咸水/微咸水入滲對土壤滲透性和鹽分陽離子運移的影響*

李 慧，林 青，徐紹輝

（青島大學環(huán)境科學與工程學院，山東青島 266071）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，干旱半干旱地區(qū)面臨著嚴峻的水資源短缺問題，咸水、微咸水的開發(fā)利用為灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了潛在的水源[1]。微咸水一般指礦化度為 2～5 g·L-1的含鹽水，其下限值有時確定在 1 g·L-1[2]，上限值在實際應用中會有一定程度擴展至6 g·L-1[3]。咸水多指 5～10 g·L-1的含鹽水，10～50 g·L-1多指為鹽水[4]。中國微咸水資源分布廣泛，尤其在易發(fā)生干旱的華北和西北以及沿海地帶，廣泛分布著礦化度為 2～5 g·L-1的微咸水資源[5]。已有研究表明，春旱時土壤溶液濃度一般達到14 g·L-1，極端情況下甚至可以達到 30～80 g·L-1，用礦化度 3 g·L-1的微咸水灌溉后，土壤溶液濃度可下降至6～10 g·L-1[6]。 微咸水灌溉不僅會引起鹽分在土壤中的累積，產(chǎn)生土壤次生鹽堿化，影響作物生長；而且也會造成土壤溶液化學成分和土壤結構穩(wěn)定性的變化，導致土壤物理性能退化，影響作物根系的延伸、降雨或灌溉水在土壤中的運動、鹽分的淋洗效果、透氣性以及土壤中的化學反應等。已有諸多學者探討了微咸水灌溉對作物的生長、產(chǎn)量及對土壤次生鹽堿化等的影響[7-16]。然而咸水/微咸水灌溉入滲對土壤滲透性能影響的研究相對較少，且已有的研究大多關注較低濃度鹽分入滲對土壤滲透性能的作用機理，如李法虎等[17]通過低濃度鹽分入滲試驗認為非堿土中穩(wěn)定飽和水力傳導度隨著灌溉水鹽濃度的增加而減小，在堿土中與之相反。Bhardwaj 等[18]研究發(fā)現(xiàn)用處理過的含少量鹽的廢水灌溉后，土壤水力傳導性及團聚體穩(wěn)定性高于含鹽河水及中度含鹽水的處理，且三者均低于未處理的樣品。Shang 等[19]模擬灌溉處理后廢水和鹽堿溶液的試驗，結果顯示灌溉水類型和溶液中鈉離子濃度決定了土壤飽和導水率（K0），但灌溉頻率不影響土壤K0，模擬灌溉土壤 2 年K0減少幅度小于1 年。唐勝強和佘冬立[20]采用1 g·L-1的微咸水進行一維降水頭積水入滲試驗，發(fā)現(xiàn)微咸水可增加粉砂土與壤土的飽和導水率。盛豐等[21]研究發(fā)現(xiàn)適宜的鹽分濃度有利于提高土壤團聚體的穩(wěn)定性、抑制土壤板結、改善土壤入滲性能。

當用高濃度鹽分（微咸水/咸水）灌溉時，它們會對土壤滲透性能產(chǎn)生怎樣的影響，值得進行深入分析。在此基礎上，土壤滲透性能的變化又會如何控制鹽分陽離子 Na+、Ca2+和 Mg2+的運移過程，更是一個亟待解決的科學問題，類似研究尚未見文獻報道。為了揭示較高濃度鹽分入滲時常見陽離子Na+、Ca2+和 Mg2+對土壤滲透性和運移特征的作用機理，本文開展不同濃度、不同鹽分溶液入滲的室內土柱實驗，以期為咸水/微咸水灌溉地區(qū)土壤物理化學性能維護和作物健康生長提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土樣取自青島市即墨區(qū)農(nóng)田 0～30 cm 表層土壤，其理化性質如表1 所示，按照土水比1︰5 獲得的土壤浸提液電導率為0.16 dS·m-1。本研究中用到的主要實驗儀器有：電子天平（FR224CN 型，奧豪斯儀器有限公司）、pH 計（HS-3C 型，上海精科儀器有限公司）、ORP 電極（連接到 pH 計上使用）、電導率儀（雷磁 DDB-303A，上海精科儀器有限公司）、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP，Optima 8000型，PerkinElmer 公司）以及有機玻璃土柱（高40 cm，內徑6 cm）。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 土柱填裝及試驗方法

在直徑6 cm、高40 cm 的有機玻璃土柱底部鋪設2 cm 厚的純凈石英砂，將風干、研磨后的土樣過2 mm 的篩子，然后以給定土壤容重1.3 g·cm-3分層均勻地裝進有機玻璃柱內，為防止土壤顆粒堵塞出水口，在土柱的出水口處添加一層定性濾紙，使液體均勻地流出土柱，裝填完成后的土樣高 30 cm，試驗使用兩套實驗裝置，進行兩組重復試驗。土柱側面布設5 個測壓管，用硅膠管與測壓板相連，各相鄰測壓管間距6 cm，土柱另一側高度方向設置4個取樣孔，分別在沿土柱高度方向的8 cm、16 cm、22 cm、28 cm 處（由上往下）。有機玻璃柱的上端控制水頭裝置由溢流口充當，下端也有一水頭控制裝置，固定在實驗支架上；在土柱底部安裝一出水管連接下端控水頭裝置，用作排水，試驗過程中土柱上下端始終保持10 cm 的水頭差。

試驗開始階段，先從底部由下而上，用去離子水飽和土柱24 h，然后轉換方向由上而下繼續(xù)飽和土柱，以更好地排除土柱中的氣泡，飽和土壤，待測壓管中的讀數(shù)穩(wěn)定后，分別輸入 3、5、10 g·L-1NaCl、MgCl2、CaCl2鹽溶液，共9 種處理，直至出流液的陽離子濃度不再發(fā)生變化后停止試驗。試驗過程中每隔 3 小時記錄各測壓管中的水頭高度h和出流量Q，同時收集側邊及底部出流液水樣，測定出流液中的鹽分陽離子濃度及 pH 和電導率（EC）值。實驗裝置如圖1 所示。

土壤的滲透系數(shù)K根據(jù)達西定律，按下式計算：

式中，Q為出水口流量，L·d-1；x為任意兩測壓管之間的距離，cm；d 為土柱的直徑，cm；h為兩測壓管之間的水頭差，cm。

本文采用相對滲透系數(shù)來描述滲透性的變化，相對滲透系數(shù)為實測滲透系數(shù)K與初始滲透系數(shù)K0之比，K/K0越小，說明滲透性能降低程度較大。將土柱從上到下分為 A（4～10 cm）、B（10～16 cm）、C（16～22 cm）、D（22～28 cm）四段。

圖1 實驗裝置圖Fig. 1 Scheme of the experimental device

2 結果與討論

2.1 不同入滲處理土柱各層段滲透性能變化

2.1.1 不同濃度Na+溶液對土壤滲透性能影響3、5 和 10 g·L-1NaCl 溶液入滲時土壤各層（4～10 cm、10～16 cm、16～22 cm、22～28 cm 即 A、B、C、D 四段）滲透性能隨時間變化過程如圖2 所示。在入滲的初始階段，輸入3、5 和10 g·L-1NaCl 溶液土壤相對滲透系數(shù)分別降為初始值的 0.83%～0.85%、0.77%～0.85%和0.74%～0.84%，這說明在入滲初始階段 Na+濃度越高，對土壤滲透性降低影響越大。持續(xù)輸入溶液3 h 后，三種不同濃度 NaCl 溶液情況下土柱各段的滲透性能均開始回升，這主要是土壤中交換性 Na+置換出土壤中的 Ca2+、Mg2+使得土壤孔隙增加。隨著入滲試驗持續(xù)進行，土柱各層段的滲透系數(shù)開始緩慢下降，且逐漸趨于穩(wěn)定。至試驗結束時，輸入 3、5、10 g·L-1NaCl 溶液土柱 A 段的滲透系數(shù)分別降為初始值的 90%、55%、50%；B段的滲透系數(shù)分別降為初始值的70%、80%、75%；C 段的滲透系數(shù)分別降為初始值的83%、73%、67%；D 段的滲透系數(shù)分別降為初始值的 80%、76%、72% 。由此可以看出，輸入不同濃度 NaCl 溶液，土柱各段滲透系數(shù)整體上呈下降趨勢；NaCl 溶液濃度越高，入滲結束時土柱各段相對滲透系數(shù)減小得越多。這說明 Na+濃度越高，土壤滲透性降低就越大，且隨著 Na+濃度增大，其對表層土壤滲透性的影響程度大于下層。

圖2 不同濃度 NaCl 溶液入滲時土柱各段滲透性變化Fig. 2 Variation of permeability of NaCl solution with section of the soil column relative to concentrations of the solution

一般認為土壤滲透性能的大小與土壤中 Na+數(shù)量、黏粒的遷移沉積密切相關。Na+數(shù)量越多，使土壤中部分交換性 Ca2+、Mg2+被交換性 Na+取代，交換性 Na+增多容易引起土壤分散、膨脹，破壞土壤團聚體的穩(wěn)定性[21]，使土壤孔隙減小，出現(xiàn)土壤板結與滲透性差的現(xiàn)象，因此，隨著NaCl 溶液入滲的進程，土壤的滲透性能降低。圖 2 中 3 g·L-1NaCl溶液入滲過程中，土柱A 段的滲透系數(shù)在6～30 h 出現(xiàn)了滲透性能大于初始值的現(xiàn)象，這主要是適宜濃度的NaCl（3 g·L-1）利于抑制土壤黏粒的分散，促進土壤顆粒絮凝，使?jié)B透性能增大[22]；由于持續(xù)地輸入Na+，30 h 之后土壤的滲透性能主要受Na+的影響，滲透性能逐步減小。而10 g·L-1NaCl 溶液入滲時，B 段滲透性能大于初始值，這可能是由于土壤中交換出大量的Ca2+、Mg2+使得孔隙暫時性的增加，今后會繼續(xù)進行試驗，探討B(tài) 段滲透性增加的原因。有研究指出土壤中黏粒隨水流一起遷移運動時，使?jié)B透性有可能增大（黏粒的遷移使土壤孔隙增大），也有可能降低（黏粒堵塞孔喉）[23]，對于土柱中不同層段的滲透性降低程度的不同，可以用黏粒的運動來解釋，黏粒除了受范德華力之外，還受自身重力的影響向下運動，高濃度（5、10 g·L-1）的NaCl溶液下A 段因強烈的吸附作用使Na+數(shù)量增加，黏粒也因為較大的范德華力相互之間發(fā)生碰撞、擠壓形成較大體積的膠團，難以向下運動，而其余三段，土壤中的黏粒在受自身重力向下運動時，在整體滲透性能降低的前提下，B 段滲透性能降低的程度最小，C 段的滲透性能降低最大。而在較低濃度3 g·L-1NaCl 溶液入滲時，因Na+濃度較低，表層土壤中黏粒因自身重力向下遷移較多，使B 段的滲透性能降低較為嚴重。

2.1.2 不同濃度 Ca2+、Mg2+溶液對土壤滲透性能影響 3、5、10 g·L-1的 CaCl2、MgCl2溶液入滲時土柱各段的相對滲透系數(shù)隨入滲時間的變化見圖3。由圖中可以看出，土柱各段相對滲透系數(shù)隨著CaCl2、MgCl2溶液的不斷注入整體上呈上升趨勢，且隨著Ca2+、Mg2+濃度增加，上升趨勢減緩。這主要是土壤中Ca2+、Mg2+濃度的增加，使擴散雙電子層向黏粒表面壓縮，土壤顆粒之間的排斥力降低，土壤中顆粒較小的粒子粘結到一起形成較大的土壤團聚體，利于土壤中顆粒的凝聚，使土壤中大孔隙增加，滲透性增強，在某種程度上有利于土壤的透水和透氣能力[24-25]。

3、5 和 10 g·L-1的 CaCl2溶液入滲至試驗結束時，土柱各層相對滲透系數(shù)由上到下（四層段）分別增大至初始值的1.61 倍、1.58 倍、1.55 倍和1.48倍（3 g·L-1），1.51 倍、1.38 倍、1.31 倍和 1.27 倍（5 g·L-1），1.32 倍、1.31 倍、1.30 倍和 1.27 倍（10 g·L-1）。由此可見，隨著CaCl2溶液的不斷注入，表層土壤的滲透性能的增加大于底層土壤，且隨著Ca2+濃度的增加，土柱各段的滲透性能增加的趨勢減小。這是由于 Ca2+入滲過程中，表層土壤置換出來的 Na+隨入滲溶液向下遷移，使表層土壤滲透性能大于下部土壤，Ca2+濃度越大，置換出來的 Na+越多，向下遷移的 Na+越多，故入滲溶液中 Ca2+濃度越大，提升滲透性的能力越差。3 g·L-1MgCl2溶液入滲至結束時，土柱各層相對滲透系數(shù)由上到下分別增加為初始值的1.48 倍、1.38 倍、1.42 倍、1.34倍，相對滲透系數(shù)由上往下依次減小，且由圖3 可以看出，B、C 段在整個過程中增加的趨勢幾乎相似，差距較?。?、10 g·L-1MgCl2溶液入滲至結束時，土柱各層相對滲透系數(shù)由上到下分別增加為初始值的 1.45 倍、1.49 倍、1.40 倍、1.47 倍（5g·L-1），1.23倍、1.28 倍、1.12 倍、1.22 倍（10 g·L-1），相對滲透系數(shù)由大到小依次為B、D、A、C 段。有研究[26]指出，較大的Mg2+水合數(shù)會導致黏土夾層和雙電子層的膨脹，這將不可避免地增加黏土的膨脹和分散，而 Ca2+由于較小的水合數(shù)較 Mg2+更易于絮凝。另有研究[27]證明 Mg2+對土壤黏粒彌散的促進效應大約是Na+的5%，這可能是導致圖中5、10 g·L-1高濃度Mg溶液入滲過程中A 段滲透性能增加程度較小的原因。部分彌散的黏土顆粒隨灌溉水的剪切力和自身重力的作用向下運動，在C 段積聚，從而導致C 段的滲透性能升高的最小。而由于土壤黏粒對Ca2+的吸附選擇性大于Mg2+，因此，相同條件下Mg2+系統(tǒng)中將有更多的可交換Na+存在于黏粒表面，使得整體上Mg2+入滲對土壤滲透性能的提升作用小于Ca2+。

圖3 不同濃度 CaCl2、MgCl2 溶液入滲時土柱各段滲透性變化Fig. 3 Variation of permeability of CaCl2 or MgCl2 solution through various sections of the soil column relative to concentration of the solution

2.2 不同入滲處理土柱整體滲透性變化

九種入滲水質整體土柱的平均滲透系數(shù)隨入滲時間變化如圖4 所示，土柱整體滲透系數(shù)按公式（1）計算。由圖4 可知，入滲水質對土柱整體滲透系數(shù)的影響程度顯著不同，在相同的入滲時間內，入滲結束時，通入 3 g·L-1NaCl 、5 g·L-1NaCl 、10 g·L-1NaCl 的土柱相對滲透系數(shù)分別降為初始值的0.74%、0.61%、0.58%。這說明Na+對土柱整體的滲透性能起到了嚴重的阻礙作用，Na+濃度越大，土柱整體的相對滲透系數(shù)越小；主要是土壤溶液中 Na+含量的增加，使土壤團聚結構分散，土壤孔隙減小，降低了土壤的導水性能[21]。圖 4 中，隨著 Mg2+和Ca2+濃度的增加，土柱整體的相對滲透系數(shù)增加，由圖4 可得到其提高土壤滲透性由大到小的順序分別為 3 g·L-1CaCl2、5 g·L-1MgCl2、5 g·L-1CaCl2、3 g·L-1MgCl2、10 g·L-1CaCl2、10 g·L-1MgCl2，試驗結束時，滲透系數(shù)分別增大為初始值的1.58 倍、1.46 倍、1.40 倍、1.40 倍、1.31 倍、1.22 倍。已有的研究[28-29]表明，土壤中鈣鎂離子含量的增加，有利于增強土壤的絮凝作用，增加土壤的有效孔隙，能夠加速排鹽效應，使土壤中 Na+大量排出，從而改善土壤的導水性能。結合圖 2、圖 3 可以看出，整個土柱的平均滲透系數(shù)與土柱各層中最小的滲透系數(shù)基本保持一致，這表明土壤整體的滲透性能由最小的滲透性能所在層決定。

2.3 相對滲透系數(shù)與時間的相關關系

為定量分析整個土柱的滲透性能隨時間的變化特征，將上述試驗的土柱整體相對滲透系數(shù)（用y表示）與時間（用x表示）進行回歸分析，結果見表2。由表中的回歸方程與R2可知土柱整體滲透系數(shù)y與時間x之間成二次方關系，CaCl2、MgCl2處理后的R2值在 0.92～0.97 之間，NaCl 處理后的R2值在 0.74～0.82 之間，可見 Ca2+、Mg2+處理下的土柱整體相對滲透系數(shù)與時間的相關性較Na+好。三種濃度 NaCl 處理下 5 g·L-1NaCl 的R2值最大，這說明5 g·L-1NaCl 土柱整體相對滲透系數(shù)與時間的相關性較好。MgCl2處理下的試驗中3 g·L-1MgCl2的R2最大，因此，濃度較小的 MgCl2處理下的土柱整體滲透系數(shù)與時間相關性較好。CaCl2處理下的試驗中 3、10 g·L-1的R2均為 0.97，說明其低濃度或高濃度處理下土柱整體滲透系數(shù)與時間的相關關系均較好。

圖4 不同濃度溶液入滲時整個土柱滲透性隨時間變化Fig. 4 Temporal variation of permeability of the solution through the entire soil column relative to concentration of the solution

表2 土柱整體相對滲透系數(shù)與時間的回歸方程Table 2 Regression equation of overall relative permeability coefficient with duration of the test of the soil column

2.4 不同入滲處理出流液電導率及pH

圖 5 給出了不同條件下土壤出流液電導率與pH 隨時間的變化。電導率在入滲初期增速較快，第15 小時左右逐漸趨于穩(wěn)定。濃度相同的NaCl、CaCl2出流液穩(wěn)定，電導率差別不大，其兩者與MgCl2有較大差別。10 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液電導率穩(wěn)定在 16.5、15.0、9.3 dS·m-1；5 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液電導率穩(wěn)定在 8.4、7.6、4.7 dS·m-1；3 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液電導率穩(wěn)定在 5.1、5.0、3.1 dS·m-1。由此可以看出，穩(wěn)定出流液電導率、土壤積鹽程度的大小依賴于入滲溶液的種類和濃度；土壤積鹽程度由大到小依次為：Na＞Ca＞Mg，且濃度越大土壤積鹽越嚴重。

圖5 不同濃度條件下出流液電導率和pH 的變化Fig. 5 Variation of conductivity and pH of the outflow under different concentration of the solution

保持入滲溶液的pH 為6，輸入3、5、10 g·L-1CaCl2、MgCl2的出流液 pH 在入滲結束時穩(wěn)定在6.50～6.60、6.65～6.75 之間；輸入 NaCl 溶液的土壤出流液 pH 隨著出流液體積的增加而增大，在入滲結束時三種濃度的pH 穩(wěn)定在7.2～7.3 之間，造成土壤輕微堿化，這表明鹽分離子的種類對土壤 pH 的影響大于鹽分離子濃度，且影響土壤 pH 的主要離子為Na+。一般認為 Na+的水解是導致出流液pH 較高的主要原因，土壤黏粒吸附的Na+進入土壤溶液，而溶液中的H+進入交換相，從而導致土壤溶液pH 的升高，而鈣鎂離子入滲過程中，土壤pH 受控于土壤膠體上的交換性Na+和水溶性的添加Ca2+、Mg2+后，土壤中的含量減少，Ca2+、Mg2+與土壤中Na+發(fā)生離子交換反應，交換出來的鈉離子向下遷移運動，水溶性鈉離子消失后，鈣鎂離子繼續(xù)與土壤膠體上的交換性鈉離子反應，使得土壤中鈉離子含量降低，從而降低土壤pH[30]。

2.5 不同入滲處理土壤鹽分陽離子的運移過程

咸水/微咸水入滲改變了土壤滲透性，與此同時，滲透性又如何影響鹽分陽離子的運移過程，也是一個值得探討的科學問題。圖6 中顯示了3、5、10 g·L-1NaCl 入滲時土柱 8、16、22、28 cm 位置處Ca2++Mg2+、Na+隨時間的變化特征。由圖 6 可知，Ca2++Mg2+在土柱8、16、22、28 cm 出流最大峰值分別為 0.076、0.190、0.332、0.368 g·L-1（3 g·L-1NaCl），0.511、0.700、0.733、0.835 g·L-1（5 g·L-1NaCl）和 1.667、1.787、1.698、2.831 g·L-1（10 g·L NaCl）。由此可以看出，Ca2++Mg2+濃度隨著入滲深度和Na+濃度的增加而增加，輸入10 g·L-1NaCl 溶液的土壤中置換出來的 Ca2++Mg2+遠高于其他兩個濃度；這是由于土壤溶液中 Na+濃度越高，被置換出來的Ca2+、Mg2+越多，表層土壤中被置換出來的 Ca2+、Mg2+隨入滲溶液向下遷移，使土壤底部Ca2+、Mg2+含量較高。不同濃度 Na+的遷移規(guī)律相似，隨著持續(xù)輸入NaCl 溶液，土柱各層Na+濃度不斷增大，經(jīng)過約40 h 后基本達到一個定值，此時土壤中Na+的吸附反應也基本達到了穩(wěn)定狀態(tài)。入滲結束時，出流液中 Na+濃度基本維持在 1 g·L-1（3 g·L-1NaCl）、2.2 g·L-1（5 g·L-1NaCl）、4.6 g·L-1（10 g·L-1NaCl）。由圖 6 可以看出，3、5、10 g·L-1NaCl 溶液入滲，土柱各段 Na+含量最多的分別是 B 段（3 g·L-1NaCl）、A 段（5 g·L-1NaCl）、A 段（10 g·L-1NaCl），這與圖2 中3、5、10 g·L-1NaCl 溶液入滲，土壤相對滲透系數(shù)最小段相一致。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，上層土壤的 Na+含量大于下層土壤，且土壤各層鈉離子含量相互之間差距不大，隨著入滲溶液濃度的升高，入滲過程中進入土壤中的 Na+數(shù)量隨之增加，使得 Na+置換出的 Ca2+、Mg2+數(shù)量越多，而Ca2++Mg2+濃度隨著入滲深度和濃度的增加而增加，土壤積鹽情況越嚴重。

圖6 不同濃度NaCl 溶液入滲下土壤中Ca2++Mg2+、Na+濃度隨時間變化Fig. 6 Temporal variation of concentration of Ca2++Mg2+ and Na+ in the soil relative to concentration of the NaCl solution tested

3 結 論

通過室內土柱試驗，設置了3 種鹽分（NaCl、MgCl2、CaCl2）3 個濃度梯度（3、5、10 g·L-1），研究不同濃度的咸水/微咸水對土壤滲透性能及溶質運移的影響，得出如下結論：（1）對土柱整體的滲透性而言，NaCl 溶液濃度越高土壤滲透性能降低程度越大；CaCl2、MgCl2溶液均能提升土柱的滲透性能，但提升程度會隨著溶液濃度的升高而逐漸放緩。其中3 g·L-1CaCl2對于提升土壤的滲透性能最為顯著。這說明在利用微咸水/咸水灌溉或者堿土鹽漬土改良的過程中可以適當加入鈣制劑，利于洗鹽，從而緩解土壤鹽漬化。（2）對于土柱各層的滲透性，NaCl 溶液濃度越高，表層土壤的滲透性降低得越大；CaCl2、MgCl2溶液濃度越小，表層土壤的滲透性能增加得越大；溶液對表層土壤滲透性能的影響大于下層。（3）土壤含鹽量主要取決于入滲水的種類及濃度；在NaCl 溶液長期灌溉過程中，對土壤中的Ca2+、Mg2+影響程度較大，且在灌溉過程中容易發(fā)生土壤積鹽的情況，入滲溶液濃度越高，積鹽越嚴重。因此，在利用咸水/微咸水灌溉時，要根據(jù)土壤的具體情況，合理配置灌溉水質，必要時結合改良措施，以避免對土壤滲透性能及作物生長的影響。