不同钠钾比微咸水对土壤入渗性能和水盐分布的影响
2023-05-27闫思慧汪楠楠孟玉婷屈加玥陈晓阳张体彬
闫思慧,汪楠楠,孟玉婷,陈 欣,屈加玥,陈晓阳,张体彬,2
(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)
我国淡水资源短缺,微咸水灌溉是节约淡水资源、保障农业生产的有效途径[1]。微咸水的利用在一定程度上能够提高水资源利用效率,补充作物所需水分、缓解农田干旱;但在微咸水入渗过程中,其中的可溶性盐分随着水分进入土壤,会改变土壤溶液化学组成,破坏土壤团粒结构,从而降低土壤持水和导水性能[2],导致土壤盐渍化、土壤退化等一系列问题[3]。
微咸水灌溉会改变土壤孔隙结构,进而影响水分的运移速度[4-5]。灌溉水的矿化度和离子组成是影响土壤入渗性能的主要原因[6-7]。王艳等[8]研究表明,相比于1 g·L-1的淡水和6 g·L-1的咸水,4 g·L-1的微咸水对土壤盐分的淋洗效果更好。高矿化度微咸水用于农田灌溉会造成盐分累积,导致盐离子浓度升高。Na+和K+是盐碱地地下水中的主要阳离子[9-10],土壤中的Na+和K+累积会引起土壤颗粒分散,堵塞土壤孔隙,降低土壤入渗性能[11-13]。土壤的入渗性能与钠盐含量呈负相关关系,过量的Na+会减少相同时间内土壤的累积入渗量[14]。钠盐含量为1 g·L-1的灌溉水不会降低土壤的入渗能力,而浓度大于5 g·L-1的钠盐溶液会对水分入渗产生显著影响[15]。与Na+相比,前人研究多认为K+在土壤中的作用较小,或者直接忽视K+在土壤分散方面的作用(例如钠吸附比的计算)[16],但是事实可能并非如此,正如Smith等[17]研究表明,K+对土壤黏粒的分散程度约为Na+的1/3,且K+会降低土壤饱和导水率、减少土壤大孔隙数量。Liang等[18]指出,灌溉水中过量的K+会降低土壤导水率、增强自发弥散性,促使土壤颗粒分散进而破坏团粒结构稳定性。
由此可见,前人对微咸水灌溉下土壤水盐特性的研究较多集中于Na+或K+的单独作用甚至忽视K+的作用,而关于在同一矿化度下Na+与K+相互作用对土壤入渗性能影响的研究相对较少,且Na+与K+是土壤中的主要阳离子,对土壤结构特性的影响不容忽视。因此,本试验通过设置3种不同Na+∶K+的微咸水,结合土壤水分入渗方程,分析不同Na+∶K+微咸水对土壤水盐分布和运移的影响。旨在为微咸水长期高效、稳定、可持续利用提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 土壤来源
1.2 试验装置及试验方案
试验所用土柱内径20 cm、壁厚1 cm、高50 cm,装土深度40 cm;采用马氏瓶控制2 cm定水头入渗,马氏瓶内径15 cm、壁厚0.5 cm、高30 cm。土柱外侧均匀粘贴3条刻度尺,底部均匀布设直径6 mm圆孔用于排水,试验装置见图1。填装土样前在透明PVC土柱内壁涂抹凡士林以减弱土样与管壁之间的边壁效应。按照当地土壤容重并以5 cm分层填装,层间打毛。在土柱底面放置一层滤纸,滤纸上面铺设5 cm砂石反滤层,砂砾石与土壤之间放置一层尼龙网,防止土壤颗粒被灌溉水冲刷流失。在装土完成后用保鲜膜包裹上部开口,静置24 h后开始入渗试验。
图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment apparatus
试验依据不同Na+∶K+值配置3种微咸水溶液(维持电导率EC基本相同),即1∶0(S1)、1∶1(S2)、0∶1(S3),并以去离子水作为对照(CK),每个处理设置3个重复,具体试验方案列于表1。入渗开始时,在土柱表面铺设1层滤纸,防止水流对土壤表面的冲刷破坏。入渗开始的0～5 h内,每10 min记录一次湿润锋和马氏瓶读数,5 h后每30 min记录一次,在湿润锋运移到35 cm深度处停止记录。入渗结束后,将土柱表面用保鲜膜密封,静置48 h后每隔5 cm分层取土。
表1 不同处理下盐分添加量设置Table 1 Setting of salt added under different treatments
1.3 测定指标与方法
(1)灌水定额。土样总孔隙体积(Pore volume,Vp)与土柱中填装土样体积(Vs)和土壤总孔隙度(s)成正比,计算公式如下：
Vp=Vs×s
(1)
(2)
式中,ds为土粒密度(一般认为耕地土壤表土的土粒密度为2.65 g·cm-3);γ为土壤容重,取1.35 g·cm-3。计划灌水后将土壤孔隙填满,计算灌水量为6 L。
(2)变异系数。变异系数CV反映了数据整体离散程度,受数据离散程度和平均值的影响,表示土柱不同深度土壤含水量的变化不均匀程度,计算公式如下：
(3)
(3)质量含水量。灌水结束之后,土柱上端用保鲜膜封口防止水分蒸发,静置48 h后每隔5 cm分层取土,采用烘干法测定土壤质量含水量。
(4)淋洗液EC和浊度。在淋洗液开始渗出时,每隔3 h收集一次淋洗液并储存于100 ml宽口聚丙烯试剂瓶中,放于自封袋中保存防止蒸发。在测试之前,淋洗液提前沉淀,取上清液,排除杂质的干扰。采用电导率仪(DDS-307型,上海雷磁)测定淋洗液EC值,采用浊度仪(WZS-185A型,上海雷磁)测定淋洗液浊度。
浊度指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度,是测定土壤胶体含量的定量方法。淋洗液浊度可以反映土壤淋溶出的胶体含量,土壤颗粒胶结性差,土壤颗粒分散,土壤颗粒则容易被灌溉水淋溶流出土体,淋洗液中的胶体含量越多,淋洗液的透光性越差,则淋洗液的浊度越高[19-20]。
(5)土壤ECe和pH。入渗结束后每隔5 cm分层取土,土样经风干、过筛后,采用饱和泥浆法测定盐分特性：将20 g风干土样加少量水浸泡过夜后,调制饱和泥浆,然后将饱和泥浆离心(4 000 r·min-1,30 min),得饱和浸提液。利用电导率仪测定饱和浸提液电导率(ECe),利用pH计(PHS-3C型,上海雷磁)测定饱和浸提液pH值。
1.4 入渗过程拟合方程
为分析不同Na+∶K+的微咸水对土壤入渗性能的影响,采用Philip、Green-Ampt、Kostiakov入渗模型对土壤水分入渗过程进行模拟。
(1)Philip入渗方程。Philip入渗方程[21]计算公式如下：
(4)
式中,i(t)为土壤表面入渗速率(cm·min-1);t为入渗历时(min);S为吸渗率(cm·min-0.5);A为稳渗率(cm·min-1)。
(2)Green-Ampt入渗方程。Green-Ampt入渗方程[22]计算公式如下：
(5)
式中,i(t)为土壤表面入渗速率(cm·min-1);t为入渗历时(min);Ks为饱和导水率(cm·min-1);θs为饱和含水量(%);θi为初始含水量(%);Sf为湿润锋处的平均基质吸力(cm);I为累积入渗量(cm)。
(3)Kostiakov入渗方程。Kostiakov入渗方程[23]计算公式如下：
I(t)=atn
(6)
式中,I(t)为累积入渗量(cm);t为入渗历时(min);a、n为经验常数,可以表征土壤单位面积内的水分入渗通量,a和n值越大表示土壤的渗透性能越强[24]。
1.5 统计分析
采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理,采用Origin 2021软件进行绘图,采用SPSS 22.0软件进行模型参数拟合与统计分析。采用单因素分析法并基于Duncan事后检验法比较不同处理间水分、盐分运移的差异显著性,统计检验的显著性概率为P=0.05。
2 结果与分析
2.1 不同处理湿润锋运移和入渗模型拟合参数变化
2.1.1 湿润锋运移 试验初始土样干燥、含水量极小,入渗初期较高的水势梯度迫使水分以较大的入渗速率向下运移,随着土壤孔隙逐渐被水分填充,土壤中的水分不能快速流动,导致入渗速率降低直至趋于稳定。从图2可以看出,在入渗时间相同的情况下,不同处理湿润锋运移距离表现为S1
图2 不同处理下湿润锋运移距离随时间变化Fig.2 Variation of wetting front movement over time under different treatments
2.1.2 入渗过程模拟 分别采用Philip、Green-Ampt、Kostiakov入渗方程对不同处理水分入渗过程进行模拟(表2)。Philip方程拟合结果显示,S1和S3处理土壤吸渗率均小于CK处理,灌溉水中仅添加Na+或K+均会降低土壤吸渗率,且Na+对吸渗率的影响程度大于K+,S2处理土壤吸渗率略高于CK,说明Na+∶K+为1∶1的微咸水对土壤吸渗率并无显著影响。S1、S2、S3、CK处理的稳定入渗率拟合结果分别为0.004、0.009、0.011、0.033 cm·min-1,其拟合结果与实际稳定入渗率趋势一致。综上可知利用Philip入渗模型对不同Na+∶K+微咸水入渗过程拟合效果较好(R2>0.78)。
表2 不同处理下入渗模型的拟合参数Table 2 Fitting parameters of the infiltration models under different treatments
注：不同小写字母表示不同处理间积盐率差异显著(P<0.05)。Note：The different lowercase letters indicate a significant difference of salination rate among all treatments (P<0.05).图3 不同处理下淋洗液EC随淋洗时间变化(a)和土壤内积盐率(b)Fig.3 Variation of leachate EC over leaching time (a) and salination rate (b) under different treatments
Green-Ampt入渗模型拟合参数Ks与Philip拟合参数A的结果保持一致,添加Na+和K+均显著降低了土壤稳渗率,S2处理土壤稳定入渗率与S3处理较为接近,且均高于S1处理。添加Na+和K+均会增加湿润锋处的平均基质吸力Sf,增强程度与离子添加量呈正相关关系,且Na+比K+对Sf的影响程度更高。Green-Ampt模型较Philip模型更适用于水分入渗过程模拟(R2>0.93,RMSE<0.01)。
Kostiakov模型拟合中,S1处理a值最小,S2和S3处理a值相近,说明Na+对入渗速率的影响程度高于K+;S2处理a值与CK相差不大,而n值最小,说明前期入渗速率高,后期入渗速率迅速降低;S3处理a和n值均较高,说明添加K+对初期水分入渗速率没有显著影响,且不会引起入渗速率的迅速降低。由此本文推测可能存在最优的Na+∶K+方案,在不影响前期入渗速率的情况下,也不会造成后期入渗速率的快速降低,有待进一步试验验证。与Philip和Green-Ampt模型相比,Kostiakov入渗模型模拟不同Na+∶K+微咸水入渗过程的拟合度最高(R2>0.99)。
2.2 不同处理淋洗液EC、土壤积盐率和淋洗液浊度变化
2.2.1 淋洗液EC和土壤积盐率 不同处理淋洗液开始出流的时间存在差异,因此将每个处理开始淋洗的时间分别定义为其淋洗时间零点(图3a)。微咸水灌溉下的淋洗液EC值显著高于CK处理(P<0.05)。S1、S2、S3处理淋洗液EC值随淋洗时间增加而逐渐减小并最终趋于稳定,在0～180 min之间,淋洗液EC值最高,而后迅速降低,在600 min后淋洗液EC值趋于平稳。在0～1 000 min内,S1处理淋洗液EC值均低于S2和S3处理,由此可知S1处理淋洗出的盐分含量相对较少,灌溉水中的盐分主要累积在土层中。
土壤内的含盐量为灌溉水中总含盐量与淋洗液中含盐量的差值,积盐率为土壤内含盐量占灌溉水总含盐量的比值。S1、S2、S3处理土壤积盐率分别为76.11%、74.16%、73.25%,S1处理的积盐率显著高于S2和S3处理(P<0.05),而S2和S3处理之间并无显著差异(P>0.05)(图3b)。在淋洗1 800 min后,S1、S2、S3处理淋洗液EC值分别为7.88、6.81、7.35 dS·m-1;CK处理淋洗液EC值在0～1 800 min内数值稳定,在淋洗1 800 min后EC值稳定在0.60 dS·m-1左右。
2.2.2 淋洗液浊度 从图4可以看出,淋洗液浊度随淋洗时间增加而逐渐减小,最终趋于平稳。淋洗液开始出流时,浊度介于0.70～2.00 NTU,S1、S2、S3处理淋洗液浊度分别比CK增加156.65%、103.46%、66.52%;在淋洗液出流结束时,浊度介于0.50～0.90 NTU,显著低于淋洗前期(P<0.05)。在0～600 min内,淋洗液浊度先减小后趋于稳定;在600～1 800 min内,淋洗液浊度变化幅度较小。在0～1 000 min内,不同处理淋洗液浊度表现为S1>S2>S3>CK,S1处理淋洗液浊度降低幅度最大;S2处理淋洗液浊度高于S3处理,而在1 000 min后则低于S3处理。
图4 不同处理下淋洗液浊度随淋洗时间变化Fig.4 Variation of turbidity of leachate over leaching time under different treatments
2.3 不同处理土壤水盐分布特征
2.3.1 土壤水分 S1、S2、S3处理0～10 cm土层含水量显著高于CK处理,且0～5 cm土层土壤含水量最高(图5a)。CK处理不同深度含水量变化不大,且水分分布均匀,水分剖面近似一条垂直直线;S1、S2、S3处理土壤水分剖面波动明显,0～10 cm土层水分呈现陡峭下降趋势,10～40 cm土层含水量趋于平稳,S1、S2、S3处理20～40 cm土层含水量表现为S1
2.3.2 土壤盐分 CK处理土壤剖面盐分分布均匀,S1、S2、S3处理剖面含盐量均显著高于CK处理(P<0.05),0～5 cm土层含盐量最高,5～10 cm土壤盐分骤减,10～35 cm土层含盐量无明显变化,盐分在35～40 cm土层累积(图6a)。S1处理的盐分累积效果显著,在0～40 cm土层,S1处理ECe值高于S2和S3处理;S2和S3处理25～40 cm土层ECe值相差不大,且浅层和深层土壤中的盐分累积效应均低于S1处理。
注：相同小写字母表示不同处理间剖面平均含水量没有显著差异(P>0.05),不同大写字母表示不同处理间变异系数差异显著(P<0.05)。Note：The same lowercase letters indicate no significant difference of section average water content among all treatments (P>0.05),and different uppercase letters indicate a significant difference in the coefficient of variation among all treatments (P<0.05).图5 不同处理下土壤剖面含水量(a)与土壤剖面平均含水量和变异系数(b)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of water content (a) and average water content and coefficient of variation (b) of soil profile under different treatments
图6 不同处理下土壤剖面ECe(a)与pH(b)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of ECe (a) and pH (b) in soil profile under different treatments
S1、S2、S3处理土壤剖面pH值介于7.9～8.2,均低于CK处理(pH=8.2～8.5),且S1处理的降低程度大于S2和S3处理(图6b)。pH值的变化趋势与土壤盐分变化趋势相似,0～5 cm土层pH值最高,5～10 cm土层pH值降低,在10～40 cm土层深度处,S2与S3处理pH值较为接近,且均小于S1处理。
3 讨 论
3.1 不同Na+∶K+微咸水对土壤入渗性能的影响
在本研究中,微咸水Na+∶K+越低,土壤湿润锋的运移速率越快(图2)。主要是因为Na+和K+随着灌溉水进入土壤,会中和土壤胶体所带的负电荷,进而促进土壤颗粒分散,Na+本身半径小但水合半径大,对土壤分散的促进程度大于K+[13,25],Na+浓度越高则土壤入渗能力越弱。S2处理入渗速率与S3处理相近,主要是因为K+的离子交换能力大于Na+,在K+添加量较大时,可以置换胶体表面的Na+,可交换性的Na+被K+取代,由于Na+对胶体的吸附性较弱,随着灌水量的增多,Na+会随着水流运动向下迁移直至排出土体,进而增加土壤水分和溶质的运移速率[26]。由此可见,灌溉水中的K+会缓解由Na+引起的土壤团粒结构破坏及入渗性能降低的风险,在一定程度上提高土壤的导水性能。与CK处理相比,S1、S2和S3处理均降低了土壤水分入渗速率(图2)。而吴忠东等[25]指出,矿化度小于3 g·L-1的微咸水会促进土壤水分入渗,与本文试验结果相反(本试验微咸水电导率约为2.6 g·L-1),这主要是由于土壤容重和黏粒含量的差异。本研究所用土壤黏粒含量较高,且容重小、总孔隙率高。微咸水中不同的阳离子会通过促进土壤黏粒分散进而堵塞土壤大孔隙[27],这导致微咸水处理下的土壤水分入渗速率显著低于去离子水。
Philip模型拟合结果显示,S2处理土壤吸渗率高于S3处理,而稳定入渗率低于S3处理。S2处理的Kostiakov模型拟合参数a值与CK处理相近,而n较小(表2)。主要是由于初期入渗速率较大,胶体上吸附的Na+被K+置换,Na+随水流不断向下运移导致Na+浓度减小,黏粒的分散作用减弱,土壤结构稳定性较好,因此吸渗率较大[26];在入渗后期,上层土壤中Na+增多导致水分滞留,黏粒膨胀形成致密层[28],上层土壤滞水隔绝空气,对水分的吸持作用较强,因此入渗速率降低速度较快,稳定入渗率低于CK处理。
3.2 不同Na+∶K+微咸水对盐分淋溶和胶体稳定性的影响
淋洗初期(0～180 min)淋洗液的EC值最高(图3),主要是由于淋洗初期,可能存在部分灌溉水沿着土壤大孔隙或土柱边壁流下,与土壤接触时间较短,盐分在土层中累积量少,导致淋洗液EC值偏高,而随着灌溉水的持续输入,Na+和K+破坏土壤大孔隙结构,黏粒分散程度加大,水流通道被分散黏粒堵塞,盐分在土壤中的累积程度增加[25],因此淋洗液EC值逐渐减小。S1处理积盐率显著高于S2和S3处理(图3),说明K+累积程度小于Na+[29],大量K+随着灌溉水淋溶出土体,因此淋洗液中的EC值较高。而Na+在土壤中累积效应明显,Na+在土壤中滞留,因此淋洗出的盐分较少。
淋洗初期(0～180 min)的淋洗液浊度较高(图4)。这是因为干燥的土壤颗粒与水流接触快速湿润,土壤孔隙中的空气来不及排出,会造成巨大的压力,引起土壤颗粒分散,颗粒随着灌溉水沿着土壤大孔隙淋溶至土体外,导致淋洗液浊度偏高[30]。而随着淋洗时间的增加,土层的压实和盐分累积效应均导致土壤水分入渗速率降低,土壤胶体的淋溶程度减弱,淋洗液的浊度逐渐减小[31-32]。Na+对土壤结构的破坏性高于K+,土壤团聚体稳定性较差,胶体的淋溶强度增强[13],因此S1处理淋洗液浊度最高。S2处理0～1 000 min内淋洗液浊度高于S3处理,而在1 000 min后,淋洗液浊度低于S3处理(图4)。主要是因为在0～1 000 min内,由于K+与Na+的置换作用,大量Na+被淋溶出土体,且入渗前期入渗速度较快,因此淋洗液浊度较高,而在1 000 min之后,随着灌水时间的增加,土壤中Na+逐渐累积,水分运移速率减缓,淋洗液浊度降低[32]。
3.3 不同Na+∶K+微咸水对土壤水分运移和盐分累积的影响
S1处理的土壤水分剖面波动明显,表层含水量显著高于深层(图5)。在入渗过程中,灌溉水中的Na+与K+破坏土壤表层孔隙结构,使土壤孔隙封闭影响水分下渗[33],水流通道被土壤颗粒填充,阻碍水流运动。表层(0～10 cm)土壤可能形成致密层,土壤内形成滞水[28,34],水分以极小的速率向下运移;而深层土壤的水流不断向下运动,并从土柱底部流出,浅层对深层土壤的水分补给量较小,而深层土壤水分流失相对较多,导致土壤表面含水量显著高于深层土壤[35]。
有研究表明,土壤剖面10～35 cm土层的盐分含量处于相对稳定的状态,在湿润锋处会导致盐分累积[36-37],这与本试验研究结果一致(图6)。土壤表层和深层积盐是由于Na+对土壤颗粒具有分散作用,土壤孔隙结构被破坏,入渗性能降低、持水性能增强,导致盐分滞留在土壤表层;土柱底部布设的小孔(直径6 mm)易被淋溶下来的土壤颗粒堵塞,使水分堆积在底层,导致35～40 cm土层含盐量呈现增大趋势。S2和S3处理土层剖面含盐量随深度增加而减小,35～40 cm土层未产生积盐效应,可能是由于K+的作用,少量的K+对土壤孔隙结构影响不大,有利于土壤团粒结构稳定性,使部分水分沿着大孔隙向下排出,促进水分运移[26-27],因此并未造成土壤深层积盐。不同深度处土壤pH的变化趋势与土壤盐分变化趋势相似(图6),主要是因为盐分累积导致土壤中的Na+和K+浓度增加,Na+和K+会置换出H+,影响土壤内H+的分布[38-39]。Na+比K+对土壤pH值的降低效果更明显,灌溉水中Na+含量越多,土壤pH值越小,这与郭全恩等[40]研究结果一致。主要是因为NaCl和KCl均为中性盐,利用过量的NaCl和KCl溶液淋洗土壤,会置换土壤胶体吸附的H+和Al3+,H+和Al3+增多导致土壤pH降低,NaCl为强电解质,可以抑制钠质盐的水解,因此NaCl含量越高则土壤pH越低[41]。
4 结 论
1)在入渗时间达到600 min时,S1、S2、S3处理的湿润锋运移距离分别比CK处理降低41.31%、28.75%、19.94%;Na+∶K+比值越高,对土壤入渗性能的负面影响程度越大;Philip、Green-Ampt和Kostiakov模型均适用于不同Na+∶K+微咸水的入渗过程,其中Kostiakov模型的拟合精度最高。
2)S1、S2、S3处理的积盐率分别为76.11%、74.16%、73.25%;微咸水Na+∶K+越高,对土壤胶体的淋溶强度越高,在开始淋洗的0～3 h,以上处理淋洗液浊度分别比CK增加156.65%、103.46%、66.52%。
3)S1、S2、S3处理的土壤剖面不同深度含水量的CV值分别为CK处理的3.99、3.26、1.62倍,微咸水Na+∶K+比值越高,对土壤剖面水分分布的均匀性影响越大;微咸水灌溉造成土壤0～5 cm和35～40 cm深度土层积盐,S1处理盐分累积最明显;Na+和K+均会降低土壤pH值,且Na+对土壤pH的影响大于K+,土壤pH值与Na+浓度呈负相关关系。
4)对于相同电导率的微咸水,K+相对浓度的升高不仅促进了土壤水分运移和盐分淋洗效率,而且降低了土壤黏粒的分散程度,这说明K+的相对浓度是影响土壤水分和溶质运移的重要因素。对于微咸水灌溉,在分析微咸水的电导率和钠吸附比对土壤结构稳定性的影响基础上,还应充分考虑K+的相对浓度可能对土壤理化性质产生的影响。
