覆砂下微咸水鹽度和鈉吸附比對(duì)水鹽入滲及分布的影響

董立霞，譚軍利,2,3*，李淼，李存云，王西娜

(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2. 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； 3. 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； 4. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

壓砂地是在土表覆蓋一層10～15 cm厚的砂礫混合層，其主要功能是減少土壤水分蒸發(fā)、保蓄雨水、抑制鹽分表聚等[1].近年來(lái)，為穩(wěn)定壓砂地西瓜產(chǎn)量而采用地下微咸水進(jìn)行灌溉，但微咸水水質(zhì)及微咸水離子成分對(duì)壓砂地土壤水分入滲以及水鹽分布規(guī)律的影響卻并不清楚.EGGLETON等[2]研究發(fā)現(xiàn)土壤中鹽分累積量與灌溉水的含鹽量有密不可分的聯(lián)系，一定濃度的微咸水灌溉可以將表層土壤的鹽分淋洗至作物主根區(qū)以下，降低土壤表層鹽分，調(diào)節(jié)土壤鹽分含量，為作物正常生長(zhǎng)提供較好的水鹽環(huán)境.壓砂地能夠顯著提高土壤水的入滲能力[3]，改變土壤有機(jī)碳氮的含量[4].覆砂下砂礫層具有抑制土壤中毛管水的上升，削弱水分的蒸發(fā)，降低晝夜溫差，保持田間水土的作用.

鈉吸附比 (sodium adsorption ratio, SAR) 表征的是鈉離子和其他陽(yáng)離子相對(duì)含量的指標(biāo)[5].增加灌溉水鈉吸附比會(huì)引起土壤中鈣、鎂離子發(fā)生沉淀，鈉離子相對(duì)增加，而鈉離子含量增加會(huì)引起土壤中導(dǎo)水率的降低，也會(huì)引起土壤中水分運(yùn)動(dòng)方式的改變.增加入滲溶液的鈉吸附比會(huì)使土壤的團(tuán)聚體熟化，土壤膨脹，黏粒擴(kuò)散，水分運(yùn)動(dòng)方式接近活塞流，土壤對(duì)水和空氣的滲透性減弱，降低土壤飽和導(dǎo)水率[6-7].

水質(zhì)對(duì)土壤水分的入滲有顯著影響，一定濃度的微咸水灌溉可以使表層土壤鹽含量降低，礦化度為3 g/L時(shí)可以提高土壤入滲速率，降低土壤鹽分含量[8].在灌溉水入滲過(guò)程中，土壤被濕潤(rùn)的部位與干土層有明顯交界面稱(chēng)為濕潤(rùn)鋒.濕潤(rùn)鋒上土壤含水量高，在重力及干土層毛管作用力下推動(dòng)濕潤(rùn)鋒不斷向下運(yùn)動(dòng).容重、土壤初始含水率、飽和導(dǎo)水率等對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移都有一定的影響[9-10].土壤孔隙多少及性質(zhì)對(duì)入滲有很大影響.覆砂下灌溉水最初入滲受控于地表粗質(zhì)砂層，而濕潤(rùn)鋒進(jìn)入下層較細(xì)質(zhì)土層后，入滲率減小且只受控于土層.

研究人員在灌溉水質(zhì)對(duì)土壤非飽和水入滲的影響的研究上已做了大量工作[11]，但覆砂下土壤水分入滲實(shí)際上是在覆砂層和土壤層2個(gè)差異巨大的層次之間的入滲過(guò)程.相較于裸土入滲，覆砂土壤入滲其實(shí)質(zhì)是在地表水頭和砂層飽和水頭下進(jìn)行，這種條件下灌溉水鹽度和鈉吸附比對(duì)土壤水分入滲的影響以及水鹽分布并不清楚.由此，文中通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，擬探討微咸水的鹽度和鈉吸附比對(duì)壓砂地土壤水分入滲及水鹽分布的影響，為壓砂地利用微咸水灌溉提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土樣取自銀川市西夏區(qū)平吉堡農(nóng)場(chǎng)玉米地耕作地，供試土壤為砂壤土，土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水量為17.4%.土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、碾壓、去除雜質(zhì)后過(guò)1 mm篩.試驗(yàn)所用砂石采自中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)興仁鎮(zhèn)壓砂地.砂石取回后采用標(biāo)準(zhǔn)砂石套篩篩分，將不同粒徑的砂石用自來(lái)水多次沖洗后并用蒸餾水清洗，最后烘干待用.按照如表1所示砂石級(jí)配重新混勻，并測(cè)得砂石容重為1.9 g/cm3，表中d為砂石粒級(jí)，η為比例.

表1 砂層顆粒級(jí)配

地下水電導(dǎo)率值ECw為1.98～3.01 dS/m，鈉吸附比值SAR為10.2～15.8 (mmol/L)0.5，pH為 7.59～8.82.按照當(dāng)?shù)氐叵滤x子組成，用NaCl，CaCl2和MgSO4按照質(zhì)量比2∶1∶2配置不同的鹽度灌溉水.同時(shí)改變這3種試劑的比例，配置相同鹽度不同鈉吸附比的灌溉水.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土柱裝置包括有機(jī)玻璃柱和馬氏瓶2個(gè)部分，土柱直徑18.4 cm，高100 cm，馬氏瓶直徑與有機(jī)玻璃柱相同，高40 cm.據(jù)實(shí)際土壤容重為1.45 g/cm3填裝土，每5 cm為1層，在每1層裝入土樣后壓實(shí)并將表面土壤刮毛.最上層10 cm裝入砂石混合物以模擬壓砂條件.所有材料裝完后讓其平衡過(guò)夜.試驗(yàn)過(guò)程保持恒定水頭5 cm，觀察并記錄馬氏瓶中的入滲水量和土柱濕潤(rùn)鋒位置.當(dāng)濕潤(rùn)鋒達(dá)到土層45 cm深度時(shí)停止供水并迅速將上層積水放出.同時(shí)以5 cm為間距從土柱取樣孔中采集土壤樣品.一部分土壤樣品用烘干法測(cè)定土壤含水率；另一部分土壤樣品風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)1 mm篩孔，采用電導(dǎo)率儀(雷磁DDS-307)測(cè)定水土質(zhì)量比為5∶1的土壤懸液電導(dǎo)率EC.

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016處理數(shù)據(jù)，利用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 灌溉水鹽度對(duì)土壤水分入滲的影響

由圖1，2可以看出，在水分入滲的前6 min，累積濕潤(rùn)鋒DA和累積入滲量VA隨時(shí)間t增加較快，Y0，Y1，Y2，Y3和Y4的DA平均運(yùn)移速率分別為3.57，3.18，3.50，3.75和3.85 cm/min，入滲速率較快.各處理的平均入滲速率在2.10～2.38 cm/min. 6 min之后，DA和VA隨時(shí)間的增大而變慢，Y0，Y1，Y2，Y3，Y4的DA平均運(yùn)移速率分別為0.54，0.48，0.58，0.59，0.59 cm/min,相應(yīng)的入滲速率分別為0.22，0.16，0.21，0.20和0.19 cm/min.入滲前6 min內(nèi)，除處理Y1(EC=1.0 dS/m)的入滲速率小于蒸餾水的外，其他微咸水處理的入滲速率都有所提高.這說(shuō)明土壤的入滲速率隨灌溉水鹽度增加而增大.

圖1 灌溉水鹽度對(duì)累積濕潤(rùn)鋒與時(shí)間關(guān)系的影響

圖2 灌溉水鹽度對(duì)累積入滲量與時(shí)間關(guān)系的影響

入滲初期，灌溉水鹽度對(duì)DA的影響不明顯，DA在9.1～11.3 cm.隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，灌溉水鹽度對(duì)DA的影響逐漸變大，入滲結(jié)束時(shí)DA最大值與最小值差值為9.7 cm.不同處理的DA深度從大到小依次為Y4，Y3，Y2，Y0，Y1，說(shuō)明增加灌溉水中鹽分含量促進(jìn)了水分在土壤中的運(yùn)移速度.這是因?yàn)楣喔人械柠}分離子與土壤中的自由離子結(jié)合，改變了土壤的化學(xué)組成、空間結(jié)構(gòu)或理化性質(zhì).

入滲過(guò)程中孔隙流為主要入滲方式，影響孔隙流入滲的主要因素為灌溉水的重力，考慮理想狀態(tài)下的自由落體運(yùn)動(dòng)公式，時(shí)間采用其平方根值.DA與時(shí)間的平方根擬合呈顯著的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.99，置信區(qū)間為95%.表明在壓砂地上微咸水入滲過(guò)程中孔隙流是主要的灌溉水入滲方式，重力是影響孔隙流的主要因素，這與樊麗琴等[12]研究結(jié)果相似.

入滲結(jié)束時(shí)，處理Y4的VA最大，為24.3 cm，Y1的最小為22.0 cm，但都小于處理Y0的累積入滲量.這說(shuō)明灌溉水鹽度阻礙了水分的入滲，但微咸水處理之間VA差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.累積入滲量與時(shí)間的平方根呈冪函數(shù)關(guān)系，冪函數(shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)土壤中VA也增大，擬合冪函數(shù)方程中其指數(shù)代表入滲速率的變化速率，冪指數(shù)越小VA也越小.隨著入滲的時(shí)間的延長(zhǎng)，VA隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定.

2.2 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤水分入滲的影響

灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤入滲累積濕潤(rùn)鋒與時(shí)間關(guān)系的影響如圖3所示.入滲前6 min，鹽度一定條件下隨著灌溉水鈉吸附比的增大，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率減小，平均濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率從大到小依次為X0，X1，X2，X3，處理X3的較X0減小了22%.6 min之后，平均濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率隨鈉吸附比增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，處理X1最大，為0.52 cm/min.在入滲初期內(nèi)，土壤中鈉離子的濃度增加，致使土壤顆粒的分散、黏土顆粒的膨脹和土壤團(tuán)聚體的破壞.鈉吸附比越高，土壤結(jié)構(gòu)的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，土壤的滲透性越低.入滲過(guò)程中，灌溉水鈉吸附比對(duì)DA的影響與初期類(lèi)似.不同鈉吸附比下DA和時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系.入滲結(jié)束時(shí)處理X1的DA最大，擬合方程的截距也最大，X3的DA最小，同時(shí)其擬合方程截距最小.

圖3 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤入滲累積濕潤(rùn)鋒與時(shí)間關(guān)系的影響

灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤累積入滲量與時(shí)間關(guān)系的影響如圖4所示.在灌溉水鹽度一定的條件下，VA與灌溉水鈉吸附比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，處理X3的VA較X1的減小了18.4%.這是因?yàn)殁c離子本身帶電量相對(duì)較小，其水化能力也較小，土壤中鈉離子能夠使土壤顆粒離散，所以灌溉水中鈉離子增大，土壤顆粒產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象，造成土壤孔隙阻塞，土壤中的宏觀孔隙減少，使土體的物理特性發(fā)生改變，從而影響土壤水分的入滲.入滲結(jié)束時(shí)，處理X0與X1的VA最大，為24.3 cm.灌溉水鈉吸附比影響下的VA和時(shí)間的平方根關(guān)系呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系.冪指數(shù)反映入滲速率的變化速率的快慢，處理X1下冪指數(shù)最大，為0.68；而處理X3的冪指數(shù)最小，為0.45.這表明隨著灌溉水的鈉吸附比增加，冪指數(shù)呈下降趨勢(shì)，入滲速率呈下降趨勢(shì).

圖4 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤累積入滲量與時(shí)間關(guān)系的影響

2.3 灌溉水鹽度對(duì)土壤水分和鹽分分布的影響

圖5 灌溉水鹽度對(duì)土壤含水率分布的影響

圖6 灌溉水鹽度對(duì)土壤平均含水率分布的影響

圖7 灌溉水鹽度對(duì)土壤電導(dǎo)率分布的影響

圖8 灌溉水鹽度對(duì)土壤平均電導(dǎo)率分布的影響

2.4 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤水分和鹽分分布的影響

圖9為灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤含水率分布的影響.由圖可以看出，0～45 cm的土層土壤含水率平均值隨鈉吸附比的增加，土壤平均含水率先增大后減小，處理X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)時(shí)土壤含水率最大，達(dá)24.10%.這是由于灌溉水帶入較多鈉離子，鈉離子與土壤中鈣、鎂離子發(fā)生置換，被土壤表層固體顆粒吸附，使得土壤分散，造成土壤膨脹，土壤孔隙阻塞，土壤入滲率降低.這與吳忠東等[7]在裸地上的研究結(jié)果類(lèi)似.他們發(fā)現(xiàn)增加灌溉水SAR引起土壤導(dǎo)水能力變差.

圖9 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤含水率分布的影響

圖10 灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤電導(dǎo)率分布的影響

FEIGIN等[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤鈉離子含量和土壤電導(dǎo)率是灌溉水鹽分對(duì)土壤影響的主要形式.在鹽度一定的條件下，不同灌溉水鈉吸附比處理的0～30 cm土層電導(dǎo)率差異不大，最大電導(dǎo)率和最小電導(dǎo)率分別是在X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)和 X1(SAR=7.0(mmol/L)0.5)下取得，其平均值分別為0.29 dS/m和0.21 dS/m.30～45 cm土壤電導(dǎo)率呈明顯的上升趨勢(shì)，其中處理X0較30 cm的增大了40.7%.

從圖11可以看出，0～10 cm和20～30 cm土層土壤pH值隨灌溉水鈉吸附比增加而升高，X3的 0～30 cm平均pH值較X0的升高了3.0%； 30 cm以下土層pH值不同處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.總之，增加灌溉水鈉吸附比導(dǎo)致土壤pH值升高.

圖11 灌溉水鈉吸附對(duì)土壤pH的影響

3 結(jié) 論

1) 在試驗(yàn)范圍內(nèi)，累積濕潤(rùn)鋒深度隨灌溉水鹽度增加而增加，但降低了累積入滲量；當(dāng)灌溉水鹽度增加到一定程度(如EC=7.5 dS/m)，顯著降低了剖面土壤含水率，濕潤(rùn)層平均含水率較去離子水降低了40%，而鈉吸附比對(duì)土壤含水率影響不大.

2) 無(wú)論是灌溉水鹽度還是鈉吸附比條件下累積濕潤(rùn)鋒與時(shí)間的平方根均呈線性關(guān)系，累積入滲量與時(shí)間的平方根呈冪函數(shù)關(guān)系.

3) 土壤鹽度與灌溉水鹽度呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，增加灌溉水鈉吸附比對(duì)土壤鹽度影響較小，但提高了土壤pH值.