含鈉鹽量變化對(duì)土壤水分入滲特性影響的試驗(yàn)研究

韓笑，張穎，趙君涵，黃蕊，王洪德，佘冬立*

含鈉鹽量變化對(duì)土壤水分入滲特性影響的試驗(yàn)研究

韓笑1，張穎2，趙君涵1，黃蕊1，王洪德1，佘冬立1*

（1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.南京市江寧區(qū)水務(wù)局，南京 210098）

【】研究土壤含鈉鹽量變化及鈉鹽含量垂向異性對(duì)土壤水分入滲特性的影響，以期為海涂鹽漬土水土資源高效利用與保護(hù)提供理論依據(jù)。設(shè)置土壤含鈉鹽量垂向均質(zhì)及垂向異質(zhì)變化共6個(gè)處理，采用恒定水頭入滲法進(jìn)行土壤水分入滲試驗(yàn)。主要從入滲速率、累積入滲量及濕潤(rùn)峰距離3方面對(duì)土壤水分入滲特性進(jìn)行分析討論與模擬。對(duì)于鹽分分布均勻的土壤，入滲初期水分入滲速率與土壤含鹽量有顯著關(guān)系，但對(duì)于鹽分含鹽量垂直分層土，土壤鹽分含鹽量與水分入滲速率關(guān)系較為復(fù)雜。在相同入滲時(shí)間內(nèi)，鹽分均質(zhì)土累積入滲量隨土壤含鹽量增大呈顯著降低趨勢(shì)；對(duì)于鹽分含鹽量分層土壤，鹽分含鹽量垂向減小土壤累積入滲量大于鹽分濃度垂向增加土壤，且土壤剖面垂向鹽分含鹽量變化對(duì)水分累積入滲量影響相比土壤鹽分含鹽量均勻變化對(duì)入滲過(guò)程的影響更顯著。土壤濕潤(rùn)鋒深度隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)而增大，且在入滲初期速度較快，隨后逐漸緩慢，最后趨于平緩，上層土壤鹽分濃度對(duì)濕潤(rùn)鋒深度影響較大。結(jié)合鹽分均勻變化及垂向異質(zhì)性變化土壤定水頭入滲試驗(yàn)，明確了土壤孔隙水分運(yùn)動(dòng)與鹽分濃度變化的響應(yīng)規(guī)律。土壤垂向理化性質(zhì)改變對(duì)水分入滲過(guò)程具有一定影響，同時(shí)利用Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式和簡(jiǎn)略Philip入滲方程可以較好地?cái)M合該入滲過(guò)程。

土壤水分；土壤鹽分；水分入滲；累積入滲量

0 引 言

水分入滲是田間土壤水分循環(huán)的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)，受土壤初始含水率、土壤質(zhì)地、供水強(qiáng)度和供水水質(zhì)等多種因素影響[1]。在入滲過(guò)程中土壤中高濃度交換性鈉離子對(duì)土壤顆粒有明顯離散作用，其中黏粒的離散將引起土壤孔隙堵塞，導(dǎo)致入滲能力降低。吳忠東等[2]研究表明，由于鈉離子電荷少，半徑相對(duì)較大，水化能較小，鈉離子的存在會(huì)引起土壤顆粒膨脹和分散，在干濕交替作用下改變土壤物理特性。Jefferson等[3]研究了6種不同交換性鈉離子百分比（5%~30%）土壤水力傳導(dǎo)度，發(fā)現(xiàn)交換性鈉離子百分比降低會(huì)引起水力傳導(dǎo)度增大。Michael等[4]通過(guò)鹽分淋濾試驗(yàn)研究了鹽離子減少水力傳導(dǎo)度機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鹽離子使土壤產(chǎn)生膨脹效應(yīng)從而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體崩解和大孔隙堵塞。由于濱海圍墾區(qū)在成陸過(guò)程中受海水摻雜影響，地下水水位和化學(xué)組成變化劇烈，使土體的化學(xué)組成、空間結(jié)構(gòu)或物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，土壤鹽分異質(zhì)性增加，嚴(yán)重制約了沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)[5]。因此，研究不同含鈉鹽量土壤入滲特性對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用圍墾區(qū)土地資源具有重要意義。

目前，多數(shù)研究集中于鹽分對(duì)土壤物理機(jī)械、水力特性和入滲過(guò)程的影響，未深入拓展到土壤鹽分非均勻分布條件下孔隙水流如何運(yùn)動(dòng)。本文采用恒定水頭入滲試驗(yàn)，研究不同鈉鹽含量土壤以及含鈉鹽量垂向變化土壤入滲特性，以期對(duì)海涂鹽漬土含鹽量垂向異性對(duì)孔隙水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響機(jī)制研究提供必要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)土壤采自江蘇省南通市如東縣九龍墾區(qū)，墾區(qū)地理坐標(biāo)為32°12'—32°36' N，120°42'—121°22'E，瀕臨黃海，屬典型粉砂淤泥質(zhì)土壤。該區(qū)地勢(shì)平坦，于2007年圍墾，未種植作物，除個(gè)別耐鹽植物外，全為裸露地面。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干，去除石塊等雜質(zhì)后過(guò)1 mm篩備用。利用不同濃度NaCl溶液與土樣進(jìn)行充分拌和風(fēng)干，用體積比為2∶1的土水比將供試土樣分別配置成含NaCl量為0、0.71、1.43、3.57 g/kg的不同鹽分量土壤。

試驗(yàn)在河海大學(xué)江寧試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。采用恒定水頭入滲法測(cè)定入滲過(guò)程。試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)土柱和供水裝置構(gòu)成，土柱直徑5 cm，高39 cm，填土深度為30 cm。試驗(yàn)處理見(jiàn)表1，其中處理5與處理6以深度15 cm為分界線，分別在上、下層填入2種不同鹽分濃度土壤以表現(xiàn)鹽分垂直異變性。在土柱底部留有排氣孔以便消減土柱中氣體壓縮對(duì)水分入滲阻力作用。采用去離子水進(jìn)行入滲試驗(yàn)，并用馬氏瓶將水位控制在28 mm左右。根據(jù)試驗(yàn)處理，將供試土壤按照1.40 g/cm3體積質(zhì)量分層（每層5 cm）均勻裝入有機(jī)玻璃柱內(nèi)。有機(jī)玻璃柱底部填放紗布，防止土樣流失。土柱表面填放濾紙，防止表層土壤受到強(qiáng)烈沖擊而變形。在試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)記錄入滲距離和累積入滲量，當(dāng)濕潤(rùn)峰到達(dá)土柱最底部時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。入滲開(kāi)始后，按照先密后疏原則選取時(shí)間點(diǎn)記錄馬氏瓶刻度及濕潤(rùn)峰刻度。試驗(yàn)結(jié)束后迅速按照分層原則，每隔5 cm取土樣，利用烘干法測(cè)定土樣含水率。每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用SPSS及Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)擬合計(jì)算。

表1 試驗(yàn)分層土壤含鹽量

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分變化對(duì)水分入滲速率影響

由圖1可以看出，土壤鹽分濃度變化條件下水分入滲速率差異顯著。在開(kāi)始入滲后1~20 min時(shí)段內(nèi)，4種含鹽量土壤水分入滲速率差異明顯。其中處理1平均入滲速率最高，而處理4平均入滲速率最低，該時(shí)段內(nèi)入滲速率與土壤含鹽量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而入滲后21~156 min內(nèi)，土壤水分入滲速率同含鹽量無(wú)顯著關(guān)系。入滲初始時(shí)段，土壤含水率較低，土壤中離子與表面顆粒相互作用較弱，此時(shí)溶質(zhì)勢(shì)作用較小，入滲速率主要由基質(zhì)勢(shì)決定[6]，可能與所形成土壤溶液中鈉離子濃度相關(guān)[7]。交換性鈉離子可以改變土壤中大顆粒膠體，使其分散為小顆粒膠體，從而增大了土壤吸附性，減緩?fù)寥浪秩霛B速率；土壤溶液中鈉離子濃度越高，入滲速率越低。隨入滲時(shí)間增長(zhǎng)，入滲速率趨于穩(wěn)定，土壤重力勢(shì)會(huì)顯著增大，此時(shí)其主要受重力勢(shì)控制，由于入滲時(shí)各處理水頭一致，均為2.8 cm，因此入滲后期各處理土壤水分入滲速率趨于一致。

圖1 均質(zhì)土壤入滲速率隨時(shí)間變化

圖2為不同鹽分土壤垂直分層處理入滲速率隨時(shí)間變化規(guī)律。由圖2可知，在開(kāi)始入滲后1~30 min時(shí)段內(nèi)，水分運(yùn)動(dòng)與土壤溶液中鹽分濃度有較大關(guān)系，處理5入滲速率明顯大于處理6；在30~50 min時(shí)段內(nèi)，入滲速率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，但處理6入滲速率大于處理5，可能是由于處理6上層土壤含鹽量較大，土壤溶液中陽(yáng)離子被吸附在土壤黏粒表面，使土壤團(tuán)粒更加緊實(shí)，增大了土壤孔隙率[8]，使土壤滲透力變強(qiáng)，入滲速率增加；水分入滲持續(xù)50 min之后，從圖中可知處理6土壤入滲速率顯著高于處理5，這是由于處理6下層土壤含鹽量低于處理5，水分入滲速率隨土壤含鹽量減小而增加。在不同鹽分土壤垂直分層處理下對(duì)土壤入滲速率變化研究表明，水分入滲速率與土壤鹽分濃度有一定聯(lián)系，土壤含鹽量增加，水分入滲速率隨之減小，不同鹽分分層土壤入滲速率與各層土壤含鹽量密切相關(guān)。

圖2 分層土壤入滲速率隨時(shí)間變化

2.2 土壤鹽分變化對(duì)累積入滲量影響

圖3顯示6種處理下土壤累積入滲量隨入滲時(shí)間變化。對(duì)于鹽分均質(zhì)土壤進(jìn)行60 min入滲后，土壤含鹽量由低到高不同處理累積入滲量依次為6、4.5、4.0、3.3 cm。在相同入滲時(shí)間內(nèi)，累積入滲量隨土壤含鹽量增加而減小,這一結(jié)果也與吳忠東等[2]模擬結(jié)果一致。這主要是因?yàn)樵谌霛B過(guò)程中土壤孔隙水中高濃度交換性鈉離子對(duì)土壤顆粒有明顯離散作用，而黏粒離散引起土壤孔隙堵塞，導(dǎo)致土壤入滲能力和水力傳導(dǎo)度降低，從而降低土壤入滲能力[9]。

圖3 鹽分均質(zhì)土壤累積入滲量與時(shí)間關(guān)系

圖4 鹽分垂向變化土壤累計(jì)入滲量與時(shí)間關(guān)系

對(duì)于含鹽量垂向變化土壤，在相同入滲時(shí)間內(nèi)，含鹽量垂向減小的土壤累積入滲量大于鹽分濃度垂向增加的土壤。在入滲60 min后，含鹽量垂向減小土壤累積入滲量為6.1 cm，與處理1累積入滲量基本一致；而含鹽量垂向增大土壤累積入滲量為2.4 cm，與其他處理相比為最小值，表明土壤含鹽量分層變化對(duì)土壤累積入滲量影響大于土壤含鹽量均勻變化對(duì)累積入滲量影響。在入滲初始階段，含鹽量垂向減小和垂向增大土壤累積入滲量差別并不顯著，但隨入滲時(shí)間增長(zhǎng)，二者累積入滲量差值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。這表明含鹽量垂向減小土壤在水分入滲情況下，土壤中部分鹽溶于水中，增大土壤水分礦化度，在一定范圍內(nèi)隨著入滲水礦化度增加，累積入滲量也隨之增加[10]。同時(shí)，由于部分鹽溶于水中，含鹽量下降，土壤入滲速率也有增加趨勢(shì)。

采用Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式分別對(duì)入滲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合：

=1-a， （1）

=1-a， （2）

式中：為入滲速率（mm/min）；1為第一時(shí)間單位末時(shí)的入滲速率（mm/min）；為入滲歷時(shí)（min）；為累積入滲量（mm）；模型中為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù)，其意義為入滲開(kāi)始后第一個(gè)單位時(shí)段末的累積入滲量，在數(shù)值上等于第一個(gè)單位時(shí)段內(nèi)的土壤平均入滲速率（mm/min）；為經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù)，反映土壤入滲能力的衰減速度。入滲初始階段，Kostiakov入滲模型中參數(shù)起主導(dǎo)作用。隨著入滲過(guò)程的進(jìn)行，入滲模型中參數(shù)則成為影響入滲大小的主要因素。值大小主要取決于因土地濕潤(rùn)而引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變[11]。值越大，入滲能力衰減速度越快，反之則越慢；將反映整個(gè)入滲過(guò)程。擬合結(jié)果見(jiàn)表2，在置信區(qū)間為95%的水平上，相關(guān)系數(shù)2均在0.98以上，擬合精度較高。

表2 Kostiakov入滲公式對(duì)不同處理擬合結(jié)果

2.3 土壤鹽分變化對(duì)濕潤(rùn)峰距離的影響

濕潤(rùn)峰為入滲過(guò)程中土壤濕潤(rùn)區(qū)前緣，指示水分入滲最大深度。水分入滲過(guò)深易產(chǎn)生深層滲漏，過(guò)淺則不能滿足作物根系吸水要求，因此研究入滲過(guò)程中濕潤(rùn)峰推移過(guò)程對(duì)于農(nóng)田灌排具有重要指導(dǎo)意義[12]。土壤濕潤(rùn)深度變化隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)而增大，且在入滲初期速度較快，之后逐漸變緩并趨于穩(wěn)定（圖5），其主要原因是入滲初期土體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生較大變化，入滲過(guò)程主要靠基質(zhì)勢(shì)梯度和重力勢(shì)梯度影響作用進(jìn)行，隨入滲過(guò)程進(jìn)行，在入滲水頭和重力作用下，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表層土壤顆粒發(fā)生消散和分散，并受壓力而緊密，減小土壤孔隙，同時(shí)土壤含水率逐漸增大，土壤吸力逐漸減小[13]，進(jìn)而土壤導(dǎo)水性和透水性相對(duì)減弱，也就使土壤水分輸運(yùn)速度減慢。

在含鹽量無(wú)分層情況下，相同入滲時(shí)間內(nèi)，含鹽量高土壤水分入滲距離明顯較小，其主要原因是入滲過(guò)程中高濃度交換性鈉離子對(duì)土壤的離散作用使得孔隙堵塞，導(dǎo)致入滲能力降低。土壤鹽分垂直分層情況下，會(huì)明顯改變土壤水分入滲特性。在相同入滲時(shí)間內(nèi)，含鹽量垂向增大土壤處理下土壤水分入滲距離最大、其次為低含鹽量均質(zhì)土壤處理、含鹽量垂向減小土壤處理和高含鹽量均質(zhì)土壤處理。結(jié)果表明，上層土壤含鹽量對(duì)入滲濕潤(rùn)鋒深度影響較明顯，而下層土壤含鹽量對(duì)入滲濕潤(rùn)鋒深度影響較小。

圖5 不同處理下濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化

根據(jù)Philip垂直入滲方程的冪級(jí)數(shù)解的前2項(xiàng)對(duì)濕潤(rùn)峰和入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合：

=1/2+χ， （1）

式中：和是含水率函數(shù)，右邊第一項(xiàng)表示重力場(chǎng)未起作用下的入滲，反映基質(zhì)勢(shì)梯度變化對(duì)入滲的影響，第二項(xiàng)可看作基質(zhì)勢(shì)梯度引起的重力對(duì)吸收增強(qiáng)的修正項(xiàng)[14]。

從表3可以看出，簡(jiǎn)略的Philip入滲方程的冪級(jí)數(shù)解可以很好地?cái)M合不同鹽分量土壤的濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化過(guò)程，擬合的參數(shù)和變化規(guī)律表明：隨均質(zhì)土壤含鹽量增加，基質(zhì)勢(shì)梯度有逐漸減少的趨勢(shì)；在土壤含鹽量分層的情況下，基質(zhì)勢(shì)梯度大小依次為處理5>處理1>處理6>處理3；重力作用隨著土壤含鹽量變化無(wú)明顯差異。

表3 不同鈉鹽含量土壤濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化擬合結(jié)果

3 討 論

研究表明，土壤水力特性同樣也會(huì)受到土壤中鹽分及其鹽化學(xué)效應(yīng)影響[15]。根據(jù)非飽和土壤達(dá)西滲流定律可知，土壤水分入滲量取決于土壤水力傳導(dǎo)度和土水勢(shì)梯度[11]，而不同含鈉鹽量土壤主要通過(guò)影響土壤孔隙大小和分布來(lái)影響水力傳導(dǎo)度。牛文全等[16]認(rèn)為由于入滲水礦化度不同，土壤孔隙特征會(huì)發(fā)生差異性變化，從而導(dǎo)致土壤水分運(yùn)動(dòng)通道的差別，最終造成土壤濕潤(rùn)體體積的差異。任長(zhǎng)江等[8]研究表明土壤中含交換性鈉離子量對(duì)水分運(yùn)動(dòng)有顯著影響。土壤中含交換性鈉離子量增加，使土壤膠體擴(kuò)散雙電層厚度和電動(dòng)電位增加，而高電動(dòng)電位導(dǎo)致土壤黏粒分散性增加、團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，較短時(shí)間內(nèi)引起土壤中大孔隙和小孔隙破壞，進(jìn)而影響水分運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致土壤導(dǎo)水性能降低；同時(shí)，土壤中大顆粒膠體分散成眾多小顆粒膠體，膠體越小單位土壤膠體表面積越大，表面能越高，吸附能力越強(qiáng)，吸水、保水性能越強(qiáng)，相應(yīng)的入滲能力越弱[17]。張彤煒等[18]通過(guò)對(duì)滲透系數(shù)與孔隙水鹽分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤比例系數(shù)隨滲透吸力線性增加。土壤中含鈉鹽量升高，使得土壤滲透吸力增大，比例系數(shù)隨滲透吸力線性增加，而含鈉鹽量增加使土壤孔隙堵塞，孔隙比減小，因此滲透系數(shù)減小，導(dǎo)致水分滲透速率減緩。相關(guān)研究表明，隨著土壤中含鈉鹽量變化，土壤中水力傳導(dǎo)特性會(huì)發(fā)生顯著變化[19]。入滲初期，進(jìn)入土壤中的水分較少，表層土壤大孔隙先充滿水，因而鈉吸附比影響作用不大，隨著水分在重力作用下向深層土壤入滲，隨土壤中交換性鈉的增加，引起土壤顆粒的膨脹和分散，被分散的黏粒隨入滲進(jìn)入土壤孔隙連續(xù)體中，引起土壤孔隙的堵塞，極大地改變孔隙大小分配使土壤的透水性變差，導(dǎo)致入滲能力和水力傳導(dǎo)度降低，反映在Kostiakov入滲模型中，則表現(xiàn)為隨土壤中鈉鹽含量變化，/逐漸減小。

4 結(jié) 論

1）初始含鹽量垂向減小的土壤入滲速率和累積入滲量普遍大于初始含鹽量垂向增大的土壤。初始含鹽量垂向增大土壤相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)峰大于初始含鹽量垂向減小土壤，這表明土壤垂向理化性質(zhì)改變對(duì)入滲有一定影響。利用Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式在置信區(qū)間為95%水平上對(duì)入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)2值均在0.98以上，擬合精度較高。

2）初始含鹽量垂向不變土壤，隨含鹽量增大其相同入滲時(shí)間內(nèi)入滲速率、累積入滲量和濕潤(rùn)峰都有減小趨勢(shì)。

3）利用簡(jiǎn)略Philip入滲方程冪級(jí)數(shù)解可以很好擬合不同含鈉鹽量土壤濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化過(guò)程。

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Spatial Distribution of Sodic Salt in Soil Affects Water Infiltration

HAN Xiao1, ZHANG Ying2, ZHAO Junhan1, HUANG Rui1, WANG Hongde1, SHE Dongli1*

(1. College of Agricultural Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Jiangning Water Resources Bureau of Jiangsu Province, Nanjing 210098, China)

【】Soil salinity and sodicity is a ubiquitous abiotic stress affecting agricultural production worldwide. Understanding how sodic salt content modulates water flow in soil can help improve soil management. The objective of this paper is to elucidate the effects of sodic salt content and its spatial distribution on water infiltration.【】The experiment compromised six treatments, with the sodic salt distributing either homogenously or heterogeneously in the soil profile. In each treatment, we measured water infiltration using the constant-head method and then compared the infiltration rate, cumulative infiltration and advance of the wetting front between the treatments.【】When sodic salt distribution was homogenous, water infiltration rate was related to soil salinity at significant level and the cumulative infiltration decreased with soil salinity, while when the sodic salt was heterogeneous, water movement in the soil was more complicated. Water infiltrated faster when salt content decreased downwards along the soil profile than when salt content decreased upwards. When overall salt content was the same, heterogeneous salt distribution affected cumulative water infiltration more significantly than homogenous salt distribution. The advance of the wetting front in the soil increased with infiltration time, but the infiltration rate decreased asymptotically to a constant as time elapsed. Salt in the top soil affected the advance of the wetting more than salt in the subsoil. 【】Our experimental results revealed that water infiltration in saline soil was affected not only by soil salinity but also by how the salt was distributed in the soil profile. Water movement is more intriguing when salt distribution was heterogenous than when it was homogenous.

soil moisture; soil salinity; water infiltration; cumulative infiltration

S152.7+2； S156.4+2

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190152

1672 - 3317（2020）01 - 0061 - 06

2019-03-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471180；51679062）；江蘇省國(guó)土資源科技項(xiàng)目（KJXM2017032）

韓笑（1998-），女。主要從事農(nóng)業(yè)水土過(guò)程與高效灌排研究。E-mail：18262631736@163.com

佘冬立，男。教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：shedongli@hhu.edu.cn

韓笑, 張穎, 趙君涵, 等. 含鈉鹽量變化對(duì)土壤水分入滲特性影響的試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(1):61-66.

HAN Xiao, ZHANG Ying, ZHAO Junhan, et al. Spatial distribution of sodic salt in soil affects water infiltration [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 61-66.

責(zé)任編輯：韓 洋