再生水鹽分在亞熱帶不同土壤中的遷移特性及其差異

胡傳旺，王 輝，武 蕓，盧佳宇，李裕元

?

再生水鹽分在亞熱帶不同土壤中的遷移特性及其差異

胡傳旺1，王 輝1※，武 蕓1，盧佳宇1，李裕元2

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128；2. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125）

為了合理評價再生水灌溉鹽分對土壤環(huán)境的影響，分析鹽溶液淋溶亞熱帶土壤流出液鹽分變化規(guī)律及其對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響差異，該文采用定水頭入滲法，模擬不同濃度鈉鹽溶液淋溶黏性潮土、沙性潮土、紅壤、紫色土、水稻土等5種亞熱帶地區(qū)土壤，并觀測土壤流出液電導(dǎo)率（EC）和pH值的差異。試驗結(jié)果表明：1）高濃度鹽溶液對黏粒含量較高的紅壤、紫色土、黏性潮土的穿透能力弱于黏粒含量較低的水稻土和沙性潮土。同等濃度水平處理達到相同的穿透程度，酸性土壤（紅壤、紫色土、水稻土）能承受更多的低質(zhì)水量。2）鹽分在土壤中的遷移速度主要由土壤理化性質(zhì)決定，土壤黏粒含量、交換性鋁含量會顯著減緩鹽分在土壤中的遷移能力，而土壤粉粒含量、EC、pH值以及交換性鈣、鎂含量會促進鹽分在土壤中的遷移。鹽分更容易穿透堿性土壤（黏性潮土和沙性潮土）而流出，堿性土壤流出液相對EC最大變化速率比酸性土壤高36%?；贐oltzmann函數(shù)擬合表明，入滲水鹽濃度及土壤理化性質(zhì)對模型參數(shù)有顯著影響（<0.05）。3）土壤化學(xué)性質(zhì)受入滲液鹽分濃度的影響程度不僅與土壤本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與土壤質(zhì)地中的粉粒、黏粒含量有極顯著的關(guān)系（<0.01）。各濃度鹽溶液對堿性土壤的pH值影響不明顯，對酸性土壤的pH值影響較大，其流出液pH值減少1.6～2.6個單位，其中紅壤的pH值變化最大，其次為紫色土。入滲液EC高于4.77 dS/m的處理對土壤流出液的穩(wěn)定pH值影響增幅不明顯。因此，利用低質(zhì)水灌溉時要依據(jù)土壤理化性質(zhì)合理限定水中鹽濃度。

土壤；淋溶；入滲；流出液；鹽溶液；穿透曲線；理化性質(zhì)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和節(jié)水城市建設(shè)理念推行，再生水的利用受到越來越多的重視[1-3]。然而再生水雖經(jīng)二級處理，但水中仍具有較高的含鹽量，可以達到3 000 mg/L[4]甚至更高[5-6]，越高的含鹽量在土壤中的累積量會相應(yīng)增加[7-8]，商放澤等[9]指出鈉離子是再生水中濃度較高的鹽分離子之一，Na+累積會引起土壤結(jié)構(gòu)破壞[10]，再生水灌溉時在一定程度上有引起土壤堿化的風險[11-12]，且可能造成淋溶水中Na+、總氮、總磷含量變化，對地表水產(chǎn)生影響[13]。入滲補給地下水會引起地下水中鹽分的增加[14-15]，使地下水體環(huán)境惡化。鹽分在土壤中的遷移與分布和土壤性質(zhì)、氣候等因素有關(guān)[16-18]。目前，再生水的利用在中國亞熱帶地區(qū)逐步提高，但關(guān)于亞熱帶地區(qū)再生水灌溉酸性土壤背景下鹽分對土壤影響的研究相對較少，因此，研究再生水中鹽分在亞熱帶土壤中的運移及平衡過程對促進南方地區(qū)再生水安全灌溉具有十分重要的意義。再生水灌溉鹽分對土壤的影響因土壤質(zhì)地、陽離子交換量等性質(zhì)的差異而不同[19-20]，同時也與入滲液鹽濃度相關(guān)[21]。因此，該文選擇最為常見的鈉鹽，以亞熱帶地區(qū)黏性潮土、沙性潮土、紅壤、水稻土、紫色土等5種不同類型土壤為研究對象，分析不同濃度鈉鹽入滲對土壤流出液電導(dǎo)率和pH值的影響，探明鹽分在各土壤中的遷移特性及各土壤受鹽分影響的差異，以期減少亞熱帶地區(qū)再生水灌溉鹽分對土壤的負面效應(yīng)，為進一步研究亞熱帶地區(qū)再生水灌溉及水、鹽運移提供一定科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與水樣

本試驗土壤為中國亞熱帶地區(qū)域內(nèi)代表性的黏性潮土、沙性潮土、紅壤、紫色土以及水稻土，分別取自湖南岳陽（112°43′42″E，29°17′55″N）、湖南岳陽（112°43′47″E，29°18′05″N）、湖南長沙（113°16′46″E，28°32′49″N）、重慶永川（105°53′59″E，29°23′39″N）、重慶巴南（106°52′49″E，29°38′25″N）等地，主要土地利用方式為旱地和水田。利用隨機、多點（10個點）法采集表層0～20 cm土樣，自然風干，除去根系、石塊等雜物，磨碎過2 mm篩，充分混勻后備用。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。其中土壤機械組成采用吸管法測定，并根據(jù)國際制分類標準確定土壤質(zhì)地；土壤EC、pH值采用梅特勒—托利多Seven Excellence?多參數(shù)測試儀（S470-B）測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法測定；交換性鈣鎂采用原子吸收分光光度計（TAS-990）測定，交換性鐵鋁采用紫外-可見分光光度計（L5）測定。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

試驗為剔除因子之間的相互影響，入滲鹽溶液以蒸餾水中加入定量的NaCl配置而成，配置鹽溶液質(zhì)量濃度分別為1、2.5、5、10、15 g/L，其對應(yīng)EC分別為1.96、4.77、9.08、17.25、25.06 dS/m，pH值分別為6.53、6.48、6.42、6.33、6.31，蒸餾水作為對照處理。

1.2 試驗設(shè)計及測定方法

本次試驗于2016年9月-2017年1月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤水動力實驗室和水文過程模擬實驗室進行。土樣經(jīng)過風干，過2 mm篩后，按設(shè)定的容重1.2 g/cm3均勻裝入直徑為5 cm的垂直土柱中，裝填高度為10 cm，然后將土樣采用蒸餾水經(jīng)24 h飽和后，組裝試驗裝置，如圖1所示，采用不同濃度鹽溶液進行試驗，每個處理重復(fù)3次。用小三角瓶收集流出液，當土柱底部第一滴液體流出時開始計時，每隔一段時間測定流出液的體積，當流出液電導(dǎo)率（EC）穩(wěn)定（前后2~3次測量EC相近，即流出液EC接近流入液EC）時結(jié)束試驗。

圖1 試驗裝置示意圖

采用Origin8.5 軟件，通過對流出液電導(dǎo)率與孔隙體積數(shù)的擬合發(fā)現(xiàn)Boltzmann函數(shù)擬合度最高，適合模擬鹽分的遷移[21]，從而進一步分析鹽溶液穿透過程的變化，Boltzmann函數(shù)可以表示為：

式中表示相對電導(dǎo)率，即出流溶液電導(dǎo)率（EC）與流入液電導(dǎo)率（EC0）的比值；1表示土壤流出液的初始相對電導(dǎo)率；2表示土壤流出液穩(wěn)定后的終止相對電導(dǎo)率；表示孔隙體積數(shù)；0為曲線對稱軸的橫坐標（中心），即(1+2)/2所對應(yīng)的孔隙體積數(shù)；v為曲線傾斜度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003、SPSS 21進行數(shù)理統(tǒng)計分析，利用Origin8.5軟件繪制相應(yīng)的圖及數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤流出液EC變化特征

2.1.1 蒸餾水淋溶下土壤流出液EC變化特征

從圖2可知各土壤流出液EC存在差異，各土壤流出液EC曲線呈先升后降最后趨于平緩的趨勢，峰值點出現(xiàn)在孔隙體積數(shù)為1.0附近，峰值反映了各土壤中的物質(zhì)可被淋溶的最大程度，黏性潮土的峰值點最高，其次為沙性潮土、紫色土、水稻土、紅壤。水稻土的EC曲線呈不對稱分布，出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而其余土壤則呈對稱分布。由于溶液EC反映土壤溶液中可溶性鹽含量，蒸餾水淋溶時，各土壤流出液EC曲線的不對稱性主要是物理原因引起。土壤溶質(zhì)運移通?？捎靡痪S對流-彌散方程描述，土壤中的水分可分為動水和不動水兩部分[22-23]。溶質(zhì)的對流-彌散運動主要在動水（優(yōu)先水流）區(qū)進行，不動水中的溶質(zhì)以彌散（擴散）機制進入動水（優(yōu)先水流）區(qū)，然后通過對流-彌散運動流出土壤，因而溶質(zhì)運移速率減慢[24]，可知水稻土壤中的不動水含量較多。還可知紅壤與紫色土的顆粒組成雖然基本相似，但紫色土的穿透曲線要高于紅壤，主要是由于土壤本身所含鹽分的量不同，紫色土所含的鹽分較高，因而其峰值較高，土壤流出液鹽分濃度較多，但其分布范圍基本一致?？紫扼w積數(shù)0～2.0范圍內(nèi)各曲線與橫坐標軸所圍的面積可表示各土壤在此區(qū)間被淋溶出的物質(zhì)總量，對其進行計算比較得黏性潮土、沙性潮土、紫色土、水稻土在孔隙體積數(shù)0～2.0范圍內(nèi)可被淋溶出的物質(zhì)總量分別為紅壤的6.1、4.0、3.5、2.6倍，紅壤中可被洗出的物質(zhì)最少，EC曲線波峰值僅為0.22 dS/m。

圖2 土壤流出液EC的分布曲線

2.1.2 鹽溶液淋溶土壤流出液EC變化過程及模擬

圖3顯示了各土壤在不同EC鈉鹽溶液淋溶下的EC穿透曲線。紅壤在9.08 dS/m處理時出流液EC最先開始變化，但較慢趨于穩(wěn)定，其穿透過程較長。其余濃度處理下紅壤流出液EC穿透曲線隨流入液EC的升高往左移，說明較低EC（低于9.08 dS/m）鹽溶液較難穿透紅壤，穿透紅壤所需的入滲量多。在1.96 dS/m處理時流出液相對EC（流出液EC/流入液EC）最高可達到1.2左右，主要由于黏性潮土、沙性潮土、紫色土可被淋溶出的物質(zhì)較多，導(dǎo)致流出液的鹽濃度較流入液大，因而相對EC值大于1。當流入液EC升高，相對EC值趨于1，甚至小于1，一方面由于流入液的濃度高于土壤溶液鹽濃度，鹽分向濃度較低的區(qū)域擴散，被土壤截留，導(dǎo)致流出液鹽濃度減少，另一方面由于流入液EC值較大，土壤中被淋溶出的物質(zhì)濃度相對流入液鹽濃度的比重減小。黏性潮土、沙性潮土、紫色土、水稻土隨流入液EC的升高，土壤流出液EC穿透曲線均有向右偏移的趨勢，其中水稻土偏移程度最大，其余土壤偏移較小，說明溶液EC對鹽分在水稻土中穿透過程滯后性的影響較大，由圖2 所示結(jié)果可知蒸餾水淋溶時水稻土流出液EC呈不對稱分布，土壤中不動水區(qū)較多，高EC溶液進入土壤，必然會產(chǎn)生濃度差，鹽離子從高濃度向低濃度擴散[25]，一部分鹽將從高濃度的動水區(qū)向低濃度的不動水區(qū)運動，導(dǎo)致土壤流出液的鹽離子減少，同時擴散作用也會影響離子的交換[26]，因此使得水稻土流出液EC變化延遲。

圖3 土壤鹽溶液EC穿透曲線

基于Boltzmann 函數(shù)擬合流出液電導(dǎo)率與孔隙體積數(shù)的關(guān)系，具體擬合參數(shù)見表2。擬合結(jié)果均具有極顯著的統(tǒng)計學(xué)意義（<0.01），同時決定系數(shù)均達到0.98以上，說明方程（1）能很好地表征流出液相對EC與孔隙體積數(shù)的關(guān)系。各土壤流出液初始值1和終止值2隨著鈉鹽濃度升高而減小。理論上1趨于零，而2趨于1.0，實際中由于土壤中的物質(zhì)被淋洗出，且不同土壤可被淋洗的量不同（圖3），因而低濃度鹽溶液處理下其1、2值偏高，而當鹽溶液EC高于17.25 dS/m時，各土壤流出液終止值2均小于1.0，說明鹽溶液EC高于17.25 dS/m時難以完全穿透土壤，土壤對鹽離子產(chǎn)生一定的吸附作用，吸附作用的程度與土壤黏粒含量有關(guān)[27-28]，如表2所示流入液EC為25.06 dS/m時，黏粒含量較高的紫色土、黏性潮土、紅壤流出液終止值2小于黏粒含量較低的沙性潮土和水稻土。0可反映鹽溶液淋溶土壤達到穿透過程中點所需入滲液量的大小。由表2可知酸性土壤（紅壤、紫色土、水稻土）的0高于堿性土壤（黏性潮土和沙性潮土）約13%，即鹽溶液達到穿透中點酸性土壤所需的量多于堿性土壤。其中紅壤在溶液EC低于17.25 dS/m時處理時0隨流入液EC升高而減小，而其余4種土壤的0隨流入液EC增加呈先升后降的趨勢，在9.08 dS/m處理時最大，在25.06 dS/m處理時各土壤的0均會有所增加。v可反映土壤流出液EC的穿透過程的平緩，值越大穿透過程曲線越平緩，值越小穿透過程曲線越急劇，鹽溶液穿透堿性土壤普遍要快于酸性土壤，其中黏性潮土、紅壤在9.08 dS/m處理下鹽溶液穿透土壤要慢于其余4種處理，沙性潮土則是隨流入液溶液EC升高呈加快的趨勢，紫色土和水稻土隨流入液EC升高呈先降后升的趨勢。

表2 擬合參數(shù)表

注：1為土壤流出液的初始相對電導(dǎo)率；2為土壤流出液穩(wěn)定后的終止相對電導(dǎo)率；0為曲線對稱軸的橫坐標（中心）；d為曲線傾斜度；下同。

Note:1is initial relative conductivity of soil effluent;2is termination of relative conductivity after stabilization of soil effluent;0is abscissa of axis of symmetry of the curve (center);dis curve slope. The same as below.

2.1.3 鹽溶液淋溶土壤流出液EC變化速率

為進一步分析土壤流出液中鹽分改變的快慢程度，對表2中的擬合方程求導(dǎo)得各土壤不同EC溶液淋溶過程中EC的變化速率（相對EC/孔隙體積數(shù)），結(jié)果見圖4。相對EC的變化速率隨孔隙體積數(shù)的增加呈先升后降的趨勢，流出液相對EC變化速率最大值出現(xiàn)在穿透曲線的中點0處。紅壤在1.96、4.77、9.08、17.25、25.06 dS/m各鹽分梯度處理下其相對EC變化速率峰值分別為1.73、2.59、1.33、2.22、2.93，其中9.08 dS/m處理時流出液EC的變化速率曲線的波峰最低，分布范圍最廣，孔隙體積數(shù)從0.25至1.75，其次為1.96 dS/m處理。說明不同鹽分濃度下紅壤與鹽分之間的反應(yīng)較大（圖4a）。黏性潮土流出液相對EC的變化速率最大值分別為3.51、3.30、2.51、3.57、3.08，其速率變化曲線分布較為集中，其分布范圍從0.5至1.25，其流出液相對EC變化速率在9.08 dS/m處理時最?。▓D4b）。沙性潮土流出液相對EC變化速率峰值分別為2.43、2.75、3.54、4.47、3.87，相對EC變化速率隨流入液EC升高而逐漸變大，在17.25 dS/m時達到最大，25.06 dS/m有所減小。1.96 dS/m處理時其速率變化曲線分布最大，孔隙體積數(shù)從0.3至1.25。隨流入液EC升高，其速率變化曲線有往右偏移的趨勢（圖4c）。當溶液EC高于9.08 ds/m時，沙性潮土流出液相對EC最大變化速率高黏性潮土約30%，因此低質(zhì)水在偏沙性的潮土上使用需要特別注意水質(zhì)的鹽濃度。紫色土流出液相對EC變化速率峰值分別為2.03、3.05、2.80、2.52、2.42，其曲線分布較為集中，孔隙體積數(shù)從0.3至1.5，其波峰隨流入液EC升高呈先升后減的趨勢，在4.77 dS/m處理時峰值最大（圖4d）。水稻土流出液相對EC變化速率峰值分別為2.28、2.30、3.19、2.59、2.55，其速率變化曲線波峰在9.08 dS/m處理時較大，其余處理差異不大，隨流入液的EC升高曲線往右偏移，即流入液EC越大，鹽分的穿透過程越滯后（圖4e）。酸性土壤在9.08 dS/m溶液處理下時土壤流出液相對EC最大變化速率均呈先升后降的趨勢，均在4.77 dS/m處理下最大，其中紅壤整體均較小，能夠較好的抑制鹽分的穿透，因而其相對EC變化速率曲線較為波動。紅壤、黏性潮土、沙性潮土、紫色土、水稻土在各處理下其流出液相對EC最大變化速率平均值分別2.16、3.19、3.41、2.56、2.58，可知堿性土壤流出液相對EC變化速率高于酸性土壤，約36%。因此，鹽溶液更容易穿透堿性土壤，利用低質(zhì)水灌溉時灌溉量應(yīng)相應(yīng)減少，鹽溶液EC盡量控制在9.08 dS/m以下。

2.1.4 穿透曲線擬合參數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)土壤流出液EC穿透曲線的擬合參數(shù)與土壤理化性質(zhì)具有一定的相關(guān)性，見表3，土壤流出液初始值1與流入液EC呈顯著負相關(guān)，與土壤粉粒和土壤EC呈顯著正相關(guān)；土壤流出液終止值2與流入液EC呈極顯著負相關(guān)；0與黏粒、交換性鋁含量呈顯著正相關(guān)，與粉粒、土壤EC、pH值、交換性鈣含量、交換性鎂含量呈極顯著負相關(guān)；v與黏粒呈交換性鋁含量顯著正相關(guān)，與粉粒、土壤EC、交換性鈣含量呈極顯著負相關(guān)，與pH值、交換性鎂含量呈顯著負相關(guān)。說明鹽分在土壤中的遷移不僅受入滲液EC影響，還與土壤質(zhì)地及化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，但決定鹽分遷移快慢的主要是土壤理化性質(zhì)，其中土壤黏粒含量[19,29]、交換性鋁含量會顯著減緩鹽分在土壤中的遷移能力，而土壤粉粒含量、EC、pH值以及交換性鈣鎂含量對加快鹽分在土壤中的遷移達到極顯著水平。

圖4 供試土壤相對EC變化速率

表3 擬合參數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

注：** 在0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；* 在 0.05 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: * * is significantly correlated at 0.01 level (bilateral); * is significantly correlated at 0.05 level (bilateral).

2.2 鹽溶液淋溶對土壤流出液pH值的影響

2.2.1 土壤流出液pH值的變化過程

圖5顯示供試土壤在不同EC鹽溶液淋溶下流出液pH值的變化情況。黏性潮土、沙性潮土流出液pH值隨淋溶過程的進行呈先升后降，最后又回升的波動趨勢。且隨著流入液EC的增加其波動區(qū)間變大，其波動范圍為0.2～0.6個單位。紅壤、紫色土、水稻土流出液pH值在淋溶過程中逐漸下降并趨于平穩(wěn)。其中紅壤、水稻土在4.77 dS/m處理下pH值下降的程度最大，分別約為2.55、1.61個單位，紫色土在1.96 dS/m處理下降幅最大，約2.15個單位。對土壤流出液穩(wěn)定后的pH值進行分析發(fā)現(xiàn)，流出液pH值隨流入液EC的升高而有降低的趨勢，紅壤的流出液pH值降低程度最大，其次為紫色土、水稻土、黏性潮土、沙性潮土。在25.06 dS/m處理下，各土壤流出液穩(wěn)定后的pH值相對于對照組分別降低22.94%、20.54%、12.91%、5.90%、5.00%。流入液EC升至4.77 dS/m其對應(yīng)的土壤流出液pH值急劇下降，4.77 dS/m處理時pH值分別降低了20.72%、16.08%、11.22%、3.91%、3.71%，之后流入液EC升高其穩(wěn)定后的pH值降幅不大?？梢姡魅胍篍C為4.77 dS/m以下時土壤流出液穩(wěn)定后的pH值有較低明顯，而溶液EC繼續(xù)升高（高于4.77 dS/m）其影響程度增幅很小?？芍?，鹽溶液對堿性土壤（黏性潮土、沙性潮土）的pH值影響較小，對酸性土壤（紅壤、紫色土、水稻土）的pH值影響較大，使土壤中酸性離子流出較多，導(dǎo)致酸性土壤pH值有升高的可能，且對黏粒含量多的土壤影響較大。

2.2.2 土壤流出液pH值與其相對EC的關(guān)系

對土壤流出液流出pH值與相對EC進行分析（圖6所示）發(fā)現(xiàn)，黏性潮土和沙性潮土的初始流出液在其相對EC變化很小的情況下pH值升高，說明堿性離子迅速流出土壤，之后隨著流出液EC的增大pH值逐漸降低，最后流出液EC穩(wěn)定時，pH值有小幅回升，其中土壤流出液pH值在其相對EC值0.1～0.9的范圍內(nèi)下降，且流入液EC越高下降程度較大，此過程中由于離子發(fā)生吸附、解吸、置換等作用而使土壤流出液pH值變化。對于堿性潮土，土壤進行飽和時，土壤中的堿進入土壤溶液中，在蒸餾水的淋溶下被帶出土壤，土壤流出液呈堿性，而當不同濃度的鹽溶液淋溶時，Na+進入土壤，一方面，能將土壤膠粒表明的大部分H+、Al3+交換出來，同時也與土壤中的Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生交換作用，置換出的Ca2+、Mg2+與OH-結(jié)合生成沉淀物，使流出液中的OH-降低，另一方面于NaCl 是強電解質(zhì)，能夠抑制堿化土壤中鹽的水解，因而土壤流出液pH值下降，隨淋溶過程的進行鈣鎂離子置換量減小，離子交換作用減弱，土壤流出液的pH值逐漸回升。對于酸性土壤，土壤在蒸餾水飽和過程中，土壤固體表面的H+解離和水解進入土壤溶液，在蒸餾水淋溶下，H+被帶出土壤，土壤流出液pH值下降，隨著淋溶的進行，H+解離和水解作用下降，土壤流出液pH值有回升的趨勢，然而鹽溶液淋溶處理時，淋溶液中的Na+與土壤中的Al3+、Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生交換，導(dǎo)致流出液pH值進一步下降，鹽溶液濃度越高，置換時發(fā)生的交換量越大，pH值降低程度越大。紅壤、紫色土、水稻土的流出液pH值隨著EC的升高而迅速降低并趨于穩(wěn)定，較低EC的鈉鹽溶液處理土壤流出液pH值大于高EC處理的土壤流出液pH值。其中紅壤、紫色土流出液pH值在其相對EC從0到0.1范圍內(nèi)急劇下降，隨后緩慢趨于平穩(wěn)，說明此過程中鹽分淋溶下土壤中的酸性離子迅速流出使土壤流出液pH值降低，之后趨于穩(wěn)定。同理水稻土流出液pH值也降低，但其下降速率要緩于紅壤和紫色土，其下降過程持續(xù)在相對EC值0～0.9范圍內(nèi)，一方面可能原因是該土壤中不動水含量較多，其溶質(zhì)運移較為緩慢；另一方面，水稻土中的交換性鋁含量比紅壤和紫色土少，陽離子交換機制作用，水稻土流出液中的酸低于紅壤和紫色土[30]。通過擬合發(fā)現(xiàn)3種酸性土壤（紅壤、紫色土、水稻土）流出液pH值與相對EC呈冪函數(shù)關(guān)系，并達到極顯著水平（<0.01）。

圖5 土壤流出液pH值變化曲線

圖6 土壤流出液pH值與相對EC的關(guān)系

2.2.3 土壤流出液pH值與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

通過對土壤流出液流出pH值特征與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析，結(jié)果見表4?？芍寥懒鞒鲆簆H值最大波動區(qū)間與土壤粉粒、EC、pH值、交換性鈣鎂含量呈極顯著負相關(guān)，與砂粒呈顯著正相關(guān)，與黏粒、交換性鋁含量呈極顯著正相關(guān)。而土壤流出液穩(wěn)定后pH值與土壤砂粒呈顯著負相關(guān)，與黏粒、有機質(zhì)、交換性鋁含量呈極顯著負相關(guān)，與土壤粉粒、EC、pH值、交換性鈣鎂含量呈極顯著正相關(guān)。說明砂粒、黏粒含量多的土壤其流出液pH值的波動區(qū)間會變大，使穩(wěn)定后的pH值變小，但土壤本身的鹽分離子含量、pH值、交換性鈣鎂含量會使土壤流出液pH值波動減小，使穩(wěn)定后的土壤流出液pH值升高。說明土壤化學(xué)性質(zhì)受鹽分的影響程度不僅與其本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與土壤質(zhì)地有關(guān)，特別是與土壤粉粒、黏粒含量有極顯著的關(guān)系。

表4 土壤流出液pH值與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

注：** 在0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；* 在 0.05 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: * * is significantly correlated at 0.01 level (bilateral); * is significantly correlated at 0.05 level (bilateral).

3 討 論

不同濃度鈉鹽溶液在土壤中運移與土壤理化性質(zhì)相關(guān)，本研究結(jié)果表明鈉鹽在土壤中穿透不僅受土壤黏粒含量影響[19,29]，還與土壤粉粒含量有關(guān)，土壤本身化學(xué)物質(zhì)的含量影響土壤對入滲溶液中化學(xué)物質(zhì)的吸附截留能力，因此土壤流出液鹽濃度存在差異。本研究主要考慮不同濃度NaCl溶液入滲下亞熱地區(qū)土壤流出液鹽濃度的差異，探討不同濃度鈉鹽在各土壤中的穿透速率及穿透能力。試驗過程中主要通過觀測土壤流出液EC和pH的變化來反映鹽溶液在各土壤中的穿透情況，鈉鹽進入土壤，必定與土壤發(fā)生作用，一方面土壤中Na+總量增加，土壤顆粒分散和黏粒膨脹，破壞土壤團聚體，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化使土壤導(dǎo)水特性改變[10,31]，使得鹽溶液的穿透速率發(fā)生變化；另一方面Na+與土壤中的Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生交換作用[32]導(dǎo)致流出液鹽分組成發(fā)生變化，從而影響穿透曲線形態(tài)的變化。本文僅從EC總體分析了鹽溶液在各土壤中穿透差異，同時通過pH值的變化分析土壤中酸堿離子的改變，對于鹽離子與土壤中離子交換等化學(xué)作用對鹽分在各土壤中穿透的影響有待進一步研究。

4 結(jié) 論

1）高濃度鹽溶液對黏粒含量較高的紅壤、紫色土、黏性潮土的穿透能力弱于黏粒含量較低的水稻土和沙性潮土。同等鹽濃度水平處理達到相同的穿透程度，酸性土壤（紅壤、紫色土、水稻土）能承受更多的低質(zhì)水量。

2）入滲液鹽濃度對紅壤流出液相對EC變化速率和鹽分的穿透過程均有明顯的影響，對紫色土、黏性潮土和沙性潮土主要影響其流出液相對EC變化速率，其中沙性潮土最小，對水稻土主要影響其穿透過程的滯后程度?；贐oltzmann 函數(shù)擬合表明，入滲水EC及土壤理化性質(zhì)對模型參數(shù)有顯著影響（<0.05），土壤黏粒含量、交換性鋁含量會顯著減緩鹽分在土壤中的遷移能力，而土壤粉粒含量、EC、pH值以及交換性鈣、鎂含量則起促進作用。

3）溶液鹽濃度對酸性土壤流出液pH值影響較大，可降低1.6～2.6個單位，其中紅壤pH值變化最大，其次為紫色土。與對照組相比，鹽溶液EC小于4.77 dS/m處理土壤時其流出液穩(wěn)定后的pH值有較大程度地降低，但隨入滲液EC升高對其影響程度增幅不大。酸性土壤流出液pH值與相對EC呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系（<0.01）。土壤化學(xué)性質(zhì)受鹽分的影響程度不僅與其本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，也與其粉粒、黏粒含量呈極顯著的關(guān)系（<0.01）。

[1] Gemma Carr, Robert B Potter, Stephen Nortcliff .Water reuse for irrigation in Jordan: Perceptions of water quality among farmers [J]. Agricultural Water Management, 2011, 98(5): 847－854.

[2] 葉文，王會肖，高軍，等. 再生水灌溉土壤主要鹽離子遷移模擬[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33(5)：1007-1015. Ye Wen, Wang Huixiao, Gao Jun, et al. Simulation of salt ion migration in soil under reclaimed water irrigation[J] Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(5): 1007－1015. (in Chinese with English abstract)

[3] Carlos F S, Marafon A, Andreazza R, et al. Impact of treated industrial effluent on physical and chemical properties of three subtropical soils and millet nutrition[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2017, 48(21): 1－12.

[4] Feigin A, Ravina I, Shalhevet J. Irrigation with Treated Sewage Effluent: Management for Environmental Protection[M]. Springer Science & Business Media, 2012.

[5] Toze S. Reuse of effluent water-benefits and risks[J]. Agricultural Water Management, 2006, 80(1): 147－159.

[6] Bond W J. Effluent irrigation: An environmental challenge for soil science[J]. Soil Research, 1998, 36(4): 543－556.

[7] Pang Huancheng, Li Yuyi, Yang Jinsong, et al. Effect of brackish water irrigation and straw mulching on soil salinity and crop yields under monsoonal climatic conditions[J]. Agricultural Water Management, 2010, 97(12): 1971－1977.

[8] Amer K H. Corn crop response under managing different irrigation and salinity levels[J]. Agricultural Water Management, 2010, 97(10): 1553－1563.

[9] 商放澤，任樹梅，鄒添，等. 再生水及鹽溶液入滲與蒸發(fā)對土壤水鹽和堿性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(14)：120－129. Shang Fangze, Ren Shumei, Zou Tian, et al. Effects of infiltration and evaporation with treated wastewater and salt solutions on soil moisture and salinize-alkalization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 120－129. (in Chinese with English abstract)

[10] 唐勝強，佘冬立. 灌溉水質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率和入滲特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(10)：108－114. Tang Shengqiang, She Dongli. Influence of water quality on soil saturated hydraulic conductivity and infiltration properties[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 108－114. (in Chinese with English abstract)

[11] 薛彥東，楊培嶺，任樹梅，等. 再生水灌溉對土壤主要鹽分離子的分布特征及鹽堿化的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2012，26(2)：234－240. Xue Yandong, Yang Peiling, Ren Shumei, et al. Effects of treated wastewater irrigation strategies on the distribution of salt contents in soils cultivated with tomato and cucumber[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2012, 26(2): 234－240. (in Chinese with English abstract)

[12] 鄭偉，李曉娜，楊志新，等. 再生水灌溉對不同類型草坪土壤鹽堿化的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2009，23(4)：101－104. Zheng Wei, Li Xiaona, Yang Zhixin, et al. Effects of turf-grass irrigation with reclaimed water on soil salinize-alkalization[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2009, 23(4): 101－104. (in Chinese with English abstract)

[13] 賈哲峰，劉菊芳，常智慧，等. 再生水灌溉果嶺草坪對淋溶水鹽分及營養(yǎng)元素的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，36(1)：94－101. Jia Zhefeng, Liu Jufang, Chang Zhihui, et al．Influence on leaching water salinity and nutritive elements for irrigating green turfgrass with recycled water[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2014, 36(1): 94－101. (in Chinese with English abstract)

[14] Katz B G, Griffin D W, Davis J H. Groundwater quality impacts from the land application of treated municipal wastewater in a large karstic spring basin: Chemical and microbiological indicators[J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(8): 2872－2886.

[15] Wang R S, Kang Y H, Wan S Q, et al. Influence of different amounts of irrigation water on salt leaching and cotton growth under drip irrigation in an arid and saline area[J]. Agricultural Water Management, 2012, 110: 109－117.

[16] Chen Weiping, Lu Sidan, Peng Chi, et al. Accumulation of Cd in agricultural soil under long-term reclaimed water irrigation[J]. Environmental Pollution, 2013, 178(7): 294－299.

[17] 張蛟，崔世友，馮芝祥，等. 氣候因子和地表覆蓋對沿海灘涂土壤鹽分動態(tài)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，26(2)：294－302. Zhang Jiao, Cui Shiyou, Feng Zhixiang, et al. Climate factors and ground mulching affect soil salinity dynamic changes in coastal areas[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(2): 294－302. (in Chinese with English abstract)

[18] 夏江寶，趙西梅，趙自國，等. 不同潛水埋深下土壤水鹽運移特征及其交互效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(15)：93－100. Xia Jiangbao, Zhao Ximei, Zhao Ziguo, et al. Migration characteristics of soil water and salt and their interaction under different groundwater levels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 93－100. (in Chinese with English abstract)

[19] Adriel Ferreira da Fonseca, Adolpho José Melfi, Célia Regina Montes. Maize growth and changes in soil fertility after irrigation with treated sewage effluent. II. soil acidity, exchangeable cations, and sulfur, boron, and heavy metals availability[J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 2005, 36(13/14): 1983－2003.

[20] Leal R M P, Herpin U, Fonseca A F D, et al. Sodicity and salinity in a Brazilian Oxisol cultivated with sugarcane irrigated with wastewater[J]. Agricultural Water Management, 2009, 96(2): 307－316.

[21] 郭全恩，南麗麗，李保國，等. 灌溉水鹽分組成對土壤水鹽遷移參數(shù)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(23)：123－128. Guo Quanen, Nan Lili, Li Baoguo, et al. Effect of salt ion composition of irrigation water on parameters of soil water and salt movement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 123－128. (in Chinese with English abstract)

[22] Mansell R S, Bloom S A, Rhue R D, et al. Simulated transport of multiple cations in soil using variable selectivity coefficients[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52(6): 1533－1540.

[23] Wijmans J G, Baker R W. The solution-diffusion model: A review[J]. Journal of Membrane Science, 1995, 107(1/2): 1－21.

[24] 吳華山，陳效民，沃飛，等. 太湖地區(qū)水稻土的硝態(tài)氮穿透曲線及影響因素[J]. 土壤通報，2006，37(6)：1129－1133. Wu Huashan, Chen Xiaomin, Wo Fei, et al. Breakthrough curves of nitrate-N in the main paddy soils in tai-lake region and influencing factors[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(6): 1129－1133. (in Chinese with English abstract)

[25] Radford P J, Greenwood D J. The simulation of gaseous diffusion in soils[J]. European Journal of Soil Science, 2010, 21(2): 304－313.

[26] Ogwada R A, Sparks D L. Kinetics of ion exchange on clay minerals and soil: II. Elucidation of Rate-limiting Steps 1[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(5): 1162－1166.

[27] 陳效民，鄧建才，柯用春，等. 硝態(tài)氮垂直運移過程中的影響因素研究[J]. 水土保持學(xué)報，2003，17(2)：12-15. Chen Xiaomin, Deng Jiancai, Ke Yongchun, et al. Study on influence factors in process of nitrate vertical transport[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(2): 12-15. (in Chinese with English abstract)

[28] 陳效民，潘根興，沈其榮，等. 太湖地區(qū)農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮垂直運移的規(guī)律[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2001，21(6)：481－484. Chen Xiaomin, Pan Genxing, Shen Qirong, et al. Study on the nitrate vertical transport rule in farmland soil of Tai Lake area[J]. China Environmental Science, 2001, 21(6): 481－484. (in Chinese with English abstract)

[29] 方堃，陳效民，沃飛，等. 典型水稻土中硝態(tài)氮垂直穿透狀況及模擬[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2007，7(5)：16-20. Fang Kun, Chen Xiaomin, Wo Fei, et al. Study on the situation of the nitrate-N's vertical breaking-through of the soil in the typical rice fields and simulation by Hydrus-1D model[J]. Journal of Safety and Environment, 2007, 7(5): 16－20. (in Chinese with English abstract)

[30] 王代長，蔣新，賀紀正，等. H+和有機酸對可變電荷土壤鋁釋放的動力學(xué)研究[J]. 地球化學(xué)，2006(6)：651－659. Wang Daizhang, Jiang Xin, He Jizheng, et al. Kinetics of aluminum release in variable charge soils under H+and organic acids[J]. Geochimica, 2006(6): 651－659. (in Chinese with English abstract)

[31] 王全九，畢遠杰，吳忠東. 微咸水灌溉技術(shù)與土壤水鹽調(diào)控方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，42(5)：559－564. Wang Quanjiu, Bi Yuanjie, Wu Zhongdong. Irrigation technique of saline water and regulation and control method of soil water and salt[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2009, 42(5): 559－564. (in Chinese with English abstract)

[32] 徐小元，孫維紅，吳文勇，等. 再生水灌溉對典型土壤鹽分和離子濃度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(5)：34－39. Xu Xiaoyuan, Sun Weihong, Wu Wenyong, et al. Effect of irrigation with reclaimed water on soil salt and ion content in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(5): 34－39. (in Chinese with English abstract)

Migration characteristics and its differences of reclaimed water salinity in different subtropical soils

Hu Chuanwang1, Wang Hui1※, Wu Yun1, Lu Jiayu1, Li Yuyuan2

(1.,,410128,; 2.,,,410125,)

To evaluate reasonably the effect of reclaimed water irrigation salt in the soil environment, varying salinity in the effluent of salty solution leaching subtropical soil and the effect on soil chemical properties were analyzed. In this paper, five subtropical soils: clay fluvo aquic soil, sandy fluvo aquic soil, red soil, purple soil and paddy soil were selected as the research object. Use the constant head infiltration method to observe the differences in electrical conductivity (EC) and pH of effluent after leaching of soils with different concentrations of sodium salt solution (EC of solutions was 1.96, 4.77, 9.08, 17.25 and 25.06 dS/m, respectively). The results showed that the high concentration salt solution had weaker penetrating ability in red soil, purple soil and clay fluvo aquic soil with higher clay content than paddy soil and sandy fluvo aquic soil with low clay content. The same treatment achieved the same degree of penetration, and acidic soil (red soil, purple soil, paddy soil) can withstand more low quality water. In addition, the migration rate of salinity in the soil was mainly determined by the physicochemical properties of the soil. Soil clay content and exchangeable aluminum content significantly slowed the migration of salinity in the soil, while the soil silt content, EC, pH value and exchangeable calcium and magnesium content promoted the migration of salt in the soil. Salt can easily flow out through alkaline soil (clay fluvo aquic soil and sandy fluvo aquic soil). The maximum change rate of relative EC from the alkaline soil effluent was 36% higher than that of the acidic soil. The concentration of inflow salt had an obvious influence on the relative EC change rate and the penetration process of the red soil effluents, and it mainly affected the relative EC change rate for the purple soil, the clay fluvo aquic soil and the sandy fluvo aquic soil, which mainly affected the lag degree of the penetration process for paddy soil. The Boltzmann fitting showed the infiltration water salt concentration and soil physical and chemical properties had a significant impact on the model parameters (<0.05). Moreover, the degree of soil chemical properties affected by the salt concentration in the infiltration solution was not only related to its own chemical properties, but also had a very significant relationship with the content of powder particles and clay in the soil texture (<0.01). The concentration of salt solution had no significant (> 0.05) effect on the pH value of alkaline soil, and had a greater effect on the pH value of acidic soil. The pH of the effluent decreased by 1.6-2.6 units, of which red soil had the greatest change in pH value, followed by purple soil. The influence of infiltration solution with EC higher than 4.77 dS/m on the stable pH value of soil effluent did not increase substantially. Therefore, when irrigating with low quality water, the salt concentration in the water should be sufficiently limited according to the physicochemical properties of the soil. The research results can serve as reference for reclaimed water irrigation and calculation of water and salt transport in subtropical regions.

soils; leaching; infiltration; effluents; salt solution; breakthrough curve; physicochemical properties

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.013

S153.5; S278

A

1002-6819(2018)-20-0099-09

2018-04-04

2018-07-04

國家自然科學(xué)基金項目（41471185）；湖南省教育廳科學(xué)研究重點項目（15A084）；湖南省重點研發(fā)計劃項目（2016JC2032）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2017B363）

胡傳旺，博士生，主要從事土壤物理與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境研究。Email：huwa0460@163.com

王輝，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤物理與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境研究。Email：wanghuisb@126.com

胡傳旺，王 輝，武 蕓，盧佳宇，李裕元. 再生水鹽分在亞熱帶不同土壤中的遷移特性及其差異[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(20)：99－107. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.013 http://www.tcsae.org

Hu Chuanwang, Wang Hui, Wu Yun, Lu Jiayu, Li Yuyuan. Migration characteristics and its differences of reclaimed water salinity in different subtropical soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 99－107. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.013 http://www.tcsae.org