微咸水水质对压砂地土壤入渗性能的影响

申子航，沈 晖,2,3，田军仓,2,3，陈海银，卿家骏，李宇扬，赵广商

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.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；3.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)

0 引 言

压砂是指将粗砂粒或卵石夹粗砂按6～15 cm厚度铺盖在地表，是适用于中国西北干旱地区的独特的耕作方式[1]。砂田具有蓄水保墒的能力，能有效地减少土壤水分蒸发，增加土壤渗水能力，减少土壤侵蚀[2]。白一茹[3]研究发现，砾石覆盖厚度对土壤的初始入渗率以及入渗初期的衰减速率有十分显著的影响，即随着覆盖厚度的增加，土壤的初始入渗率以及入渗初期的衰减速率也随之增加；赵文举[4]通过野外大田实验研究发现，压砂能够显著提高土壤水分的入渗能力；王小燕[5]通过人工模拟降雨试验研究发现，砾石覆盖厚度对入渗速率影响显著，随着砾石覆盖度的增加入渗速率也明显增加。土壤入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程，它是大气降水、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节，是自然界水循环中的一个重要过程，也是决定着降水或灌溉水进入土壤的过程[6]。微咸水入渗影响土壤的理化性质，当含盐分的水入渗到土壤中时，随着土壤盐分被淋洗，土壤内部不同深度的土壤盐分会随着含盐水的入渗逐渐产生差异，影响土壤的入渗性能，具体表现为随着入渗水盐分的增加，土壤的初始入渗率，稳定入渗率均出现减小的情况[7]。郭太龙[8]等通过微咸水一维积水入渗试验研究发现，土壤的入渗能力随着矿化度的减小而降低；杨艳[9]等通过研究不同水质灌溉条件下对土壤物理性质的影响得出结论，碱土在不同矿化度微咸水灌溉下，土柱下层土壤的含水量与含盐量均有较大差异。对于土壤容重对入渗能力的影响研究，一个比较统一的基本结论是：对于同一种土壤，入渗速率、累积入渗量和湿润锋运移情况会随着土壤容重的增加而减小。温以华[10]研究发现，在同一质地不同容重条件下，水动力弥散系数随容重的增加而减少。赵文举[2]研究发现，容重对入渗深度有明显影响，容重越大，入渗深度越小。因此，不同入渗水质对不同容重土壤的入渗性能确实有一定的影响。故研究灌溉水质对土壤入渗性能的影响对减少地表径流、增加土壤入渗、防止土壤侵蚀和合理提供农田灌溉技术参数等具有重要意义[11]。

1 试验材料

1.1 试验地概况

供试土壤取自宁夏中卫市沙坡头区香山乡压砂地。试验取0～60 cm土层的土样，土壤颗基本物理性质见表1。

表1 土壤基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil

1.2 试验装置

试验装置包括试验土柱和供水装置，试验土柱采用高100 cm、直径为20 cm的透明有机玻璃圆柱体；供水装置采用带刻度的马氏瓶，可实现恒定水头2 cm下的自动供水。试验环境温度适宜，无外在因素影响。

1.3 试验方法

试验土壤经风干、除杂、碾压后过2 mm的筛，将过筛后的土壤混合均匀后按照试验点当地压砂年限为5 a(容重为1.35 g/cm3)和压砂年限为10 a(容重为1.45 g/cm3)的土壤分层均匀装入有机玻璃土柱，每5 cm为1层，装土高度为75 cm。为了防止土粒流失并保持透气性，装土前先在土柱底部铺好一层粗滤纸，接着填放3 cm的碎砾石。装土结束后在上方覆2～3 cm粒径的沙砾，厚度13 cm。分别采用不同电导率的水(0、2.5、5.0、7.5 mS/cm)进行入渗试验。试验过程中观测入渗水量和累积入渗量，湿润锋到达土柱底部约60 cm处结束，并从湿润锋向上每隔10 cm提取土样，并将土样分成两份，一份用烘干法测得土样的含水率，一份用水土比为5∶1的浸提液测电导率值，再转化为土壤含盐量。

2 结果与分析

2.1 灌溉水质对压砂地土壤入渗时间的影响

由图1可以看出，容重为1.35 g/cm3的土壤在4种水质作用下的土壤入渗时间由短到长分别为：电导率7.5 mS/cm、电导率5.0 mS/cm、电导率2.5 mS/cm、电导率0 mS/cm。容重为1.45 g/cm3的土壤入渗规律与容重为1.35 g/cm3的土壤相同，但是由于在一定的时间范围内随着土壤容重的增加，入渗时间也随之增加，这是由于随着土壤容重的增加，土壤孔隙率减小，导致水分的运动过程受到阻碍，从而影响到入渗时间[12]。

2.2 灌溉水质对压砂地土壤入渗率的影响

入渗率是单位时间内通过地表单位面积入渗到土壤中的水量，入渗率反映土壤的入渗性能，受土壤质地等有关因素影响[13]。本实验设置了4种不同电导率的水质，不同的水质含盐分离子也不同，可能会对土壤入渗的过程产生不同的影响。与其余三种不同电导率的水质相比，电导率为0 mS/cm的水质入渗进入土壤后不会发生离子交换作用，而是迅速将钠离子溶出，促进了土体的分散程度，导致土壤孔隙阻塞，影响土壤入渗率,导致土壤的入渗时间变长[14]。如图2所示，不同水质作用下的不同容重的土壤的入渗率变化规律和趋势基本相同，均随时间的增加呈现幂指数下降趋势，最终趋于稳定。这是由于土壤含水量的增加，土壤水势较少，土壤含水量接近饱和，最后趋于平缓到达稳定入渗阶段[13]，土壤容重为1.35 g/cm3和土壤容重为1.45 g/cm3的土壤在整个入渗过程中，入渗速率由大到小分别为：7.5 mS/cm> 5.0 mS/cm>2.5 mS/cm> 0 mS/cm。表明电导率的增加，提高了单位时间内水分的入渗速率。如图2(a)所示，在容重为1.35 g/cm3的土壤的入渗初期，入渗水质为7.5 mS/cm条件下的初始入渗速率是入渗水质为0 mS/cm条件下的1.21倍。如图2(b)所示，土壤容重为1.45 g/cm3的土壤的入渗初期，入渗水质为7.5 mS/cm条件下的初始入渗速率是入渗水质为0 mS/cm条件下的2.75倍。表明电导率的增加显著提高了初始入渗速率。这是由于微咸水灌溉中的盐分可以促进土壤水分的入渗[15]。

大量实验研究表明，土壤质地，土壤的均质程度对入渗有很大的影响，被压实后的疏松土壤，入渗速率要比压实前减少2%[16]。为了进一步研究土壤容重对土壤水分入渗能力的影响，本研究分别选用Philip[17]、Kostiakov[18]和通用经验模型[19]对水分入渗曲线进行拟合，并用公式拟合的相关关系R2和RMSE作为评价指标对比各公式的拟合结果。各公式模型参数拟合结果见表3。在Philip入渗模型中，参数s表征土壤入渗能力，由结果可知土壤容重的增加导致土壤的入渗能力减弱。在Kostiakov入渗模型中a表示初始入渗速率，b表示入渗速率的衰减程度，由结果可知初始入渗速率随容重的增大而减小。在通用经验模型中a表示稳定入渗率，b表示初始入渗率，由拟合结果可知土壤容重的增加，初始入渗率与稳定入渗率均呈递减趋势，与实测值趋势一致。

(1)Philip模型。

f(t)=0.5st-0.5+fc

(1)

式中：f(t)为入渗速率，mm/min；t为入渗时间，min；fc为稳定入渗速率，mm/min；s为根据实验求得的模型参数。

(2)Kostiakov模型。

f(t)=at-b

(2)

式中：a、b为根据试验求得的模型参数。

(3)通用经验模型。

f(t)=a+bt-n

(3)

式中：n为试验求得的模型参数。

为了评价不同入渗模型对不同处理土壤水分入渗过程的拟合效果，用计算值和模拟值之间存在的均方根误差RMSE和模拟方程的决定系数R2来表示。R2越大，RMSE越小，表示拟合效果最好[19]。

从表2中可以看出Kostiakov模型和通用经验模型的R2均大于0.9，并且通用经验模型的拟合度最高，其中Kostiakov模型的均方根误差最小，结果最优。结合R2以及均方根误差RMSE来评价各入渗模型，Kostiakov模型的R2及均方根误差RMSE在土壤容重为1.35 g/cm3时为0.91和0.03，在土壤容重为1.45 g/cm3时为0.95和0.01。表明Kostiakov模型具有更高的适用性。刘芝芹[20]魏恒[21]等人通过试验研究表明Kostiakov模型拟合效果较好。

表2 不同容重土壤水分入渗特征Tab.2 Characteristics of soil moisture infiltration with different bulk densities

2.3 灌溉水质对压砂地土壤盐分分布特征的影响

如图3所示为土壤盐分剖面在不同水质灌溉下的变化曲线，由于4种处理水质的盐分的含量不同，利用其灌溉会对土壤剖面产生不同程度的盐分累积。如图3所示，在入渗结束后，不同电导率的微咸水入渗下的土壤剖面含盐量的变化规律大致相同。土壤容重为1.35 g/cm3条件下，土壤的含盐量随着深度的增加而缓慢增加，但在湿润锋处出现急剧增加的情况，与土壤初始含盐量(CS)相比，电导率为0 mS/cm入渗条件下，在0～40 cm土层的含盐量均小于土壤初始含盐量，说明其在不同程度上可以淋洗盐分。土壤容重为1.45 g/cm3的条件下与土壤容重为1.35 g/cm3条件下的规律相同，土壤的含盐量随着入渗深度的增加而缓慢增加。由上述实验可知，土壤的含盐量主要受入渗水质的电导率影响，在电导率相同的条件下，土壤

容重对土壤含盐量的分布没有较大的影响。

2.4 灌溉水质对压砂地土壤水分分布特征的影响

图4为不同电导率微咸水灌溉在一维垂直入渗的过程中土壤质量含水率的剖面分布图。如图4(a)所示，土壤容重为1.35 g/cm3的土壤的质量含水率随着入渗深度的增加呈现逐渐下降的趋势，具体变现为在10～20 cm深度的时候，土壤的质量含水率呈急剧下降的趋势；在20～40 cm深度区间，土壤的质量含水率基本稳定在一定范围内；在40～60 cm深度区间，土壤的质量含水率下降幅度与10～20 cm基本相同。在同一深度的条件下，随着电导率的增加，土壤的质量含水率也随之增加，这是由于随着电导率的增加，土壤的导水性能随之增加。如图4(b)所示，为土壤容重为1.45 g/cm3的土壤质量含水率与入渗深度的折线图，大致与土壤容重为1.35 g/cm3的土壤质量含水率下降趋势相同。但是在同一深度，土壤容重为1.35 g/cm3的土壤质量含水率略高于土壤容重为1.45 g/cm3的土壤质量含水率，这是由于在一定的范围内，随着土壤容重的增加，土壤孔隙率随之减小，导致水分的运动过程受到阻碍，进而影响到土壤的质量含水率。

3 讨 论

微咸水水质在灌溉中盐分可以促进土壤水分入渗，相比较于蒸馏水(电导率为0 mS/cm)入渗的情况下，入渗水质电导率的增加，增加了土壤中的含盐量，含盐量的增加有利于土壤团聚体的形成，进而使土壤粒子之间的物理稳定性下降，减小了土壤颗粒之间的排斥力，土壤胶体的絮凝作用加强，促进了土壤导水能力[22]。大量研究表明[23-25]，随着入渗水质矿化度的持续增加，土壤的导水性能会出现先增加后减小的趋势。随着入渗水质电导率的增加，入渗过程中进入土壤的钠离子也随之增加，钠离子进入土壤后与土壤胶体颗粒发生反应，使土壤结构以及孔隙特征发生变化，导致土壤的透水性和透气性变差，使土壤的导水能力降低。因此入渗水电导率的高低不能完全决定土壤导水能力的强弱，这与张俐[15]的观点相符,在多种因素交互作用下，直接分析入渗水电导率与土壤的入渗性能之间的关系是十分困难的，因此在实际应用中对入渗水水质还应做更大范围内的研究，同时要考虑到土壤质地及气候条件等条件影响，提高结论的准确性和可信度。

4 结 论

通过室内土柱一维垂直入渗试验研究了两种不同容重的土壤在4种水质入渗下土壤入渗时间、入渗率、盐分分布特征以及含水率分布特征，主要结论如下：

(1)为研究土壤容重以及供水水质对土壤水分垂直入渗性能的影响，通过对室内土柱一维垂直入渗试验研究，得出结论：水质对土壤入渗时间和入渗率具有显著影响。土壤容重为1.35 g/cm3的土壤相比较于土壤容重为1.45 g/cm3的土壤，其入渗过程更受水质的影响。在一定的范围内随着土壤容重增加，入渗时间以及入渗率也随之增加，两种土壤的初始入渗速率以及稳定入渗率均随电导率的增加而增加。通过Philip模型、Kostiakov模型和通用经验模型对水分入渗曲线进行拟合，各入渗模型的拟合程度均较好， Kostiakov入渗模型可以更为精确的描述两种土壤的水分入渗过程。

(2)盐分再分布过程中，土壤容重为1.35 g/cm3的条件下与土壤容重为1.45 g/cm3条件下的盐分分布规律相同，土壤的含盐量随着入渗深度的增加而缓慢增加。这是由于土壤的含盐量主要受入渗水质的影响，在相同入渗水质的条件下，土壤容重对土壤含盐量的分布没有较大的影响。水分再分布过程中，两种土壤剖面呈现波动的状态；土壤容重为1.35 g/cm3的土壤含水率在湿润锋附近较大，但是在同一深度，土壤容重为1.35 g/cm3的土壤含水率略高于土壤容重为1.45 g/cm3的土壤含水率，这是由于在一定范围内，随着土壤的容重的增加，土壤孔隙率随之减小，导致水分的运动过程受到阻碍，进而影响到土壤的含水率。

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