不同礦化度對層狀土入滲規(guī)律的影響研究

仲軒野，朱成立,2，柳智鵬，王 潔，謝修會

(1.河海大學農業(yè)工程學院，南京 210098；2.南方地區(qū)高效灌排與農業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，南京 210098；3.江蘇省農村水利科技發(fā)展中心，南京 210029；4.連云港市贛榆區(qū)國土資源局，江蘇 連云港 222100)

0 引 言

新疆地區(qū)淡水資源不足，農業(yè)用水占總用水量比例約95%，且當地農業(yè)發(fā)展迅速，對灌溉用水的需求進一步增加[1]。淡水資源不足成為制約新疆地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在我國，微咸水一般指礦化度為2～5 g/L的含鹽水[2]，微咸水已成為淡水資源的重要補充。國內外學者對此進行了大量研究，結果表明在良好的灌排配套條件下微咸水可用于冬小麥、棉花等作物的灌溉[3-5]。

由于人類和自然活動作用，田間土壤常呈現出層狀結構。從構造特征方面來分, 層狀土壤主要可歸為2類：第1類是具有較小滲透性的細質土覆蓋具有較大滲透性的粗質土；第2類是具有較大滲透性的粗質土覆蓋具有較小滲透性的細質土[6]。王文焰[7]、盧修元[8]分別研究2類層狀土壤對入滲的影響，得出層狀特性對土壤入滲、溶質遷移過程有重要影響[9]。因此研究層狀土壤的入滲規(guī)律對研究農田中溶質運移等問題具有重要價值。

目前，已有的研究主要側重于均質土壤不同水質入滲[4,10,11]或層狀土壤淡水入滲[12]，而不同礦化度對層狀土入滲規(guī)律的影響研究較少。本文針對不同礦化度對入滲規(guī)律的影響以及層狀土對入滲特征影響的特點，進行了垂直一維積水入滲試驗，通過觀測累積入滲量、濕潤鋒運移速度、入滲后土壤剖面含水率曲線及含鹽量曲線變化規(guī)律，分析不同礦化度水分在層狀土的入滲規(guī)律，為研究含鹽水在層狀土壤入滲提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年7-9月在河海大學節(jié)水園區(qū)節(jié)水與農業(yè)生態(tài)試驗場內進行，試驗區(qū)地處北緯31°86′，東經118°60′，屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫15.9 ℃，最高氣溫43 ℃，最低氣溫-12.1 ℃，冬冷夏熱、四季分明。

1.2 供試土壤基本性質

供試土壤取自新疆且末縣農二師三十八團團場墾區(qū)，墾區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南緣，北靠沙漠，南依昆侖山，屬大陸性干旱氣候；年平均降雨量15.0 mm，年平均氣溫11.0 ℃左右。根據國際制土壤質地分級標準，供試土壤為沙質壤土和壤土，其基本物理性質見表1。

表1 供試土壤基本物理性質

注：田間持水率以質量百分數計。

1.3 試驗設計

采用高1 m，直徑30 cm有機玻璃桶進行土柱試驗，供試土壤自然風干后過2 mm篩，每層5 cm壓實裝入桶中，表面刮毛后裝入下一層，填土總深度80 cm，壤土夾層厚10 cm，距土表50 cm。土表鋪置濾紙以利于均勻入滲。利用馬氏瓶供水，控制積水深度2 cm，設置4種處理：入滲水礦化度分別為0，1，3，5 g/L。入滲過程中記錄濕潤鋒運移深度和馬氏瓶水位刻度以及對應入滲時間，由此可知濕潤鋒運移深度、累積入滲量隨入滲時間的變化關系。當入滲濕潤鋒到達70 cm深度時停止供水。入滲結束后，每隔10 cm取土測定含水率與含鹽量。

1.4 指標測定方法

土壤含水率采用烘干法測量。土壤浸提液電導率與土壤含鹽量呈顯著正相關關系[13]，因此可以表征土壤中含鹽量。利用水土比為5∶1的浸提法提取土壤浸提液，采用DDS-307電導儀測定電導率。

2 結果與分析

2.1 層狀土累積入滲量隨時間變化特征

為對比入滲水不同礦化度對層狀土入滲特征的影響，將各處理入滲水濕潤鋒到達和穿過夾層土壤界面的時間和累積入滲量列于表2。其中T1為濕潤鋒到達夾層土壤界面的時間，I1為到達夾層界面時的累積入滲量，T2為濕潤鋒穿過夾層時間，I2為穿過夾層的累積入滲量。

表2 濕潤鋒到達夾層界面的時間和累積入滲量

由表2可知：在0～3 g/L礦化度范圍內，礦化度越高濕潤鋒到達和穿過夾層界面需要時間越短，累積入滲量越大；礦化度達到5 g/L，濕潤鋒到達和穿過夾層界面需要的時間增加，累積入滲量減小。入滲水礦化度存在臨界值3 g/L，此時濕潤鋒到達和穿過夾層界面需要的時間最短，累積入滲量最大。

為便于描述，將層狀土入滲過程分為2個階段：第1階段，濕潤鋒達到界面之前，該階段水分運動為均質土層中水分運動；第2階段，濕潤鋒進入夾層內，水分運動與均質土壤中水分運動存在較大差異。各處理累積入滲量隨時間變化曲線見圖1。各處理總體趨勢一致，第1階段累積入滲量與累積入滲時間2者呈非線性關系，第2階段2者符合線性關系。此結論與盧修元[8]、范嚴偉[14]針對第2類層狀土壤夾層對入滲的影響研究結論相符。

圖1 累積入滲量與入滲時間的關系

由圖1可知：在相同入滲時間，礦化度為0～3 g/L時，累積入滲量隨礦化度提高而增大，礦化度大于3 g/L后，累積入滲量反而減小。在濕潤鋒未達到夾層界面前，各處理累積入滲量均隨時間呈非線性變化。入滲開始時，入滲速率快，隨著濕潤鋒向下推進，入滲速率變緩。當濕潤鋒穿過夾層界面后，進入階段2即穩(wěn)滲階段，各處理累積入滲量隨時間呈線性變化，并可用線性關系公式I=a1T+b1描述穩(wěn)滲階段入滲過程。各處理線性關系見表3。

表3 穩(wěn)滲階段I-T線性關系

由表3可知：入滲水礦化度為0～3 g/L，隨礦化度增大，參數a1增大；礦化度為5 g/L時參數a1大于1 g/L時的參數a1，小于3 g/L時的參數a1。即穩(wěn)定入滲階段，入滲水礦化度為3 g/L時，穩(wěn)滲率最大。

在入滲過程中，濕潤鋒到達同一深度時，各處理入滲速率變化曲線見圖2。由圖2可知，當入滲水礦化度不同時，在同一深度，入滲速率V(3 g/L)>V(5 g/L)>V(1 g/L)>V(0 g/L)。在0～3 g/L范圍內，入滲速率與礦化度呈正相關關系，大于3 g/L后入滲速率與礦化度呈負相關關系。表明入滲水礦化度對入滲速率有明顯改變，在0～3 g/L范圍內礦化度的提高有利于促進入滲，大于臨界值3 g/L后不利于提高入滲速率。

圖2 入滲速率與入滲深度關系

2.2 層狀土濕潤鋒隨時間變化規(guī)律

由于夾層界面處水分運移受土壤質地與土水勢不連續(xù)的影響，濕潤鋒推進與時間關系在含夾層土壤與在均質土壤中變化規(guī)律不同[12]。各處理濕潤鋒推進深度與入滲時間關系見圖3。由圖3可知：各處理入滲過程中，在水分未達到夾層界面前，濕潤鋒推進深度與入滲時間呈非線性關系，隨著入滲時間延長，水分進入夾層界面后，濕潤鋒推進深度與入滲時間轉為線性關系。在第1階段，上層土體水分不飽和，濕潤鋒隨時間變化的曲線與在均質土體中相似[8]，當濕潤鋒到達夾層界面時，由于夾層的阻水作用，使上層土壤含水量增大，直到其能量開始大于分界面能量水平，水分才能繼續(xù)入滲，此時進入穩(wěn)滲階段[15]。用線性關系H=a2T+b2描述進入穩(wěn)滲階段濕潤鋒隨時間變化過程，見表4。

圖3 濕潤鋒深度與入滲時間關系

入滲水礦化度/(g·L-1)a2b2R200.181023.3160.996810.182626.4760.995630.210224.1770.998950.209524.4510.9994

由表4可知：在穩(wěn)滲階段，礦化度為0～3 g/L時，斜率a2隨礦化度提高而增大，即入滲速率隨礦化度提高而增大。產生這一現象的主要原因是入滲溶液鹽分濃度增大，增加了土壤含鹽量，擴散雙電子層降低了土壤顆粒間的排斥力，使土壤粒子物理穩(wěn)定性下降，有利于粒子絮凝，提高土壤導水率[9]；但隨入滲水礦化度進一步提高，進入土壤的Na+數量增加，會引起土壤顆粒膨脹和分散，使土壤的透水性變差，因而導致入滲速率下降[16]。

2.3 入滲結束后土壤剖面水分分布特征

為對比各處理對夾層土壤水分分布的影響，將入滲結束后土壤剖面質量含水率記錄于圖4。由于在試驗過程土壤表層積水的存在，土柱表層土壤質量含水率基本達到飽和含水率。

入滲結束后，夾層位置處土壤質量含水率較其他深度更高，符合盧修元[8]在研究沙土中黏土夾層對入滲過程影響中，發(fā)現入滲水穿過分界面在夾層內入滲，濕潤鋒推進單位距離需要更多水量的結果，說明了夾層土壤對水分入滲具有阻滲作用[7,8]。

入滲水在礦化度為0～3 g/L時，各深度土層的土壤質量含水率隨水分礦化度提高而增大，到達5 g/L時，土壤質量含水率反而下降。造成這種現象主要原因是隨著入滲水溶液中鹽分濃度的增大，土壤顆粒間排斥力降低，增強了土壤膠體的凝絮作用，因而土壤持水能力有所增加[17]；隨著入滲水礦化度進一步增大，鹽分離子引起土壤顆粒分散，使土壤的透水性變差，降低持水能力[18]。

2.4 入滲結束后土壤剖面鹽分分布特征

由圖5可知：除礦化度為0的入滲水以外，其他3種礦化度入滲水在入滲過程中均會為土壤帶入額外的鹽分積累。從礦化度為0的水分入滲后鹽分剖面看，上層土體(0～50 cm)含鹽量降低，下層土體(60～75 cm)含鹽量增高，表明上層的土體鹽分被淋洗下行，并在下層土體中積累。3，5 g/L礦化度水分入滲后，上層土體鹽分比0礦化度水分入滲后高，說明隨著入滲水的礦化度提高，入滲水對上層土體有一定淋洗作用，但提高了土壤的整體含鹽量。

圖5 入滲結束后土壤剖面含鹽量隨礦化度變化曲線

3 結 論

以含壤土夾層的沙壤土為研究對象，分析了4種不同礦化度水分對夾層土入滲的影響，包括累積入滲量、入滲速率、濕潤鋒與入滲時間的關系及入滲結束后土壤剖面質量含水率、含鹽量，結果如下。

(1)沙壤土中壤土夾層對不同礦化度水分入滲均有阻滲作用，入滲結束后壤土夾層質量含水率大于其他深度土層，因而壤土夾層有利于入滲結束后土壤水分保持。

(2)水分礦化度為0～3 g/L時，入滲后土壤質量含水率、入滲速率隨礦化度提高而增大；當水分礦化度大于3 g/L時，土壤含水率、入滲速率反而下降。說明礦化度為0～3 g/L時，入滲溶液礦化度提高有利于增大土壤導水能力和持水能力。

(3)各處理水分入滲結束后，土體整體含鹽量與入滲水礦化度有正相關關系。夾層界面以上土體鹽分脫鹽，夾層及下層土體積鹽。