加氧微咸水溶氧量對土壤水鹽運(yùn)移特征的影響

孫 燕 朱夢杰 王全九，2 張繼紅

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 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)

0 引言

中國淡水資源匱乏嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[1]，為了構(gòu)建節(jié)水型社會(huì)，維持國家的長治久安，當(dāng)務(wù)之急就是解決淡水資源匱乏的問題[2]。在擁有豐富微咸水資源的華北、西北旱區(qū)開發(fā)利用微咸水緩減淡水不足問題就顯得極其重要。然而長期利用微咸水灌溉會(huì)使作物根區(qū)的電導(dǎo)率增加，出現(xiàn)堿化現(xiàn)象[3-5]，土地發(fā)生次生鹽堿化，成為影響植物生長和微生物活動(dòng)的主要因素[6-9]。因此，如何防止土壤次生鹽堿化的發(fā)生成為開發(fā)利用微咸水的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

加氧灌溉技術(shù)的可持續(xù)且不破壞生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)使其受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。加氧灌溉技術(shù)是21世紀(jì)初一項(xiàng)通過增加灌溉水中的溶氧量從而提高灌水效率與作物產(chǎn)量的加氧灌溉新技術(shù)。朱艷等[10]通過對加氧淡水灌溉和地下滴灌的對比，揭示了氧氣含量與土壤呼吸速率的關(guān)系，認(rèn)為土壤含氧量是影響土壤呼吸速率的重要因子。有研究表明，加氧灌溉改善了土壤壓實(shí)對土壤的不利影響[11]，而土壤壓實(shí)則直接影響到土壤水分的傳輸和儲存[12]。BHATTARAI等[13]通過曝氣水的地下灌溉試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，加氧灌溉能夠增大土壤的通氣量，改善土壤的通氣性。胡繼杰等[14]通過在化學(xué)加氧和微納米氣泡加氧灌溉條件下的3種不同品種水稻栽培試驗(yàn)，得出采用加氧淡水灌溉可以改善水稻田的土壤氧化還原狀況的結(jié)論。利用加氧淡水灌溉還能增加土壤中N2O的排放[15]以及提高土壤部分酶活性[16]。此外，有研究表明，加氧灌溉技術(shù)改善了鹽分對土壤的不利影響[11]，從而創(chuàng)造出良好的根區(qū)土壤環(huán)境，有利于作物吸收養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長[17-19]。鹽漬土中采用曝氣水進(jìn)行滴灌可以降低鹽分對大豆的毒害，提高大豆的耐鹽性[20]，加氧微咸水灌溉還能提高番茄的耐鹽性[21]，促進(jìn)番茄生長、提高番茄品質(zhì)[22]。謝恒星等[23]通過溫室甜瓜的淡水栽培試驗(yàn)，得出采用2 d 1次的加氧頻率處理的地下滴灌方式的綜合效益最好。綜上所述，加氧灌溉技術(shù)對改善鹽分脅迫、改善作物根際通氣狀況、促進(jìn)作物根系的生長發(fā)育以及提高根系對水分和養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化能力都具有十分重要的意義，此外，由于淡水資源不足，利用微咸水代替淡水進(jìn)行加氧灌溉就顯得刻不容緩。

然而，加氧微咸水入滲對土壤水鹽運(yùn)移特征影響和如何定量分析其入滲過程仍需進(jìn)一步研究分析。本文利用微納米發(fā)泡器對微咸水進(jìn)行不同水平的加氧處理，開展加氧微咸水在鹽堿土入滲條件下的水鹽運(yùn)移及其對入滲模型參數(shù)的影響研究，明確加氧微咸水對土壤入滲特征的影響，為微咸水安全高效利用及鹽脅迫土壤可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣取自陜西鹵泊灘，采集表層0～20 cm土樣。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓，去除雜物過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，土樣物理性砂粒、黏粒體積分?jǐn)?shù)分別為63.58%、36.42%，根據(jù)卡欽斯基土粒分級標(biāo)準(zhǔn)判定為中壤土。試驗(yàn)土壤初始體積含水率為0.022 cm3/cm3，飽和體積含水率為0.472 cm3/cm3，土壤初始含鹽量為5.48 g/kg。

供試微咸水由氯化鈉試劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于99.50%，分析純AR)和自來水配置而成，礦化度設(shè)置為2 g/L，自來水溶氧量約為9.0 mg/L。試驗(yàn)前對微咸水進(jìn)行不同水平的加氧處理，分別為不加氧處理和加氧處理，其中不加氧處理為對照(CK)，加氧處理微咸水溶氧量分別為11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L。加氧處理采用微納米氣泡快速發(fā)生裝置，加氧過程中采用HQ40型便攜式溶氧儀監(jiān)測微咸水溶氧量變化。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年8月在西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用一維垂直土柱入滲系統(tǒng)開展不同加氧水平(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)的微咸水入滲試驗(yàn)，共計(jì)5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)15個(gè)試驗(yàn)土柱。其中溶氧量9.0 mg/L為不加氧處理，作為試驗(yàn)對照(CK)。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)土柱和馬氏瓶，試驗(yàn)土柱采用內(nèi)徑5 cm、高45 cm、壁厚5 mm的有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，在土柱外壁貼有刻度線(刻度值自上往下逐漸減小)，便于試驗(yàn)過程中定量記錄濕潤鋒變化情況。土柱裝土高度設(shè)置為40 cm，以容重1.4 g/cm3分8層(每層5 cm)裝填，并在層與層之間打毛銜接。馬氏瓶為土柱提供穩(wěn)定不變水頭，設(shè)置高度為50 cm。

試驗(yàn)過程中將水頭高度控制在1～2 cm，采用先密后疏原則分別記錄前600 min所對應(yīng)的馬氏瓶內(nèi)水位和土柱內(nèi)濕潤鋒高度，600 min時(shí)停止供水并立即將土柱內(nèi)表層水吸出。入滲結(jié)束后分層取樣，取樣深度分別為0～1 cm、5～6 cm、10～15 cm、濕潤鋒面。采用干燥法((105±2)℃)測定土壤質(zhì)量含水率，通過轉(zhuǎn)換獲得土壤體積含水率。采用DDS-307型電導(dǎo)儀測定水土質(zhì)量比為5∶1的土壤浸提液的電導(dǎo)率，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換獲得土壤含鹽量。

1.3 入滲模型

為了分析加氧微咸水溶氧量對現(xiàn)有入滲模型相關(guān)參數(shù)的影響，分別采用PHILIP入滲模型[24]和代數(shù)入滲模型[25]分析加氧微咸水的入滲特性。

對于均質(zhì)土壤一維積水垂直入滲，PHILIP入滲模型的累積入滲量表達(dá)式為

(1)

式中I——累積入滲量，反映土壤水分入滲前期的入滲能力[26]，cm

S——吸滲率，反映土壤依靠毛管力吸收或者放出水分的能力[27-28]，cm/min0.5

t——入滲時(shí)間，min

因此入滲率公式對應(yīng)為

(2)

式中i——入滲率，cm/min

一維垂直積水入滲的代數(shù)模型既能很好地描述累積入滲量，還能描述積水入滲后不同土層深度的含水率分布，代數(shù)模型具體為

(3)

(4)

式中Zf——濕潤鋒深度，cm

θr——相對不動(dòng)水體積含水率，cm3/cm3

α——非飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線綜合形狀系數(shù)

θ——土壤體積含水率，cm3/cm3

Z——任意土壤深度，cm

θs——土壤飽和體積含水率，cm3/cm3

2 結(jié)果與討論

2.1 加氧微咸水溶氧量對微咸水入滲特征的影響

圖1為不同溶氧量加氧微咸水累積入滲量隨時(shí)間變化過程。由圖1可知，不同溶氧量微咸水(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)累積入滲量隨時(shí)間增加而增加。在入滲時(shí)間相同時(shí)，累積入滲量隨微咸水溶氧量增加呈先增加后減小變化趨勢，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時(shí)土壤累積入滲量最大。溶氧量為11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水累積入滲量相比于不加氧處理分別提高12.64%、18.39%、9.20%，而溶氧量為19.0 mg/L的加氧微咸水累積入滲量相比于不加氧處理降低2.87%。由此可知，微咸水溶氧量為14.0 mg/L的加氧微咸水累積入滲量增加幅度最大。

圖1 加氧微咸水入滲對累積入滲量的影響Fig.1 Effect of oxygenated brackish water infiltration on cumulative infiltration

圖2為不同溶氧量微咸水入滲下濕潤鋒深度隨時(shí)間的變化曲線。由圖2可知，在微咸水不同溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下濕潤鋒深度隨時(shí)間增加而增加，變化規(guī)律與累積入滲量一致。相同入滲時(shí)間下，微咸水加氧處理后，濕潤鋒深度均有不同程度的變化，濕潤鋒深度隨溶氧量增加先增加后減小，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時(shí)濕潤鋒深度最大，19.0 mg/L時(shí)濕潤鋒深度最小。溶氧量為11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度相比于不加氧處理分別增加4.50%、9.00%、4.50%，而溶氧量為19.0 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度相比于不加氧處理降低1.84%，微咸水溶氧量為14.0 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度變化最大。

圖2 加氧微咸水入滲對濕潤鋒運(yùn)移的影響Fig.2 Effect of oxygenated brackish water infiltration on wetting front migration

在微咸水溶氧量9.0、11.5、14.0 mg/L入滲條件下，入滲時(shí)間相同時(shí)，累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量增加而增加，這是由于隨著入滲水溶氧量的增加，增加了濕潤體與未濕潤土壤之間的氧氣濃度差，氧氣濃度差在推動(dòng)氧氣擴(kuò)散的同時(shí)，加速了土壤水分的入滲，或者由于微納米氣泡具有較大的比表面積和表面張力的特點(diǎn)[29]，提高了土壤中水分的運(yùn)動(dòng)速率，因此累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量的增加而增加。在微咸水溶氧量14.0、16.5、19.0 mg/L入滲條件下，入滲時(shí)間相同時(shí)，累積入滲量隨溶氧量增加而減少，這是因?yàn)楸M管氧氣濃度差、較大比表面積和表面張力在一定程度上能夠加速土壤水分入滲，但是氧氣含量增加也加速了氧氣氣泡間的融合，當(dāng)溶氧量超過一定程度時(shí)，產(chǎn)生大氣泡的幾率增加[30]，當(dāng)大氣泡對于土壤水分入滲的阻力作用大于氧氣濃度差對土壤水分的促進(jìn)作用時(shí)，隨著溶氧量的增加累積入滲量和濕潤鋒深度就會(huì)相應(yīng)減小。

2.2 加氧微咸水溶氧量對土壤水鹽分布的影響

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下，不同土層深度(0～20 cm)土壤體積含水率的變化如圖3所示。由圖3可知，土壤含水率隨土層深度的增加而減少，表層土壤的含水率最大，由于入滲時(shí)間較長，表層土壤含水率均接近飽和體積含水率，土壤底層含水率最小，均接近初始體積含水率。相同入滲時(shí)間下，同一土層深度土壤含水率隨著溶氧量的增加基本呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在溶氧量14 mg/L處理，在土壤表層、5、10、15 cm以及濕潤鋒處，溶氧量為14.0 mg/L處理的土壤含水率分別高于對照7.60%、12.90%、18.00%、20.10%、3.00%。溶氧量為9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L的微咸水入滲濕潤體平均含水率分別為0.360、0.380、0.390、0.370、0.350 cm3/cm3，即濕潤體平均含水率隨著溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在14.0 mg/L，高于對照8.33%，最小值出現(xiàn)在19.0 mg/L，低于對照2.78%。

圖3 加氧微咸水入滲對土壤含水率的影響Fig.3 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil moisture content

微咸水溶氧量對土壤含水率分布的影響可能是由于當(dāng)微咸水溶氧量從對照增加至14.0 mg/L時(shí)，進(jìn)入土壤的微納米氣泡在自身增壓破裂時(shí)對土壤顆粒產(chǎn)生一定的沖擊作用[31]，從而導(dǎo)致土壤總孔隙增大，使得更多水分保存下來，土壤含水率增大。而當(dāng)微咸水溶氧量由14.0 mg/L進(jìn)一步增大至19.0 mg/L時(shí)，氧氣含量的增加使微小氣泡融合大氣泡的機(jī)率增加[30]，大氣泡占據(jù)了較大的土壤孔隙，減少了土壤水分所占孔隙，土壤含水率相應(yīng)減少，有研究表明，相對于不加氧灌溉，加氧灌溉使土壤含氧量增加[13]，降低土壤的體積含水率[32]。由此可見，在一定的濃度范圍內(nèi)，加氧微咸水入滲能夠改善土壤水分分布狀況，使更多的水分儲存在作物根區(qū)，有利于作物生長。

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下，不同土層深度含鹽量的變化如圖4所示。由圖4可知，加氧微咸水入滲條件下，含鹽量隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。在濕潤鋒面以上，微咸水加氧處理土壤含鹽量基本小于對照組，不同土層深度含鹽量隨著溶氧量的增加呈先減小后增大的趨勢；在濕潤鋒面處，微咸水加氧處理土壤含鹽量均大于對照組，土壤含鹽量隨著溶氧量的增加呈先增大后減小的趨勢。加氧微咸水入滲下的土壤含鹽量減去對照組土壤含鹽量后與對照組含鹽量相比，如比值為負(fù)值時(shí)定義為相對脫鹽率(%)，比值為正值時(shí)定義為相對積鹽率(%)。由于各處理在0～10 cm土層范圍內(nèi)均表現(xiàn)出脫鹽效果，因此計(jì)算得出0～10 cm土層深度內(nèi)，在不同微咸水溶氧量入滲條件下，土壤相對脫鹽率和相對積鹽率的變化(表1)。由表1可知，0～10 cm土層范圍內(nèi)加氧處理微咸水入滲均表現(xiàn)出相對脫鹽狀態(tài)，平均相對脫鹽率隨著入滲微咸水溶氧量增加分別為-16.4%、-35.4%、-20.1%、-0.2%。由此可見，在一定的濃度范圍內(nèi)，加氧微咸水入滲能提高灌溉水的淋洗脫鹽效率，使大量鹽分淋洗到土壤底層，有利于作物生長。

圖4 加氧微咸水入滲對土壤含鹽量的影響Fig.4 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil salinity

綜上所述，在一定濃度范圍內(nèi)，相比于不加氧處理，加氧微咸水入滲能提高土壤含水率和濕潤體平均含水率，改善土壤水分分布狀況，使更多水分儲存在土壤根區(qū)供作物根系利用；能增大土壤的相對脫鹽率，使更多鹽分淋洗至根區(qū)土壤底部，減少鹽分對作物根系的脅迫作用，從而創(chuàng)造出有利于作物生長的根區(qū)土壤環(huán)境。

2.3 加氧微咸水溶氧量對入滲模型參數(shù)的影響

分別采用PHILIP入滲模型式(1)、(2)和代數(shù)入滲模型式(3)、(4)對加氧微咸水入滲實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得各入滲模型參數(shù)值及決定系數(shù)R2，結(jié)果如表2所示，其中式(3)是將累積入滲量I和濕潤鋒深度Zf的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。通過比較表2中PHILIP模型和代數(shù)模型擬合的決定系數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩模型的平均決定系數(shù)分別為0.975、0.991，兩入滲模型都可以較好描述加氧微咸水入滲過程。

表2 入滲模型擬合參數(shù)及R2Tab.2 Infiltration model fitting parameters and determination coefficient

圖7 土壤含水率理論值與實(shí)測值Fig.7 Theoretical and measured values of soil moisture content

吸滲率S通常能夠反映土壤依靠毛管力吸收水分能力[27-28]，對于PHILIP模型，吸滲率S隨著微咸水溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，表明土壤入滲能力隨著微咸水溶氧量的增加先增大后減少，這與累積入滲量及濕潤鋒的變化規(guī)律一致。當(dāng)微咸水溶氧量為14.0 mg/L時(shí)，吸滲率S最大，高出對照17.10%；當(dāng)微咸水溶氧量為19.0 mg/L時(shí)，吸滲率S較小，低于對照6.90%。將吸滲率與微咸水溶氧量之間的關(guān)系采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，見圖5。擬合結(jié)果顯示，擬合R2為0.958，吸滲率S與微咸水溶氧量之間呈較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合公式為

S=-0.002O2+0.049O-0.047

(5)

式中O——溶氧量，mg/L

圖5 溶氧量對吸滲率的影響Fig.5 Effect of dissolved oxygen content on infiltration rate

對于代數(shù)模型，綜合形狀系數(shù)α隨微咸水溶氧量的增加呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)微咸水溶氧量為14.0 mg/L時(shí)，綜合形狀系數(shù)α最小，低于對照72.20%；當(dāng)微咸水溶氧量為19.0 mg/L時(shí)，綜合形狀系數(shù)α最大，高于對照29.30%。將綜合形狀系數(shù)α與微咸水溶氧量之間的關(guān)系采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，見圖6。擬合R2為0.700，擬合結(jié)果顯示，綜合形狀系數(shù)α與微咸水溶氧量之間呈較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合公式為

α=0.008O2-0.197O+1.406

(6)

圖6 溶氧量對綜合形狀系數(shù)的影響Fig.6 Effect of dissolved oxygen content on overall shape factor

2.4 代數(shù)模型描述加氧微咸水入滲下的土壤含水率剖面準(zhǔn)確性分析

將擬合得到的綜合形狀系數(shù)α代入式(4)可以計(jì)算土壤含水率，計(jì)算土壤含水率和實(shí)測值之間的關(guān)系見圖7。由圖可以看出，含水率剖面計(jì)算值與實(shí)測值比較吻合。為了更好地說明代數(shù)模型的計(jì)算效果，對土壤含水率計(jì)算值和實(shí)測值之間進(jìn)行誤差分析。結(jié)果顯示，隨著溶解氧的增大，各處理的平均絕對誤差分別為2.20%、1.90%、2.00%、0.80%、2.30%，由此可見，代數(shù)模型能夠較為準(zhǔn)確計(jì)算加氧微咸水一維垂直入滲條件下的土壤含水率。

3 結(jié)論

(1)在微咸水不同溶氧量入滲條件下，入滲時(shí)間相同時(shí)，累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量增加先增加后減小，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時(shí)累積入滲量和濕潤鋒深度最大。

(2)相同入滲時(shí)間下，同一土層深度土壤含水率隨著溶氧量的增加基本呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在溶氧量14.0 mg/L處理。此外，相比于不加氧處理，微咸水加氧處理入滲條件下均能提高灌溉水淋洗脫鹽效率。

(3)加氧微咸水入滲條件下代數(shù)模型和PHILIP模型都能較好描述土壤入滲過程。PHILIP模型中吸滲率S隨著微咸水溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在14.0 mg/L，代數(shù)入滲模型中綜合形狀系數(shù)α則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，最小值出現(xiàn)在14.0 mg/L，且代數(shù)模型能夠擬合加氧微咸水一維垂直入滲條件下的土壤含水率。