脫硫石膏添加下鹽堿土水分入滲特征分析

高小龍, 王幼奇, 白一茹, 阮曉晗, 鐘艷霞

(1.寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,750021,銀川; 2.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,750021,銀川;3.西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點(diǎn)實驗室培育基地,750021,銀川; 4.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實驗室,750021,銀川)

土壤鹽堿化嚴(yán)重制約著干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)恢復(fù)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。銀北平原地處中溫帶干旱區(qū)，降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，加之長期大水漫灌，使該區(qū)域耕地鹽堿化問題嚴(yán)重，鹽堿面積達(dá)14.8萬hm2[2]。鹽堿化使土壤顆粒分散、質(zhì)地黏重、結(jié)構(gòu)性差[3]，破壞作物生長環(huán)境[4]，導(dǎo)致農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量急劇下降，嚴(yán)重危害區(qū)域糧食生產(chǎn)與安全。脫硫石膏在銀川寧東化工基地產(chǎn)生量大，其富含植物生長所需的礦物質(zhì)元素Ca、S、Si等，被廣泛應(yīng)用于鹽堿地改良，在改善土壤物理性質(zhì)[5]、提高作物產(chǎn)量[6]、降低鹽堿土pH[7]等方面均有顯著效果。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對脫硫石膏改良鹽堿地做了大量研究，表明脫硫石膏可以有效置換出土壤中的Na+[8]、調(diào)節(jié)pH、提高土體中Ca2+含量[9]等，對鹽堿土化學(xué)性質(zhì)改良效果顯著；同時，一些學(xué)者也開始關(guān)注脫硫石膏對鹽堿土物理性質(zhì)及水力學(xué)性質(zhì)的改良，發(fā)現(xiàn)脫硫石膏施入鹽堿土中會顯著影響土壤水鹽運(yùn)移過程[10]、改善土體團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[11]并抑制土壤返鹽過程。如程鏡潤等[7]發(fā)現(xiàn)不同脫硫石膏質(zhì)量配比下，土體中離子交換過程活躍，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到明顯改善。Blum等[12]通過野外實驗發(fā)現(xiàn)石膏能改善鹽堿土理化特性。張繼紅等[5]通過室內(nèi)模擬實驗發(fā)現(xiàn)施加石膏能改變鹽堿土孔隙狀況，改善鹽堿土水分運(yùn)動特性。綜上可知脫硫石膏不僅可以降低鹽堿土pH和鹽離子濃度，而且可以改善土壤物理及水力學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)作物增產(chǎn)。現(xiàn)階段關(guān)于脫硫石膏添加下鹽堿土水分入滲特性及數(shù)值模擬的研究較少，針對銀北地區(qū)鹽堿土水分運(yùn)動特性的研究亦相對缺乏；而土壤入滲特性及水分分布特征直接影響作物生長發(fā)育及水資源利用效率，是制定合理灌溉措施必須參考的物理數(shù)據(jù)。

利用脫硫石膏對銀北平原鹽堿土進(jìn)行改良，既可以實現(xiàn)該區(qū)域資源的合理開發(fā)和利用，又能降低鹽堿化改良成本[10]。筆者通過室內(nèi)一維垂直入滲試驗，研究脫硫石膏添加下銀北平原鹽堿土水分入滲特征，比較脫硫石膏添加下不同入滲模型的適用性，并利用一維代數(shù)模型模擬土壤剖面含水率，分析模擬值與實測值之間的差距，進(jìn)而明確脫硫石膏對銀北平原鹽堿土水分入滲過程的影響，以期為研究脫硫石膏及入滲模型更好的應(yīng)用于土壤改良及生產(chǎn)生活等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自寧夏回族自治區(qū)平羅縣鹽堿荒地(E 106°31′，N 38°57′)。取0～40 cm的表層土壤，去除土樣中的雜物，將土壤放在陰涼、干燥的地方自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。土樣類型為灰鈣土，風(fēng)干后土壤板結(jié)成塊，土表非常堅硬，其理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

脫硫石膏取自寧東煤化工基地，其主要成分是二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)，經(jīng)風(fēng)干、晾曬后呈白色粉末狀，粒徑為30～60 μm，含水率在1%左右，純度為90%～93%。將其碾磨過篩后放置于室內(nèi)干燥處備用。

1.2 試驗方法

分別將脫硫石膏與所備土樣按0(CK)、1.5%(T1)、3.0%(T2)、4.5%(T3)、6.0%(T4)和7.5%(T5)的質(zhì)量比混合均勻，然后將混合好的土壤樣品按密度1.5 g/cm3每5 cm分層填裝到內(nèi)徑為10 cm、高為50 cm的垂直土柱中，為消除壁面優(yōu)先流的影響，裝土前在土柱內(nèi)壁均勻涂抹少量凡士林。每層填裝完成后對土表進(jìn)行打毛，以防入滲過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，土柱填裝高度為40 cm。土柱填裝完成后在土壤表面覆一層濾紙，用相同規(guī)格的馬氏瓶對其進(jìn)行供水，供水過程中保持3 cm穩(wěn)定水頭。供水開始后，觀察不同時刻濕潤鋒運(yùn)移進(jìn)程，讀取前后左右4個濕潤鋒點(diǎn)，取平均數(shù)記錄濕潤鋒運(yùn)移距離，同時記錄馬氏瓶凹液面數(shù)值。前5 min每10 s記錄1次，5～10 min每30 s記錄1次，10～20 min每1 min記錄1次，20～30 min每5 min記錄1次，30～60 min每10 min記錄1次，60 min以后每30 min記錄1次。當(dāng)濕潤鋒到達(dá)土柱底部時立刻停止供水，記錄馬氏瓶最終讀數(shù)，入滲試驗結(jié)束。迅速吸干土柱表面積水，立即挖取不同深度處(每隔5 cm取樣)土樣裝入鋁盒，用烘干法測定土壤含水率。每個處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 入滲模型

筆者通過常用的Philip模型[13]、Kostiakov模型[14]、Horton模型及通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚15]對脫硫石膏添加下土壤入滲速率進(jìn)行模擬，其表達(dá)式如下：

Philip模型公式：

i=0.5St-0.5+ic。

(1)

式中：i為入滲速率，cm/min；S為土壤吸滲率，cm/min0.5；t為入滲時間，min；ic為穩(wěn)定入滲速率，cm/min。

Horton模型公式：

i=ic+(i1-ic)e-kt。

(2)

式中：i1為初始入滲速率，cm/min；k為入滲模型參數(shù)。

Kostiakov模型公式：

i=ct-d。

(3)

式中：c為初始入滲速率的變化，cm/min；d為水分入滲速率衰退程度，量綱為1。

通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸剑?/p>

i=v+ft-n。

(4)

式中：v的絕對值表征穩(wěn)定入滲速率，cm/min；f的絕對值表征初始入滲速率，cm/min，n為模型參數(shù)，量綱為1。

1.4 一維代數(shù)模型

垂直一維非飽和土壤累積入滲量[16]計算公式為：

(5)

式中：I為累積入滲量，cm；Zf為濕潤鋒，cm；θs為飽和含水率，cm3/cm3；θr為滯留含水率，cm3/cm3；θi為初始含水率，cm3/cm3；α為非飽和導(dǎo)水率形狀系數(shù)。風(fēng)干后土樣初始含水率較小，假定θr=θi，所以累積入滲量可表示為：

(6)

不同深度處含水率的計算公式如下：

(7)

式中：θ為土壤剖面含水率，cm3/cm3；Z為任意深度，cm。根據(jù)式(7)得出的α可以估算入滲一定深度Zf時，不同土層含水率的變化。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013軟件作圖，Origin 2018和IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行模型擬合，通過單因素方差分析確定各處理入滲速率間的差異性，利用均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE和符合度指數(shù)D[17]對模擬結(jié)果進(jìn)行評價。

2 結(jié)果分析

2.1 對濕潤鋒的影響

濕潤鋒可以表示一維入滲過程中土壤基質(zhì)勢和重力作用下土壤的水分運(yùn)動特征[18]。不同脫硫石膏添加比例下水分入滲過程中濕潤鋒隨時間變化如圖1所示，可見脫硫石膏添加比例不同，濕潤鋒運(yùn)移進(jìn)程不同。整個入滲過程中隨入滲時間推移各處理濕潤鋒均呈先快后慢的增加趨勢。入滲初期120 min 內(nèi)各處理濕潤鋒差別較小，隨入滲時間增加，脫硫石膏配比對土壤水分入滲過程的影響逐漸顯著。入滲400 min后，同一時刻，脫硫石膏添加比例越大濕潤鋒運(yùn)移距離越小。入滲結(jié)束時各處理累積用時較CK分別增加9.09%、13.64%、22.73%、27.27%和36.36%?？傮w來看，入滲各階段脫硫石膏添加對濕潤鋒運(yùn)移過程均有抑制作用。

為更好探究脫硫石膏添加量對濕潤鋒運(yùn)移過程的影響，根據(jù)濕潤鋒趨勢，通過冪函數(shù)對濕潤鋒變化進(jìn)行擬合。如圖1所示，冪函數(shù)(Zf=atb)較好地反映了各處理濕潤鋒Zf與入滲時間t之間的關(guān)系，R2均>0.99，很好擬合不同脫硫石膏添加比例下濕潤鋒隨時間的變化情況?？梢娒摿蚴嗵砑訙p緩水分入滲過程，隨脫硫石膏施量增加減緩程度亦增加。

脫硫石膏添加比例：CK：0；T1：1.5%；T2：3.0%；T3：4.5%；T4：6.0%；T5：7.5%，Zf為濕潤鋒，a，b均為模型參數(shù)量綱為1。下同。Desulfurization gypsum addition ratios: CK: 0; T1: 1.5%; T2: 3.0%; T3: 4.5%; T4: 6.0%; and T5: 7.5%, the same below. Zf: Wetting front, cm; a, b are model parameters. 圖1 脫硫石膏添加對濕潤鋒的影響Fig.1 Effects of adding desulfurization gypsum on wetting front

2.2 對累積入滲量的影響

由圖2可見，累積入滲量隨脫硫石膏添加比例變化趨勢與濕潤鋒相似。入滲初期120 min內(nèi)不同處理間土壤累積入滲量差異不大，各處理累積入滲量均迅速增加。隨入滲歷時推進(jìn)，脫硫石膏對土壤水分入滲過程的影響逐漸增大，480 min時各處理累積入滲量存在明顯差異，CK、T1、T2、T3、T4和T5的累積入滲量分別為8.22、7.66、7.43、7.19、6.90和6.55 cm，與CK相比T1、T2、T3、T4和T5的累積入滲量分別減少6.91%、9.64%、12.53%、16.08%和20.30%，可見同一時刻，累積入滲量隨脫硫石膏增加逐漸減小。歷時960 min時不同處理的累積入滲量分別為11.58、10.83、10.46、10.12、9.80和9.37 cm，T1、T2、T3、T4、T5較CK分別減小6.46%、9.68%、12.64%、15.37%和23.65%。累積入滲量一定程度上可以表征土壤水分入滲能力。相同入滲時間，脫硫石膏添加比例越高，累積入滲量越小，說明脫硫石膏添加減弱土壤水分入滲能力。脫硫石膏在與鹽堿土相互作用后降低土壤pH值的同時[7]，土壤孔隙度發(fā)生改變，入滲能力降低，這極大減緩灌區(qū)土壤水分的快速下滲，阻礙地下水與灌溉水的連通過程，有利于防止灌區(qū)土壤次生鹽堿化危害。

圖2 脫硫石膏添加對累積入滲量的影響Fig.2 Effects of adding desulfurization gypsum on cumulative infiltration

2.3 對入滲速率的影響

入滲速率是表征土壤水分入滲快慢的直接指標(biāo)，根據(jù)入滲不同階段土體主要作用力的不同，一般分為3個階段：瞬變階段(分子力作用下入滲速率較高的初始入滲階段)、滲漏階段(重力及毛管力作用下入滲速率迅速下降的中期入滲階段)和穩(wěn)滲階段(重力作用下入滲速率趨于穩(wěn)定的終期入滲階段)[19]。表2和圖3表征不同脫硫石膏添加下土壤水分入滲速率的變化情況，可見隨脫硫石膏施用量增加各階段入滲速率均呈下降趨勢，但不同時間段土壤水分入滲速率下降程度不同。為更清楚反映不同處理間的差異性，將圖3局部放大得到20～720 min 時的入滲速率。在初始入滲階段(即瞬變階段)各處理入滲速率均較大，初始入滲速率差異不顯著(P>0.05)。在滲漏階段各處理入滲速率逐漸趨于穩(wěn)定，呈迅速下降趨勢，不同處理表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，即脫硫石膏添加比例越大，土壤水分入滲速率越小，與CK相比90 min時T1、T2、T3、T4和T5入滲速率分別減小16.7%、33.3%、44.4%、47.2%和58.3%。在穩(wěn)定入滲階段，各處理入滲速率均較為平緩，呈穩(wěn)中變緩的態(tài)勢，穩(wěn)定入滲速率在CK與T2、T3、T4、T5之間存在顯著性差異(P<0.05)，T2與T4、T5之間存在顯著性差異(P<0.05)。該入滲過程中除T3與T4外，其余各處理平均入滲速率均表現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)。

表2 不同脫硫石膏添加比例對入滲速率的影響

圖3 脫硫石膏添加對入滲速率的影響Fig.3 Effects of adding desulfurized gypsum on infiltration rate

2.4 土壤水分入滲過程模型擬合

為確定脫硫石膏添加下土壤水分入滲模型適用性及相關(guān)水力學(xué)參數(shù)，對Philip、Horton、Kostiakov和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合分析，擬合參數(shù)如表3所示。Philip模型中決定系數(shù)(R2)均>0.840，S在0.617～0.557之間。S反映土壤水分入滲能力，其值越大土壤水分入滲能力越強(qiáng)，可見Philip模型較好地擬合土壤水分入滲過程，S隨脫硫石膏添加比例增加逐漸減小，說明添加脫硫石膏對鹽堿土水分入滲有抑制作用，且隨脫硫石膏施用量增加其抑制作用增大。Horton模型中R2為0.748～0.753，隨脫硫石膏添加比例增加，i1與ic均呈減小趨勢，與實測數(shù)據(jù)變化規(guī)律吻合。Kostiakov模型中R2均>0.873，c值為0.312～0.281，隨脫硫石膏配比增加逐漸減小，說明一維垂直入滲過程中脫硫石膏添加比例越大土壤初始入滲速率越小。d值為0.394～0.415，其大小反映水分入滲速率的衰退程度，可見隨脫硫石膏添加比例增加其值越大，說明脫硫石膏可以增強(qiáng)土壤入滲速率的衰退程度，減緩水分入滲過程。在通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭蠷2均>0.911，v和f的絕對值分別表征穩(wěn)定入滲速率和初始入滲速率，可見隨脫硫石膏配比增加v、f的絕對值均呈減小趨勢，即脫硫石膏添加量增加土壤入滲過程中穩(wěn)定入滲速率和初始入滲速率降低。

表3 不同脫硫石膏添加比例下入滲速率模型擬合

2.5 土壤剖面含水率分布模擬

入滲結(jié)束時各處理不同土層含水率變化情況如圖4所示，隨土層深度增加不同處理土壤含水率均逐漸減小。入滲結(jié)束時(濕潤鋒達(dá)到40 cm深度處)，35～40 cm深度處CK、T1、T2、T3、T4和T5土壤含水率分別為26.84、26.25、25.84、25.50、24.70和24.11 cm3/cm3。與CK相比，T1～T5處理在 35～40 cm 土層深度處土壤含水率分別減少0.59%、1.00%、1.34%、2.14%、2.73%。通過式(6),利用累積入滲量曲線和濕潤鋒曲線獲得二者間斜率，結(jié)合飽和含水率、初始含水率數(shù)據(jù)獲得非飽和導(dǎo)水率形狀系數(shù)α(表4)，將α代入式(7)求得每個處理不同土層深度的模擬含水率數(shù)值(圖4)，通過土柱結(jié)束時所測不同土層含水率數(shù)值，與模擬值進(jìn)行比較分析。用RMSE、MAE和D來反映預(yù)測值與實測值間的接近程度(表4)。不同處理下土壤含水率MAE在1.064%～1.828%之間、RMSE在1.299%～1.987%之間，其值均<2%，說明模擬值與實測值差距很小，擬合效果較好。D為標(biāo)準(zhǔn)化度量指標(biāo)，范圍在0～1之間，其值越接近于1，說明模型擬合效果越好、實測值與模擬值越接近[17]。本研究中各處理D值分別為：0.883、0.821、0.770、0.719、0.904、0.600，除T5處理外，其他各處理D值均>0.7，T4>0.9，說明一維代數(shù)模型可以較好模擬脫硫石膏添加下鹽堿土不同深度處含水率的變化情況。

圖4 不同處理土壤剖面含水率Fig.4 Soil profile moisture contents under different treatments

表4 一維代數(shù)模型擬合及評價

3 討論

入滲前期脫硫石膏添加對濕潤鋒、入滲速率和累積入滲量的影響較小，隨時間推移影響越來越顯著，這可能是由于入滲前期土體干燥，土壤水吸力均較大[20]、脫硫石膏與鹽堿土復(fù)合作用效果不顯著，各處理間入滲過程差異不明顯。隨入滲過程推進(jìn)，脫硫石膏與鹽堿土充分反應(yīng)，土壤中的Na+被石膏中的Ca2+置換出來，Ca2+與土壤膠體表面負(fù)電荷的吸引力及對土壤膠體的聚沉作用比Na+強(qiáng)[21]，同時脫硫石膏會填充土壤孔隙且其吸水性強(qiáng)[11]，所以土壤水分運(yùn)移過程變緩，這與張繼紅等[5]研究得出的結(jié)論相一致。說明脫硫石膏添加能夠減緩銀北平原鹽堿土水分入滲過程，減少土壤養(yǎng)分流失，防止農(nóng)藥、化肥等深層滲漏，阻礙地表水與地下水的連通作用。

Kostiakov模型屬典型的指數(shù)模型，當(dāng)時間軸趨于0時i值趨于無限大，與實際情況不符[19]，不適合描述入滲初期水分運(yùn)動特性。且Kostiakov模型屬于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其參?shù)沒有明確的物理意義，相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行模擬入滲實驗時也沒有選用該模型[19,22]。Horton模型擬合的R2在0.748～0.753之間，擬合效果低于其他3種模型，上官玉鐸等[23]認(rèn)為Horton模型參數(shù)較多、擬合難度較大。通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合效果較好，但v值為負(fù)[24]。Philip模型不僅可以較好的模擬土壤水分入滲過程，而且能夠求算該過程中土壤吸滲率的大小，反映脫硫石膏添加對鹽堿土入滲能力的影響。綜上，根據(jù)4種入滲模型參數(shù)的實際物理意義及模型擬合效果[25]，發(fā)現(xiàn)Philip模型更適合擬合脫硫石膏添加對銀北地區(qū)鹽堿土水分入滲過程的影響。

各處理含水率隨土層深度增加逐漸減小，同一土層不同處理土壤含水率隨脫硫石膏添加比例增大而減小，這與梁嘉平等[11]得出的結(jié)論一致。說明脫硫石膏添加改變各處理不同土層剖面含水率，這主要是因為脫硫石膏添加使土壤中鈣質(zhì)膠體增加，水的黏滯性變大，毛管對水的吸滲作用減弱[5]，且石膏顆粒對土壤孔隙有填充作用，影響土壤水分分布狀況。準(zhǔn)確擬合土壤含水率對農(nóng)業(yè)灌溉制度、土壤水分調(diào)控技術(shù)的確定及促進(jìn)作物增產(chǎn)等具有重要意義。本研究通過一維代數(shù)模型預(yù)測各處理任意深度處的土壤剖面含水率，模擬結(jié)果如圖4所示，實測值與模擬值之間差異較小，可以用其模擬脫硫石膏添加下鹽堿土的水分入滲情況。王春霞等[26]的研究也表明一維代數(shù)模型在土壤水分一維垂直入滲過程中有很好的適用性。針對重度鹽堿土，趙連東等[17]也利用一維代數(shù)模型高精度模擬出不同深度處土壤含水率。綜上，一維代數(shù)模型在預(yù)測鹽堿土水分分布情況時有較好的適用性。

4 結(jié)論

1)對比不同處理下脫硫石膏添加對銀北平原鹽堿土水分入滲特性的影響，發(fā)現(xiàn)添加脫硫石膏對鹽堿土水分運(yùn)動過程有明顯減滲作用。入滲結(jié)束時T1、T2、T3、T4、T5處理累積用時較CK分別增加9.09%、13.64%、22.73%、27.27%、36.36%。

2)綜合4種入滲模型的實際物理意義及擬合效果，發(fā)現(xiàn)Philip模型更適合描述脫硫石膏添加下銀北地區(qū)鹽堿土水分入滲過程。

3)添加脫硫石膏改變土壤剖面含水率，同一土層深度處，脫硫石膏添加比例越大土壤剖面含水率越低。一維代數(shù)模型能很好預(yù)測脫硫石膏添加下鹽堿土水分入滲過程中土壤剖面含水率的分布情況。