鹽基離子對土壤持水及收縮特性的影響

李青峰，邢旭光，馬孝義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

土壤持水性能評價對制定合理的農(nóng)田灌溉制度具有指導(dǎo)意義，土壤持水與保水能力可以通過土壤孔隙大小和分布特征進行判定，然而土壤的持水性、土壤水分有效性以及孔隙分布特性均可以通過土壤水分特征曲線進行評價[1-2]。許多學(xué)者對土壤水分特征曲線擬合[3-5]及其影響因素[6-8]進行了研究，同時也有較多研究基于土壤水分特征曲線對土壤持水能力以及土壤水分有效性進行評價[9-13]，縱觀有關(guān)土壤水分特征曲線的研究成果，較多針對添加物條件或是將非鹽堿土作為研究對象，而對鹽堿土壤持水性能的研究仍較少，關(guān)于不同鹽分離子對其影響效果的評價則更是鮮有報道。明晰不同鹽離子對土壤持水性能的影響，將有利于對不同類型鹽堿地制定合理洗鹽方式。

土壤水分特征曲線一般是通過離心機測得，然而隨著離心機預(yù)設(shè)吸力和平衡時間逐漸增加，土體發(fā)生失水，并伴隨沉降，容重逐漸增大，最終導(dǎo)致土體表面出現(xiàn)裂縫。土壤干縮開裂問題對于農(nóng)田和作物均具有較強的破壞作用，土壤裂縫在很大程度上可導(dǎo)致水分與養(yǎng)分流失，造成灌溉效率降低和水環(huán)境污染，同時又可能破壞作物根系，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[14-15]。目前有關(guān)土壤裂縫的研究多是集中于土壤總鹽的影響[16-18]，或是單獨將土壤干縮開裂作為研究對象[14,19]，這在一定程度上忽略了不同鹽離子各自產(chǎn)生的效應(yīng)，且較少研究將土壤失水和土體收縮相結(jié)合，即土壤脫水過程中的土體收縮變化特征。土體收縮變化與吸力、含水率和容重變化具有同步性，故在土壤發(fā)生失水時，對其土壤水分特征曲線和土壤收縮特征同時展開研究具有實際意義；對不同鹽離子導(dǎo)致的土壤裂縫進行評價，可為進一步認識鹽堿土的干縮開裂機理和農(nóng)田灌溉提供指導(dǎo)。

將土壤失水與土壤收縮相結(jié)合，在已有研究基礎(chǔ)上，探索4種陽性及陰性鹽離子對土壤持水及收縮特性的作用效果，以期更好的為不同鹽堿土壤的持水性評價奠定基礎(chǔ)，同時為土壤失水過程中的干縮開裂研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗土壤取自灌溉試驗站小麥—玉米輪作試驗田，采集深度為30 cm農(nóng)田耕作層；供試土壤經(jīng)風(fēng)干且過2 mm篩后，采用激光粒度儀測定土壤顆粒組成，粒徑介于0～0.002 mm、0.002～0.02 mm和0.02～2 mm的顆粒含量分別為17.28%、44.32%和38.40%，由國際制質(zhì)地三角形可知土壤類型為粉黏壤土。

根據(jù)田間實測土壤容重(1.38～1.40 g·cm-3)將裝填干容重設(shè)置為1.40 g·cm-3，均勻裝入環(huán)刀(100 cm3)內(nèi)；用蒸餾水分別與氯化鉀、氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、碳酸氫鈉、碳酸鈉和硫酸鈉粉末/晶體配置成鹽溶液(濃度均約為1 g·L-1)。試驗開始前，分別采用各鹽溶液對土樣進行飽和處理48 h，并以蒸餾水浸泡為對照(CK)；試驗結(jié)束后，采用干燥法測定土壤含水率；各處理均4次重復(fù)。

1.2 試驗測定方法

1.2.1 土壤持水曲線測定 采用離心機法測定飽和環(huán)刀樣品的土壤水分特征曲線，高速恒溫冷凍離心機(CR21G II型)內(nèi)恒溫4℃；測定吸力為10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000 cm和7 000 cm，各吸力達到平衡時間后，用電子天平稱取土樣質(zhì)量進而計算土壤含水率。采用van Genuchten模型(式1)對供試土樣進行持水曲線擬合，進而基于土壤水分特征曲線對比分析各鹽離子對土壤持水能力的影響。

(1)

式中，θ為體積含水率，cm3·cm-3；θs為飽和體積含水率，cm3·cm-3；θr為殘余體積含水率，cm3·cm-3；s為吸力，cm；α為進氣吸力的倒數(shù)(即α=1/sa)；m和n為形狀系數(shù)。

1.2.2 土體收縮特性測定 離心過程中環(huán)刀內(nèi)土體產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，并以垂向收縮為主；每達到平衡時間時，用游標(biāo)卡尺量取各轉(zhuǎn)速下環(huán)刀內(nèi)土體的軸向沉降高度進而計算土體收縮量，采用線縮率(式2)描述土體在各吸力時的收縮度，采用軸向收縮應(yīng)變(式3)表征離心結(jié)束時土體的最終收縮形變量；同時測定各吸力下的土體容重，進而對離心過程中的土壤容重進行校正。

δsl=zi/H×100%

(2)

δs=Δh/H×100%

(3)

式中，δsl為土體線縮率，%；δs為土體軸向收縮應(yīng)變，%；zi為各吸力對應(yīng)的土壤收縮度，mm；H為土樣初始高度，mm；Δh為土壤脫水始末狀態(tài)高度差，mm。

1.2.3 土體開裂特征測定 在試驗結(jié)束后用數(shù)碼相機(Canon IXUS 950IS，分辨率3264×2448)拍攝獲取各處理環(huán)刀樣品截面圖像，將相機置于固定支架以保證拍攝高度相同，且拍攝時遮擋外界光源、關(guān)閉閃光燈，僅用日光燈照明，從而使得各處理土壤裂縫圖像具有一致性；而后編寫Matlab程序進一步對圖像中的裂隙參數(shù)進行提取。

在原有的數(shù)字圖像中，裂隙區(qū)域圖像較無裂隙區(qū)域的色彩更黑且純度更高，鑒于飽和度分量圖可以更明顯地展現(xiàn)土壤裂隙，因此，將原有的RGB圖像進行HSI轉(zhuǎn)換，提取飽和度分量圖并采用全局閾值法得到土壤裂縫的二值化圖。在此基礎(chǔ)上，為了盡量保留原始的短小裂縫，利用膨脹腐蝕方法對短小裂縫進行適當(dāng)連接，并去除該圖像中的孤立單點或雜點。最后根據(jù)處理后的土壤裂縫二值化圖像提取裂縫總長度和裂縫面積參數(shù)，并進一步計算獲取裂縫長度密度和裂縫面積密度參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽基離子對土壤水分特征曲線的影響

土壤含水率隨著吸力增加呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，從圖1(a)可以看出，在脫水過程中陽離子處理土壤含水率在較低吸力段(h=0～1 000 cm)和較高吸力段(h=1 000～7 000 cm)分別平均減小了約39.25%和18.96%；陽離子處理的土壤水分特征曲線與CK處理呈現(xiàn)平行狀，可見各處理土壤比水容量差異較小，土壤孔隙結(jié)構(gòu)差異不大。圖1(a)顯示，在h=0～7 000 cm內(nèi)當(dāng)吸力相同時，陽性鹽離子處理的土壤含水率大小表現(xiàn)為K+>Na+>CK>Ca2+>Mg2+，即不同陽性鹽離子對土壤持水能力的影響程度不同，具體表現(xiàn)為K+>Na+>Ca2+>Mg2+，且低濃度(≈1 g·L-1)K+和Na+可增強土壤持水能力，而Ca2+和Mg2+使得土壤持水能力減弱。從圖1(b)可以看出，陰離子處理土壤含水率在較低吸力段和較高吸力段分別平均減小了約30.76%和15.83%；Cl-和SO42-處理土壤水分特征曲線基本重合，土壤含水率平均絕對誤差僅約±0.003 cm3·cm-3，且與CK處理呈現(xiàn)平行狀，表明此2種離子對土壤持水能力的影響效果相似，且對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改變不明顯；而CO32-和HCO3-處理土壤水分特征曲線明顯發(fā)生上移現(xiàn)象，在一定程度上改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進而使得土壤持水能力能到顯著提升(圖1(b)，表1)。圖1(b)顯示，在h=0～7 000 cm內(nèi)當(dāng)吸力相同時，陰性鹽離子處理的土壤含水率大小表現(xiàn)為CO32->HCO3->SO42->Cl->CK，即不同陰性鹽離子對土壤持水能力的影響程度不同，具體表現(xiàn)為CO32->HCO3->SO42->Cl-，且4種離子均可增強土壤持水能力。與CK相比，各處理土壤含水率在不同吸力段的增減程度不同，如表1所示，除Ca2+和Mg2+之外，其余鹽離子在一定程度上均能增強土壤持水能力，且在h=0～1 000 cm范圍內(nèi)效果不明顯，而在h=1 000～7 000 cm范圍內(nèi)土壤持水能力顯著增強，表明吸力增加有利于該6種離子提高土壤持水能力，且陰陽離子中分別以CO32-和K+改善土壤持水性的效果最為顯著，HCO3-對于提高土壤持水能力也具有較為顯著的作用。

圖1 不同鹽離子處理土壤水分特征曲線

注：表中數(shù)據(jù)為鹽離子處理土壤含水率比對照處理高或低的百分比；“+”表示比對照處理高，“-”表示比對照處理低。

Note: The figures in Table 1 indicate the percentage of soil moisture for salt ion treatments higher or lower than for CK. “+” indicates that the soil moisture for salt ion treatments is higher than for CK, and “-” indicates that the soil moisture for salt ion treatments is lower than for CK.

2.2 鹽基離子對土壤收縮特征曲線的影響

土壤比容積和質(zhì)量含水率關(guān)系曲線即為土壤收縮特征曲線，可用來根據(jù)土壤干濕變化預(yù)測田間地表收縮與膨脹、計算土壤含水率剖面、制定灌溉計劃[20]。對比圖2(a)、2(b)可以發(fā)現(xiàn)，陰陽鹽離子對土壤收縮特征曲線具有不同程度的影響：(1) 對于陽性鹽離子，4種離子處理土壤收縮曲線形態(tài)類似，且數(shù)值差異較小，土壤比容隨含水率的變化趨勢一致。由此可知，K+、Na+、Ca2+和Mg2+均可維持土壤收縮曲線的3個收縮段無顯著變化且一致性較高；(2) 對于陰性鹽離子，SO42-和Cl-對土壤收縮曲線影響較小，且與CK處理基本重合，而CO32-和HCO3-導(dǎo)致土壤收縮曲線發(fā)生較大變化，即土壤含水率相同時與CK處理相比，CO32-和HCO3-導(dǎo)致土壤比容積出現(xiàn)不同程度降低，使其3個收縮段與其他處理不同。綜上，SO42-、Cl-以及4種陽性鹽離子可維持土壤收縮特征曲線基本穩(wěn)定，其中Na+、SO42-和Cl-對土壤收縮特征曲線的作用效果甚小，而CO32-和HCO3-對其的影響效果極為明顯。

圖2不同鹽離子處理土壤收縮特征曲線

Fig.2 Soil shrinkage characteristic curves for different salt ion treatments

2.3 鹽基離子對土壤收縮度和裂隙的影響

離心過程導(dǎo)致土體不斷失水，并出現(xiàn)軸向沉降現(xiàn)象、容重逐漸增加，不同離子導(dǎo)致土壤容重增加幅度介于0.39～0.47 g·cm-3之間。圖3顯示了測定過程中和測定結(jié)束時的土體線縮率變化和軸向收縮應(yīng)變(δs)，與CK處理(δs=22.50%)相比，K+、Na+、Ca2+和Mg2+4種陽鹽離子處理δs值分別為23.21%、24.18%、23.20%和21.93%；Cl-、HCO3-、CO32-和SO42-4種陰鹽離子處理δs值分別為24.18%、24.40%、20.57%和21.63%。由此可知，在本研究設(shè)定的鹽溶液濃度(≈1 g·L-1)條件下，Mg2+、CO32-和SO42-有利于緩解土壤發(fā)生沉降、減輕土壤垂向收縮程度；另一方面，在吸力為300 cm和3 000 cm時全部處理土壤線縮率發(fā)生較大幅度增長，故可初步將失水過程中的土體軸向沉降分為3個階段，即h=10～100 cm、h=300～1 000 cm和h=3 000～7 000 cm(圖3)。

在離心作用下，土體不斷失水，逐漸產(chǎn)生裂隙(本文省略裂隙飽和度分量示意圖)。不同鹽離子處理土壤裂縫的長度、寬度、密度、走向及分布特征均存在差異，采用裂隙總長度、總面積、面積密度和長度密度4個指標(biāo)對土壤裂隙特征進行評價(見表2)，與CK處理相比：(1) 對于4種陽性鹽離子，Na+和Mg2+可同時減小土壤裂隙總長度和總面積以及相應(yīng)的長度密度和面積密度，其中Na+效果較好，而K+和Ca2+在一定程度上可加劇裂縫產(chǎn)生，導(dǎo)致裂隙總長度和總面積增加；(2) 對于4種陰性鹽離子，均有利于減輕土壤開裂水平，使得土壤裂隙總長度和總面積及其長度密度和面積密度均有所減小，其中CO32-和HCO3-效果較好，以CO32-最優(yōu)。

圖3 鹽離子對土壤收縮和容重的影響

3 討 論

邢旭光等[21]研究表明，不同離子對土壤持水性能及其在失水過程中的軸向收縮和裂隙水平具有不同的作用效果，且與離子濃度存在相關(guān)性；在其研究中，離子濃度是基于咸水(TDS=3～10 g·L-1)、鹽水(TDS=10～50 g·L-1)和鹵水(TDS>50 g·L-1)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)定。另一方面，我國鹽堿地面積廣闊，且土壤中可溶性鹽基離子類型多，而當(dāng)前關(guān)于鹽堿土壤水分特征曲線和收縮特征曲線的研究多是針對富含Na+的土壤而展開[19,22-24]，存在一定局限性。為消除試驗隨機誤差、提高研究可信度，同時增加研究結(jié)果適用范圍，本研究在此基礎(chǔ)上進一步擴展了對陰性鹽離子的研究，且基于微咸水(TDS=1～3 g·L-1)標(biāo)準(zhǔn)將離子濃度設(shè)置為1 g·L-1，即本文對比研究了濃度為1 g·L-1的陰陽性8種鹽離子對土壤持水能力的影響，同時對比評價了土壤失水過程中的收縮水平，使得研究結(jié)果較為豐富、完善。鹽離子對土壤持水能力的影響主要受土壤結(jié)構(gòu)、團聚體、離子價態(tài)等因素影響[21]，不同鹽離子具有不同的化學(xué)性質(zhì)、與土壤的親和力存在差異、土壤孔隙分布特征不同[25-26]，進而對土壤物理性質(zhì)的作用效果以及影響機理有所差異。有必要將土壤物理與土壤化學(xué)相結(jié)合進一步探索其作用機理。

本研究設(shè)定鹽基離子濃度均約為1 g·L-1，將本研究與文獻[21]的研究結(jié)果進行結(jié)合：(1) 除5 g·L-1Na+外，其余處理均在一定程度上降低土壤持水能力[21]；本研究則表明在濃度很低時，K+和Na+均具有提高土壤持水能力的作用，進一步證實離子濃度與土壤持水能力之間的負相關(guān)關(guān)系。(2) 隨著Mg2+濃度降低，土壤軸向收縮程度呈現(xiàn)減小趨勢，具有利于減小土壤沉降潛力[21]；本研究進一步證實，與CK相比，1 g·L-1Mg2+可減小土壤軸向沉降，印證了上述推斷。(3) 本研究指出，1 g·L-1Na+和Mg2+亦有利于降低土壤裂縫評價指標(biāo)值，這對已有研究成果具有補充作用。綜上，土壤持水能力和土壤裂隙評價指標(biāo)均與鹽離子濃度具有顯著相關(guān)關(guān)系?？梢姳狙芯繉σ延醒芯砍晒哂醒a充作用，完善了微咸水、咸水、鹽水和鹵水條件下的不同鹽離子對土壤持水和收縮特征的作用效果；同時對陰性鹽離子作用的研究具有一定探索性。

4 結(jié) 論

該研究中離子濃度是基于微咸水標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)定，對于咸水、鹽水和鹵水條件是一種補充與完善，在已獲得研究成果基礎(chǔ)上進行擴展，進一步得到以下結(jié)論：

1) 不同鹽離子導(dǎo)致土壤持水能力存在差異，濃度為1 g·L-1的K+、Na+和4種陰性鹽離子均可提高土壤持水能力，陰陽鹽離子分別以CO32-和K+效果最為顯著，HCO3-亦可以有效改善土壤持水性能。

2) 土體在失水過程中發(fā)生收縮現(xiàn)象，濃度為1 g·L-1的Mg2+、SO42-和CO32-有利于減小土體軸向收縮度，不同離子收縮應(yīng)變表現(xiàn)為Na+>K+>Ca2+>CK>Mg2+和HCO3->Cl->CK>SO42->CO32-，其中CO32-和HCO3-可明顯改變土壤收縮特征曲線形態(tài)。

3) 濃度為1 g·L-1的Na+、Mg2+和4種陰性鹽離子均可同時減小土壤裂隙總長度和總面積以及相應(yīng)的長度密度和面積密度；陰陽鹽離子中分別以CO32-和Na+效果最為顯著。

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