含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究
2020-03-20韩笑张颖赵君涵黄蕊王洪德佘冬立
韩笑,张颖,赵君涵,黄蕊,王洪德,佘冬立*
含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究
韩笑1,张颖2,赵君涵1,黄蕊1,王洪德1,佘冬立1*
(1.河海大学 农业工程学院,南京 210098;2.南京市江宁区水务局,南京 210098)
【】研究土壤含钠盐量变化及钠盐含量垂向异性对土壤水分入渗特性的影响,以期为海涂盐渍土水土资源高效利用与保护提供理论依据。设置土壤含钠盐量垂向均质及垂向异质变化共6个处理,采用恒定水头入渗法进行土壤水分入渗试验。主要从入渗速率、累积入渗量及湿润峰距离3方面对土壤水分入渗特性进行分析讨论与模拟。对于盐分分布均匀的土壤,入渗初期水分入渗速率与土壤含盐量有显著关系,但对于盐分含盐量垂直分层土,土壤盐分含盐量与水分入渗速率关系较为复杂。在相同入渗时间内,盐分均质土累积入渗量随土壤含盐量增大呈显著降低趋势;对于盐分含盐量分层土壤,盐分含盐量垂向减小土壤累积入渗量大于盐分浓度垂向增加土壤,且土壤剖面垂向盐分含盐量变化对水分累积入渗量影响相比土壤盐分含盐量均匀变化对入渗过程的影响更显著。土壤湿润锋深度随入渗时间延长而增大,且在入渗初期速度较快,随后逐渐缓慢,最后趋于平缓,上层土壤盐分浓度对湿润锋深度影响较大。结合盐分均匀变化及垂向异质性变化土壤定水头入渗试验,明确了土壤孔隙水分运动与盐分浓度变化的响应规律。土壤垂向理化性质改变对水分入渗过程具有一定影响,同时利用Kostiakov入渗经验公式和简略Philip入渗方程可以较好地拟合该入渗过程。
土壤水分;土壤盐分;水分入渗;累积入渗量
0 引 言
水分入渗是田间土壤水分循环的一个重要组成环节,受土壤初始含水率、土壤质地、供水强度和供水水质等多种因素影响[1]。在入渗过程中土壤中高浓度交换性钠离子对土壤颗粒有明显离散作用,其中黏粒的离散将引起土壤孔隙堵塞,导致入渗能力降低。吴忠东等[2]研究表明,由于钠离子电荷少,半径相对较大,水化能较小,钠离子的存在会引起土壤颗粒膨胀和分散,在干湿交替作用下改变土壤物理特性。Jefferson等[3]研究了6种不同交换性钠离子百分比(5%~30%)土壤水力传导度,发现交换性钠离子百分比降低会引起水力传导度增大。Michael等[4]通过盐分淋滤试验研究了盐离子减少水力传导度机理,发现盐离子使土壤产生膨胀效应从而导致土壤团聚体崩解和大孔隙堵塞。由于滨海围垦区在成陆过程中受海水掺杂影响,地下水水位和化学组成变化剧烈,使土体的化学组成、空间结构或物理化学性质发生改变,土壤盐分异质性增加,严重制约了沿海地区农业可持续生产[5]。因此,研究不同含钠盐量土壤入渗特性对合理开发利用围垦区土地资源具有重要意义。
目前,多数研究集中于盐分对土壤物理机械、水力特性和入渗过程的影响,未深入拓展到土壤盐分非均匀分布条件下孔隙水流如何运动。本文采用恒定水头入渗试验,研究不同钠盐含量土壤以及含钠盐量垂向变化土壤入渗特性,以期对海涂盐渍土含盐量垂向异性对孔隙水流运动过程的影响机制研究提供必要的理论依据。
1 材料与方法
试验土壤采自江苏省南通市如东县九龙垦区,垦区地理坐标为32°12'—32°36' N,120°42'—121°22'E,濒临黄海,属典型粉砂淤泥质土壤。该区地势平坦,于2007年围垦,未种植作物,除个别耐盐植物外,全为裸露地面。供试土壤经自然风干,去除石块等杂质后过1 mm筛备用。利用不同浓度NaCl溶液与土样进行充分拌和风干,用体积比为2∶1的土水比将供试土样分别配置成含NaCl量为0、0.71、1.43、3.57 g/kg的不同盐分量土壤。
试验在河海大学江宁试验区进行。采用恒定水头入渗法测定入渗过程。试验装置由试验土柱和供水装置构成,土柱直径5 cm,高39 cm,填土深度为30 cm。试验处理见表1,其中处理5与处理6以深度15 cm为分界线,分别在上、下层填入2种不同盐分浓度土壤以表现盐分垂直异变性。在土柱底部留有排气孔以便消减土柱中气体压缩对水分入渗阻力作用。采用去离子水进行入渗试验,并用马氏瓶将水位控制在28 mm左右。根据试验处理,将供试土壤按照1.40 g/cm³体积质量分层(每层5 cm)均匀装入有机玻璃柱内。有机玻璃柱底部填放纱布,防止土样流失。土柱表面填放滤纸,防止表层土壤受到强烈冲击而变形。在试验过程中观测记录入渗距离和累积入渗量,当湿润峰到达土柱最底部时结束试验。入渗开始后,按照先密后疏原则选取时间点记录马氏瓶刻度及湿润峰刻度。试验结束后迅速按照分层原则,每隔5 cm取土样,利用烘干法测定土样含水率。每个处理重复3次,试验数据处理采用SPSS及Excel进行数据整理和数据拟合计算。
表1 试验分层土壤含盐量
2 结果与分析
2.1 土壤盐分变化对水分入渗速率影响
由图1可以看出,土壤盐分浓度变化条件下水分入渗速率差异显著。在开始入渗后1~20 min时段内,4种含盐量土壤水分入渗速率差异明显。其中处理1平均入渗速率最高,而处理4平均入渗速率最低,该时段内入渗速率与土壤含盐量呈负相关关系。而入渗后21~156 min内,土壤水分入渗速率同含盐量无显著关系。入渗初始时段,土壤含水率较低,土壤中离子与表面颗粒相互作用较弱,此时溶质势作用较小,入渗速率主要由基质势决定[6],可能与所形成土壤溶液中钠离子浓度相关[7]。交换性钠离子可以改变土壤中大颗粒胶体,使其分散为小颗粒胶体,从而增大了土壤吸附性,减缓土壤水分入渗速率;土壤溶液中钠离子浓度越高,入渗速率越低。随入渗时间增长,入渗速率趋于稳定,土壤重力势会显著增大,此时其主要受重力势控制,由于入渗时各处理水头一致,均为2.8 cm,因此入渗后期各处理土壤水分入渗速率趋于一致。
图1 均质土壤入渗速率随时间变化
图2为不同盐分土壤垂直分层处理入渗速率随时间变化规律。由图2可知,在开始入渗后1~30 min时段内,水分运动与土壤溶液中盐分浓度有较大关系,处理5入渗速率明显大于处理6;在30~50 min时段内,入渗速率逐渐下降并趋于稳定,但处理6入渗速率大于处理5,可能是由于处理6上层土壤含盐量较大,土壤溶液中阳离子被吸附在土壤黏粒表面,使土壤团粒更加紧实,增大了土壤孔隙率[8],使土壤渗透力变强,入渗速率增加;水分入渗持续50 min之后,从图中可知处理6土壤入渗速率显著高于处理5,这是由于处理6下层土壤含盐量低于处理5,水分入渗速率随土壤含盐量减小而增加。在不同盐分土壤垂直分层处理下对土壤入渗速率变化研究表明,水分入渗速率与土壤盐分浓度有一定联系,土壤含盐量增加,水分入渗速率随之减小,不同盐分分层土壤入渗速率与各层土壤含盐量密切相关。
图2 分层土壤入渗速率随时间变化
2.2 土壤盐分变化对累积入渗量影响
图3显示6种处理下土壤累积入渗量随入渗时间变化。对于盐分均质土壤进行60 min入渗后,土壤含盐量由低到高不同处理累积入渗量依次为6、4.5、4.0、3.3 cm。在相同入渗时间内,累积入渗量随土壤含盐量增加而减小,这一结果也与吴忠东等[2]模拟结果一致。这主要是因为在入渗过程中土壤孔隙水中高浓度交换性钠离子对土壤颗粒有明显离散作用,而黏粒离散引起土壤孔隙堵塞,导致土壤入渗能力和水力传导度降低,从而降低土壤入渗能力[9]。
图3 盐分均质土壤累积入渗量与时间关系
图4 盐分垂向变化土壤累计入渗量与时间关系
对于含盐量垂向变化土壤,在相同入渗时间内,含盐量垂向减小的土壤累积入渗量大于盐分浓度垂向增加的土壤。在入渗60 min后,含盐量垂向减小土壤累积入渗量为6.1 cm,与处理1累积入渗量基本一致;而含盐量垂向增大土壤累积入渗量为2.4 cm,与其他处理相比为最小值,表明土壤含盐量分层变化对土壤累积入渗量影响大于土壤含盐量均匀变化对累积入渗量影响。在入渗初始阶段,含盐量垂向减小和垂向增大土壤累积入渗量差别并不显著,但随入渗时间增长,二者累积入渗量差值逐渐增大,最后趋于稳定。这表明含盐量垂向减小土壤在水分入渗情况下,土壤中部分盐溶于水中,增大土壤水分矿化度,在一定范围内随着入渗水矿化度增加,累积入渗量也随之增加[10]。同时,由于部分盐溶于水中,含盐量下降,土壤入渗速率也有增加趋势。
采用Kostiakov入渗经验公式分别对入渗试验结果进行拟合:
=1-a, (1)
=1-a, (2)
式中:为入渗速率(mm/min);1为第一时间单位末时的入渗速率(mm/min);为入渗历时(min);为累积入渗量(mm);模型中为经验入渗系数,其意义为入渗开始后第一个单位时段末的累积入渗量,在数值上等于第一个单位时段内的土壤平均入渗速率(mm/min);为经验入渗指数,反映土壤入渗能力的衰减速度。入渗初始阶段,Kostiakov入渗模型中参数起主导作用。随着入渗过程的进行,入渗模型中参数则成为影响入渗大小的主要因素。值大小主要取决于因土地湿润而引起的土壤结构的改变[11]。值越大,入渗能力衰减速度越快,反之则越慢;将反映整个入渗过程。拟合结果见表2,在置信区间为95%的水平上,相关系数2均在0.98以上,拟合精度较高。
表2 Kostiakov入渗公式对不同处理拟合结果
2.3 土壤盐分变化对湿润峰距离的影响
湿润峰为入渗过程中土壤湿润区前缘,指示水分入渗最大深度。水分入渗过深易产生深层渗漏,过浅则不能满足作物根系吸水要求,因此研究入渗过程中湿润峰推移过程对于农田灌排具有重要指导意义[12]。土壤湿润深度变化随入渗时间延长而增大,且在入渗初期速度较快,之后逐渐变缓并趋于稳定(图5),其主要原因是入渗初期土体结构没有发生较大变化,入渗过程主要靠基质势梯度和重力势梯度影响作用进行,随入渗过程进行,在入渗水头和重力作用下,土体结构发生变化,表层土壤颗粒发生消散和分散,并受压力而紧密,减小土壤孔隙,同时土壤含水率逐渐增大,土壤吸力逐渐减小[13],进而土壤导水性和透水性相对减弱,也就使土壤水分输运速度减慢。
在含盐量无分层情况下,相同入渗时间内,含盐量高土壤水分入渗距离明显较小,其主要原因是入渗过程中高浓度交换性钠离子对土壤的离散作用使得孔隙堵塞,导致入渗能力降低。土壤盐分垂直分层情况下,会明显改变土壤水分入渗特性。在相同入渗时间内,含盐量垂向增大土壤处理下土壤水分入渗距离最大、其次为低含盐量均质土壤处理、含盐量垂向减小土壤处理和高含盐量均质土壤处理。结果表明,上层土壤含盐量对入渗湿润锋深度影响较明显,而下层土壤含盐量对入渗湿润锋深度影响较小。
图5 不同处理下湿润锋深度随时间变化
根据Philip垂直入渗方程的幂级数解的前2项对湿润峰和入渗时间的关系进行拟合:
=1/2+χ, (1)
式中:和是含水率函数,右边第一项表示重力场未起作用下的入渗,反映基质势梯度变化对入渗的影响,第二项可看作基质势梯度引起的重力对吸收增强的修正项[14]。
从表3可以看出,简略的Philip入渗方程的幂级数解可以很好地拟合不同盐分量土壤的湿润锋深度随时间的变化过程,拟合的参数和变化规律表明:随均质土壤含盐量增加,基质势梯度有逐渐减少的趋势;在土壤含盐量分层的情况下,基质势梯度大小依次为处理5>处理1>处理6>处理3;重力作用随着土壤含盐量变化无明显差异。
表3 不同钠盐含量土壤湿润锋深度随时间变化拟合结果
3 讨 论
研究表明,土壤水力特性同样也会受到土壤中盐分及其盐化学效应影响[15]。根据非饱和土壤达西渗流定律可知,土壤水分入渗量取决于土壤水力传导度和土水势梯度[11],而不同含钠盐量土壤主要通过影响土壤孔隙大小和分布来影响水力传导度。牛文全等[16]认为由于入渗水矿化度不同,土壤孔隙特征会发生差异性变化,从而导致土壤水分运动通道的差别,最终造成土壤湿润体体积的差异。任长江等[8]研究表明土壤中含交换性钠离子量对水分运动有显著影响。土壤中含交换性钠离子量增加,使土壤胶体扩散双电层厚度和电动电位增加,而高电动电位导致土壤黏粒分散性增加、团聚体稳定性降低,较短时间内引起土壤中大孔隙和小孔隙破坏,进而影响水分运动导致土壤导水性能降低;同时,土壤中大颗粒胶体分散成众多小颗粒胶体,胶体越小单位土壤胶体表面积越大,表面能越高,吸附能力越强,吸水、保水性能越强,相应的入渗能力越弱[17]。张彤炜等[18]通过对渗透系数与孔隙水盐分进行分析,发现土壤比例系数随渗透吸力线性增加。土壤中含钠盐量升高,使得土壤渗透吸力增大,比例系数随渗透吸力线性增加,而含钠盐量增加使土壤孔隙堵塞,孔隙比减小,因此渗透系数减小,导致水分渗透速率减缓。相关研究表明,随着土壤中含钠盐量变化,土壤中水力传导特性会发生显著变化[19]。入渗初期,进入土壤中的水分较少,表层土壤大孔隙先充满水,因而钠吸附比影响作用不大,随着水分在重力作用下向深层土壤入渗,随土壤中交换性钠的增加,引起土壤颗粒的膨胀和分散,被分散的黏粒随入渗进入土壤孔隙连续体中,引起土壤孔隙的堵塞,极大地改变孔隙大小分配使土壤的透水性变差,导致入渗能力和水力传导度降低,反映在Kostiakov入渗模型中,则表现为随土壤中钠盐含量变化,/逐渐减小。
4 结 论
1)初始含盐量垂向减小的土壤入渗速率和累积入渗量普遍大于初始含盐量垂向增大的土壤。初始含盐量垂向增大土壤相同时间内湿润峰大于初始含盐量垂向减小土壤,这表明土壤垂向理化性质改变对入渗有一定影响。利用Kostiakov入渗经验公式在置信区间为95%水平上对入渗过程进行拟合,相关系数2值均在0.98以上,拟合精度较高。
2)初始含盐量垂向不变土壤,随含盐量增大其相同入渗时间内入渗速率、累积入渗量和湿润峰都有减小趋势。
3)利用简略Philip入渗方程幂级数解可以很好拟合不同含钠盐量土壤湿润锋深度随时间变化过程。
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Spatial Distribution of Sodic Salt in Soil Affects Water Infiltration
HAN Xiao1, ZHANG Ying2, ZHAO Junhan1, HUANG Rui1, WANG Hongde1, SHE Dongli1*
(1. College of Agricultural Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Jiangning Water Resources Bureau of Jiangsu Province, Nanjing 210098, China)
【】Soil salinity and sodicity is a ubiquitous abiotic stress affecting agricultural production worldwide. Understanding how sodic salt content modulates water flow in soil can help improve soil management. The objective of this paper is to elucidate the effects of sodic salt content and its spatial distribution on water infiltration.【】The experiment compromised six treatments, with the sodic salt distributing either homogenously or heterogeneously in the soil profile. In each treatment, we measured water infiltration using the constant-head method and then compared the infiltration rate, cumulative infiltration and advance of the wetting front between the treatments.【】When sodic salt distribution was homogenous, water infiltration rate was related to soil salinity at significant level and the cumulative infiltration decreased with soil salinity, while when the sodic salt was heterogeneous, water movement in the soil was more complicated. Water infiltrated faster when salt content decreased downwards along the soil profile than when salt content decreased upwards. When overall salt content was the same, heterogeneous salt distribution affected cumulative water infiltration more significantly than homogenous salt distribution. The advance of the wetting front in the soil increased with infiltration time, but the infiltration rate decreased asymptotically to a constant as time elapsed. Salt in the top soil affected the advance of the wetting more than salt in the subsoil. 【】Our experimental results revealed that water infiltration in saline soil was affected not only by soil salinity but also by how the salt was distributed in the soil profile. Water movement is more intriguing when salt distribution was heterogenous than when it was homogenous.
soil moisture; soil salinity; water infiltration; cumulative infiltration
S152.7+2; S156.4+2
A
10.13522/j.cnki.ggps.20190152
1672 - 3317(2020)01 - 0061 - 06
2019-03-29
国家自然科学基金项目(41471180;51679062);江苏省国土资源科技项目(KJXM2017032)
韩笑(1998-),女。主要从事农业水土过程与高效灌排研究。E-mail:18262631736@163.com
佘冬立,男。教授,博士生导师。E-mail:shedongli@hhu.edu.cn
韩笑, 张颖, 赵君涵, 等. 含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究[J].灌溉排水学报, 2020, 39(1):61-66.
HAN Xiao, ZHANG Ying, ZHAO Junhan, et al. Spatial distribution of sodic salt in soil affects water infiltration [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 61-66.
责任编辑:韩 洋