灌施不同濃度Cl-在模擬指流層狀土壤中的遷移規(guī)律

吳叔贏 邵霞珍 張建豐

摘要在有指流產(chǎn)生條件下，研究灌施不同濃度的Cl-在層狀土壤的遷移情況。結(jié)果表明，上層土壤中Cl-濃度沿垂直方向呈先增大后減小的趨勢(shì)，在下層指流域中的過渡區(qū)域Cl-濃度變化不大，在接近試驗(yàn)底部的累積區(qū)域Cl-產(chǎn)生累積，濃度增大;指尖處的Cl-濃度大于過渡區(qū)域Cl-濃度;指流通道對(duì)Cl-的遷移效率很高，占灌施進(jìn)入土壤Cl-質(zhì)量的35%～55%。

關(guān)鍵詞層狀土壤;模擬指流;溶質(zhì)遷移

中圖分類號(hào)S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A?文章編號(hào)0517-6611（2020）15-0165-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.048

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Migration Patten of Chloride Ions with Different Concentrations in Layered Soil with Simulated Finger Flow

WU Shuying1，SHAO Xiazhen2，ZHANG Jianfeng3

（1.Gansu Urban ?and Rural Development Group of ?Rural Rrevitalization Co.， Ltd.， Lanzhou，Gansu 730000; 2.Gansu Institute of Natural Resources Planning and Research，Lanzhou，Gansu ?730000;3.Xian University of Technology，Xian，Shanxi 710048）

AbstractIn the condition of finger flow happened， the migration of chloride ions with different concentrations in layered soil was studied. The results showed that the chloride concentration in the upper soil increased first and then decreased in the vertical direction. The chloride concentration in the transition area in the lower drainage area did not change much. The chloride concentration in the accumulation area near the bottom of the test increased. The chloride concentration in the fingertip was higher than that in the transition area. The chloride concentration in the fingertip was higher than that in the transition area. The transfer efficiency was very high， accounting for 35%-55% of the mass of chloride ions in the soil.

Key wordsLayered structure soil;Simulated finger flow;Solute transport

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50779055）。

作者簡(jiǎn)介吳叔贏（1986—），男，甘肅白銀人，工程師，碩士，從事土壤優(yōu)先流中指流及污染物遷移規(guī)律研究。

收稿日期2019-12-24

1972年美國學(xué)者Hill等[1]發(fā)現(xiàn)水分在細(xì)質(zhì)土覆于粗質(zhì)土之上的層狀結(jié)構(gòu)的土體中入滲易出現(xiàn)指流現(xiàn)象。指流的發(fā)生使表層的土壤水和其中的溶質(zhì)沿著指流通道快速向土壤深層運(yùn)動(dòng)，造成表層土壤的提前干旱，降低了作物對(duì)養(yǎng)分、農(nóng)藥和殺蟲劑的利用效率，更為嚴(yán)重的是這些污染物沿著指流優(yōu)先通道會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染[2]。近幾十年來，隨著工業(yè)的發(fā)展和人為活動(dòng)的增加，空氣和水環(huán)境污染的等問題日趨勢(shì)嚴(yán)重，再加之農(nóng)田化肥和農(nóng)藥的使用，給土壤和地下水帶來了嚴(yán)重的破壞，對(duì)人類健康和生存產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。這些問題的實(shí)質(zhì)均歸結(jié)于可溶性物質(zhì)在水流作用下在土壤和含水層遷移的結(jié)果，涉及到溶質(zhì)遷移理論[3-8]。

土壤中的Cl-是植物生長必不可缺的營養(yǎng)元素，對(duì)植物生長有很重要的作用，而土壤中的Cl-除來自于大氣降水、地表灌溉等自然因素外，主要還有氯化鉀、氯化銨等含氯系列的復(fù)合肥料在農(nóng)田中的大量使用，這些人為因素不可避免地會(huì)向農(nóng)田土壤中投入大量的Cl-。但Cl-對(duì)土壤物理和化學(xué)特性都有影響，陳健財(cái)[9]研究表明Cl-進(jìn)入農(nóng)田會(huì)造成土壤的通透性下降。蘇壯等[10]研究表明，長期施用含氯化肥，表層土壤容重會(huì)隨著施入含氯化肥的增加而變大，且過多施用含氯化肥還會(huì)導(dǎo)致土壤的酸化。崔玉珍等[11]研究表明，北方草甸土年施氯化銨240～480 kg/hm2，土壤pH降低了0.19～0.25，且隨著施肥年限越長pH下降更多。適量地施入含氯化肥有利于SO42-的淋失，但大量的Cl-則會(huì)導(dǎo)致土壤中SO42-大量流失，對(duì)植物的生長造成不利因素。劉偉佳[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了在不同地下水埋深下污染物Cl-在土壤中的運(yùn)移特征及對(duì)地下水環(huán)境的影響，結(jié)果表明，地下水中Cl-濃度隨著地下水的埋深增大而減小。而該研究層狀土壤中進(jìn)入大量的Cl-時(shí)，會(huì)隨著下層砂土中的優(yōu)先路徑優(yōu)先遷移到地下水層中，造成地下水中Cl-含量增高，造成地下水的污染。

筆者模擬指流的理論是基于張建豐[13]研究發(fā)現(xiàn)在“上土下砂”的層狀土壤中下層砂中孔隙小的會(huì)優(yōu)先導(dǎo)水，因此在下層砂土中采用粗砂來模擬基質(zhì)域，細(xì)砂來模擬指流域。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由土箱、供水裝置和支座3個(gè)部分組成。土箱采用2個(gè)相同尺寸（長×高×厚為500 mm×600 mm×8 mm）的有機(jī)玻璃板，沿著2個(gè)有機(jī)玻璃板邊壁之間夾入一個(gè)寬20 mm、厚度16 mm的U形有機(jī)玻璃條。距U形有機(jī)玻璃條一側(cè)上端20 mm處開一個(gè)進(jìn)水口，并在底部設(shè)有排水孔，整個(gè)試驗(yàn)土箱尺寸為500 mm×600 mm×32 mm（寬×高×厚）。土箱前壁標(biāo)有以10 mm為單位的網(wǎng)格線，供觀測(cè)水分入滲濕潤鋒讀數(shù)使用。供水裝置采用馬氏瓶，支座采用一塊鋼鐵板上安裝2塊可拆卸的槽鋼，槽鋼一側(cè)打孔并安裝螺絲，安裝時(shí)把土箱夾在兩槽鋼之間，然后用螺絲把土箱和支座固定為一體。試驗(yàn)裝置見圖1。

注：1.馬氏瓶支架;2.固定馬氏瓶卡子;3.馬氏瓶;4.橡皮管;5.進(jìn)水口;6.上部土層;7.土箱;8.基質(zhì)域;9.指流域;10.鋼底板

Note：1.Markov bottle holder;2.Fixed markov bottle clip;3.Markov bottle;4.Rubber tube;5.Water inlet;6.Topsoil;7.Soil box;8.Matrix profile;9.Finger flow profile;10.Steel floor

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的上層黃土容重為1.4 g/cm3，厚度為20 cm，初始含水率θ=2.7%，為砂壤土。下層為模擬指流的砂層，厚度為33 cm，以粗砂組成的基質(zhì)域粒徑為1～5 mm，中值粒徑d50=4.15 mm。以細(xì)砂組成的指流域的粒徑為0.1～1.0 mm，中值粒徑d50=0.55 mm。設(shè)計(jì)的表層積水厚度為3 cm。表1和表2分別為黃土和粗砂的顆粒粒徑組成。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用NaCl作為土壤溶質(zhì)，設(shè)計(jì)灌施Cl-的濃度分別為60、90 、120和150 mg/L共4種濃度。將不同濃度的Cl-溶液灌入到馬氏瓶中，一切就緒后，打開馬氏瓶，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)保持土壤表面3 cm的水頭厚度不變。試驗(yàn)結(jié)束后停止供水并拆開試驗(yàn)裝置，利用土鉆進(jìn)行取土，以土壤表面為基準(zhǔn)面，向下每5 cm用土鉆取一次土，取土位置見圖2，同時(shí)測(cè)得試驗(yàn)溫度為25 ℃。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法

將取出的土樣烘干碾壓成粉末后取6 g土放入錐形瓶中，再往錐形瓶中倒入60 mL蒸餾水，然后放入振蕩器中振蕩40 min，取出后讓其自然沉淀，過濾得到50 mL溶液，然后按照下列步驟測(cè)定溶液中Cl-的濃度。

Cl-的測(cè)定采用硝酸銀滴定法，其原理是在中性或弱堿性溶液中，以鉻酸鉀為指示劑，用硝酸銀滴定氯化物，由于氯化銀的溶解度小于鉻酸銀的溶解度，所以先生成白色的氯化銀沉淀，鉻酸根才以鉻酸銀形式沉淀出來，產(chǎn)生磚紅色物質(zhì)。當(dāng)試驗(yàn)滴定中產(chǎn)生磚紅色的沉淀，說明Cl-已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為氯化銀沉淀。

測(cè)定步驟：首先是浸提液的制備，按土水比1∶10（重量比）加入蒸餾水進(jìn)行浸提，然后放入振動(dòng)箱進(jìn)行振動(dòng)，取出后靜置數(shù)小時(shí)，經(jīng)過濾處理得到無色透明的浸提液。然后取50 mL置于錐形瓶中，另取一錐形瓶加入50 mL蒸餾水作為空白。加入1 mL鉻酸鉀溶液，用硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至磚紅色沉淀剛剛出現(xiàn)為結(jié)束，同時(shí)作空白滴定。

測(cè)定結(jié)束后分別讀取被測(cè)水樣和蒸餾水所消耗的硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，然后根據(jù)公式（1）計(jì)算Cl-濃度。

式中，V1為蒸餾水消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）;V2為水樣消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）;M為硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）;V為水樣體積（mL）;35.45為Cl-的摩爾質(zhì)量（g/mol）。

2結(jié)果與分析

2.1指流縱剖面Cl-濃度分析

對(duì)測(cè)得的上層土壤同一深度下的Cl-濃度，取其平均值，得到3個(gè)指流縱剖面處的Cl-濃度分布，灌施濃度60、90、120和150 mg/L下的指流縱剖面處的Cl-濃度分布見圖3。

從圖3可以看出，由土砂交接面以上10 cm處的Cl-濃度呈增大趨勢(shì)。因此，上層土壤的Cl-最大濃度一般出現(xiàn)在土砂交接面以上5～10 cm處。隨后到距土砂交界面20 cm處的土砂交界面處Cl-濃度又呈減小趨勢(shì)。對(duì)于指流域，把試驗(yàn)裝置中的指流域分為2個(gè)部分：過渡區(qū)域和累積區(qū)域。所謂過渡區(qū)域就是Cl-隨水分通過這個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中的Cl-濃度相差不大，指流縱剖面深度在20～40 cm;但溶液在累積區(qū)域就會(huì)有溶液的累積現(xiàn)象發(fā)生，因此Cl-濃度呈增大趨勢(shì)，指流縱剖面深度在40～55 cm。

上述現(xiàn)象的原因是Cl-屬于陰離子，有“鹽隨水來，隨水而去”的特點(diǎn)，當(dāng)Cl-溶液在上層土壤中遷移時(shí)，Cl-隨水分向下運(yùn)動(dòng)而遷移，在h=5～15 cm時(shí)Cl-濃度呈增大趨勢(shì)。在h=15～20 cm時(shí)，Cl-濃度又呈減小趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于指流的產(chǎn)生，使得h=15～20 cm處的大部分Cl-沿著指流優(yōu)先路徑向下遷移，造成這個(gè)區(qū)域的Cl-含量相應(yīng)減少，濃度降低。而在指流過渡區(qū)域中，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的主要作用是運(yùn)輸水分和溶質(zhì)的作用，因此，Cl-濃度在此區(qū)域變化不大。而在指流累積區(qū)域，由于指流域的下邊界是接觸到試驗(yàn)裝置底部的，當(dāng)水分和溶質(zhì)在指流域中運(yùn)動(dòng)時(shí)，并未使指流域中的砂子達(dá)到飽和，因此水分會(huì)首先在下部進(jìn)行累積，形成累積區(qū)域，相應(yīng)濃度也會(huì)增加。

2.2溶質(zhì)Cl-的質(zhì)量平衡計(jì)算

土壤中的溶質(zhì)，不管通過何種途徑與土壤之間進(jìn)行交換，其溶質(zhì)總量總是服從質(zhì)量守恒定律。試驗(yàn)中土壤中溶質(zhì)的總質(zhì)量應(yīng)等于進(jìn)入土壤中的溶質(zhì)質(zhì)量和初始條件下所擁有的溶質(zhì)質(zhì)量之和。

采用NaCl作為土壤溶質(zhì)，設(shè)計(jì)的灌施Cl-濃度為60、90、120和150 mg/L，由試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的累積入滲量分別為500、545、519和530 mL，便可以計(jì)算得到進(jìn)入土壤中的Cl-質(zhì)量分別為30、49、62.28和79.5 mg。

土壤中的Cl-除進(jìn)入土壤中的Cl-，還包括土壤本身所擁有的Cl-，試驗(yàn)之初測(cè)得土壤中Cl-的本底值為43.4 mg/kg。在容重1.4 g/cm3、厚度20 cm條件下的上層土壤質(zhì)量為219 kg，因此計(jì)算得到上層土壤本身所含有的Cl-質(zhì)量為94.61 mg。

試驗(yàn)完成之后取樣，測(cè)定Cl-的濃度，并以某一點(diǎn)的Cl-濃度來計(jì)算這一點(diǎn)周圍區(qū)域的Cl-質(zhì)量，得到實(shí)測(cè)上層土壤和指流域中Cl-質(zhì)量的近似值，并采用誤差分析對(duì)質(zhì)量平衡進(jìn)行分析。

從表3可以看出，實(shí)測(cè)計(jì)算得到的土壤和指流域中Cl-質(zhì)量基本等于灌施Cl-的質(zhì)量與土壤Cl-本底值之和，并隨著灌施Cl-濃度的增大而增大。溶質(zhì)質(zhì)量平衡的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

2.3指流優(yōu)先路徑對(duì)Cl-遷移的影響

由于指流的產(chǎn)生，使得溶質(zhì)隨著水分很快地通過指流路徑而到達(dá)深層土壤，造成地下水的污染，雖然通過指流域的水量很小，但會(huì)溶解大量的溶質(zhì)沿指流通道進(jìn)入地下水，對(duì)地下水產(chǎn)生污染。

土壤初始Cl-在入滲時(shí)隨水分集中在濕潤鋒的前沿遷移，進(jìn)入指流域后則在指尖處累積，試驗(yàn)結(jié)束后這部分Cl-一部分還累積在指尖處，另一部分已經(jīng)流出指流域。而過渡區(qū)域的Cl-質(zhì)量則反映了指流優(yōu)先路徑對(duì)通過灌施進(jìn)入土壤中Cl-的遷移效率。表4為瞬時(shí)指流域?qū)M(jìn)入土壤當(dāng)中Cl-的遷移效率。

從表4可以看出，指流域?qū)νㄟ^灌施進(jìn)入土壤中Cl-的遷移效率在35%～55%，剩余的溶質(zhì)暫時(shí)存在于上層土壤中，隨著灌施的繼續(xù)，這部分溶質(zhì)也將進(jìn)入到指流域中?？梢娭噶髀窂綄?duì)溶質(zhì)的遷移效率很高。

3結(jié)論

（1）灌施不同濃度的Cl-時(shí)，上層土壤中Cl-濃度沿垂直方向呈先增大后減小的趨勢(shì)，在下層指流域中的過渡區(qū)域Cl-濃度變化不大，在接近試驗(yàn)底部的累積區(qū)域Cl-產(chǎn)生累積，濃度增大。

（2）指尖處的Cl-濃度大于過渡區(qū)域Cl-濃度，這是由于指尖處的Cl-濃度是在灌施Cl-濃度的基礎(chǔ)上再把土壤中的Cl-濃度也一同帶入到產(chǎn)生指流的最前端處，而過渡區(qū)域的Cl-濃度則為被土壤吸附一小部分后的灌施Cl-濃度。

（3）指流通道對(duì)Cl-的遷移效率很高，占灌施進(jìn)入土壤Cl-質(zhì)量的35%～55%。

參考文獻(xiàn)

[1] HILL D E，PARLANGE J Y.Wetting front instability in layered soil[J].Soil science society of America proceedings，1972，36（5）：697-702.

[2] 史文娟，汪志榮，沈冰，等.非飽和土壤中指流的研究進(jìn)展[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32（7）：128-132.

[3] 趙常兵，陳萍，趙霞則，等.溶質(zhì)運(yùn)移理論的發(fā)展[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12（8）：502-504.

[4] 仵彥卿.多孔介質(zhì)污染物遷移動(dòng)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[5] HUANG G H，HUANG Q Z，ZHAN H B.Evidence of onedimensional scaledependent fractional advectiondispersion[J].J Contam Hydrol，2006，85（1/2）：53-71.

[6] ZHANG X X，CRAWFORD J W，DEEKS L K，et al.A mass balance based numerical method for the fractional advectiondispersion equation：Theory and application[J].Water Resour Res，2005，41（7）：1-10.

[7] KLADIVKO E J，GROCHULSKA J，TURCO R F，et al.Pesticide and nitrate transport into subsurface tile drains of different spacings[J].J Environ Qual，1999，28：997-1004.

[8] JURY W A.Simulation of solute transport using a transfer function model[J].Water resources research，1982，18（2）：363-368.

[9] 陳健財(cái).豬糞尿之污染[J].臺(tái)灣農(nóng)政，1990，23（6）：23-24.

[10] 蘇壯，董翔云，韓曉日，等.含氯化肥長期施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，28（2）：116-119.

[11] 崔玉珍，金安世，董甲珠.氯化銨的增產(chǎn)效果及其對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究[J].土壤通報(bào)，1991，22（1）：38-40.

[12] 劉偉佳.污水入滲污染物在土壤-地下水中遷移特性及影響因素試驗(yàn)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[13] 張建豐.黃土區(qū)層狀土入滲特性及其指流的實(shí)驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2004.