斥水性土壤水盐的移转

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1　材料与方法

供试土样分别取自新疆玛纳斯县盐碱土与陕西杨凌塿土，土壤质地均为粉壤土，初始含盐量分别为4．5、0．16mg／g。土样经自然风干，碾压后过孔径2mm筛。采用电导率法测定初始含盐量，吸管法进行颗粒分析，分析结果如表1。按照土壤盐化程度的一般分级标准，盐碱土属于中度盐土，塿土属于非盐渍化土。采用Dekker和Jungerius［5－6］提出的斥水性分类标准，将斥水性分为5个等级：0级，无斥水性（滴水 穿 透 时 间＜5s）；1级，轻 微 斥 水 性 （5～60s）；2级，强烈斥水性（60～600s）；3级，严重斥水性（600～3　600s）；4级，极度斥水性（＞3　600s）。试验在西北农林科技大学农业水土工程教育部重点实验室进行。选用1级（轻微斥水）和0级（不斥水）2种不同等级斥水度的土壤。新疆盐碱土按设计体积质量1．4g／cm3、杨凌塿土按设计体积质量1．35g／cm3分层（5cm一层）均匀装入有机玻璃箱内。装土后自然沉降24h，使土箱内的土具有较均匀的土壤初始含水量。试验系统由供水系统和试验土箱组成，采用马氏瓶供水。土箱由有机玻璃制成，便于观测记录湿润锋，土箱长×宽×高为30cm×30cm×30cm。输液器模拟滴头，与马氏瓶用橡胶管连接。试验前滴头流量率定为0．07mL／min，试验过程中用秒表记录时间，将不同时刻的湿润锋描绘在土箱外壁上，并记录马氏瓶读数，时间间隔本着先密后疏的原则。入渗结束后立即对湿润体在不同平面上沿径向取土。采用烘干法测量土壤含水量。盐碱土采用1∶5的土水比配制浸提液震荡30min后静置24h，用DDS－303A型电导率仪测定浸提液电导率，利用标定曲线反算出含盐量。对浸提液采用莫尔法测Cl－浓度。

2　结果与分析

2．1　滴灌条件下斥水土壤入渗的水分运移特征

2．1．1　滴灌入渗的湿润锋推进特征

塿土与盐碱土2种不同等级斥水度土壤入渗1　440min的湿润锋推进趋势见图1。　由图1（a、b）可看出：①在相同的滴头流量和相同入渗历时条件下，1级斥水度（轻微斥水）塿土水平湿润锋推进速度大于不斥水塿土，垂直湿润锋推进速度小于水平湿润锋。②不斥水塿土在入渗初期水平方向湿润锋的推进速度比垂直方向快，但随着入渗历时的不断增加，垂直湿润锋的推进速度大于水平湿润锋。1级斥水度塿土的水平湿润锋推进速度始终大于垂直湿润锋。入渗1　440min后，不斥水塿土的水平和垂直湿润锋分别为6．3cm和7．0cm，而1级斥水度塿土的水平和湿润锋则分别为8．5cm和5．5cm，有明显差异。③在相同的灌水量条件下，亲水土壤的湿润体更倾向于纵向湿润锋较深的椭球体；而在斥水土壤中形成水平湿润锋较长的椭球体。湿润体形状差异是因为土壤斥水性改变了土壤和水分之间的亲和力，斥水性的存在使得水分难以快速运动，从而更易于形成侧向流。由图1（c、d）可看出：①1级斥水度与不斥水盐碱土水平湿润锋推进速度始终大于垂直湿润锋推进速度。②入渗1　440min后，不斥水盐碱土的水平和垂直湿润锋分别为8．2cm和5．8cm，而斥水盐碱土的水平和垂直湿润锋分别为12．4cm和4．8cm。③不斥水盐碱土水平湿润锋推进速度起初接近于垂直湿润锋，而后大于垂直湿润锋的推进速度。斥水盐碱土湿润体形状趋于横放的椭球体。对塿土和盐碱土不同等级斥水度土壤入渗湿润锋进行对比可知：①斥水土壤中的水分运移与亲水土壤有明显区别，斥水土壤的入渗变慢，水分停留在表土一定厚度层且倾向于横向流动，这会影响农田作物根系对水分的吸收，增加水分蒸发量，不利于作物增产。所以对于具有斥水性的土壤，应采取一定措施改善土壤斥水的性状。②亲水土壤的湿润锋边界比斥水土壤的更光滑，也同样说明土壤斥水性使得水分分布趋向于不均匀。③所选取的2种土壤本身入渗性能也有所不同，滴头流量和灌水量相同时，同种等级斥水度的塿土和盐碱土相比较，盐碱土水分入渗倾向于横向流动，塿土水分入渗较盐碱土倾向于向土层下方流动，这和土壤本身的质地有关。因此，盐碱地上灌溉容易产生棵间蒸发，降低灌溉水的有效利用率，应采取积极有效的措施改良盐碱地。为分析对比不同斥水度土壤湿润锋随时间推进的规律，由试验数据拟合可得塿土与盐碱土2种等级斥水度土壤湿润锋的水平、垂直变化过程与入渗时间的关系曲线，见图2。

图2中塿土与盐碱土不同等级斥水度土壤的水平湿润锋和垂直湿润锋均可表示为时间的幂函数：式中：Xf为湿润锋的水平湿润半径（cm）；Zf为垂向湿润半径（cm）；t为时间（min）；a、b分别为参数。湿润锋拟合参数见表2。

由表2可以知，塿土与盐碱土不同等级斥水度的斥水土壤湿润锋水平、垂向半径与入渗时间符合良好的幂函数关系，其相关系数R2均在0．95以上，拟合参数a和b具有随机性。这一规律与李毅等［7］得出的盐碱土湿润锋推进规律相符。

2．1．2　滴灌入渗湿润体内土壤含水量的分布

图3为塿土与盐碱土不同等级斥水度的土壤入渗结束后的含水量等值线图。

由图3（a、b）可知：①入渗结束后，1级斥水度和不斥水塿土的滴头下方含水量最大，随着距滴头距离增加含水量降低，在湿润锋处含水量达到最低，接近土壤初始含水量。②不斥水塿土的含水量等值线形状为1／4圆，且等值线在以滴头为圆心、10cm为半径的1／4圆的范围内分布较稀疏，大于此范围的等值线分布较密。而斥水塿土的含水量等值线形状为横向半径大于纵向半径的1／4椭圆，等值线分布较密，说明1级斥水度塿土的水分入渗能力比不斥水塿土弱。③在同一范围内1级斥水度塿土的含水量等值线值较不斥水偏低，斥水塿土中水分不易扩散，斥水土壤中的水分运动延后。由图3（c、d）可知：①不斥水和1级斥水度盐碱土自离滴头由近至远的位置上，湿润体含水量分布由大变小。②距滴头水平距离为X轴，距滴头的垂向深度为Y轴，X轴与Y轴取同截距时，不斥水和1级斥水度盐碱土X轴上含水量值总是比Y轴大，说明盐碱土向下入渗困难，水停留在土壤表面易横向流动。③不斥水盐碱土含水量等值线在距滴头由近至远一定范围内分布稀疏，此范围外分布较密，而1级斥水度盐碱土含水量等值线分布较密集，在某些区域内分布不规律，说明斥水盐碱土的入渗能力较不斥水盐碱土弱。此外由图3（b、d）可看出，1级斥水度的塿土和盐碱土等值线图上层小区域颜色较深，其余大部分区域颜色较浅，而亲水土壤的水分分布较均匀，说明水分难渗入到斥水土壤中，不容易向土层深处入渗，斥水土壤的水分分布趋于不规律和不均匀。

2．2　滴灌条件下斥水土壤的盐分运移特征

2．2．1　含盐量变化规律

以土壤初始含盐量为界限，滴灌水分入渗后湿润体内含盐量低于土壤初始含盐量的区域为脱盐区，高于土壤初始含盐量的区域称为积盐区。以入渗结束后滴头为0点，将具有不同斥水度的盐碱土在相同滴头流量（0．07mL／min）下土壤的水平和垂向含盐量分别绘于图4。由图4（a）可以看出，入渗结束后，不斥水盐碱土在湿润锋水平半径为10cm处含盐量陡增，且在10cm以内含盐量稳定在0．1mg／g左右。1级斥水度盐碱土在湿润锋水平半径7cm处含盐量陡增，7cm以内含盐量在0．15mg／g左右。由图4（b）可知，不斥水和1级斥水度盐碱土在湿润锋垂向半径分别为2cm和3cm处含盐量陡增。初始含盐量为4．5mg／g，不斥水盐碱土的脱盐区水平向和垂向半径均大于1级斥水度盐碱土。用二阶多项式对不同等级斥水度盐碱土水分入渗结束后含盐量分布与点距滴头距离进行拟合：W ＝ax2＋bx＋c（2）式中：W为土壤含盐量（mg／g）；X为距滴头的距离（cm）；a、b、c分别为参数。含盐量拟合参数见表3。由表3可知，相关系数R2均大于0．9，可见盐碱土湿润体含盐量分布与点距滴头距离符合良好的二阶多项式关系。拟合参数a、b和c具有随机性。为了进一步对比2种斥水度盐碱土在空间含盐量分布特点，绘制入渗结束后盐分分布等值线图，见图5。图5（a）与图5（b）对比可看出：①不斥水与1级斥水度盐碱土，滴头附近土壤经水淋洗，含盐量明显低于初始含盐量，随着距滴头距离的增加含盐量增大，并且增幅加快。这是因为土壤中的盐分溶解在滴头供给的水中与水一起向远离滴头四周发生运移，并在湿润锋处累积。水分的三维变化引起湿润体内含盐量的相应变化，水分越多淋洗的盐分越多。②在同一区域内，1级斥水度盐碱土含盐量大于不斥水盐碱土。③图5（a）中盐碱土脱盐区水平向半径为11．9cm，垂向半径为10cm；图5（b）中1级斥水度盐碱土脱盐区水平向半径为11．5cm，垂向半径为5．8cm。1级斥水度盐碱土脱盐区的垂向半径小于不斥水盐碱土，这是由于土壤中的盐分溶解在水中而发生运移，而1级斥水度盐碱土水分不容易向土壤深层入渗而发生侧向流动，盐分也较容易向侧向运移。③1级斥水度盐碱土含盐量等值线分布不平滑，在某些区域内起伏较大，含盐量在此区域的变化跳跃，规律性不明显。④含盐量等值线图颜色越深说明含盐量越高，图5（a）中颜色由原点向四周由浅变深，深色区域主要集中在湿润锋边缘，图5（b）中颜色大致与图5（a）一致，但是在湿润锋边缘外的某些区域内颜色突然变深，含盐量高，这是由于斥水性影响了水分的运移，进而影响盐分的分布。对于盐碱地，滴灌不仅满足作物需水，更可以起到压盐抑盐的作用，将作物根区附近土壤盐分经过淋洗达到适宜作物生长的程度。虽然1级斥水度盐碱土的脱盐区面积在数值上与不斥水盐碱土有差异，斥水物质的存在影响了滴灌对盐碱土抑盐、压盐效果，但滴灌对于1级斥水度盐碱土仍可取得较理想的脱盐区。因此，滴灌技术对于具有微弱斥水度的含盐土壤同样具有抑盐、压盐、利于作物生长的特点。

2．2．2　Cl－浓度变化特点

盐碱土中的离子浓度直接影响着作物的生长发育，而Cl－是新疆玛纳斯县盐碱土中主要的阴离子。滴灌入渗过程中，随着灌水量的增加，土壤中的离子也随之呈现特定的变化趋势。图6（a）和图6（b）分别为不斥水和1级斥水度的盐碱土在入渗结束后湿润体剖面Cl－浓度分布等值线。由图6可看出：①不斥水与1级斥水度盐碱土经水分淋洗后，在滴头附近Cl－浓度较低，随着距滴头距离的增加浓度增大，在湿润锋边缘浓度最高。②不斥水盐碱土在Y轴同一坐标上的Cl－浓度值小于1级斥水度盐碱土。③Cl－浓度等值线图中，颜色越深浓度值越大，图6（a）中在原点四周浅色区域比图6（b）中原点四周浅色区域大，说明滴灌对不斥水盐碱土中Cl－淋洗效果优于1级斥水盐碱土。图6（a）中颜色较深的区域集中在湿润锋附近，颜色由原点分别沿X轴和Y轴加深，斥水盐碱土中某些区域颜色突然加深，Cl－浓度增大，规律性不如不斥水盐碱土明显。综上可知，对于1级斥水度盐碱土，滴灌灌水方法对Cl－的淋洗效果与不斥水盐碱土有差异，但同样具有对土壤中主要阴离子淋洗的作用。

3　结　论

①斥水土壤的水分入渗能力不如亲水土壤，1级斥水度土壤与不斥水土壤湿润锋形状差异较大，1级斥水度土壤水平湿润锋推进速度明显大于垂直湿润锋。②不同斥水度塿土与盐碱土的水平和垂直湿润锋推进速度与时间符合良好的幂函数关系。③1级斥水度盐碱土与不斥水盐碱土湿润体内含盐量分布与距滴头距离符合二次多项式。④斥水土壤中的水分入渗速率减慢，盐分分布和离子浓度分布也发生变化，从而影响作物产量，需探求改善斥水性土壤入渗的方法。