加氧微咸水溶氧量对土壤水盐运移特征的影响

孙 燕 朱梦杰 王全九，2 张继红

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 西安 710048；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

中国淡水资源匮乏严重制约着农业生产的发展[1]，为了构建节水型社会，维持国家的长治久安，当务之急就是解决淡水资源匮乏的问题[2]。在拥有丰富微咸水资源的华北、西北旱区开发利用微咸水缓减淡水不足问题就显得极其重要。然而长期利用微咸水灌溉会使作物根区的电导率增加，出现碱化现象[3-5]，土地发生次生盐碱化，成为影响植物生长和微生物活动的主要因素[6-9]。因此，如何防止土壤次生盐碱化的发生成为开发利用微咸水的重点研究内容。

加氧灌溉技术的可持续且不破坏生态系统的特点使其受到国内外学者的广泛关注。加氧灌溉技术是21世纪初一项通过增加灌溉水中的溶氧量从而提高灌水效率与作物产量的加氧灌溉新技术。朱艳等[10]通过对加氧淡水灌溉和地下滴灌的对比，揭示了氧气含量与土壤呼吸速率的关系，认为土壤含氧量是影响土壤呼吸速率的重要因子。有研究表明，加氧灌溉改善了土壤压实对土壤的不利影响[11]，而土壤压实则直接影响到土壤水分的传输和储存[12]。BHATTARAI等[13]通过曝气水的地下灌溉试验也发现，加氧灌溉能够增大土壤的通气量，改善土壤的通气性。胡继杰等[14]通过在化学加氧和微纳米气泡加氧灌溉条件下的3种不同品种水稻栽培试验，得出采用加氧淡水灌溉可以改善水稻田的土壤氧化还原状况的结论。利用加氧淡水灌溉还能增加土壤中N2O的排放[15]以及提高土壤部分酶活性[16]。此外，有研究表明，加氧灌溉技术改善了盐分对土壤的不利影响[11]，从而创造出良好的根区土壤环境，有利于作物吸收养分，促进作物生长[17-19]。盐渍土中采用曝气水进行滴灌可以降低盐分对大豆的毒害，提高大豆的耐盐性[20]，加氧微咸水灌溉还能提高番茄的耐盐性[21]，促进番茄生长、提高番茄品质[22]。谢恒星等[23]通过温室甜瓜的淡水栽培试验，得出采用2 d 1次的加氧频率处理的地下滴灌方式的综合效益最好。综上所述，加氧灌溉技术对改善盐分胁迫、改善作物根际通气状况、促进作物根系的生长发育以及提高根系对水分和养分的吸收转化能力都具有十分重要的意义，此外，由于淡水资源不足，利用微咸水代替淡水进行加氧灌溉就显得刻不容缓。

然而，加氧微咸水入渗对土壤水盐运移特征影响和如何定量分析其入渗过程仍需进一步研究分析。本文利用微纳米发泡器对微咸水进行不同水平的加氧处理，开展加氧微咸水在盐碱土入渗条件下的水盐运移及其对入渗模型参数的影响研究，明确加氧微咸水对土壤入渗特征的影响，为微咸水安全高效利用及盐胁迫土壤可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样取自陕西卤泊滩，采集表层0～20 cm土样。土样经风干、碾压，去除杂物过2 mm筛后进行各种指标的测定。采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000型，马尔文仪器有限公司，英国)进行机械组成测定，土样物理性砂粒、黏粒体积分数分别为63.58%、36.42%，根据卡钦斯基土粒分级标准判定为中壤土。试验土壤初始体积含水率为0.022 cm3/cm3，饱和体积含水率为0.472 cm3/cm3，土壤初始含盐量为5.48 g/kg。

供试微咸水由氯化钠试剂(质量分数大于等于99.50%，分析纯AR)和自来水配置而成，矿化度设置为2 g/L，自来水溶氧量约为9.0 mg/L。试验前对微咸水进行不同水平的加氧处理，分别为不加氧处理和加氧处理，其中不加氧处理为对照(CK)，加氧处理微咸水溶氧量分别为11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L。加氧处理采用微纳米气泡快速发生装置，加氧过程中采用HQ40型便携式溶氧仪监测微咸水溶氧量变化。

1.2 试验方法

试验于2018年8月在西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室进行，采用一维垂直土柱入渗系统开展不同加氧水平(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)的微咸水入渗试验，共计5个处理，每个处理设置3次重复，共计15个试验土柱。其中溶氧量9.0 mg/L为不加氧处理，作为试验对照(CK)。试验系统包括试验土柱和马氏瓶，试验土柱采用内径5 cm、高45 cm、壁厚5 mm的有机玻璃材质制成，在土柱外壁贴有刻度线(刻度值自上往下逐渐减小)，便于试验过程中定量记录湿润锋变化情况。土柱装土高度设置为40 cm，以容重1.4 g/cm3分8层(每层5 cm)装填，并在层与层之间打毛衔接。马氏瓶为土柱提供稳定不变水头，设置高度为50 cm。

试验过程中将水头高度控制在1～2 cm，采用先密后疏原则分别记录前600 min所对应的马氏瓶内水位和土柱内湿润锋高度，600 min时停止供水并立即将土柱内表层水吸出。入渗结束后分层取样，取样深度分别为0～1 cm、5～6 cm、10～15 cm、湿润锋面。采用干燥法((105±2)℃)测定土壤质量含水率，通过转换获得土壤体积含水率。采用DDS-307型电导仪测定水土质量比为5∶1的土壤浸提液的电导率，通过计算转换获得土壤含盐量。

1.3 入渗模型

为了分析加氧微咸水溶氧量对现有入渗模型相关参数的影响，分别采用PHILIP入渗模型[24]和代数入渗模型[25]分析加氧微咸水的入渗特性。

对于均质土壤一维积水垂直入渗，PHILIP入渗模型的累积入渗量表达式为

(1)

式中I——累积入渗量，反映土壤水分入渗前期的入渗能力[26]，cm

S——吸渗率，反映土壤依靠毛管力吸收或者放出水分的能力[27-28]，cm/min0.5

t——入渗时间，min

因此入渗率公式对应为

(2)

式中i——入渗率，cm/min

一维垂直积水入渗的代数模型既能很好地描述累积入渗量，还能描述积水入渗后不同土层深度的含水率分布，代数模型具体为

(3)

(4)

式中Zf——湿润锋深度，cm

θr——相对不动水体积含水率，cm3/cm3

α——非饱和导水率和土壤水分特征曲线综合形状系数

θ——土壤体积含水率，cm3/cm3

Z——任意土壤深度，cm

θs——土壤饱和体积含水率，cm3/cm3

2 结果与讨论

2.1 加氧微咸水溶氧量对微咸水入渗特征的影响

图1为不同溶氧量加氧微咸水累积入渗量随时间变化过程。由图1可知，不同溶氧量微咸水(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)累积入渗量随时间增加而增加。在入渗时间相同时，累积入渗量随微咸水溶氧量增加呈先增加后减小变化趋势，微咸水溶氧量为14.0 mg/L时土壤累积入渗量最大。溶氧量为11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水累积入渗量相比于不加氧处理分别提高12.64%、18.39%、9.20%，而溶氧量为19.0 mg/L的加氧微咸水累积入渗量相比于不加氧处理降低2.87%。由此可知，微咸水溶氧量为14.0 mg/L的加氧微咸水累积入渗量增加幅度最大。

图1 加氧微咸水入渗对累积入渗量的影响Fig.1 Effect of oxygenated brackish water infiltration on cumulative infiltration

图2为不同溶氧量微咸水入渗下湿润锋深度随时间的变化曲线。由图2可知，在微咸水不同溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入渗条件下湿润锋深度随时间增加而增加，变化规律与累积入渗量一致。相同入渗时间下，微咸水加氧处理后，湿润锋深度均有不同程度的变化，湿润锋深度随溶氧量增加先增加后减小，微咸水溶氧量为14.0 mg/L时湿润锋深度最大，19.0 mg/L时湿润锋深度最小。溶氧量为11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水湿润锋深度相比于不加氧处理分别增加4.50%、9.00%、4.50%，而溶氧量为19.0 mg/L的加氧微咸水湿润锋深度相比于不加氧处理降低1.84%，微咸水溶氧量为14.0 mg/L的加氧微咸水湿润锋深度变化最大。

图2 加氧微咸水入渗对湿润锋运移的影响Fig.2 Effect of oxygenated brackish water infiltration on wetting front migration

在微咸水溶氧量9.0、11.5、14.0 mg/L入渗条件下，入渗时间相同时，累积入渗量和湿润锋深度随溶氧量增加而增加，这是由于随着入渗水溶氧量的增加，增加了湿润体与未湿润土壤之间的氧气浓度差，氧气浓度差在推动氧气扩散的同时，加速了土壤水分的入渗，或者由于微纳米气泡具有较大的比表面积和表面张力的特点[29]，提高了土壤中水分的运动速率，因此累积入渗量和湿润锋深度随溶氧量的增加而增加。在微咸水溶氧量14.0、16.5、19.0 mg/L入渗条件下，入渗时间相同时，累积入渗量随溶氧量增加而减少，这是因为尽管氧气浓度差、较大比表面积和表面张力在一定程度上能够加速土壤水分入渗，但是氧气含量增加也加速了氧气气泡间的融合，当溶氧量超过一定程度时，产生大气泡的几率增加[30]，当大气泡对于土壤水分入渗的阻力作用大于氧气浓度差对土壤水分的促进作用时，随着溶氧量的增加累积入渗量和湿润锋深度就会相应减小。

2.2 加氧微咸水溶氧量对土壤水盐分布的影响

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入渗条件下，不同土层深度(0～20 cm)土壤体积含水率的变化如图3所示。由图3可知，土壤含水率随土层深度的增加而减少，表层土壤的含水率最大，由于入渗时间较长，表层土壤含水率均接近饱和体积含水率，土壤底层含水率最小，均接近初始体积含水率。相同入渗时间下，同一土层深度土壤含水率随着溶氧量的增加基本呈先增加后减小的趋势，最大值出现在溶氧量14 mg/L处理，在土壤表层、5、10、15 cm以及湿润锋处，溶氧量为14.0 mg/L处理的土壤含水率分别高于对照7.60%、12.90%、18.00%、20.10%、3.00%。溶氧量为9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L的微咸水入渗湿润体平均含水率分别为0.360、0.380、0.390、0.370、0.350 cm3/cm3，即湿润体平均含水率随着溶氧量的增加呈先增加后减小的趋势，最大值出现在14.0 mg/L，高于对照8.33%，最小值出现在19.0 mg/L，低于对照2.78%。

图3 加氧微咸水入渗对土壤含水率的影响Fig.3 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil moisture content

微咸水溶氧量对土壤含水率分布的影响可能是由于当微咸水溶氧量从对照增加至14.0 mg/L时，进入土壤的微纳米气泡在自身增压破裂时对土壤颗粒产生一定的冲击作用[31]，从而导致土壤总孔隙增大，使得更多水分保存下来，土壤含水率增大。而当微咸水溶氧量由14.0 mg/L进一步增大至19.0 mg/L时，氧气含量的增加使微小气泡融合大气泡的机率增加[30]，大气泡占据了较大的土壤孔隙，减少了土壤水分所占孔隙，土壤含水率相应减少，有研究表明，相对于不加氧灌溉，加氧灌溉使土壤含氧量增加[13]，降低土壤的体积含水率[32]。由此可见，在一定的浓度范围内，加氧微咸水入渗能够改善土壤水分分布状况，使更多的水分储存在作物根区，有利于作物生长。

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入渗条件下，不同土层深度含盐量的变化如图4所示。由图4可知，加氧微咸水入渗条件下，含盐量随着土层深度的增加呈逐渐增加趋势。在湿润锋面以上，微咸水加氧处理土壤含盐量基本小于对照组，不同土层深度含盐量随着溶氧量的增加呈先减小后增大的趋势；在湿润锋面处，微咸水加氧处理土壤含盐量均大于对照组，土壤含盐量随着溶氧量的增加呈先增大后减小的趋势。加氧微咸水入渗下的土壤含盐量减去对照组土壤含盐量后与对照组含盐量相比，如比值为负值时定义为相对脱盐率(%)，比值为正值时定义为相对积盐率(%)。由于各处理在0～10 cm土层范围内均表现出脱盐效果，因此计算得出0～10 cm土层深度内，在不同微咸水溶氧量入渗条件下，土壤相对脱盐率和相对积盐率的变化(表1)。由表1可知，0～10 cm土层范围内加氧处理微咸水入渗均表现出相对脱盐状态，平均相对脱盐率随着入渗微咸水溶氧量增加分别为-16.4%、-35.4%、-20.1%、-0.2%。由此可见，在一定的浓度范围内，加氧微咸水入渗能提高灌溉水的淋洗脱盐效率，使大量盐分淋洗到土壤底层，有利于作物生长。

图4 加氧微咸水入渗对土壤含盐量的影响Fig.4 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil salinity

综上所述，在一定浓度范围内，相比于不加氧处理，加氧微咸水入渗能提高土壤含水率和湿润体平均含水率，改善土壤水分分布状况，使更多水分储存在土壤根区供作物根系利用；能增大土壤的相对脱盐率，使更多盐分淋洗至根区土壤底部，减少盐分对作物根系的胁迫作用，从而创造出有利于作物生长的根区土壤环境。

2.3 加氧微咸水溶氧量对入渗模型参数的影响

分别采用PHILIP入渗模型式(1)、(2)和代数入渗模型式(3)、(4)对加氧微咸水入渗实测数据进行处理，获得各入渗模型参数值及决定系数R2，结果如表2所示，其中式(3)是将累积入渗量I和湿润锋深度Zf的实测数据进行拟合。通过比较表2中PHILIP模型和代数模型拟合的决定系数发现，两模型的平均决定系数分别为0.975、0.991，两入渗模型都可以较好描述加氧微咸水入渗过程。

表2 入渗模型拟合参数及R2Tab.2 Infiltration model fitting parameters and determination coefficient

图7 土壤含水率理论值与实测值Fig.7 Theoretical and measured values of soil moisture content

吸渗率S通常能够反映土壤依靠毛管力吸收水分能力[27-28]，对于PHILIP模型，吸渗率S随着微咸水溶氧量的增加呈先增加后减小的趋势，表明土壤入渗能力随着微咸水溶氧量的增加先增大后减少，这与累积入渗量及湿润锋的变化规律一致。当微咸水溶氧量为14.0 mg/L时，吸渗率S最大，高出对照17.10%；当微咸水溶氧量为19.0 mg/L时，吸渗率S较小，低于对照6.90%。将吸渗率与微咸水溶氧量之间的关系采用二次多项式进行拟合，见图5。拟合结果显示，拟合R2为0.958，吸渗率S与微咸水溶氧量之间呈较好的二次多项式关系，拟合公式为

S=-0.002O2+0.049O-0.047

(5)

式中O——溶氧量，mg/L

图5 溶氧量对吸渗率的影响Fig.5 Effect of dissolved oxygen content on infiltration rate

对于代数模型，综合形状系数α随微咸水溶氧量的增加呈先减小后增大的趋势，当微咸水溶氧量为14.0 mg/L时，综合形状系数α最小，低于对照72.20%；当微咸水溶氧量为19.0 mg/L时，综合形状系数α最大，高于对照29.30%。将综合形状系数α与微咸水溶氧量之间的关系采用二次多项式进行拟合，见图6。拟合R2为0.700，拟合结果显示，综合形状系数α与微咸水溶氧量之间呈较好的二次多项式关系，拟合公式为

α=0.008O2-0.197O+1.406

(6)

图6 溶氧量对综合形状系数的影响Fig.6 Effect of dissolved oxygen content on overall shape factor

2.4 代数模型描述加氧微咸水入渗下的土壤含水率剖面准确性分析

将拟合得到的综合形状系数α代入式(4)可以计算土壤含水率，计算土壤含水率和实测值之间的关系见图7。由图可以看出，含水率剖面计算值与实测值比较吻合。为了更好地说明代数模型的计算效果，对土壤含水率计算值和实测值之间进行误差分析。结果显示，随着溶解氧的增大，各处理的平均绝对误差分别为2.20%、1.90%、2.00%、0.80%、2.30%，由此可见，代数模型能够较为准确计算加氧微咸水一维垂直入渗条件下的土壤含水率。

3 结论

(1)在微咸水不同溶氧量入渗条件下，入渗时间相同时，累积入渗量和湿润锋深度随溶氧量增加先增加后减小，微咸水溶氧量为14.0 mg/L时累积入渗量和湿润锋深度最大。

(2)相同入渗时间下，同一土层深度土壤含水率随着溶氧量的增加基本呈先增加后减小的趋势，最大值出现在溶氧量14.0 mg/L处理。此外，相比于不加氧处理，微咸水加氧处理入渗条件下均能提高灌溉水淋洗脱盐效率。

(3)加氧微咸水入渗条件下代数模型和PHILIP模型都能较好描述土壤入渗过程。PHILIP模型中吸渗率S随着微咸水溶氧量的增加呈先增加后减小的趋势，最大值出现在14.0 mg/L，代数入渗模型中综合形状系数α则呈现相反的规律，最小值出现在14.0 mg/L，且代数模型能够拟合加氧微咸水一维垂直入渗条件下的土壤含水率。