亮蓝示踪土壤水分运移的适宜浓度研究

华 瑞, 徐学选, 张少妮

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 3.陕西华地房地产估价咨询有限公司, 陕西 西安 710065)



亮蓝示踪土壤水分运移的适宜浓度研究

华 瑞1, 徐学选2, 张少妮3

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 3.陕西华地房地产估价咨询有限公司, 陕西 西安 710065)

尽管亮蓝是一种广泛用于研究土壤水分运移的染色剂，但其自身的吸附作用是否影响水分自由运移、如何选择适宜的染色浓度等尚需研究。此次使用5种浓度的亮蓝溶液在3种土壤中进行土柱入渗试验，对比不同亮蓝浓度下的稳定出流速率、水分穿透时间、湿润锋与染色峰偏离情况，寻求亮蓝染色剂在土壤水分运移示踪研究中的适宜浓度。结果表明：(1) 在0～2.0 g/L浓度范围内，亮蓝染色剂的添加未影响到水向土体入渗行为，即亮蓝染色剂示踪土壤入渗是可行的。(2) 染色剂浓度为1.5 g/L时，水分穿透土柱的时间、稳定出流速率最接近对照(0.0 g/L)，但各浓度之间差异很小；而以染色锋面与水的湿润锋面之差计算的迟滞系数值判断，黑垆土适宜的亮蓝溶液为1.5 g/L，黄绵土1.5～2.0 g/L和砂土2.0 g/L浓度。(3) 迟滞系数与土壤黏粒含量存在极显著正相关关系，有一定吸附能力的亮蓝溶液更适合黏粒含量低的土壤。综合考虑，三类土壤采用1.5～2.0 g/L染色浓度研究土壤水分运移是可行的。

亮蓝; 入渗速率; 水分穿透时间; 稳定出流速率; 迟滞系数

在土壤水分运移路径的研究中，染色法因可显示土壤湿润进程，且操作方便，花费低，往往被选用。亮蓝，属水溶性非偶氮类着色剂，其分子式为C37H34N2Na2O9S3，其具有低背景值[1-2]、低毒[3-5]、高溶解度[6]、易检测[7]等优势，且可与土壤颜色产生鲜明对比(尤其是在大田试验中)[5]，因此被多数研究所采用。如Forrer等[8]介绍了利用亮蓝染色剂研究土壤优势流；吴庆华等[9]提出利用不同土层染色剂的染色面积比的变异系数评价优先流；Wang等[10]挖取不同的土壤纵剖面，用亮蓝和淀粉—碘化钾两种染色剂分别示踪土壤大孔隙及土壤大孔隙流。尽管多数学者采用亮蓝作为研究土壤水分、溶质运移的染色剂，但其用量却出现一个宽泛的范围，如王在敏等[11]采用亮蓝FCF染色示踪剂，研究膜下滴灌条件的水盐运移规律，使用亮蓝溶液浓度为10 g/L；吕文星[12]采用染色法研究三种土地利用方式(荒地、玉米地和柑橘地)优先流及其对硝态氮运移影响，染色剂选用4 g/L亮蓝溶液；邱琳等[13]使用染色法对大孔隙进行定量分析时采用亮蓝示踪剂浓度为3 g/L；章明奎等[14]用亮蓝溶液染色鉴定旱耕地土壤磷优势流途径，试验选择的亮蓝溶液浓度为2 g/L；章明奎[15]在研究重金属在土壤中优势流迁移时，使用的亮蓝溶液为2 g/L。上述研究选用亮蓝染色剂的浓度均缺少试验依据。一般在使用染色法时，采用染色面积或染色峰变化情况分析水分或溶液在土壤中运移状况，但并未注意到染色剂浓度变化是否影响到湿润锋运移速度、出现染色锋与湿润锋的脱离[16]。据我们应用亮蓝溶液染色农林草地土壤的实践看，1 g/L浓度已可非常清晰地给出染色区域，以往的浓度存在偏大的可能。

鉴于此，此次试验旨在探讨在0～2.0 g/L范围内，亮蓝溶液浓度对三种不同土壤入渗能力的影响，采用迟滞系数(Retardation Coefficient，R)量化染色剂与水分运移之间的差异。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

选取陕西省长武县黄绵土、侵蚀严重的黑垆土及陕西省杨凌区砂土为供试土壤，三种土壤均取自地表0—30 cm，黄绵土取自塬面耕地，黑垆土取自塬边林地，而砂土取自渭河边。经自然风干后过2 mm筛子，利用马尔文激光粒度仪测定其机械组成，见表1，按国际粒级制分级。使用重铬酸钾法测得黄绵土、黑垆土及砂土的有机质含量分别是9.92，10.81，2.13 g/kg。

1.2 试验装置

试验装置由供水装置、土箱和收集装置组成，供水装置是由马氏瓶(Φ=8.0 cm)及输水管(皮质)组成。土箱材质为有机玻璃(厚1.0 cm)，其规格大小为30 cm×1.9 cm×70 cm(长×宽×高)。收集装置为0.8 cm厚的PVC漏斗，土箱渗出的水经漏斗流入塑料烧杯进行收集。

表1 供试土壤机械组成

1.3 试验方法

(1) 试验准备。前期准备包括土壤准备、土箱装土和染色溶液配制三方面。

土壤准备：将自然风干后过2 mm筛子的土样，洒水湿润，黄绵土、黑垆土控制土壤含水率在13%(约相当于50%田间持水量)，沙土控制在6%左右，配好后用塑料袋进行密封。

土箱装土：土箱土柱高度设为60 cm。为避免石英砂和底层土壤堵塞出流孔，需先在土箱底部铺设滤纸，后加入3 cm石英砂，作反滤层。取出土样，充分混合均匀，装土时，每5 cm装一层，每层打毛，黑垆土及黄绵土容重控制在1.3 g/cm，渭河砂土容重控制在1.65 g/cm。土样装入完成后，在土表铺设1 cm石英砂，可避免初进水时对土表冲刷，并在石英砂表面铺一层滤纸。

染色溶液配制：亮蓝溶液浓度设定值为0，0.25，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L 5个值。每次配制2 L溶液，用漏斗倒入马氏瓶，记录初始马氏瓶刻度。注意，在放置马氏瓶时，其水面高度应用马氏瓶通气管的最低端即发泡点持平。

(2) 试验过程。试验过程中，记录马氏瓶中溶液体积变化，即记录刻度值，前10 min，每隔1 min记录，10 min至30 min中，每隔5 min记录，30 min至60 min每隔10 min记录，后每隔30 min记录。并且，在试验过程中拍摄图片以记录湿润峰和染色峰变化过程，前30 min每隔5 min进行拍照，30 min至60 min每隔10 min拍照，后每隔30 min拍照。整个试验过程，直至出流液量达到稳定时，停止试验。试验进行3个重复。

(3) 图片处理及数据分析。试验中拍摄的图片经Photoshop CS6几何校正及ArcGIS 9.3编辑处理，得到各浓度溶液不同时间湿润锋和染色峰变化情况，并使用ArcGIS 9.3处理得出湿润面积及染色面积。使用Sigmaplot 12.5软件和SPSS 19进行数据分析。

(4) 迟滞系数。计算迟滞系数可量化染色剂与水分运移之间的差异，用同一时间湿润面积与染色面积的比值计算R值，即迟滞系数R越大，染色剂与水分运移两者之间差异越大，越不适宜表征水分在土壤剖面运移状况。Allaire-Leung等[17]提出用长度方法和时间方法表达迟滞系数。

而本次试验结果显示湿润锋和染色峰具有不均一性，且时间方法与长度方法结果相同，因此，选择同一时间湿润面积与染色面积的比值作为迟滞系数，即，

(1)

式中：R为迟滞系数；VH2O为水在土箱内运移速度；Vdye表示染色剂在土壤中运移速度；t，表示溶液入渗时间；SH2O表示湿润面积；Sdye为染色面积。

2 结果与分析

2.1 不同浓度亮蓝对入渗速率影响

黄绵土、黑垆土和砂土在不同浓度亮蓝溶液条件下，入渗速率的变化情况见图1(3个重复试验的平均值)。图1可知，对于黄绵土和黑垆土，6种入渗溶液的入渗速率曲线相当重合，特别是，在60 min后，六条曲线基本重合，表明了亮蓝溶液浓度在0～2.0 g/L范围内的变化并未影响到黑垆土和黄绵土的稳定入渗率。图1可看出各浓度下，3类土壤入渗速率均在0～10 min时间内快速下降，在60 min后达到相对稳定状态。对于砂土而言，不同亮蓝溶液浓度，其入渗速率变化趋势与黑垆土、黄绵土仍具有一致性；但入渗速率曲线在10～60 min时段有明显区别，在60 min后曲线的重合情况并不如黑垆土和黄绵土，稳定入渗速率变化范围3.0～3.97 mm/min，不同浓度稳定入渗率大小：0.25>1.5>0.5>1.0>2.0>0 g/L，有染色剂的溶液入渗速率较纯水都大，但染色剂浓度增加时这种趋势反而弱化(除了1.5 g/L浓度)，说明砂土中染色剂的存在有加速入渗的可能，低浓度时这种加速作用更大。但染色剂浓度大小对入渗速率的作用经差异性检验并不显著，可认为染色剂的加入对入渗影响不大。

总体上而言，亮蓝染色剂对黑垆土、黄绵土这种黏粒占一定比例的土壤水分入渗的速率影响可以不计，但对于黏粒含量偏低的砂土虽有影响，但也很小。

2.2 不同浓度亮蓝溶液对出流状况的影响

(1) 不同浓度亮蓝溶液对水分穿透时间的影响。由图2可知，对于黑垆土和黄绵土两种土壤，在0～2.0 g/L范围内，水分穿透时间变化趋势相同，均呈“N”形；对于黄绵土，亮蓝溶液1.0～1.5 g/L时水分穿透时间最接近对照(0.0 g/L)；对于黑垆土，水分穿透时间在浓度为1.5～2.0 g/L时最接近对照(0.0 g/L)；而就砂土而言，不同浓度亮蓝溶液水分穿透时间趋于一致，变化范围为27～35 min。总体来说，对于3种土壤，水分穿透时间最短的亮蓝溶液浓度基本约在1.0 g/L。在浓度为1.5 g/L 时，可视为3类土水分穿透时间最接近对照(0.0 g/L)，即适宜浓度为1.5 g/L。

图1 相同土壤不同浓度亮蓝溶液入渗速率随时间的变化

图2 水分穿透时间随亮蓝溶液浓度的变化

(2) 不同浓度亮蓝溶液对稳定出流速率的影响。图3所为不同浓度亮蓝溶液出流量达到稳定后，所测得的稳定出流速率。可发现，在所研究亮蓝溶液浓度范围内，黑垆土和黄绵土均呈平稳状态，黑垆土在1.0 g/L浓度下其稳定出流速率略大，黄绵土则没有体现出浓度对其的影响。而对于砂土，曲线呈双峰曲线，出现两个峰值分别出现在浓度为0.25 g/L和1.5 g/L，最小值出现在浓度为2.0 g/L时，此时只有在浓度为0.5～1.0 g/L或1.5～2.0 g/L与对照接近。由于砂土稳定入渗速率远大于其他两类，且随浓度变化出现了波动，因此，浓度对稳定入渗速率的影响主要是对砂质土壤。

图3 稳定出流速率随亮蓝溶液浓度的变化

综上而言，根据水分穿透时间、稳定出流速率判别，在0～2.0 g/L范围内，亮蓝溶液浓度为1.5 g/L时，其3类土与对照(0.0 g/L)最为接近，可视为适宜浓度。

2.3 不同浓度亮蓝溶液在土壤入渗过程中的迟滞系数

2.3.1 不同浓度亮蓝溶液的迟滞系数比较 图4(黄绵土)可以看出，与黑垆土类似，所有浓度迟滞系数在0～60 min变化较为明显，都处于上升状态，迟滞系数大小顺序为：0.25>0.5>1.5>1.0>2.0 g/L；在180 min时，1.5 g/L浓度亮蓝溶液迟滞系数小于1 g/L；值得注意的是，在420 min时，1.5 g/L浓度亮蓝溶液迟滞系数开始小于2.0 g/L浓度亮蓝溶液，但二者之间迟滞系数差距仅为0.03。图4(黑垆土)为黑垆土中，5个浓度亮蓝溶液迟滞系数变化情况，其变化范围是1.92～3.95；迟滞系数在0～60 min内发生了较大改变，均有不同程度的上升；在入渗30 min时，不同浓度亮蓝溶液迟滞系数大小顺序为：0.25>0.5>1.5>1.0>2.0 g/L，入渗60 min时，发生了改变，变为0.25>0.5>1.0>2.0>1.5 g/L；60 min后，迟滞系数达到相对稳定状态，大小顺序与60 min时一致，并未发生改变，亮蓝溶液1.5 g/L浓度迟滞系数最小，即，亮蓝溶液浓度为1.5 g/L时，湿润面积与染色面积比最小。对于砂土，不同浓度亮蓝溶液迟滞系数变化范围在1.23～1.72。由图4(砂土)可以得出，10 min后，迟滞系数逐渐达到稳定状态，迟滞系数大小顺序变为：0.25>0.5>1.0>1.5>2.0 g/L，亮蓝溶液浓度为2.0 g/L时，迟滞系数最小。

总体上而言，5个浓度亮蓝溶液在供试土壤—黄绵土、黑垆土及砂土中入渗所产生的迟滞系数有着一定程度上的不同：对于黑垆土，在迟滞系数达到相对稳定时，1.5 g/L浓度下亮蓝溶液迟滞系数最小；对于砂土，浓度为2.0 g/L亮蓝溶液迟滞系数最小；对于黄绵土，迟滞系数达到相对稳定费时较长，约60 min，1.5 g/L～2.0 g/L亮蓝浓度适合用于其染色示踪试验。

图4 相同土壤类型不同浓度亮蓝溶液迟滞系数随时间的变化

2.3.2 土壤粘粒含量与迟滞系数相关分析 国外研究人员指出亮蓝溶液易吸附在土壤颗粒中[17]。按照国际制土壤质地分级标准，得到供试土壤黑垆土、砂土及黄绵土黏粒(<0.002 mm)含量分别是：14.55%，2.26%，16.05%。选取迟滞系数与黏粒进行相关分析，得出二者存在极显著正相关关系，相关系数为0.822，这表明迟滞系数会随着黏粒含量的增大而增大，原因应是亮蓝易吸附在黏粒含量高的土壤中。

并且由2.2可以得出，就迟滞系数而言，砂土<黑垆土<黄绵土。黏粒含量越低的土壤类型越适宜使用亮蓝溶液做染色示踪试验，即在所选三个土壤中砂土最适宜用亮蓝染色剂进行示踪试验，其次是黑垆土，最后是黄绵土。

3 结 论

室内条件下，在黄绵土、黑垆土和砂土3种土壤填充的土箱中，研究5个不同浓度亮蓝溶液入渗状况，得出以下结论：在0～2.0 g/L范围内，亮蓝染色剂浓度的变化并未影响到入渗速率。亮蓝溶液浓度变化会引起黑垆土和黄绵土溶液穿透时间有所不同，即有所迟滞，一般在1.5 g/L最接近没有染色剂的水分入渗，但染色剂浓度对砂土影响较小；就稳定出流速率而言，黑垆土和黄绵土基本不随着浓度变化而改变，而砂土稳定出流速率随浓度变化而出现波动；亮蓝溶液浓度在1.5 g/L时，水分穿透时间及稳定出流速率与无染色剂最为接近。亮蓝染色剂更适用于砂质土壤，黏粒含量增加时，应注意染色剂的浓度。如果是研究入渗速率，染色剂浓度变化并未影响到试验结果，但如果是区分染色路径和研究优先流，则需要控制染色浓度。对于3种土壤来说，以迟滞系数为指标，1.5～2.0 g/L是合适的染色浓度，此时染色峰与湿润锋能最大程度接近。对比已有研究，已有研究的亮蓝浓度往往偏高，或引起溶液穿透土壤时间延长、染色锋与湿润锋更加偏离，进而会造成对于优先流的入渗贡献评价偏差。

本次试验土箱中选用均质土壤进行研究，属基础性的阶段，而在研究水分运移路径和优先流时，研究对象更多选用的是原状土，迟滞系数等可能因此发生改变，有待进一步深入研究。

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Research for Suitable Brilliant Blue Concentrations to Trace Soil Water Movement

HUA Rui1, XU Xuexuan2, ZHANG Shaoni3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China;3.ShaanxiHuadiRealEstateAppraisalandConsultingCo.,LTD.Xi′an710065,China)

Although brilliant blue is one of dyes which is widely used to trace water movement path, there is a need to examine whether the absorption of brilliant blue affects the water movement and how researchers can choose a more suitable dying concentration. In order to determine the suitable concentration of brilliant blue by comparing steady effluent rate, water breakthrough time and the condition of deviation between wetting front and dying front, this infiltration experiment is set in three soil types by using 5 brilliant blue concentrations. The results are demonstrated as follows. (1) Among the ranges of 0～2.0 g/L, the addition of brilliant blue has no apparent effect on the infiltration behavior, namely, it is feasible to use brilliant blue to trace water infiltration. (2) When the brilliant blue concentration is 1.5 g/L, the water breakthrough time and steady effluent rate are almost close to control group (0.0 g/L), but differences are small between different concentrations; however, according to the retardation coefficient (R) caused by the differences between dying front and wetting front, the most suitable concentration for Heilu soil is 1.5 g/L brilliant blue , 1.5～2.0 g/L brilliant blue for loessial soil and 2.0 g/L brilliant blue for sandy soil. (3) There is significant positive correlation betweenRand clay content. Brilliant blue, which has adsorption capacity, is most suitable for the soils whose clay contents are low. By comprehensive consideration, it is feasible to use 1.5～2.0 g/L brilliant blue to trace soil water movement.

brilliant blue; infiltration rate; water breakthrough time; steady effluent rate; retardation coefficient

2015-12-05

2016-01-05

国家自然科学基金(41471439；41171421)

华瑞(1990—),女,河南省鹤壁市人,硕士研究生,主要研究方向:土壤水分入渗。E-mail:hua937061979@163.com

徐学选(1966—),男,陕西省大荔县人,研究员,主要研究方向:生态水文。E-mail:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn

S152.7+2

A

1005-3409(2016)06-0073-05