦化度之間均呈現(xiàn)較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系。

圖5 磁化微咸水礦化度對相對吸滲率和相對飽和導(dǎo)水率的影響Fig．5 Effects of salinity ofmagnetized brackish water on relative sorptivity and relative saturated hydraulic conductivity

隨著入滲水礦化度的升高，離子數(shù)量增加，微咸水磁化效果顯著增加，磁化水對于土壤吸滲率和飽和導(dǎo)水率的影響也顯著增大，相對吸滲率和相對飽和導(dǎo)水率均在礦化度為3 g/L時達(dá)到峰值;當(dāng)?shù)V化度大于3 g/L時，磁化效果逐漸降低，說明磁化效果與水體的離子含量有關(guān)，300mT磁化處理對高礦化度的微咸水具有一定局限性，可考慮對礦化度大于3 g/L的灌溉水進(jìn)行多次磁化或增大磁場強(qiáng)度處理，增加微咸水磁化效果。

利用式(7)對比分析磁化微咸水入滲條件下Philip公式和Green-Ampt公式參數(shù)間互相轉(zhuǎn)換的關(guān)系，結(jié)果見表2。2個入滲公式參數(shù)中S和Kshf均隨C的增加先增大后減小，且在3 g/L時達(dá)到最大值，與2個入滲公式的擬合值規(guī)律一致。但S的計(jì)算值均顯著大于擬合值，Kshf的計(jì)算值均明顯小于擬合值。說明磁化微咸水入滲條件下，通過式(7)進(jìn)行Philip公式和Green-Ampt公式參數(shù)互推具有一定誤差。這是由于微咸水磁化處理一方面改變了微咸水理化性質(zhì)，進(jìn)而改變了微咸水的土壤中的流動特性;另一方面磁化微咸水鹽分離子與土壤膠體相互作用，影響了土壤結(jié)構(gòu)，致使入滲公式參數(shù)變化顯著，從而降低了Philip公式和Green-Ampt公式參數(shù)互相推求的精度。

表2 磁化微咸水入滲條件下2個入滲公式參數(shù)的擬合值和計(jì)算值Tab．2 Fitted and calculated values of two infiltration formulas parameters for magnetized brackish water infiltration

2.4 磁化微咸水對土壤含水率分布的影響

圖6為不同礦化度磁化與未磁化微咸水在入滲結(jié)束后土壤剖面含水率。由圖6可知，入滲結(jié)束后不同礦化度磁化與未磁化微咸水表層土壤含水率差異顯著;25 cm深度處，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水土壤含水率分別增加了18.40%、28.34%、59.12%、40.32%、27.44%。這是由于微咸水經(jīng)過磁化處理后，較大的締合態(tài)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)分散成自由單體和二聚體分子［25］，水分子便于濕潤和通過小孔隙運(yùn)移。因此，在相同的土層深度，磁化微咸水入滲土壤具有較高的土壤含水率。由此可見，磁化微咸水入滲能夠增加土壤的持水能力，使較多的水分儲存在作物根系上層，有利于作物根系對水分的吸收。

圖6 磁化與未磁化微咸水土壤剖面含水率分布特征Fig．6 Distribution characteristics ofmagnetized and non-magnetized brackish water infiltration

2.5 磁化微咸水對土壤含鹽量分布的影響

圖7 磁化與未磁化微咸水土壤剖面鹽分分布特征Fig．7 Distribution characteristic of salt content in soil profile formagnetized and non-magnetized brackish water infiltration

以0.14 g/L的淡水和3 g/L的微咸水為例，不同土層土壤含鹽量分布情況如圖7所示。土壤剖面含鹽量隨入滲水礦化度的增大而增大，土壤鹽分隨土壤水分由上至下遷移，并在濕潤鋒附近累積，造成了上層脫鹽、下層積鹽的現(xiàn)象。土層深度0～20 cm相同礦化度下的磁化微咸水的土壤含鹽量均小于未磁化微咸水，說明磁化微咸水能夠有效地淋洗土壤中的鹽分。土層深度大于20 cm時，相同礦化度下磁化微咸水的土壤含鹽量均開始大于未磁化微咸水，在27 cm處積鹽效果有明顯差異。為比較分析不同礦化度磁化微咸水入滲對土壤含鹽量分布的影響，將一定土層深度初始含鹽量與入滲后鹽分總量的差值與初始含鹽量的比值定義為脫鹽率;將相同礦化度磁化與未磁化微咸水脫鹽率的差值與未磁化微咸水脫鹽率比值定義為磁化脫鹽強(qiáng)度。不同礦化度磁化與未磁化微咸水0～20 cm土層脫鹽率見表3。由表3可知，淡水脫鹽率最佳，隨著礦化度的增大，土壤脫鹽率顯著降低，這是因?yàn)槲⑾趟霛B本身帶有一定鹽分，提高了土壤含鹽量，造成鹽分積累。相同礦化度下的磁化微咸水脫鹽率均大于未磁化微咸水，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水的磁化脫鹽強(qiáng)度分別為 17.1%、23.0%、40.9%、21.2%、27.3%，礦化度為3 g/L時，磁化脫鹽強(qiáng)度最大，相對鹽分淋洗效果最佳。由此可見，磁化微咸水處理能夠提高土壤鹽分淋洗效果，提高微咸水利用率。

表3 磁化與未磁化微咸水灌溉對0～20 cm土層脫鹽率的影響Tab．3 Effects ofmagnetized and non-magnetized brackish water irrigation on desalting efficiency in 0～20 cm soil layers %

3 結(jié)論

(1)微咸水磁化處理后，土壤水分入滲速率及濕潤鋒運(yùn)移速率顯著降低，濕潤體含水率顯著提高;微咸水礦化度對磁化效果具有顯著影響，磁化微咸水礦化度為3 g/L時，相同入滲時間累積入滲量和濕潤鋒深度相對減少量最大，濕潤體含水率相對增加量最多。入滲時間240 min時，累積入滲量相對減少了12.56%，達(dá)到相同濕潤鋒所用入滲時間相對增加了91.65%，濕潤體含水率相對增加了7.11%。

(2)磁化微咸水處理對Philip和Green-Ampt入滲公式參數(shù)影響顯著，相同礦化度的磁化微咸水土壤吸滲率S、飽和導(dǎo)水率Ks及濕潤鋒處吸力hf均小于未磁化微咸水;S及Ks隨礦化度C的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;磁化與未磁化微咸水相對吸滲率ΔS及相對飽和導(dǎo)水率ΔKs與礦化度之間均呈現(xiàn)較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，在礦化度為3 g/L時，相對吸滲率ΔS及相對飽和導(dǎo)水率ΔKs均達(dá)到最大。

(3)磁化微咸水入滲能增加土壤持水能力，相同土層深度的土壤體積含水率顯著增加，25 cm土層深度，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水土壤含水率分別增加了18.40%、28.34%、59.12%、40.32%、27.44%;微咸水磁化處理后，脫鹽率顯著提高，土層深度0～20 cm相同礦化度下的磁化微咸水脫鹽率均大于未磁化微咸水，礦化度0.14、2、3、4、5 g/L磁化微咸水的磁化脫鹽強(qiáng)度分別為 17.1%、23.0%、40.9%、21.2%、27.3%;礦化度為3 g/L時，磁化脫鹽強(qiáng)度最大，相對鹽分淋洗效果最佳。

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Effect of Salinity of Magnetized Brackish Water on Salt and Water Movement

WANG Quanjiu1，2XU Ziyue1SHAN Yuyang1ZHANG Jihong1
(1．State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China 2．State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry ofWater Resources，Yangling，Shaanxi712100，China)

The physical and chemical properties ofmagnetized brackish water changed significantly，so irrigation with such water is likely to influence the characteristics of soil water and saltmovement．The constantmagnetic water device with magnetization intensity of 300 mT was used to magnetize brackish water with different salinities(0.14 g/L，2 g/L，3 g/L，4 g/L and 5 g/L)，and one-dimension vertical water infiltration experimentwas conducted to reveal the effects of salinity ofmagnetized brackish water on water and saltmovement in soil．Results showed that the soil infiltration rate and wetting frontmigration rate were decreased significantly with irrigation by magnetized brackish water，whereas the moisture content of the wetted zone was increased significantly．The salinity of brackish water had significant impact on themagnetic effect．When the salinity of brackish water was 3 g/L，the relative reductions of cumulative infiltration and wetting front depth reached themaximum，and the relative increase ofmoisture content of wetted zone reached themaximum at the same infiltration time．Magnetized brackish water had significant impact on the parameters of Philip and Green-Ampt formulas．The soil sorptivity S，the saturated hydraulic conductivity Ksand thewetting front suction ofmagnetized brackish waterwere all less than those of the non-magnetized brackish water．There was significantly quadratic polynomial relationship among the relative sorptivityΔS，the relative saturated hydraulic conductivityΔKsand the salinity of brackish water．When the salinity of brackish water was 3 g/L，the relative sorptivityΔS and the relative saturated hydraulic conductivityΔKsreached the peak value．Moreover，magnetized brackishwater could enhance soil water retention capacity，thus the soil moisture content was increased significantly in the same soil depth．Magnetized brackish water could improve the desalination efficiency．In the soil depth of 0～20 cm，the desalination efficiency of brackish water was greater than that of the non-magnetized brackish water，and when salinity of brackish water was 3 g/L，the magnetic salinity intensity was the strongest，and the relative desalination effect turned out to be better．

magnetized brackish water;mineralization degree;infiltration characteristics;water and salt distribution

S121;S156.4

A

1000-1298(2017)07-0198-09

2017-03-29

2017-05-17

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(5167090151)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0501405-4)

王全九(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤物理與養(yǎng)分運(yùn)移研究，E-mail:wquanjiu@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．025