磁场强度对磁化水入渗和土壤水盐运移特征的影响

王全九 解江博 张继红 韦 开 孙 燕 李宗昱

(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

我国是农业大国，由于不合理的农业活动，土地质量下降问题变得日益严峻[1]，土壤盐碱化和次生盐碱化日趋严重[2-3]。一方面，由于自然因素导致我国西北干旱地区盐碱土大面积分布；另一方面，在农业生产中，由于缺乏科学的管理与指导，灌溉不当，导致许多灌区土壤发生次生盐碱化[4-5]。土壤盐碱化问题严重制约着农田的持续利用，对我国粮食安全构成了严重威胁[6-7]。因此，土壤盐碱化的防治成为农业可持续发展的重要命题。

磁化水处理技术作为一种新的灌溉水处理技术，在农业领域展现出巨大的应用前景[8-9]。大量研究表明，普通水经过磁化处理之后，水的溶解度、pH值、表面张力、溶氧量、电导率、缔合度等理化性质发生了改变[10-14]。磁化水灌溉能有效降低土壤含盐量，这为盐碱地的改良与防治指明了新的方向。磁化水对土壤水盐运移的影响已经从田间试验和室内试验两个方面得到了证实。卜东升等[15]利用膜下滴灌的方法研究磁化水对土壤脱盐的影响，结果表明，磁化水能够有效降低土壤含盐量，并且指出，磁化水滴灌脱盐碱效果具有较好的重演性。王洪波等[16]通过田间试验发现，磁化水滴灌对土壤盐分的淋洗有加速作用，能够有效降低土壤耕作层的盐分，并促进植物对土壤养分的吸收利用。一些研究结果表明，磁化水灌溉能够显著提高对Cl-、Na+的淋洗效果，并指出二次磁化效果更好[17]。王渌等[18]以黄河三角洲盐渍化土壤为研究对象，探究了磁化水灌溉对其生化性质的影响，发现磁化水灌溉土壤含盐量显著降低，具有明显的脱盐效果。张瑞喜等[19]通过室内土柱试验表明，磁化水入渗能够促进土壤盐分向下迁移，利用磁化水灌溉有利于将更多盐分淋洗出土体。综上所述，磁化水灌溉可以有效促进土壤盐分的淋洗，在改善作物根系盐分胁迫和提高根系养分吸收能力方面具有良好的作用，这对盐碱地的改良与防治和作物根系生长环境的调控都具有十分重要的意义。然而，不同磁场强度的磁化水对土壤水盐运移特征的影响，以及磁化水入渗模型参数与磁场强度之间的定量关系尚不明确。因此，本文通过一维垂直土柱入渗试验，分析不同磁场强度对土壤水盐运移的影响，建立磁场强度与入渗模型参数之间的关系，定量分析其对不同土层脱盐效果的影响，以期为磁化水灌溉的合理利用提供理论支持和指导。

1 材料与方法

1.1 试验系统与材料

根据试验需要构建磁化水制备系统，主要由水源、水箱、水泵、压力表、磁化器等通过管道连接而成，如图1所示。试验水源为自来水，水箱容量为60 L，水泵为涡旋式自吸水泵，额定功率0.75 kW，压力表量程0～0.6 MPa,管道采用横截面积为4.91 cm2的PVC管。磁化器采用包头鑫达磁性材料厂生产的4种不同磁场强度的CHQ型外置永磁磁化器，永磁体采用烧结汝铁硼制成，磁化器磁场强度经HT20型数字特斯拉计校对，分别为0.1、0.2、0.3、0.5 T。制备磁化水时将磁化器固定在回水管道外壁，调节管道水流流速为1 m/s，通过控制循环回水时间为30 min，水体流经磁化器时多次垂直切割磁感线，保证有效磁化次数10次以上。

图1 磁化水制备装置示意图

供试土样为新疆维吾尔自治区昌吉市农田表层0～20 cm盐碱土，将土壤自然晾干、碾压后过2 mm筛备用。利用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000型，马尔文仪器有限公司，英国)进行机械组成测定，土样黏粒、粉粒和砂粒体积分数分别为8.00%、41.24%、50.76%，采用国际制土壤质地三角形对土壤质地进行分类，确定试验用土为壤土。土壤容重为1.35 g/cm3，初始体积含水率与土壤饱和体积含水率分别为0.02、0.47 cm3/cm3，土壤初始含盐量为3.52 g/kg。

1.2 试验方法

试验于2018年5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磁场强度(0、0.1、0.2、0.3、0.5 T)的磁化水入渗试验，共计5个处理，每个处理3 次重复，共计15 个试验土柱。其中0为不磁化处理，作为试验对照(CK)。试验系统主要包括有机玻璃土柱、马氏瓶、固定支架。有机玻璃土柱高为45 cm，内径为5 cm。马氏瓶主要为试验提供稳定的入渗水头，磁化水装入马氏瓶中备用。试验土柱容重为1.35 g/cm3，将扰动土搅拌均匀分层装入土柱中，并在层与层之间打毛衔接，土层深度为43 cm。

试验中调整马氏瓶与土柱的位置，控制试验水头深度在1～2 cm之间。试验开始时利用秒表计时，并按照先密后疏的原则定时记录马氏瓶水位和土柱湿润锋深度。当湿润锋深度到达28 cm时，停止供水，同时用吸管吸出表面积水，并将土柱从底部拆开，去除水分未入渗到的部分干土，再按照0、5、10、15、20、25、27 cm的深度分层取土，放入提前准备好的铝盒。采用干燥法((105±5)℃)测定土壤质量含水率，乘以土壤容重即可得到土壤体积含水率。将干燥后的土样进行研磨并按照1∶5土水质量比进行浸提，将浸提液静置8 h后利用DDS-307 型电导仪测定其电导率，通过转换即可得到土壤含盐量。

1.3 入渗模型

为了研究磁场强度对土壤入渗模型参数的影响，利用Philip入渗模型和Kostiakov入渗模型对不同磁场强度磁化水的入渗特性进行分析，由于本研究入渗深度和时间较短，两模型中仅考虑吸渗作用，忽略重力的影响。

对于一维垂直土柱入渗，短历时Philip入渗模型[20]的累积入渗量表达式为

I=St0.5

(1)

式中I——累积入渗量，cm

S——吸渗率，cm/min0.5

t——入渗时间，min

在短历时入渗条件下，利用Kostiakov入渗模型[21]对累积入渗量与时间进行拟合，其表达式为

I=mtn

(2)

式中m、n——拟合系数

饱和导水率采用SU等[22]提出的基于Kostiakov入渗模型的推导方法，即

(3)

式中Ks——饱和导水率，cm/min

2 结果与分析

2.1 磁场强度对磁化水入渗特征的影响

图2 磁场强度对磁化水入渗过程的影响

图2a显示了不同磁场强度条件下磁化水累积入渗量随时间的变化情况。由图2a可以看出，各处理对应累积入渗量均随入渗时间增加而增加。入渗初期，不同处理的累积入渗量差异较小。随着入渗时间的增加，在60 min后，不同处理之间的累积入渗量开始出现差异，在相同入渗时间下，磁化处理的累积入渗量均小于对照处理，在入渗480 min后，与对照处理相比，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化处理的累积入渗量分别减少了13.3%、19.0%、25.7%、7.6%。当到达最终的入渗深度(28 cm)时，磁化水入渗用时较对照处理有所增加，而累积入渗量相对减少。这主要是因为自来水经过磁化处理之后表面张力减小，相应的土壤导水性能降低[23]，从而导致入渗水进入土体的速度减慢，累积入渗量减少。累积入渗量随磁化水磁场强度的增大呈现先减小后增大的趋势，磁场强度为0.3 T时，累积入渗量降低幅度最大，说明土壤入渗对磁化水磁场强度具有不同的响应。图2b显示了不同磁场强度磁化水入渗条件下湿润锋的运移情况。由图2b可知，湿润锋深度随入渗时间的变化与累积入渗量基本一致。磁化处理湿润锋运移速率均小于对照处理。入渗480 min后，与对照处理相比，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化处理的湿润锋深度分别减少了10.5%、16.2%、21.1%、6%。入渗结束时(湿润锋深度为28 cm)，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化处理的入渗时间相比于对照处理分别增加了34.5%、55.6%、82.8%、18.5%，表明磁化处理不同程度地降低了水体在土壤中的运移速率。与对照处理相比，在相同时间下磁化处理的累积入渗量和湿润锋深度均有所减小。这是因为磁化处理水体的表面张力减小[24]，水分在土壤中流动速度减慢，从而导致水分入渗速率降低、累积入渗量减少。而不同磁场强度磁化水入渗过程存在明显差异，这可能是由于不同磁场强度处理对水体的理化性质的影响程度不同所致，磁场强度为0.3 T时，其影响程度最大[14]，因此在0.3 T时累积入渗量减小幅度最大。

2.2 磁场强度对入渗模型参数的影响

利用一维垂直积水入渗的Philip入渗模型(式(1))和Kostiakov入渗模型(式(2))对入渗数据进行处理，分别得到不同磁场强度对应的吸渗率S和m、n，并利用式(3)推算出饱和导水率Ks。不同入渗模型拟合的决定系数均高于0.99，说明模型的拟合效果很好。

对于Philip入渗模型，吸渗率S反映土壤依靠基质势对土壤水分运动作用的能力[25]。随着磁场强度的增加，吸渗率S呈现先减小后增大的变化趋势，磁化处理对应的S均小于对照处理。这说明磁化处理能够降低土壤水分入渗能力，这与磁化水对土壤水分入渗过程的影响结果一致。对磁场强度H和吸渗率S进行拟合，结果如图3a所示，拟合决定系数R2为0.95，两者间存在较好的二次多项式关系，拟合公式为

S=1.542 7H2-0.849 7H+0.475 5

(4)

根据拟合公式可以求得当磁场强度为0.28 T时，吸渗率S取得最小值。

饱和导水率Ks是表征孔隙介质透水性能的综合系数，反映不同条件对土壤水分入渗性能的影响[26]。通过Kostiakov入渗模型参数m和n所求得的饱和导水率Ks随磁场强度的增加呈现出先减小后增大的趋势，与吸渗率S的变化趋势一致。磁化处理对应的Ks值均小于对照处理，在磁场强度为0.3 T时取得最小值。对磁场强度H和饱和导水率Ks进行拟合，如图3b所示，拟合决定系数R2为0.87，两者间存在较好的二次多项式关系，拟合公式为

Ks=0.296 7H2-0.168 2H+0.049 7

(5)

图3 磁场强度对吸渗率和饱和导水率的影响

根据拟合公式可以求得当磁场强度为0.28 T时，饱和导水率Ks取得最小值。

2.3 磁场强度对土壤水盐分布的影响

不同磁场强度磁化水入渗条件下，土壤体积含水率变化情况如图4a所示。由图可以看出，随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐减小。在入渗过程中，土体上部有1～2 cm积水，导致表层土壤含水率处于饱和状态，湿润锋以下土壤仍为初始含水率。不同深度土壤含水率分布情况不同，深度在0～15 cm时，磁化处理对应土壤含水率均大于对照处理，随着磁场强度的增加含水率呈先增大后减小的变化趋势，磁场强度为0.3 T时含水率最大，与对照处理相比，在5、10、15 cm处土壤含水率分别增加了2.2%、4.7%、2.4%。在深度大于20 cm时呈现出与上层相反的情况，磁化处理对应土壤含水率均小于对照处理。这主要是因为磁化处理使得水体黏度增加[25]，当土壤上层含水率较大时，水分在土壤中流动速度减慢，从而导致大量水分在上层土壤中的滞留时间增加，进入下层土壤的水分减少。

图4 磁化水入渗对土壤含水率和含盐量的影响

不同磁场强度磁化水入渗条件下，土壤含盐量变化情况如图4b所示。由图可以看出，在土壤水分入渗过程中，上层土壤中的盐分溶入水中并随着水流的入渗向下迁移，使得大量盐分聚集在湿润锋附近，土壤剖面呈现出上层脱盐、下层积盐的现象。土层深度在0～10 cm处脱盐效果明显，土壤含盐量分布几乎与初始含盐量分布平行，从10 cm开始，随着深度的增加，土壤含盐量逐渐接近初始含盐量，土层从脱盐区向积盐区过渡，脱盐与积盐的分界线在17 cm左右。深度在15～27 cm之间不同处理方式对应的土壤含盐量有较大差异。对不同深度的土壤含盐量进行分析，土层深度为0、5、10 cm时的土壤含盐量均较低且较为接近，15 cm土层土壤含盐量相较于上层土壤明显增多，接近土壤初始含盐量。不同处理方式的脱盐效果存在差异，在同一土层深度，与对照处理相比，随着磁场强度的增加，土壤含盐量总体上呈现出先降低后升高的趋势。在15 cm处，对照处理和0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化处理对应的土壤含盐量分别为2.98、2.74、2.56、2.43、2.87 g/kg(图4c，图中不同字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05))，磁化处理与对照处理相比分别降低了8.1%、14.1%、18.5%、3.7%。对湿润锋处的土壤含盐量进行分析可知，不同处理方式的积盐效果存在明显差异，其中对照处理的积盐量最小，0.3 T磁化处理的积盐量最大。对照处理和0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化处理对应的土壤含盐量分别为15.23、16.25、16.89、17.53、16.12 g/kg，磁化处理与对照处理相比分别增加了6.7%、10.9%、15.1%、5.8%，这与脱盐区的分析结果一致。

2.4 磁场强度对土壤滞留盐分浓度的影响

入渗结束时，由于磁化水对土壤盐分的淋洗效果不同，而且不同处理之间土壤含水率也存在差异，因此磁化处理对土壤中盐分质量浓度也有一定的影响。不同磁场强度条件下土壤盐分浓度变化情况如图5所示，由图可以看出，土壤盐分浓度变化趋势与土壤含盐量变化趋势基本一致，随着土层深度的增加，土壤盐分浓度逐渐增加。在脱盐区同一土层深度下，磁化处理的土壤盐分浓度均小于对照处理，磁化水入渗降低了脱盐区土壤盐分浓度，这对降低盐碱化土壤对作物根系的盐分胁迫具有十分重要的作用。

图5 磁化水入渗对土壤盐分质量浓度的影响

2.5 磁场强度对土壤盐分淋洗效果的影响

将脱盐区某一土层厚度的初始含盐量S0与入渗后的土壤含盐量S1的差值占初始含盐量的百分比定义为脱盐率Dr,即

(6)

将磁化处理脱盐率Drm与对照处理脱盐率Drck的差值占对照处理脱盐率百分比定义为磁化脱盐强度Di,即

(7)

将脱盐区某一土层中被淋洗的盐分总量St与透过这一土层的总水量W的比值定义为淋洗效率Le，即

(8)

脱盐区不同深度的脱盐率和磁化脱盐强度以及不同土层淋洗效率见表1。由表可以看出，土层深度在0～10 cm之间的脱盐效果明显，脱盐率均在65%以上，但是在10～15 cm处脱盐率发生骤减，脱盐率最大值为51.99%。对同一土层深度的脱盐率进行分析可以看出，磁化水的脱盐率均大于对照处理，这说明磁化处理对土壤上层的脱盐效果明显。随着磁场强度的增加，脱盐率呈现先增后减的趋势，0.3 T磁化处理脱盐率最大，这与张瑞喜等[19]得出的0.3 T磁化处理有利于将更多的盐分淋洗出土体的结果相一致。不同磁场强度处理脱盐效果总体上由大到小依次为0.3 T、0.2 T、0.5 T、0.1 T、CK。磁化脱盐强度随着土层深度的增加而增加，由此可以看出磁化水具有较好的脱盐效果。不同土层深度淋洗效率不同，由表可以看出5～10 cm土层淋洗效率总体上大于其他两层。在同一土层中，磁化处理对应的淋洗效率均大于对照处理，并随着磁场强度的增加呈现先增加后减小的变化趋势，这一现象说明单位体积磁化水淋洗盐分的能力增大。

表1 不同磁场强度的脱盐率、磁化脱盐强度和淋洗效率

注：同一列不同字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。

结合不同磁场强度磁化水累积入渗量和湿润锋深度的变化情况综合分析可知，磁化处理降低了水体的表面张力和黏度[10,24]，使得水分在土壤中流动速度减慢，土壤导水性能降低，吸渗率S和饱和导水率Ks也相应减小，导致水分入渗速率降低、累积入渗量减少。土壤水分运动速度的减慢增加了水分在土壤上层的滞留时间，因此土壤剖面含水率呈现出上大下小的现象，这有利于土壤水分更多地储存在作物根系层中，并且能够有效地减小深层渗漏。同时水分滞留时间增加，对土壤盐分的淋洗也起到了一定的作用，这是因为水分滞留时间变长，土壤中盐分与水分的反应时间也相应增加，有利于土壤盐分溶解扩散至水体中，由于0.3 T磁化处理对水分入渗的影响最为显著，因此在磁场强度为0.3 T时表现出最好的脱盐效果。而且磁化处理改变了水的活性[14](即与其他物质的作用能力，如溶解度、反应速率等)，使得单位体积磁化水溶解盐分的能力增强，这对土壤盐分的淋洗具有重要意义。

3 结论

(1)磁场强度对土壤水分运移有明显影响，磁化水入渗速率和湿润锋运移速率显著降低；在相同入渗时间下，随着磁场强度的增加，累积入渗量呈现先减少、后增大的变化趋势，磁场强度为0.3 T时，累积入渗量减小幅度最大。

(2)利用Philip入渗模型和Kostiakov入渗模型及推导公式对吸渗率S和饱和导水率Ks进行拟合，并建立其与磁场强度之间的关系，发现水分运动参数与磁场强度之间存在较好的二次多项式关系,利用拟合公式求得磁场强度在0.28 T左右时，对吸渗率S和饱和导水率Ks影响最大。

(3)磁化水入渗能够增加土壤上层土壤含水率，降低深层土壤的水分入渗量；磁化水入渗具有良好的洗盐效果，单位体积磁化水淋洗盐分的能力增大，而且洗盐效果与土壤水分入渗速率无关，说明磁化水活性增强，溶解盐分的能力提高。脱盐率和淋洗效率均随着磁场强度的增大呈现先增、后减的趋势，磁场强度为0.3 T时脱盐率和淋洗效率达到最大，淋洗盐分的效果最好。