冻融循环下不同水质对压砂砾石元素淋溶影响

李王成,赵研,王霞,王双涛,李晨,王兴, 董亚萍

(1. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 750021; 2. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 750021; 3. 宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021)

在中国西北干旱地区,为了减少土壤水分的蒸发,广大劳动人民集结智慧、就地取材,发展了一种以砂石作为覆盖材料的旱作覆盖技术——压砂地.压砂地能有效减小地表产流、增加雨水入渗和抑制土壤水分蒸发、蓄水保墒,同时能够起到增温保温等作用[1].目前,宁夏地区压砂地的面积逐年增加,截至2016年,当地压砂面积已有约6.67×104hm2[2].压砂地种植枸杞、红枣、西瓜等作物,为当地人民创造的经济收入相当可观,已成为发展地区经济不可或缺的一部分[3].

淋溶作用是指一种由于雨水天然下渗或人工灌溉，上层的某些矿物盐类或有机物质溶解并转移到下层中的作用，是地表一种重要的风化作用. SONG 等[4]根据地球化学行为将元素划分为3类淀积元素,即从剖面上部淋溶带迁出并富集于剖面中部淀积带的元素淋溶元素、从风化剖面中迁出而没有发生再富集的残留元素、在风化过程中不发生明显迁移的元素.李徐生等[5]对镇江下蜀土剖面的元素淋溶特征进行了研究，发现绝大部分常量元素表现为迁移淋失,仅Fe和Ti轻微富集.

关于冻融循环试验,国内外学者进行了大量工作,发现冻融作用是影响岩石的力学特性、降低岩石荷载能力的最主要因素[6].徐光苗等[7]认为冻融循环对岩石风化程度起决定性影响.但是,目前关于冻融循环的研究多集中在岩石力学特性方面，对压砂砾石的研究并不多见.压砂地一次铺成,多年耕作,形成了其特殊的田间微环境,水分、养分、元素活动等均不同于常规裸地,是另外一个多学科综合的系统工程[8].压砂砾石的铺设不仅影响了土壤下渗蒸发规律、土壤热量平衡等其他土壤理化性质,同时压砂砾石冻融循环过程中元素在水分淋溶作用下随灌溉水进入土壤,改变土壤原有溶质体系的运移状态[9].尽管目前压砂地产业的发展引起了许多学科研究学者的关注,但大多主要集中砾石覆盖对水分蒸发和下渗及土壤盐分运移等方面的物理作用,对于冻融循环下不同水质压砂砾石元素淋溶释放研究的结果还比较少见.当地灌溉所用微咸水以及寒冷冬季的冻融作用对压砂砾石风化过程中各种元素迁移产生了怎样的影响,从而如何作用于当地土壤发育与作物生长仍然未知.

因此,文中研究压砂砾石在冻融循环作用下不同水质对其元素淋溶规律的影响,对提高土壤质量、改善和增加作物产量和品质具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 研究点概况

研究点位于宁夏回族自治区中卫市香山乡(105°15′E, 36°06′N)，海拔1 697.8 m.香山地区位于腾格里沙漠边缘，是宁夏压砂地主要分布区和中国最大的压砂瓜种植基地.该区域年平均温度7.0～8.5 ℃，年均降水量200 mm左右，5—8月降水量占全年降水量的59%，年均蒸发量2 300 mm 以上，无霜期140～150 d.具有干旱区域干旱少雨且蒸发量大的典型气候特点，是典型的极度干旱区.

1.2 试验材料

压砂砾石是指在海拔1 200～1 800 m，坡度≤25°，土层厚度≥80 cm，有机质含量≥0.6% 的灰钙土或沙壤土土壤上铺压的砾砂混合物10～15 cm(砾/砂混合比例为10∶1).试验样品为绿色板岩压砂砾石(10～30 mm)，结合水质量分数为0.30%，地质年代为奥陶系,其岩性为灰绿-深灰色板岩.冷冻设备为美菱冰箱(冷冻室)，加热设备为电热恒温鼓风干燥箱.

1.3 观测指标及方法

元素含量用检测Vario EI Ⅲ元素分析仪和Agilent ICP-OES 720 离子色谱仪等仪器.淋溶液电导率用DDS-307A电导率仪测定.

2 结果与分析

2.1 微咸水元素含量测定结果

微咸水是指含盐量0.2%～0.5%的水或矿化度为2～5 g/L的水.中国微咸水资源分布广泛,主要分布在易发生干旱的华北、西北以及沿海地带.研究选取宁夏中卫地区当地灌溉用微咸水进行检测.通过检测发现,试验所采用的当地灌溉用微咸水样品共由18种元素组成,其中金属元素有8种,分别为K，Na，Ca，Mg，Sr，Mn，Ba，Mo,其余为非金属元素,分别为O，Si，C，Cl，H，N，Br，S，B，F，如表1所示，表中σ为含量.

表1 微咸水元素含量表

从表1可以看出当地微咸水元素含量中,大量元素含量所占比例为36.93%；微量元素含量所占比例为3.92%；有益元素含量所占比例为23.41%；其他元素所占比例为36.60%.不难看出,微咸水灌溉虽然不适宜人类饮用,但是其中的微量元素和有益元素含量不低.且中国有大量可供开采利用的微咸水资源,如果能够因地制宜,结合植物的生长特性进行适量的灌溉微咸水,可以为植物补充缺乏的微量元素.

2.2 不同水质对砾石元素淋溶的影响分析

将2组压砂砾石分别用500 mL的蒸馏水和当地微咸水在有机玻璃桶中自然浸泡48 h,保证完全没过砾石.将过滤干净装有砾石的有机玻璃桶放入已达到设置温度冰箱冷冻室(烘箱)内进行冻结(融解),冻结(融解)时间为6 h,温度设置为±20±2 ℃.探索不同水质对压砂砾石元素淋溶的影响.在相同冻融循环次数N下,蒸馏水和微咸水处理下砾石元素淋溶总量σ如图1所示.

Fig.1 Leaching amount of elements in gravel in different water treatments

从图1可以看出,随着冻融循环次数的增加,无论是微咸水还是蒸馏水处理,其元素淋溶总量都呈增加趋势,可见随着冻融循环次数的增加,压砂砾石淋溶元素总量呈增加的趋势.

通过定期测定蒸馏水冻融循环处理(ZLS)和微咸水冻融循环(WXS)砾石淋溶液的电导率如图2所示,图中M补为补水量，EC为淋溶液电导率.

图2 不同水质处理下EC值随冻融循环次数变化图

Fig.2 Variation of EC with freeze-thaw cycles in different water treatments

从图2可以看出,蒸馏水(ZLS)溶液电导率整体呈现波动增加趋势,在每次取样补水后电导率值有一个明显的下降趋势,其波动谷点与每次取样补水谷点也吻合.在每次取样加水后溶液电导率都呈上升趋势,其主要原因是在冻融循环过程中砾石浸泡溶液水分蒸发的损耗(16.47 mL/d),同时,砾石在冻融循环过程中其中的矿质元素离子不断进入到溶液引起其离子总量的增加.微咸水处理(WXS)的溶液电导率整体也呈现波动降低趋势,波动谷点与每次取样补水节点也吻合.溶液电导率整体也呈现波动降低趋势的原因主要是每次取样加水对溶液的稀释程度远大于水分蒸发的损耗(8.80 mL/d)和冻融循环过程中矿质元素离子释放所引起的溶液离子增加程度.从数值上,微咸水处理的砾石浸泡液电导率值变化较大,在2 000～6 500 μS/cm内.溶液电导率整体呈现波动增加趋势则证明在取样和水分补充过程中,溶液离子浓度总体仍呈现增加趋势,间接证明了元素通过淋溶过程释放.说明随着冻融循环次数的增加,淋溶液中的离子在不断增加.

2.3 砾石释放元素变化规律

作物在生长发育过程中需要不断地从外界吸取养分,即获得为构成机体所需的各种营养元素,可以将其分为必需元素和有益元素.根据联合国粮农组织的推荐,作物需要营养元素[10]共16种,其中大量元素：C，H，O，N，P，S，K，Mg，Ca,微量元素:Fe，Mn，Cu，B，Zn，Mo，Cl，有益元素：Na，Si，Co.这些元素虽然在植株体内的含量有多有少,但各有其独特作用,对植物的生长发育起着至关重要的作用,是植物生长过程中必不可少的.

对完成50次循环试验的蒸馏水处理(处理ZLS)和微咸水处理(处理WXS)的砾石淋溶液取样检测,并按照大量元素、微量元素、有益元素进行分类如图3所示.

图3 处理WXS，ZLS下砾石各类元素累计释放量随冻融循环次数变化图

Fig.3 Variation of cumulative amount of released elements in gravel against number of freeze-thaw cycles in WXS and ZLS treatments

从图3可以看出，通过比较处理ZLS和处理WXS可以看出，大量元素处理ZLS溶液元素累积淋溶量(326.30 mg/L)高于处理WXS(224.26 mg/L).就微量元素而言，处理ZLS(3.33 mg/L)略低于处理WXS(3.67 mg/L)，这可能是由于处理WXS比处理ZLS多淋溶出一种元素Mn(见图3)；就有益元素而言，处理ZLS(9.87 mg/L)高于处理WXS(6.14 mg/L).总体上，处理ZLS的元素累积淋溶量高于处理WXS，这可能是由于微咸水中的盐分离子浓度相对较高，从而导致淋溶过程中渗透压较小，元素淋溶释放减弱.

大量元素、微量元素、有益元素是按照各元素所在植物干物质中质量比来划分的,但是各个元素的水溶性,活动性都具有较大的差异,在试验过程中,不同元素的释放量也具有较大的差异.因此,为了深入了解压砂砾石在处理ZLS和WXS下,随冻融循环次数淋溶释放量的变化情况,将各处理溶液中大量元素、微量元素、有益元素释放量作图,如图4所示.

图4 处理WXS，ZLS下砾石各元素累计释放量随冻融循环次数变化图

Fig.4 Variation of cumulative of released elements in gravel against number of freeze-thaw cycles in WXS and ZLS treatments

从图4可以看出，处理WXS，ZLS下砾石淋溶液中大量元素、有益元素所包含的元素种类及其释放量的变化趋势比较接近.7种大量元素中C元素的释放量最大，且随着冻融循环次数的增加，累计释放量逐渐增大.处理ZLS下的释放量(618.00 mg/L)大于处理WXS(290.80 mg/L).除此之外，N的释放量也比较大，其次分别是Ca，S，K，Mg，P元素.微量元素中，处理WXS较处理ZLS多一种Mn元素，但其释放量较少(0.08 mg/L).其中释放量最大的为Cl元素，处理ZLS下的释放量(3.22 mg/L)大于处理WXS(2.43 mg/L).2种有益元素中Na元素的释放量较大，而Si的累计释放量增加速度较慢一些.

比较处理ZLS和处理WXS可以看出，在试验各个阶段，处理ZLS溶液各类元素累积释放量均高于处理WXS.这可能是由于微咸水中的盐分离子浓度相对较高，从而导致淋溶过程中渗透压较小，元素淋溶释放减弱.

3 结 论

1) 试验过程为了贴近大田实际情况,采用当地灌溉用微咸水进行试验.微咸水中元素种类和含量都不低,外源元素的引入较多, 因此可在排除外源引入的基础上,设置其他水质的冻融循环试验进行进一步的探索.

2) 当水质相同时，随着冻融循环次数的增加,其元素淋溶总量都呈增加趋势.说明在水分的参与下,随着冻融循环次数的增加,压砂砾石在反复的冻胀消融作用下会通过淋溶作用不断地向淋溶液中释放元素.

3) 在冻融循环次数一定时，不同元素的释放量具有一定差异，但总体上处理ZLS各个元素累积量(957.90 mg/L)高于处理WXS(511.59 mg/L)，即微咸水在一定程度上抑制元素淋溶释放.这可能是因为微咸水中盐分离子浓度较高，从而导致淋溶过程中元素的渗透压较小,导致元素淋溶释放减弱.微咸水虽然一定程度上抑制元素淋溶释放,但是其本身所含的微量元素和有益元素含量不低，且微咸水处理释放的元素数量和种类亦不可忽略.

4) 不同含水率水平压砂砾石冻融循环过程可能存在一定差异.试验中冻融循环过程,采用的是完全浸水方法,所测的结果仅能代表压砂砾石自然饱水状态下的冻融循环元素释放规律.