不同矿化度水淋洗对盐碱土电阻率及水盐运移的影响试验*

王 震　贾永刚,2　连胜利

(1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东　青岛　266100；

2.中国海洋大学　环境岩土工程研究所， 山东　青岛　266100)



不同矿化度水淋洗对盐碱土电阻率及水盐运移的影响试验*

王 震1贾永刚1,2连胜利1

(1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东青岛266100；

2.中国海洋大学环境岩土工程研究所， 山东青岛266100)

摘要：为了了解各种矿化度水质淋洗盐渍土后土体电阻率的变化和水盐运移规律，利用滨海盐渍土完成室内试验，通过自主研发改进型高密度电阻率探杆监测系统调控不同矿化度淋洗水质、时间、含水率变化三个因素，分别研究了不同矿化度水质淋洗后表层(0~10 cm)土壤电阻率随含水率和时间的变化，以及矿化度对土壤水分运移速率的影响，并获得土体水盐运移的一般规律。试验结果表明：不同矿化度水质淋洗后，随含水率的增加，电阻率均降低，矿化度越高，电阻率总体值越低。不同矿化度水质淋洗后，对土壤表层电阻率随含水率的变化进行拟合，得到均符合指数函数的衰减规律。淋洗后，土壤表层电阻率随时间推移表现出增大的现象。淋洗水质矿化度越高，水盐运移速率越大。不同矿化度水质淋洗后，土体垂向上表现出盐分重新分布的变化规律，表现为土壤电阻率随着深度增大而逐渐减小的趋势。

关键词：淋洗；矿化度；电阻率；含水率；水盐运移

0前言

由于全世界几乎各个国家都面临干旱及淡水资源匮乏的问题，转化咸水(劣质水)已经证明是十分可行的方案，因而国内外学者对微咸水、咸水灌溉，淋洗盐渍土等方面进行了大量的研究工作。

Feigen[1]研究说明在灌溉水质中,土壤中交换性钠百分率和电导率的变化是含盐量变化对土壤的主要影响。Padole和Bhalkar[2]的黏性土壤实验显示: 土壤钠吸附比和灌水钠吸附比、土壤电导率和灌水电导率呈正相关关系。Triantafilis[3]等在新南威尔士北部的山地进行试验研究，分别用电导率为0.4、1.4、4.0、9.0 ds/m的微咸水、咸水浇灌土壤，实验证明灌溉1.4 ds/m电阻率的微咸水并没有危害农业生产；而4.0、9.0 ds/m的咸水则产生了不容忽视的的副作用。Zartman和Gichuru[4]在佛罗里达州研究了砂质石灰性盐渍土及实施咸水灌溉前后理化性质的变化，4年的咸水灌溉，前后对土壤溶液进行化验,其电导率由灌溉之前的0.4 ds/m增长到现在的6.0 ds/m , 土壤导水率下降显著，同时持水曲线与土壤容重变化不大。Al-Busaidi等[5]进行室内试验，研究了咸水灌溉和淋洗对土壤盐分的影响，结果表明淋洗越充分越能降低土壤含盐量，并增加土壤含水率，同时发现灌溉水量和水质决定了土壤中含盐量的重新分布。

国内在这方面的研究起步较晚，马东豪等[6]用室内垂直入渗试验的方法，证明了脱盐深度随入渗水量变大而呈现幂函数增长,而土壤初始含水量和入渗水矿化度的变大导致脱盐深度的降低。郭太龙等[7]分析了入渗水矿化度对入渗过程的影响，分析了盐分的分布特征，建立入渗水矿化度和土壤总盐量之间的数学模型，总结了土壤剖面的盐分运移规律。王艳[8]利用土壤电导率的变化模拟了不同矿化度水入渗过程中土壤盐分变化。李彬[9]分析了吉林省大安市苏打碱土含盐量与电导率的关系，结果表明，土壤含盐量与电导率之间具有良好的线性相关性。李玲[10]通过控制变量法进行了电阻率测试的室内试验，得到含盐量与饱和度变化影响电阻率变化的经验公式。然而国内对微咸水、咸水的研究目前尚处于探索阶段，对土壤电阻率表征水盐运移方面的研究也比较缺乏，研究成果基本未普遍推广应用。

国内外研究表明了解盐渍土的水盐运移规律对于指导农业发展意义重大，而灌溉、淋洗条件是影响水盐分布的重要因素，并且土壤电阻率的变化一定程度上也可以反映该物理过程。目前，学者对淋洗过程中土壤含盐量、入渗量、含水量、离子变化特征等进行了探讨，但对微咸水、咸水等不同水质淋洗后，土壤电阻率与含水率之间的关系以及作物根系生长土壤表层含盐量变化的研究较少。基于国家863计划“风暴过程中海底沉积物再悬浮通量原位监测技术”自主研发的改进型高密度电阻率探针监测系统，结合土柱试验，本文探讨了不同矿化度水质淋洗后土壤电阻率、含水率及水盐运移的空间变化规律和影响因素。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1供试土样

供试土样取自黄河三角洲海港潮滩，土壤经风干、碾压、过筛(2 mm)后测定其相关的物理化学特性。土壤颗粒组成的测定采用筛分法和吸管法，测定结果如表1所示，经分析土壤质地为粉质土。按照水土比5:1进行浸提，测得土样盐分离子组成和初始含盐量见表2，根据盐碱土分类标准判断，属于氯盐类盐土。

表1　供试土壤的颗粒组成

表2　供试土壤盐分组成

1.1.2供试水质

试验所用淋洗水质是用化学试剂配置而成，分别配置了矿化度1、2、3、4.5 g/L试验水质、各离子具体含量如表3所示。

表3　淋洗水矿化度、离子组成

1.1.3试验仪器及装置

(1) 试验仪器：分析天平、2 mm筛、铝盒、烘箱、烧杯、量筒、密度计、秒表、离子色谱仪(ISC-900)、其它实验室常用玻璃仪器。

(2) 土柱装置：直径16 cm、高40 cm的硬质PVC管。管底由下至上铺设粒径由大变小的厚砂石5 cm作为反滤层。在管侧面10 cm以下，为了便于取样用于分析，每隔5 cm开一直径为10 mm的圆形取样口。

(3) 电阻率监测系统：主要包括3个区域：上位机软件、下位机硬件、电阻率传感器[11]，其总体结构框架和实物如图1所示。

图1　电阻率监测系统总体结构框架和实物

1) 电阻率传感器：可分为测量和控制两部分。电阻率探杆遵循wenner原理，采用环形电极同轴等间距布设，从下往上A、M、N、B为4个电极铜环，组成一个wenner组合；当通电采集第一轮数据时，A和B为供电电极，M和N为测量电极，因此得到M和N中点位置电阻率值，以此类推，4个电极分别往上移一个电极，得到下一测量位置电阻率值；直到整个探杆上的电极组合完全采到数据后，第一轮工作结束。设置采集间隔时间，接着进行第二轮数据采集，以此实现对盐渍土在垂直方向上不同时空水盐运移的远程原位动态监测。并通过排线与下位机实现简单可靠的连接。

2) 下位机硬件：下位机硬件设备包括GPRS模块、采集控制芯片和自容存储器。由采集控制芯片负责调控传感器，同时将采集的数据在自容存储器进行记录并且通过GPRS模块将数据无线传输到上位机。

3) 上位机软件：负责处理解码实时接收数据，实时绘制出电阻率曲线波动图。

1.2试验方法

首先将厚砂石反滤层填到土柱底部5 cm高度，随后将电阻率探杆垂直放入土柱中心位置。接着将供试土样填装到土柱高度35 cm，并压实以保证土样的各向均质性。土柱上方留有5 cm左右水头，淹没电阻率探杆电极环数30个，试验装置分为4组。向土柱上方浇灌蒸馏水，使得土壤水分含量近似达到田间持水状态。分别用矿化度为1、2、3、4.5 g/L的水质，从土柱上方淋洗，在试验过程中观察并记录水质到达每一个取样口处所用的时间变化。直到土柱底部有淋溶液渗出，停止淋洗，并吸干表层积水。淋洗后，随着时间的推移，当探杆电极环20~30个(表层0~10 cm处)监测到的电阻率平均值发生变化时，取表层(0~10 cm)少量土样进行含水率的测定，并记录表层电阻率平均值和此刻时间变化。

1.3数据分析

计算淋洗后表层(0~10 cm)变化的电阻率平均值和相对应的表层(0~10 cm)含水率以及时间变化，并记录水质到达每一个取样口处的时间。利用Origin 8.0对表层电阻率平均值与含水率、时间变化、以及整个土柱剖面电阻率随时间的变化作图分析，同时对淋洗历时与土壤深度作有关分析。

2结果与分析

2.1土壤表层电阻率随含水率的变化

在一定浓度范围内土壤溶液中，电导率和含盐量呈正相关，溶液的渗透压随含盐量的升高而升高，而且电导率随渗透压的增大而增大,反之亦然。由此可得，通过土壤溶液的电导率数据可以推算出土壤含盐量，特别是当几类盐之间的比值不变时，通过土壤溶液电导率值计算总盐分浓度是近乎没有误差的[12]。而电阻率是表征物质导电性的基本参数，导电性越好的物质电阻率值越低，反之，导电性越差的物质电阻率越高，所以电阻率与电导率呈负相关关系，所以本文用电阻率表征土壤含盐量的变化。而土壤表层0~10 cm处的盐分变化将直接对作物根系吸收养分产生作用，所以对土壤表层电阻率进行研究意义重大。土壤表层平均电阻率与含水率的关系如图2所示。

图2　不同矿化度水淋洗后表层电阻率平均值随含水率的变化

由图2可知：1 g/L水质淋洗后，当含水率<22%时，土壤将非常干燥，没有形成连续的土壤孔隙水通道，基本测不到电流通过，所以电阻率很大。含水率在22%～26%之间时，电阻率从将近5Ω·m迅速下降到2Ω·m左右，这就是所谓的“过渡阶段”[13~14]，即当含水率达到一定范围内时，土体形成较连续的孔隙水通道，电阻率下降很快。顾名思义, 盐渍土含有大量盐分, 而且一旦含水率上升，盐分溶解迅速，土壤溶液导电能力也迅速增强，导致了盐渍土“过渡阶段”范围较窄。含水率>26%时，电阻率变化幅度减小，基本保持稳定不变。对1 g/L水质淋洗后，土壤电阻率与含水率进行拟合，得出了拟合公式：y=2.1+1.07e-118.1x，R2=0.984，即电阻率随含水率增加而变化的规律符合指数函数衰减。分别对2、3、4.5 g/L不同矿化度水淋洗后，土壤表层电阻率随含水率的变化进行拟合，如图2中所示，其衰减趋势基本相同，并也符合指数函数衰减。但高矿化度水淋洗后土壤电阻率波动幅度振幅比较小，总体值也小一些，低矿化度时电阻率总体值偏高，易产生突变。由此可见4种水质淋洗后，土壤电阻率随含水率的变化趋势基本相同，也反映出了盐分和水分的共同作用。

2.2土壤表层电阻率随时间的变化

由于不同矿化度水质含有各种成分复杂的盐分离子，当这些离子进入土壤后，会与土壤颗粒表面的胶体及原有的化学成分发生一系列物理化学反应，致使土壤结构和土壤孔隙发生变化[15]，其电阻率也随之发生变化。因此随着时间的推移，土壤表层(0~10 cm)盐分离子含量发生变化，因而导致其电阻率发生相应变化，详见图3。

图3　不同矿化度水淋洗后表层电阻率随时间的变化

总体来说，淋洗后，表层电阻率随着时间的推移，表现出增大的结果。这种现象主要除了体现在含水率方面外，也体现在离子含量方面。不同矿化度水淋洗处理后土壤盐分含量均下降，土壤中主要盐分离子Na+、Cl-含量降低，游离态离子减少，电导率减小，电阻率增大。1 g/L矿化度水质导致电阻率增大速率明显高于其它水质，主要是因为1 g/L水质盐分离子含量本来就少，加之淋洗掉土壤中的盐分离子，所以造成电阻率速率变化快。为了更好的了解电阻率的变化趋势，可建立电阻率与时间的变化关系式，判定系数较高。根据拟合出的不同水质淋洗后的土壤电阻率与时间的指数函数相关关系，可推算出以下经验公式：

y = A1·exp(-x/t1) + y0

式中：y为电阻率，x为时间，A1、y0为常数，拟合结果如表3所示。

表3　不同水质淋洗条件下电阻率随时间变化参数确定

2.3土壤水盐运移受矿化度的影响

2.3.1对运移速率的影响

不同矿化度水在淋洗过程中到达土柱底部所用时间、淋洗速率等都有所差异[16]，如图4所示。高矿化度运移速率要明显高于低矿化度运移速率，1、2、3、4.5 g/L矿化度水运移到土柱底部所需时间分别为179、151、142、134 min。因此运移到相同深度矿化度愈高，所用时间越少。产生这种规律是因为伴随淋洗水矿化度的变大，土壤盐分浓度升高，扩散双电子层朝黏粒表面挤压，减弱了土壤颗粒相互之间的排斥力，从而颗粒间絮凝作用加强，团聚性增强, 土壤结构更稳固，进而土壤中大孔隙变多，增强了土壤的导水能力，运移速率变快[17]。

图4　不同矿化度水淋洗历时与土壤深度的变化

2.3.2淋洗后土壤盐分随时间的变化特征

由于4种矿化度水质的盐分浓度和各离子含量的差异，淋洗后会引起土壤剖面不同程度的盐分积累。但水分的运动导致土壤盐分迁移，特别对于盐碱土，增大淋洗量，上层土壤脱盐，下层积盐。然而淋洗过程中，由于不同土壤深度导致不同的脱盐程度，最终导致了电阻率不同深度的差异，并且不同矿化度淋洗后土壤电阻率随时间的变化也不一样。图5中的(1)、(2)、(3)、(4)分别代表1、2、3、4.5 g/L水质淋洗后土壤剖面电阻率随时间的变化过程。

如图5，对于整个土壤剖面，表层土壤含盐量较少，中间层(10~20 cm)盐分向下运移，并累积在底部。不同矿化度水淋洗过程中及淋洗后，不同土壤深度含盐量随着淋洗水矿化度的增加明显增大。当1 g/L水质第一天淋洗过程中，水分带走表层土壤中的盐分，造成上层电阻率增大，而后下层土壤中的盐分和上层水分带来的盐分加上水质自身的盐分造成电阻率减小。因此，在土体剖面电阻率上，表现为从1.8Ω.m逐渐减小到0.15Ω.m。由于此阶段盐分积累和运移是同时发生的，所以在图中并没有形成所谓的“盐峰”现象[18-19]，而只是一条光滑的曲线，所以利用本套监测系统更能够直接观测到土壤水盐运移的变化情况。淋洗后第2天至第9天土体电阻率总体变化是随深度增大而减小。虽然在土体水盐运移过程中，有含水率、土壤性质、颗粒结构、淋洗水质等影响，导致个别土体深度处电阻率值有起伏，但不影响水盐运移总的变化趋势。对于2 g/L、3 g/L、4.5 g/L不同矿化度水质淋洗过程及淋洗后也表现出了相同的变化规律。

将土壤深度分为表层(0~10 cm)、中间层(10~20 cm)、底层(20~30 cm)3部分。不同矿化度水淋洗后，表层和底层之间电阻率表现出了不同的变化特征，中间层电阻率变化基本相同。从图5中能够看到表层电阻率变化幅度随着矿化度的增大而减小，造成这一现象的主要原因是不同矿化度水质含盐量不一样，导致电阻率变化也不一样。根据中间层的电阻率变化曲线，4种水质淋洗后电阻率变化基本是随着时间变化从表层至底层减小，所以土壤在淋洗完成后，盐分也在水分重力作用下与水分共同往下运移，导致盐分在中间层分布基本一致，只是运移快慢有所不同。底层电阻率曲线在25~30 cm左右发生拐点，电阻率随深度增大不再减小，而是基本保持不变，个别电阻率点略微增大。主要是因为土柱底部铺设的厚砂石反滤层减缓了水分下移速率，导致水分在反滤层上方积累，因而降低了土壤盐分浓度，导致电阻率在25 cm以下基本不变甚至增大。因此通过利用本套监测装置能够观察到在淋洗过程中及之后各个时刻各个深度土柱电阻率数值，可以分析得到淋洗后水盐运移规律, 提供了水盐运移特征分析的有效方法。

图5　不同矿化度水淋洗后土壤剖面电阻率变化曲线

3结论

(1) 不同矿化度水淋洗后，表层土壤电阻率随含水率增加而变化的规律均符合指数函数形式衰减，但高矿化度水淋洗后, 表层土壤的电阻率总体值比较小，变化幅度不大，低矿化度时总体值高一些，容易产生突变。

(2) 不同矿化度水淋洗后，表层土壤电阻率随时间变化的规律均符合指数函数形式增大。

(3) 不同矿化度淋洗水运移相同的深度，高矿化度淋洗水运移速率高于低矿化度。

(4) 4种矿化度水淋洗后，土壤整个剖面电阻率均表现出了相同的变化规律，即随着土壤深度增大而逐渐减小；土壤表层、中间层和底层也表现出了规律性的变化，表层和底层电阻率变化幅度随着淋洗水矿化度的增大而减小，四种水质淋洗后中间层电阻率变化基本是随着时间变化从表层至底层减小。

(5) 本套电阻率监测装置在观察水盐运移过程中有效、可行，为盐渍化过程中的水盐运移特征分析提供了一种简单、可靠的手段。

参考文献

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Experimental study on saline surface resistivity and salt transport affected by mineralization degree of leaching water

Wang Zhen1，Jia Yonggang1,2，Lian Shengli1

(1. Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of EducationOcean University of China;2. Institute of Geo Environmental Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Abstract:To better understand the changes of resistivity of saline soil and salt migration characteristics leached by the water with different mineralization degree, in this study we took inshore saline soil for laboratory test, and used the self-made modified resistivity monitoring system to control the three trial factors: mineralization degree of leaching water, water content of soil, and leaching time, to study the change of resistivity of surface layer (0~10cm), and the general rules of water and salt migration in the soil. The experimental results proved that: with the increase of water content, the resistivity decreased; the higher the salinity, the lower the overall value of resistivity. In the surface layer of soil, the resistivity declined in an exponential function to water content, and increased with time prolonged. The higher the mineralization degree of leaching water, the higher migration rate for water and salt in the surface soil. The soil would have a new salinity distribution along the vertical section after leached, which were reflected as the resistivity decrease with the increasing depth.

Keywords:leaching; mineralization degree; resistivity; water content; water and salt migration

中图分类号：X53

文献标志码：A

作者简介：王震，男，1989年生，硕士研究生，研究方向：环境岩土工程。E-mail:1041751061@qq.com

收稿日期：2015-07-06；2015-08-16修回

* 国家863计划“风暴过程中海底沉积物再悬浮通量原位监测技术”(编号SQ2007AA09Z135267)