凍融循環(huán)下不同水質(zhì)對(duì)壓砂礫石元素淋溶影響

李王成,趙研,王霞,王雙濤,李晨,王興, 董亞萍

(1. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021; 2. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,寧夏 銀川 750021; 3. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

在中國(guó)西北干旱地區(qū),為了減少土壤水分的蒸發(fā),廣大勞動(dòng)人民集結(jié)智慧、就地取材,發(fā)展了一種以砂石作為覆蓋材料的旱作覆蓋技術(shù)——壓砂地.壓砂地能有效減小地表產(chǎn)流、增加雨水入滲和抑制土壤水分蒸發(fā)、蓄水保墑,同時(shí)能夠起到增溫保溫等作用[1].目前,寧夏地區(qū)壓砂地的面積逐年增加,截至2016年,當(dāng)?shù)貕荷懊娣e已有約6.67×104hm2[2].壓砂地種植枸杞、紅棗、西瓜等作物,為當(dāng)?shù)厝嗣駝?chuàng)造的經(jīng)濟(jì)收入相當(dāng)可觀,已成為發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)不可或缺的一部分[3].

淋溶作用是指一種由于雨水天然下滲或人工灌溉，上層的某些礦物鹽類或有機(jī)物質(zhì)溶解并轉(zhuǎn)移到下層中的作用，是地表一種重要的風(fēng)化作用. SONG 等[4]根據(jù)地球化學(xué)行為將元素劃分為3類淀積元素,即從剖面上部淋溶帶遷出并富集于剖面中部淀積帶的元素淋溶元素、從風(fēng)化剖面中遷出而沒有發(fā)生再富集的殘留元素、在風(fēng)化過程中不發(fā)生明顯遷移的元素.李徐生等[5]對(duì)鎮(zhèn)江下蜀土剖面的元素淋溶特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)絕大部分常量元素表現(xiàn)為遷移淋失,僅Fe和Ti輕微富集.

關(guān)于凍融循環(huán)試驗(yàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量工作,發(fā)現(xiàn)凍融作用是影響巖石的力學(xué)特性、降低巖石荷載能力的最主要因素[6].徐光苗等[7]認(rèn)為凍融循環(huán)對(duì)巖石風(fēng)化程度起決定性影響.但是,目前關(guān)于凍融循環(huán)的研究多集中在巖石力學(xué)特性方面，對(duì)壓砂礫石的研究并不多見.壓砂地一次鋪成,多年耕作,形成了其特殊的田間微環(huán)境,水分、養(yǎng)分、元素活動(dòng)等均不同于常規(guī)裸地,是另外一個(gè)多學(xué)科綜合的系統(tǒng)工程[8].壓砂礫石的鋪設(shè)不僅影響了土壤下滲蒸發(fā)規(guī)律、土壤熱量平衡等其他土壤理化性質(zhì),同時(shí)壓砂礫石凍融循環(huán)過程中元素在水分淋溶作用下隨灌溉水進(jìn)入土壤,改變土壤原有溶質(zhì)體系的運(yùn)移狀態(tài)[9].盡管目前壓砂地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展引起了許多學(xué)科研究學(xué)者的關(guān)注,但大多主要集中礫石覆蓋對(duì)水分蒸發(fā)和下滲及土壤鹽分運(yùn)移等方面的物理作用,對(duì)于凍融循環(huán)下不同水質(zhì)壓砂礫石元素淋溶釋放研究的結(jié)果還比較少見.當(dāng)?shù)毓喔人梦⑾趟约昂涠镜膬鋈谧饔脤?duì)壓砂礫石風(fēng)化過程中各種元素遷移產(chǎn)生了怎樣的影響,從而如何作用于當(dāng)?shù)赝寥腊l(fā)育與作物生長(zhǎng)仍然未知.

因此,文中研究壓砂礫石在凍融循環(huán)作用下不同水質(zhì)對(duì)其元素淋溶規(guī)律的影響,對(duì)提高土壤質(zhì)量、改善和增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 研究點(diǎn)概況

研究點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)(105°15′E, 36°06′N)，海拔1 697.8 m.香山地區(qū)位于騰格里沙漠邊緣，是寧夏壓砂地主要分布區(qū)和中國(guó)最大的壓砂瓜種植基地.該區(qū)域年平均溫度7.0～8.5 ℃，年均降水量200 mm左右，5—8月降水量占全年降水量的59%，年均蒸發(fā)量2 300 mm 以上，無霜期140～150 d.具有干旱區(qū)域干旱少雨且蒸發(fā)量大的典型氣候特點(diǎn)，是典型的極度干旱區(qū).

1.2 試驗(yàn)材料

壓砂礫石是指在海拔1 200～1 800 m，坡度≤25°，土層厚度≥80 cm，有機(jī)質(zhì)含量≥0.6% 的灰鈣土或沙壤土土壤上鋪壓的礫砂混合物10～15 cm(礫/砂混合比例為10∶1).試驗(yàn)樣品為綠色板巖壓砂礫石(10～30 mm)，結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%，地質(zhì)年代為奧陶系,其巖性為灰綠-深灰色板巖.冷凍設(shè)備為美菱冰箱(冷凍室)，加熱設(shè)備為電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱.

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及方法

元素含量用檢測(cè)Vario EI Ⅲ元素分析儀和Agilent ICP-OES 720 離子色譜儀等儀器.淋溶液電導(dǎo)率用DDS-307A電導(dǎo)率儀測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水元素含量測(cè)定結(jié)果

微咸水是指含鹽量0.2%～0.5%的水或礦化度為2～5 g/L的水.中國(guó)微咸水資源分布廣泛,主要分布在易發(fā)生干旱的華北、西北以及沿海地帶.研究選取寧夏中衛(wèi)地區(qū)當(dāng)?shù)毓喔扔梦⑾趟M(jìn)行檢測(cè).通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)所采用的當(dāng)?shù)毓喔扔梦⑾趟畼悠饭灿?8種元素組成,其中金屬元素有8種,分別為K，Na，Ca，Mg，Sr，Mn，Ba，Mo,其余為非金屬元素,分別為O，Si，C，Cl，H，N，Br，S，B，F(xiàn)，如表1所示，表中σ為含量.

表1 微咸水元素含量表

從表1可以看出當(dāng)?shù)匚⑾趟睾恐?大量元素含量所占比例為36.93%；微量元素含量所占比例為3.92%；有益元素含量所占比例為23.41%；其他元素所占比例為36.60%.不難看出,微咸水灌溉雖然不適宜人類飲用,但是其中的微量元素和有益元素含量不低.且中國(guó)有大量可供開采利用的微咸水資源,如果能夠因地制宜,結(jié)合植物的生長(zhǎng)特性進(jìn)行適量的灌溉微咸水,可以為植物補(bǔ)充缺乏的微量元素.

2.2 不同水質(zhì)對(duì)礫石元素淋溶的影響分析

將2組壓砂礫石分別用500 mL的蒸餾水和當(dāng)?shù)匚⑾趟谟袡C(jī)玻璃桶中自然浸泡48 h,保證完全沒過礫石.將過濾干凈裝有礫石的有機(jī)玻璃桶放入已達(dá)到設(shè)置溫度冰箱冷凍室(烘箱)內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)(融解),凍結(jié)(融解)時(shí)間為6 h,溫度設(shè)置為±20±2 ℃.探索不同水質(zhì)對(duì)壓砂礫石元素淋溶的影響.在相同凍融循環(huán)次數(shù)N下,蒸餾水和微咸水處理下礫石元素淋溶總量σ如圖1所示.

Fig.1 Leaching amount of elements in gravel in different water treatments

從圖1可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,無論是微咸水還是蒸餾水處理,其元素淋溶總量都呈增加趨勢(shì),可見隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,壓砂礫石淋溶元素總量呈增加的趨勢(shì).

通過定期測(cè)定蒸餾水凍融循環(huán)處理(ZLS)和微咸水凍融循環(huán)(WXS)礫石淋溶液的電導(dǎo)率如圖2所示,圖中M補(bǔ)為補(bǔ)水量，EC為淋溶液電導(dǎo)率.

圖2 不同水質(zhì)處理下EC值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化圖

Fig.2 Variation of EC with freeze-thaw cycles in different water treatments

從圖2可以看出,蒸餾水(ZLS)溶液電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì),在每次取樣補(bǔ)水后電導(dǎo)率值有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì),其波動(dòng)谷點(diǎn)與每次取樣補(bǔ)水谷點(diǎn)也吻合.在每次取樣加水后溶液電導(dǎo)率都呈上升趨勢(shì),其主要原因是在凍融循環(huán)過程中礫石浸泡溶液水分蒸發(fā)的損耗(16.47 mL/d),同時(shí),礫石在凍融循環(huán)過程中其中的礦質(zhì)元素離子不斷進(jìn)入到溶液引起其離子總量的增加.微咸水處理(WXS)的溶液電導(dǎo)率整體也呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì),波動(dòng)谷點(diǎn)與每次取樣補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)也吻合.溶液電導(dǎo)率整體也呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì)的原因主要是每次取樣加水對(duì)溶液的稀釋程度遠(yuǎn)大于水分蒸發(fā)的損耗(8.80 mL/d)和凍融循環(huán)過程中礦質(zhì)元素離子釋放所引起的溶液離子增加程度.從數(shù)值上,微咸水處理的礫石浸泡液電導(dǎo)率值變化較大,在2 000～6 500 μS/cm內(nèi).溶液電導(dǎo)率整體呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)則證明在取樣和水分補(bǔ)充過程中,溶液離子濃度總體仍呈現(xiàn)增加趨勢(shì),間接證明了元素通過淋溶過程釋放.說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,淋溶液中的離子在不斷增加.

2.3 礫石釋放元素變化規(guī)律

作物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中需要不斷地從外界吸取養(yǎng)分,即獲得為構(gòu)成機(jī)體所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素,可以將其分為必需元素和有益元素.根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的推薦,作物需要營(yíng)養(yǎng)元素[10]共16種,其中大量元素：C，H，O，N，P，S，K，Mg，Ca,微量元素:Fe，Mn，Cu，B，Zn，Mo，Cl，有益元素：Na，Si，Co.這些元素雖然在植株體內(nèi)的含量有多有少,但各有其獨(dú)特作用,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用,是植物生長(zhǎng)過程中必不可少的.

對(duì)完成50次循環(huán)試驗(yàn)的蒸餾水處理(處理ZLS)和微咸水處理(處理WXS)的礫石淋溶液取樣檢測(cè),并按照大量元素、微量元素、有益元素進(jìn)行分類如圖3所示.

圖3 處理WXS，ZLS下礫石各類元素累計(jì)釋放量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化圖

Fig.3 Variation of cumulative amount of released elements in gravel against number of freeze-thaw cycles in WXS and ZLS treatments

從圖3可以看出，通過比較處理ZLS和處理WXS可以看出，大量元素處理ZLS溶液元素累積淋溶量(326.30 mg/L)高于處理WXS(224.26 mg/L).就微量元素而言，處理ZLS(3.33 mg/L)略低于處理WXS(3.67 mg/L)，這可能是由于處理WXS比處理ZLS多淋溶出一種元素Mn(見圖3)；就有益元素而言，處理ZLS(9.87 mg/L)高于處理WXS(6.14 mg/L).總體上，處理ZLS的元素累積淋溶量高于處理WXS，這可能是由于微咸水中的鹽分離子濃度相對(duì)較高，從而導(dǎo)致淋溶過程中滲透壓較小，元素淋溶釋放減弱.

大量元素、微量元素、有益元素是按照各元素所在植物干物質(zhì)中質(zhì)量比來劃分的,但是各個(gè)元素的水溶性,活動(dòng)性都具有較大的差異,在試驗(yàn)過程中,不同元素的釋放量也具有較大的差異.因此,為了深入了解壓砂礫石在處理ZLS和WXS下,隨凍融循環(huán)次數(shù)淋溶釋放量的變化情況,將各處理溶液中大量元素、微量元素、有益元素釋放量作圖,如圖4所示.

圖4 處理WXS，ZLS下礫石各元素累計(jì)釋放量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化圖

Fig.4 Variation of cumulative of released elements in gravel against number of freeze-thaw cycles in WXS and ZLS treatments

從圖4可以看出，處理WXS，ZLS下礫石淋溶液中大量元素、有益元素所包含的元素種類及其釋放量的變化趨勢(shì)比較接近.7種大量元素中C元素的釋放量最大，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，累計(jì)釋放量逐漸增大.處理ZLS下的釋放量(618.00 mg/L)大于處理WXS(290.80 mg/L).除此之外，N的釋放量也比較大，其次分別是Ca，S，K，Mg，P元素.微量元素中，處理WXS較處理ZLS多一種Mn元素，但其釋放量較少(0.08 mg/L).其中釋放量最大的為Cl元素，處理ZLS下的釋放量(3.22 mg/L)大于處理WXS(2.43 mg/L).2種有益元素中Na元素的釋放量較大，而Si的累計(jì)釋放量增加速度較慢一些.

比較處理ZLS和處理WXS可以看出，在試驗(yàn)各個(gè)階段，處理ZLS溶液各類元素累積釋放量均高于處理WXS.這可能是由于微咸水中的鹽分離子濃度相對(duì)較高，從而導(dǎo)致淋溶過程中滲透壓較小，元素淋溶釋放減弱.

3 結(jié) 論

1) 試驗(yàn)過程為了貼近大田實(shí)際情況,采用當(dāng)?shù)毓喔扔梦⑾趟M(jìn)行試驗(yàn).微咸水中元素種類和含量都不低,外源元素的引入較多, 因此可在排除外源引入的基礎(chǔ)上,設(shè)置其他水質(zhì)的凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的探索.

2) 當(dāng)水質(zhì)相同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其元素淋溶總量都呈增加趨勢(shì).說明在水分的參與下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,壓砂礫石在反復(fù)的凍脹消融作用下會(huì)通過淋溶作用不斷地向淋溶液中釋放元素.

3) 在凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，不同元素的釋放量具有一定差異，但總體上處理ZLS各個(gè)元素累積量(957.90 mg/L)高于處理WXS(511.59 mg/L)，即微咸水在一定程度上抑制元素淋溶釋放.這可能是因?yàn)槲⑾趟宣}分離子濃度較高，從而導(dǎo)致淋溶過程中元素的滲透壓較小,導(dǎo)致元素淋溶釋放減弱.微咸水雖然一定程度上抑制元素淋溶釋放,但是其本身所含的微量元素和有益元素含量不低，且微咸水處理釋放的元素?cái)?shù)量和種類亦不可忽略.

4) 不同含水率水平壓砂礫石凍融循環(huán)過程可能存在一定差異.試驗(yàn)中凍融循環(huán)過程,采用的是完全浸水方法,所測(cè)的結(jié)果僅能代表壓砂礫石自然飽水狀態(tài)下的凍融循環(huán)元素釋放規(guī)律.