钠盐溶液与淡水交替供水方式对红壤水盐运移特征的影响

李 平，王 辉，欧阳赞

（湖南农业大学水利与土木工程学院，长沙 410128）

0 引 言

我国南方亚热带地区存在水质性缺水和季节性缺水问题，可多次利用的再生水具有储量大[1]、水源稳定、成本低等优点，将其用于灌溉对于缓解亚热带地区用水短缺问题具有重要现实意义。再生水中含有较高浓度的Na+和Cl-等盐分离子[2]，可达到甚至超过3 g/L[3]，Na+随灌水进入土壤后易使土壤颗粒膨胀分散，引起土壤孔隙堵塞[4]，最终导致土壤入渗能力降低[5]，造成潜在土壤盐碱化危险。因此要高效科学使用再生水，降低盐分对土壤的负面影响，需要制定出科学的灌溉方式。

为改善再生水中Na+对土壤入渗特性的不利影响，国内外学者已围绕供水方式开展了大量研究，并指出交替供水方式可改善土壤入渗特性[6]和降低土壤盐渍化风险[7,8]，是一种可推行的供水方式。辛朗[9]等采取3.5 g/L 微咸水，设置淡咸咸、淡咸淡和咸淡淡3种交替灌水方式，以研究咸淡水交替灌溉对北方沙壤土盐分运移的影响，结果表明咸淡淡交替灌溉方式降低了土壤表层盐分含量，而淡咸咸和淡咸淡交替灌溉增加了土壤表层盐分含量。刘静妍[10]等研究了5.02 g/L 咸水在咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉下北方壤质土壤水盐运移特征的影响，发现淡咸交替灌溉下土壤盐分积累在土柱两端，咸淡交替灌溉下土壤盐分含量随深度的增加而增加。也有研究表明咸淡交替供水方式可降低土壤表层的盐分含量，淡咸交替供水方式可降低土壤中层的盐分含量[11]。同一种矿化度入渗水，不同交替供水方式对土壤盐分运移的影响差异显著[12]。而对于同一种供水方式，入渗水矿化度不同，对土壤水盐运移的影响也不同，刘小媛[13]等采用2、3、4、5 g/L 矿化度水进行室内土柱入渗试验研究其对北方盐碱地土壤入渗特性的影响，结果表明矿化度越高，土壤湿润锋运移距离、累积入渗量和土壤含水量均呈增大的趋势。侬文莲[14]等认为灌水矿化度越高，会导致土壤盐分积聚。上述研究表明土壤质地、供水方式和灌水矿化度均对土壤性质有显著影响，供水方式和灌水矿化度不同，对土壤渗透性和水盐分布规律的影响不同，不合理的供水方式会影响当地土壤的水盐平衡，造成土壤盐碱化[12]。

然而，目前的研究主要关注北方干旱盐碱土壤地区，特别是土壤质地为沙质或壤质土壤条件下的单一矿化度交替入渗机理和土壤水盐分布的研究。而以亚热带黏质红壤地区为研究背景的研究较少，缺乏针对咸淡交替供水以及盐分浓度差异等因素对土壤入渗特性和水盐分布的影响的报道。南方亚热带地区夏季气温高、降雨多，导致土壤频繁干湿交替。然而，交替供水方式对亚热带地区土壤入渗过程的作用机制尚未明晰。为此，采用一维垂直土柱入渗试验，研究不同钠盐浓度条件下交替供水方式对红壤入渗特性和土壤水盐分布特征的影响，并探求交替供水的合理方式与盐分浓度水平，以期为亚热带地区再生水灌水方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和试验用水

本试验开展于湖南省长沙市（113°7′33" E，28°11′45"N），属于我国亚热带红壤区。采用随机多点法采集田间表层0～20 cm 土壤，经自然风干，去除石块根系等杂物，碾碎过2 mm 筛，搅拌混合均匀后备用。根据国际制土壤质地分级标准，使用比重计法测定土壤颗粒组成，供试红壤属黏土（56%黏粒、32%粉粒、12%沙粒）。初始土壤质量含水率为3.95%，土壤pH 值为4.33、EC值为28.80 µS/cm。试验用水基本指标如表1所示。

表1 供水水质基本指标Tab.1 Basic indicators of water supply and water quality

1.2 试验设计

试验于2022 年3-8 月在湖南农业大学水文过程模拟实验室进行。为模拟再生水中较高钠盐浓度对入渗能力的影响，并避免其他离子的干扰，配制5、10 g/L NaCl 溶液作为入渗溶液，设置咸淡混合（SF 混合）、咸淡交替（SF）、淡咸交替（FS）、咸淡咸淡交替（SFSF）、淡咸淡咸交替（FSFS）5 种供水方式，并以淡水入渗（CK）为对照。为了便于试验结果对比分析，确保供水总盐量相等，根据预试验结果，当灌水定额为1 300 mL 时，各处理下水分均不会渗出土柱，因此各处理入渗水量均设置为1 300 mL，其中钠盐水和淡水供水量均为650 mL，并按照灌水模式逐一进行入渗。每个处理重复3次，具体处理情况如表2所示。

表2 试验设计Tab.2 Design of experiments

通过一维垂直土柱入渗试验，测定不同浓度钠盐溶液与淡水在不同供水方式下红壤入渗过程。试验装置主要包括试验土柱和供水设备2 部分，供水设备为马氏瓶。土柱（内径10 cm、高50 cm）和马氏瓶（内径5 cm、高50 cm）均由亚克力管制作而成，供水水头控制在2 cm 左右。装填土样前，在土柱管底部放置滤纸，防止土壤颗粒流失。将过2 mm 筛的土样按田间干容重1.3 g/cm3，均匀填装至土柱管内，每5 cm 分层打毛，装填高度为45 cm，土柱装填完成后静置24 h。试验开始前，为防止入渗水对试样的冲刷，在土柱内土壤表面垫一层滤纸。入渗过程中，以先密后疏的时间间隔读取马氏瓶中水面下降高度，记录湿润锋运移距离。单轮供水结束后，立即进行下一轮供水。等待马氏瓶和土柱积水层的水分均完全渗入土壤后，试验结束。利用土钻每5 cm 分层取土，称量湿重。利用烘干法测定土壤含水率。在土水比1∶5 下获取悬浮试样，利用梅特勒Seven Excellence S470-B 多功能测试仪（Mettler Toledo，Switzerland）测定土壤EC值。

1.3 土壤水分入渗模型

描述土壤水分入渗模型常用Kostiakov 模型、Philip 模型和Holton 模型等3种入渗模型，其中Kostiakov 模型只需要确定时间t，公式简单且准确，Philip 模型较适用于入渗时间不长的均质土壤入渗情况，Horton 模型较适用于田间土壤入渗情况。本试验采用Kostiakov模型和Philip模型对土壤入渗过程的参数进行拟合分析，并采用回归估计标准误差（Root mean squared error，RMSE）对模拟值和观察值之间的一致性进行统计分析。RMSE值越小，表示模拟值与观察值的一致性越好、偏差越小，即模型的模拟结果越准确、可靠。

Kostiakov入渗模型：

式中：I为累积入渗量，cm；t为入渗历时，min；b、c为经验常数。

Philip入渗模型：

式中：S为吸渗率，cm/min0.5；其余符号意义同前。

回归估计标准误差计算公式为：

式中：n为样本数；Si为模型拟合值；Oi为实测值。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行图表绘制和土壤入渗参数求解，使用SPSS 22 软件对各指标进行统计分析和入渗模型拟合，用Duncan 分析法对各处理间差异进行多重比较（差异显著性P<0.05），并根据均方根误差RMSE、决定系数R2和模型参数作为评价各模型的拟合效果。

2 结果与分析

2.1 咸淡交替供水方式对红壤湿润锋运移距离的影响

不同钠盐浓度下交替供水方式对红壤湿润锋运移距离的影响变化如图1所示。随入渗时间的增加，各处理湿润锋运移距离不断增加，增加的速度随时间的增加呈减缓趋势，即单位时间内湿润锋运移距离逐渐减小。就不同钠盐浓度而言，入渗结束时，SF-10、FS-10、SFSF-10 和FSFS-10 湿润锋运移距离分别比SF-5、FS-5、SFSF-5 和FSFS-5 小5.54%、4.45%、6.53%和11.24%；就不同供水方式而言，5 g/L 下入渗结束的历时表现为：FSFS-5

图1 红壤湿润锋运移距离随入渗时间的变化Fig.1 Variation of the movement distance of the wet front of red soil with infiltration time

2.2 咸淡交替供水方式对红壤累积入渗量的影响

不同钠盐浓度下交替供水方式对累积入渗量的影响变化如图2所示。各处理累积入渗量均随时间推移而增加且增速逐渐降低。入渗时间在100 min 以内，各处理的累积入渗量间无明显差异；入渗100～360 min 各处理之间的累积入渗量差异逐渐增大，此区间不同供水方式间累积入渗量数值大小表现为：FSFS-5>CK>SFSF-5>FS-5>SF 混合-5>SF-5 和FSFS-10>CK>SFSF-10>FS-10>SF 混合-10>SF-10；360 min 后各处理入渗趋于稳定，累积入渗量的差异不再增加。入渗时刻为360 min时，各处理的累积入渗量存在较大差异，因此对比分析入渗时刻为360 min时各处理的累积入渗量，此时FSFS-5和FSFS-10 分别较SFSF-5、SFSF-10 累积入渗量大21.28%、4.94%，FS-5 和FS-10 分别较SF-5、SF-10 累积入渗量大8.70%、9.60%。结果表明累积入渗量随交替次数的增加而增加，并且在相同入渗历时与交替次数下，淡水作为初始水质的处理累积入渗量较大，其中FSFS-5 处理同一时刻的累积入渗量明显高于其他处理，入渗性能较强。

图2 红壤累积入渗量随入渗时间的变化Fig.2 Variation of cumulative infiltration of red soil with infiltration time

如表3 所示，土壤累积入渗量I与土壤湿润锋运移距离Zf在相同入渗时间下存在数量关系，可用线性关系式I=mZf表示，m可表示为土壤湿润锋推进单位距离所需水量，也可表示土壤持水能力[15]。其中拟合系数R2>0.967，RMSE为0.993～1.407，说明该关系式可较好地描述不同供水方式和不同钠盐浓度下土壤累积入渗量与土壤湿润锋运移距离之间的关系。由表3可知，供水方式和钠盐浓度均对红壤的持水性影响显著（p<0.05）。就不同钠盐浓度而言，SF混合-5、SF-5、SFSF-5、FSFS-5处理对应的m值均小于SF混合-10、SF-10、SFSF-10、FSFS-10处理对应的m值，说明持水能力随钠盐浓度的增大而增大；就不同供水方式而言，SF 混合-5的m值小于5 g/L 条件下其他交替供水方式对应的m值，SF混合-10的m值小于10 g/L 下其他交替供水方式对应的m值，其中FSFS-5 处理m值最大，与CK 相比，FSFS-5 的m值较CK 对应的m值大5.45%。结果表明交替供水的方式可提高土壤的持水能力，其中FSFS-5相比其他处理湿润锋推进单位距离所需水量更大，持水能力较强。

表3 累积入渗量与湿润锋运移距离的线性回归结果Tab.3 Linear regression between accumulated infiltration and transport distance of wetting front

2.3 咸淡交替供水方式下红壤入渗模型拟合

为定量分析不同交替供水方式不同钠盐浓度下对红壤入渗过程的影响，采用Kostiakov模型和Philip模型拟合累积入渗量随入渗时间的变化，结果如表4所示。各模型拟合的决定系数R2>0.993（p<0.05），表明Kostiakov模型和Philip模型均能较好地描述不同交替供水方式不同钠盐浓度下红壤累积入渗量与入渗时间的关系。Philip 模型中S值表示土壤吸渗率，就不同供水方式而言，FSFS 交替供水对应的S值大于其他供水方式对应的S值，表现为：FSFS>CK>SFSF>FS>SF 混合>SF；就不同钠盐浓度而言，FSFS-5 处理比FSFS-10 处理的S值大8.26%，说明FSFS-5 处理入渗性能较强。除FS 和CK 处理外，其他处理Kostiakov 模型对应的RMSE值均小于Philip 模型对应的RMSE值，说明淡水和FS 交替供水处理下Philip 模型较Kostiakov 模型更能准确地描述红壤累积入渗量随入渗历时的变化，Kostiakov模型更适合描述不同钠盐浓度下SF混合、SF、SFSF、FSFS处理下红壤入渗特征。

表4 入渗模型参数拟合结果Tab.4 Infiltration model parameter fitting results

2.4 咸淡交替供水方式对红壤水分分布的影响

交替供水方式与钠盐浓度对土壤含水率的影响如图3 所示。随土层深度增加，不同供水方式下土壤含水率在表层（0～7.5 cm）差异较大，其他土层深度差异不明显，其中在土层深度2.5 cm 处差异最大。就不同供水方式而言，5 g/L 下各处理在土层深度2.5 cm 处土壤含水率表现为SFSF-5>FSFS-5>FS-5>CK>SF 混合-5>SF-5，其中SFSF-5、FSFS-5 和FS-5 的土壤含水率较CK 的土壤含水率高12.49%、10.64%和7.21%，SF 混合-5 和SF-5 的土壤含水率较CK 的土壤含水率分别低4.98%和7.25%；10 g/L各处理的土壤含水率在土层深度2.5 cm处表现为FSFS-10>SFSF-10>FS-10>CK>SF-10>SF 混合-10，其中FSFS-10、SFSF-10 和FS-10 的平均土壤含水率较CK 的平均土壤含水率高14.46%、13.88%和3.29%，SF-10 和SF 混合-10的土壤含水率较CK 的土壤含水率低5.05%和7.70%。就不同钠盐浓度而言，5 g/L 和10 g/L 在同一供水方式的土壤含水率无明显差异。结果表明FSFS、SFSF、FS 交替供水处理能够提高表层（0～7.5 cm）土壤的持水能力。

图3 土壤含水率随土层深度分布Fig.3 Soil moisture content is distributed with soil depth

2.5 咸淡交替供水方式对红壤盐分分布的影响

电导率(EC)可以直观反映出土壤中的盐分含量[16]，交替供水方式及钠盐浓度对土壤电导率的影响如图4所示。供水方式的差异导致土壤盐分分布不同，在交替供水方式中，最后一轮供水水质为钠盐溶液处理的EC值明显高于最后一轮供水水质为淡水的处理，表明最后一轮供水水质对表层EC值影响较大。就不同供水方式而言，SF-5 和SF-10 处理EC值表现为先增加后减小，EC值的拐点在22.5 cm 处，相较于SF 混合-5 和SF 混合-10，该处SF-5 和SF-10 处理的EC值分别增大了43.87%和41.27%，此处属于根系分布较密集的区域，土壤盐分含量高会对作物生长产生负面影响；FS-5 和FS-10 均表现为随土层深度的增加EC值减小，盐分较多积累在0～17.5 cm土层深度内，FS-5 和FS-10 在0～17.5 cm 土层深度内平均EC值分别比CK-5 和CK-10 增多了22.15%和40.85%；SFSF 处理在12.5 cm、17.5 cm 和22.5 cm 处存在拐点，EC值表现为先增后减再增再减的现象，其中12.5 cm 处EC值最大，相较于SF混合-5 和SF 混合-10 处理，此处SFSF-5 和SFSF-10 处理EC值分别大28.28%和42.05%；FSFS 处理在12.5 cm、17.5 cm 处存在拐点，EC值呈现先增后减再增再减的趋势，在2.5～12.5 cm 范围内盐分含量高，此范围内，FSFS-5 和FSFS-10 分别比SF 混合-5 和SF 混合-10 处理EC值平均小32.17%和30.68%。就不同钠盐浓度而言，10 g/L 与5 g/L 钠盐溶液在同一供水方式下EC分布规律一致，在同一深度下，钠盐浓度越高，EC值越大。结果表明土壤剖面盐分分布主要受交替供水方式的影响，而盐分累积程度主要受钠盐浓度的影响，浓度越高，越易积盐。

3 讨 论

本文研究了2 种钠盐浓度溶液与淡水分别在5 种不同交替供水方式条件下对红壤水盐运移特征的影响。研究结果显示，同一交替供水方式下钠盐浓度越大，湿润锋运移距离越短，与蒋茜等[17]研究结果基本一致。不同交替供水入渗特性产生差异的原因是：相较于其他处理，首轮入渗水质为钠盐溶液的交替供水方式有SF和SFSF。在SF处理中，首轮入渗过程进入土壤中的Na+数量最多，易造成土壤颗粒膨胀和土壤团聚体分散，堵塞土壤过水通道，从而降低土壤的入渗能力[18]，并导致后续入渗速度减慢；而FSFS和SFSF处理增加了交替次数，淡水可将盐分离子淋洗至下层，减少了盐分在土壤表层积聚，进而缓解了Na+对土壤理化性质的恶化。因此在同一入渗历时下，红壤累积入渗量随交替次数的增加而增加。吴忠东等[19]对北方盐碱地土壤进行了微咸水与淡水交替淋洗试验，探究咸淡水与淡水在不同交替供水方式下对土壤入渗性的影响；研究结果显示，首轮采用微咸水供水时，土壤中大孔隙增多，增强了土壤渗透性，从而缩短了土壤入渗历时。此结果与本试验存在较大差异，其原因是土壤质地不同导致的，因为不同质地的土壤具有不同的土壤结构、导水性能和持水性能等[20]。与北方盐碱土相比，南方典型红壤团聚体的主要胶结物质是土壤中的黏粒。当土壤中大量的黏粒吸水膨胀后，会降低土壤大孔隙和传导孔隙[17]。同时，随着盐分浓度增加，Na+随入渗水进入土壤中的数量也在增多，大量的Na+进一步导致了土颗粒膨胀分散，从而降低了土壤的渗透性[21]，最终导致土壤入渗能力减弱。

目前学者广泛应用Philip 模型和Kostiakov 模型[22]，通过利用不同模型对土壤水分入渗过程进行模拟，可有效探究出土壤水分运动过程规律。Philip 模型较适合模拟均质土壤水分运动过程，Kostiakov 模型适合描述短时间内的土壤水分运动过程[23]。本研究利用Philip 模型和Kostiakov 模型进行分析和比较，通过决定系数R2、均方根误差RMSE和模型参数的评估，选出最合适的入渗模型。研究结果显示，Philip 模型更适合描述淡水和FS 交替供水处理下红壤累积入渗量随入渗历时的变化，而Kostiakov 模型更适合描述不同钠盐浓度下SF 混合、SF、SFSF、FSFS处理下红壤入渗特征。

通过分析交替供水对红壤盐分分布的影响表明，同一供水方式下EC分布规律一致，在同一深度下，钠盐浓度越高，EC值越大。朱成立等[24]研究结果也表明，黏壤质土壤EC值随着盐溶液浓度的增加而增加。其原因有2个方面：一方面，随着入渗水浓度的增加，入渗过程中带入土壤的盐分含量也增多[25]，因此EC值增大；另一方面，盐分浓度的增加会引起土壤黏粒含量发生变化，影响土壤的入渗性质，导致土壤入渗性能变差，盐分淋洗作用不足，导致土壤盐分含量增高[26]。土壤盐分分布受供水方式的影响，尤其是最后一轮供水方式对表层EC值具有显著影响。表现为最后一轮供水方式为钠盐溶液的处理EC值显著高于最后一轮供水方式为淡水处理的EC值。其原因是最后一轮入渗水为钠盐溶液时，盐分不易随水下渗，而是在土壤表层积聚，而当最后一轮入渗水为淡水时，淡水对盐分离子有一定的淋洗作用，使得盐分随水逐渐下渗到较深层的土壤中，由于经历了前期的交替供水，土壤的理化性质已发生变化，入渗性能已经降低，使得淋洗的盐分不能完全抵达到湿润锋边缘位置，只能将盐分淋洗至土壤表层下方[18]。

值得注意的是，本试验土壤EC值随土层深度分布出现了拐点现象。其原因是，首轮供水采用钠盐溶液时，使得土壤表层EC值迅速增加，随后使用淡水供水时，土壤盐分和土壤基质势发生改变，入渗率降低，减轻了淋溶效果，表层盐分只下移到中间层，导致上层EC值减小，中间层EC值增加。刘静妍等[8]对比研究了2种交替供水方式（淡咸交替供水方式、咸淡交替供水方式）对黏壤土盐分分布的影响，结果显示，在淡咸交替供水方式下，土壤EC值出现两端积盐现象，降低了土壤中间层的盐分含量；而在咸淡交替供水方式下，整体土壤EC值增大，表层的含盐量较低；这2 种交替供水方式下土壤EC值也出现了拐点现象，与本试验结果类似。当入渗水定额相同时，整体上FSFS 处理在10～35 cm 土层深度内平均EC值比其他供水方式的EC值小，说明FSFS 交替供水方式降低了盐分在作物根区累积程度。这表明FSFS 交替供水有利于降低盐分对土壤的负面影响，可作为本次试验下的最优供水方式。本试验仅在室内条件下进行，所得结果具有局限性，因此还需进行大田试验进行验证。在利用再生水进行灌溉时，应考虑再生水中盐分浓度、交替次数、交替次序、交替间歇时间以及农作物各生育期抗盐胁迫能力等因素。

4 结 论

本文采用室内一维垂直土柱入渗试验，探究了5、10 g/L钠盐溶液与淡水在5种供水方式下对亚热带典型红壤入渗及水盐分布的影响。

（1）在相同交替供水方式下，钠盐浓度越大，湿润锋运移距离越短，并且在同一入渗历时下，红壤累积入渗量随交替次数的增加而增加。

（2）模型I=mZf能较好描述不同供水方式不同盐分浓度下土壤累积入渗量与土壤湿润锋运移距离的关系，5 g/L 淡咸淡咸交替处理推进单位距离所需水量最大，具有较高的持水性；Philip 模型更适合描述淡水和淡咸交替供水下红壤累积入渗量随入渗历时的变化，Kostiakov 模型更适合描述咸淡混合、咸淡交替、咸淡咸淡交替、淡咸淡咸交替下红壤入渗特征。

（3）土壤剖面盐分分布主要受交替供水方式的影响，而盐分累积程度主要受钠咸浓度的影响，浓度越高，越易积盐。5 g/L 淡咸淡咸交替处理能增强土壤入渗能力，降低盐分在作物根区的累积程度，为最优交替供水方式和钠盐浓度水平。